塔里木河流域地下水监测管理系统的设计与实现

□王建宏

水是生命之源，是自然界进行生态循环的重要资源。随着经济社会的发展用水需求量加大，一些地区地下水开采过度，形成地下水漏斗，进而造成地面沉降、水资源减少、水质下降等问题，影响周边居民及生态安全。为了保护生态环境并及时掌握地下水的动态变化，针对塔里木河流域干旱区进行地下水监测，该研究在塔里木河流域周边11个辖区县共布设了79个地下水监测站点，以保证采集到的塔里木河流域地下水数据能及时传输接收到中央处理器上。监测系统分为采集层、传输层和数据处理中心，采集层主要负责主动采集监测位置的地下水埋深、水温等数据信息，并将采集到的信息进行存储。传输层主要负责监测点采集信息的传输，由于此研究涉及到的地域非常广泛，所以选择GPRS技术作为监测系统连接的通讯方式，实现GPRS信号的研究区域覆盖，保证监测数据能及时传输到数据终端。数据处理中心主要负责地下水监测数据的整合分析处理。

1.监测系统设计

1.1 监测系统总体结构设计

塔里木河流域地下水监测系统总结构设计采用B/S结构，B/S结构系统又分为3个物理结构模式：一是数据层，主要负责数据库的建立及数据的存储，采用分布式结构形式对数据进行管理，实现数据层内储存数据的读取及检索功能。数据库的存在为系统进行决策分析提供一线的地下水监测数据资料，数据库也是存储数据进行编码、分类、运行等分类管理的重要场所。二是逻辑层，又称为应用层，主要负责系统软件的计算机处理，主要模块包括地下水基础信息服务模块、地下水统计分析模块、系统管理模块。所有监测数据逻辑计算均在逻辑层进行，数据层将采集到的一线地下水监测数据传输到逻辑层，逻辑层根据提前设置好的算法对所得数据进行计算分析，然后将计算分析后的数据传输到表现层。三是表现层，又称为客户服务层，主要提供人机交换数据服务，通过建立的人性化用户服务界面，指导用户提出服务请求，从而实现各种监测数据的获取或指令的下达。

1.2 监测系统软件设计

塔里木河流域地下水监测系统软件设计采用微软操作平台（NET）、微软VS、网络地理信息系统（WebGIS）、结构化查询语言（SQL）进行。监测系统软件设计前端设置IE浏览器端口进行系统数据查看及相关指令的下达。用户请求信号发出，传输到集成Web服务器上进行处理，然后利用结构化查询语言（SQL）编程技术完成监测数据的读取，实现用户服务请求，并将用户查询数据在计算机客户终端显示。

1.3 监测数据库系统设计

塔里木河流域地下水监测数据库是进行地下水埋深数据变化趋势分析的重要数据资料，其中包含各监测井采集的地下水埋深数据、数据图形分析等重要信息，而且随着研究时间的增加，数据量不断递增，因此需要庞大的技术支持。所以在进行数据库结构设计时，既要要求数据库系统具备较强的灵活性，方便资料的查阅和整理，又要要求监测数据库系统具有较好的可扩充性、可维护性和安全性，保证数据存储的有序、有效、安全及完整。本系统的数据库设计依据SL183-2005《地下水监测规范》标准，严格按照《规范》的数据库表结构进行设计，不符合研究要求的方面，需要根据实际监测系统设计需求进行设计，在数据库系统设计时既要符合数据库建立的常规逻辑，又要和实际监测数据存储要求相结合，避免出现数据录入错误、冗余，对监测到数据进行高效、规范、系统的管理。

数据库系统设计是利用关系型数据库管理系统（SQLServer）将监测到的地下水相关数据输入到此系统中进行统一管理管理。塔里木河流域地下水监测数据库系统主要组成部分见图1。

1.4 监控系统安全性设计

塔里木河流域地下水监控系统安全性设计的主要目的是保证系统运行各个环节有可靠的安全性，从而使系统运行的数据安全、应用安全及网络安全得到有效保障：数据安全主要根据不同使用用户对数据库设计使用要求，例如普通用户、相关维护人员及开发人员等，满足不同用户对系统设计要求，并建立使用规范，就能保证数据库在各个层面均能运行安全；应用安全主要对监测系统应用服务器进行安全设置，保障服务器运行安全，除此之外对监控系统、监控日志管理、应用服务进行安全设置，为整个系统的安全运行提供保障；网络安全主要依靠防火墙保护和入侵检测系统相关技术，通过建立全面防火墙系统，全面检测外界可能发生的入侵行为，并对入侵行为及时识别，然后生成入侵检测报告采用建立的警报系统及时报警，并通过有效应对措施保证监测系统网络安全，保护Web服务器和后台数据库的连接运行正常。

图1 地下水监测数据库系统

图2 监测系统功能设计

1.5 监测系统功能设计

塔里木河流域地下水监测系统功能设计的基础是地下水监测的实时数据及整编数据，主要功能设计分为3个模块，分别是地下水数据管理模块、地下水统计分析模块及系统管理模块，进而实现地下水监测系统的数据处理、监测点地理信息管理及整编管理、报表生成、水文情况相关分析预测等系统功能见图2。在进行监测系统功能设计时，要求各种功能分界清晰，功能设计逻辑清楚、功能全面、设计符合使用逻辑，不仅如此还要具备独立使用和联合使用处理功能，具有较强稳定性、实用性及科学性。

