江西省水稻需水量預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

羅童元，鄭 雷，譚 鑫，鄧海龍，謝 華，奴爾力·阿衣托汗，羅玉峰，呂辛未

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020；2.金華市梅溪流域管理中心，浙江 金華 321017；3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；4.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西 南昌 330200；5.百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（北京）有限公司，北京 100085）

0 引 言

作物需水量是灌溉用水管理的重要依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行精確預(yù)測(cè)是灌溉預(yù)報(bào)和灌溉決策的重要基礎(chǔ)［1-3］。作物騰發(fā)量ETc可表示為作物系數(shù)Kc與參考作物騰發(fā)量ET0的乘積［4］。確定適合的ET0預(yù)報(bào)模型和作物系數(shù)Kc值用于精準(zhǔn)和及時(shí)的ETc預(yù)測(cè)，對(duì)于提高灌溉管理水平和節(jié)約農(nóng)業(yè)用水具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)ET0計(jì)算模型已經(jīng)做了大量研究，大多都是基于歷史時(shí)間序列的分析［5，6］，隨著天氣預(yù)報(bào)精度的提高，近年來(lái)運(yùn)用天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行ET0預(yù)報(bào)的研究越來(lái)越多。如劉夢(mèng)等［7］使用天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和改進(jìn)的逐日均值修正法進(jìn)行短期ET0預(yù)報(bào)，余江斌等［8］采用天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)，白依文等［9］在武漢運(yùn)用PM 公式和HS 公式預(yù)報(bào)ET0值，徐俊增等［10］推薦運(yùn)用多元回歸模型，并利用常州站的相關(guān)資料進(jìn)行ET0預(yù)報(bào)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)關(guān)于ETc預(yù)報(bào)以及相關(guān)的系統(tǒng)研究逐漸展開(kāi)，孫博瑞等［11］提出了基于LSTM （長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)）的作物需水量預(yù)測(cè)模型；羅童元等［12］構(gòu)建了基于Web 的江蘇省逐日參考作物騰發(fā)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)，但該系統(tǒng)僅采用了Hargreaves-Samani 模型來(lái)進(jìn)行ET0預(yù)報(bào)，類似的ET0預(yù)報(bào)模型還有McCloud 模型、Blaney-Criddle 模型等，其并未進(jìn)行充分的模型對(duì)比分析以完善系統(tǒng)軟件，同時(shí)離實(shí)現(xiàn)全省范圍內(nèi)的作物需水量ETc的預(yù)報(bào)及數(shù)據(jù)可視化尚有一段距離。本文介紹的江西省作物騰發(fā)量ETc預(yù)報(bào)系統(tǒng)則基于公共天氣預(yù)報(bào)，結(jié)合利用率定的PM 模型、HS 模型、BC 模型以及MC 模型計(jì)算得到的ET0，以及利用單作物系數(shù)法確定的全省各站點(diǎn)、各時(shí)期的Kc值進(jìn)行ETc預(yù)報(bào)，并通過(guò)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布、展示及使用，適用于江西省大型灌區(qū)管理機(jī)構(gòu)，為他們的實(shí)時(shí)灌溉決策提供較為精確、及時(shí)的作物需水量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

江西省地處我國(guó)東南，位于北緯24°29′14″至30°04′41″，東經(jīng)113°34′36″至118°28′58″之間。地形以丘陵、山地為主，盆地、谷地廣布，平原較少。擁有典型的亞熱帶氣候特征，光照充足，雨水豐富，土壤沃腴；轄區(qū)內(nèi)有多個(gè)大型灌區(qū)，使得江西省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有了較為優(yōu)越的氣候條件。開(kāi)發(fā)江西省ETc預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)江西省全域的水稻需水量進(jìn)行及時(shí)預(yù)報(bào)，有利于緩解江西省水資源供需矛盾，提高大型灌區(qū)管理水平，加速灌溉現(xiàn)代化發(fā)展。

