水功能区水质达标考核主题内容及流程设计

孙小梅，成 星，武明亮，曹鑫涛，章 智

（西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048）



水功能区水质达标考核主题内容及流程设计

孙小梅，成 星，武明亮，曹鑫涛，章 智

（西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048）

摘 要：由于目前水功能区水质达标考核存在缺少考核管理系统，缺少智能化、可视化管理，表现形式单一，难以适应发展变化等问题，为此利用组件、知识图等相关信息技术，通过对水功能区水质达标考核数据库的建立，以及对考核中的模型、计算模块组件化，在知识可视化综合集成服务平台上搭建水功能区水质达标考核管理系统。通过对陕西省水功能区水质达标考核主题内容的实例应用表明，水功能区水质达标考核主题可在水利信息化业务中得到有效应用，且系统的可操作性较强，有较好的智能化和可视化效果，能够满足实际工作中的水功能区水质达标考核的需求，可以适应水功能区水质达标考核的发展变化。

关键词：水功能区；水质达标考核；主题内容；水利信息化；知识平台；管理系统

0 引言

随着我国经济的快速发展，居民生活水平得到了不断提高，但水污染日益加剧，水生态环境持续恶化，水资源越发短缺，已经反向制约了经济社会的发展。为了更好地保护水资源，党中央、国务院提出实施最严格的水资源管理制度，即划定用水总量、用水效率和水功能区限制纳污“三条红线”，以水功能区污染物总量控制为核心，以提高用水效率为目标，改善用水状况。考核“三条红线”落实情况的综合性指标主要是水质达标状况。如何根据水质状况、变化情况给地方政府一个客观公正的评价[1]，成为一个迫切需要研究的课题。因此，通过对水功能区进行水质达标考核，可以控制污染物的排放量，提高用水效率，更有效地保护水资源，而且也是准确把握水资源保护中存在的重大问题的前提条件，是实行最严格的水资源保护制度的基础性工作[2]。因此，水功能区水质达标考核在水资源保护中越发重要。

目前，一些学者在模型和方法方面相继开展了大量的研究，如黄茁等[3]对水功能区综合评价体系进行了研究，介绍了水功能区水质达标评价工作的主要内容和评价结果，进一步完善了水资源保护规划手段。刘发根等[4]提出了水功能区水质达标评价的新方法，此方法既能直观展示水功能区达标情况，又能按单因子评价理念定性评价水质类别，还可定量反映水体综合污染程度，能对同一水体不同时期或水体的水质进行比较。杨迪虎等[1]对水功能区水质状况考核评分办法进行了探讨并提出建议。然而大多数学者只是对水功能区水质达标考核的模型及方法做了研究，对于具体的水功能区水质达标考核的主题模式研究较少，与实用还有一定差距，主要表现在以下几个方面：

1）缺少利用水利信息化手段的方式管理水功能区水质达标考核应用。目前缺少水功能区水质达标考核的管理系统，只是对水功能区水质达标的方法和模型进行了研究，缺少实用、智能的考核模式，使得在现实工作中每次都要重复进行水质评价及考核的计算。

2）缺乏可操作性。现在的应用体系结构存在缺乏可操作性，不能灵活适应外界变化等问题，使得现有的水功能区水质达标考核模式尚不能满足实际考核工作的需求。

3）表现形式单一。考核结果往往是纸质汇总结果，以考核汇总表的形式展现。对于每个功能区具体的监测及水质评价等信息没有直观展现出来，缺乏可视化效果，直观性较差。

针对水功能区水质达标考核模式存在的问题，结合最新的软件开发技术、云计算面向服务的理念、大数据的数据支撑方式及水功能区水质达标考核需求，构建了基于综合集成平台的水功能区水质达标考核管理的应用模式。基本思路如下：在面向服务的体系架构（SOA）下，将水功能区水质达标评价相关模型组件化，采用 Web Service 技术将水功能区水质达标考核模型封装成标准的组件，建立水功能区水质达标考核模型组件库；采用知识图描述水功能区水质达标考核主题内容及业务流程，基于综合集成平台，把组件技术作为手段，把知识图作为可视化工具，搭建水功能区水质达标考核管理系统，实现水功能区水质达标考核的业务应用，使得考核管理系统能够体现可视化效果，把计算过程智能化，使系统计算更加方便灵活，增加系统的适用性、操作性，实现系统的智能化、可视化效果。

