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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(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)籌管理，才能充分利用水資源，統(tǒng)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(yè)計劃的核定，水利事業(yè)的檢察及多目標水利事業(yè)的興辦”。即水資源管理包括洪旱防治、基建發(fā)電、水質(zhì)監(jiān)測、污染防治、農(nóng)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(xiàn)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(yōu)化配置及流域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)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(qū)。地處北緯43°27''''~45°21''''，東經(jīng)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(qū)海拔300~500m，年平均氣溫6.6°C，年降水110~200mm，年蒸發(fā)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(guī)劃裝機達50‰104kW，年發(fā)電18‰108kW·h。現(xiàn)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?，F(xiàn)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(fā)電1.8‰108kW·h[2]。但由于河流的季節(jié)性很強，水量集中在6~8月，水量占全年的60%-80%，年內(nèi)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(tài)環(huán)境惡化，河流縮短，湖泊萎縮，森林衰退；如農(nóng)區(qū)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(huán)境生態(tài)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(zhì)污染嚴重等。本文從綜合考慮瑪納斯河流域的可持續(xù)發(fā)展及合理優(yōu)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(tǒng)的開發(fā)及應用。

2流域水資源管理信息系統(tǒng)的開發(fā)目標與原則及總體規(guī)劃

2.1開發(fā)目標和原則

開發(fā)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(jié)合兵團水政管理的具體特點，開發(fā)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(jiān)察項目、水事糾紛、執(zhí)法隊伍建設、水事案件統(tǒng)計信息、取水口、排污口、水質(zhì)公報、水資源公報等進行查詢和統(tǒng)計，為各級領導監(jiān)督、協(xié)調(diào)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(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建設應遵循以下原則：堅持統(tǒng)一領導、統(tǒng)一規(guī)劃，立足于流域社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展；統(tǒng)一設計、統(tǒng)一標準，保證系統(tǒng)的可集成性和整體性，同時注重系統(tǒng)技術更新的可過渡性和連續(xù)性；盡可能利用現(xiàn)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(tǒng)的可操作性和實用性；充分發(fā)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(xiàn)水資源信息網(wǎng)絡管理；在實施水政水資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設的同時，注重信息源的規(guī)范化和進一步的開發(fā)建設，強調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化、標準化、模塊化，做到界面清晰，接口標準統(tǒng)一，在保證可靠的前提下，加強系統(tǒng)的開放性；將來作為國家水資源管理信息系統(tǒng)的有機組成部分，提供全方位的、現(xiàn)代化的水資源管理與決策方面的信息支持手段和環(huán)境，為科學水資源管理、水利建設與發(fā)展的全局服務；將來作為國家資源環(huán)境信息系統(tǒng)的水資源子系統(tǒng)，為國民經(jīng)濟全局發(fā)展服務。

2.2系統(tǒng)的總體規(guī)劃

根據(jù)現(xiàn)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(tǒng)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(guī)劃、水資源中長期供求計劃、流域需水預測、洪水預報調(diào)度系統(tǒng)、水資源評價、水質(zhì)監(jiān)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(guī)等。具體框架如圖1：

圖1系統(tǒng)總體規(guī)劃圖

Fig.1SketchofTheOverallPlanToTheSystem

3數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)收集與輸入是產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫和建立信息系統(tǒng)的最基本工作，建立完整的流域水資源信息系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)，花費大量的人力和費用，在時間和經(jīng)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(jù)系統(tǒng)需要，先從最基本的部分開始，分步實施。

3.1數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)源主要有：實地調(diào)查，歷史資料收集，人工數(shù)字化或掃描現(xiàn)有的地圖；有條件可收集衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，及其它地理數(shù)據(jù)和科研成果材料等。根據(jù)現(xiàn)有資料，合理規(guī)劃數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。

3.2數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫是信息系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)所有程序的運行都必須依賴數(shù)據(jù)庫支撐。數(shù)據(jù)庫設計的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的運行。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(diào)度等對數(shù)據(jù)的使用要求；并能適應網(wǎng)絡環(huán)境的需要；滿足遠程用戶的數(shù)據(jù)庫的訪問要求，實時主動為上級提供信息和數(shù)據(jù)；還必須保證數(shù)據(jù)的規(guī)范性和水利行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)庫的一致性，便于數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計基本方法。

