基于GIS的水资源综合管理系统设计与应用

PAGE题目：基于GIS的水资源综合管理系统设计与应用专业：测绘工程【摘要】：针对我国水资源短缺的矛盾，以及地下水的过度开采和日趋严重的水体污染，严重影响了中国正在实施的可持续发展战略，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人们的健康。为了进一步了解和监测水资源的情况，提出对水资源进行综合管理。对于严重缺水城市，执行取水许可制度尤为重要。本文主要对水资源信息管理系统中的取水口位置最优化选择功能进行分析，在详细研究水务局管理制度和业务模式后，提出基于GIS的取水许可管理系统的解决方案，详细阐述了系统建设思路、开发架构、数据库建设、系统功能设计等内容。系统实现了取水许可业务外网申报、内网数据集成、空间数据入库等全流程信息化管理，提高了取水许可办公软件和自动化水平。并介绍了大连市水资源管理的应用例子，得出了具体水资源管理开发设计的成果。整体来看，水资源管理系统的建设现状处于发展阶段，并且针对水资源的具体情况得出了相应的阐述和对策。【关键词】：取水许可；水资源管理系统；数据库；应用；

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1．引言 11.1课题的背景 11.2国内外研究现状 11.3

课题研究目标和内容 12．建设技术方案 32.1平台选型 32.2系统设计 32.3建设框架 43．数据库设计 63.1空间数据库设计 63.2业务数据库的设计 63.3系统功能设计 73.4数据入库 74．水资源管理应用举例 94.1基础管理应用 94.2统计评价应用 94.3水资源保护中应用 104.4水环境管理的应用 115．总结与展望 13致谢 14参考文献 15PAGE141．引言1.1课题的背景中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1／4、美国的1／5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一[1]。据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对中国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。目前我国城市供水以地表水或地下水为主，或者两种水源混合使用，有些城市因地下水过度开采，造成地下水位下降，有的城市形成了几百平方公里的大漏斗，使海水倒灌数十公里。由于工业废水的肆意排放，导致80％以上的地表水、地下水被污染。当代资源、人口和环境的可持续发展已经成为我国及全世界共同关注的重大战略问题，对于作为人均水资源贫国的我国却是世界人口最多的国家，这种情况下，我国水资源可利用率、农业亩均用水和人均用水显得更加有限。特别是我国北方严重缺水的城市，人均水资源占有量极少，随着城市规模和人口的急剧增加，加之连续数年的干旱少雨，城市地下水位逐年下降，地表水库蓄水能力严重不足，水资源的供需矛盾问题日益突出。1.2国内外研究现状在国外，20世纪七、八十年代，美国田纳西流域管理局利用GIS技术处理和分析各种流域数据，为流域管理和规划提供决策服务，GIS开始应用于水资源管理。随后在运用GIS研究水资源管理中取得了较有实用价值的系统与理论研究成果。对于水资源综合管理系统应用中，国外也很多对它研究。在德里水资源管理的问题与展望的综合方法中提到，在面临水资源短缺，是由于在不同地区水供应和经济发展不相适应，以及工业化，地区性差异等造成的，水源严重污染和不足，导致水浪费很严重[2]。水资源的管理必须结合土地利用的转变，协调中期和长期利用。利用可再生资源，平衡，并在水资源利用中充分建设。在国内，王晨华结合可持续发展理论、二元系统论的指导下，运用多种数学方法，对云南省十六个地市的水资源管理做了单项和综合评价。王超在地理信息系统在水资源评价中的应用初探中运用GIS等计算机技术开展水资源调查评价的分析计算，就GIS在水资源调查评价中的应用而言，国内外没有深入的研究，它根据水资源调查评价工作的具体需求，结合GIS基本功能、构成特点，从水资源空间分析探索GIS在水资源调查中的应用[3]。我国从1980年开始进行全国水资源调查评价和水资源利用的调查分析工作，对地表水资料、地下水资料、水资源总量和水质进行了评价。为了进一步了解和监测水资源情况，水利部门已有包括170多个主要测站的全国水资源信息管理系统。水资源信息管理系统是空间决策支持系统的基础或者是组成部分，而GIS是其基础，同时也是提取数据和显示数据的平台。

