基于Java的大豆水足迹计算系统的开发

陈敏贾鑫薄兴野刘振宇

(1.山西农业大学农业工程学院，山西 晋中 030600；2.山西农业大学信息科学与工程学院，山西 晋中 030600)

前言

水资源是保障社会发展，维持人类生活、生产的重要能源之一。随着经济的快速发展和人口数量的不断上涨，人类以及社会对水资源的需求量不断地增加，可利用的水资源逐渐匮乏。所以，评价研究大豆生产的水足迹具有重要的实用和科学意义。为了进一步调整区域农业的种植结构，方便充分利用区域农业水资源使基层农民更有效地种植大豆、管理大豆、提高农民的收入，本文基于CROPWAT模型建立的水足迹计算公式[1]，使用Java语言开发了大豆水足迹计算系统。

水足迹是指某一区域在一定时间内消费的产品需要的水资源总量[2]，能够反映生产单位质量作物所消耗的广义水资源量，也能够综合反映一个区域的农业生产水平及农业水资源利用效率的高低。以CROPWAT模型为基础估算大豆生产水足迹的研究对象包含蓝水、绿水和灰水足迹3种类型。

蓝水足迹是指储藏在河流、湖泊、湿地以及浅层地下水层中的水资源量。绿水足迹是指储藏在非饱和的土壤层中同时通过植被的蒸散而消耗的水资源量。灰水足迹是因为污染引起的[3]。在农业的生产过程中，作物生长所消耗的水分是蓝水和绿水的总和[4]。

1 平台原理

水足迹是大豆生产区植物生长期间农业用水研究的新指标体系，可以定量研究大豆生产水足迹的组成以及降雨量对大豆生产的影响作用[5]。大豆生产水足迹主要依据其需水量、生育期的降水量和灌溉水量等数据，利用CROPWAT模型[6]估算，进行核算，通过公式来估算大豆生长过程中消耗的绿水、蓝水和灰水足迹。

WFproc,green=CWUgreen/Y

WFproc,biue=CWUbiue/Y

WFproc,grey=(a×AR)/(Cmax-Cnat)/Y

式中，WFproc,green、WFproc,blue、WFproc,grey分别为作物生长期间消耗的绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹，m3·t-1；CWUgreen、CWUblue分别为作物生长过程中“绿水”消耗和“蓝水”消耗，即大豆生长期间田间总雨水蒸散量和用于田间灌溉的蒸散量，m3·hm-2；Y为大豆产量,t·hm-2；AR为施入的化肥量,kg·hm-2；α为淋溶率，即进入水体的污染量占总化学物质施用量的比例，通常为10%；Cmax为污染物最大容许浓度，kg·m-3；Cnat为污染物的自然本底浓度，kg·m-3[3]。

污染物常包括化肥、除草剂和杀虫剂。一般只需计算最关键的污染物，即产生最大灰水足迹的污染物。绿水和蓝水消耗计算如下：

式中，ETgreen为绿水蒸散量，mm；ETblue为蓝水蒸散量，mm；lgp表示大豆生长期的长度，以日计算；常量因子10是将水的深度(mm)转化为单位陆地面积水量(m3·hm-2)的转化系数[3]。

大豆绿水和蓝水消耗量通常基于作物需水量法进行估算，通过假定大豆在最优条件下生长来模拟其蒸散量，这意味着蒸散量等于需水量。需水量是由生育阶段内逐日需水量累积得到，绿水蒸散量通过对比大豆需水量和有效降水量得到，取二者中的较小值，蓝水蒸散量通过大豆需水量与有效降水量的差值得到，如果有效降水量大于需水量，则蓝水蒸散量为0，否则蓝水蒸散量为二者的差值。

IR=max(0，CWR-Peff)

ETgreen=min(ETc,Peff)

ETblue=max(0，ETc-Peff)

式中，ETc为大豆总蒸散量，mm；CWR为大豆需水量，mm；IR为大豆灌溉需水量，mm。需水量参考大豆生长期内日蒸散量累加值计算，灌溉需水量由需水量和有效降水量的差值计算。如果有效降水量大于需水量，灌溉需水量等于0。绿水蒸散量，即降水蒸散量，为总蒸散量(ETc)与有效降水量(Peff)二者中的较小值；蓝水蒸散量，即灌溉用水蒸散量，等于总蒸散量(ETc)减去有效降水量(Peff)，但是当有效降水量超过蒸散量时，其值为0[3]。

ETc=Kc×ET0-PM

式中，Kc为作物系数。

干旱农业条件下大豆生长期内蓝水蒸散量为0mm，大豆实际耗水量(ETa)为绿水蒸散量(ETgreen,mm)