1.2 ET0估算模型及率定

1.2.1 Hargreaves-Samani模型

Hargreaves-Samani （HS）模型估算ET0只需用到溫度和太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，對(duì)于缺乏系統(tǒng)、全面氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)記錄的地區(qū)極為適用，公式如下［13］：

式中：ET0，HS為HS 公式計(jì)算的日參考作物騰發(fā)量，mm∕d；λ 為蒸發(fā)潛熱，取2.45 MJ∕kg；Ra為天頂輻射，MJ∕（ m2·d）；Tmax為日最高氣溫，℃；Tmin為日最低氣溫，℃；C、E為公式的2 個(gè)基本參數(shù)，具有地區(qū)變異性，不同地域參數(shù)取值不同。

1.2.2 Blaney-Criddle模型

Blaney-Criddle（BC）模型可寫(xiě)為［14］：

式中：ET0，BC為BC 公式計(jì)算的日參考作物騰發(fā)量，mm∕d；T為日平均溫度，℃；P為該日白晝小時(shí)數(shù)在一年總的白晝小時(shí)數(shù)中所占的百分?jǐn)?shù)，%。Ni為該天的最大可能日照時(shí)數(shù)，NYEAR為該年總的白晝小時(shí)數(shù)。

1.2.3 McCloud模型

McCloud（MC）公式適用于氣象資料缺乏全面、系統(tǒng)觀測(cè)的站點(diǎn)使用，公式如下［15］：

式中：ET0，MC為MC 公式計(jì)算的日參考作物騰發(fā)量，mm∕d；K、W均為常數(shù)，K=0.254，W=1.07；T為日平均氣溫，℃。

1.2.4 Penman-Monteith模型

FAO-56 Penman-Monteith 方法是聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）推薦為計(jì)算參照作物騰發(fā)量ET0的標(biāo)準(zhǔn)化方法［4］。PM 公式如下：

式中：ET0，PM為用FAO-56 Penman-Monteith 公式計(jì)算的日參考作物騰發(fā)量，mm∕d；Rn為作物表面上的凈輻射，MJ∕（m2·d）；G為土壤熱通量，取值為0，MJ∕（m2·d）；U2為距地面2 m 高處風(fēng)速，m∕s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為溫度與飽和水汽壓關(guān)系曲線上的切線斜率，kPa∕℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa∕℃。

1.2.5 模型率定

本文以FAO-56 Penman-Monteith 公式根據(jù)26 個(gè)站點(diǎn)的歷史實(shí)測(cè)氣象資料估算的ET0值為基準(zhǔn)值，與其他3 種模型估算的ET0值建立回歸關(guān)系，分別求得BC 模型和MC 模型的校正系數(shù)a和b值，以及HS 模型中的參數(shù)C、E值。前者建立如下關(guān)系：

式中：ET0，PM為FAO-56 Penman-Monteith 公式計(jì)算的基準(zhǔn)值，mm∕d；ET0為BC、MC模型估算的ET0值，mm∕d。

1.3 作物系數(shù)曲線推求

根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）推薦的單作物系數(shù)法，把作物的全生育期分為生長(zhǎng)初期Kcini、快速生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)中期Kcmid和生長(zhǎng)后期Kcend4 個(gè)階段［4］。只需確定Kcini、Kcmid和Kcend3 個(gè)不同生長(zhǎng)階段的Kc值，即可推算和描繪整個(gè)作物系數(shù)曲線［4］。Kcini和Kcmid畫(huà)水平線，快速生長(zhǎng)階段用斜線連接Kcini和Kcmid，生長(zhǎng)后期用斜線連接Kcmid和Kcend，便可以確定作物全生育期任意生長(zhǎng)階段、任意一天的Kc值。

