基于WISYS地下水環(huán)境健康管理系統(tǒng)構(gòu)建研究

徐 蕾，王凱軍，王永偉

（1.吉林省水文水資源局，吉林 長春 130022；2.水利部松遼水利委員會(huì)，吉林 長春 130021；3.吉林省水文水資源局延邊分局，吉林 延吉 133001）

1 概 述

1.1 地下水環(huán)境健康

地下水環(huán)境健康是表征地下水環(huán)境所處的狀態(tài)——健康程度的指標(biāo)，是指地下水環(huán)境在發(fā)揮其資源、生態(tài)以及地質(zhì)環(huán)境功能等諸方面所具有的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[1]。

健康的地下水環(huán)境在現(xiàn)狀條件下具有正常的功能，并能在長期的外界活動(dòng)影響下維持地下水環(huán)境系統(tǒng)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和正常功能，正常的物質(zhì)和能量的循環(huán)流動(dòng)沒有受到破壞，對(duì)外界干擾的長期效應(yīng)具有一定的抵抗能力和恢復(fù)能力，可以通過自我調(diào)節(jié)對(duì)在一定程度范圍內(nèi)的外界脅迫具有自我恢復(fù)能力[2]。

因此，影響地下水環(huán)境健康的因素主要有自然因素和人為因素，特定區(qū)域的地下水環(huán)境健康等級(jí)是自然和人類活動(dòng)空間上互相疊加互相影響的結(jié)果的外在表現(xiàn)，地下水環(huán)境各組成要素之間相互依靠一定的信息產(chǎn)生聯(lián)系和相互作用，在空間上構(gòu)成特定的分布組合形式，共同完成地下水環(huán)境的各種功能。

1.2 WISYS系統(tǒng)簡介

WISYS信息系統(tǒng)平臺(tái)是上海市水務(wù)局于2004年6月申請(qǐng)的水利部“948”項(xiàng)目—《水務(wù)一體化軟件平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)》，從德國水資源規(guī)劃及系統(tǒng)研究院（WASY）引進(jìn)的信息系統(tǒng)平臺(tái)。

WISYS是德國WASY在ArcGIS基礎(chǔ)上開發(fā)而成的信息系統(tǒng)開發(fā)工具，主要用于在歐洲水框架指令下流域的管理和規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展控制及地表水的生態(tài)環(huán)境控制。作為目標(biāo)模擬工具，WISYS能處理與流域管理和相關(guān)的所有地表水和地下水空間表象信息，用于水信息管理，主要用于進(jìn)行管理流域基本信息、監(jiān)測信息的管理和WISYS事件信息的管理，事件信息的管理主要包括：點(diǎn)（各類監(jiān)測點(diǎn)、泵站等點(diǎn)狀要素事件）、線（如河段、管道等線狀要素事件）、水質(zhì)信息、河流水系等水網(wǎng)信息及水類型事件信息的管理。

2 地下水環(huán)境健康管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

地下水環(huán)境健康管理系統(tǒng)構(gòu)建的總體目標(biāo)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括GIS、數(shù)據(jù)庫、二次開發(fā)語言及WISYS系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)手段，建立一套先進(jìn)的、涵蓋地下水環(huán)境健康評(píng)價(jià)、預(yù)測和預(yù)警功能的地下水環(huán)境健康管理體系。通過系統(tǒng)的建立，形成較為完善的與地下水系統(tǒng)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)庫中各類數(shù)據(jù)的整理、分析，利用所構(gòu)建的模型庫中的評(píng)價(jià)、預(yù)測和預(yù)警模型實(shí)現(xiàn)研究區(qū)地下水環(huán)境健康的評(píng)價(jià)、預(yù)測和預(yù)警，并將結(jié)果以統(tǒng)計(jì)圖表、電子地圖等方式生動(dòng)直觀地顯示出現(xiàn)，為合理開發(fā)利用水資源和改善地下水環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，為各級(jí)水行政主管部門的科學(xué)決策提供有力支撐[3]。

2.2 系統(tǒng)整體框架

該系統(tǒng)以ARCGIS和WISYS系統(tǒng)為支撐環(huán)境，采用服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合COM+技術(shù)，以組件為基礎(chǔ)單元提高系統(tǒng)各項(xiàng)功能的聚合性,完成軟件的功能設(shè)計(jì)，從而構(gòu)建起完善的地下水健康管理系統(tǒng)，以便提供以圖、表等各種形式的地下水評(píng)價(jià)、預(yù)測、預(yù)警成果，為水資源保護(hù)和日常管理提供先進(jìn)手段和科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要為三層：系統(tǒng)數(shù)據(jù)層、應(yīng)用服務(wù)層、人機(jī)交互層。

1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)層：進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、計(jì)算和管理，為系統(tǒng)提供查詢分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并對(duì)成果進(jìn)行管理；使用Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，使用文件方式管理文件和電子地圖。

2）應(yīng)用服務(wù)層：作為系統(tǒng)核心，提供面向功能的模型和組件，包括基于ArcGIS的電子地圖組件，數(shù)據(jù)庫訪問組件、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算組件、地下水評(píng)價(jià)模型組件、地下水預(yù)測模型組件、地下水預(yù)警模型組件和系統(tǒng)管理組件等。

