信息系统在小浪底环境监测工作中的应用
司毅铭 李东亚 牛永生 柴成果 张绍峰
摘 要 黄河小浪底环境监测信息系统（XLDEIS）是小浪底水利枢纽工程环境科研项目之一，是根据小浪底水利枢纽工程建设和运行中环境管理的要求，在库区监测站网、施工期施工影响区、移民安置区获得的大量环境监测资料的基础上建立起来的基于计算机网络的信息系统。本系统包括基本资料数据库、方法库、模型库及相关的地理信息系统（GIS）和反映区域概况的多媒体演示等。该系统实现了小浪底环境监测信息处理的现代化、智能化、信息化，节省了人力和时间，提高了监测资料的利用率和实用性，为库区和相关地区环境管理决策提供了手段和依据。
关键词 小浪底 环境监测 信息系统
黄河小浪底工程是一项大型综合开发利用的水利工程，库区淹没涉及晋、豫两省8县（市），工程启用后，区域环境状况和河流水文情势将发生一系列变化，在较大范围内改变区域的环境生态平衡。为了加强对小浪底区域的环境监控，在小浪底水库库区、重要支流、三门峡水库坝下至花园口间的黄河干流布设了相应的监测断面，形成了较为完善的环境监测站网，获得了大量监测数据，为有效开展该区域的环境保护工作奠定了重要基础。
环境管理工作涉及面广，信息量大，需要科学高效的管理手段。挖掘出站网监侧资料的信息价值，加强环境部门的监督管理作用，利用现代最新技术，建立黄河小浪底水环境监测信息系统（以下简称：XLDEIS），为上级主管部门提供决策依据，成为小浪底工程水资源保护工作的重要任务之一。
一 系统拓扑结构
1.1 系统拓扑结构 系统网络工程的建设涉及本地的局机关、监测中心、研究所及远程联接的小浪底库区站点。在本实施方案中采用10Mbps和100Mbps交换式快速以太网技术（网络拓扑结构图参见图1-1），服务器与交换机间采用100Mbps传输速率联接。
1.2 操作系统 服务器操作系统选用Windows NT Server4.0中文版，客户端操作系统选用Windows
95、Windows98等。
1.3 远程通信 XLDEIS与小浪底库区、沿黄各省区站点及有关部门通过黄河水利委员会微波通信网、中国电信网以拨号方式联网。
1.4 网络管理 XLDEIS网络管理采用基于Internet开发的网络管理协议SNMP。结合网络产品配置的相应网管产品，采用集中管理模式，并考虑到今后系统规模及管理模式的发展。
1.5 网络安全与对策 根据网络特点及安全要求，XLDEIS严格设置访问权限，域内设置网络管理员、账号管理员、数据库管理员等高级用户,分别拥有相应的修改、添加权限，一般用户具有访问网上资源、信息列表等权限，而其它更改和写入权受到严格控制。
二 软件设计与开发
2.1 设计思路 XLDEIS的软件设计着重于系统功能的生产实用性。根据系统需求分析，结合软件设计方法的一般性规律，在进行系统的软件设计时，将设计工作按设计对象的性质划分为不同阶段顺序进行。设计过程的流程图见图2-1。
2.2 开发技术路线
从网络硬件建设状况看，XLDEIS网络工程是一个典型的企业网模式，实施的是C/S (客户/服务器)体系结构，因此在开发基于网络环境的XLDEIS时，确定以C/S结构为应用开发模式,同时结合适于网络开发的数据库系统及前端开发工具，实施本系统的开发。
数据库系统的结构与性能直接影响到整个系统的运行效率。经过对国内广泛运行的几种主要大型关系数据库系统的比较,
选用Sybase数据库管理系统较为适宜。
为了最大限度地发挥出Sybase数据库系统的性能优势，并提高整个系统的开发效率，开发时选用PowerBuilder作为数据库前端应用开发工具。一方面，作为同一公司的软件产品，PowerBuilder与Sybase在技术上具有紧密的相关性，能够保证技术上的协调性，另一方面，PowerBuilder
的核心技术是针对大型关系数据库应用而开发的，其独创的专利技术--数据窗口技术能够极大地提高应用程序开发者在数据库开发方面的能力，最大限度地提高软件开发的效率和质量，是被广泛认可的功能强大的数据库应用开发工具，同时它还可与其它开发工具有效地兼容。因此本系统选用PowerBuilder
5.0 作为主要的前端开发工具。
XLDEIS中，除了大量的数据信息需要处理外，还涉及监测站点的布设状况、污染源的区域分布、不同位置的河段水质状况等广泛的空间地理信息以及水系分布、行政区域划分等大量图形信息。这些空间图形信息的处理，是整个系统的重要需求部分。为了有效地加工、利用这些可视性极强的环境信息，需要利用功能强、效率高的图形处理工具。同时，为了最大限度地将数据库中的具有空间属性的数据信息直观、可视地显示出来，处理地理图形信息的工具需要具备访问大型远程关系数据库Sybase的能力。
基于以上要求，本系统开发过程中，选定了擅长处理地图及其属性的地理信息系统 MapInfo
Professional，利用桌面地图技术，实现对Sybase数据库的空间查询访问及地理图形信息的加工、显示。
根据XLDEIS的特殊性，利用MapBasic语言进行定制开发，使其更好地满足系统的规划目标。
2.3 软件总体设计
