關(guān)琴 馬雪瑩 柳浩然 姜曉芬 韓旭

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，也是重要的旱期農(nóng)業(yè)灌溉水源，然而地下水面臨著來自農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市排放污染的威脅，因此地下水水質(zhì)監(jiān)測和評價對于公眾健康和糧食安全具有重要意義。研究以GIS平臺為基礎(chǔ)，綜合使用計算機(jī)Web技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過構(gòu)建等值線和熱力圖等多種地下水質(zhì)評價方式，完成對區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)的監(jiān)測和分析評價。監(jiān)測系統(tǒng)可以提供面板數(shù)據(jù)監(jiān)測、地下水水質(zhì)查詢、水質(zhì)分析與評價、系統(tǒng)管理四大功能，為地下水水質(zhì)異常變化提供前期的預(yù)警，為保障群眾用水安全和水資源管理部門決策給予保障支持。

關(guān)鍵詞：地下水? 水質(zhì)監(jiān)測? 評價? WebGIS

中圖分類號：P641.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

地下水作為水資源系統(tǒng)的重要組成部分，在保障城鄉(xiāng)生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水，維系生態(tài)平衡等方面具有重要作用。為了保障地下水安全，做好地下水的污染防治工作，必須對地下水環(huán)境作出客觀有效的評價。

地下水水質(zhì)監(jiān)測與評價系統(tǒng)的建設(shè)，主要通過對地下水資料的監(jiān)測、數(shù)據(jù)的采集與分析，了解地下水的分布情況以及質(zhì)量情況，可以充分、合理利用現(xiàn)有的有限的地下水資源。近年來，孫永芳等[1]基于布置的地下水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，在分析化驗后，利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)的對地下水質(zhì)進(jìn)行評估。張磊等[2]通過設(shè)計全自動的在線水質(zhì)監(jiān)測器，建設(shè)完成地下水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，在對地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行提取、傳輸和分析之后，得出全面的水質(zhì)分析報告，為地下水管理部門的環(huán)境治理提供了依據(jù)。孫巍等[3]優(yōu)化了地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)，減少了地下水監(jiān)測評價過程中的不確定性，提供了地下水可持續(xù)開采量的建議。地下水監(jiān)測與評價系統(tǒng)采用最新且穩(wěn)定的傳感器，在成熟的網(wǎng)絡(luò)硬件支持下，可以整合數(shù)據(jù)收集、傳輸、標(biāo)準(zhǔn)化、導(dǎo)入和評價輸出等工作，便利了工作流程并且提高了準(zhǔn)確度[4-10]。

本文將以地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)為主要媒介，以數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、專題圖生成、等值線生成等服務(wù)為主要功能模塊，在保證信息準(zhǔn)確、及時、高效、安全的情況下，建設(shè)基于WebGIS的地下水水質(zhì)監(jiān)測與評價系統(tǒng)，能夠向有關(guān)部門提供權(quán)威科學(xué)的數(shù)據(jù)資料，為服務(wù)決策提供數(shù)據(jù)支撐和保障。

1? 系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)集成

由于地下水監(jiān)測由各地市監(jiān)測站分別管理，監(jiān)測設(shè)備由不同廠商進(jìn)行供應(yīng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲分散在不同數(shù)據(jù)庫，因此需要將數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集成，地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)庫集成方案主要有以下四種，需要與每個設(shè)備廠商進(jìn)行溝通對接，選擇合適的集成方式。在集成過程中，需要重點(diǎn)考慮：（1）監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)實時傳輸，即監(jiān)測數(shù)據(jù)直接傳送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫;（2）不定期被動接收推送數(shù)據(jù)，由設(shè)備廠商不定期的將監(jiān)測數(shù)據(jù)推送到已建立好的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫;（3）定期自動采集與存儲，定期的從廠商數(shù)據(jù)庫中采集數(shù)據(jù)，時間可調(diào)整;（4）數(shù)據(jù)實時共享，在網(wǎng)絡(luò)互連互通的前提下，以接口開發(fā)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實習(xí)共享。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

