國家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）系統(tǒng)建設(shè)思考與實(shí)踐

劉慶濤，張淑娜，周政輝，嚴(yán)宇紅

（1. 水利部水利信息中心，北京 100053；2. 河南省漯河水文水資源勘測(cè)局，河南 漯河 462000）

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國家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）系統(tǒng)建設(shè)思考與實(shí)踐

劉慶濤1，張淑娜1，周政輝2，嚴(yán)宇紅1

（1. 水利部水利信息中心，北京 100053；2. 河南省漯河水文水資源勘測(cè)局，河南 漯河 462000）

摘 要：分析地下水監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及面臨的問題，提出國家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)和任務(wù)要求，基于新形勢(shì)下地下水監(jiān)測(cè)的需求，從系統(tǒng)的總體構(gòu)架、部署構(gòu)架及各組成部分內(nèi)容等方面給出國家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）系統(tǒng)的建設(shè)構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：水利；地下水監(jiān)測(cè)；信息系統(tǒng)；系統(tǒng)構(gòu)架

0　引言

地下水是水資源的重要組成部分，是我國重要的供水水源，也是維系良好生態(tài)環(huán)境的重要因素，在水資源管理和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)等方面，都要依靠地下水信息數(shù)據(jù)。地下水監(jiān)測(cè)是認(rèn)識(shí)和掌握地下水動(dòng)態(tài)變化特征、分析評(píng)價(jià)地下水資源、制定合理開發(fā)利用與有效保護(hù)措施、減輕和防治地下水污染及其相關(guān)生態(tài)環(huán)境等問題的重要基礎(chǔ)，以及實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度對(duì)地下水信息的基本需求。但是，目前的地下水監(jiān)測(cè)工作仍比較滯后，全國性的地下水監(jiān)測(cè)能力嚴(yán)重不足，不能滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

目前，水利系統(tǒng)現(xiàn)有地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)主要集中在我國北方地區(qū)，南方地區(qū)還存在大量監(jiān)測(cè)空白區(qū)?，F(xiàn)有監(jiān)測(cè)井多借用生產(chǎn)井和民用井監(jiān)測(cè)，專用監(jiān)測(cè)井較少；監(jiān)測(cè)方法主要依靠人工觀測(cè)，信息采集、傳輸手段落后，不能實(shí)時(shí)掌握地下水動(dòng)態(tài)信息；地下水監(jiān)測(cè)信息的接收存儲(chǔ)、交換共享和綜合服務(wù)嚴(yán)重落后。為改變此局面，開展國家地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目建設(shè)，完善地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，將國內(nèi)外先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)與儀器設(shè)備用于地下水監(jiān)測(cè)工作，有效提高地下水信息的自動(dòng)采集能力、共享服務(wù)能力及信息采集傳輸?shù)臅r(shí)效性，大幅提高地下水監(jiān)測(cè)與信息服務(wù)能力，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供可靠的技術(shù)支撐，經(jīng)國家發(fā)改委批準(zhǔn)由水利和國土資源部門共同建設(shè)國家地下水監(jiān)測(cè)工程。2015年6月，國家地下水監(jiān)測(cè)工程初步設(shè)計(jì)投資概算由國家發(fā)改委核定后，由水利部和國土資源部聯(lián)合審批，標(biāo)志著國家地下水監(jiān)測(cè)工程正式啟動(dòng)［1］。

1　建設(shè)目標(biāo)和任務(wù)

1.1建設(shè)目標(biāo)

在現(xiàn)有的地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步優(yōu)化補(bǔ)充監(jiān)測(cè)站，建設(shè)相對(duì)完善的國家級(jí)地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)。以先進(jìn)的地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備為支撐，充分利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施，構(gòu)建一個(gè)集地下水信息采集、傳輸、處理、分析及信息服務(wù)為一體的信息系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)大型平原、盆地、巖溶山區(qū)、重要水源地和超采區(qū)為重點(diǎn)的全國地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系，為合理開發(fā)利用、優(yōu)化配置、科學(xué)管理、地下水環(huán)境保護(hù)、水資源可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［2］。

1.2建設(shè)任務(wù)