按需求规划，整个系统主要包括五个子系统七大功能模块。五个子系统是：数据库子系统、统计分析子系统、动态显示子系统、模型库子系统、信息发布子系统；七大功能模块是：区域概况介绍；数据输入及维护；信息查询；统计及分析；区域环境质量评价；区域水环境质量预测；系统简介及帮助等。
2.4 系统数据库结构设计
根据对环境信息管理的功能分析，系统基础数据库应包括地面水、生活饮用水、底质、污染源、评价标准、法规条例和水质简报等数据库。在这些基础数据库的基础上，建立水质评价结果数据库，存储水质评价结果，供进一步查询和分析。
为了提高检索效率，需建立索引文件，建立索引后的查找方式是折半查找法，检索效率比顺序查找法高。
2.5 模块设计
作为一个大型水利枢纽工程环境管理信息化手段的XLDEIS，在设计中专门开发一个区域概况介绍模块，对小浪底水库区域的总体状况、自然地理概况、社会经济概况、水库工程概况、监测站网布设状况以及区域的环境质量状况进行宏观描述。本模块以多媒体技术介绍自然地理概况、社会经济概况、水库工程概况；以地理信息技术介绍区域环境质量状况、水体污染趋势演示及监测站网布设状况等图形资料。
数据录入及维护模块包括各种基础数据的录入，数据的修改、删除。内容上分为库区数据、施工区数据、移民区数据、污染源数据、环境法规条例、环境标准的数据录入及维护。
XLDEIS将为各种查询提供图形化的查询界面，并将查询结果组织成专业报表格式。查询内容有：污染源、水质数据查询；环境法规、标准查询；水质公报查询等。
水环境评价分为水质评价和污染源评价，这项工作在确定评价标准和评价参数后，选用适当的评价方法进行评价，评价结果存入评价结果库，并形成各类报表提供给有关用户。
水质评价。水质评价的目的是了解水体的污染程度、主要污染物、污染时段、河段及水质变化趋势等情况。评价方法采用单因子评价法进行单项评价，以选定的水质参数的代表值与评价标准对照，确定单项水质的类别。在单项评价的基础上，用地图叠加法进行综合评价，取水质参数中的单项最高类别确定河段的综合水质类别。水质评价按空间范围分为河段（断面）、河流和区域水质评价，本系统主要对库区、施工区和移民安置区的地面水、生活饮用水、废污水水质进行评价，同时对施工区大气和噪声进行评价；按评价时间分为月、水期、季度、全年评价。
水体污染源（或排污口）评价。污染源（或排污口）评价，是把监测和调查得到的大量数据进行分析处理，按照其对环境质量影响的大小，确定评价区域内的污染物和污染源的主次关系。目前，我国评价污染源的标准是以废污水中污染物的浓度为依据，采用现行的废污水综合排放标准(GB8978-1996)与等标污染指数、等标污染负荷和污染负荷比三个特征指标，找出评价区域内的主要污染源和主要污染物。
统计分析模块是按照专业要求和格式，对监测数据进行统计分析，形成监测成果表及特征值统计表，提供给管理部门或向社会发布。数据主要统计内容有：
l 库区水质监测断面统计、地面水水质监测成果统计、水质特征值统计；
l 施工区地面水监测成果统计、废污水监测成果统计、生活饮用水水质监测成果统计、大气监测日均值统计和噪声监测结果统计；
l 移民区生活饮用水水质监测成果统计；
l 各县(市)废污水年排放情况统计和各县(市)主要工业污染物调查。
水质预测是根据预测目标、对象、内容，预测的特征参数，确定预测方法、预测模型及边界条件进行预测，把预测结果提供给用户。水质预测主要包括、水污染物预测和水环境影响预测。本系统侧重于河流水环境管理，水质模型选用一维河流的输入响应模型。
采用输入响应模型可以减少数学模型的复杂性，可以方便地完成下列工作：
l 利用叠加原理，进行水质模拟；
l 利用影响系数，进行污染源布局研究；
l 利用影响系数与个污染源排放量的乘积，进行污染源影响顺序评价；
l 利用叠加原理，进行功能区可达性分析；
l 已知水质标准，反推容许排污量。
以一维河流中单项污染物指标的输入响应模型为例，一维河流稳态的输移扩散方程为：
上式解的形式为：
式中：C0 - 控制断面污染物浓度；
- 纵向离散系数；
K- 污染物综合衰减系数。
预测模型建成后，确定边界条件、计算参数，最后将有关数据输入预测模型，得出预测结果。对预测结果进行分析和检验，进而修订模型、边界条件或计算参数。
2.6 系统集成
在软件结构设计工作中考虑了不同层次用户对使用功能的不同需求，将整个系统面向对象划分为具有针对性的功能相对独立的模块，每个模块均可独立完成特定性质的工作。各个子系统与系统管理维护模块相关联，形成完整的功能体系，由系统主控窗口控制。
区域概况介绍、数据输入及维护、信息查询、统计及分析、区域环境质量评价、区域水环境质量预测、系统维护等七个应用模块安装在系统客户端的微机上，数据及其他多媒体信息元素存储于系统服务器上。安装于系统客户端的各功能模块均以后台数据库为运行基础，通过网络系统与安装于服务器上的远程数据库系统连接，形成网络信息处理系统。
（黄委会黄河流域水资源保护局 郑州 450004）
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