王 軍

（山西省數(shù)字水利中心，山西 太原 030002）

1 概況

1.1 研究背景

水源地及地下水保護(hù)工程是山西省“興水戰(zhàn)略”六大工程之一。2006年來，省水利廳投入大量人力物力進(jìn)行該工程建設(shè)。2007年，啟動了山西省水井普查工作，到2007年底普查機(jī)井136334眼，初步建成了山西省水井普查數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了水井銘牌管理。2008年11月完成了全省水文地質(zhì)類型區(qū)劃分工作，根據(jù)地下水動態(tài)及開發(fā)利用程度，全省共劃分市級水文地質(zhì)類型區(qū)377個、縣級水文地質(zhì)類型區(qū)746個，并確定了各類型區(qū)地下水資源量、可開采量及采補(bǔ)平衡關(guān)系，進(jìn)一步對地下水開發(fā)利用程度進(jìn)行評價。2009—2010年，啟動了全省地下水自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。上述工作為強(qiáng)化水權(quán)分配和取水總量控制，實(shí)現(xiàn)地下水止降回升，科學(xué)配置、管理和保護(hù)水資源打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 目標(biāo)和任務(wù)

為全面掌握山西省地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀，合理調(diào)配有限的地下水資源，有效控制地下水超采，亟需建立一個地下水資源管理系統(tǒng)：即在全省水井普查成果的基礎(chǔ)上，建立全省地下水資源動態(tài)更新數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)全省水井新增、關(guān)停及運(yùn)行狀態(tài)動態(tài)管理；以年度為單位，將地下水開采量按行政區(qū)、特征區(qū)及水文地質(zhì)類型區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計匯總；與省水文局地下水監(jiān)測和動態(tài)發(fā)布系統(tǒng)鏈接，實(shí)時接收地下水位動態(tài)變化；以水文地質(zhì)類型區(qū)為單位進(jìn)行地下水開發(fā)利用程度評價。

2 總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

山西省地下水資源管理系統(tǒng)應(yīng)在基本建成的山西省數(shù)字水利系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)，兩個系統(tǒng)要緊密結(jié)合，相互調(diào)用。該系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，以滿足多用戶異地同時快速操作需求，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)省水文局對山西省地下水監(jiān)測系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)及成果的調(diào)用。

該系統(tǒng)的基本用戶是縣級水利管理人員?？紤]到各縣硬件配置參差不齊、使用人員計算機(jī)應(yīng)用水平不一，因此，系統(tǒng)應(yīng)具有操作簡單、界面友好、運(yùn)行穩(wěn)定、硬件要求低、兼容性好等特點(diǎn)。

由于涉及的人員多、數(shù)據(jù)多，調(diào)查和錄入錯誤不可避免，因此系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的審查及糾錯功能，同時還需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速查詢檢索。

2.2 主要功能模塊劃分

3 存在主要問題

3.1 水井動態(tài)更新問題

水井每年動態(tài)更新工作量很大，如何合理調(diào)配有限的人力資源，高效利用現(xiàn)有資源是系統(tǒng)建設(shè)中亟需解決的主要問題。

3.2 不同數(shù)據(jù)源間的共享問題

各個水源井所安裝的設(shè)備互有不同，開采量記錄方法不盡相同，各自所屬管理部門也各不相同，數(shù)據(jù)存在于紙質(zhì)、電子表格以及分門別類的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。隨著今后信息化程度的提高，越來越多的末級管理部門會建設(shè)其相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)。能否與這些系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互是決定該系統(tǒng)能否可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

3.3 數(shù)據(jù)查詢檢索問題

系統(tǒng)建成后，其內(nèi)容的涵蓋面、容納的數(shù)據(jù)量、涉及的部門及潛在的用戶群在山西省水利行業(yè)相關(guān)信息系統(tǒng)建設(shè)中也是首例。其建設(shè)效果很大程度上取決于界面是否友好、操作是否方便、運(yùn)行是否穩(wěn)定、查詢是否快捷，其中大數(shù)據(jù)量的靈活快捷查詢是該系統(tǒng)著力解決的重點(diǎn)問題。

