城市水资源管理信息系统的开发与应用

城市水资源管理信息系统的开发与应用

李云范子武徐世凯万声淦

南京水利科学研究院

摘要：本文把数据库、GIS、水資源管理专业模型进行系统集成，开发出适用于城市水资源管理的计算机软件系统。该系统具有基础信息查询、地表水和地下水运动仿真、用水量统计、需水量预测、污染物扩散控制、水质监测、水环境评价等功能，为城市水资源的科学管理、合理配置等决策提供技术支持服务。

关键词：管理信息系统水资源管理地理信息系统

一、前言

随着社会经济的不断发展，水资源问题变得日趋突出，主要表现在五个方面，一是防洪标准普遍偏低；二是点源污染和面源污染逐年加大，污水处理水平低，江湖水质日趋恶化；三是地下水资源量不足；四是局部地下水超采，地面下沉；五是一直存在着水资源不能统一管理和水资源不能合理配置以及水价偏低等问题。水资源问题已在较大程度上影响了一个地区社会经济的发展，成为该地区社会经济可持续发展的一个制约因素。因此，必须加强对水资源的科学有效管理，通过水资源的优化配置，满足经济社会发展对水资源的需求，通过实现水资源可持续利用，来支撑经济社会可持续发展。

水资源管理信息系统（WRMIS）的开发，是在整理分析现有资料的基础上，综合运用计算机、水文水资源、地理信息系统、网络通讯等多方面技术，将基础信息的管理、区域水资源规划、局部地表与地下水运动的数值模拟、图形显示等融为一体，集成水资源管理信息系统，实现基本信息查询、水量水质计算、污染物的监测与控制、水环境评价等功能，为水资源的科学管理、合理配置等决策提供技术支持服务。

水资源管理信息系统是个复杂的综合系统，包括管理信息系统（MIS）、地理信息系统(GIS)、决策支持系统(DSS)、办公自动化(OA)等。

为更好实现水资源管理系统的预定目标和功能，把建成一个适用、先进、高效、可靠的水资源管理信息化、现代化的平台，系统开发遵循以下原则：

（一）适用性与先进性并重原则

在适用的前提下力求先进，把水资源管理过程中的新思想、新方法融入到系统的开发中，真正做到数据与图形相融合、GIS与数学模型相结合，把科学计算的结构通过三维情景表现和动态显示的形式直观表现。

（二）开放性原则

水资源管理信息系统建设不是一蹴而就，而是分阶段逐步实施的。因此，本系统采用开放式结构，在软硬件方面，保证具有良好的扩展性，以便今后系统不断地升级完善。

（三）标准化原则

系统的硬件建设、数据库开发、代码编码、计算方法、分析评价、系统集成等均将采用标准化方法。有国家、行业标准或规范的，都将严格执行，没有标准或规范的，采用通用做法。

（四）易学易用易维护原则

系统最终是为用户服务的。系统开发应考虑不同层次的用户，设计友好的系统界面，使其操作直观、简便，易维护。

二、系统总体设计

（一）系统功能

WRMIS是在Windows NT环境下，数据库、GIS、水资源管理专业模型紧密结合的集成系统。它具有用户权限管理、数据管理、GIS分析、数值计算、动态管理、网络通讯、成果发布等功能。

（二）系统结构

从计算机系统的角度看，水资源信息管理系统实际上是一个由后台数据库与前台应用软件组成的综合系统，可以采用C/S或B/S结构。

1、Client/Server(C/S)结构

采用C/S结构，由于把数据（特别是基础属性数据）集中在服务器上，统一管理。较单机情况有很多优点，不需在每一台计算机上都安装同样的数据库，保证在不同计算机上所用的数据及时更新、完全一致，有利于数据维护和数据安全。C/S结构具有开发灵活、运行高效的特点，可以满足用户个性化的要求，由于采用高级语言编程，在图形操作、界面定制、表格处理方面十分灵活。由于采用C/S 结构，需要分别编写客户端和服务器端两套程序，因此开发效率低、周期长；由于并不是把所有的数据、文件都放在服务器端，运行程序时对客户端运行环境也有特殊要求，系统维护不方便；版本升级时，服务器和客户机都要更新，其工作量大。