地下水水質(zhì)監(jiān)測與評價系統(tǒng)采用面向服務(wù)架構(gòu)思想進(jìn)行設(shè)計，通過空間數(shù)據(jù)引擎和數(shù)據(jù)庫管理地下水空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，并結(jié)合地下水相關(guān)工作的實際需求，以GIS平臺為支撐建立一個綜合性的應(yīng)用平臺，實現(xiàn)地下水水質(zhì)監(jiān)測與評價應(yīng)用的平臺，在整個系統(tǒng)設(shè)計時遵循“可擴(kuò)展性原則、安全性原則、實用性、高可靠性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性”等七大原則，平臺架構(gòu)設(shè)計具體如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)安全控制

系統(tǒng)的安全控制主要從管理記錄用戶的操作記錄、用戶的權(quán)限分配、數(shù)據(jù)庫備份機(jī)制以及用戶的賬號分配來控制。操作日志自動記錄系統(tǒng)用戶操作痕跡，記錄用戶除查詢外的任何相關(guān)操作記錄，如增加、修改和刪除等操作。操作日志存檔在配置文件LogInfo文件夾下，每天生成一個文檔，具體記錄操作時間、操作形式（如登錄）、操作人用戶名、操作人權(quán)限。系統(tǒng)管理員可通過此日志查看每日用戶操作，增加系統(tǒng)的安全性。

數(shù)據(jù)庫平臺用戶角色及權(quán)限設(shè)置靈活，分類較細(xì)，對系統(tǒng)內(nèi)用戶采用分權(quán)管理的形式，系統(tǒng)提供多種不同的用戶權(quán)限，根據(jù)不同級別用戶提供不同的角色權(quán)限控制，各級別下的用戶權(quán)限僅可查看所管轄范圍內(nèi)的地下水監(jiān)測點(diǎn)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的水質(zhì)評價分析情況。

1.4 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

基于Web GIS的地下水水質(zhì)監(jiān)測與評價系統(tǒng)以地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的地圖可視化，數(shù)據(jù)庫包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，其中空間數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)庫、專題成果圖數(shù)據(jù)庫、等值線數(shù)據(jù)庫;屬性數(shù)據(jù)庫主要包括各監(jiān)測點(diǎn)的基本信息、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等，并對不同實體進(jìn)行編碼，利用編碼對屬性和空間信息關(guān)聯(lián)，使其可以在地圖上進(jìn)行展示。

數(shù)據(jù)建設(shè)過程中，主要包含有：（1）基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，采用基于天地圖的地圖數(shù)據(jù)服務(wù);（2）地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要包括地下水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，一般每個監(jiān)測井每年豐水期測一次水質(zhì)、枯水期測一次水質(zhì);（3）歷史成果數(shù)據(jù)，主要包括各類地下水監(jiān)測統(tǒng)計信息以及相關(guān)的綜合研究成果數(shù)據(jù)等。

2? 系統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)

地下水水質(zhì)監(jiān)測與評價系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測、地下水水質(zhì)查詢、水質(zhì)分析與評價、系統(tǒng)管理四大功能模塊（見圖2），將水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)定期導(dǎo)入到系統(tǒng)中進(jìn)行地下水水質(zhì)不同區(qū)域、不同時間的展示、評價。水質(zhì)評價選用國家制定的地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848-2017）為依據(jù)，將地下水質(zhì)量進(jìn)行定量評價，最后將定量的結(jié)果劃分Ⅰ-Ⅴ類，以表明地下水水質(zhì)的質(zhì)量等級。

從系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)來看，本系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以下功能：①地下水監(jiān)測點(diǎn)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理;②水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)一張圖展示;③地下水水質(zhì)監(jiān)測曲線分析;④地下水質(zhì)量評價;⑤水質(zhì)單離子等值線的生成;⑥水質(zhì)熱力圖的生成，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測

對區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)進(jìn)行定期的監(jiān)測，水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)每年豐水期和枯水期各監(jiān)測一次，系統(tǒng)提供水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)高效的批量一鍵式導(dǎo)入功能，以數(shù)據(jù)表文件的形式批量導(dǎo)入，同時提供單條數(shù)據(jù)添加、編輯、刪除、瀏覽、導(dǎo)出。

