陳敏賈鑫薄興野劉振宇

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030600；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

前言

水資源是保障社會(huì)發(fā)展，維持人類生活、生產(chǎn)的重要能源之一。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口數(shù)量的不斷上漲，人類以及社會(huì)對(duì)水資源的需求量不斷地增加，可利用的水資源逐漸匱乏。所以，評(píng)價(jià)研究大豆生產(chǎn)的水足跡具有重要的實(shí)用和科學(xué)意義。為了進(jìn)一步調(diào)整區(qū)域農(nóng)業(yè)的種植結(jié)構(gòu)，方便充分利用區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源使基層農(nóng)民更有效地種植大豆、管理大豆、提高農(nóng)民的收入，本文基于CROPWAT模型建立的水足跡計(jì)算公式[1]，使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了大豆水足跡計(jì)算系統(tǒng)。

水足跡是指某一區(qū)域在一定時(shí)間內(nèi)消費(fèi)的產(chǎn)品需要的水資源總量[2]，能夠反映生產(chǎn)單位質(zhì)量作物所消耗的廣義水資源量，也能夠綜合反映一個(gè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平及農(nóng)業(yè)水資源利用效率的高低。以CROPWAT模型為基礎(chǔ)估算大豆生產(chǎn)水足跡的研究對(duì)象包含藍(lán)水、綠水和灰水足跡3種類型。

藍(lán)水足跡是指儲(chǔ)藏在河流、湖泊、濕地以及淺層地下水層中的水資源量。綠水足跡是指儲(chǔ)藏在非飽和的土壤層中同時(shí)通過(guò)植被的蒸散而消耗的水資源量。灰水足跡是因?yàn)槲廴疽鸬腫3]。在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，作物生長(zhǎng)所消耗的水分是藍(lán)水和綠水的總和[4]。

1 平臺(tái)原理

水足跡是大豆生產(chǎn)區(qū)植物生長(zhǎng)期間農(nóng)業(yè)用水研究的新指標(biāo)體系，可以定量研究大豆生產(chǎn)水足跡的組成以及降雨量對(duì)大豆生產(chǎn)的影響作用[5]。大豆生產(chǎn)水足跡主要依據(jù)其需水量、生育期的降水量和灌溉水量等數(shù)據(jù)，利用CROPWAT模型[6]估算，進(jìn)行核算，通過(guò)公式來(lái)估算大豆生長(zhǎng)過(guò)程中消耗的綠水、藍(lán)水和灰水足跡。

WFproc,green=CWUgreen/Y

WFproc,biue=CWUbiue/Y

WFproc,grey=(a×AR)/(Cmax-Cnat)/Y

式中，WFproc,green、WFproc,blue、WFproc,grey分別為作物生長(zhǎng)期間消耗的綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰水足跡，m3·t-1；CWUgreen、CWUblue分別為作物生長(zhǎng)過(guò)程中“綠水”消耗和“藍(lán)水”消耗，即大豆生長(zhǎng)期間田間總雨水蒸散量和用于田間灌溉的蒸散量，m3·hm-2；Y為大豆產(chǎn)量,t·hm-2；AR為施入的化肥量,kg·hm-2；α為淋溶率，即進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例，通常為10%；Cmax為污染物最大容許濃度，kg·m-3；Cnat為污染物的自然本底濃度，kg·m-3[3]。

污染物常包括化肥、除草劑和殺蟲(chóng)劑。一般只需計(jì)算最關(guān)鍵的污染物，即產(chǎn)生最大灰水足跡的污染物。綠水和藍(lán)水消耗計(jì)算如下：

式中，ETgreen為綠水蒸散量，mm；ETblue為藍(lán)水蒸散量，mm；lgp表示大豆生長(zhǎng)期的長(zhǎng)度，以日計(jì)算；常量因子10是將水的深度(mm)轉(zhuǎn)化為單位陸地面積水量(m3·hm-2)的轉(zhuǎn)化系數(shù)[3]。

