基于JavaWeb的谷子水足跡計算系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

謝瑞潔 段鵬軍 郭小鳳 劉振宇

摘 要 為分析谷子生產(chǎn)水資源的占用情況和解決基層農(nóng)民作物灌溉問題，基于Cropwat模型公式研究了谷子生產(chǎn)水足跡，根據(jù)Cropwat模型公式，采用java語言開發(fā)了一個水足跡計算平臺，用戶在計算器中直接輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，即可獲得計算結(jié)果。本設(shè)計重點(diǎn)在于方法及流程，利用java軟件編程，通過在不同型號電腦進(jìn)行實(shí)驗仿真，驗證軟件可行性，結(jié)果表明本系統(tǒng)具有很強(qiáng)通用性，可在不同型號電腦上得到正確結(jié)果。該水足跡計算器具有計算速度快、操作簡單、適用人群廣泛等諸多特點(diǎn)，以方便基層農(nóng)戶和研究人員快速計算谷子各個時期藍(lán)水、綠水、灰水足跡，并根據(jù)計算結(jié)果安排科學(xué)的灌溉制度。

關(guān)鍵詞 谷子（Setaria italica var. germanica）;水足跡;Cropwat;計算器

中圖分類號：S515 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.16.015

水足跡包含了產(chǎn)品在生產(chǎn)和消費(fèi)服務(wù)過程中的直接和間接的水資源消耗[1]，一方面顯示了消費(fèi)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 italica var. germanica）來說，水足跡成為一種經(jīng)驗指標(biāo)，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(lán)水、綠水和灰水。藍(lán)水足跡是指對藍(lán)水的消耗，主要有以下情況：水分蒸發(fā)、水被產(chǎn)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(bǔ)充到地面，綠水足跡其實(shí)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(biāo)，根據(jù)自然背景濃度和可獲得的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)過程中需要將大量的淡水混入污染物中。

農(nóng)業(yè)種植是用水大戶，對水資源的利用極其重要。我國是農(nóng)業(yè)種植大國，水資源的嚴(yán)重短缺制約著糧食作物生產(chǎn)。近些年，隨著社會進(jìn)步，全球氣候變暖，水資源逐漸匱乏等各種全球化問題呈現(xiàn)，對水資源的科學(xué)利用已成為可持續(xù)發(fā)展的研究重點(diǎn)。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(diào)整種植結(jié)構(gòu)、灌溉模式，以達(dá)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(nóng)民種植，但是由于相關(guān)種植人員缺乏專業(yè)知識和科學(xué)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(chǎn)量下降、營養(yǎng)不達(dá)標(biāo)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(xué)合理安排種植制度和灌溉策略提供理論依據(jù)。

1? 設(shè)計原理

谷子水足跡計算器平臺選用Cropwat模型，此模型應(yīng)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(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)和降雨量數(shù)據(jù)對谷子需水量和灌溉需水量進(jìn)行比較準(zhǔn)確的計算[4]，農(nóng)民可直接依據(jù)計算結(jié)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(dá)到水資源的合理利用。此系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計，可以擴(kuò)大使用人群，即使是沒有接受過專業(yè)計算機(jī)培訓(xùn)的基層農(nóng)民也能很好使用，快速計算得出結(jié)果并合理安排灌溉計劃。

2? 設(shè)計目標(biāo)

谷子水足跡計算器系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)：

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(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查和維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。

2）谷子藍(lán)水、綠水足跡計算。用戶直接輸入谷子單位面積產(chǎn)量Y就可快速得出谷子藍(lán)水足跡和綠水足跡結(jié)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(shù)據(jù)更新。管理員能定時聯(lián)系當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)局對同期有效降水量Peff、作物系數(shù)Kc、參照作物需水量E等基層農(nóng)戶不易獲得的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫更新。

5）歷史數(shù)據(jù)查詢。普通用戶在每次成功計算出谷子水足跡結(jié)果后，數(shù)據(jù)庫會自動存儲歷史結(jié)果，用戶可根據(jù)查詢?nèi)掌谶M(jìn)行查詢。

