谢瑞洁 段鹏军 郭小凤 刘振宇

摘 要 为分析谷子生产水资源的占用情况和解决基层农民作物灌溉问题，基于Cropwat模型公式研究了谷子生产水足迹，根据Cropwat模型公式，采用java语言开发了一个水足迹计算平台，用户在计算器中直接输入相关数据，即可获得计算结果。本设计重点在于方法及流程，利用java软件编程，通过在不同型号电脑进行实验仿真，验证软件可行性，结果表明本系统具有很强通用性，可在不同型号电脑上得到正确结果。该水足迹计算器具有计算速度快、操作简单、适用人群广泛等诸多特点，以方便基层农户和研究人员快速计算谷子各个时期蓝水、绿水、灰水足迹，并根据计算结果安排科学的灌溉制度。

关键词 谷子（Setaria italica var. germanica）;水足迹;Cropwat;计算器

中图分类号：S515 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.16.015

水足迹包含了产品在生产和消费服务过程中的直接和间接的水资源消耗[1]，一方面显示了消费量的来源，另一方面显示了污染的类型和被污染的水量[2]。就禾本科狗尾草属植物谷子（Setaria italica var. germanica）来说，水足迹成为一种经验指标，它量化了谷子从出苗期、苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期这几个生命周期中何时何地消耗了多少淡水。水足迹包括蓝水、绿水和灰水。蓝水足迹是指对蓝水的消耗，主要有以下情况：水分蒸发、水被产品吸收、回流到流域外、汇入大海，例如，它被送回不同的集水区或海洋、同期水没有回流;绿水指的是陆地上的水不会流失或补充到地面，绿水足迹其实就是作物在生长过程中需要的雨水量;灰水足迹是污染水的一个指标，根据自然背景浓度和可获得的水质标准，在生产过程中需要将大量的淡水混入污染物中。

农业种植是用水大户，对水资源的利用极其重要。我国是农业种植大国，水资源的严重短缺制约着粮食作物生产。近些年，随着社会进步，全球气候变暖，水资源逐渐匮乏等各种全球化问题呈现，对水资源的科学利用已成为可持续发展的研究重点。水足迹概念的提出，可以更加综合全面地反映水资源的利用情况，合理调整种植结构、灌溉模式，以达到水资源的合理利用。

谷子作为我国重要粮食作物，主要是由最基层农民种植，但是由于相关种植人员缺乏专业知识和科学的灌溉策略，再加上近些年由于用水不足，错误的灌溉模式，造成谷子产量下降、营养不达标等各种问题。本研究通过采用java语言开发了一个谷子水足迹计算器，旨在为种植人员更直观地计算出谷子水足迹，科学合理安排种植制度和灌溉策略提供理论依据。

1  设计原理

谷子水足迹计算器平台选用Cropwat模型，此模型应用广泛，是FAO于1992 年开发的计算作物需水量的模型[3]。平台选用此模型能依据当地气象数据和降雨量数据对谷子需水量和灌溉需水量进行比较准确的计算[4]，农民可直接依据计算结果合理规划灌溉制度，依靠有效降雨量和谷子需水情况制订不同的灌溉计划，以达到水资源的合理利用。此系统开发设计，可以扩大使用人群，即使是没有接受过专业计算机培训的基层农民也能很好使用，快速计算得出结果并合理安排灌溉计划。

