重慶市墑情分析評(píng)價(jià)預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹小潔 ，杜紅娟 ，李亞濤

（1. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引言

重慶市近幾年來遭受了不同程度的干旱災(zāi)情，不僅影響了糧食生產(chǎn)，還加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化。重慶市水利局為了防治旱災(zāi)，提高旱情防御能力，這 2 a 已經(jīng)在整個(gè)市區(qū)陸續(xù)建立了 193 個(gè)自動(dòng)墑情監(jiān)測站（區(qū)縣級(jí)墑情監(jiān)測站 143 個(gè)，市級(jí)墑情監(jiān)測站 50 個(gè)），初步實(shí)現(xiàn)了土壤墑情的自動(dòng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，顯著提高了本地區(qū)土壤墑情的觀測水平。但僅僅是觀測還是不夠的，需要運(yùn)用這些監(jiān)測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合氣象情況對(duì)灌區(qū)土壤墑情進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測，提高水分利用效率，使有限的水資源發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益，減少干旱災(zāi)害損失。因此按照重慶市水利局相關(guān)要求，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套墑情分析評(píng)價(jià)預(yù)測系統(tǒng)（以下簡稱分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)）。

1 分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在重慶市墑情自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合墑情數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，定制開發(fā)的分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)綜合信息查詢，以及墑情的預(yù)測、預(yù)警監(jiān)視、同比分析和分析評(píng)價(jià)等功能。

1.1 設(shè)計(jì)原則

1.1.1 實(shí)用性和先進(jìn)性

分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)的操作簡單易學(xué)，功能實(shí)用，針對(duì)性強(qiáng)，滿足墑情監(jiān)測、分析與評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)管理的實(shí)際需要。分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)建設(shè)采用成熟技術(shù)的最新成果進(jìn)行設(shè)計(jì)，在功能和技術(shù)上具有預(yù)見性，在同類系統(tǒng)中保持較好的先進(jìn)性和較長的生命周期，保證在一定的時(shí)間內(nèi)不落后。

1.1.2 規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)性

分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編碼的設(shè)置符合技術(shù)規(guī)范，數(shù)據(jù)編碼采用 DB 50489—2012《重慶市水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)程》規(guī)定。依據(jù) SL 437—2014《土壤墑情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符》和 SL 323—2011《實(shí)時(shí)與水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》定義數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為合理、通用、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.3 可擴(kuò)展性及穩(wěn)定性

分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性，并隨著覆蓋范圍的擴(kuò)大和功能的不斷加強(qiáng)，具有較高的可擴(kuò)展性，能夠高可靠地運(yùn)行，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。

1.1.4 可管理性和可維護(hù)性

軟件基于便于維護(hù)、測試和排錯(cuò)的原則設(shè)計(jì)，主要處理、運(yùn)算、查詢等有拋出異常錯(cuò)誤功能，便于排查；提供清晰的測試窗口及注釋說明，便于系統(tǒng)管理員判斷異常原因。分析評(píng)價(jià)修正異常后應(yīng)能立即恢復(fù)正常，滿足不同層次人員使用和管理的需要，便于管理人員進(jìn)行維護(hù)，具備一定的維護(hù)能力。

1.1.5 獨(dú)立性

各功能模塊相互獨(dú)立，各自具備一套完整的處理功能，且功能相對(duì)獨(dú)立，重復(fù)度最小。

1.2 技術(shù)路線

重慶市墑情分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)基于應(yīng)用支撐平臺(tái)提供的服務(wù)開發(fā)，遵循國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的技術(shù)路線及三層體系，采用 Web Service 的面向服務(wù)架構(gòu) SOA 的體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)的零安裝，從而有效減少系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本。分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 重慶市墑情分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

1.3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)依據(jù)

分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)主要依據(jù)以下文件執(zhí)行：SL 323—2011《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》，SL 437—2014《土壤墑情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符》，SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》，SL 568—2012《土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)》，SL 424—2008《旱情等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》。

1.3.2 數(shù)據(jù)庫安全設(shè)計(jì)

分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)，是基于現(xiàn)有的安全體系，針對(duì)不同的區(qū)域，結(jié)合安全設(shè)備進(jìn)行的相應(yīng)策略的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)符合《水利網(wǎng)絡(luò)與信息安全體系建設(shè)基本技術(shù)要求》的相關(guān)要求。

1）訪問控制技術(shù)。身份鑒別是防止非法用戶訪問系統(tǒng)的有效措施；應(yīng)用操作要進(jìn)行權(quán)限控制，數(shù)據(jù)庫訪問也要有權(quán)限控制；對(duì)系統(tǒng)的操作訪問及越權(quán)操作、非法入侵等作詳細(xì)記錄，以備事后需要。

