流域水資源信息管理論文

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1引言

國家對水資源管理工作曾明確地指出過：“任何一個河流用水，必須統一規劃，統籌管理，才能充分利用水資源，統一水行政的原則在于集中掌握河流的水政管理、水權核準、水利事業計劃的核定，水利事業的檢察及多目標水利事業的興辦”。即水資源管理包括洪旱防治、基建發電、水質監測、污染防治、農田灌溉、水土保持等多種職能，然則，流域水資源使用權界定不清，責、權、利不明確，常存有“多龍治水”和“多龍管水”的現象，導致水資源利用率低下；毋容置疑，水資源管理工作是水利工作的核心,它直接影響到水資源的優化配置及流域經濟的可持續發展[1]。

瑪納斯河流域地處亞歐腹地，天山北麓準噶爾盆地南沿，屬典型的干旱區。地處北緯43°27''''~45°21''''，東經85°01''''~86°32''''之間。流域面積2.4‰104km2，可耕地約為46.7‰104ha，多為平原。平原區海拔300~500m，年平均氣溫6.6°C，年降水110~200mm，年蒸發1500~2000mm，無霜期148~187天。全流域除瑪納斯河外尚有4條小河，總計年徑流量23‰108m3，其中瑪納斯河年平均徑流量為12.7‰108m3，占全流域的55.2%，另有可資利用的地下水10‰108m3?，敿{斯河及其小河均有較豐富的水力資源，規劃裝機達50‰104kW，年發電18‰108kW·h。現已建成水庫25座，總庫容5.2´108m3。建成各級渠道2.3‰104km，打井1500眼，年抽水2.5‰108m3。現年引地表水和地下水21´108m3。已建成水電站6座，裝機6.128‰104kW，年發電1.8‰108kW·h[2]。但由于河流的季節性很強，水量集中在6~8月，水量占全年的60%-80%，年內水量分配極度不均，加上管理形式粗放，手段落后，體系不健全，致使地下水嚴重超采，水資源的大量無效消耗，造成了流域的生態環境惡化，河流縮短，湖泊萎縮，森林衰退；如農區引水不斷增加，致使河道下游及綠洲外圍地下水位急劇下降，環境生態可利用水量迅速減少，70年代末，面積曾達550km2的瑪納斯湖干枯，周圍的胡楊林也大面積地衰退死亡；沙漠化，土壤的次生鹽漬化日趨嚴重（過量的灌溉必然導致地下水位的升高，引起土壤的次生鹽漬化）；水質污染嚴重等。本文從綜合考慮瑪納斯河流域的可持續發展及合理優化配置流域水資源的角度上，初步研究和探討水資源管理信息系統的開發及應用。

2流域水資源管理信息系統的開發目標與原則及總體規劃

2.1開發目標和原則

開發目標應是針對瑪納斯河流域水政水資源管理工作的具體需要，結合兵團水政管理的具體特點，開發出能及時地向各層次（包括決策層、管理層、運行層）提供與問題相關的各種信息及問題的解決方案，對水政水資源管理中重點監察項目、水事糾紛、執法隊伍建設、水事案件統計信息、取水口、排污口、水質公報、水資源公報等進行查詢和統計，為各級領導監督、協調水政水資源提供支持，為各級水管部門準確及時提供水資源信息，提高工作效率和決策水平[4]。

流域水資源管理信息系統數據庫系統的建設應遵循以下原則：堅持統一領導、統一規劃，立足于流域社會經濟和生態環境的可持續發展；統一設計、統一標準，保證系統的可集成性和整體性，同時注重系統技術更新的可過渡性和連續性；盡可能利用現代信息技術的最新成果，使其具有先進性和較長的生命周期，特別注重系統的可操作性和實用性；充分發揮各級水利主管部門的積極性，自上而下地進行逐級建庫，在條件成熟時，實現水資源信息網絡管理；在實施水政水資源管理信息系統數據庫系統建設的同時，注重信息源的規范化和進一步的開發建設，強調系統的結構化、標準化、模塊化，做到界面清晰，接口標準統一，在保證可靠的前提下，加強系統的開放性；將來作為國家水資源管理信息系統的有機組成部分，提供全方位的、現代化的水資源管理與決策方面的信息支持手段和環境，為科學水資源管理、水利建設與發展的全局服務；將來作為國家資源環境信息系統的水資源子系統，為國民經濟全局發展服務。