2  设计目标

谷子水足跡计算器系统设计目标：

1）用户登录。分为普通用户和管理员，用户可直接通过注册账号登录使用计算器;管理员可通过后台登录，对数据进行增删改查和维护系统稳定。

2）谷子蓝水、绿水足迹计算。用户直接输入谷子单位面积产量Y就可快速得出谷子蓝水足迹和绿水足迹结果。

3）谷子灰水足迹计算。用户直接输入每公顷土地施入的化肥量mAR可快速得出谷子灰水足迹。

4）数据更新。管理员能定时联系当地农业局对同期有效降水量Peff、作物系数Kc、参照作物需水量E等基层农户不易获得的参数进行数据库更新。

5）历史数据查询。普通用户在每次成功计算出谷子水足迹结果后，数据库会自动存储历史结果，用户可根据查询日期进行查询。

6）数据导出。普通用户可直接导出近期计算结果，通过数据对比，调整灌溉策略。

系统还需具备权限管理、数据备份、数据安全管理等功能[5]。

3  平台开发

3.1  需求分析

由于基层农户没有经过科学的技术培训和专业的谷子种植灌溉知识，在现有的研究成果中，不能很快地接受专业的Cropwat软件。所以基于Cropwat模型，做出谷子水足迹计算器，便于基层农户使用。此开发平台主要是为了方便计算谷子在出苗期、苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期这六个生命周期中何时何地消耗了多少淡水。得出谷子蓝水、绿水、灰水足迹，使相关部门和农民能随时掌握谷子用水情况，提出合理的灌溉计划。使用谷子水足迹计算器主要有用户和系统管理员两类人。用户可以直接通过单位面积产量Y、每公顷土地施入的化肥量mAR等相关参数直接得出谷子的蓝绿水足迹，管理员主要负责计算器系统后台的维护，主要包括数据库管理、历史数据的记录等。

3.2  开发环境等

开发环境：JDK1.8+MySql5.6+maven

技术选型：mybaits+Spring+SpringMVC+jquery

使用工具：Intelij IDEA

3.2.1  开发过程

使用idea工具新建maven项目，引入ssm基本使用包，前端引入jquery，进行数据库表分析，使用PowerDesigner数据库建模工具完成数据库表的设计，分析平台的每个模块，带入数据进行测试，看计算器平台所算的数据是否正确。

3.2.2  环境部署

使用maven命令mvn clean compile install将程序打包成war包，远程连接服务器，将war包放到tomcat的webapps下，进行解压，配置端口，启动服务。

3.3  功能设计

3.3.1  谷子生长过程中的绿蓝灰水足迹计算原理

此平台主要是根据Cropwat模型设计出谷子水足迹计算器，直接输入相关参数，快速得出谷子蓝绿灰水足迹。

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为谷子在整个生长期内消耗的绿水足迹，WFproc，blue为蓝水足迹，WFproc，grey为灰水足迹，单位均为m3·t-1[6];CWUgreen、CWUblue分别为谷子生长期间的绿水资源、蓝水资源利用量[7]，即作物生长期间的“绿水”“蓝水”消耗，m3/hm2;Y 为谷子单位面积产量，t/hm2;mAR为每公顷土地施肥的折纯量[8]，kg/hm2;α为淋溶率，通常氮肥的淋溶率为10%，磷肥的淋溶率为3%;Cmax为最大容许浓度，Cnat为污染物的自然本底浓度，kg·m-3[9]。

上述公式中，“绿水”消耗和“蓝水”消耗可分别通过公式（4）（5）得出：

（4）

（5）

式中，ETgreen、ETblue分别为绿水蒸散量、蓝水蒸散量，单位为mm;lgp代表谷子生长期的长度，单位为d;常量因子10为将水深（mm）转化为水量（m3/hm2）的转化系数。

计算作物绿水和蓝水消耗量通常是基于作物需水量法[10]，根据特定条件下的作物需水量（CWR，mm）、同时期的有效降水量（Peff，mm）及灌溉需水量（IR，mm），通过公式（6）（7）（8）进行计算。