大豆綠水和藍(lán)水消耗量通常基于作物需水量法進(jìn)行估算，通過(guò)假定大豆在最優(yōu)條件下生長(zhǎng)來(lái)模擬其蒸散量，這意味著蒸散量等于需水量。需水量是由生育階段內(nèi)逐日需水量累積得到，綠水蒸散量通過(guò)對(duì)比大豆需水量和有效降水量得到，取二者中的較小值，藍(lán)水蒸散量通過(guò)大豆需水量與有效降水量的差值得到，如果有效降水量大于需水量，則藍(lán)水蒸散量為0，否則藍(lán)水蒸散量為二者的差值。

IR=max(0，CWR-Peff)

ETgreen=min(ETc,Peff)

ETblue=max(0，ETc-Peff)

式中，ETc為大豆總蒸散量，mm；CWR為大豆需水量，mm；IR為大豆灌溉需水量，mm。需水量參考大豆生長(zhǎng)期內(nèi)日蒸散量累加值計(jì)算，灌溉需水量由需水量和有效降水量的差值計(jì)算。如果有效降水量大于需水量，灌溉需水量等于0。綠水蒸散量，即降水蒸散量，為總蒸散量(ETc)與有效降水量(Peff)二者中的較小值；藍(lán)水蒸散量，即灌溉用水蒸散量，等于總蒸散量(ETc)減去有效降水量(Peff)，但是當(dāng)有效降水量超過(guò)蒸散量時(shí)，其值為0[3]。

ETc=Kc×ET0-PM

式中，Kc為作物系數(shù)。

干旱農(nóng)業(yè)條件下大豆生長(zhǎng)期內(nèi)藍(lán)水蒸散量為0mm，大豆實(shí)際耗水量(ETa)為綠水蒸散量(ETgreen,mm)

WFb=-D×10/Y

式中，WFb為干旱農(nóng)業(yè)條件下藍(lán)水足跡；D為滲漏量,mm。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 用戶需求

由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，糧食、能源和水這3種重要戰(zhàn)略資源將面臨著需求的不斷增長(zhǎng)。到2050年，全球?qū)κ澄锖退男枨箢A(yù)計(jì)將分別增長(zhǎng)約60%和20%～30%，而全球能源需求將增長(zhǎng)約30%。糧食生產(chǎn)行業(yè)是最大的用水行業(yè)和重要的能源使用行業(yè)，因此，科學(xué)評(píng)估中國(guó)目前糧食生產(chǎn)中的水和能源消耗并確定關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)于中國(guó)和世界的糧食安全相當(dāng)重要。大豆又是世界主要的糧油兼用植物，也是人類優(yōu)質(zhì)蛋白的主要來(lái)源，其既是我國(guó)的主要農(nóng)作物之一，也是我國(guó)進(jìn)口量最大的農(nóng)作物，是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性的物資，是最具有經(jīng)濟(jì)效益的植物，在農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易領(lǐng)域中扮演著舉足輕重的角色。

通過(guò)對(duì)大豆種植產(chǎn)業(yè)和營(yíng)養(yǎng)成分計(jì)算方式的調(diào)研，主要對(duì)系統(tǒng)的需求分析進(jìn)行展開(kāi)論述，認(rèn)真分析當(dāng)下市場(chǎng)需求，為更好地服務(wù)于大豆水足跡計(jì)算做好充足準(zhǔn)備，為系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)提供條件，從而設(shè)計(jì)出一款滿足市場(chǎng)需求的大豆水足跡計(jì)算系統(tǒng)。

2.2 功能性需求

2.2.1 客戶端需求分析

客戶端由大豆種植用戶負(fù)責(zé)，該部分主要分為輸入種植總量、輸入計(jì)算所需參數(shù)以及計(jì)算結(jié)果等模塊。

2.2.2 服務(wù)端需求分析

服務(wù)端主要由管理人員負(fù)責(zé)，該部分主要為管理人員對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析與結(jié)果建議的反饋，以及對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。

客戶端需求分析和服務(wù)端需求分析如圖1所示。

圖1 功能性需求分析圖

2.3 非功能性需求

在大豆水足跡計(jì)算系統(tǒng)中，界面應(yīng)該力求簡(jiǎn)潔美觀，在軟件的主要功能模塊中，應(yīng)當(dāng)提供相應(yīng)的功能入口，幫助用戶快速定位到需要使用的功能，提升用戶的體驗(yàn)。