这些以GIS技术为支撑的信息管理系统和空间决策支持系统的功能主要有以下几个方面：自然、地理、社会经济等基础背景数据，水利工程与设施，监测站点，水质与水量的历史与实时数据，水环境评价等级，水质标准及法规和条例，决策项目和边界条件数据，水污染预测数据的采集和管理；建立数据空间数据和属性特征的拓扑关系，用来进行数据的双向查询；通过对区域或上下游水质的空间分析，找出某水质参数严重超标的污染源；各类数据的可视化表达和可视化共享；水质水量模拟与预测；污染排放管理与控制；取水口位置最优化选择和各类突发事件的处理方案及优化。1.3

课题研究目标和内容面对水资源的供需矛盾问题的日益突出，我国水务局提出要落实“最严格的水资源管理制定”，要以更加科学、严密的方式审批核查取水许可、控制核算取排水量、合理配置调度水资源，最终实现水资源配置管理“总量控制，定额管理”的目标。本文就取水口位置最优化选择为例，阐述有效合理的控制地下水资源的开采利用。基于ArcGISServer9.3.1的JavascriptAPI平台，将基础地理数据、水务基础数据、水资源规划专题数据和元数据有机的结合在地图上，并对相关资料进行分析和综合后，选出最优取水口位置。而取水许可管理系统应运而生，其旨在以业务应用为基础，以GIS技术为核心，综合应用空间数据库技术、中间件技术、数据交换技术等信息化技术建立准确、全面、规范的地理信息系统，实现对水资源管理行政许可业务（取水许可）工作的分析和支持，为大连市实施水资源总量控制，实现水资源业务管理的科学化、信息化提供必要的依据和手段。

2．建设技术方案2.1平台选型系统建设基于ArcGISServer9.3.1的JavascriptAPI平台，空间数据库引擎为ArcSDE9.3.1forOracle10gR2。业务数据通过数据总线DB2访问。开发架构用Dojo+DWR+Hibernate的J2EE.结构。前端基于Ajax技术，极大丰富客服端的应用体验及交换操作，开发工具为myEclipse6.5。ArcGISServer是大型地理信息系统基础平台，能够完全胜任各种GIS系统的建设开发，能够提出对服务器的管理、空间数据仓库支持、空间功能仓库支持，可以为其他基础平台提供统一的功能组件、服务GIS组件，移动终端（嵌入式）组件和空间数据引擎。ArcGIS在数据采集、检查处理、售后服务等方面相对于其他GIS平台有着明显的优势，同时占用资源小，安装维护方便，已经被应用于国土、水利、林业、环保等诸多领域。水资源综合管理系统对数据的采集和编辑处理要求较高，ArcGISServer9.3.1能支持多种数据采集编辑的方法，完全能够完成多种源数据的采集和各个环节的数据编辑功能。2.2系统设计2.系统设计遵循以下原则[4]：①标准化与可扩展原则，严格遵循现有的国家标准和行业规范，充分利用先进的软件开发理论、技术，使搭建的系统具有良好的扩展性、开放性，能够适应业务的增长和补充，②实用、易操作、便于维护原则。系统应具有良好的实用性，操作简单快捷，界面友好，系统和数据易于部署、维护、更新和管理。③高性能和安全性原则。系统在系统设计、开发和应用时，充分考虑系统的性能，确保较高的稳定性和响应速度，保证相关数据的安全。2.2取水许可管理系统涉及到用户为社会公众（取水用户）和内网用户（水务行政主管审批部门），该系统建设的总体目标是在“3+1+1+2”的信息化建设框架下（3网：外网、业务网、内网；1库：1个水资源综合性数据库；1个体系：水资源综合性数据库共享交换服务体系；2个平台：水资源信息化服务架构平台、数据管理平台），以“三网一库”和“水资源综合性数据库共享交换服务体系”为基础，建设一个具有高安全性、高可靠性的数据管理平台和水资源信息化服务架构平台。总体建设思路如图2-图2-1总体建设思路图外网取水用户（社会公众）通过水务局外网申报系统填写取水许可申报信息，内外网数据交换通道实时将外网申报数据同步至局中心内网前置机；与此同时，外网申报系统调用取水许可管理系统提供的WebService数据接口，将申报数据（位于局中心内网前置机）同步写入取水许可管理系统。最终办结结果也以这种方式实时向外网公布。内网审批人员通过登陆内网统一门户（水资源综合管理信息平台）访问局中心OA行政审批系统，该系统实现了与CA统一认证集成，可以以链接方式直接查看取水许可管理系统的业务申报单，解决了局中心OA行政审批与取水许可管理系统的无缝集成问题。取水许可证文件服务器存储各个区县的取水许可证备案数据，该数据由各区县负责审批，利用ETL工具定时抽取最终汇交到市水务局。区县前置机存储点的数据库通过共享平台实时与取水许可分析系统进行数据共享交换。2.3建设框架取水分析系统详细设计时，严格遵循模型—视图—控制器（MVC）分离原则，采用了Dojo+DWR+Hibernate的J2EE。结构多层开发架构[5]。架构图如图2-2所示。开发工具开发工具：MyEclipse6.5用户界面层：Dojo1.4.3服务层：DWR2.0/ArcGISServer9.3业务层：Spring2.5数据访问层：Hibernate3.2数据存储层：DB2/Oracle10g应用服务层：Tomcat图2-2建设架构图本系统的数据实际存储在Oracle10g中，但是本系统不直接操作该Oracle10g，而是通过DB2数据总线来进行间接的操作。数据访问层使用Hibernate框架。业务层使用Spring框架。Spring可以轻松的管理应用组件以及他们之间的依赖性，同时Spring还提供事务管理框架、DAO支持、支持主流O/RMapping框架的集成、支持各种标准J2EE组件技术的集成。在服务层，对于空间数据以及地图，使用ArcGISServer9.3发布为Web服务。而对于业务属性数据与信息，使用DWR框架将其发布为Web服务。用户界面层使用DojoJavaScript库。Dojo设计的包括加载机制和模块化的结构，能保持更好的扩展性，提高执行性能，减轻了用户开发的工作量，并保持一定的灵活性。

