基于WebGIS的地下水水质监测与评价系统设计实现

关琴 马雪莹 柳浩然 姜晓芬 韩旭

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-3511

摘  要：地下水既是重要的城市供水水源，也是重要的旱期农业灌溉水源，然而地下水面临着来自农业、工业和城市排放污染的威胁，因此地下水水质监测和评价对于公众健康和粮食安全具有重要意义。研究以GIS平台为基础，综合使用计算机Web技术和网络技术，通过构建等值线和热力图等多种地下水质评价方式，完成对区域内地下水水质的监测和分析评价。监测系统可以提供面板数据监测、地下水水质查询、水质分析与评价、系统管理四大功能，为地下水水质异常变化提供前期的预警，为保障群众用水安全和水资源管理部门决策给予保障支持。

关键词：地下水  水质监测  评价  WebGIS

中图分类号：P641.8                            文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2021）01（c）-0087-05

The Realization of Design of Groundwater Quality Monitoring and Evaluation System based on WebGIS

GUAN Qin1  MA Xueying1  LIU Haoran1  JIANG Xiaofen1  HAN Xu2

（1. No.801 Hydrogeology and Engineering Geology Brigade of Shandong Exploration Bureau of Gelolgy and Mineral Resources， Ji'nan， Shandong Province， 250014 China; 2. Ji'nan Zhong An Digital Technology Co.， Ltd.， Ji'nan， Shandong Province， 250000 China）

Abstract： Groundwater is not only an important urban water supply source， but also an important dry-period agricultural irrigation water source. However， groundwater faces the threat of pollution from agriculture， industry and cities. Therefore， groundwater quality monitoring and evaluation is of great significance to public health and food security. The research is based on the GIS platform， comprehensively using computer Web technology and network technology， and completing the monitoring， analysis and evaluation of groundwater quality in the region by constructing multiple groundwater quality evaluation methods such as contour lines and heat maps. The monitoring system can provide four functions： panel data monitoring， groundwater quality inquiry， water quality analysis and evaluation， and system management. It provides early warning for abnormal changes in groundwater quality， and guarantees support for public water safety and decision-making by water resources management departments.

Key Words： Groundwater; Water quality monitoring; Assessment; WebGIS

地下水作為水资源系统的重要组成部分，在保障城乡生活用水、农业用水、工业用水，维系生态平衡等方面具有重要作用。为了保障地下水安全，做好地下水的污染防治工作，必须对地下水环境作出客观有效的评价。

地下水水质监测与评价系统的建设，主要通过对地下水资料的监测、数据的采集与分析，了解地下水的分布情况以及质量情况，可以充分、合理利用现有的有限的地下水资源。近年来，孙永芳等[1]基于布置的地下水质监测点，在分析化验后，利用现有标准科学的对地下水质进行评估。张磊等[2]通过设计全自动的在线水质监测器，建设完成地下水水质监测系统，在对地下水数据进行提取、传输和分析之后，得出全面的水质分析报告，为地下水管理部门的环境治理提供了依据。孙巍等[3]优化了地下水自动监测系统，减少了地下水监测评价过程中的不确定性，提供了地下水可持续开采量的建议。地下水监测与评价系统采用最新且稳定的传感器，在成熟的网络硬件支持下，可以整合数据收集、传输、标准化、导入和评价输出等工作，便利了工作流程并且提高了准确度[4-10]。

本文将以地下水监测数据中心为基础，以网络为主要媒介，以数据采集、数据存储、数据分析、动态数据监测、专题图生成、等值线生成等服务为主要功能模块，在保证信息准确、及时、高效、安全的情况下，建设基于WebGIS的地下水水质监测与评价系统，能够向有关部门提供权威科学的数据资料，为服务决策提供数据支撑和保障。

1  系统建设关键技术

1.1 监测数据集成

由于地下水监测由各地市监测站分别管理，监测设备由不同厂商进行供应，导致数据存储分散在不同数据库，因此需要将数据库进行集成，地下水监测数据库集成方案主要有以下四种，需要与每个设备厂商进行沟通对接，选择合适的集成方式。在集成过程中，需要重点考虑：（1）监测设备数据实时传输，即监测数据直接传送到系统数据库;（2）不定期被动接收推送数据，由设备厂商不定期的将监测数据推送到已建立好的系统数据库;（3）定期自动采集与存储，定期的从厂商数据库中采集数据，时间可调整;（4）数据实时共享，在网络互连互通的前提下，以接口开发的方式实现数据的实习共享。

1.2 系统总体设计

地下水水质监测与评价系统采用面向服务架构思想进行设计，通过空间数据引擎和数据库管理地下水空间数据和非空间数据，并结合地下水相关工作的实际需求，以GIS平台为支撑建立一个综合性的应用平台，实现地下水水质监测与评价应用的平台，在整个系统设计时遵循“可扩展性原则、安全性原则、实用性、高可靠性、标准性、经济性、灵活性”等七大原则，平台架构设计具体如图1所示。