1.5.1 系统数据统一管理

该地下水监测系统将监测到的基础数据、图形数据、属性数据采取统一的数据管理系统进行管理，除此之外还要对数据结构进行优化，设置数据库访问安全控制及数据备份，简化数据组织结构，方便用户进行数据查询，维护人员对数据进行管理，

1.5.2 系统数据及图形编辑、显示、查询

对数据、数据属性、图形图像进行管理，实现数据及图形的显示、编辑、查询功能，能够对各个监测站点数据情况进行查询、编辑；实现监测数据的统计分析及关系曲线的绘制；实现各个监测站点属性、空间的信息查询及管理。

1.5.3 系统业务报表设计及输出

根据《规范》针对业务报表设计要求，运用业务报表逻辑算法对地下水监测原始数据、整编数据进行读取，形成整编表。数据格式设置可以设置成常规格式、XLS文件格式，该监测系统还可以外接打印机，用于报表的打印。

1.5.4 系统专业分析功能

监测数据专业分析功能主要包括对地下水水位及水温数据分析处理、整编数据分析处理、统测数据分析处理，对上述数据能够运用多种表现形式，例如数据、图形（折线图、饼状图、柱状图）等进行表示，有利于监测人员进行数据分析，通过数据变化规律确定地下水运行规律。

1.5.5 系统统计分析图示

监测数据统计分析可以利用图形、表格的形式进行地下水埋深变化趋势分析及埋深对比分析，对单个监测点、多个监测点及区域监测点进行地下水数据动态分析。

2.信息管理系统功能实现

塔里木河流域地下水监测系统功能主要依靠B/S网络结构模式、Net操作平台架构集成技术、结构化查询语言（SQL）、C#语言编程技术实现。利用B/S网络结构模式建立Web浏览器，应用Net操作平台架构集成技术进行系统的编程，支持多数据适配，具有较好的系统扩展性。结构化查询语言（SQL）进行数据库编程，实现地下水监测系统的实时数据同步以及各种查询、分析功能的实现，以及分析图的绘制。信息管理系统功能实现主要包括地下水数据管理系统实现、地下水统计分析系统实现、系统管理实现3部分。

2.1 地下水数据管理系统实现

地下水数据管理系统是整个系统运行的基础，它主要包括原始数据、基本信息、整编数据管理及业务报表的绘制等功能，在系统中实现数据的浏览、编辑、查询、数据导入及导出、打印等功能。原始数据管理，主要负责管理地下水监测的原始数据，主要管理两个部分，一是人工监测数据管理，二是遥测数据管理。基本信息管理，主要负责管理地下水监测的基本信息，例如监测点基本信息、监测点成井施工信息、监测点地质信息、监测点水文信息等。整编数据管理，主要负责管理地下水监测的整编数据，将原始表中的地下水数据录入到整编表中进行分类管理，增加数据管理效率。业务报表，业务报表数据主要从整编表中读取，按照一定逻辑算法生成各种业务报表。

2.2 地下水统计分析系统实现

地下水统计分析系统是将监测到的地下水数据转化成图形信息，同时这些图形信息具有缩小、放大、移动、复制、刷新等编辑功能，方便对地下水数据进行统计分析。地下水统计分析系统主要包括地下水信息查询、地下水动态GIS、地下水分析等功能。

地下水信息查询涵盖了所有地下水数据信息的查询，建立全方位的查询系统，设定监测点编码、监测点区域、监测点名称、监测时间查询，同时建立模糊查询系统，方便用户全方位了解地下水监测基本信息、地下水分布统计。

地下水动态GIS采用监测区域地理数据对地下水的情况进行分析，该系统提供点选或区域选择设定，及时了解所选点位或区域的地下水埋深数据，附近河流、流域等属性信息，并将所属流域、河流、监测井等位置在地图上显示。同时可以对图层、图例进行控制管理，使其具有各种编辑功能。

地下水分析主要包括地下水时空分析及动态分析，地下水时空分析主要是对地下水监测数据进行变化趋势分析及时间数据对比分析，地下水动态分析运用系统将数据生成等值线和变幅等值线，然后根据生成图形进行变幅分析。

2.3 系统管理实现

系统管理实现主要进行日志管理、用户管理、权限管理、系统框架管理、数据库管理等功能的实现。日志管理主要负责日常操作日志的录入，并具有一定检索查询功能。用户管理主要对使用用户权限进行设定，添加用户角色分配、角色成员管理等功能。权限管理是进行权限分配管理，主要包括用户权限分配管理和角色权限分配管理。系统框架管理主要进行系统框架的定制、系统权限维护管理等。数据库管理主要是进行数据的备份及恢复。

3.结语

塔里木河位于新疆南部地处欧亚大陆腹地，是我国最大的内陆河，也是我国典型的干旱荒漠区。为了保护生态环境并及时掌握地下水的动态变化，利用多种技术实现对塔里木河流域干旱区地下水监测分析，通过地下水监测及时掌握塔里木河流域地下水变化规律，然后进行水资源的合理调配应用管理。□