3）人機(jī)交互層：以客戶端交換界面方式實(shí)現(xiàn)地下水健康管理信息的管理、查詢分析和應(yīng)用，并利用客戶端實(shí)施人為調(diào)控。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 地下水環(huán)境健康管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 地下水環(huán)境健康管理系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

地下水環(huán)境健康管理系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)主要通過數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)庫包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫涵蓋了水資源指標(biāo)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)三大準(zhǔn)則，六個(gè)分類，共計(jì)54個(gè)地下水環(huán)境健康指標(biāo)?？臻g數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)空間信息和地下水監(jiān)測站網(wǎng)、地下水水質(zhì)類別、地下水健康等級(jí)分區(qū)等各類空間專題圖層數(shù)據(jù)。針對(duì)模型具有對(duì)象的特征，提出了一種采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)構(gòu)造模型及模型庫管理系統(tǒng)的方法。

地下水環(huán)境健康評(píng)價(jià)、預(yù)測、預(yù)警關(guān)注的核心都是地下水環(huán)境的變化以及演化趨勢，三者有密切的關(guān)系，前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的深化和發(fā)展應(yīng)用。根據(jù)這三者的關(guān)系，要進(jìn)行地下水環(huán)境健康預(yù)測研究，就必須先進(jìn)行合理的現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，有了科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測，才能科學(xué)正確的地下水環(huán)境健康預(yù)警，為水資源的優(yōu)化配置、合理利用和科學(xué)管理，提供強(qiáng)有力的支撐。因此，針對(duì)地下水健康評(píng)價(jià)、預(yù)測、預(yù)警相互關(guān)系，建立地下水健康評(píng)價(jià)模型、預(yù)測模型及預(yù)警模型庫，對(duì)地下水健康管理系統(tǒng)進(jìn)行模型支持。

3.2 地下水環(huán)境健康綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)地下水環(huán)境健康綜合評(píng)價(jià)的內(nèi)涵、研究內(nèi)容及評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行地下水環(huán)境健康的綜合評(píng)價(jià)。首先構(gòu)建研究區(qū)地下水環(huán)境健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用地下水環(huán)境健康管理信息數(shù)據(jù)庫中的指標(biāo)，利用模型庫不同的指標(biāo)篩選方法，如主成分分析法或灰色關(guān)聯(lián)度分析法，進(jìn)行地下水環(huán)境健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選，構(gòu)建適用于研究區(qū)地下水環(huán)境健康綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系；根據(jù)數(shù)據(jù)庫中所構(gòu)建的指標(biāo)體系的各指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用模型庫中地下水環(huán)境健康綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)方法，進(jìn)行研究區(qū)地下水環(huán)境健康的綜合評(píng)價(jià)。

3.3 地下水環(huán)境健康預(yù)測和預(yù)警

根據(jù)地下水環(huán)境健康預(yù)測和預(yù)警的內(nèi)涵、研究內(nèi)容及計(jì)算方法，進(jìn)行地下水環(huán)境健康的預(yù)測和預(yù)警。按照構(gòu)建地下水環(huán)境健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方法構(gòu)建研究區(qū)地下水環(huán)境健康預(yù)測和預(yù)警指標(biāo)體系。根據(jù)所構(gòu)建的研究區(qū)地下水環(huán)境健康預(yù)測指標(biāo)體系及相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用模型庫中地下水環(huán)境健康預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，對(duì)研究區(qū)地下水環(huán)境健康狀況進(jìn)行預(yù)測。主要包括：研究區(qū)地下水環(huán)境健康單指標(biāo)預(yù)測和綜合指數(shù)預(yù)測兩種。在地下水環(huán)境健康預(yù)測的基礎(chǔ)上，亦地下水環(huán)境健康診斷的基礎(chǔ)上，提出研究區(qū)地下水環(huán)境健康的預(yù)控措施，構(gòu)建研究區(qū)地下水環(huán)境健康的人工免疫子系統(tǒng)[4]。

4 結(jié)語

作為水環(huán)境重要組成的地下水環(huán)境，對(duì)于促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展具有舉足輕重的作用。將生態(tài)系統(tǒng)健康理念引入地下水環(huán)境的系統(tǒng)研究中，分析地下水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的能力和狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)狀地下水系統(tǒng)環(huán)境健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測和預(yù)警，為水行政主管部門的科學(xué)管理、水資源的優(yōu)化配置和提供技術(shù)支撐，以水資源的可持續(xù)利用保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

[1]王凱軍.地下水環(huán)境健康預(yù)測研究與應(yīng)用[D].長春：吉林大學(xué)，2009.

[2]姜紀(jì)沂.地下水環(huán)境健康理論與評(píng)價(jià)體系的研究及應(yīng)用[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

[3]曹東平，王凱軍，李升.黃河下游河南段地下水環(huán)境健康預(yù)測診斷[J].東北水利水電，2009，27（3）：48-50.

[4]李升.地下水環(huán)境健康預(yù)警研究[D].長春：吉林大學(xué)，2008.