園林綠地智能化灌溉技術(shù)推廣探討

史作亞，辛 振，謝秀霞，湯 垚

(1.山東齊風(fēng)魯雅園林工程有限公司，山東 濟(jì)南 250100； 2.濟(jì)南園林開發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 250100)

1 引言

我國(guó)北方各省氣候干旱，水資源缺乏，園林綠地多年來使用的傳統(tǒng)澆灌或漫灌的方式不僅效率低下、成本高而且浪費(fèi)水資源非常嚴(yán)重，緩解水資源緊缺的問題迫在眉睫，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)ν寥肋M(jìn)行定時(shí)、定點(diǎn)、定量的灌溉控制系統(tǒng)符合節(jié)能環(huán)保的要求[1]，而將智能技術(shù)引入到澆灌系統(tǒng)，是解決上述問題的構(gòu)建技術(shù)之一。 智能灌溉系統(tǒng)是利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，如GPS 定位技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋及智能傳感器技術(shù)，對(duì)目標(biāo)灌溉區(qū)的園林景觀進(jìn)行基于模型的合理灌溉，利用最佳配置的水資源滿足園區(qū)景觀植物成長(zhǎng)的需要，避免出現(xiàn)水資源浪費(fèi)問題。 同時(shí)，智能灌溉技術(shù)具有節(jié)能和環(huán)保性能，能有效改善人工灌溉方式的應(yīng)用缺點(diǎn)[2]。

2 智能化澆噴灌系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

智能化澆噴灌系統(tǒng)是在現(xiàn)有的傳統(tǒng)噴灌系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等高新智能技術(shù)，著力建設(shè)的智能噴灌系統(tǒng)。 它能通過自動(dòng)感測(cè)土壤濕度，決定灌溉的區(qū)域、時(shí)段和時(shí)長(zhǎng)；根據(jù)墑情可自動(dòng)開啟灌溉，也可自動(dòng)關(guān)閉灌溉[3]。 在實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理灌溉的同時(shí)，有效提高灌溉水利用率，與傳統(tǒng)的噴灌方法相比，可節(jié)約水資源16%～30%左右，讓綠化管理更加科學(xué)、精細(xì)，同時(shí)可以通過手機(jī)APP 登錄管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，并可根據(jù)氣候及花卉特性一鍵實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)灌溉時(shí)長(zhǎng)，不僅縮短了工期，而且真正實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化，為園區(qū)的植物養(yǎng)護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 綠地智能灌溉技術(shù)可結(jié)合園林中綠地的生長(zhǎng)情況自覺配置相關(guān)用水量，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)園林綠色植被景觀的智能化管理。 適用于北方地區(qū)園林、小區(qū)、廣場(chǎng)及園林綠化所涉及的各種領(lǐng)域，對(duì)園林綠地景觀地勢(shì)起伏不平效果更佳。

3 工藝原理

在該技術(shù)的建設(shè)過程中我們探索形成了一套適用于本地的基于ET 值的灌溉決策方法，基于ET 值灌溉決策方法的基礎(chǔ)理論為水量平衡法[4]。 水量平衡法將作物根系活動(dòng)區(qū)域以上的土層視為一個(gè)整體，針對(duì)不同作物在不同生育期的需水量和土壤質(zhì)地，根據(jù)有效降雨量、灌水量、地下水補(bǔ)給量與作物蒸騰量(ET)之間的平衡關(guān)系，確定灌水量[5](圖1)。 水量平衡法公式如式1。

圖1 水量平衡法示意圖Figure 1 Schematic diagram of the water balance

即：M=ETc-P0-K+ET

式中M 為綠地灌溉水量，ETc為植物需水量，P0為有效降雨量，K 為地下水補(bǔ)給量，ET 為作物蒸騰量

4 工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 智能化澆噴灌系統(tǒng)的整體工作流程

首先由遠(yuǎn)程氣象墑情監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)空氣環(huán)境信息、 土壤環(huán)境信息，作為園區(qū)灌溉決策的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，通過網(wǎng)絡(luò)將上述數(shù)據(jù)上傳到精準(zhǔn)管理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制軟件； 控制軟件接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通過內(nèi)置的模型，估算參考ET0， 同時(shí)聯(lián)合有效降雨數(shù)據(jù)形成參考的灌溉決策指導(dǎo)；智能灌溉系統(tǒng)可根據(jù)控制決策，以分區(qū)的形式對(duì)綠地進(jìn)行自動(dòng)灌溉(圖2)。 通過自動(dòng)控制和人為干預(yù)結(jié)合的模式，為園區(qū)作物生長(zhǎng)提供優(yōu)良的灌溉環(huán)境[6]。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Figure 2 Block diagram of the whole system

