園林綠化智能澆灌技術(shù)應(yīng)用探討

摘要 智能澆灌技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，還能提高水資源利用效率。為提高園林綠化相關(guān)從業(yè)人員對(duì)智能澆灌技術(shù)的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)智能澆灌技術(shù)在園林綠化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，本文通過(guò)對(duì)比分析智能澆灌技術(shù)與常規(guī)人工澆灌方法的成本、優(yōu)劣勢(shì)，分析智能澆灌技術(shù)原理及傳感器組合應(yīng)用，并從水源選擇、控制系統(tǒng)優(yōu)化、澆灌分區(qū)規(guī)劃、噴頭樣式選擇以及噴頭和管道布置等方面全面剖析園林綠化智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為園林綠化澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化及養(yǎng)護(hù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞 智能澆灌；精準(zhǔn)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)；節(jié)水；園林綠化

中圖分類號(hào) S274.2；S731" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）12-0115-04

園林綠化作為城市生態(tài)建設(shè)的重要一環(huán)，其澆灌方式的改進(jìn)與創(chuàng)新，對(duì)節(jié)約水資源、提升澆灌效率等具有積極意義[1]。目前，智能澆灌技術(shù)的研究與應(yīng)用已取得了一定進(jìn)展，可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)，以電腦或手機(jī)App等方式操控澆灌，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或家庭園藝灌溉[2]，且多數(shù)研究主要聚焦于傳感器改進(jìn)[3]、系統(tǒng)優(yōu)化和后臺(tái)平臺(tái)管理[4]等方面，而從園林綠化專業(yè)需求和應(yīng)用角度探討的研究有待深入。鑒于此，本文通過(guò)對(duì)比智能澆灌技術(shù)與常規(guī)澆灌方法的成本、優(yōu)劣勢(shì)，分析智能澆灌技術(shù)原理及傳感器組合應(yīng)用，并從水源選擇、控制系統(tǒng)優(yōu)化、澆灌分區(qū)規(guī)劃、噴頭樣式選擇以及噴頭和管道布置等方面全面剖析園林綠化智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在提高園林綠化相關(guān)從業(yè)人員對(duì)智能澆灌技術(shù)的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)智能澆灌技術(shù)在園林綠化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，并為園林綠化澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化及養(yǎng)護(hù)人員提供參考，以實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用。

1 澆灌技術(shù)對(duì)比分析

在園林綠化澆灌中，常規(guī)澆灌方法是指人工拉皮管澆灌或利用灑水車澆灌，而智能澆灌技術(shù)是指利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和云計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)園林植物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，從而進(jìn)行精準(zhǔn)澆灌的一種智能化技術(shù)[5]。

1.1 成本對(duì)比

從成本視角對(duì)兩種澆灌方式進(jìn)行比較。以一帶狀公園設(shè)計(jì)為例，其綠化澆灌面積9 650 m2，養(yǎng)護(hù)期3年，通過(guò)計(jì)價(jià)軟件對(duì)其建設(shè)成本、養(yǎng)護(hù)成本兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，詳見(jiàn)表1。

由表1可知，智能澆灌系統(tǒng)前期建設(shè)成本較高，但結(jié)合后期養(yǎng)護(hù)成本[6]，且隨著養(yǎng)護(hù)年限的增加，成本節(jié)約更為明顯。該項(xiàng)目3年的養(yǎng)護(hù)周期可節(jié)約成本21.3%，6年的養(yǎng)護(hù)周期可節(jié)約成本47%以上。因此，智能澆灌技術(shù)在成本上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.2 優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

從養(yǎng)護(hù)效率、節(jié)水和植物保護(hù)等方面對(duì)人工澆灌方法與智能澆灌技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行比較[4]（表2）。由表2可看出，智能澆灌技術(shù)在養(yǎng)護(hù)效率、節(jié)水、植物保護(hù)、安全性及精準(zhǔn)度等方面較人工澆灌具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2 智能澆灌系統(tǒng)技術(shù)原理與傳感器組合應(yīng)用分析

利用4G、5G、ZigBee、LoRa和NB-IoT等無(wú)線通信技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[7]，智能澆灌控制系統(tǒng)可自行實(shí)時(shí)通過(guò)感知層（利用各類傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)地表風(fēng)雨、溫濕度、光照度、土壤養(yǎng)分、水分含量和pH值等）來(lái)分析采集的數(shù)據(jù)，并由手機(jī)或電腦端來(lái)操控噴頭、滴頭和微噴頭等灌溉設(shè)備運(yùn)行，在操控端與實(shí)施層之間通過(guò)安裝電磁閥組成的多個(gè)澆灌控制分區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉功能，以此根據(jù)控制器指令實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉[6]。通過(guò)土壤溫濕度傳感器判定土壤溫濕度是否超出閾值，電子閥將自動(dòng)啟閉，以此來(lái)通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)灌溉實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)對(duì)上述原理的解析，形成智能澆灌系統(tǒng)技術(shù)原理示意（圖1）[7]。