1 水功能区水质达标考核主题模式的实现

水功能区达标评价遵循“有测且标准上有则测评”的原则，即有监测数据且评价标准上有的则评价。功能区水质评价标准采用《地表水环境质量标准》中对应和相关的标准。一般来说，不同的功能区，评价指标是不同的。评价指标的确立应该选择有明确的物理意义、能够表征功能区水体所受污染类型的指标。选择的评价指标均应是国家地表水环境质量评价中要求的评价项目，根据评价水体的功能用途进行选择。选择功能区评价指标时应根据各地的监测技术、能力，集中突出主要污染物项目。功能区评价指标应选择各地方监测站监测能力相对齐全，对水质贡献较大，且基本上能较全面反映水体水环境污染特点和污染物的指标[5]。依照评价原则和指标的选择，研究了水功能区水质达标考核主题模式。

水功能区水质达标考核主题内容主要分 4 类进行考核，即按水功能区所属行政区及类别进行考核，按水功能区所属水系及分类水质河长比例进行考核。对于大的或者重要的水功能区一般会有多个监测断面，本次水功能区水质达标考核是直接利用陕西省水文局的水功能区监测数据作为基础考核数据的。评价方法采用《地表水资源质量评价技术规程》，在水质评价的基础上，对水功能区进行达标评价，以水功能区水质目标作为水功能区达标评价考核标准，水质评价类别小于或等于该目标的为达标，否则不达标。水功能区水质达标率分别按照水功能区的长度和个数进行评价[6]。根据评价方法，采用计算机、组件化技术和 SOA 架构，基于综合集成平台，构建水功能区水质达标考核管理系统。

1.1 技术支撑

1.1.1 综合集成平台

综合集成平台[7-8]体系框架是基于 SOA 设计的，由支撑层、资源层、应用层和用户层 4 个层次组成。水功能区水质达标考核业务应用是以知识图、组件的方式被实现的，通过 Web 服务的方式对外提供服务，运用服务组合的方式快速搭建具体的业务应用系统，使水功能区水质达标考核管理系统更具灵活性与适应性。

1.1.2 知识图技术[9]

在综合集成平台上的编辑状态下可绘制水功能区水质达标考核管理系统中各水功能区的位置关系。各水功能区的考核情况可以在知识图上查询到结果，知识图充分展现了水功能区水质达标考核业务计算流程、逻辑等，也可以进行快速增加、删除、修改等，更加方便灵活地扩展业务。

1.1.3 组件开发技术

组件技术具有可重用度高，互操作性好，接口可靠性高，稳定性强，可扩充性良好，即插即用等特点[10]，封装、定制比较方便，便于实现系统组件的替换与集成，提高了系统的可维护性，缩短了系统的开发周期，提高了系统的开发效率。

1.2 业务流程化

水功能区水质达标考核主题的基本业务流程是根据水功能区监测信息，利用水质评价方法，通过Java 语言进行有关水功能区水质达标考核需要的模型方法代码的编写，并打包、发布组件，基于综合集成平台，根据知识图，在水功能区水质达标考核组件库中定制相关计算组件，通过单向数据流的方式完成达标考核评价计算，从而完成水功能区水质达标考核管理系统的构建，实现集成应用模式下达标考核的可视化应用，实现水功能区水质达标考核的业务化及流程化。在管理系统中，如评价结果超标，会在评价结果中显示超标项目及预警信息。评价结果会以二维信息、数字地球、饼状图等形式展示，直观性比较强，水功能区水质达标考核的流程如图 1 所示。

图 1 水功能区水质达标考核的流程

2 水功能区水质达标考核系统的构建

2.1 考核系统构建流程

基于知识可视化综合集成平台，通过知识图可视化的形式表示水功能区水质达标考核主题内容网络图及业务应用流程，运用组件技术、SOA 架构将模型方法组件化，通过 Web Service 技术，以 Web 服务的方式构建水功能区水质达标考核管理系统。具体流程如下：