本文以江西南昌氣象站點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，以江西省灌溉試驗(yàn)中心站實(shí)測(cè)的早稻、晚稻作物需水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算確定南昌站早稻、晚稻三個(gè)階段Kcini（tab）、Kcmid（tab）及Kcend（tab）的作物系數(shù)值。收集江西省26個(gè)站點(diǎn)的長(zhǎng)系列氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算其多年平均風(fēng)速和日最低相對(duì)濕度，再根據(jù)公式（8）和（9）計(jì)算推導(dǎo)出江西省其他25個(gè)站點(diǎn)的早稻和晚稻的Kcmid和Kcend值。同時(shí)，經(jīng)過(guò)分析顯示，省內(nèi)氣候分區(qū)并不明顯，將其余25 個(gè)站點(diǎn)早稻生長(zhǎng)初期的作物系數(shù)Kcini取推薦值0.92，晚稻Kcini生長(zhǎng)初期取推薦值1.00。

式中：U2分別取生長(zhǎng)中、后期草地表面以上2 m高處的日平均風(fēng)速，m∕d；RHmin分別取生長(zhǎng)中、后期的日最小相對(duì)濕度的平均值，%；h為生長(zhǎng)中、后期的平均植株高度，取h=1.0 m；Kcmid(tab)、Kcend(tab)分別為南昌站點(diǎn)計(jì)算出的早稻和晚稻的中期及末期作物系數(shù)；U南昌和RHmin南昌分別為南昌基準(zhǔn)站中、后期的2 m 高處風(fēng)速和日最低相對(duì)濕度的平均值。

1.4 ETc預(yù)報(bào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

江西省水稻需水量預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用LAMP（Linux+Apache+MySQL+PHP）網(wǎng)站架構(gòu)，具有Web 資源豐富、輕量、快速開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。采用Linux 操作系統(tǒng)運(yùn)行水稻作物需水量預(yù)報(bào)發(fā)布系統(tǒng)核心軟件，采用MySQL 管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用PHP 語(yǔ)言和ThinkPHP框架編寫(xiě)程序核心代碼，采用具有高性能、多并發(fā)、免費(fèi)使用等特點(diǎn)的Apache 服務(wù)器作為需水量預(yù)報(bào)發(fā)布網(wǎng)站的Web服務(wù)器。

本系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)、水稻需水量預(yù)報(bào)模型子系統(tǒng)和水稻需水量預(yù)報(bào)網(wǎng)頁(yè)子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)主要用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息，水稻需水量預(yù)報(bào)模型子系統(tǒng)主要用于計(jì)算水稻ETc預(yù)報(bào)值，水稻需水量預(yù)報(bào)網(wǎng)頁(yè)子系統(tǒng)主要用于調(diào)用水稻需水量預(yù)報(bào)子系統(tǒng)計(jì)算出的數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)展示給用戶。

1.4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)

系統(tǒng)采用MySQL 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含4張數(shù)據(jù)表：表a用于儲(chǔ)存從中國(guó)天氣網(wǎng)抓取的天氣預(yù)報(bào)信息（最高氣溫、最低氣溫、天氣情況、風(fēng)力等級(jí)）；表b 用于儲(chǔ)存水稻在26 個(gè)不同地區(qū)不同生育階段Kc（Kcini、Kcmid、Kcend）值；表c 用于儲(chǔ)存江西省26 個(gè)氣象站點(diǎn)中4 種模型公式計(jì)算所需的參數(shù)信息（a、b、緯度、C、E）；表d用于儲(chǔ)存系統(tǒng)計(jì)算的ETc預(yù)報(bào)值。

1.4.2 水稻需水量預(yù)報(bào)模型子系統(tǒng)