基于國家、流域、省、地市級(jí)監(jiān)測(cè)體系支撐的分布式系統(tǒng)，主要完成地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收處理、交換共享、存儲(chǔ)管理、統(tǒng)計(jì)分析、成果發(fā)布和信息服務(wù)等工作，建設(shè)目標(biāo)為 1 個(gè)國家地下水監(jiān)測(cè)中心（與國土資源部共同購置）、7 個(gè)流域監(jiān)測(cè)中心、32 個(gè)省級(jí)（含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)）監(jiān)測(cè)中心、280 個(gè)地市級(jí)監(jiān)測(cè)分中心，新（改）建 10 298 個(gè)地下水監(jiān)測(cè)站、相應(yīng)配套地下水水位、水溫、泉流量、水質(zhì)等信息自動(dòng)采集傳輸處理設(shè)備等。系統(tǒng)信息流程如圖 1 所示。

圖1　信息流程圖

1）監(jiān)測(cè)中心。開展地下水監(jiān)測(cè)信息處理、存儲(chǔ)、共享和服務(wù)的地下水?dāng)?shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)建設(shè)，配備相應(yīng)的軟硬件設(shè)備。省級(jí)監(jiān)測(cè)中心將監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)庫，同時(shí)通過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分別共享到國家地下水監(jiān)測(cè)中心、流域監(jiān)測(cè)中心和地市級(jí)分中心；并實(shí)現(xiàn)與國家地下水監(jiān)測(cè)工程國土資源部門監(jiān)測(cè)信息的共享。

2）監(jiān)測(cè)站。分布于全國的地下水監(jiān)測(cè)站通過監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，自動(dòng)采集地下水水位、水溫信息、泉流量及水質(zhì)參數(shù)，再通過 GPRS/SMS 信道將監(jiān)測(cè)信息傳輸至省級(jí)監(jiān)測(cè)中心。

2　建設(shè)構(gòu)想

2.1總體架構(gòu)

本系統(tǒng)是覆蓋地下水監(jiān)測(cè)管理全過程、是地下水監(jiān)測(cè)信息交換、共享平臺(tái)，是水利信息化建設(shè)的重要組成部分，因此，總體架構(gòu)應(yīng)與水利信息化總體架構(gòu)保持一致［3］。本系統(tǒng)總體框架由“七個(gè)層面結(jié)構(gòu)、兩大保障體系、五類服務(wù)對(duì)象、四級(jí)管理單位”共同構(gòu)成，系統(tǒng)的總體框架如圖 2 所示。

2.2具體組成

2.2.1七個(gè)層面結(jié)構(gòu)

“七個(gè)層面結(jié)構(gòu)”包括采集傳輸、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用支撐、業(yè)務(wù)應(yīng)用和應(yīng)用交互等 7 層：

1）采集傳輸層。是采集、傳輸?shù)叵滤?、水文、泉流量、水質(zhì)等各類監(jiān)測(cè)信息的基礎(chǔ)設(shè)施，分為直接和間接監(jiān)測(cè)信息采集。

直接監(jiān)測(cè)信息采集根據(jù)信息來源情況分為在線自動(dòng)采集和人工錄入 2 種方式：在線自動(dòng)采集方式是指監(jiān)測(cè)站采集相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過移動(dòng)、有線、光纖等通信方式通過數(shù)據(jù)接收層到省級(jí)監(jiān)測(cè)中心，進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源層；人工錄入方式則是由工作人員將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)應(yīng)用各層級(jí)的客戶端導(dǎo)入或錄入系統(tǒng)，直接進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源層。

間接監(jiān)測(cè)信息采集采用信息交換的方式進(jìn)行，即數(shù)據(jù)資源層依托應(yīng)用支撐層的交換中間件直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集任務(wù)。

2）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層。是各種業(yè)務(wù)的運(yùn)行平臺(tái)，為各級(jí)管理機(jī)構(gòu)之間數(shù)據(jù)、圖像等各種信息提供高速可靠的傳輸通道。為支撐地下水業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)按照統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的思路［4］，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在已有水利政務(wù)外網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，覆蓋水利部、流域機(jī)構(gòu)、省、地市四級(jí)管理機(jī)構(gòu)。

