地下水监测预警综合信息平台建设研究

关 琴，柳浩然，马雪莹，林广奇，姜晓芬，韩 旭

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队,山东 济南 250014；2.济南中安数码科技有限公司，山东 济南 250000)

1 引言

地下水动态监测管理平台目标是建设一个时效高、信息内容全面且准确可靠的地下水动态监测管理平台，为相关部门的统计分析决策提供科学、及时、有效的信息指导。利用GIS、数据库技术和计算机网络技术，实现信息实时动态采集、信息存储与管理、信息动态查询、检索、统计等，通过智能化的处理机制，建立有效、合理、实时的地下水动态监测管理平台。

平台建设结合工作实际和地下水资源的实际分布等情况，实现地下水资源的动态监测，评价与分析，建设一个全面管理地下水监测数据采集、传输、存储、管理、分析、预警与发布为一体的地下水监测预警综合信息化平台，实现地下水动态监测数据的实时传输和及时发布，向政府和社会公众发布更为丰富的地下水监测数据及成果信息，为地下水可持续管理提供科学依据。构建起地下水资源监测管理服务系统应用与服务平台，为地下水资源的统筹规划与管理、分析评价提供技术支撑。

2 标准化工作流程

2.1 地下水监测数据集成

由于地下水监测由各地市监测站分别管理，监测设备由不同厂商进行供应，导致数据存储分散在不同数据库，因此需要将数据库进行集成，地下水监测数据库集成方案主要有以下4种，需要与每个设备厂商进行沟通对接，选择合适的集成方式。

(1)监测设备数据实时传输：监测数据直接传送到系统数据库。

(2)不定期被动接收推送数据：由设备厂商不定期的将监测数据推送到已建立好的系统数据库。

(3)定期自动采集与存储：定期的从厂商数据库中采集数据，时间可调整。

(4)数据实时共享：在网络互连互通的前提下，以接口开发的方式实现数据的实习共享。

2.2 界面设计原则

地下水监测预警综合信息化平台是一个综合业务分析系统，要满足地下水管理的需要，对系统使用者而言，界面就是系统。因此用户界面设计将是系统详细设计的中心工作之一。

本系统坚持图形用户界面(GUI)设计原则，界面直观、对用户透明：用户接触软件后对界面上对应的功能一目了然、不需要多少培训就可以方便使用本系统。界面设计的基本原则有以下特点。

(1)界面设计：根据数据录入人员的业务处理习惯和规范作为客户端(浏览器端)界面设计的依据，尽可能利用鼠标进行操作，减少文字输入和键盘的使用。

(2)与工作习惯一致：界面的布局及所有输入、输出均应采用用户的工作用语，体现用户的工作习惯、工作模式，符合行业规范和日常办公习惯。

(3)布局合理化原则：应注意在一个窗口内部所有控件的布局和信息组织的艺术性，使得用户界面美观；布局力求简洁、有序、易于操作。

(4)界面应提供用户对当前任务的运行状况进行跟踪的能力：可随时提供各种信息，向用户报告系统的运行状况，让用户对系统的工作状况有清楚地了解。

(5)界面风格一致：界面风格应与用户普遍接受的微软设计风格和网站设计风格一致。界面分区、界面提示、界面动态信息提示、过程提示、界面用语与专业术语一致等。

(6)界面应提供较好的引导帮助功能：用户界面必须具备良好的帮助功能和提供足够多的提示信息，引导用户开展工作。

2.3 权限控制

根据人员层次的不同，需要对系统内成员进行权限划分，并赋予不同的角色权限来保证数据库结构的稳定性、安全性。

(1)各地市用户：管理管辖范围内监测点、监测数据、设备数据信息，拥有查看、编辑、删除所管辖数据的权限，以及数据的查看、检索、编辑、导出、查询统计功能。

(2)决策人员用户：拥有平台内监测点、监测数据、监测设备的浏览与展示、统计功能。

(3)系统管理员：可对平台内所有监测点、监测数据、监测设备进行管理，拥有增加、编辑、删除、浏览、导出、统计的功能。

2.4 数据更新维护

对系统内地下水数据提供更新、维护以及检查机制，可提供监测点基本信息、监测设备基本信息、监测设备维护信息、通讯设备基本信息、监测数据的批量导入、更新操作，更新数据通过导入模板的形式控制每个字段的数据格式，对于不符合格式的数据，拒绝上传系统。对于有权限的用户，可对系统内数据进行维护。具体包括数据的编辑操作，可对错误数据进行修改。

(1)附件资料维护更新。附件资料的处理主要包括原件处理、扫描、图片格式转换、PDF制作等，有些需要进行数据录入和图件矢量化。附件资料入库方式主要有追加导入和更新导入，在已有附件基础上追加或者删除已有附件重新导入附件。

