謝瑞潔，段鵬軍，郭小鳳，劉振宇

（山西農業(yè)大學信息科學與工程學院，山西太谷 030801）

水足跡包含了產品在生產和消費服務過程中的直接和間接的水資源消耗［1］，一方面顯示了消費量的來源，另一方面顯示了污染的類型和被污染的水量［2］。就禾本科狗尾草屬植物谷子（Setaria italicavar.germanica）來說，水足跡成為一種經驗指標，它量化了谷子從出苗期、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期這幾個生命周期中何時何地消耗了多少淡水。水足跡包括藍水、綠水和灰水。藍水足跡是指對藍水的消耗，主要有以下情況：水分蒸發(fā)、水被產品吸收、回流到流域外、匯入大海，例如，它被送回不同的集水區(qū)或海洋、同期水沒有回流；綠水指的是陸地上的水不會流失或補充到地面，綠水足跡其實就是作物在生長過程中需要的雨水量；灰水足跡是污染水的一個指標，根據自然背景濃度和可獲得的水質標準，在生產過程中需要將大量的淡水混入污染物中。

農業(yè)種植是用水大戶，對水資源的利用極其重要。我國是農業(yè)種植大國，水資源的嚴重短缺制約著糧食作物生產。近些年，隨著社會進步，全球氣候變暖，水資源逐漸匱乏等各種全球化問題呈現，對水資源的科學利用已成為可持續(xù)發(fā)展的研究重點。水足跡概念的提出，可以更加綜合全面地反映水資源的利用情況，合理調整種植結構、灌溉模式，以達到水資源的合理利用。

谷子作為我國重要糧食作物，主要是由最基層農民種植，但是由于相關種植人員缺乏專業(yè)知識和科學的灌溉策略，再加上近些年由于用水不足，錯誤的灌溉模式，造成谷子產量下降、營養(yǎng)不達標等各種問題。本研究通過采用java 語言開發(fā)了一個谷子水足跡計算器，旨在為種植人員更直觀地計算出谷子水足跡，科學合理安排種植制度和灌溉策略提供理論依據。

1 設計原理

谷子水足跡計算器平臺選用Cropwat 模型，此模型應用廣泛，是FAO 于1992 年開發(fā)的計算作物需水量的模型［3］。平臺選用此模型能依據當地氣象數據和降雨量數據對谷子需水量和灌溉需水量進行比較準確的計算［4］，農民可直接依據計算結果合理規(guī)劃灌溉制度，依靠有效降雨量和谷子需水情況制訂不同的灌溉計劃，以達到水資源的合理利用。此系統(tǒng)開發(fā)設計，可以擴大使用人群，即使是沒有接受過專業(yè)計算機培訓的基層農民也能很好使用，快速計算得出結果并合理安排灌溉計劃。

2 設計目標

谷子水足跡計算器系統(tǒng)設計目標：

1）用戶登錄。分為普通用戶和管理員，用戶可直接通過注冊賬號登錄使用計算器；管理員可通過后臺登錄，對數據進行增刪改查和維護系統(tǒng)穩(wěn)定。

2）谷子藍水、綠水足跡計算。用戶直接輸入谷子單位面積產量Y就可快速得出谷子藍水足跡和綠水足跡結果。

3）谷子灰水足跡計算。用戶直接輸入每公頃土地施入的化肥量mAR可快速得出谷子灰水足跡。

4）數據更新。管理員能定時聯系當地農業(yè)局對同期有效降水量Peff、作物系數Kc、參照作物需水量E等基層農戶不易獲得的參數進行數據庫更新。

5）歷史數據查詢。普通用戶在每次成功計算出谷子水足跡結果后，數據庫會自動存儲歷史結果，用戶可根據查詢日期進行查詢。

6）數據導出。普通用戶可直接導出近期計算結果，通過數據對比，調整灌溉策略。

系統(tǒng)還需具備權限管理、數據備份、數據安全管理等功能［5］。

3 平臺開發(fā)

3.1 需求分析

由于基層農戶沒有經過科學的技術培訓和專業(yè)的谷子種植灌溉知識，在現有的研究成果中，不能很快地接受專業(yè)的Cropwat 軟件。所以基于Cropwat 模型，做出谷子水足跡計算器，便于基層農戶使用。此開發(fā)平臺主要是為了方便計算谷子在出苗期、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期這六個生命周期中何時何地消耗了多少淡水。得出谷子藍水、綠水、灰水足跡，使相關部門和農民能隨時掌握谷子用水情況，提出合理的灌溉計劃。使用谷子水足跡計算器主要有用戶和系統(tǒng)管理員兩類人。用戶可以直接通過單位面積產量Y、每公頃土地施入的化肥量mAR等相關參數直接得出谷子的藍綠水足跡，管理員主要負責計算器系統(tǒng)后臺的維護，主要包括數據庫管理、歷史數據的記錄等。

