基于GIS的青島市墑情預(yù)報系統(tǒng)開發(fā)

王松祿，黃修東

（青島市水文局，山東青島266071）

基于GIS的青島市墑情預(yù)報系統(tǒng)開發(fā)

王松祿，黃修東

（青島市水文局，山東青島266071）

針對青島市經(jīng)常發(fā)生的旱情災(zāi)害，采用三層蒸散發(fā)模型建立了以GIS空間數(shù)字平臺為基礎(chǔ)的由信息服務(wù)、墑情應(yīng)用分析和預(yù)報分析等模塊構(gòu)成的墑情預(yù)報系統(tǒng)，形成了一個能夠?qū)η鄭u地區(qū)墑情進行信息管理、計算分析、合理性檢驗的青島市墑情預(yù)報系統(tǒng)及綜合集成平臺，實現(xiàn)了對旱情的實時監(jiān)測、定量分析和動態(tài)預(yù)測，預(yù)測結(jié)果精度較高。

青島市；墑情預(yù)報；GIS；三層蒸發(fā)模型

在自然和社會經(jīng)濟發(fā)展兩方面的壓力下，缺水干旱已成為制約青島市經(jīng)濟發(fā)展、人民生活水平提高的瓶頸。針對旱情災(zāi)害研究建立了以GIS空間數(shù)字平臺為基礎(chǔ)的，由信息服務(wù)、墑情應(yīng)用分析和預(yù)報分析等模塊構(gòu)成的墑情監(jiān)測分析系統(tǒng)體系，從而為制定抗旱措施減少旱災(zāi)損失提供有效技術(shù)支撐。

1　墑情預(yù)報模型

青島市土壤類型主要包括棕壤、砂姜黑土、潮土、褐土、鹽土等，按照行政區(qū)、地形、土壤分布、土地利用將青島市劃分成若干子區(qū)域，對每個子區(qū)域分別輸入不同的降雨、蒸發(fā)，根據(jù)各子區(qū)域內(nèi)作物、土壤和高程等情勢，對每子區(qū)域采用不同的土壤水分計算參數(shù)。模型的參數(shù)由地形、土壤、植被覆蓋數(shù)據(jù)結(jié)合實測土壤含水量資料率定得到。土壤墑情預(yù)報模型子區(qū)按墑情監(jiān)測站劃分，子區(qū)域墑情預(yù)報模型采用蒸發(fā)模型與消退系數(shù)結(jié)合計算法。計算方法主要為旱情預(yù)報服務(wù)，即不考慮預(yù)見期內(nèi)的降雨和灌溉，土壤含水基本上沒有補充，只是通過蒸發(fā)減少。當(dāng)考慮可能的降雨時，蒸發(fā)計算，采用三層蒸散發(fā)模型。主要計算公式如下：

式中：WM為總張力水容量（土壤持水能力）；UM為上層張力水容量（上層土壤持水能力）；LM為下層張力水容量（下層土壤持水能力）；DM為深層張力水容量（深層土壤持水能力）；W為總張力水蓄量（土壤含水量）；WU為上層張力水蓄量（上層土壤含水量）；WL為下層張力水蓄量（下層土壤含水量）；WD為深層張力水蓄量（深層土壤含水量）；E為總蒸散發(fā)量；EU為上層蒸散發(fā)量；EL為下層蒸散發(fā)量；ED為深層蒸散發(fā)量；EP為蒸散發(fā)能力。考慮到與國家《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》和青島市常規(guī)旱情監(jiān)測保持一致，墑情預(yù)報計算也按10 cm、20 cm和40 cm進行，土壤墑情用土壤含水率（%）表示，當(dāng)不考慮未來時段的可能降雨和灌溉時，θa，t為初始t日土壤含水率，百分數(shù)計（%）；

θa，t+1為θa，t之后一日的土壤含水率，百分數(shù)計；Kt為t日的消退系數(shù)。消退系數(shù)Kt受土壤、作物等多種因素影響，需用長系列資料采用線性回歸等統(tǒng)計方法進行率定。

2　系統(tǒng)開發(fā)總體結(jié)構(gòu)

青島市墑情監(jiān)測預(yù)報軟件系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)為主體的多層體系結(jié)構(gòu)，以現(xiàn)有實時水雨情庫、歷史水文數(shù)據(jù)庫、墑情數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，使用圖表方式查詢分析、多形式的信息輸出交互式界面操作方式，實現(xiàn)全市旱情相關(guān)各類信息快速準(zhǔn)確的收集和綜合分析，實時監(jiān)測旱情發(fā)生發(fā)展過程和未來發(fā)展趨勢。系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)自下而上依次是數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)層、計算應(yīng)用服務(wù)層、人機交互控制層。

3　系統(tǒng)主要功能

3.1信息查詢

為了滿足旱情監(jiān)測分析系統(tǒng)需要，使防旱抗旱管理人員盡快掌握與分析區(qū)域內(nèi)旱情現(xiàn)狀形勢及未來變化趨勢，系統(tǒng)提供了旱情信息查詢功能，它能全面地查詢實時墑情信息、雨情信息、水庫水情、河道水情等信息。為了使系統(tǒng)具有較好的通用性，在測站管理模塊中可添加或修改刪除查詢站點。