3）硬件設(shè)備層。為整個(gè)信息化系統(tǒng)提供服務(wù)器、存儲(chǔ)等硬件資源。各級(jí)監(jiān)測(cè)中心配置信息系統(tǒng)硬件設(shè)備及附屬設(shè)備若干。

4）應(yīng)用支撐層。提供統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，為地下水業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)提供通用應(yīng)用和集成服務(wù)，為資源整合和信息共享提供運(yùn)行平臺(tái)，主要由各類商用和開發(fā)類通用支撐軟件共同組成。

商用支撐軟件作為應(yīng)用支撐層的基礎(chǔ)，為地下水應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行提供基礎(chǔ)軟件環(huán)境。主要包括：應(yīng)用服務(wù)器軟件（Java EE Application Server）、服務(wù)總線（ESB）、業(yè)務(wù)流程管理（BPM）、消息服務(wù)（MOM）、工作流引擎（Workflow）、目錄服務(wù)（Directory Server）、認(rèn)證服務(wù)（CA）、共享文件系統(tǒng)、內(nèi)容管理（CMS）、報(bào)表制作工具、空間數(shù)據(jù)引擎、GIS 工具等構(gòu)件，提供信息系統(tǒng)構(gòu)架軟件支撐。

在商用支撐軟件的基礎(chǔ)上構(gòu)建開發(fā)類通用支撐軟件，將各個(gè)地下水應(yīng)用系統(tǒng)所共同需要使用的軟件模塊進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并以服務(wù)的形式提供給各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)使用，最終實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的統(tǒng)一，更便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的業(yè)務(wù)功能、系統(tǒng)間的業(yè)務(wù)協(xié)同與互聯(lián)互通。主要包括：數(shù)據(jù)匯集交換、統(tǒng)一用戶管理與認(rèn)證、元數(shù)據(jù)管理等子系統(tǒng)。

5）數(shù)據(jù)資源層。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理的體系，主要包括數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)管理等部分，并對(duì)綜合及元數(shù)據(jù)庫等 2 類數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖2　國家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)管理主要包括建庫管理、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)查詢輸出、數(shù)據(jù)維護(hù)管理、代碼維護(hù)、數(shù)據(jù)庫安全管理、數(shù)據(jù)庫備份恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫外部接口等數(shù)據(jù)庫管理功能。綜合數(shù)據(jù)庫包括監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)、基礎(chǔ)、空間和多媒體等多個(gè)邏輯子數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)種類分別存儲(chǔ)于 RDBMS 與文件系統(tǒng)中；元數(shù)據(jù)庫將綜合數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類及抽取，形成數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在 RDBMS 中。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理主要是完成對(duì)存儲(chǔ)和備份設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)和安全管理。

6）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層是系統(tǒng)應(yīng)用的核心，構(gòu)建地下水監(jiān)測(cè)信息接收處理、監(jiān)測(cè)資料整編、業(yè)務(wù)應(yīng)用、資源信息發(fā)布等功能應(yīng)用系統(tǒng)，為各級(jí)水行政部門、水文部門和社會(huì)機(jī)構(gòu)提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的地下水動(dòng)態(tài)信息。

7）應(yīng)用交互層。是直接與用戶交互的層面，主要包括面向水行政主管部門、科院機(jī)構(gòu)，以及地下水相關(guān)的業(yè)務(wù)管理人員、社會(huì)公眾等。

2.2.2兩個(gè)保障體系

“兩個(gè)保障體系”包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全保障體系：

1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。本系統(tǒng)管理層級(jí)和組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息采集點(diǎn)眾多、數(shù)據(jù)量大，各級(jí)系統(tǒng)之間存在大量的數(shù)據(jù)交換，需要嚴(yán)格的規(guī)范性和安全性要求，因此統(tǒng)一、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)是支撐國家地下水監(jiān)測(cè)工程建設(shè)和運(yùn)行，保障應(yīng)用協(xié)同和信息共享的重要基礎(chǔ)。建設(shè)內(nèi)容主要包括：數(shù)據(jù)通信規(guī)約、數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符、軟件文檔管理類標(biāo)準(zhǔn)、軟件技術(shù)類標(biāo)準(zhǔn)等。