1）建立主题库。水功能区水质达标考核系统以水功能区水质达标考核内容为主题，将主题分为按照行政区所属行政区、功能区类别、水功能区所属水系等进行考核，以及按照分类水质河长比例进行考核，同时分别对功能区在年、月尺度上进行考核，并以不同的形式展现。

2）绘制知识图。按照主题内容，把水功能区水质达标考核主题内容逐步从粗化到细化处理，绘制河流与各个功能区之间位置关系的网络图，使用户更加方便地了解各个功能区的达标情况，同时也要绘制相应主题的统计查询节点。知识图的绘制使结果可视可信。

3）建立组件库。根据主题内容划分组件，用面向对象的 Java 编程语言开发相应组件，根据水功能区水质达标考核模型的计算过程，把方法组件化；利用 Web 服务技术，将各子模型封装成模型组件；将已经封装好的组件存入相应的模型组件库，方便日后对组件的重用，提高系统的开发效率。主要包括以下几种组件化：

a. 水功能区水质达标评价模型组件化。对水功能区水质监测频次达到 6 次/年以上的，开展单次水功能区达标评价，年度水功能区达标评价在水功能区单次达标评价成果基础上进行。在评价年度内达标率 ≥ 80% 的水功能区为年度达标水功能区[11]，当 ≥ 80% 时，会有预警信息，不达标时，需要计算出超标项目。根据水质评价方法，通过代码编写，把模型组件化，存入到组件库。

b. 水功能区水质达标率评价模型组件化。水功能区水质达标率以单个水功能区达标评价成果为基础，按水功能区（一、二级水功能区不重复）水质达标率（个数）统计[12]。当水质达标率小于达标率控制目标时，不达标；反之，达标。根据水质达标率评价方法，通过代码编写，把模型组件化，存入到组件库。

c. 不同水质所占河长比例统计模型组件化。根据水功能区监测信息及水质评价方法，对每个水功能区进行水质评价，把水功能区按照水系归类，根据水质评价信息，统计不同水质所占河长比例。利用该方法，通过代码编写，把模型组件化，存入到组件库。

4）定制组件。在已绘制好的知识图上，定制相应的组件，添加在知识图相应的节点上，使节点与服务相关联后即可进行应用；同时在知识图上可以快速修改节点以满足需求。

构建的水功能区水质达标考核管理系统组织流程如图 2 所示。

2.2 考核系统优势

水功能区水质达标考核主题模式与传统模式相比，有一定的优越性，主要体现在以下几点：

1）实用性。在综合集成平台的基础上，通过知识图的形式，能够直观表现水功能区的分布情况，体现直观性和可视化的特色。同时利用知识图能够根据管理者的实际需求，快速实现修改、添加、删除等应用。例如：某个水功能区发生变化时，只需在知识图上快速修改节点，无需修改组件，可以直接从组件库中调取；一个主题的知识图复制、修改后，可用于其他主题，或对其他省份的水功能区进行评价，达到知识重用的目的，提高系统开发效率，体现了方便、简单、快速、灵活的特点，该模式能够满足管理者的现实需求。

2）表现形式多样。可以通过表、图、二维信息、数字地球等形式展示结果，比传统形式更直观。

3）实现人机互动机制[13]。实现人和计算机一定意义上的沟通交流。

图 2 水功能区水质达标考核管理系统组织流程

图 3 水功能区水质达标考核管理系统主界面

3 水功能区水质达标考核管理系统的应用

本次研究以构建陕西省水功能区水质达标考核管理系统为实例，根据陕西省境内水功能区的分布情况，绘制水功能区的概化图。图 3 为水功能区水质达标考核管理系统主界面，主界面左上侧灰色方框为水功能区按照不同考核方式进行考核的考核结果统计情况；主界面左下侧为水功能区概化图；主界面右侧为水功能区编号及对应的水功能区名称。图中方框代表业务节点，圆圈和横线分别代表水功能区断面、节点，并分别对应相应的组件，点击知识图上的节点，就可以查看该节点的相关信息，可分别通过表格或图形的方式展示结果，也可以通过二维信息或数字地球展示每个水功能区的水质评价结果；在概化图上点击圆圈或线段都可以显示该功能区或功能区段的水质考核情况；点击钟表可改变时间，可以查看月或年度的水质评价结果。

