重庆市墒情分析评价预测系统的设计与实现

曹小洁 ，杜红娟 ，李亚涛

（1. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

0 引言

重庆市近几年来遭受了不同程度的干旱灾情，不仅影响了粮食生产，还加剧了生态环境的恶化。重庆市水利局为了防治旱灾，提高旱情防御能力，这 2 a 已经在整个市区陆续建立了 193 个自动墒情监测站（区县级墒情监测站 143 个，市级墒情监测站 50 个），初步实现了土壤墒情的自动监测和数据传输，显著提高了本地区土壤墒情的观测水平。但仅仅是观测还是不够的，需要运用这些监测到的实时数据结合气象情况对灌区土壤墒情进行评价和预测，提高水分利用效率，使有限的水资源发挥更大的经济效益，减少干旱灾害损失。因此按照重庆市水利局相关要求，设计并开发了一套墒情分析评价预测系统（以下简称分析评价系统）。

1 分析评价系统设计

在重庆市墒情自动监测系统的基础上，通过对墒情监测数据的分析，结合墒情数据的业务应用需求，定制开发的分析评价系统，可实现综合信息查询，以及墒情的预测、预警监视、同比分析和分析评价等功能。

1.1 设计原则

1.1.1 实用性和先进性

分析评价系统的操作简单易学，功能实用，针对性强，满足墒情监测、分析与评价业务管理的实际需要。分析评价系统建设采用成熟技术的最新成果进行设计，在功能和技术上具有预见性，在同类系统中保持较好的先进性和较长的生命周期，保证在一定的时间内不落后。

1.1.2 规范性和标准性

分析评价系统设计过程中，数据结构和编码的设置符合技术规范，数据编码采用 DB 50489—2012《重庆市水文监测数据通信规程》规定。依据 SL 437—2014《土壤墒情数据库表结构及标识符》和 SL 323—2011《实时与水情数据库表结构及标识符标准》定义数据库表结构，使数据库表结构的设计更为合理、通用、规范、标准。

1.1.3 可扩展性及稳定性

分析评价系统具备较强的实时性、安全性、可靠性，并随着覆盖范围的扩大和功能的不断加强，具有较高的可扩展性，能够高可靠地运行，具有较强的容错能力。

1.1.4 可管理性和可维护性

软件基于便于维护、测试和排错的原则设计，主要处理、运算、查询等有抛出异常错误功能，便于排查；提供清晰的测试窗口及注释说明，便于系统管理员判断异常原因。分析评价修正异常后应能立即恢复正常，满足不同层次人员使用和管理的需要，便于管理人员进行维护，具备一定的维护能力。

1.1.5 独立性

各功能模块相互独立，各自具备一套完整的处理功能，且功能相对独立，重复度最小。

1.2 技术路线

重庆市墒情分析评价系统基于应用支撑平台提供的服务开发，遵循国家防汛抗旱指挥系统总体设计的技术路线及三层体系，采用 Web Service 的面向服务架构 SOA 的体系架构，实现客户机的零安装，从而有效减少系统的运行维护成本。分析评价系统结构如图1 所示。

图1 重庆市墒情分析评价系统结构图

1.3 数据库设计

1.3.1 数据库设计依据

分析评价系统数据库设计主要依据以下文件执行：SL 323—2011《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》，SL 437—2014《土壤墒情数据库表结构及标识符》，SL 364—2015《土壤墒情监测规范》，SL 568—2012《土壤墒情评价指标》，SL 424—2008《旱情等级标准》。

1.3.2 数据库安全设计

分析评价系统安全设计，是基于现有的安全体系，针对不同的区域，结合安全设备进行的相应策略的设计，设计内容应符合《水利网络与信息安全体系建设基本技术要求》的相关要求。

1）访问控制技术。身份鉴别是防止非法用户访问系统的有效措施；应用操作要进行权限控制，数据库访问也要有权限控制；对系统的操作访问及越权操作、非法入侵等作详细记录，以备事后需要。

2）操作日志管理。具有全面的操作日志记录管理，记录并查询用户事件，如系统的登录，数据的修改、更新，系统状态的调整等。可按 IP 地址、用户和机器的名称等条件对系统操作日志进行查询管理[1]。

1.3.3 数据库内容设计

数据库包含以下 5 个部分：

1）站点信息数据。存储已建墒情站的站点信息，包含站号、站名、地址、经纬度等信息。

2）用户数据。存储拥有各权限数据的用户信息。

3）墒情数据。存储已建墒情站的不同深度的实时及历史土壤含水量数据。

4）水雨情数据。存储已建水文站实时及历史水位、雨量数据。

5）墒情基础资料。重庆市水文局、农业部门提供了测区内主要作物种类（主要是水稻、玉米、小麦、红薯四大类）、分布区域、播种面积、耕作制度、作物生育期间的各生长发育指标、作物受旱表象，以及不同区域内 10，20，40 cm 深度的田间持水量和旱情墒情分析评价标准等基本资料，进行整理后导入到基础数据库表，为开展墒情综合分析与评估提供基础数据支撑。