感知層中常用傳感器包括以下幾類。（1）氣象信息傳感器。可采集風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度和光照度等氣象信息，如風(fēng)向變送器、風(fēng)速變送器、光學(xué)雨量變送器、斗式雨量變送器、太陽(yáng)總輻射傳感器、光合作用有效輻射傳感器、紫外線變送器和負(fù)氧離子檢測(cè)儀等。（2）土壤墑情傳感器。可采集土壤的電導(dǎo)率、pH值和土壤溫濕度[8-9]等信息，全面、真實(shí)地反映監(jiān)測(cè)區(qū)的土壤理化性狀變化，及時(shí)準(zhǔn)確提供各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤墑情狀況，如土壤電導(dǎo)率變送器、土壤pH值變送器、管式土壤墑情監(jiān)測(cè)儀、土壤溫度水分變送器和土壤張力變送器等。（3）流量計(jì)、水表。用于灌溉區(qū)水量監(jiān)測(cè)，可根據(jù)不同作物、不同區(qū)域和不同時(shí)間對(duì)灌溉水量進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，能精準(zhǔn)判斷管道或噴頭是否有損壞，如LoRa水表等。

本研究通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，設(shè)計(jì)出較為有效的傳感器組合方式，即“斗式雨量變送器+土壤溫濕度傳感器+流量計(jì)+水表”，該傳感器組合既可以節(jié)約建設(shè)成本及后期維護(hù)成本，又能滿足對(duì)園林植物精準(zhǔn)澆灌的需求。

3 智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董偉新等[5]就城市道路綠化帶自動(dòng)噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程實(shí)例，介紹了自動(dòng)噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程及注意事項(xiàng)，通過(guò)設(shè)置自動(dòng)噴灌系統(tǒng)，可以達(dá)到綠化帶自動(dòng)噴灌設(shè)計(jì)的應(yīng)用效果。智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2，該流程涵蓋了從水源到控制系統(tǒng)選擇，再到澆灌分區(qū)規(guī)劃、噴頭樣式選擇與布置等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以為園林綠化項(xiàng)目的實(shí)施提供全面細(xì)致的指導(dǎo)。

3.1 水源選擇

城市綠化中主要采用市政自來(lái)水供水，從供水管開口引出，并根據(jù)綠化澆灌面積選擇合適的開口大小。另外，為確保噴頭能長(zhǎng)期使用而不容易產(chǎn)生堵塞，可在噴頭前端設(shè)置過(guò)濾器。如果供水管道的水壓無(wú)法滿足管道最末端噴頭正常的工作壓力，如高架橋檐口的綠化澆灌，則需考慮增設(shè)加壓裝置，如恒壓系統(tǒng)，以保證正常噴灌。

3.2 控制系統(tǒng)選擇

通常控制系統(tǒng)有全自動(dòng)控制系統(tǒng)及半自動(dòng)控制系統(tǒng)兩種。控制系統(tǒng)需要結(jié)合項(xiàng)目總投資及業(yè)主的需求來(lái)選擇。

3.2.1 全自動(dòng)控制系統(tǒng)" 全自動(dòng)控制系統(tǒng)有時(shí)控方式和加設(shè)傳感器方式。時(shí)控方式即在每個(gè)控制分區(qū)設(shè)置電磁閥，而電磁閥組是澆灌系統(tǒng)的控制核心[10]，根據(jù)編制的灌溉程序，預(yù)設(shè)澆灌時(shí)間、澆灌時(shí)長(zhǎng)，定時(shí)啟閉電磁閥來(lái)達(dá)到自動(dòng)澆灌的目的。加設(shè)傳感器方式就是根據(jù)具體項(xiàng)目需求和成本預(yù)算，在增設(shè)電磁閥的基礎(chǔ)上，可選擇增加“斗式雨量變送器+土壤溫濕度傳感器+流量計(jì)”等組合以達(dá)到更精準(zhǔn)澆灌。

3.2.2 半自動(dòng)控制系統(tǒng)" 半自動(dòng)控制系統(tǒng)是對(duì)人工澆灌方式的改進(jìn)，即在綠化用地上布置噴頭，通過(guò)人工控制分區(qū)閥門，來(lái)分區(qū)進(jìn)行噴灌。其優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)開啟多個(gè)閥門，但需綠化養(yǎng)護(hù)管理人員看管，在每個(gè)分區(qū)灌溉完成后及時(shí)關(guān)閉閥門。通過(guò)這種半自動(dòng)控制方式，可以大幅減少綠化養(yǎng)護(hù)管理人員的工作量，大幅提高澆水效率，同時(shí)減少建設(shè)成本，缺點(diǎn)是需要人員看管，精準(zhǔn)度和節(jié)水性有待進(jìn)一步提高。