在墑情顯示選擇墑情站窗口中，可按站碼列表選擇所要顯示的墑情站，在站名上雙擊鼠標(biāo)左鍵可直接將該站列入已選擇站列表框中，也可選擇多個站后點擊添加按鈕一次選擇站列表框中。點擊確定按鈕后則所選測站的最新墑情數(shù)據(jù)在電子地圖上顯示。

3.2模型計算及結(jié)果分析功能

1）自動預(yù)報。自動預(yù)報計算窗口窗口啟動后，自動顯示“今日墑情表”中的內(nèi)容，包括各監(jiān)測站點的莊稼地、白地10 cm、20 cm和40 cm處的土壤含水率。每日8：05～8：06自動進行各站點的墑情預(yù)報計算。在“查看所選墑情站未來一周墑情趨勢”框中選擇墑情站、土壤深度、土地類型后按查看墑情趨勢按鈕在圖表中即顯示未來一周每日土壤含水率數(shù)值和變化趨勢圖。

2）人工干預(yù)預(yù)報。人工干預(yù)預(yù)報計算主要從兩個方面干預(yù)，一是土壤含水率消退系數(shù)，二是當(dāng)前土壤墑情。雙擊“土壤消退系數(shù)表”中的系數(shù)，則變?yōu)榈{即可修改相應(yīng)系數(shù)。修改結(jié)果只用于本次預(yù)報計算，不寫入數(shù)據(jù)庫、不影響自動預(yù)報。同樣按“讀取墑情數(shù)據(jù)”按鈕可讀取當(dāng)前墑情，同時“預(yù)報計算并顯示結(jié)果”按鈕變活。如監(jiān)測墑情設(shè)備出故障導(dǎo)致所測墑情數(shù)據(jù)有誤，可用此功能進行修改。當(dāng)土壤含水率消退系數(shù)、當(dāng)前土壤墑情修改完畢后按“預(yù)報計算并顯示結(jié)果”即進行預(yù)報計算，同時彈出計算結(jié)果表格窗和預(yù)報結(jié)果圖形顯示窗。在預(yù)報結(jié)果圖形顯示窗中缺省顯示：鄭家站、莊稼地、10 cm土壤深度的一周土壤含水率變化趨勢。

3）預(yù)報結(jié)果顯示。預(yù)報結(jié)果顯示窗可顯示自動預(yù)報結(jié)果和人工干預(yù)預(yù)報結(jié)果。啟動該窗后，在“輸入預(yù)報作業(yè)時間”框中輸入預(yù)報作業(yè)時間，自動預(yù)報常規(guī)為每日8：00。在按需要選擇墑情站、土地類型、土壤深度后按“顯示”按鈕即在圖表中顯示一周的土壤含水率變化趨勢。圖形顯示后，用鼠標(biāo)點擊圖形框，顯示相應(yīng)點（即相應(yīng)時間）的土壤含水率。圖1為南村站2015年預(yù)測值與實測數(shù)據(jù)的比較和驗證，決定性系數(shù)為0.90，預(yù)報值與觀測值較為接近，擬合精度較高。

圖1　南村站系統(tǒng)預(yù)測值與實測值對比曲線

4　結(jié)語

青島市墑情預(yù)報系統(tǒng)已經(jīng)在青島市防汛抗旱特別是農(nóng)業(yè)墑情預(yù)報工作中進行了應(yīng)用，運行穩(wěn)定，使用方便，預(yù)報精度較高。但由于目前固定墑情站數(shù)量少，人工監(jiān)測頻次較低，影響了參數(shù)率定結(jié)果的可靠性和系統(tǒng)預(yù)測預(yù)報的精度，特別是在遇到較大灌溉和暴雨時，系統(tǒng)預(yù)報精度不高，需要在今后的研究和應(yīng)用中進一步改進。

［1］尚松浩.土壤水分模擬與墑情預(yù)報模型研究進展［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，Z1：455－458.

［2］粟容前，康紹忠，賈云茂.農(nóng)田土壤墑情預(yù)報研究現(xiàn)狀及不同預(yù)報方法的對比分析［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，06：198－203.

［3］劉勇洪，葉彩華，王克武，周繼華，高燕虎.RS和GIS技術(shù)支持下的北京地區(qū)土壤墑情預(yù)報技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，09：155－160.

［4］劉榮花，朱自璽，鄧天宏，方文松，付祥軍.河南省墑情預(yù)報業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)［J］.氣象，2005，08：77－80.

S152.7

B

1009-6159（2016）-09-0024-02

青島市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目“青島市墑情預(yù)報系統(tǒng)研究”（14-2-4-24-jch）。

（責(zé)任編輯張玉燕）

2016-05-03

王松祿（1968—），男，工程師