3．数据库设计3.1空间数据库设计从数据的类型来看，可以将系统的空间数据分为基础地理数据、水务基础数据、水资源规划专题数据和元数据四类数据[6]。空间数据库设计如图3-1所示。图3-1空间数据库设计框架（1）基础地理数据基础地理数据是系统数据库建设的基础空间位置参考。包括：水系及附属设施、地址地貌、植被、居民地、工矿及附属设施、交通及附属设施、境界等七大要素。（2）水务基础数据用户取水口、机井数据是整个系统的核心数据图层。它们不仅要体现各类机井、取水口的空间位置，而且要可以查询到某一个机井、取水口的对应属性。包括机井用水单位、取水用途、水资源类型、井深、年取水量等。（3）水资源规划专题数据水资源规划专题数据是系统辅助决策分析的基础数据，业务人员用于分析是否可以取水的重要依据。包括水资源保护区规划、地下水超采区范围、地下水埋深变化、松散岩层孔隙水富水性分区、地下水功能区划等。（4）元数据元数据是用来描述数据的数据，主要包括对空间图层使用投影、坐标系、比例尺、采集人、采集时间等的说明。3.2业务数据库的设计业务数据库由取水许可申报数据、备案数据以及辅助决策的配置数据组成。主要包括：取水许可申报表、取水许可登记表、取水许可证等。配置数据主要包括：可开采水资源量、监测井埋深、业务分析结果及用户管理、权限控制等系统维护数据组成。3.3系统功能设计为实现水资源管理系统管理、统计、更新以及汇总等核心应用，系统的主要功能模块可分为申报备案管理子系统、证书管理子系统、取水许可GIS决策分析子系统、综合统计子系统、服务接口管理系统、系统配置管理子系统。如图3-2所示。图3-2取水许可功能框架图（1）申报备案管理子系统。为办理取水许可的单位或个人提供申报材料和备案材料的网上录入、删除、修改、查询功能。（2）证书管理子系统。包括取水许可证的生成及打印、许可证变更、作废、延续、到期提醒、过期提醒等功能。（3）取水许可GIS决策分析子系统。提供地表水取水许可、地下水取水许可和再生水取水许可的审批决策分析功能。系统根据取水当前申报件的申报位置，与当地的地名数据库进行模糊匹配至取水周边位置，同时综合考虑取水位置和取水口的关系，以及所在区县的开采量和控制量，最终形成电子评价报告供局办公OA系统使用。（4）综合统计子系统。为用户提供关于地下水埋深变化、取水量、取水用途、业务办理情况等各类信息的横向、纵向统计分析。统计结果以直观的统计图表式展现，供业务人员和水务局领导宏观决策使用。（5）服务接口管理系统。对区县取水许可证和机井数据的数据汇交接口、数据更新接口、数据抽取ETL包等进行管理，包括服务及接口权限、更新方式、更新周期。（6）系统配置管理子系统。主要包括系统权限、用户管理、数据配置管理等。3.4数据入库存储入库的空间数据包括矢量数据、CAD分幅数据、分幅栅格地形图、分幅影像地图和压缩数据。不同类型的数据将以不同的方式存入数据库中[7]。（1）矢量数据。矢量数据是以要素数据集的形式存储到ArcSDE数据库中，存储后的数据保存了原数据的空间特性和属性特性，可以方便地进行浏览、编辑和下载。（2）CAD分幅数据。ArcSDE提供的CADClient可以对CAD进行存储和编辑，但入库时主要考虑CAD数据的分发功能，其浏览功能可以通过压缩数据来实现，因此将CAD分幅数据以二进制形式存储到oracle数据库中。（3）分幅栅格地形图和分幅影像地图。分幅栅格地形图和分幅影像地图都属于栅格数据，栅格数据在ArcSDE中有两种存储形式：RasterDataset和RasterCatalog。RasterDataset具有浏览速度快、支持服务发布的特点，但镶嵌和更新困难；RasterCatalog不支持服务发布，但具有装载速度快的特点。本文采用RasterCatalog的形式存储。（4）压缩数据。压缩数据直接存储在oracle数据库中，应用下载到本地。