2）操作日志管理。具有全面的操作日志記錄管理，記錄并查詢用戶事件，如系統(tǒng)的登錄，數(shù)據(jù)的修改、更新，系統(tǒng)狀態(tài)的調(diào)整等。可按 IP 地址、用戶和機(jī)器的名稱等條件對(duì)系統(tǒng)操作日志進(jìn)行查詢管理[1]。

1.3.3 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫包含以下 5 個(gè)部分：

1）站點(diǎn)信息數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)已建墑情站的站點(diǎn)信息，包含站號(hào)、站名、地址、經(jīng)緯度等信息。

2）用戶數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)擁有各權(quán)限數(shù)據(jù)的用戶信息。

3）墑情數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)已建墑情站的不同深度的實(shí)時(shí)及歷史土壤含水量數(shù)據(jù)。

4）水雨情數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)已建水文站實(shí)時(shí)及歷史水位、雨量數(shù)據(jù)。

5）墑情基礎(chǔ)資料。重慶市水文局、農(nóng)業(yè)部門提供了測區(qū)內(nèi)主要作物種類（主要是水稻、玉米、小麥、紅薯四大類）、分布區(qū)域、播種面積、耕作制度、作物生育期間的各生長發(fā)育指標(biāo)、作物受旱表象，以及不同區(qū)域內(nèi) 10，20，40 cm 深度的田間持水量和旱情墑情分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等基本資料，進(jìn)行整理后導(dǎo)入到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫表，為開展墑情綜合分析與評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1.4 開發(fā)運(yùn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)

應(yīng)用支撐平臺(tái)的所有服務(wù)組件均配置部署在應(yīng)用服務(wù)器上，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要和特點(diǎn)，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)與支撐平臺(tái)之間采用緊密耦合的結(jié)構(gòu)。為了保持這種可伸縮、可擴(kuò)展、無狀態(tài)的鏈接模式，采用 Web Services、功能模塊、開發(fā)組件的方式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)與支撐平臺(tái)的交互使用。

2 分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于已建立土壤墑情監(jiān)測點(diǎn)的地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先采用土壤相對(duì)濕度評(píng)估農(nóng)業(yè)旱情；對(duì)于尚未建立墑情監(jiān)測站，但已建立雨量監(jiān)測站點(diǎn)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，采用降水量距平法或連續(xù)無雨日數(shù)法進(jìn)行旱情分析。墑情預(yù)測根據(jù)降雨、氣溫、土壤墑情信息及變化趨勢，選用衰減系數(shù)法預(yù)測墑情的變化趨勢，進(jìn)而對(duì)區(qū)域墑情進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，避免旱情影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，降低經(jīng)濟(jì)損失。

分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)采用 B/S 模式，使用VS2012 作為開發(fā)工具，開發(fā)語言選擇 C#，使用SQL Server 作為數(shù)據(jù)庫管理軟件，利用 Flex 通過天地圖在線服務(wù)進(jìn)行地圖顯示，采取 IIS 發(fā)布模式，通過 Internet 訪問本系統(tǒng)。分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)采用基于 Web Services 的數(shù)據(jù)服務(wù)模式，可為后續(xù)開發(fā)及其它應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)界面簡單易學(xué)，功能劃分明確。

2.1 旱情分析

重慶市墑情分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)提供降水量距平法和連續(xù)無雨日數(shù)法 2 種旱情評(píng)估工具。

2.1.1 降水量距平法

降水量是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)受旱程度的基本指標(biāo)之一，對(duì)于尚未建立墑情監(jiān)測站但已建立雨量監(jiān)測站點(diǎn)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，可采用降水量距平百分率評(píng)估農(nóng)業(yè)旱情。降水量距平百分率是指某一時(shí)段內(nèi)降水量與多年同期平均降水量之差占多年同期平均降水量的比值，計(jì)算公式如下：

式中：Dp為計(jì)算期內(nèi)降水量距平百分比；P為計(jì)算期內(nèi)降水量；為計(jì)算期內(nèi)多年平均降水量。計(jì)算期內(nèi)多年平均降水量宜采用近 30 a 的平均值。

應(yīng)根據(jù)不同季節(jié)選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算期長度，夏季宜采用 1 個(gè)月，春、秋季宜采用連續(xù) 2 個(gè)月，冬季宜采用連續(xù) 3 個(gè)月[2]。