2、Browser/Server(B/S)结构

随着Internet/Intranet越来越广泛的应用，B/S结构与Web技术的融合，

可以简化了客户机的工作，让服务器担负更多的工作，对数据库的访问和应用程序的执行将在服务器上完成，尽量把客户端程序变“瘦”。系统开发时，将框架信息组织在HTML页面上，通过动态网页与数据库建立连接，就不需要专门开发客户端程序。只要在客户机上安装WWW浏览器（如Internet Explorer、Navigator 等），就实现与服务器之间的交互。

根据前面关键技术分析，以及吉林市水资源管理信息系统建设的实际情况，系统开发既要保证技术先进性，又不可能一步到位，要为系统的升级留有充分余地，因此，系统总体设计思想是分阶段实施。第一阶段（履行合同阶段）系统采取以客户服务器体系（C/S）结构为主，以浏览器/服务器（B/S）结构为辅的一种总体结构，后台服务器将担当数据库服务器、地图服务器等功能。第二阶段，随着用户需求的进一步增加、数据量的日益丰富、使用规模和范围的日益扩大、使用要求的进一步提高，各方面技术的日益成熟，将对网络系统进行平滑升级，逐步剥离服务器的功能，并加大整个网络系统的安全度，以便全方位满足用户的需求。

3、逻辑结构

WRMIS的逻辑结构采用数据库加子系统模块的形式（见图1）。其中的数据库按照存储数据内容，分成基础资料库、地图数据库、模型库、动态管理库、多媒体库。

图1 WRMIS的逻辑结构

地图数据库包括空间数据和属性数据。图形数据库包括利用GIS软件处理过、在GIS中直接操作的数字化产品。包括地形地质、地面高程、水系、工程、行政、交通、降雨、蒸发等矢量化产品以及遥测遥感影像、GPS接收数据。

基础资料库中包含该项目所收集到的气象、水文、社经、规划、统计等方面，不与图形空间数据直接相关联的那部分数据。从资料的时空属性上，基础资料又分为基于时间序列和空间分布两类。

模型数据库是与相关专业计算模型关联的一个数据库。大多数复杂的计算模型是用Fortran语言编写的，在系统集成前，可以编译成动态连接库（DLL）或者执行程序（EXE）,放在模型库中。为便于管理，在系统中把与计算模型相关的算

法、模型参数、方案说明、中间结果、最终结果分类存储于数据库中。

多媒体库用来存放文字、图片、影视、声音等多媒体，为水资源管理提供工程描述、规划方案、科研成果、政策法规、行业标准等信息。

4、系统模块

为加强项目管理，缩短开发周期，充分发挥个人在不同领域的技术专长，按照系统目标和功能，将整个系统分解为不同的子系统模块：

（1）系统控制

主要通过人机交互操作，管理各个子系统间的接口，检验模块间参数传递，保证各子系统正常运作。该子系统还用来检验用户身份，防止非法用户操作，并且完成系统最基本的输入、输出操作。

（2）数据维护

利用桌面地理信息系统（如Mapinfo ）进行地图数据的日常维护。WRMIS 数据维护除具备数据和属性数据的输入、存储、整编功能外，也兼有查询、统计、分析等功能，同时，提供数据库与其它模块系统间的数据传输接口。

（3）现状分析

主要是利用WRMIS中基础数据库和地图数据库中的资料，进行统计分析，对吉林市水资源的开发利用现状进行评价，借助GIS操作，将分析结果以地图、表格、专题图、图像等直观形式表现出来。

（4）供需水管理

在水资源现状分析的基础上，对今后不同时期内经济发展势头进行分析，借助有关模型对工业用水、农业用水、林牧渔用水、生活用水、环境用水等进行科学预测。

在对长水文系列统计的基础上，提供不同保证率下的供水量。将GIS和水资源系统联合调度模型有机结合起来，建立多水源、多河流、地表水、地下水联合调度的供水仿真模型。通过仿真模拟，为水资源规划、开发利用、优化配置、节约保护提供支持。

水资源供需水管理实质上是一个不断需要作出风险决策、风险管理的过程。针对整个城市，考虑水文随机因素，通过水文风险分析，计算出不同保证率下的缺水量和最大缺水深度等指标，进而算出因缺水造成的经济损失。针对具体的取水工程，考虑河道径流、河道参数、取水工程参数、初始条件等方面的随机因素，通过水文、水力风险分析，计算出取水工程的取水风险率。