WFb=-D×10/Y

式中，WFb为干旱农业条件下蓝水足迹；D为渗漏量,mm。

2 系统开发

2.1 用户需求

由于经济的快速发展和人口的增长，粮食、能源和水这3种重要战略资源将面临着需求的不断增长。到2050年，全球对食物和水的需求预计将分别增长约60%和20%～30%，而全球能源需求将增长约30%。粮食生产行业是最大的用水行业和重要的能源使用行业，因此，科学评估中国目前粮食生产中的水和能源消耗并确定关键点对于中国和世界的粮食安全相当重要。大豆又是世界主要的粮油兼用植物，也是人类优质蛋白的主要来源，其既是我国的主要农作物之一，也是我国进口量最大的农作物，是关系到国计民生的重要战略性、基础性的物资，是最具有经济效益的植物，在农产品贸易领域中扮演着举足轻重的角色。

通过对大豆种植产业和营养成分计算方式的调研，主要对系统的需求分析进行展开论述，认真分析当下市场需求，为更好地服务于大豆水足迹计算做好充足准备，为系统的整体架构设计提供条件，从而设计出一款满足市场需求的大豆水足迹计算系统。

2.2 功能性需求

2.2.1 客户端需求分析

客户端由大豆种植用户负责，该部分主要分为输入种植总量、输入计算所需参数以及计算结果等模块。

2.2.2 服务端需求分析

服务端主要由管理人员负责，该部分主要为管理人员对计算结果的分析与结果建议的反馈，以及对数据库的管理。

客户端需求分析和服务端需求分析如图1所示。

图1 功能性需求分析图

2.3 非功能性需求

在大豆水足迹计算系统中，界面应该力求简洁美观，在软件的主要功能模块中，应当提供相应的功能入口，帮助用户快速定位到需要使用的功能，提升用户的体验。

2.4 可行性

本系统在开发的过程中，IntelliJ IDEA是一款免费开发工具，开发所需SDK同样免费，系统的模拟运行可使用Google Chrome浏览器等进行。开发费用主要包含市场调研、服务器租赁费用，在本系统的前期开发中不需投入过多成本即可完成软件的初步测试，因此在经济上是可行的。

3 系统实现

本系统总体使用B/S(Brower/Server)系统架构，数据库利用MySQL关系数据库管理系统，主要的开发语言是Java语言，开发工具选择了IntelliJ IDEA；将数据库安装部署在服务器上，同时将Web项目部署在Tomcat，以便在需要时进行扩展，使用户进行外部访问。用户可以直接在任何浏览器端登录界面，用户的主要请求发送到服务器，进行主要的事务处理，最后形成用户界面，业务处理与控制端3层结构。

该系统的使用非常简单，基层农民用户只需要在计算系统中依次输入作物产量、有效降水量、作物施入的化肥量、污染物最大容许浓度和自然本底浓度等基本数据，就可以得到绿水、蓝水和灰水足迹以及大豆总的水足迹。同时减轻了客户端的负重，减少了系统更新与维护的成本，没有地域的限制，面向所有的基层用户，易操作，简单快捷，大大地提高了基层用户的大豆生产量，有效地减少国家水资源的浪费。大豆水足迹的计算界面如图2所示。

图2 大豆水足迹计算器

本系统面向所有的网络用户，可以让更多的养殖用户、管理人员、基层农户更好地参与到大豆的种植中去，计算界面的各个数据一目了然，用户可以通过分析每个数据的变化，进行对比，从而得出各种因素对大豆生产水足迹的影响，在后期的种植中依据数据的变化合理安排种植，选择时间，适量施肥，减少污染物的数量，高效省时地进行大豆的种植。

4 总结

本次设计的主要目的是构建一个基于Java的大豆水足迹的计算系统，采用开放使用的方式，面向所有的Internet用户，尤其是一些基层农民。该计算系统可以让用户与管理人员更条理地收集大豆水足迹的有关数据，以此方便对大豆生产的影响因素做出更全面地分析，为广大用户提供了一个共享数据库，有利于种植人员与管理人员方便快捷地计算大豆对水资源的需求量与消耗量，为各种教学应用研究提供了一个强有力的工具。

本系统已经完成了基于CROPWAT模型的大豆生产水足迹的初步计算，可以为今后的研究设计提供一些有效依据，同时积累了一定经验，奠定了初步基础。但是在设计中还存在一定的不足之处，计算所需要的一些数据的得到存在一定难度，用户获得的数据存在一定误差，不能保证计算结果具有完全的可靠性。一些计算所需要的参数获取相对复杂等问题，还需要进一步完善与修改，这将在后续研究中做出相应改进与提升。如何提高计算结果的准确性，更好地满足不同地区不同天气状况，这将是一个相对长期的任务。