dIR=max（0，dwR-Peff） （6）

ETgreen=min（ETc，Peff） （7）

ETblue=max（0，ETc-Peff） （8）

式中，dIR为谷子在生长期间的灌溉需水量，dwR为谷子需水量，mm;ETc为谷子在生长期间的蒸发蒸散量，mm;Peff为谷子生长期间的有效降水量，mm。

ETc=Kc·ET0-PM   （9）

式中，Kc为作物系数;ET0-PM为谷子蒸发蒸散日总量，mm[11]。

3.3.2  登录界面

登录界面分为用户登录界面和管理员登录界面。

用户可通过注册账号密码来进行登录，为查阅历史计算结果提供便利;管理员通过工号密码进行登录，主要维护系统稳定性和数据库的管理，登录界面如图1所示。

3.3.3  用户操作模块

客户端主要是基层农户，农户只需直接输入作物产量、需水量、每公顷化肥量等相关参数就可以直接得出蓝水、绿水、灰水足迹。用户操作流程见图2。

3.3.4  管理员维护模块

服务端主要是系统、数据库管理人员，系统管理员定时维护系统的稳定性与结果的准确性;数据库管理员要定时联系当地农业管理部门更新有效降雨量、作物系数等固定参数，并做好历史数据的记录与整理。管理员功能见图3。

4  系统实现

本文在借鉴已有的研究成果Cropwat模型公式的基础上，基于JavaWeb开发出谷子水足迹计算器（见图4），基层用户可直接输入谷子产量、谷子需水量、每公顷土地施入化肥量等相关参数，通过系统预设的系数值点击计算结果就能得到谷子的绿水、蓝水、灰水足迹。因其可直接得出相应的计算结果，故本系统具有很强的通用性。本系统的研究和开发，为相关研究人员和基层农户在得出谷子水足迹后能及时调整灌溉策略、节约利用水资源奠定了重要的基础。

5  谷子水足迹计算器的特点

水足迹计算器是利用Cropwat模型根据作物整个生育期的需水量、降水量等信息进行估算或采用田间试验数据信息进行核算，使用公式计算谷子生长过程中消耗的蓝水、绿水、灰水足迹。

该计算器具有如下特点：1）使用人群广泛，即使未接受过计算机专业培训的基层农户也能快速接受并熟练使用。2）操作简单、方便快捷，只需输入产量、每公顷化肥量等相关日常参数就可直接得出结果。3）数据库会自动存储历史数据，方便用户随时查阅用水量调整灌溉措施。4）通过定时联系当地农业研究部门更新作物系数、蒸散量等相关参数，可以提高农户使用的准确度。

参考文献：

[1] HOEKSTRA A Y， CHAPAGAIN A K. Water footprints of nations： Water use by people as a functionof their consumption pattern[J]. Water Resources Management， 2007， 21（1）： 35-48.

[2] Clifton Makate， Rongchang Wang， Simbarashe Tatsvarei. Water footprint concept and methodology for warranting sustainability in human-induced water use and governance[J]. Sustainable Water Resources Management， 2018， 4（1）： 91-103.

[3] 郭金路，尹光华，谷健，等.基于CROPWAT模型的阜新地区春玉米灌溉制度的确定[J].生态学杂志，2016，35（12）：3428-3434.

[4] 邱丹东.基于CROPWAT模型的紫花苜蓿水足迹及虚拟水研究[D].北京：北京林业大学，2019.

[5] 王丹，黄皓，陈策，等.基于IETM的运载火箭电气试验信息管理系统设计[J].计算机测量与控制，2021，29（1）：159-162，167.

[6] 徐猛，金梁，魏丹，等.基于CROPWAT模型的哈尔滨地区26年大豆生产水足迹变化研究[J].大豆科学，2019，38（2）：251-257.

[7] 胡婷婷，黄凯，金竹静，等.滇池流域主要农业产品水足迹空间格局及其环境影响测度[J].环境科学学报，2015，35（11）：3719-3729.

[8] 张宇，李云开，欧阳志云，等.华北平原冬小麦-夏玉米生产灰水足迹及其县域尺度变化特征[J].生态学报，2015，35（20）：6647-6654.

[9] 郑晓雪，秦丽杰.不同降水年型吉林省中部玉米生产水足迹研究[J].浙江农业学报，2019，31（5）：695-703.

[10] 李建芳，粟晓玲.石羊河流域农产品虚拟水细分研究[J].灌溉排水学报，2012，31（1）：113-116.

[11] 高凡，李玉中，郭家选，等.农产品水足迹评价研究进展[J].中国生态农业学报，2017，25（7）：1071-1080

（责任编辑：丁志祥）