（5）水环境管理

在水体功能区划分和河段水质目标以及污染物允许排放总量及控制等水环境现状分析的基础上，结合经济发展情况，预测各水平年的污染负荷，在考虑水库运行调度、河道水位流量等约束条件，运用数值模拟手段，对水体环境进行评价。

（6）职能管理

职能管理模块是水资源信息管理系统的主要功能模块之一。主要用于辅助用户完成日常的行政管理职能，如取水许可证管理（包括地表水、地下水）、水资源

费收缴管理、污水排放管理以及统计报表的自动生成等。

（7）动态监测

水资源动态监测，或者叫做跟踪监测、事后监督，主要用于水资源恶性事件（地表水、地下水盗采、超采，不达标排污，突发污染物泄漏等）发生前、中、后，对水资源事件造成的后果进行预测、分析与评价，为事件的处理提供科学依据。

初步想法是尽可能把经常遇到事件、事件发生的时间、地点、事件的严重程度、事件后果等进行分析、归类，作为数学模型（地表水地下水水流模型、水质模型等）的输入条件。系统运行时，通过简单的人机交互操作，快速完成计算、分析，提供定量依据。动态监测的内容包括：地下水水位监测、地下水水质监测、地表水水位监测、地表水水质监测、地下水取水预警、地表水取水预警、排污预警等。

（8）水资源公报

对年度内的社会经济、水资源量、水质、蓄水、用水、调水等各项指标及其变化进行统计分析，辅助管理者编辑、出版区域水资源公报。

（9）文档管理

为用户提供与水资源管理相关的政策、法规、技术规章、规程的查询，以及辅助生成水资源年报、水资源公报等。

（10）成果发布

把政策法规、水资源年报、水资源公报及有关报表内容自动生成网页，允许通过Internet向公众发布。

三、系统开发

（一） GIS与计算模型间集成[1][2]

本系统的特点是要将GIS系统和数学模型集成在一个系统中运行，因此集成系统的体系结构不仅影响到系统的整体结构设计，也影响到系统的集成程度和运行效率。目前系统集成广泛采用对称结构(Peer-to-Peer)、嵌入结构(Embedded)、动态链接结构(Dynamic Linking)和基于构件(Component-based) 的集成体系结构。对已有的大部分用FORTRAN 语言编写的数学模型，在Fortran Power Station 环境下编译成动态连接库形式；对简单的预测分析模型重新编写代码；地下水模型为单独运行程序，采用对称结构。

（二）系统开发环境

平台软件：Windows系列

GIS软件：VrMap 2.0 SDK

开发语言：VB, Java,Javascript,Vbscript

数据库：SQL Server

（三）系统运行环境

网络设备: 集线器／交换机, 线材

客户机：P4 CPU1.4G、内存128M、32M显卡、40G硬盘、21”显示器

服务器：P4 双CPU1.5G*2、内存 256M、64M显卡、430G以上硬盘、17”显示器

辅助设备：打印机、投影仪、扫描仪、数字化仪等

（四）软件配置

客户机操作系统：Windows 98/2000 professional

服务器操作系统：Windows 2000 server/NT

数据库软件：SQL Server 2000

GIS平台：MapX+ MapInfo Professional + MapBasic

四、应用

为提高水资源管理的信息化、现代化水平，吉林市水资源管理办公室委托南京水利科学研究院对吉林市的水资源现状进行科学分析。在收集、整理现有的资料、信息的基础上，利用网络技术、数据库技术、地理信息系统以及水资源管理方面的方法、模型，集成一个方法先进、技术含量高的的水资源信息管理系统平台。该系统一方面能较为真实、形象反映吉林市水资源状况及开发利用情况，另一方面能够进行预测分析，方便快捷地为水资源管理（如取水论证、凿井审批、取水许可发放等）以及水资源优化配置提供科学决策支持。

参考文献：

1.Ziwu Fan, Lei Wu, Yunhui Li, 1999. “GIS-Based Flood Management System

for Detention Basins.”Proceedings of 99 International Symposium on Flood Control, CHES, 584-592.

2.Christian Gullaud, Rene Aubut, 2001. “Flood Control and Water Management

through GIS and Satellite Technology”. Proceedings of Workshop on Application of GIS Technology in Water Resources Sector, Nanjing, China, 103-117.