3.2.1流域水資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念設計

在開發(fā)一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的整個過程中，概念模型設計是關鍵的一步，其質(zhì)量好壞關系到整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的成敗。數(shù)據(jù)庫概念模型設計是通過系統(tǒng)分析確定一個不依賴任何數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）軟件或硬件環(huán)境的而能充分反映應用要求的數(shù)據(jù)模型。它既要符合范式的要求，又要具有簡明性、穩(wěn)定性、完備性和通用性。系統(tǒng)開發(fā)過程中，采用實體－聯(lián)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(tǒng)系統(tǒng)實體－聯(lián)系圖。

圖2水資源管理系統(tǒng)實體—聯(lián)系圖

Fig.2SketchofEntity-RelationshipforWRMS

3.2.2流域水資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)代碼設計

代碼設計是建立信息系統(tǒng)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(tǒng)代碼設計的對象有兩類：數(shù)據(jù)代碼和軟件要求的各種標識符。

（1）數(shù)據(jù)代碼

有兩種情況需要考慮編制數(shù)據(jù)代碼。第一種情況是當數(shù)據(jù)本身不為英文或數(shù)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(shù)字碼，并稱其為第一類數(shù)據(jù)代碼（例如，行政分區(qū)代碼，水資源分區(qū)代碼等）；第二種情況是數(shù)據(jù)字段雖然不是主碼，但數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)代碼。表1所示為系統(tǒng)需要使用的數(shù)據(jù)代碼。

表1數(shù)據(jù)代碼Table1CodeOfData

序號

代碼名

代碼標識符

代碼長度

編碼規(guī)則

1

行政分區(qū)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(qū)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(shù)據(jù)庫

6

水系代碼

HNCD

C(3)

全國水文數(shù)據(jù)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(gòu)代碼

WMAGCD

C(10)

SL/T200.01－97

10

測站代碼

STCD

C(8)

全國水文數(shù)據(jù)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(gòu)主體單位分類代碼

AG1CD

C(1)

SL/T200.03－97

14

機構(gòu)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)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(shù)字）標識符。

3.2.2.2代碼設計的原則

本系統(tǒng)代碼設計的原則是：

在有國際標準、國家標準或行業(yè)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(jù)代碼應滿足穩(wěn)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(guī)則

系統(tǒng)關系表名、字段名的標識符命名規(guī)則應如下：

為了便于國際交流，系統(tǒng)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(shù)字構(gòu)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(tǒng)標識符的長度限制不超過10個字母數(shù)字字符。但為了便于與全國水文數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，本系統(tǒng)中的水文基礎數(shù)據(jù)部分的標識符基本遵循原水利部水調(diào)中心（現(xiàn)水利部信息中心）制定的標識符命名規(guī)則，標識符的長度限制不超過6個字母數(shù)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(lián)想和記憶，標識符的構(gòu)造直接與其中文名掛鉤，即完全按中文名的漢語詞序?qū)⑾喈數(shù)挠⑽膯卧~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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能設計

系統(tǒng)開發(fā)的目的是使瑪納斯河流域水資源管理科學化、規(guī)范化，促進流域社會、經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。在功能分析的基礎上，依據(jù)具體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）的特點，以及系統(tǒng)所提供的開發(fā)環(huán)境，將功能分析的結(jié)果轉(zhuǎn)換成軟件結(jié)構(gòu)設計的方案。系統(tǒng)功能設計中應遵循的指導原則是結(jié)構(gòu)化和模塊化，即將系統(tǒng)設計成由相對獨立、單一功能的模塊組成的結(jié)構(gòu)。即系統(tǒng)應具有流域水文、水資源和水環(huán)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(huán)境狀況及其有關空間信息顯示和查詢；各種水環(huán)境模擬、評價和決策及水質(zhì)監(jiān)測模型參數(shù)率定，并將模型分析結(jié)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(tǒng)的集成；數(shù)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(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯設計

數(shù)據(jù)庫邏輯設計的任務是根據(jù)概念設計的結(jié)果，轉(zhuǎn)換成所選用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）支持的數(shù)據(jù)模型。我們現(xiàn)在選用的是關系型DBMS，因此需要把E-R圖轉(zhuǎn)換成關系模型。在由E-R圖轉(zhuǎn)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(lián)系，一般采用增加一個關系來實現(xiàn)實體之間的多對多聯(lián)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(guī)范化。