4．水资源管理应用举例4.1基础管理应用对某市区域内整个水循环过程中涉及的基础和设施数据进行统一管理和集成应用，包括河道水系（河流、湖泊等）、取水（地下水深井、取水口等）、供水（水厂、泵站等）、用水（用水情况日报、月报、节水指标等）、排水（排水系统和泵站、排水井、污染源、污水处理厂等）、资源保护（水功能区、水源地等）、水利工程（水利分片、重要水闸、圩区等）、河道整治（黑臭河道等）。并与该市测绘院的基础地图服务、排水处的专题数据服务进行融享，借助于高分辨率的航空遥感数据与当地的数据信息进行叠加为水资源管理提供客观参考[8]。如图4-1所示。图4-1某市排水设施与航空遥感数据叠加应用4.2统计评价应用在地图上对任意时间段内全市雨量等值线（面）即时绘制，直观展示一个城市雨量分布；以每月监测数据为基础，按水质级别以不同颜色在地图上直观反映取水口附近骨干河道的水质情况；以每月监测数据为基础，按照水功能区划定义的水质控制标准直观反映各河段水质是否达到控制标准等[9]。利用直观展示的图、表来反映取水口周边河道水质的情况，供业务人员和水务局领导宏观决策使用。其中对浙江省某取水口附近骨干河道水质评价应用如图4-2所示。图4-2对浙江省某取水口附近骨干河道水质评价应用4.3水资源保护中应用为实现国务院颁布的《水污染防治暂行条例》中规定的“水体变清”的目标，以及加强对水资源的高效管理和规划，开发了水资源保护地理信息系统[10]。ArcGIS是ESRI(美国环境系统研究所)最新推出的普及型桌面GIS软件。它具有扩展模块功能齐全、容易学习使用、支持地理信息查询、显示和卓面制图等特点。它适用于中小规模的GIS项目.ArcGIS随带一个功能强大的面向对象的编程工具———Avenue，这就给用户提供了一个很好的二次开发环境。利用Avenue，用户可以重新组织ArcGIS的界面和功能，开发出各种各样具有特定功能的普及型GIS应用系统。ArcGIS以项目(project)作为基本应用单元。一个项目就是一个扩展名为apr的文件，它包含各种工作视图(view)、表格(table)、统计图(chart)、表现图(layout)以及程序段(script)。实际上,这些图、表、程序同时也是分析处理数据的手段或工具。水资源地图集以及地图集管理系统就是使用ArcGIS作为开发平台。水资源地理要素复杂、各类专题地图数量众多，为将各专题地图录入数据库，在初始阶段,按照点、线、多边形三种组合原则将各专题图划分成简单的图层,并采用数据化仪和ArcGIS的DigitalExtension在ArcGIS界面中进行图层的绘制工作，并将各地理要素的属性数据录入，最后将所有图层编辑入库并一一对应放置在相应的文件位置[11]。水资源地理要素复杂,综合、专题地图就有40多张，各种图层300多个，在制作地理信息系统时常常会遇到大量不同专题图层同时在一个视图中出现的情况，既增加了工作量，使用起来也不方便,因此必须使用二次开发语言建立一个方便、快捷的应用平台。在应用平台的设计思路中关键是如何将用户界面和各图层连结起来[12]。为此，在设计中采用下面的结构，如图4-3所示。图4-3水资源地图集GIS应用平台结构示意图4.4水环境管理的应用水环境信息具有明显的空间属性和层次属性，利用GIS可以更加明确地揭示不同区域的水环境状况，反映水体环境质量在空间上的变化趋势。可以更加直观地反映如污染源、排污口、监测断面等环境要素的空问分布。利用GIS还可以进行污染源预测、水质预测、水环境容量计算、污染物削减量的分配等，以表格和图形的方式为水环境管理决策提供多方位、多形式的支持[13]。目前，徐州市开发了对全市大江、大河实施监控的GIS系统，并进行全市水环境功能区划汇总，在此基础上，开发了水环境功能区管理信息系统，实现水环境数据查询、水质评价、统计分析、水质预测等功能，将各种水环境信息以可视化的方式表达。图4-4为采用实时遥测数据完成的取水口周边水质多要素对比图，通过对比可以完成各要素之间的关系分析，同时还可以进行同一要素在不同河段的分析，观察要素随空间而变化的规律。本系统的建设对水环境保护起到重要的实时监测，预防突发污染事故有重大的作用，对水环境的科学管理将具有非常重要的意义[14]。图4-4取水口周边水质多要素对比图