(2)地下水监测数据维护更新。地下水监测数据是掌握地下水动态变化情况的重要途径，随着地下水的长期监测，数据会呈现逐渐增加的趋势，其维护更新主要是通过人工进行数据导入或者自动接收监测设备的传输数据。

3 地下水动态监测数据库

建设的数据库属于地下水监测预警综合信息化平台的一部分，要求建库过程中能够按照标准和相应需求进行建设，并能够使用统一的数据服务接口进行发布。数据库建设具体内容包括基础数据库和空间数据库等，必须满足地下水监测预警综合信息化平台的正常运行，数据的正常导入、浏览和展示。

3.1 建库原则

地下水动态监测数据库建设是将地下水数据信息化、标准化最重要的一步，其服务对象为整个水文专业人员、领导决策人员等，这要求地下水动态监测数据库的建设突出规范性、实用性、交互性。

3.2 建库内容

地下水信息数据库主要由空间数据、监测点数据、监测设备数据、地下水动态监测数据四大类信息组成。

(1)基础空间数据：采用国家测绘地理信息局提供的天地图服务。

(2)监测点数据：主要包括监测点的基本信息、地热井基本信息、水源地基本信息以及监测点的附件数据(平面示意图、成井柱状图、典型照片、剖面图)。

(3)监测设备数据：包括设备基本信息、设备维护记录、通讯设备基本信息。

(4)地下水动态监测数据：主要包括地下水位、水量、水温、水质、水化学、降雨量等监测数据。

3.3 实体类划分

地下水动态监测数据库包括一级实体类3个，二级实体类19个，合计22个，其实体划分如表1。

表1 地下水动态监测数据库类别划分

4 系统应用建设

地下水监测预警综合信息化平台分为六大功能模块分别是：数据管理、地下水一张图、综合分析与评价、预警预报、专题服务和系统管理。通过以上功能实现具备数据存储展示、数据分析评价、预警预报等功能完备、实时动态的地下水监测预警综合信息化平台，如图1所示。

图1 系统功能

4.1 数据管理

数据管理提供监测点数据、仪器设备数据、监测数据以Excel文件的形式批量导入、单条添加、编辑、删除、浏览，结果以列表形式在平台中展示(图2)。

图2 数据管理界面

数据审查提供管理员用户对于待入库数据的审核，以不同颜色对未审核和已审核的数据进行区分，当数据通过管理员的审核时进入平台的正式数据库，同时管理员还有对审核数据的编辑和删除权限，提供日志记录数据审查操作记录。

水位缺失功能结合天地图实现对水位缺失异常监测点的展示，按照水位缺失天数进行分组展示，查看水位缺失异常点，便于掌握各个监测点的水位上报情况。

同时平台提供各类数据的统计功能，直观的将平台内的数据进行分类统计，包括统计图和统计表，可按照行政区划、监测点级别、地下水类型、水质评价等级、水文地质分区等进行统计，方便用户掌握数据的综合情况。

4.2 地下水一张图

实现GIS的基础地理功能，该部分基于天地图、地理信息平台二次开发，主要功能包括地图基本操作、地图查询、地图分析等。地下水一张图集成展示基于B/S架构，在天地图的基础上将地下水监测点进行叠加显示，统一采用中国大地2000坐标系。

主要包括地下水监测数据的列表展示、图形展示、详细信息展示等功能，掌握各行政辖区内地下水监测点的分布情况，可以通过目录树选择行政区划下对应的监测点编号，在右侧显示对应的监测点信息及监测数据信息。展示时根据监测点级别、地下水类型等属性的不同，为不同属性的监测点设置不同的地图符号。通过此方式，直观的展示监测点的分布和属性信息。

平台根据检索条件，得出检索结果后，采用列表展示和地图展示两种方式展示监测点信息。

(1)列表展示。根据检索条件以树形目录列表的形式展示地下水监测点信息、监测设备信息、地下水监测信息基本信息。单击列表某一条记录实现地下水监测点信息、监测设备信息、地下水监测信息的详细展示。