2）安全保障體系。是保障系統(tǒng)安全應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括物理、網(wǎng)絡(luò)和信息安全及安全管理等。

2.2.3五類服務(wù)對(duì)象

“五類服務(wù)對(duì)象”包括水行政主管部門、科研規(guī)劃設(shè)計(jì)中介機(jī)構(gòu)、社會(huì)公眾、管理對(duì)象和政府相關(guān)職能部門等服務(wù)對(duì)象。

2.2.4四級(jí)管理單位

“四級(jí)管理單位”包括國家監(jiān)測(cè)中心（水利部）、7 個(gè)流域機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)中心、32 個(gè)省級(jí)（含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)）監(jiān)測(cè)中心、280 個(gè)地市級(jí)監(jiān)測(cè)分中心等。

2.3部署架構(gòu)

除信息采集傳輸層以外的其他 6 個(gè)層面和 2 個(gè)保障體系的建設(shè)內(nèi)容，按其歸屬分別部署在國家監(jiān)測(cè)中心（水利部）、7 個(gè)流域機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)中心、32 個(gè)省級(jí)（含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)）監(jiān)測(cè)中心，信息采集傳輸層主要部署在地市監(jiān)測(cè)分中心。

在實(shí)施過程中，按照 Java EE 技術(shù)架構(gòu)，結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)最新理念和云技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)。系統(tǒng)建設(shè)中其標(biāo)準(zhǔn)體系制定、信息交換共享軟件開發(fā)及系統(tǒng)總集成這 3 個(gè)部分是重點(diǎn)和難點(diǎn)環(huán)節(jié)，具體情況將另行擇文闡述。

3　結(jié)語

2016年3月，經(jīng)“兩會(huì)”審議通過的“十三五”規(guī)劃綱要第四十五章中明確提出“完善國家地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開展地下水超采區(qū)綜合治理”，將國家地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上升到國家戰(zhàn)略高度。黨和國家都高度重視國家地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目建設(shè)，水利部水文局多措并舉，大力推進(jìn)項(xiàng)目建設(shè)，自 2014年開展項(xiàng)目前期工作，2015年已全面啟動(dòng)監(jiān)測(cè)井的建設(shè)工程，2016年年中啟動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備招投標(biāo)工作，年底安裝各類儀器設(shè)備，2017年系統(tǒng)將投入在線試運(yùn)行。

系統(tǒng)建成后，將實(shí)現(xiàn)對(duì)全國地下水動(dòng)態(tài)的有效監(jiān)測(cè)，以及對(duì)大型平原、盆地及巖溶山區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的區(qū)域性監(jiān)控和地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；為相關(guān)部門和社會(huì)機(jī)構(gòu)提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的地下水動(dòng)態(tài)信息，滿足科學(xué)研究和社會(huì)公眾對(duì)地下水信息的基本需求，為優(yōu)化配置、科學(xué)管理地下水資源，防治地質(zhì)災(zāi)害，保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，為水資源可持續(xù)利用和國家重大戰(zhàn)略決策提供基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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Thinking and Practice on System Building of National Groundwater Monitoring Project （ Water Conservancy Department）

LIU Qingtao1，ZHANG Shuna1，ZHOU Zhenghui2，YAN Yuhong1
（1. Water Resources Information Center，the Ministry of Water Resources，Beijing 100053，China）2. Luohe Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Henan Province，Luohe 462000，China）

Abstract:The article analyzes present situation and problems of groundwater monitoring，puts forward the construction goals，task requirements of national groundwater monitoring project（water conservancy department）. Based on the demand of groundwater monitoring in the new situation，it gives building ideas of the system from the overall system architecture，deployment architecture，the content of each part of the system and etc.

Key words:water resources；groundwater monitoring；information system；system architecture

中圖分類號(hào)：P641.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9405（2016）03-0052-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.012

收稿日期：2016-04-13

作者簡(jiǎn)介：劉慶濤（1976-），男，吉林松原人，高級(jí)工程師，主要從事水利信息化、通信運(yùn)行維護(hù)工作。