3.2.5流域水資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計方法

在數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的設計中，由于信息結(jié)構(gòu)復雜，要求各異，所以存在著各種各樣的設計方法?？v觀結(jié)構(gòu)化生命周期法、快速原型法、面向?qū)ο蟮姆治龊驮O計方法及面向?qū)ο蟮某绦蛟O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?qū)ο蟪绦蛟O計的強大功能（例如繼承性，繼承性是實現(xiàn)從可重用成分構(gòu)造軟件系統(tǒng)的最有效的特性，它不僅支持系統(tǒng)的可重用性，而且還促進系統(tǒng)的可擴充性）；同時面向?qū)ο蠓椒ɡ美^承性有助于快速開發(fā)原型；這樣將多種方法相結(jié)合，靈活應用，是一種較為實用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計方法。

3.2.6流域水資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)物理設計

數(shù)據(jù)庫物理設計是對一個給定的邏輯數(shù)據(jù)模型，在給定的計算機系統(tǒng)上設計一個最適合應用環(huán)境物理結(jié)構(gòu)的過程。所謂數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)主要指數(shù)據(jù)庫在物理設備上的存儲結(jié)構(gòu)和存取方法。

由于不同類型的DBMS提供不同的存儲結(jié)構(gòu)和存取方法，而且每個DBMS一般都提供多種存儲結(jié)構(gòu)和存取方法，且不同系統(tǒng)的DBMS所提供的物理環(huán)境、存儲結(jié)構(gòu)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(guī)則

數(shù)據(jù)的完整性是指數(shù)據(jù)的正確性和一致性，完整性規(guī)則是保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)正確的有力工具。完整性規(guī)則可以分為主碼完整性規(guī)則、參考完整性規(guī)則、其他完整性規(guī)則幾類。主碼完整性規(guī)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(guī)則使由主碼和外部碼表示的聯(lián)系得到維護，充分保證數(shù)據(jù)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(guī)則包括數(shù)據(jù)的取值范圍、空值限制、重復性限制等在開發(fā)設計時也需要考慮。

3.2.6.2索引

索引是關系數(shù)據(jù)庫中加快查詢速度和保證數(shù)據(jù)唯一性的有效手段。建立防止重復值的索引，可以實現(xiàn)主碼完整性規(guī)則；建立普通索引，在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫安全性是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個重要方面，它是指保護數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫的非法訪問。系統(tǒng)應在物理設計時注意考慮了數(shù)據(jù)庫安全問題。系統(tǒng)對用戶的使用權限進行分類和分級。系統(tǒng)用戶的使用權限可劃分為數(shù)據(jù)庫管理員級、系統(tǒng)開發(fā)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(shù)據(jù)庫管理員

全部權限

開發(fā)維護使用人員

數(shù)據(jù)的增、刪、改、查，數(shù)據(jù)庫備份和恢復等

瀏覽訪問用戶

數(shù)據(jù)查詢

4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

由于數(shù)據(jù)來源和應用范圍的不同，反映在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)處理部分。初步規(guī)劃結(jié)構(gòu)如圖三所示：

圖三系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

Fig.3SketchOfLogicalStructureOfTheSystem

4.2應用程序體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體上應實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的全面管理，集中地控制所有數(shù)據(jù)服務，最大限度地發(fā)揮硬件的潛力，保證數(shù)據(jù)的可靠性和安全性，其可采用基于網(wǎng)絡技術的客戶/服務器（C/S）體系結(jié)構(gòu)，應用程序體系結(jié)構(gòu)規(guī)劃如圖四。

客戶端

服務器端

圖四應用程序體系結(jié)構(gòu)

Fig.4SketchOfStructureOfApplicationProgram

5結(jié)語

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，尤其是許多面向?qū)ο蟮?、功能更強的計算機軟件的開發(fā)應用，目前系統(tǒng)的開發(fā)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(fā)展；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向功能集成、方法集成、軟件工具集成的綜合集成方向，系統(tǒng)運行過程逐步趨向可視化、系統(tǒng)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(tǒng)服務功能，工作環(huán)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(tǒng)化，需考慮的因素頗多，數(shù)據(jù)處理工作量大，對系統(tǒng)的需求也必將有所增強，在此情況下，更應提高系統(tǒng)的實用性，關鍵是需要改進系統(tǒng)開發(fā)方式，如加強開發(fā)人員與用戶交流，及時將研發(fā)與需求利用統(tǒng)一等，做到更好地利用水資源，強化流域機構(gòu)在水資源管理的主體地位，加強水資源管理及其優(yōu)化配置，促進流域經(jīng)濟和生態(tài)建設的良性發(fā)展。

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