基于WebGIS的地下水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)：（1）地下水水質(zhì)監(jiān)測，對地下水水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查并取樣，收集相關(guān)水質(zhì)離子的監(jiān)測數(shù)據(jù);（2）根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，將監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一整理成導(dǎo)入模板要求的格式;（3）從地下水水質(zhì)監(jiān)測與評價系統(tǒng)中對已經(jīng)整理好的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一鍵式的批量導(dǎo)入，進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中并參與后續(xù)的地下水質(zhì)量評價，以列表的形式在系統(tǒng)上進(jìn)行展示;（4）對已經(jīng)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的查詢，可按照監(jiān)測點(diǎn)編號、行政區(qū)劃、埋藏條件、含水介質(zhì)、所屬水系分區(qū)等信息項進(jìn)行組合查詢，并在系統(tǒng)上進(jìn)行展示;（5）可提供監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的編輯、刪除、導(dǎo)出功能，提供可選字段和數(shù)據(jù)條數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)出，導(dǎo)出格式可選Excel文件和csv文件。

2.2 地下水水質(zhì)查詢

基礎(chǔ)地理的操作。實現(xiàn)GIS的基礎(chǔ)地理功能，該部分基于天地圖、地理信息平臺二次開發(fā)，主要功能包括地圖基本操作、地圖查詢、地圖分析等。地下水監(jiān)測點(diǎn)及水質(zhì)展示基于B/S架構(gòu)，在天地圖的基礎(chǔ)上將地下水監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行疊加顯示，統(tǒng)一采用中國大地2000坐標(biāo)系，可以實現(xiàn)復(fù)位、測距、測量面積、清空測量和縮放功能。

實時信息查詢。主要包括地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的列表展示、圖形展示、詳細(xì)信息展示等功能，掌握各行政轄區(qū)內(nèi)地下水監(jiān)測點(diǎn)的分布情況，可以通過目錄樹選擇行政區(qū)劃下對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)編號，在右側(cè)顯示對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)信息及水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。展示時根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)級別、地下水類型等屬性的不同，為不同屬性的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置不同的地圖符號。通過此方式，直觀的展示監(jiān)測點(diǎn)的分布和屬性信息，了解監(jiān)測點(diǎn)以及水質(zhì)監(jiān)測信息。平臺根據(jù)檢索條件，得出檢索結(jié)果后，采用列表展示和地圖展示兩種方式展示監(jiān)測點(diǎn)信息。列表展示是指根據(jù)檢索條件以樹形目錄列表的形式展示地下水監(jiān)測點(diǎn)信息、地下水監(jiān)測信息基本信息。單擊列表某一條記錄實現(xiàn)地下水監(jiān)測點(diǎn)信息、地下水監(jiān)測信息的詳細(xì)展示。地圖展示是指在列表中點(diǎn)擊某一監(jiān)測點(diǎn)，即可在地圖視圖上定位到該監(jiān)測點(diǎn)的具體位置。在地圖上點(diǎn)擊監(jiān)測點(diǎn)彈出的TIP框。詳細(xì)信息展示具體在地圖上，以標(biāo)注點(diǎn)的形式顯示監(jiān)測點(diǎn)，點(diǎn)擊此監(jiān)測點(diǎn)彈出TIP框，展示監(jiān)測點(diǎn)的概要信息，點(diǎn)擊TIP框上的相關(guān)鏈接，可展示出該監(jiān)測點(diǎn)的詳細(xì)信息。監(jiān)測曲線分析主要是生成水質(zhì)在某一段時間段內(nèi)的動態(tài)曲線圖，可同時進(jìn)行不同監(jiān)測點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)對比。

2.3 水質(zhì)分析與評價

水質(zhì)評價包含三部分：一是質(zhì)量評價，二是等值線生成，三是熱力圖生成。等值線生成包含單離子等值線圖、離子變幅圖。

在水質(zhì)質(zhì)量評價界面（圖3），接入天地圖實現(xiàn)空間和時間上的水質(zhì)等級評價，以綠藍(lán)黃橙紅不同圖標(biāo)表示Ⅰ-Ⅴ類水，通過天地圖上的監(jiān)測井圖標(biāo)可以查看該監(jiān)測井的基本信息、超標(biāo)離子、超標(biāo)離子倍數(shù)以及單離子動態(tài)曲線圖（從古至今的變化曲線圖），還可以查看水質(zhì)歷史評價圖以及水質(zhì)指標(biāo)等級圖，可以明顯查看影響因子，并可進(jìn)一步查看單離子質(zhì)量曲線圖，掌握數(shù)據(jù)的監(jiān)測數(shù)值。