3.4 地下水實(shí)時監(jiān)測信息的利用問題

地下水實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)建成后，如何提升其動態(tài)分析成果的時效性，將地下水位的升降與水文地質(zhì)區(qū)、水源井的開采掛鉤，給管理者提供快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持是該系統(tǒng)必須面臨的中心問題。

4 思路與方法

4.1 常用地下水計量方式

目前國內(nèi)廣泛采用的地下水計量方式主要有：

第一，普通水表計量。水表是最簡單、最廣泛的一種用水管理方式，通過水表讀數(shù)可實(shí)現(xiàn)對用水量的監(jiān)控，因此管理人員必須定期現(xiàn)場讀取水量，通過對閥門的控制實(shí)現(xiàn)對水資源的管理，其數(shù)據(jù)更新頻率一般以月為單位。

第二，IC卡計量。這是利用智能IC卡水表對用水量進(jìn)行計量并進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的管理方式。管理中心通過對IC卡的管理，達(dá)到收取水費(fèi)、控制用水量的目的，其數(shù)據(jù)更新頻率為幾天到幾個月不等。

第三，遠(yuǎn)程自動監(jiān)控。遠(yuǎn)程自動監(jiān)控的核心是利用CDMA，GPRS，GSM等無線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)井用水量、地下水水位等信號的遠(yuǎn)程無線傳輸。管理人員在監(jiān)測水量的同時，可遠(yuǎn)程控制水泵的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)水量控制，做到數(shù)據(jù)實(shí)時更新。

4.2 地下水資源信息的動態(tài)更新

4.2.1 合理整合資源，各部門協(xié)同作戰(zhàn)

采用普通水表管理的，在每年2—4月報上一年的用水?dāng)?shù)據(jù)。采用IC卡計量和遠(yuǎn)程自動監(jiān)控方式管理的，盡可能實(shí)現(xiàn)其管理系統(tǒng)和本系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。每個管理站應(yīng)落實(shí)專人負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)錄入。

按取水用途的不同，將水井落實(shí)到不同的水利管理部門。工業(yè)及城市生活井來自山西省水資源實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，由水資源處更新；農(nóng)業(yè)灌溉井由農(nóng)村水利處更新；農(nóng)村生活井來自山西省農(nóng)村飲水安全信息管理系統(tǒng)，由供水處更新；地下水位監(jiān)測信息來自山西省地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)，由水文局更新。4.2.2 異構(gòu)數(shù)據(jù)源的共享問題

各相關(guān)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)庫是異構(gòu)的，其異構(gòu)性表現(xiàn)在諸多方面，如數(shù)據(jù)庫模式、數(shù)據(jù)的表示、支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的DBMS等。需建設(shè)一種新的系統(tǒng)框架來解決異構(gòu)數(shù)據(jù)庫間的信息共享與集成問題。其目標(biāo)是建立統(tǒng)一接口來訪問異構(gòu)數(shù)據(jù)，用戶訪問異構(gòu)數(shù)據(jù)時，只需指定所需的數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)模式、數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)合成以及數(shù)據(jù)獲取等細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)透明訪問。

XML（ExtensibleMarkupLanguage）即可擴(kuò)展標(biāo)記語言，是一個交互式平臺，是一種獨(dú)立于軟硬件的數(shù)據(jù)傳輸工具。該語言具有與平臺無關(guān)、易于擴(kuò)展、交互性好、語義性強(qiáng)、可格式化等特性，目前已成為Web數(shù)據(jù)表示和交換的標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求，在對傳統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)進(jìn)行分析比對的基礎(chǔ)上，計劃利用XML進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和傳輸。

4.2.3 不同頻率數(shù)據(jù)的合成

由于從各部門獲取數(shù)據(jù)源的采樣頻率不同，即使在同一部門內(nèi)部，由于采集手段不同，數(shù)據(jù)采樣頻率和格式也不盡相同。因此，如何合理、有效地整合這些數(shù)據(jù)是系統(tǒng)建設(shè)過程中面臨的主要問題。

系統(tǒng)運(yùn)行初期，考慮到各部門數(shù)據(jù)統(tǒng)一和資料收集難度大，統(tǒng)一以年為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)動態(tài)更新。但隨著今后功能拓展需求和信息采集自動化程度的提高，以及更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘需求，在數(shù)據(jù)庫建設(shè)過程中，原則上不應(yīng)降低或限制原始數(shù)據(jù)的采樣率。