根據(jù)重慶市地域情況，旱情等級(jí)劃分如表1所示。

表1 降水量距平百分比旱情等級(jí)劃分表

2.1.2 連續(xù)無雨日數(shù)法

連續(xù)無雨日數(shù)是指在作物生長期內(nèi)連續(xù)無有效降雨的天數(shù)，連續(xù)無雨日數(shù)法適用于尚未建立墑情監(jiān)測點(diǎn)但已建立雨量監(jiān)測站點(diǎn)的的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)和水澆地主要作物需水關(guān)鍵期的旱情評(píng)估。

根據(jù)重慶市地域情況，旱情等級(jí)按表2 劃分。

表2 連續(xù)無雨日數(shù)旱情等級(jí)劃分表 %

重慶市連續(xù)無雨日分析的工作流程可概括為：統(tǒng)計(jì)連續(xù)無有效降雨日→確定評(píng)估時(shí)段→依據(jù)表2進(jìn)行旱情分析。

2.2 墑情評(píng)價(jià)

2.2.1 土壤墑情評(píng)價(jià)依據(jù)

土壤墑情是判定農(nóng)業(yè)旱情的主要指標(biāo)之一，對(duì)于已建立土壤墑情監(jiān)測點(diǎn)的地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先采用土壤相對(duì)濕度評(píng)估農(nóng)業(yè)旱情。土壤相對(duì)濕度是指土壤含水量與田間持水量之比，根據(jù)此次項(xiàng)目設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，選取 10，20，40 cm 深度的土壤相對(duì)濕度評(píng)估作為旱情評(píng)估指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

式中：W為土壤相對(duì)濕度；θ為土壤平均含水量；Fc為土壤平均田間持水量。

測土配方施肥是提高土壤肥力以及肥料利用率的重要途徑，可以減少化肥用量、節(jié)約成本、推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。在進(jìn)行測土配方施肥時(shí)，必須要加強(qiáng)對(duì)全市土壤肥力情況的測試，做好施肥計(jì)算。例如根據(jù)近年來本地測土配方施肥增產(chǎn)效果顯示，玉米每畝可以增產(chǎn)34.66 kg、節(jié)省化肥2.3 kg；蔬菜平均每畝增產(chǎn)88.39 kg、節(jié)省化肥6.22 kg。

2.2.2 土壤墑情等級(jí)

土壤墑情等級(jí)根據(jù) SL 568—2012《土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)》劃分為以下 5 個(gè)等級(jí)：1）一級(jí)墑情，土壤相對(duì)濕度適宜作物相應(yīng)生育期的生育；2）二級(jí)墑情，土壤相對(duì)濕度降低到使作物生長受到輕微影響的程度；3）三級(jí)墑情，土壤相對(duì)濕度降低到使作物生長受到較大影響的程度；4）四級(jí)墑情，土壤相對(duì)濕度降低到使作物生長受到很大影響，造成農(nóng)作物減產(chǎn)的程度；5）五級(jí)墑情，土壤相對(duì)濕度降低到使作物不能生育，造成農(nóng)作物頻臨絕收的程度[3]。

2.2.3 土壤墑情評(píng)價(jià)工作流程

重慶市墑情評(píng)價(jià)的工作流程可概括為：匯集實(shí)時(shí)土壤含水量→讀取重慶市內(nèi)主要作物種類、分布區(qū)域、播種面積、耕作制度信息→讀取需要評(píng)價(jià)區(qū)域的各單一作物的種類→讀取評(píng)價(jià)時(shí)段→確定某一區(qū)域的作物種植類型與主要作物生長期→讀取單一作物該生長期墑情評(píng)價(jià)深度→結(jié)合測定的田間持水量求算單一作物該生長期墑情評(píng)價(jià)深度的土壤相對(duì)濕度→評(píng)價(jià)單一作物墑情→評(píng)價(jià)作物綜合墑情。

2.3 土壤墑情預(yù)測

土壤墑情預(yù)測是在土壤水分模擬模型的基礎(chǔ)上對(duì)農(nóng)田耕作層土壤水分的增長和消退程度所進(jìn)行的預(yù)測，根據(jù)降雨、氣溫、土壤墑情信息及變化趨勢，預(yù)測墑情的變化趨勢，有利于掌握墑情的發(fā)展趨勢。對(duì)墑情發(fā)展過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，構(gòu)建科學(xué)、合理的預(yù)報(bào)模型，進(jìn)而對(duì)區(qū)域墑情進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，避免旱情影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，降低經(jīng)濟(jì)損失。

分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)以可行性、易操作性及實(shí)效性為原則，選用衰減系數(shù)法預(yù)測重慶市未來的墑情，并預(yù)留墑情預(yù)測模型的相關(guān)接口作預(yù)測的探索嘗試。預(yù)報(bào)模型以失墑敏感層 0～20 cm 和根系密集層 10～40 cm 作為預(yù)測分析層，利用衰減原理預(yù)測未來一定時(shí)間土壤含水量的變化趨勢。在無雨天氣下，隨著時(shí)間的推移，前期影響雨量是逐步消退的。土壤耕作層的含水量消退完全符合 API 模型理論，無雨條件下土壤含水率預(yù)測衰減公式為：

