基于GIS的青島市墑情預(yù)報(bào)系統(tǒng)開(kāi)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(bào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

王松祿，黃修東

（青島市水文局，山東青島266071）

針對(duì)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(tái)為基礎(chǔ)的由信息服務(wù)、墑情應(yīng)用分析和預(yù)報(bào)分析等模塊構(gòu)成的墑情預(yù)報(bào)系統(tǒng)，形成了一個(gè)能夠?qū)η鄭u地區(qū)墑情進(jìn)行信息管理、計(jì)算分析、合理性檢驗(yàn)的青島市墑情預(yù)報(bào)系統(tǒng)及綜合集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旱情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定量分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果精度較高。

青島市；墑情預(yù)報(bào)；GIS；三層蒸發(fā)模型

在自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展、人民生活水平提高的瓶頸。針對(duì)旱情災(zāi)害研究建立了以GIS空間數(shù)字平臺(tái)為基礎(chǔ)的，由信息服務(wù)、墑情應(yīng)用分析和預(yù)報(bào)分析等模塊構(gòu)成的墑情監(jiān)測(cè)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(bào)模型

青島市土壤類(lèi)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(duì)每個(gè)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(shì)，對(duì)每子區(qū)域采用不同的土壤水分計(jì)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(shí)測(cè)土壤含水量資料率定得到。土壤墑情預(yù)報(bào)模型子區(qū)按墑情監(jiān)測(cè)站劃分，子區(qū)域墑情預(yù)報(bào)模型采用蒸發(fā)模型與消退系數(shù)結(jié)合計(jì)算法。計(jì)算方法主要為旱情預(yù)報(bào)服務(wù)，即不考慮預(yù)見(jiàn)期內(nèi)的降雨和灌溉，土壤含水基本上沒(méi)有補(bǔ)充，只是通過(guò)蒸發(fā)減少。當(dāng)考慮可能的降雨時(shí)，蒸發(fā)計(jì)算，采用三層蒸散發(fā)模型。主要計(jì)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(guó)家《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》和青島市常規(guī)旱情監(jiān)測(cè)保持一致，墑情預(yù)報(bào)計(jì)算也按10 cm、20 cm和40 cm進(jìn)行，土壤墑情用土壤含水率（%）表示，當(dāng)不考慮未來(lái)時(shí)段的可能降雨和灌溉時(shí)，θa，t為初始t日土壤含水率，百分?jǐn)?shù)計(jì)（%）；

θa，t+1為θa，t之后一日的土壤含水率，百分?jǐn)?shù)計(jì)；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(zhǎng)系列資料采用線性回歸等統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行率定。

2　系統(tǒng)開(kāi)發(fā)總體結(jié)構(gòu)

青島市墑情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)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(shí)時(shí)水雨情庫(kù)、歷史水文數(shù)據(jù)庫(kù)、墑情數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)現(xiàn)全市旱情相關(guān)各類(lèi)信息快速準(zhǔn)確的收集和綜合分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)旱情發(fā)生發(fā)展過(guò)程和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。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(jì)算應(yīng)用服務(wù)層、人機(jī)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(cè)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(shì)及未來(lái)變化趨勢(shì)，系統(tǒng)提供了旱情信息查詢功能，它能全面地查詢實(shí)時(shí)墑情信息、雨情信息、水庫(kù)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(cè)站管理模塊中可添加或修改刪除查詢站點(diǎn)。

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(gè)站后點(diǎn)擊添加按鈕一次選擇站列表框中。點(diǎn)擊確定按鈕后則所選測(cè)站的最新墑情數(shù)據(jù)在電子地圖上顯示。

3.2模型計(jì)算及結(jié)果分析功能

1）自動(dòng)預(yù)報(bào)。自動(dòng)預(yù)報(bào)計(jì)算窗口窗口啟動(dòng)后，自動(dòng)顯示“今日墑情表”中的內(nèi)容，包括各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)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(dòng)進(jìn)行各站點(diǎn)的墑情預(yù)報(bào)計(jì)算。在“查看所選墑情站未來(lái)一周墑情趨勢(shì)”框中選擇墑情站、土壤深度、土地類(lèi)型后按查看墑情趨勢(shì)按鈕在圖表中即顯示未來(lái)一周每日土壤含水率數(shù)值和變化趨勢(shì)圖。

2）人工干預(yù)預(yù)報(bào)。人工干預(yù)預(yù)報(bào)計(jì)算主要從兩個(gè)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{(lán)即可修改相應(yīng)系數(shù)。修改結(jié)果只用于本次預(yù)報(bào)計(jì)算，不寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)、不影響自動(dòng)預(yù)報(bào)。同樣按“讀取墑情數(shù)據(jù)”按鈕可讀取當(dāng)前墑情，同時(shí)“預(yù)報(bào)計(jì)算并顯示結(jié)果”按鈕變活。如監(jiān)測(cè)墑情設(shè)備出故障導(dǎo)致所測(cè)墑情數(shù)據(jù)有誤，可用此功能進(jìn)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(bào)計(jì)算并顯示結(jié)果”即進(jìn)行預(yù)報(bào)計(jì)算，同時(shí)彈出計(jì)算結(jié)果表格窗和預(yù)報(bào)結(jié)果圖形顯示窗。在預(yù)報(bào)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(shì)。

3）預(yù)報(bào)結(jié)果顯示。預(yù)報(bào)結(jié)果顯示窗可顯示自動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果和人工干預(yù)預(yù)報(bào)結(jié)果。啟動(dòng)該窗后，在“輸入預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)間”框中輸入預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)間，自動(dòng)預(yù)報(bào)常規(guī)為每日8：00。在按需要選擇墑情站、土地類(lèi)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(shì)。圖形顯示后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖形框，顯示相應(yīng)點(diǎn)（即相應(yīng)時(shí)間）的土壤含水率。圖1為南村站2015年預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較和驗(yàn)證，決定性系數(shù)為0.90，預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值較為接近，擬合精度較高。

圖1　南村站系統(tǒng)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線

4　結(jié)語(yǔ)

青島市墑情預(yù)報(bào)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(bào)工作中進(jìn)行了應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定，使用方便，預(yù)報(bào)精度較高。但由于目前固定墑情站數(shù)量少，人工監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)報(bào)的精度，特別是在遇到較大灌溉和暴雨時(shí)，系統(tǒng)預(yù)報(bào)精度不高，需要在今后的研究和應(yīng)用中進(jìn)一步改進(jìn)。

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

［2］粟容前，康紹忠，賈云茂.農(nóng)田土壤墑情預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及不同預(yù)報(bào)方法的對(duì)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(bào)技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(bào)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(jì)劃項(xiàng)目“青島市墑情預(yù)報(bào)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