該系統(tǒng)通過改變數(shù)據(jù)存儲格式將不同采樣率的數(shù)據(jù)改變成同樣格式的數(shù)據(jù)。對于表示過程的物理量，采用起始測量時間、結(jié)束測量時間、測量值等三個關(guān)鍵字段表征，在進(jìn)行重采樣時采用非采樣區(qū)間補(bǔ)零的方法進(jìn)行處理。對于表示狀態(tài)的物理量，統(tǒng)一采用監(jiān)測時間、監(jiān)測值兩個物理量表征，在進(jìn)行重采樣時應(yīng)采用線性插值法進(jìn)行處理。

4.3 查詢檢索及統(tǒng)計匯總模塊建設(shè)

系統(tǒng)中設(shè)置了單條件查詢、組合條件查詢、查詢結(jié)果中再查詢、模糊查詢等基本查詢功能。同時對查詢結(jié)果設(shè)計了一種靈活、自由的分類匯總模塊。即通過自由選擇參與匯總的項目（各級行政區(qū)、特征區(qū)、水文地質(zhì)區(qū)等），經(jīng)合理組合，形成不同級別用戶相應(yīng)的各類統(tǒng)計報表。對所有查詢和匯總結(jié)果均可生成相應(yīng)報表并進(jìn)行打印、輸出等操作。

4.4 地下水自動監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析成果共享

4.4.1 實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)和整編成果

地下水實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)效性強(qiáng)，但難免會有個別數(shù)據(jù)因各種原因存在較大誤差。整編成果剔出了誤差點(diǎn)，但其時效性又較差，往往有幾個月的延遲。該系統(tǒng)將實(shí)時數(shù)據(jù)和整編成果分別建庫，利用整編成果推算閾值并對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行初步甄別，采用聯(lián)合查詢實(shí)現(xiàn)二者合并，初步實(shí)現(xiàn)了時效性和準(zhǔn)確性的統(tǒng)一。

4.4.2 動態(tài)分析成果共享

繪制地下水位等值線圖是地下水分析中最常用、最經(jīng)典的方法。目前，省水文局地下水監(jiān)測與動態(tài)發(fā)布系統(tǒng)可以利用監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)生成地下水位等值線，其基于ARCIMS軟件平臺，利用ARCGIS強(qiáng)大的空間分析功能自動繪制等值線，并通過合理增加控制點(diǎn)的方法進(jìn)行人工干預(yù)，避免了局部地區(qū)地下水等值線穿越河道、山脊等不合理走向問題，實(shí)現(xiàn)了地下水位等值線的半自動繪制，向?qū)崟r分析邁出了一大步。

下面主要研究如何科學(xué)利用成果的問題。

DTM是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述，主要有等值線、規(guī)則格網(wǎng)、不規(guī)則三角網(wǎng)三種表示形式。

等值線圖以一組相等數(shù)值點(diǎn)的連線表示制圖對象的數(shù)量、特征等物理量的地圖。但只表達(dá)了區(qū)域的部分高程值，需要通過插值來計算落在等高線外其他點(diǎn)的高程，適用于平面制圖。規(guī)則格網(wǎng)將區(qū)域空間分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個格網(wǎng)單元對應(yīng)一個數(shù)值，在計算機(jī)中對應(yīng)為一個二維數(shù)組。其優(yōu)點(diǎn)是易于用計算機(jī)進(jìn)行處理，例如生成等高線、計算坡度坡向、山坡陰影和自動提取流域地形等操作，缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確表達(dá)細(xì)節(jié)、數(shù)據(jù)量大。不規(guī)則三角網(wǎng)可隨地形起伏變化的復(fù)雜性而改變采樣點(diǎn)的密度和決定采樣點(diǎn)的位置，既能避免數(shù)據(jù)冗余，又能展現(xiàn)細(xì)節(jié)，缺點(diǎn)是不利于計算。

由于地下水位動態(tài)分布具有變化平坦、連續(xù)性好的特點(diǎn)，而且主要是利用其進(jìn)行分析計算，加之規(guī)則格網(wǎng)是生成等值線的過程產(chǎn)物，因此采用規(guī)則格網(wǎng)作為地下水位監(jiān)測成果的共享方式是可行的。