水稻需水量預(yù)報(bào)模型子系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分，采用PHP代碼編寫(xiě)而成。該子系統(tǒng)主要包含3個(gè)部分：信息抓取模塊、轉(zhuǎn)化模塊和計(jì)算模塊。抓取模塊采用PHP 代碼編寫(xiě)的正則表達(dá)式來(lái)抓取天氣預(yù)報(bào)信息；轉(zhuǎn)化模塊將天氣預(yù)報(bào)信息中的天氣情況信息和風(fēng)力等級(jí)信息轉(zhuǎn)化為日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速信息，并根據(jù)日期信息判斷水稻所處的生長(zhǎng)階段而選擇適當(dāng)?shù)腒c值；計(jì)算模塊采用四種經(jīng)過(guò)率定后的ETc模型估算水稻作物需水量。

1.4.3 水稻需水量預(yù)報(bào)網(wǎng)頁(yè)子系統(tǒng)

水稻需水量預(yù)報(bào)網(wǎng)頁(yè)子系統(tǒng)為系統(tǒng)的視圖部分，使用HTML、CSS、JavaScript 等前端語(yǔ)言編寫(xiě)而成，是系統(tǒng)與用戶交流的“窗口”。該子系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：Echarts 折柱線圖，ETc計(jì)算表格。Echarts 作為可視化圖表工具，可提供方便多樣的可視化圖表，讓用戶直觀的了解數(shù)據(jù)變化的過(guò)程；ETc計(jì)算的表格部分，提供江西省各縣市未來(lái)1～7 天的ETc預(yù)報(bào)值和預(yù)報(bào)的天氣情況，包括風(fēng)力等級(jí)、最高氣溫、最低氣溫等。

1.4.4 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)用戶通過(guò)水稻需水量預(yù)報(bào)網(wǎng)頁(yè)子系統(tǒng)提交獲取江西省某一縣市的ETc預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，比如遂川縣未來(lái)1～7 天的水稻需水量（ETc）預(yù)報(bào)值，水稻需水量預(yù)報(bào)網(wǎng)頁(yè)子系統(tǒng)通過(guò)解析，將請(qǐng)求傳遞到水稻需水量預(yù)報(bào)模型子系統(tǒng)，子系統(tǒng)通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲得所需的計(jì)算信息，進(jìn)而計(jì)算出水稻需水量預(yù)報(bào)值并傳遞給前端，用戶就可以在計(jì)算機(jī)或手機(jī)屏幕上看到遂川站點(diǎn)的水稻ETc預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 System working principle diagram

2 結(jié)果與討論

2.1 ET0模型率定

HS 模型經(jīng)率定后各站點(diǎn)參數(shù)C、E值如表1所示。可以看出，站點(diǎn)C、E值取值范圍分別為0.001 4～0.002 5、0.41～0.64。類似地，MC 模型、BC 模型，經(jīng)過(guò)線性擬合可獲得所有站點(diǎn)的參數(shù)a、b值。譚鑫等［16］研究表明，率定后模型具有較高的精確度。

表1 Hargreaves-Samani模型率定結(jié)果Tab.1 Hargreaves-Samani model calibration results

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)表

在數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)中，更多的是數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)。為了完善數(shù)據(jù)表內(nèi)數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性，提高數(shù)據(jù)信息平臺(tái)的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題是首先需要解決的問(wèn)題［17，18］。表2為此子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)每張表的表頭設(shè)計(jì)，可以看出，每張表的表頭不僅涵蓋了模型計(jì)算所需的所有參數(shù)以及估算的作物需水量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，而且表頭設(shè)計(jì)都相對(duì)簡(jiǎn)單而清晰，沒(méi)有冗余，可大大提高數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行效率。

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)各表的表頭設(shè)計(jì)Tab.2 The header design of each table in the database

2.3 系統(tǒng)界面展示及功能簡(jiǎn)介

基于Web 的江西省水稻需水量預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要采用PHP 語(yǔ)言及ThinkPHP 框架開(kāi)發(fā)而成，具有頁(yè)面簡(jiǎn)潔、功能實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。用戶可以通過(guò)電子設(shè)備瀏覽網(wǎng)頁(yè)（http：∕∕1.forecast.applinzi.com∕index.php∕JiangXi∕index）進(jìn)入系統(tǒng)首頁(yè)面，該頁(yè)面主要展示江西省26個(gè)氣象站點(diǎn)地理位置信息，如圖2所示。