1.3 系统安全控制

系统的安全控制主要从管理记录用户的操作记录、用户的权限分配、数据库备份机制以及用户的账号分配来控制。操作日志自动记录系统用户操作痕迹，记录用户除查询外的任何相关操作记录，如增加、修改和删除等操作。操作日志存档在配置文件LogInfo文件夹下，每天生成一个文档，具体记录操作时间、操作形式（如登录）、操作人用户名、操作人权限。系统管理员可通过此日志查看每日用户操作，增加系统的安全性。

数据库平台用户角色及权限设置灵活，分类较细，对系统内用户采用分权管理的形式，系统提供多种不同的用户权限，根据不同级别用户提供不同的角色权限控制，各级别下的用户权限仅可查看所管辖范围内的地下水监测点、水质监测数据以及相应的水质评价分析情况。

1.4 数据库建设

基于Web GIS的地下水水质监测与评价系统以地理数据为基础，实现水质数据的地图可视化，数据库包括空间数据库和属性数据库，其中空间数据库包括基础地形数据库、专题成果图数据库、等值线数据库;属性数据库主要包括各监测点的基本信息、水质监测数据等，并对不同实体进行编码，利用编码对属性和空间信息关联，使其可以在地图上进行展示。

数据建设过程中，主要包含有：（1）基础空间数据，采用基于天地图的地图数据服务;（2）地下水动态监测数据，主要包括地下水质监测数据，一般每个监测井每年丰水期测一次水质、枯水期测一次水质;（3）历史成果数据，主要包括各类地下水监测统计信息以及相关的综合研究成果數据等。

2  系统应用实现

地下水水质监测与评价系统主要包括数据监测、地下水水质查询、水质分析与评价、系统管理四大功能模块（见图2），将水质监测数据定期导入到系统中进行地下水水质不同区域、不同时间的展示、评价。水质评价选用国家制定的地下水质量标准（GB/T 14848-2017）为依据，将地下水质量进行定量评价，最后将定量的结果划分Ⅰ-Ⅴ类，以表明地下水水质的质量等级。

从系统功能结构来看，本系统主要实现了以下功能：①地下水监测点、水质监测数据的管理;②水质监测点一张图展示;③地下水水质监测曲线分析;④地下水质量评价;⑤水质单离子等值线的生成;⑥水质热力图的生成，系统功能结构如图1所示。

2.1 水质数据监测

对区域内地下水水质进行定期的监测，水质监测点每年丰水期和枯水期各监测一次，系统提供水质监测点数据、水质监测数据动态高效的批量一键式导入功能，以数据表文件的形式批量导入，同时提供单条数据添加、编辑、删除、浏览、导出。

基于WebGIS的地下水质监测系统可以实现：（1）地下水水质监测，对地下水水质监测点进行现场调查并取样，收集相关水质离子的监测数据;（2）根据收集到的数据关联监测点进行数据的整理，将监测数据数字化、标准化、统一整理成导入模板要求的格式;（3）从地下水水质监测与评价系统中对已经整理好的监测数据进行一键式的批量导入，进入系统数据库中并参与后续的地下水质量评价，以列表的形式在系统上进行展示;（4）对已经进入数据库的监测数据，提供数据的查询，可按照监测点编号、行政区划、埋藏条件、含水介质、所属水系分区等信息项进行组合查询，并在系统上进行展示;（5）可提供监测点数据和监测数据的编辑、删除、导出功能，提供可选字段和数据条数进行数据的批量导出，导出格式可选Excel文件和csv文件。

2.2 地下水水质查询

基础地理的操作。实现GIS的基础地理功能，该部分基于天地图、地理信息平台二次开发，主要功能包括地图基本操作、地图查询、地图分析等。地下水监测点及水质展示基于B/S架构，在天地图的基础上将地下水监测点进行叠加显示，统一采用中国大地2000坐标系，可以实现复位、测距、测量面积、清空测量和缩放功能。

实时信息查询。主要包括地下水监测数据的列表展示、图形展示、详细信息展示等功能，掌握各行政辖区内地下水监测点的分布情况，可以通过目录树选择行政区划下对应的监测点编号，在右侧显示对应的监测点信息及水质监测数据信息。展示时根据监测点级别、地下水类型等属性的不同，为不同属性的监测点设置不同的地图符号。通过此方式，直观的展示监测点的分布和属性信息，了解监测点以及水质监测信息。平台根据检索条件，得出检索结果后，采用列表展示和地图展示两种方式展示监测点信息。列表展示是指根据检索条件以树形目录列表的形式展示地下水监测点信息、地下水监测信息基本信息。单击列表某一条记录实现地下水监测点信息、地下水监测信息的详细展示。地图展示是指在列表中点击某一监测点，即可在地图视图上定位到该监测点的具体位置。在地图上点击监测点弹出的TIP框。详细信息展示具体在地图上，以标注点的形式显示监测点，点击此监测点弹出TIP框，展示监测点的概要信息，点击TIP框上的相关链接，可展示出该监测点的详细信息。监测曲线分析主要是生成水质在某一段时间段内的动态曲线图，可同时进行不同监测点之间的数据对比。