2.2系統的總體規劃

根據現時流域水資源管理工作的流程分析，得出流域水資源管理信息系統的基本功能，包括水資源公報、流域水資源管理年報、水資源工程規劃、水資源中長期供求計劃、流域需水預測、洪水預報調度系統、水資源評價、水質監測、取水許可管理、地下水管理、水資源費及使用管理、水政水資源管理法律法規等。具體框架如圖1：

圖1系統總體規劃圖

Fig.1SketchofTheOverallPlanToTheSystem

3數據源與數據庫設計

數據收集與輸入是產生數據庫和建立信息系統的最基本工作，建立完整的流域水資源信息系統需要大量的數據，花費大量的人力和費用，在時間和經費有限的情況下，難以做得很完整。因而，應充分利用已有資源，根據系統需要，先從最基本的部分開始，分步實施。

3.1數據源

數據源主要有：實地調查，歷史資料收集，人工數字化或掃描現有的地圖；有條件可收集衛星影像數據，及其它地理數據和科研成果材料等。根據現有資料，合理規劃數據庫結構。

3.2數據庫設計

數據庫是信息系統的核心。系統所有程序的運行都必須依賴數據庫支撐。數據庫設計的優劣直接影響到系統的運行。數據庫設計的主要原則有：應具有靈活性、可擴充性和可維護性；能確保數據的可靠性、有效性、完整性和安全性；滿足查詢輸出、報表生成、預報和調度等對數據的使用要求；并能適應網絡環境的需要；滿足遠程用戶的數據庫的訪問要求，實時主動為上級提供信息和數據；還必須保證數據的規范性和水利行業內數據庫的一致性，便于數據信息的資源共享。本文主要從概念設計、代碼設計、功能設計、邏輯設計及物理設計等方面來探討瑪納斯河流域管理信息系統數據庫設計基本方法。

3.2.1流域水資源管理信息系統數據庫系統概念設計

在開發一個數據庫系統的整個過程中，概念模型設計是關鍵的一步，其質量好壞關系到整個數據庫系統的成敗。數據庫概念模型設計是通過系統分析確定一個不依賴任何數據庫管理系統（DBMS）軟件或硬件環境的而能充分反映應用要求的數據模型。它既要符合范式的要求，又要具有簡明性、穩定性、完備性和通用性。系統開發過程中，采用實體－聯系方法（Entity-RelationshipApproach簡稱E-R方法）進行概念模型設計。圖2所示為水政水資源管理信息系統系統實體－聯系圖。

圖2水資源管理系統實體—聯系圖

Fig.2SketchofEntity-RelationshipforWRMS

3.2.2流域水資源管理信息系統數據庫系統代碼設計

代碼設計是建立信息系統的一項重要的基礎工作。代碼設計的目的是為了能更有效、更方便地使用計算機處理信息。

3.2.2.1代碼設計的對象

本系統代碼設計的對象有兩類：數據代碼和軟件要求的各種標識符。

（1）數據代碼

有兩種情況需要考慮編制數據代碼。第一種情況是當數據本身不為英文或數字，但卻需要作為主碼值時，則我們對其全部編碼，并盡量采用層次數字碼，并稱其為第一類數據代碼（例如，行政分區代碼，水資源分區代碼等）；第二種情況是數據字段雖然不是主碼，但數據具有較多的不定長文字描述時，我們視需要而定是否編碼，若對其進行編碼，則稱為第二類數據代碼。表1所示為系統需要使用的數據代碼。

表1數據代碼Table1CodeOfData

序號

代碼名

代碼標識符

代碼長度

編碼規則

1

行政分區代碼

ADDVCD

C(6)

GB/T2260－1995

2

流域代碼

BSCD

C(1)

《中國水資源利用》

3

水資源分區代碼

WRRCD

C(7)

《中國水資源利用》

4

計算單元代碼

WAUNCD

C(13)

5

水文流域代碼

BS2CD

C(1)

全國水文數據庫

6

水系代碼

HNCD

C(3)

全國水文數據庫

7

河流代碼

RICD

C(8)

8

取水許可審批部門代碼

WMUCD

C(1)

9

機構代碼

WMAGCD

C(10)

SL/T200.01－97

10

測站代碼

STCD

C(8)

全國水文數據庫

11

河流干支流分級

RIGRCD

C(1)

12

單位級別代碼

AGGRCD

C(2)