4.2 操作要點(diǎn)

4.2.1 智能灌溉系統(tǒng)建設(shè)

首先需完成智能灌溉系統(tǒng)的建設(shè)工作， 智能灌溉系統(tǒng)由智能控制器、總線閥門及安裝管道等附件組成，配合園區(qū)噴灌系統(tǒng)使用。 其中智能灌溉控制器通過局域網(wǎng)絡(luò)與中控室軟件平臺(tái)互聯(lián)， 平臺(tái)根據(jù)用戶設(shè)定灌溉值結(jié)合園區(qū)氣象墑情數(shù)據(jù)形成灌溉決策并將灌溉指令發(fā)送至智能控制器，由控制器對(duì)田間總線閥門進(jìn)行實(shí)時(shí)控制， 保障作物處于最優(yōu)灌溉環(huán)境(圖3)。

圖3 智能灌溉系統(tǒng)實(shí)物圖Figure 3 intelligent irrigation system diagram

利用智能灌溉系統(tǒng)可控制管道系統(tǒng)供水， 通過管道和噴頭均勻、定時(shí)、定量進(jìn)行灌溉，浸潤(rùn)作物根系發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域，使主要根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量，將含水量控制在作物適宜生長(zhǎng)的區(qū)間內(nèi)[7]。 系統(tǒng)各模塊互相協(xié)作，在實(shí)現(xiàn)智能化澆灌的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了水資源的最高利用，具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[8]。

4.2.2 氣象墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

在建設(shè)智能灌溉系統(tǒng)的同時(shí)， 完成遠(yuǎn)程氣象墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)工作，遠(yuǎn)程氣象墑情監(jiān)測(cè)站由監(jiān)測(cè)主機(jī)、氣象信息監(jiān)測(cè)傳感器、土壤信息監(jiān)測(cè)傳感器、供電設(shè)備以及安裝附件組成，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、太陽輻射等氣象信息，同一土壤剖面4 個(gè)深度(表土層、心土層、底土層和潛育層)的溫度和容積含水量等墑情信息。通訊鏈路可采用GPRS 遠(yuǎn)程無線接入或有線方式經(jīng)局域網(wǎng)接入整個(gè)系統(tǒng)[9]。 在野外環(huán)境采集中因通常不具備供電條件，因此通常會(huì)配套太陽能充放電控制設(shè)備作為系統(tǒng)電源，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況本方案中采用GPRS 無線通訊鏈路。氣象墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用使得技術(shù)人員能夠及時(shí)掌握?qǐng)@區(qū)墑情變化，有助于灌溉決策，使得“何時(shí)灌溉、灌溉多少”有據(jù)可依。 見圖4、表1。

圖4 氣象墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Figure 4 Diagram of meteorology soil moisture monitoring system

表1 墑情監(jiān)測(cè)站傳感器性能指標(biāo)Table 1 Performance index of soil moisture monitoring station sensor

利用氣象墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，掌握?qǐng)@區(qū)土壤墑情變化規(guī)律，包括多層土壤溫度和土壤含水量，發(fā)布土壤墑情信息，同時(shí)結(jié)合氣象信息(溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨、光照)，統(tǒng)籌考慮，為制定科學(xué)有效的灌溉計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)[10]。

4.3.3 精準(zhǔn)管理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)

該技術(shù)最后利用精準(zhǔn)管理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)工作(圖5)，精準(zhǔn)管理物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)詳細(xì)記錄園區(qū)日常管理過程，結(jié)合實(shí)時(shí)采集的氣象墑情信息、作物長(zhǎng)勢(shì)信息，實(shí)現(xiàn)了以作物蒸騰量為主要依據(jù)結(jié)合土壤質(zhì)地和作物不同生長(zhǎng)期的智能化灌溉，將土壤含水量控制在最佳區(qū)間內(nèi)。