6）數(shù)據(jù)導(dǎo)出。普通用戶可直接導(dǎo)出近期計算結(jié)果，通過數(shù)據(jù)對比，調(diào)整灌溉策略。

系統(tǒng)還需具備權(quán)限管理、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)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(nóng)戶沒有經(jīng)過科學(xué)的技術(shù)培訓(xùn)和專業(yè)的谷子種植灌溉知識，在現(xiàn)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(nóng)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(lán)水、綠水、灰水足跡，使相關(guān)部門和農(nóng)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(chǎn)量Y、每公頃土地施入的化肥量mAR等相關(guān)參數(shù)直接得出谷子的藍(lán)綠水足跡，管理員主要負(fù)責(zé)計算器系統(tǒng)后臺的維護(hù)，主要包括數(shù)據(jù)庫管理、歷史數(shù)據(jù)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(shù)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(jìn)行數(shù)據(jù)庫表分析，使用PowerDesigner數(shù)據(jù)庫建模工具完成數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計，分析平臺的每個模塊，帶入數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，看計算器平臺所算的數(shù)據(jù)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(yuǎn)程連接服務(wù)器，將war包放到tomcat的webapps下，進(jìn)行解壓，配置端口，啟動服務(wù)。

3.3? 功能設(shè)計

3.3.1? 谷子生長過程中的綠藍(lán)灰水足跡計算原理

此平臺主要是根據(jù)Cropwat模型設(shè)計出谷子水足跡計算器，直接輸入相關(guān)參數(shù)，快速得出谷子藍(lán)綠灰水足跡。

Cropwat模型如式（1）、式（2）、式（3）所示：

WFproc，green=CWUgreen/Y （1）

WFproc，blue=CWUblue/Y （2）

WFproc，grey=（α·mAR）/（Cmax-Cnat）/Y （3）

式中，WFproc，green為谷子在整個生長期內(nèi)消耗的綠水足跡，WFproc，blue為藍(lán)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(lán)水資源利用量[7]，即作物生長期間的“綠水”“藍(lán)水”消耗，m3/hm2;Y 為谷子單位面積產(chǎn)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(lán)水”消耗可分別通過公式（4）（5）得出：

（4）

（5）

式中，ETgreen、ETblue分別為綠水蒸散量、藍(lán)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(zhuǎn)化為水量（m3/hm2）的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

計算作物綠水和藍(lán)水消耗量通常是基于作物需水量法[10]，根據(jù)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(jìn)行計算。

dIR=max（0，dwR-Peff） （6）

ETgreen=min（ETc，Peff） （7）

ETblue=max（0，ETc-Peff） （8）

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。

ETc=Kc·ET0-PM? ?（9）

式中，Kc為作物系數(shù);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(jìn)行登錄，為查閱歷史計算結(jié)果提供便利;管理員通過工號密碼進(jìn)行登錄，主要維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)庫的管理，登錄界面如圖1所示。

3.3.3? 用戶操作模塊

客戶端主要是基層農(nóng)戶，農(nóng)戶只需直接輸入作物產(chǎn)量、需水量、每公頃化肥量等相關(guān)參數(shù)就可以直接得出藍(lán)水、綠水、灰水足跡。用戶操作流程見圖2。

3.3.4? 管理員維護(hù)模塊

服務(wù)端主要是系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理人員，系統(tǒng)管理員定時維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與結(jié)果的準(zhǔn)確性;數(shù)據(jù)庫管理員要定時聯(lián)系當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)管理部門更新有效降雨量、作物系數(shù)等固定參數(shù)，并做好歷史數(shù)據(jù)的記錄與整理。管理員功能見圖3。

4? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文在借鑒已有的研究成果Cropwat模型公式的基礎(chǔ)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(chǎn)量、谷子需水量、每公頃土地施入化肥量等相關(guān)參數(shù)，通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的系數(shù)值點(diǎn)擊計算結(jié)果就能得到谷子的綠水、藍(lán)水、灰水足跡。因其可直接得出相應(yīng)的計算結(jié)果，故本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通用性。本系統(tǒng)的研究和開發(fā)，為相關(guān)研究人員和基層農(nóng)戶在得出谷子水足跡后能及時調(diào)整灌溉策略、節(jié)約利用水資源奠定了重要的基礎(chǔ)。

5? 谷子水足跡計算器的特點(diǎn)

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

該計算器具有如下特點(diǎn)：1）使用人群廣泛，即使未接受過計算機(jī)專業(yè)培訓(xùn)的基層農(nóng)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(chǎn)量、每公頃化肥量等相關(guān)日常參數(shù)就可直接得出結(jié)果。3）數(shù)據(jù)庫會自動存儲歷史數(shù)據(jù)，方便用戶隨時查閱用水量調(diào)整灌溉措施。4）通過定時聯(lián)系當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)研究部門更新作物系數(shù)、蒸散量等相關(guān)參數(shù)，可以提高農(nóng)戶使用的準(zhǔn)確度。

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（責(zé)任編輯：丁志祥）