1.4 开发运行平台设计

应用支撑平台的所有服务组件均配置部署在应用服务器上，根据业务应用系统的需要和特点，业务应用系统与支撑平台之间采用紧密耦合的结构。为了保持这种可伸缩、可扩展、无状态的链接模式，采用 Web Services、功能模块、开发组件的方式实现业务应用系统与支撑平台的交互使用。

2 分析评价系统实现

对于已建立土壤墒情监测点的地区，应优先采用土壤相对湿度评估农业旱情；对于尚未建立墒情监测站，但已建立雨量监测站点的雨养农业区，采用降水量距平法或连续无雨日数法进行旱情分析。墒情预测根据降雨、气温、土壤墒情信息及变化趋势，选用衰减系数法预测墒情的变化趋势，进而对区域墒情进行准确预报，避免旱情影响农业生产，降低经济损失。

分析评价系统的开发采用 B/S 模式，使用VS2012 作为开发工具，开发语言选择 C#，使用SQL Server 作为数据库管理软件，利用 Flex 通过天地图在线服务进行地图显示，采取 IIS 发布模式，通过 Internet 访问本系统。分析评价系统采用基于 Web Services 的数据服务模式，可为后续开发及其它应用系统提供数据接口。分析评价系统界面简单易学，功能划分明确。

2.1 旱情分析

重庆市墒情分析评价系统提供降水量距平法和连续无雨日数法 2 种旱情评估工具。

2.1.1 降水量距平法

降水量是评价农业受旱程度的基本指标之一，对于尚未建立墒情监测站但已建立雨量监测站点的雨养农业区，可采用降水量距平百分率评估农业旱情。降水量距平百分率是指某一时段内降水量与多年同期平均降水量之差占多年同期平均降水量的比值，计算公式如下：

式中：Dp为计算期内降水量距平百分比；P为计算期内降水量；为计算期内多年平均降水量。计算期内多年平均降水量宜采用近 30 a 的平均值。

应根据不同季节选择适当的计算期长度，夏季宜采用 1 个月，春、秋季宜采用连续 2 个月，冬季宜采用连续 3 个月[2]。

根据重庆市地域情况，旱情等级划分如表1所示。

表1 降水量距平百分比旱情等级划分表

2.1.2 连续无雨日数法

连续无雨日数是指在作物生长期内连续无有效降雨的天数，连续无雨日数法适用于尚未建立墒情监测点但已建立雨量监测站点的的雨养农业区和水浇地主要作物需水关键期的旱情评估。

根据重庆市地域情况，旱情等级按表2 划分。

表2 连续无雨日数旱情等级划分表 %

重庆市连续无雨日分析的工作流程可概括为：统计连续无有效降雨日→确定评估时段→依据表2进行旱情分析。

2.2 墒情评价

2.2.1 土壤墒情评价依据

土壤墒情是判定农业旱情的主要指标之一，对于已建立土壤墒情监测点的地区，应优先采用土壤相对湿度评估农业旱情。土壤相对湿度是指土壤含水量与田间持水量之比，根据此次项目设备采集的数据，选取 10，20，40 cm 深度的土壤相对湿度评估作为旱情评估指标，计算公式如下：

式中：W为土壤相对湿度；θ为土壤平均含水量；Fc为土壤平均田间持水量。

测土配方施肥是提高土壤肥力以及肥料利用率的重要途径，可以减少化肥用量、节约成本、推动现代农业发展。在进行测土配方施肥时，必须要加强对全市土壤肥力情况的测试，做好施肥计算。例如根据近年来本地测土配方施肥增产效果显示，玉米每亩可以增产34.66 kg、节省化肥2.3 kg；蔬菜平均每亩增产88.39 kg、节省化肥6.22 kg。

2.2.2 土壤墒情等级

土壤墒情等级根据 SL 568—2012《土壤墒情评价指标》划分为以下 5 个等级：1）一级墒情，土壤相对湿度适宜作物相应生育期的生育；2）二级墒情，土壤相对湿度降低到使作物生长受到轻微影响的程度；3）三级墒情，土壤相对湿度降低到使作物生长受到较大影响的程度；4）四级墒情，土壤相对湿度降低到使作物生长受到很大影响，造成农作物减产的程度；5）五级墒情，土壤相对湿度降低到使作物不能生育，造成农作物频临绝收的程度[3]。