圖5 精準(zhǔn)管理物聯(lián)網(wǎng)軟件效果圖Figure 5 Effect diagram of accurate managment on Internet of things soft

5 材料與設(shè)備

5.1 ASE 中央灌溉控制器（GW-CM-ASE1）

該控制器是一款具有12 路繼電器輸出、8 路模擬量輸入和8 路開關(guān)量輸入， 同時(shí)能夠支持多種輪灌啟動(dòng)方式和多達(dá)20 個(gè)輪灌組的超強(qiáng)灌溉控制器。

GW-CM-ASE1 可以控制48 個(gè)閥門，用戶可以通過設(shè)置灌溉方式對(duì)48 個(gè)閥門獨(dú)立控制，也可以對(duì)其中任意個(gè)數(shù)的閥門進(jìn)行輪灌。 所有的灌溉均可以通過設(shè)定灌溉開啟時(shí)間、灌溉時(shí)長(zhǎng)以及傳感器數(shù)值等方式啟動(dòng)。

ASE 中央灌溉控制器主要技術(shù)參數(shù)為：設(shè)備大?。?80×450×215 mm；工作環(huán)境溫度：-20℃—+60℃；相對(duì)濕度：50%(無凝結(jié))。

5.2 自動(dòng)化解碼控制采集器（RTU）

自動(dòng)化解碼控制采集器(RTU)，采取高性能微處理器芯片，是針對(duì)野外工作環(huán)境下優(yōu)化設(shè)計(jì)的高可靠性有線總線長(zhǎng)距離控制解碼設(shè)備。 可支持與主機(jī)PLC 雙總線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，電源信號(hào)合二為一，提供交直流版本,穩(wěn)定傳輸距離3 km，極限距離5 km。 同時(shí)支持線電子編址，或遠(yuǎn)程編址，或預(yù)設(shè)。

自動(dòng)化解碼控制采集器(RTU)主要技術(shù)參數(shù)如下。

(1)總線供電：DC24V—DC30V 之間(根據(jù)負(fù)載需要的電源自由選擇)。

(2)控制輸出信號(hào)：

1)直流輸出型：DC24V 輸出，適應(yīng)絕大部分國(guó)產(chǎn)或者進(jìn)口直流電磁閥閥頭，單點(diǎn)帶負(fù)載能力20w。

2)脈沖輸出型LATCHING：12—30v 輸出，脈沖寬度根據(jù)閥門不同用戶可以設(shè)定為20—500 ms。 輸出電流最大：3A。 適應(yīng)國(guó)內(nèi)和國(guó)外大部分品牌電磁閥閥頭.

3)交流輸出型：AC24V，適應(yīng)大部分國(guó)產(chǎn)進(jìn)口交流電磁閥閥頭，單點(diǎn)帶負(fù)載能力20w

4)數(shù)據(jù)采集型：輸出12V 傳感器供電。

本系統(tǒng)采用脈沖輸出型控制輸出信號(hào)。

(3)傳輸距離：雙絞線穩(wěn)定距離3 km，極限距離5 km。

(4)采用普通銅芯雙絞線電纜。 導(dǎo)線通徑的大小取決于總線壓降數(shù)值，計(jì)算上保證最遠(yuǎn)距離壓降后電壓不低于DC12V 。

5.3 WS1800 固定式遠(yuǎn)程墑情采集站

WS1800 固定式遠(yuǎn)程墑情采集站是一款采用太陽能供電，具有自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程傳輸土壤溫濕度以及氣象信息的遠(yuǎn)程自動(dòng)墑情采集設(shè)備。 WS1800 能夠自動(dòng)計(jì)算每小時(shí)ET 值(蒸騰值)和有效降雨量值，并能獲取反應(yīng)作物長(zhǎng)勢(shì)的圖像信息。 采用短信和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)韧ㄓ嵎绞?，配合USB 數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，使墑情數(shù)據(jù)的獲取更加靈活、方便。

WS1800 固定式遠(yuǎn)程墑情采集站主要技術(shù)參數(shù)如下。

(1)太陽能供電；

(2) 4 路土壤水分傳感器、4 路土壤溫度傳感器；

(3) 1 路空氣溫濕度傳感器、1 路紫外線強(qiáng)度傳感器、1 路輻射強(qiáng)度傳感器、1 路風(fēng)速/風(fēng)向傳感器、1 路降雨量傳感器；