圖2 江西省水稻作物需水量（ETc）預(yù)報(bào)系統(tǒng)首頁(yè)面Fig.2 Jiangxi Province Rice Crop Water Requirement （ETc）Forecast System Home Page

用戶點(diǎn)擊系統(tǒng)地圖的任意一個(gè)站點(diǎn)，以遂川站點(diǎn)為例（其他站點(diǎn)ETc查詢類似），就會(huì)跳轉(zhuǎn)到水稻作物需水量ETc預(yù)報(bào)結(jié)果子頁(yè)面。該子頁(yè)面由3 部分構(gòu)成，第1 部分為3 個(gè)選擇框，選擇框1 可以自由選擇江西省26 個(gè)氣象站點(diǎn)任一站點(diǎn)，選擇框2可以選擇不同的水稻生育階段以確定對(duì)應(yīng)階段的作物系數(shù)Kc值，選擇框3為用戶選擇的4種ETc計(jì)算模型。

圖3 江西省水稻作物需水量（ETc）預(yù)報(bào)結(jié)果子頁(yè)面Fig.3 Jiangxi Province Rice Crop Water Requirement （ETc）Forecast Results Subpage

第2 部分為折柱線圖表部分，左側(cè)y軸為ETc值（mm），右側(cè)y軸為溫度（℃），x軸為未來(lái)7 d 的日期。該折柱混搭圖采用最高、最低氣溫為柱狀圖，ETc預(yù)報(bào)值為折線圖的形式，使數(shù)據(jù)更為直觀、清晰。圖4為ETc預(yù)報(bào)值折柱混搭圖。

圖4 ETc預(yù)報(bào)值折柱混搭圖Fig.4 Column mashup chart of ETc forecast values

第3 部分為表格部分，采用列表的形式展示了該氣象站點(diǎn)未來(lái)1～7 d的天氣情況、風(fēng)力等級(jí)、最低氣溫、最高氣溫及4種模型的ETc計(jì)算值，用戶可以直觀的對(duì)比4 種模型ETc預(yù)報(bào)值的差別與聯(lián)系。圖5為ETc預(yù)報(bào)頁(yè)面列表部分。

圖5 ETc預(yù)報(bào)頁(yè)面列表部分Fig.5 ETc forecast page list section

本系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集全省26個(gè)氣象站點(diǎn)的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)并發(fā)布全省26 個(gè)站點(diǎn)的逐日作物需水量預(yù)報(bào)值，可為智能灌溉決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。

基于天氣預(yù)報(bào)信息的ETc預(yù)報(bào)模型還有Thornthwaite 模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，同時(shí)，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的作物系數(shù)法包括單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法，因此，后期還需要考慮這些因素，綜合進(jìn)行ETc預(yù)報(bào)精度比選，從而確定最佳的ETc預(yù)報(bào)模型，并不斷完善相關(guān)的系統(tǒng)軟件，以更好地為用戶提供服務(wù)。

3 結(jié) 論

本文采用開(kāi)源的Linux+Apache+MySQL+PHP 網(wǎng)址架構(gòu)和ThinkPHP 框架，開(kāi)發(fā)了基于Web 的江西省水稻作物需水量預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)江西省26個(gè)站點(diǎn)未來(lái)7 d的作物需水量，在有網(wǎng)絡(luò)的地方通過(guò)網(wǎng)站即可實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)及進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)操作，操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)。同時(shí)，本系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于云端數(shù)據(jù)庫(kù)中，保障數(shù)據(jù)安全的同時(shí)又可共享給特定用戶，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者、灌區(qū)用水管理者等灌溉決策提供數(shù)據(jù)支持。