(2)地图展示。在列表中点击某一监测点，即可在地图视图上定位到该监测点、监测设备的具体位置。在地图上点击监测点弹出的TIP框。

(3)详细信息展示。在地图上，以标注点的形式显示监测点，点击此监测点弹出TIP框，展示监测点的概要信息，点击TIP框上的相关链接，可展示出该监测点的详细信息。

监测曲线分析主要是生成水位、水质、水温数据在某一段时间段内的动态曲线图，可同时进行不同监测点之间的数据对比。

4.3 综合分析与评价

4.3.1 水位动态分析

水位动态分析包括水位监测曲线和图件的制作，可查看各个水位监测点的动态曲线、拟合曲线、水位标高叠加降雨量、开采量等关系曲线图、水位年变幅曲线。

(1)动态曲线：可根据历年监测点的水位数据生成曲线图，并可预测两周的水位数据。

(2)拟合曲线：可展示同一水位监测井不同年份的水位数据曲线，默认展示近三年的水位数据，可通过下拉框选择该监测点下的历年的水位数据进行对比。

(3)水位标高叠加降雨量、开采量等关系曲线图 ：将监测点的水位标高数据叠加该地区的降雨量、该点的开采量，若该点有泉流量以及补源量则需进行叠加展示。

(4)水位年变幅曲线：可任选两年做差生成年变幅曲线，并标注最大值和最小值。

4.3.2 水化学特征分析

水化学特征分析主要包括水化学类型评价和各类图件的制作，水化学类型评价根据阴阳离子的浓度计算进行水化学的类型分析；各类图件制作主要包括水化学等值线图、水化学含量分区图、水化学类型分区图的制作，可选择需要制图的监测点、监测时间、离子进行生成，直接叠加至天地图展示。

4.3.3 水质评价

水质评价是将地下水质采样点结合天地图叠加显示，并且按照不同评价等级以不同颜色符号进行展示(Ⅰ级：绿色；Ⅱ级：蓝色；Ⅲ级：黄色；Ⅵ级：橙色；Ⅴ级：红色)。

可按照行政区划、监测时间和地下水类型等进行筛选显示，点击采样点显示该点水质的基本信息、超标离子、超标倍数，并可查看历年的水质评价等级柱状图以及单离子质量曲线图，方便掌握区域内水质质量情况。

4.3.4 地下水监测报表

为满足专业用户的日常办公及管理业务需求，可支持一定报表模板形式的报表分析及自动生成各种地下水监测报表功能，并支持报表的下载、打印及输出等。报表输出主要生成水位年鉴报表并提供下载功能。可按照行政区划、监测时间和地下水类型进行筛选显示。

(1)报表生成。年鉴报表生成功能方便各业务人员对本年度地下水监测工作进行总结，方便领导查看地下水监测数据。选择年鉴报表的年份、类型，即可生成所需的年鉴报表。

(2)报表下载。提供报表下载功能，下载报表以excel表格形式保存，主要包括每日水位标高、每月内的水位特征值(最高、最低、平均)等(表2)。

表2 水位年鉴报

4.4 预警预报

预警预报包括水位、水温、水量预警，提供阈值参数的设置和修改，用户可结合天地图查看监测点的基本信息和监测数据，并可生成水位、水温、水量变化曲线图、区域等水位线图、区域水位埋深等值线图、水质单离子等值线图。当监测数据超过阈值时，系统会自动报警，报警方式分为闪烁报警、声音报警和短信报警。

(1)水位预警：用户设定每个监测点的预警水位和报警水位阈值(可自定义修改)，读取监测设备的水位数值，生成单井水位曲线、区域等水位线图、区域水位埋深等值线图。当地下水水位低于阈值时，系统在该点以红色标识，并以列表展示。

(2)水位预警的曲线，以水位阈值为底图作为参照曲线，叠加降雨量和开采量可选显示。

(3)水温预警：用户设定地热监测点的预警水温和报警水温阈值，生成水温变化曲线图，当地下水水温低于阈值时，系统在该点以红色标识，并以列表展示。

(4)水量预警：用户设定监测点监测指标阈值，生成水量变化曲线图，当地下水水量监测数据超出阈值范围，系统在该点以红色标识，并以列表展示。

4.5 专题服务

以图层的形式展示基础性图件、地热监测、岩溶塌陷、地面沉降、海水入侵、水源地等各类专题图件，选择左侧列表选择图件进行展示，可进行多个图件叠加显示。展示地热专题和海水入侵专题时将监测点显示在底图展示。

4.6 系统管理

系统管理实现个人信息、用户管理、权限管理、图层管理功能。该子模块具有个人信息编辑和展示功能；用户查询、编辑、删除等管理功能、权限查询、编辑、删除等管理功能(图3)。

图3 数据流程

(1)个人信息管理主要包括个人信息的查看，以及个人信息的编辑、保存功能。

(2)用户管理主要包括用户信息的查看、编辑、删除，用户关键词查询、用户列表展示等功能。

(3)权限管理主要包括查询权限信息、权限信息列表展示、添加用户权限、设置权限等级、权限修改、删除等功能。

(4)图层管理主要是对系统内各专题的成果图件进行发布、添加、编辑、删除等操作。

5 结论

地下水资源的开发利用对社会经济的发展有着十分重要的作用，即时、全面、准确地了解水资源程度，科学评价水资源生态至关重要。地下水动态监测数据库建成服务于各地市的地下水数据管理，掌握水资源情况、加强监管能力，避免因地下水开采不良所造成的地质问题，针对地下水监测问题、现状及发展趋势，提高地下水监测网络覆盖面，提升地下水监测和监管能力，提升地下水监测信息化水平，为地下水资源的统筹规划与管理、分析评价提供技术支撑。