图 4 是按照所属行政区进行水功能区水质达标考核的示意图，考核每个城市所有的水功能区达标数量及达标率，并做出考核结论。点击每个城市名称可以查看包含的水功能区的监测及水质评价等信息，达标率小于控制目标时，不达标；反之，则达标。弹出的表格底色比较暗时，表示还有下一级菜单，可进一步显示信息。

图 4 按行政区考核水功能区达标统计结果

图 5 是分类水质河长比例统计结果，可以显示陕西省境内的所有水系按照水质分类所占的河长比例，及相应水系对应的水功能区的水质评价信息，如果水质不达标，则会显示超标项目；如果水质累计监测不达标数 ≥2 时，就会显示预警信息。同时，每个水系的水质分类所占河长比例的统计结果，除了以表的形式展现外，还可以以饼状图的形式展现。

图 5 分类水质占河长比例统计结果展示

4 结语

针对目前水功能区水质达标考核缺少考核管理系统，难以适应发展变化等问题，在编程语言 Java基础之上，运用 SOA 架构，Web Service 技术封装组件，提出了水功能区水质达标考核的应用模式，并针对陕西省水功能区水质达标考核业务实现应用。应用结果表明，基于综合集成平台，利用计算机等相关技术，可绘制陕西省水功能区网络图并开展相关的应用服务，构建水功能区水质达标考核管理系统，且考核管理系统的适用性、操作性很强，不仅充分体现了可视化效果，使计算过程智能化，而且智能模式符合水利信息化发展的思想，切合大数据、云计算的理念，满足实际考核工作的需求，为水资源可持续利用提供了支撑。

本次研究主要是根据现有的考核标准及方法对水功能区水质达标情况进行考核的，把目前水功能区水质达标考核的主题内容的思想基于平台，做成管理系统以实现达标考核功能，方便对水功能区水质达标考核的需要。但水功能区考核考虑因素比较多，目前只是做了一些有益的探索和研究，还是不够全面，后续还需进一步开展大量研究以完善水功能区达标考核主题模式，使系统更具灵活性和可操作性。

参考文献：

[1] 杨迪虎. 水功能区水质状况考评办法探讨[J]. 江淮水利科技，2012 (3): 5，40.

[2] 宋颖. 山西省水功能区划及水质状况分析[J]. 山西水利科技，2006 (4) : 68-70.

[3] 黄茁，赵鑫，赵伟华，等. 长江中下游干流水功能区评价体系研究[J]. 人民长江，2013，44 (10): 40-43，53.

[4] 刘发根，郭玉银. 一种水功能区水质达标评价的新方法[J]. 人民长江，2014，45 (18): 28-32.

[5] 蓝忠华. 水功能区达标评价的方法研究[J]. 中国新技术新产品，2010 (2): 1.

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[7] 罗军刚. 水利业务信息化及综合集成应用模式研究[D].西安：西安理工大学，2009.

[8] 解建仓，罗军刚. 水利信息化综合集成服务平台及应用模式[J]. 水利信息化，2010 (4): 18-22.

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Theme Content and Process Design of Water Quality Standard Assessment in Water Function Areas

SUN Xiaomei, CHENG Xing, WU Mingliang, CAO Xintao, ZHANG Zhi
(Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

Abstract:This paper builds a water quality standard assessment management system of water function areas to overcome the problems of no assessment management system and lacking of intelligentized, visualized properties, single manifestation, adapting difficultly to the development and changes and so on. The system is based on the integrated service platform, setting up a assessment database, componentizing the model and methods of water quality evaluation methods with component technology, so as to achieve the subject business application of the water function areas. The theme application of water quality standard assessment management system of water function areas in Shaanxi province shows that water quality standard assessment in water functional areas can be effectively applied in the water conservancy information service. The system meets the requirements to the practical water quality standard assessment work in the water function areas, and adapts to the development of water quality standard assessment in water function areas with good operability and flexibility.

Key words:water function area; water quality standard assessment; theme content; water conservancy informatization; integrated service platform; management system

中图分类号：X832

文献标识码：A

文章编号：1674-9405(2016)02-0018-06

收稿日期：2015-11-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51479160）；陕西省科技攻关项目（2012-16）

作者简介：孙小梅（1989-），女，吉林公主岭人，硕士研究生，主要从事水利信息化及水资源管理方面的研究。