SL/T200.06－97

13

機構主體單位分類代碼

AG1CD

C(1)

SL/T200.03－97

14

機構隸屬程度代碼

AG2CD

C(1)

SL/T200.03－97

15

報表代碼

RPCD

C(16)

（2）軟件要求的各種標識符

數據庫系統中的關系表名、字段名、程序模塊名、文件名等一律采用英文（包括數字）標識符。

3.2.2.2代碼設計的原則

本系統代碼設計的原則是：

在有國際標準、國家標準或行業標準的情況下就采用標準代碼。

在沒有標準代碼，但有通用習慣符的情況下采用通用習慣符。

在既沒有標準代碼，又沒有通用習慣符可用的情況需自編代碼時，根據代碼應滿足穩定性、可擴充性、通用性和易讀性原則進行編碼。

3.2.2.3標識符命名規則

系統關系表名、字段名的標識符命名規則應如下：

為了便于國際交流，系統的關系表名及字段名的標識符以英文為基礎，可全部用英文及數字構成。

標識符都以英文字母開頭，標識符中英文大小寫字母表示同一含義，可任意選用。

本系統標識符的長度限制不超過10個字母數字字符。但為了便于與全國水文數據庫系統聯網，本系統中的水文基礎數據部分的標識符基本遵循原水利部水調中心（現水利部信息中心）制定的標識符命名規則，標識符的長度限制不超過6個字母數字字符。如測站代碼可采用STCD，測站名稱采用NAME。

為使工作人員便于聯想和記憶，標識符的構造直接與其中文名掛鉤，即完全按中文名的漢語詞序將相當的英文單詞縮寫然后合并而成標識符。這種方法可以使標識符的制定者完全不顧英文的語法和習慣，并且減少了由英文譯法的不同所帶來的隨意性[3，4]。

3.2.3數據庫系統的功能設計

系統開發的目的是使瑪納斯河流域水資源管理科學化、規范化，促進流域社會、經濟及生態環境的可持續發展。在功能分析的基礎上，依據具體數據庫管理系統（DBMS）的特點，以及系統所提供的開發環境，將功能分析的結果轉換成軟件結構設計的方案。系統功能設計中應遵循的指導原則是結構化和模塊化，即將系統設計成由相對獨立、單一功能的模塊組成的結構。即系統應具有流域水文、水資源和水環境有關空間信息的錄入、存貯與編輯；流域水文、水資源和水環境狀況及其有關空間信息顯示和查詢；各種水環境模擬、評價和決策及水質監測模型參數率定，并將模型分析結果以圖形或表格的方式在終端上顯示或以硬拷貝形式輸出；各子系統的集成；數字、圖、表、文字成果輸出等功能[5]。

3.2.4流域水資源管理信息系統數據庫系統邏輯設計

數據庫邏輯設計的任務是根據概念設計的結果，轉換成所選用的數據庫管理系統（DBMS）支持的數據模型。我們現在選用的是關系型DBMS，因此需要把E-R圖轉換成關系模型。在由E-R圖轉換成關系模型時把全部實體類作為基本關系，并需要注意實體之間的多對多聯系，一般采用增加一個關系來實現實體之間的多對多聯系。在確定了全部關系后，標識出每個關系的主碼和外部碼[4]；并對所得關系模式進行規范化。

3.2.5流域水資源管理信息系統數據庫系統設計方法

在數據庫應用系統的設計中，由于信息結構復雜，要求各異，所以存在著各種各樣的設計方法。縱觀結構化生命周期法、快速原型法、面向對象的分析和設計方法及面向對象的程序設計技術的特點，采取以生命周期法為主體，同時融進原型法的設計思想，再靈活運用VisualBasic6.0、PowerBuilder7.0提供的面向對象程序設計的強大功能（例如繼承性，繼承性是實現從可重用成分構造軟件系統的最有效的特性，它不僅支持系統的可重用性，而且還促進系統的可擴充性）；同時面向對象方法利用繼承性有助于快速開發原型；這樣將多種方法相結合，靈活應用，是一種較為實用的數據庫系統設計方法。

3.2.6流域水資源管理信息系統數據庫系統物理設計

數據庫物理設計是對一個給定的邏輯數據模型，在給定的計算機系統上設計一個最適合應用環境物理結構的過程。所謂數據庫的物理結構主要指數據庫在物理設備上的存儲結構和存取方法。

