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

謝瑞潔，段鵬軍，郭小鳳，劉振宇

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷 030801）

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 italicavar.germanica）來說，水足跡成為一種經(jīng)驗(yàn)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(gè)生命周期中何時(shí)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(duì)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(huì)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(gè)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(duì)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(huì)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(duì)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(shí)和科學(xué)的灌溉策略，再加上近些年由于用水不足，錯(cuò)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(gè)谷子水足跡計(jì)算器，旨在為種植人員更直觀地計(jì)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(jì)原理

谷子水足跡計(jì)算器平臺(tái)選用Cropwat 模型，此模型應(yīng)用廣泛，是FAO 于1992 年開發(fā)的計(jì)算作物需水量的模型［3］。平臺(tái)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(duì)谷子需水量和灌溉需水量進(jìn)行比較準(zhǔn)確的計(jì)算［4］，農(nóng)民可直接依據(jù)計(jì)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(jì)劃，以達(dá)到水資源的合理利用。此系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)，可以擴(kuò)大使用人群，即使是沒有接受過專業(yè)計(jì)算機(jī)培訓(xùn)的基層農(nóng)民也能很好使用，快速計(jì)算得出結(jié)果并合理安排灌溉計(jì)劃。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

谷子水足跡計(jì)算器系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)賬號(hào)登錄使用計(jì)算器；管理員可通過后臺(tái)登錄，對(duì)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(jì)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(jì)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(shí)聯(lián)系當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)局對(duì)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(jì)算出谷子水足跡結(jié)果后，數(shù)據(jù)庫會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)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(jì)算結(jié)果，通過數(shù)據(jù)對(duì)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(tái)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(shí)，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(jì)算器，便于基層農(nóng)戶使用。此開發(fā)平臺(tái)主要是為了方便計(jì)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(gè)生命周期中何時(shí)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(shí)掌握谷子用水情況，提出合理的灌溉計(jì)劃。使用谷子水足跡計(jì)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(jì)算器系統(tǒng)后臺(tái)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(xiàng)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(jì)，分析平臺(tái)的每個(gè)模塊，帶入數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，看計(jì)算器平臺(tái)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(dòng)服務(wù)。

3.3 功能設(shè)計(jì)

3.3.1 谷子生長過程中的綠藍(lán)灰水足跡計(jì)算原理

此平臺(tái)主要是根據(jù)Cropwat 模型設(shè)計(jì)出谷子水足跡計(jì)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：

式中，WFproc，green為谷子在整個(gè)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：

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(jì)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(shí)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(jì)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(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(cè)賬號(hào)密碼來進(jìn)行登錄，為查閱歷史計(jì)算結(jié)果提供便利；管理員通過工號(hào)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。

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(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。

圖2 用戶操作流程圖

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(shí)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(shí)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。

圖3 管理員功能圖

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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)調(diào)整灌溉策略、節(jié)約利用水資源奠定了重要的基礎(chǔ)。

圖4 谷子水足跡計(jì)算器界面截圖

5 谷子水足跡計(jì)算器的特點(diǎn)

水足跡計(jì)算器是利用Cropwat 模型根據(jù)作物整個(gè)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(yàn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行核算，使用公式計(jì)算谷子生長過程中消耗的藍(lán)水、綠水、灰水足跡。

該計(jì)算器具有如下特點(diǎn)：1）使用人群廣泛，即使未接受過計(jì)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(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，方便用戶隨時(shí)查閱用水量調(diào)整灌溉措施。4）通過定時(shí)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。