式中：θt為t日土壤含水量；αt為t日衰減系數(shù)；n為預(yù)測天數(shù)。衰減系數(shù)與季節(jié)、土壤含水量的大小有直接關(guān)系，土壤含水量越高，可供蒸發(fā)的水分越多，衰減系數(shù)越小。

重慶市墑情預(yù)測的工作流程可概括為：匯集土壤含水量→預(yù)報(bào)無雨天氣→確定衰減系數(shù)→應(yīng)用土壤含水率預(yù)測衰減公式預(yù)測未來土壤含水量[4]。

2.4 主要模塊及功能

分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要包含 7 個(gè)模塊，結(jié)構(gòu)及功能如圖2 所示。

1）預(yù)警監(jiān)視模塊。基于“一張圖”展示重慶市電子地圖，可提供墑情、水情、雨情、工情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)視，對(duì)于達(dá)到預(yù)警值的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。能提供制作多種類型專題圖，如墑情站點(diǎn)、農(nóng)作物、墑情土壤含水量等的分布圖。

2）綜合查詢模塊。主要提供單站或多站的墑情、水情、雨情的過程圖和列表數(shù)據(jù)，能提供多種類型報(bào)表的查詢和導(dǎo)出。

圖2 墑情分析評(píng)價(jià)預(yù)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

3）旱情分析模塊。主要提供重慶市每個(gè)雨量站降水量距平分析的數(shù)據(jù)查詢，包括當(dāng)前年總的、時(shí)段雨量，往年時(shí)段雨量、距平百分比及旱情等級(jí)。提供每個(gè)雨量站連續(xù)無雨日分析的數(shù)據(jù)查詢，包括最長連續(xù)無雨日、旱情等級(jí)、最近連續(xù)無雨日等。

4）墑情分析模塊。主要提供土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)、分析評(píng)估，以及農(nóng)作物信息、田間持水量的管理。

5）墑情預(yù)測模塊。分別采用增墑和退墑 2 種方法，根據(jù)歷史土壤含水量衰減規(guī)律和降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合近期降雨預(yù)報(bào)總結(jié)分析得出墑情預(yù)測數(shù)據(jù)折線圖及報(bào)表。

6）同比分析模塊。主要提供對(duì)所選監(jiān)測站點(diǎn)歷年所選時(shí)間段內(nèi)土壤含水量、水情、雨量等數(shù)據(jù)的同比分析折線圖和報(bào)表。

7）系統(tǒng)設(shè)置模塊。主要提供用戶修改密碼功能，用戶和系統(tǒng)模塊等信息數(shù)據(jù)的查詢、增加、編輯、刪除和導(dǎo)出功能，角色信息數(shù)據(jù)的查詢、增加、編輯、刪除和編輯權(quán)限功能。

3 結(jié)語

重慶市土壤墑情分析評(píng)價(jià)預(yù)測系統(tǒng)以重慶市行政區(qū)劃圖為地圖，能夠及時(shí)有效地展示全市的土壤墑情信息，可建立墑情專題地圖，直觀地展示重慶市、各區(qū)縣（自治縣）土壤墑情評(píng)價(jià)結(jié)果及監(jiān)測點(diǎn)狀況，包括土壤墑情監(jiān)測站點(diǎn)、狀況地圖及各土層相對(duì)濕度專題圖等。利用水文等實(shí)時(shí)信息，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)信息采用衰減系數(shù)法預(yù)測未來的墑情數(shù)據(jù)，并將墑情預(yù)測結(jié)果展示給重慶市及各區(qū)縣決策部門，為指導(dǎo)抗旱工作提供科學(xué)依據(jù)和決策支持，為安排農(nóng)業(yè)用水提供技術(shù)支撐，對(duì)于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，保障糧食安全，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式具有重要意義。分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)已投入運(yùn)行，正在收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)、預(yù)測，下一步將對(duì)評(píng)價(jià)、預(yù)測結(jié)果進(jìn)行深入研究。

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[3] 中華人民共和國水利部. SL 568—2012 土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)[S]. 北京：中國水利水電出版社，2012: 1.

[4] 江蘇南水科技有限公司. 重慶市墑情監(jiān)測站采集系統(tǒng)項(xiàng)目分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)施方案[R]. 南京：江蘇南水科技有限公司，2017: 48-51，152-153.