基于Java的大豆水足跡計算系統的開發

陳敏賈鑫薄興野劉振宇

(1.山西農業大學農業工程學院，山西 晉中 030600；2.山西農業大學信息科學與工程學院，山西 晉中 030600)

前言

水資源是保障社會發展，維持人類生活、生產的重要能源之一。隨著經濟的快速發展和人口數量的不斷上漲，人類以及社會對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，評價研究大豆生產的水足跡具有重要的實用和科學意義。為了進一步調整區域農業的種植結構，方便充分利用區域農業水資源使基層農民更有效地種植大豆、管理大豆、提高農民的收入，本文基于CROPWAT模型建立的水足跡計算公式[1]，使用Java語言開發了大豆水足跡計算系統。

水足跡是指某一區域在一定時間內消費的產品需要的水資源總量[2]，能夠反映生產單位質量作物所消耗的廣義水資源量，也能夠綜合反映一個區域的農業生產水平及農業水資源利用效率的高低。以CROPWAT模型為基礎估算大豆生產水足跡的研究對象包含藍水、綠水和灰水足跡3種類型。

藍水足跡是指儲藏在河流、湖泊、濕地以及淺層地下水層中的水資源量。綠水足跡是指儲藏在非飽和的土壤層中同時通過植被的蒸散而消耗的水資源量。灰水足跡是因為污染引起的[3]。在農業的生產過程中，作物生長所消耗的水分是藍水和綠水的總和[4]。

1 平臺原理

水足跡是大豆生產區植物生長期間農業用水研究的新指標體系，可以定量研究大豆生產水足跡的組成以及降雨量對大豆生產的影響作用[5]。大豆生產水足跡主要依據其需水量、生育期的降水量和灌溉水量等數據，利用CROPWAT模型[6]估算，進行核算，通過公式來估算大豆生長過程中消耗的綠水、藍水和灰水足跡。

WFproc,green=CWUgreen/Y

WFproc,biue=CWUbiue/Y

WFproc,grey=(a×AR)/(Cmax-Cnat)/Y

式中，WFproc,green、WFproc,blue、WFproc,grey分別為作物生長期間消耗的綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡，m3·t-1；CWUgreen、CWUblue分別為作物生長過程中“綠水”消耗和“藍水”消耗，即大豆生長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為大豆產量,t·hm-2；AR為施入的化肥量,kg·hm-2；α為淋溶率，即進入水體的污染量占總化學物質施用量的比例，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、除草劑和殺蟲劑。一般只需計算最關鍵的污染物，即產生最大灰水足跡的污染物。綠水和藍水消耗計算如下：

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

大豆綠水和藍水消耗量通?；谧魑镄杷糠ㄟM行估算，通過假定大豆在最優條件下生長來模擬其蒸散量，這意味著蒸散量等于需水量。需水量是由生育階段內逐日需水量累積得到，綠水蒸散量通過對比大豆需水量和有效降水量得到，取二者中的較小值，藍水蒸散量通過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，則藍水蒸散量為0，否則藍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期內日蒸散量累加值計算，灌溉需水量由需水量和有效降水量的差值計算。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)，但是當有效降水量超過蒸散量時，其值為0[3]。

ETc=Kc×ET0-PM

式中，Kc為作物系數。

干旱農業條件下大豆生長期內藍水蒸散量為0mm，大豆實際耗水量(ETa)為綠水蒸散量(ETgreen,mm)

WFb=-D×10/Y

式中，WFb為干旱農業條件下藍水足跡；D為滲漏量,mm。

2 系統開發

2.1 用戶需求

由于經濟的快速發展和人口的增長，糧食、能源和水這3種重要戰略資源將面臨著需求的不斷增長。到2050年，全球對食物和水的需求預計將分別增長約60%和20%～30%，而全球能源需求將增長約30%。糧食生產行業是最大的用水行業和重要的能源使用行業，因此，科學評估中國目前糧食生產中的水和能源消耗并確定關鍵點對于中國和世界的糧食安全相當重要。大豆又是世界主要的糧油兼用植物，也是人類優質蛋白的主要來源，其既是我國的主要農作物之一，也是我國進口量最大的農作物，是關系到國計民生的重要戰略性、基礎性的物資，是最具有經濟效益的植物，在農產品貿易領域中扮演著舉足輕重的角色。