5．总结与展望取水许可管理系统实现了与水务局外网申报系统、水务局办公OA系统的无缝集成，实现业务申报、行政审批、竣工备案全流程业务办理信息化支撑，改变以往纸质档案业务办理模式，提高了办公效率。尤其是引入GIS技术开发的决策支持模块，使业务人员能够快速做出决策，有效节省审批人员翻阅资料的时间，很大程度上减少或避免了取水的不合理性。目前系统运行于水务局内网，就以后长远考虑，本系统应考虑与水务局其他现行系统（比如水量月报管理系统、水源地管理系统、地下水超采区管理系统、凿井系统）的集成，逐步实现水资源的精细化管理[15]。在研究过程中，不仅深刻的认识GIS的技术特点、ArcGIS的应用，而且对水资源管理的知识得到了一定的了解。在整个系统设计过程中，对于该工程的建设有了新的认识，比如对于系统平台的选择、总体框架、数据库设计等有了一个大体的了解，拓宽了自己的知识面。基于GIS的功能，便捷、清晰的将结果呈现在用户面前。体现了GIS应用于水资源管理系统中的最直接的地方。本系统设计在水资源管理中的应用取得了一些成果，但由于时间以及条件上的制约，还有其它水资源复杂方面的问题。随着研究工作的进一步深入和所涉及的范围的扩大，可能会出现相关的新问题，在今后的工作中将不断完善和开展更深入的研究，主要体现在一下几个方面：（1）在时空数据结构方面，水资源管理系统中的时空数据具有数据量庞大、更新快等特点，系统对其时空数据库的复杂性考虑还不够全面，之后在系统实际运行中对时空数据的变化规律将作进一步的研究，选择合适的建库方案。（2）与3S技术的进一步结合，实现数据可视化