由于不同類型的DBMS提供不同的存儲結構和存取方法，而且每個DBMS一般都提供多種存儲結構和存取方法，且不同系統的DBMS所提供的物理環境、存儲結構和存取方法是不同的，因此沒有通用的物理設計方法可以遵循。我們在物理設計時將主要考慮以下幾點：

3.2.6.1完整性規則

數據的完整性是指數據的正確性和一致性，完整性規則是保證數據庫系統中數據正確的有力工具。完整性規則可以分為主碼完整性規則、參考完整性規則、其他完整性規則幾類。主碼完整性規則是每個基本關系中主碼的值必須唯一，不允許重復。在邏輯設計時確定主碼，在物理設計時要對主碼字段進行定義。參考完整性規則使由主碼和外部碼表示的聯系得到維護，充分保證數據的一致性。外部碼是支持參考完整性的手段，所以在設計時要標明。其他完整性規則包括數據的取值范圍、空值限制、重復性限制等在開發設計時也需要考慮。

3.2.6.2索引

索引是關系數據庫中加快查詢速度和保證數據唯一性的有效手段。建立防止重復值的索引，可以實現主碼完整性規則；建立普通索引，在數據量大時可以加快查詢速度。因此需要權衡時間和空間的得失和維護代價等來建立索引。

3.2.6.3安全性考慮

數據庫安全性是數據庫系統的一個重要方面，它是指保護數據庫以防止被不合法的使用。安全保護設計的主要目的是以最小的代價防止對數據庫的非法訪問。系統應在物理設計時注意考慮了數據庫安全問題。系統對用戶的使用權限進行分類和分級。系統用戶的使用權限可劃分為數據庫管理員級、系統開發維護和使用人員級、瀏覽訪問用戶級三大類。其使用權限可如表二所示。

表二使用權限分級

Table2GradeRightOfUse

使用者

使用權限

數據庫管理員

全部權限

開發維護使用人員

數據的增、刪、改、查，數據庫備份和恢復等

瀏覽訪問用戶

數據查詢

4系統結構

4.1系統邏輯結構

由于數據來源和應用范圍的不同，反映在系統的結構上也會有所差異。但一般由三個部分組成：輸入部分、輸出部分及數據處理部分。初步規劃結構如圖三所示：

圖三系統的邏輯結構

Fig.3SketchOfLogicalStructureOfTheSystem

4.2應用程序體系結構

系統總體上應實現對數據信息的全面管理，集中地控制所有數據服務，最大限度地發揮硬件的潛力，保證數據的可靠性和安全性，其可采用基于網絡技術的客戶/服務器（C/S）體系結構，應用程序體系結構規劃如圖四。

客戶端

服務器端

圖四應用程序體系結構

Fig.4SketchOfStructureOfApplicationProgram

5結語

隨著計算機技術的迅速發展，尤其是許多面向對象的、功能更強的計算機軟件的開發應用，目前系統的開發在功能上正在向基于ES的、具有自動獲取知識、自學習、自判斷能力的方向發展；系統結構轉向功能集成、方法集成、軟件工具集成的綜合集成方向，系統運行過程逐步趨向可視化、系統兼容性增強，擴展能力提高，外部工具箱如GIS、分析軟件包的加入大大改善了系統服務功能，工作環境適應性增強[6]。

在瑪納斯河水資源研究和管理領域，亟需解決的問題頗為復雜化和系統化，需考慮的因素頗多，數據處理工作量大，對系統的需求也必將有所增強，在此情況下，更應提高系統的實用性，關鍵是需要改進系統開發方式，如加強開發人員與用戶交流，及時將研發與需求利用統一等，做到更好地利用水資源，強化流域機構在水資源管理的主體地位，加強水資源管理及其優化配置，促進流域經濟和生態建設的良性發展。

參考文獻

1齊佳音等.中國水資源管理存在的問題.資源與環境[J].2000（5）63-66

2王義忠.石河子水利水電科技文集[M].新疆科技衛生出版社，1999.163-66

3郭生練編.水庫調度綜合自動化系統[M].武漢水利水電大學出版社.1999.145-152

4何新林等.新疆瑪管處夾河子水庫洪水調度系統報告之三.新疆石河子.2001

5彭盛華等.基于GIS技術的流域水文水環境信息系統開發初探——以漢水流域為例.水文[J].2001（1）10-14

6尚彩霞等.水資源管理決策支持系統開發與利用.河南師范大學學報[J]1998（5）78-81