通過對大豆種植產業和營養成分計算方式的調研，主要對系統的需求分析進行展開論述，認真分析當下市場需求，為更好地服務于大豆水足跡計算做好充足準備，為系統的整體架構設計提供條件，從而設計出一款滿足市場需求的大豆水足跡計算系統。

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責，該部分主要分為輸入種植總量、輸入計算所需參數以及計算結果等模塊。

2.2.2 服務端需求分析

服務端主要由管理人員負責，該部分主要為管理人員對計算結果的分析與結果建議的反饋，以及對數據庫的管理。

客戶端需求分析和服務端需求分析如圖1所示。

圖1 功能性需求分析圖

2.3 非功能性需求

在大豆水足跡計算系統中，界面應該力求簡潔美觀，在軟件的主要功能模塊中，應當提供相應的功能入口，幫助用戶快速定位到需要使用的功能，提升用戶的體驗。

2.4 可行性

本系統在開發的過程中，IntelliJ IDEA是一款免費開發工具，開發所需SDK同樣免費，系統的模擬運行可使用Google Chrome瀏覽器等進行。開發費用主要包含市場調研、服務器租賃費用，在本系統的前期開發中不需投入過多成本即可完成軟件的初步測試，因此在經濟上是可行的。

3 系統實現

本系統總體使用B/S(Brower/Server)系統架構，數據庫利用MySQL關系數據庫管理系統，主要的開發語言是Java語言，開發工具選擇了IntelliJ IDEA；將數據庫安裝部署在服務器上，同時將Web項目部署在Tomcat，以便在需要時進行擴展，使用戶進行外部訪問。用戶可以直接在任何瀏覽器端登錄界面，用戶的主要請求發送到服務器，進行主要的事務處理，最后形成用戶界面，業務處理與控制端3層結構。

該系統的使用非常簡單，基層農民用戶只需要在計算系統中依次輸入作物產量、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據，就可以得到綠水、藍水和灰水足跡以及大豆總的水足跡。同時減輕了客戶端的負重，減少了系統更新與維護的成本，沒有地域的限制，面向所有的基層用戶，易操作，簡單快捷，大大地提高了基層用戶的大豆生產量，有效地減少國家水資源的浪費。大豆水足跡的計算界面如圖2所示。

圖2 大豆水足跡計算器

本系統面向所有的網絡用戶，可以讓更多的養殖用戶、管理人員、基層農戶更好地參與到大豆的種植中去，計算界面的各個數據一目了然，用戶可以通過分析每個數據的變化，進行對比，從而得出各種因素對大豆生產水足跡的影響，在后期的種植中依據數據的變化合理安排種植，選擇時間，適量施肥，減少污染物的數量，高效省時地進行大豆的種植。

4 總結

本次設計的主要目的是構建一個基于Java的大豆水足跡的計算系統，采用開放使用的方式，面向所有的Internet用戶，尤其是一些基層農民。該計算系統可以讓用戶與管理人員更條理地收集大豆水足跡的有關數據，以此方便對大豆生產的影響因素做出更全面地分析，為廣大用戶提供了一個共享數據庫，有利于種植人員與管理人員方便快捷地計算大豆對水資源的需求量與消耗量，為各種教學應用研究提供了一個強有力的工具。

本系統已經完成了基于CROPWAT模型的大豆生產水足跡的初步計算，可以為今后的研究設計提供一些有效依據，同時積累了一定經驗，奠定了初步基礎。但是在設計中還存在一定的不足之處，計算所需要的一些數據的得到存在一定難度，用戶獲得的數據存在一定誤差，不能保證計算結果具有完全的可靠性。一些計算所需要的參數獲取相對復雜等問題，還需要進一步完善與修改，這將在后續研究中做出相應改進與提升。如何提高計算結果的準確性，更好地滿足不同地區不同天氣狀況，這將是一個相對長期的任務。