2.3 水质分析与评价

水质评价包含三部分：一是质量评价，二是等值线生成，三是热力图生成。等值线生成包含单离子等值线图、离子变幅图。

在水质质量评价界面（图3），接入天地图实现空间和时间上的水质等级评价，以绿蓝黄橙红不同图标表示Ⅰ-Ⅴ类水，通过天地图上的监测井图标可以查看该监测井的基本信息、超标离子、超标离子倍数以及单离子动态曲线图（从古至今的变化曲线图），还可以查看水质历史评价图以及水质指标等级图，可以明显查看影响因子，并可进一步查看单离子质量曲线图，掌握数据的监测数值。

系统选择国家地下水质量标准（GB/T 14848-2017），该标准适用于地下水质量调查与监测，地下水质量评价等内容，根据我国地下水质量状况和人体健康风险，参照生活饮用水、工业、农业等用水质量要求，根据各组分含量高低，分为五类水，系统根据用户录入的水质数据、水质评价标准进行对比，来判断水质质量等级、地下水水质单离子指标评价，按离子指标值的限值范围确定地下水质量等级，不同地下水水质类别的指标限值相同时，从优不从劣。地下水水质综合评价，按单离子指标评价结果的最高类别确定，并指出最高类别的指标。

2.4 等值线生成

水质评价中还可以进行等值线（图4）的生成，根据实际通过行政区划、水文分区、流域分区组合查询从空间上具体筛选出参与生成等值线的监测井，并选择离子、时间（年份以及枯水期或丰水期）生成等值线，叠加至天地图显示，本次评价的离子包括：pH、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物等99个离子。

离子变幅图的生成根据行政区划、水文分区、流域分区组合查询，筛选出生成离子变幅图所需要的监测井，通过“专题图制作”界面，选择“离子变幅图”标签页，选择变化前的时间和变化后的时间以及时期（枯水期和丰水期），生成离子变幅图。水质热力图（图5）是根据水质评价等级来生成的，通过查询，筛选出生成水质热力图所需要的监测井，生成水质热力图，并可设置光圈半径大小和模糊等级。

2.5 系统管理

系统管理实现个人信息、用户管理、权限管理、图层管理功能，具体如图6所示。该子模块具有个人信息编辑和展示功能;用户查询、编辑、删除等管理功能、权限查询、编辑、删除等管理功能。个人信息功能是用户登录后，能够显示用户的基本信息情况，并且能够对个人信息进行修改，并保存入库，修改的内容主要包括用户基本信息、以及用户名密码。用户管理主要包括用户信息的查看、编辑、删除，用户关键词查询、用户列表展示等功能。该模块只有管理员才有该权限对系统添加新用户，编辑用户信息、以及删除用户信息。权限管理主要是对系统进行关键字查询、添加权限、编辑、删除功能，该模块只有管理员才有该权限，管理员能够对系统添加新权限，也能够编辑修改权限信息、以及删除权限信息，权限管理模块的数据以列表分页的形式进行展示。图层管理主要是对系统内各专题的成果图件进行发布、添加、编辑、删除等操作。

3  结语

基于WebGI的地下水水质监测与评价系统实现地下水水质的有效监测和科学合理的评价，能够满足城乡的生产生活所需的水质要求。系统实现了地下水水质监测、查询、评价、分析以及管理，能够掌握地下水质变化，加强了地下水水质管理，为区域的水资源管理部门的科学评价提供技术和数据支撑，有利于加强监测和监管能力和实现地下水的信息化。

参考文献

[1] 孙永芳.地下水水质监测与评价[J].化工设计通讯，2020，46（5）：235，260.

[2] 张磊，张建伟，冯建华，等.高寒地带地下水动态在线监测系统设计与应用[J].长江科学院院报，2018，35（1）：147-150.

[3] 孙巍，王海莉.地下水监测信息化系统建设面临问题及对策研究[J].地下水，2019，41（5）：35-36，124.

[4] 吴昊晨，刘国忠，周艳军，等.松辽流域国家地下水监测站网布设成果分析[J].东北水利水电，2020，38（10）：32-33.

[5] 李小牛，杨士荣，李勇.关于山西省地下水超采区监测资料共享制度建设的思考[J].水资源开发与管理，2020（9）：16-22.

[6] 劉杰，孙龙，杨春生，等.国家地下水监测综合成果分析应用系统建设成果[J].水利信息化，2020（4）：9-11.

[7] 徐夕博，吕建树，徐汝汝.山东省沂源县土壤重金属来源分布及风险评价[J].农业工程学报，2018，34（9）：216-223.

[8] 徐勇.玛纳斯河流域地区地下水资源监测及评价[J].能源与节能，2020（9）：78-81，176.

[9] 袁辉.山东省城市饮用水水源地水质监测与评价研究[J].科技创新导报，2020，17（16）：130-131.

[10] 彭远新，邓振利，姜亚俊，等.近50年莱州湾南岸海岸线变迁遥感监测研究[J].安徽农业科学，2019，47（3）：54-56.