2.2.3 土壤墒情评价工作流程

重庆市墒情评价的工作流程可概括为：汇集实时土壤含水量→读取重庆市内主要作物种类、分布区域、播种面积、耕作制度信息→读取需要评价区域的各单一作物的种类→读取评价时段→确定某一区域的作物种植类型与主要作物生长期→读取单一作物该生长期墒情评价深度→结合测定的田间持水量求算单一作物该生长期墒情评价深度的土壤相对湿度→评价单一作物墒情→评价作物综合墒情。

2.3 土壤墒情预测

土壤墒情预测是在土壤水分模拟模型的基础上对农田耕作层土壤水分的增长和消退程度所进行的预测，根据降雨、气温、土壤墒情信息及变化趋势，预测墒情的变化趋势，有利于掌握墒情的发展趋势。对墒情发展过程进行实时监测，构建科学、合理的预报模型，进而对区域墒情进行准确预报，避免旱情影响农业生产，降低经济损失。

分析评价系统以可行性、易操作性及实效性为原则，选用衰减系数法预测重庆市未来的墒情，并预留墒情预测模型的相关接口作预测的探索尝试。预报模型以失墒敏感层 0～20 cm 和根系密集层 10～40 cm 作为预测分析层，利用衰减原理预测未来一定时间土壤含水量的变化趋势。在无雨天气下，随着时间的推移，前期影响雨量是逐步消退的。土壤耕作层的含水量消退完全符合 API 模型理论，无雨条件下土壤含水率预测衰减公式为：

式中：θt为t日土壤含水量；αt为t日衰减系数；n为预测天数。衰减系数与季节、土壤含水量的大小有直接关系，土壤含水量越高，可供蒸发的水分越多，衰减系数越小。

重庆市墒情预测的工作流程可概括为：汇集土壤含水量→预报无雨天气→确定衰减系数→应用土壤含水率预测衰减公式预测未来土壤含水量[4]。

2.4 主要模块及功能

分析评价系统主要包含 7 个模块，结构及功能如图2 所示。

1）预警监视模块。基于“一张图”展示重庆市电子地图，可提供墒情、水情、雨情、工情实时数据的监视，对于达到预警值的数据进行预警。能提供制作多种类型专题图，如墒情站点、农作物、墒情土壤含水量等的分布图。

2）综合查询模块。主要提供单站或多站的墒情、水情、雨情的过程图和列表数据，能提供多种类型报表的查询和导出。

图2 墒情分析评价预测系统结构及功能

3）旱情分析模块。主要提供重庆市每个雨量站降水量距平分析的数据查询，包括当前年总的、时段雨量，往年时段雨量、距平百分比及旱情等级。提供每个雨量站连续无雨日分析的数据查询，包括最长连续无雨日、旱情等级、最近连续无雨日等。

4）墒情分析模块。主要提供土壤墒情评价指标、分析评估，以及农作物信息、田间持水量的管理。

5）墒情预测模块。分别采用增墒和退墒 2 种方法，根据历史土壤含水量衰减规律和降雨数据，结合近期降雨预报总结分析得出墒情预测数据折线图及报表。

6）同比分析模块。主要提供对所选监测站点历年所选时间段内土壤含水量、水情、雨量等数据的同比分析折线图和报表。

7）系统设置模块。主要提供用户修改密码功能，用户和系统模块等信息数据的查询、增加、编辑、删除和导出功能，角色信息数据的查询、增加、编辑、删除和编辑权限功能。

3 结语

重庆市土壤墒情分析评价预测系统以重庆市行政区划图为地图，能够及时有效地展示全市的土壤墒情信息，可建立墒情专题地图，直观地展示重庆市、各区县（自治县）土壤墒情评价结果及监测点状况，包括土壤墒情监测站点、状况地图及各土层相对湿度专题图等。利用水文等实时信息，结合气象预报信息采用衰减系数法预测未来的墒情数据，并将墒情预测结果展示给重庆市及各区县决策部门，为指导抗旱工作提供科学依据和决策支持，为安排农业用水提供技术支撑，对于发展节水农业，保障粮食安全，转变农业发展方式具有重要意义。分析评价系统已投入运行，正在收集数据进行分析评价、预测，下一步将对评价、预测结果进行深入研究。

参考文献：

[1] 中华人民共和国水利部. 水利网络与信息安全体系建设基本技术要求[S]. 北京：中国水利水电出版社，2011: 11-40.

[2] 中华人民共和国水利部. SL 424—2008 旱情等级标准[S].北京：中国水利水电出版社，2012: 7

[3] 中华人民共和国水利部. SL 568—2012 土壤墒情评价指标[S]. 北京：中国水利水电出版社，2012: 1.

[4] 江苏南水科技有限公司. 重庆市墒情监测站采集系统项目分析评价系统实施方案[R]. 南京：江苏南水科技有限公司，2017: 48-51，152-153.