3.2 開發(fā)環(huán)境等

開發(fā)環(huán)境：JDK1.8+MySql5.6+maven

技術選型：mybaits+Spring+SpringMVC+jquery

使用工具：Intelij IDEA

3.2.1 開發(fā)過程

使用idea 工具新建maven 項目，引入ssm 基本使用包，前端引入jquery，進行數據庫表分析，使用PowerDesigner 數據庫建模工具完成數據庫表的設計，分析平臺的每個模塊，帶入數據進行測試，看計算器平臺所算的數據是否正確。

3.2.2 環(huán)境部署

使用maven 命令mvn clean compile install 將程序打包成war 包，遠程連接服務器，將war 包放到tomcat 的webapps下，進行解壓，配置端口，啟動服務。

3.3 功能設計

3.3.1 谷子生長過程中的綠藍灰水足跡計算原理

此平臺主要是根據Cropwat 模型設計出谷子水足跡計算器，直接輸入相關參數，快速得出谷子藍綠灰水足跡。

Cropwat模型如式（1）、式（2）、式（3）所示：

式中，WFproc，green為谷子在整個生長期內消耗的綠水足跡，WFproc，blue為藍水足跡，WFproc，grey為灰水足跡，單位均為m3·t-1［6］；CWUgreen、CWUblue分別為谷子生長期間的綠水資源、藍水資源利用量［7］，即作物生長期間的“綠水”“藍水”消耗，m3/hm2；Y為谷子單位面積產量，t/hm2；mAR為每公頃土地施肥的折純量［8］，kg/hm2；α為淋溶率，通常氮肥的淋溶率為10%，磷肥的淋溶率為3%；Cmax為最大容許濃度，Cnat為污染物的自然本底濃度，kg·m-3［9］。

上述公式中，“綠水”消耗和“藍水”消耗可分別通過公式（4）（5）得出：

式中，ETgreen、ETblue分別為綠水蒸散量、藍水蒸散量，單位為mm；lgp代表谷子生長期的長度，單位為d；常量因子10為將水深（mm）轉化為水量（m3/hm2）的轉化系數。

計算作物綠水和藍水消耗量通常是基于作物需水量法［10］，根據特定條件下的作物需水量（CWR，mm）、同時期的有效降水量（Peff，mm）及灌溉需水量（IR，mm），通過公式（6）（7）（8）進行計算。

式中，dIR為谷子在生長期間的灌溉需水量，dwR為谷子需水量，mm；ETc為谷子在生長期間的蒸發(fā)蒸散量，mm；Peff為谷子生長期間的有效降水量，mm。

式中，Kc為作物系數；ET0-PM為谷子蒸發(fā)蒸散日總量，mm［11］。

3.3.2 登錄界面

登錄界面分為用戶登錄界面和管理員登錄界面。

用戶可通過注冊賬號密碼來進行登錄，為查閱歷史計算結果提供便利；管理員通過工號密碼進行登錄，主要維護系統(tǒng)穩(wěn)定性和數據庫的管理，登錄界面如圖1所示。

圖1 用戶和管理員登錄界面

3.3.3 用戶操作模塊

客戶端主要是基層農戶，農戶只需直接輸入作物產量、需水量、每公頃化肥量等相關參數就可以直接得出藍水、綠水、灰水足跡。用戶操作流程見圖2。

圖2 用戶操作流程圖

3.3.4 管理員維護模塊

服務端主要是系統(tǒng)、數據庫管理人員，系統(tǒng)管理員定時維護系統(tǒng)的穩(wěn)定性與結果的準確性；數據庫管理員要定時聯系當地農業(yè)管理部門更新有效降雨量、作物系數等固定參數，并做好歷史數據的記錄與整理。管理員功能見圖3。

圖3 管理員功能圖

4 系統(tǒng)實現

本文在借鑒已有的研究成果Cropwat 模型公式的基礎上，基于JavaWeb 開發(fā)出谷子水足跡計算器（見圖4），基層用戶可直接輸入谷子產量、谷子需水量、每公頃土地施入化肥量等相關參數，通過系統(tǒng)預設的系數值點擊計算結果就能得到谷子的綠水、藍水、灰水足跡。因其可直接得出相應的計算結果，故本系統(tǒng)具有很強的通用性。本系統(tǒng)的研究和開發(fā)，為相關研究人員和基層農戶在得出谷子水足跡后能及時調整灌溉策略、節(jié)約利用水資源奠定了重要的基礎。

圖4 谷子水足跡計算器界面截圖

5 谷子水足跡計算器的特點

水足跡計算器是利用Cropwat 模型根據作物整個生育期的需水量、降水量等信息進行估算或采用田間試驗數據信息進行核算，使用公式計算谷子生長過程中消耗的藍水、綠水、灰水足跡。

該計算器具有如下特點：1）使用人群廣泛，即使未接受過計算機專業(yè)培訓的基層農戶也能快速接受并熟練使用。2）操作簡單、方便快捷，只需輸入產量、每公頃化肥量等相關日常參數就可直接得出結果。3）數據庫會自動存儲歷史數據，方便用戶隨時查閱用水量調整灌溉措施。4）通過定時聯系當地農業(yè)研究部門更新作物系數、蒸散量等相關參數，可以提高農戶使用的準確度。