(4)ET 值、有效降雨量實(shí)時(shí)值和每日累積值自動(dòng)計(jì)算上傳。

圖6 ASE 中央灌溉控制器外形圖Figure 6 Outline diagram of ASE central irrigation controller

圖7 WS1800 固定式遠(yuǎn)程墑情采集站外觀Figure 7 Exterior of Ws1800 fixed remote soil moisture collection station

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

傳統(tǒng)噴灌灌溉方式，灌水量較常規(guī)漫灌已有較大幅度減少，但灌溉時(shí)長(zhǎng)，灌溉水量完全憑技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)決策，無據(jù)可依，無法保證水資源利用效率。濟(jì)南廉政教育中心將灌溉方式改為智能化澆灌系統(tǒng)(圖8)，氣象墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用使得技術(shù)人員能夠及時(shí)掌握?qǐng)@區(qū)墑情變化，有助于灌溉決策，使得“何時(shí)灌溉、灌溉多少”變得有據(jù)可依，且整個(gè)灌溉過程可通過手動(dòng)、定時(shí)、自動(dòng)等操作實(shí)現(xiàn)，灌溉操作工作量大幅減少。

圖8 濟(jì)南廉政教育中心智能化澆灌系統(tǒng)Figure 8 Intelligent irrigation system of Jinan Centre anti-corruption education

據(jù)統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目實(shí)施前，灌溉667m2均用水量240 m3，總用工5.5 人日。 項(xiàng)目實(shí)施后，灌溉667m2均用水量197 m3，總用工2.6 人日。

按照農(nóng)業(yè)水電費(fèi)綜合成本1.2 元/m3，人均工資180 元/天計(jì)算可得。

項(xiàng)目實(shí)施前水肥使用及相應(yīng)人工667m2均成本M 為：

M=240×1.2+5.5×180=1278

項(xiàng)目實(shí)施后水肥使用及相應(yīng)人工667m2均成本N 為：

N=197×1.2+2.6×180=704.4

經(jīng)計(jì)算可得， 灌溉用水量由667m2均240 m3縮減為197 m3，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)水約18%；灌溉相關(guān)人工由667m2均5.5 人日縮減為2.6 人日，實(shí)現(xiàn)節(jié)省人工47%。

6.2 社會(huì)效益

智能化澆噴灌系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)等多種高新技術(shù)，這些新技術(shù)的應(yīng)用為我國(guó)的園林綠化行業(yè)由傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變奠定了重要的基礎(chǔ)。 濟(jì)南廉政教育中心充分發(fā)揮智能化澆灌系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，并根據(jù)園內(nèi)不同區(qū)域的實(shí)際情況，采用不同的澆灌方式，始終堅(jiān)持節(jié)能環(huán)保理念，節(jié)約園區(qū)運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與社會(huì)效益共同發(fā)展[11]。

6.3 生態(tài)效益

智能化澆噴灌系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)下流行的全溶性水溶肥， 可輕松實(shí)現(xiàn)水肥一體化，將肥料精準(zhǔn)施加到作物根部。智能化澆噴灌系統(tǒng)提高水的利用率的同時(shí)，也提高了施肥的利用率，相比較傳統(tǒng)施肥模式可節(jié)省50%以上的肥料，減少了肥料濫用對(duì)土壤及環(huán)境的危害與影響。

該技術(shù)滿足國(guó)家管理建筑節(jié)能工程的有關(guān)要求，可節(jié)約水資源，節(jié)省每日人工，有利于推進(jìn)能源與建筑結(jié)合配套技術(shù)的研發(fā)、集成和規(guī)模化應(yīng)用，有推廣價(jià)值。

7 結(jié)語

綠地智能澆灌技術(shù)是現(xiàn)階段先進(jìn)的灌溉技術(shù)，對(duì)提高園林景觀搭配質(zhì)量，改善園林局部生態(tài)環(huán)境具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 濟(jì)南廉政教育中心的智能化澆灌系統(tǒng)已取得了較好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益。 未來，可在園林施工與養(yǎng)護(hù)過程中不斷推動(dòng)綠色智能灌溉技術(shù)的應(yīng)用水平，促進(jìn)景觀綠色可持續(xù)發(fā)展。