系統(tǒng)選擇國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848-2017），該標(biāo)準(zhǔn)適用于地下水質(zhì)量調(diào)查與監(jiān)測，地下水質(zhì)量評價等內(nèi)容，根據(jù)我國地下水質(zhì)量狀況和人體健康風(fēng)險，參照生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水質(zhì)量要求，根據(jù)各組分含量高低，分為五類水，系統(tǒng)根據(jù)用戶錄入的水質(zhì)數(shù)據(jù)、水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，來判斷水質(zhì)質(zhì)量等級、地下水水質(zhì)單離子指標(biāo)評價，按離子指標(biāo)值的限值范圍確定地下水質(zhì)量等級，不同地下水水質(zhì)類別的指標(biāo)限值相同時，從優(yōu)不從劣。地下水水質(zhì)綜合評價，按單離子指標(biāo)評價結(jié)果的最高類別確定，并指出最高類別的指標(biāo)。

2.4 等值線生成

水質(zhì)評價中還可以進(jìn)行等值線（圖4）的生成，根據(jù)實際通過行政區(qū)劃、水文分區(qū)、流域分區(qū)組合查詢從空間上具體篩選出參與生成等值線的監(jiān)測井，并選擇離子、時間（年份以及枯水期或豐水期）生成等值線，疊加至天地圖顯示，本次評價的離子包括：pH、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物等99個離子。

離子變幅圖的生成根據(jù)行政區(qū)劃、水文分區(qū)、流域分區(qū)組合查詢，篩選出生成離子變幅圖所需要的監(jiān)測井，通過“專題圖制作”界面，選擇“離子變幅圖”標(biāo)簽頁，選擇變化前的時間和變化后的時間以及時期（枯水期和豐水期），生成離子變幅圖。水質(zhì)熱力圖（圖5）是根據(jù)水質(zhì)評價等級來生成的，通過查詢，篩選出生成水質(zhì)熱力圖所需要的監(jiān)測井，生成水質(zhì)熱力圖，并可設(shè)置光圈半徑大小和模糊等級。

2.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理實現(xiàn)個人信息、用戶管理、權(quán)限管理、圖層管理功能，具體如圖6所示。該子模塊具有個人信息編輯和展示功能;用戶查詢、編輯、刪除等管理功能、權(quán)限查詢、編輯、刪除等管理功能。個人信息功能是用戶登錄后，能夠顯示用戶的基本信息情況，并且能夠?qū)€人信息進(jìn)行修改，并保存入庫，修改的內(nèi)容主要包括用戶基本信息、以及用戶名密碼。用戶管理主要包括用戶信息的查看、編輯、刪除，用戶關(guān)鍵詞查詢、用戶列表展示等功能。該模塊只有管理員才有該權(quán)限對系統(tǒng)添加新用戶，編輯用戶信息、以及刪除用戶信息。權(quán)限管理主要是對系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵字查詢、添加權(quán)限、編輯、刪除功能，該模塊只有管理員才有該權(quán)限，管理員能夠?qū)ο到y(tǒng)添加新權(quán)限，也能夠編輯修改權(quán)限信息、以及刪除權(quán)限信息，權(quán)限管理模塊的數(shù)據(jù)以列表分頁的形式進(jìn)行展示。圖層管理主要是對系統(tǒng)內(nèi)各專題的成果圖件進(jìn)行發(fā)布、添加、編輯、刪除等操作。

3? 結(jié)語

基于WebGI的地下水水質(zhì)監(jiān)測與評價系統(tǒng)實現(xiàn)地下水水質(zhì)的有效監(jiān)測和科學(xué)合理的評價，能夠滿足城鄉(xiāng)的生產(chǎn)生活所需的水質(zhì)要求。系統(tǒng)實現(xiàn)了地下水水質(zhì)監(jiān)測、查詢、評價、分析以及管理，能夠掌握地下水質(zhì)變化，加強(qiáng)了地下水水質(zhì)管理，為區(qū)域的水資源管理部門的科學(xué)評價提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，有利于加強(qiáng)監(jiān)測和監(jiān)管能力和實現(xiàn)地下水的信息化。

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