2.4 可行性

本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，IntelliJ IDEA是一款免費(fèi)開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)所需SDK同樣免費(fèi)，系統(tǒng)的模擬運(yùn)行可使用Google Chrome瀏覽器等進(jìn)行。開(kāi)發(fā)費(fèi)用主要包含市場(chǎng)調(diào)研、服務(wù)器租賃費(fèi)用，在本系統(tǒng)的前期開(kāi)發(fā)中不需投入過(guò)多成本即可完成軟件的初步測(cè)試，因此在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)總體使用B/S(Brower/Server)系統(tǒng)架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)利用MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，主要的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是Java語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)工具選擇了IntelliJ IDEA；將數(shù)據(jù)庫(kù)安裝部署在服務(wù)器上，同時(shí)將Web項(xiàng)目部署在Tomcat，以便在需要時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，使用戶進(jìn)行外部訪問(wèn)。用戶可以直接在任何瀏覽器端登錄界面，用戶的主要請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)器，進(jìn)行主要的事務(wù)處理，最后形成用戶界面，業(yè)務(wù)處理與控制端3層結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)的使用非常簡(jiǎn)單，基層農(nóng)民用戶只需要在計(jì)算系統(tǒng)中依次輸入作物產(chǎn)量、有效降水量、作物施入的化肥量、污染物最大容許濃度和自然本底濃度等基本數(shù)據(jù)，就可以得到綠水、藍(lán)水和灰水足跡以及大豆總的水足跡。同時(shí)減輕了客戶端的負(fù)重，減少了系統(tǒng)更新與維護(hù)的成本，沒(méi)有地域的限制，面向所有的基層用戶，易操作，簡(jiǎn)單快捷，大大地提高了基層用戶的大豆生產(chǎn)量，有效地減少國(guó)家水資源的浪費(fèi)。大豆水足跡的計(jì)算界面如圖2所示。

圖2 大豆水足跡計(jì)算器

本系統(tǒng)面向所有的網(wǎng)絡(luò)用戶，可以讓更多的養(yǎng)殖用戶、管理人員、基層農(nóng)戶更好地參與到大豆的種植中去，計(jì)算界面的各個(gè)數(shù)據(jù)一目了然，用戶可以通過(guò)分析每個(gè)數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)行對(duì)比，從而得出各種因素對(duì)大豆生產(chǎn)水足跡的影響，在后期的種植中依據(jù)數(shù)據(jù)的變化合理安排種植，選擇時(shí)間，適量施肥，減少污染物的數(shù)量，高效省時(shí)地進(jìn)行大豆的種植。

4 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)的主要目的是構(gòu)建一個(gè)基于Java的大豆水足跡的計(jì)算系統(tǒng)，采用開(kāi)放使用的方式，面向所有的Internet用戶，尤其是一些基層農(nóng)民。該計(jì)算系統(tǒng)可以讓用戶與管理人員更條理地收集大豆水足跡的有關(guān)數(shù)據(jù)，以此方便對(duì)大豆生產(chǎn)的影響因素做出更全面地分析，為廣大用戶提供了一個(gè)共享數(shù)據(jù)庫(kù)，有利于種植人員與管理人員方便快捷地計(jì)算大豆對(duì)水資源的需求量與消耗量，為各種教學(xué)應(yīng)用研究提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。

本系統(tǒng)已經(jīng)完成了基于CROPWAT模型的大豆生產(chǎn)水足跡的初步計(jì)算，可以為今后的研究設(shè)計(jì)提供一些有效依據(jù)，同時(shí)積累了一定經(jīng)驗(yàn)，奠定了初步基礎(chǔ)。但是在設(shè)計(jì)中還存在一定的不足之處，計(jì)算所需要的一些數(shù)據(jù)的得到存在一定難度，用戶獲得的數(shù)據(jù)存在一定誤差，不能保證計(jì)算結(jié)果具有完全的可靠性。一些計(jì)算所需要的參數(shù)獲取相對(duì)復(fù)雜等問(wèn)題，還需要進(jìn)一步完善與修改，這將在后續(xù)研究中做出相應(yīng)改進(jìn)與提升。如何提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，更好地滿足不同地區(qū)不同天氣狀況，這將是一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)期的任務(wù)。