3.3 分區(qū)澆灌控制

在綠化分區(qū)澆灌控制上，需要結(jié)合總體平面設(shè)計(jì)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]，如以道路、園路作為分區(qū)界限；充分考慮地形高差等因素，以確定是否需要設(shè)置分區(qū)地塊增設(shè)加壓措施或設(shè)置減壓閥、排氣閥。另外，分區(qū)澆灌控制也要考慮方便后期維護(hù)管理。

在設(shè)計(jì)分區(qū)澆灌時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮水壓是否能夠滿足最不利點(diǎn)的噴頭工作水壓，以及管道管徑大小、分控規(guī)格等，綜合比較，以此選擇性價(jià)比最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

3.4 噴頭類型選擇

在澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，了解噴頭類型，目前應(yīng)用較多有以下4類。（1）按澆灌出水位置可分為噴灌和滴灌。滴灌即利用滴頭，將水分均勻而緩慢滴在植物根部位置附近，供植物生長(zhǎng)[11]，滴灌系統(tǒng)較為復(fù)雜，一般應(yīng)用于小范圍如天橋花盆、高架橋綠化等位置。（2）按噴灑半徑可分為小射程噴頭、中射程噴頭、大射程噴頭和特大射程噴頭。小射程噴頭射程半徑0.5～4.0 m，噴灌強(qiáng)度大、均勻度好，適用范圍廣；中射程噴頭射程4.1～8.0 m；大射程噴頭射程8.1～12.0 m，適用于面積較大區(qū)域澆灑；特大射程噴頭射程12.1 m以上，適用于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地及特大面積綠化澆灑，對(duì)水壓要求較高。（3）按噴灑類型可分為散射噴頭和旋轉(zhuǎn)射線噴頭。（4）按噴頭是否隱藏可分為固定式噴頭和自動(dòng)彈出噴頭。固定式噴頭高度受限，可能會(huì)影響景觀效果及養(yǎng)護(hù)作業(yè)；自動(dòng)彈出噴頭可根據(jù)需要選擇彈出高度，不會(huì)影響景觀效果，在草坪澆灌中較常用。

在澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，噴頭選擇應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）地塊形狀大小，根據(jù)地塊大小選擇對(duì)應(yīng)的噴灑半徑；（2）植物類型，地被植物可選擇相對(duì)固定的噴頭，草坪應(yīng)選擇可伸縮的噴頭；（3）所需的噴頭參數(shù)，噴頭流量、壓力、噴灑強(qiáng)度、射程及噴灑角度等參數(shù)是否可調(diào)；（4）用戶需求及預(yù)算。此外，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)地塊灌溉控制均勻和便于后期運(yùn)行管理，噴頭選擇的原則是在同一電磁閥控制區(qū)域，盡量選用同種型號(hào)的噴頭或性能接近的噴頭。

3.5 噴頭和管道布置

在布置噴頭時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）考慮水壓是否能夠滿足最不利點(diǎn)的噴頭工作水壓；（2）噴頭布置是否會(huì)有盲區(qū)；（3）是否會(huì)噴灑到路面；（4）根據(jù)景觀效果，考慮是否需要隱藏或選用伸縮桿，不宜在草地上布置立桿噴頭，影響美觀，且不宜布置過(guò)密；（5）對(duì)于覆蓋不全的位置，應(yīng)采用小噴射半徑噴頭進(jìn)行補(bǔ)充，以滿足全覆蓋的需要。

4 結(jié)論與討論

在當(dāng)前園林綠化智慧澆灌技術(shù)的應(yīng)用方面，因前期項(xiàng)目建設(shè)成本較高、建成后噴頭可能過(guò)密或噴頭立桿過(guò)高等破壞綠地景觀、灌溉系統(tǒng)故障以及養(yǎng)護(hù)人員操作困難等問(wèn)題，在一定程度上影響了智能澆灌技術(shù)的推廣應(yīng)用。基于上述問(wèn)題，提出幾點(diǎn)建議：（1）加強(qiáng)智慧園林澆灌技術(shù)的培訓(xùn)和推廣力度，提高園林管理人員的專業(yè)素質(zhì)和技術(shù)水平；（2）加大對(duì)智慧澆灌技術(shù)的資金投入力度，鼓勵(lì)在新建或養(yǎng)護(hù)綠地中多使用智慧澆灌技術(shù)；（3）優(yōu)化智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行成本；（4）在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合水肥一體化技術(shù)[12]，在園林綠化養(yǎng)護(hù)施肥等方面加以應(yīng)用，達(dá)到更精準(zhǔn)控制；（5）在各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集傳輸上，更多地應(yīng)用太陽(yáng)能供電技術(shù)為各模塊和單片機(jī)供電[13]，減少后續(xù)維護(hù)過(guò)程頻繁更換蓄電池等情況；（6）協(xié)調(diào)與整合智慧澆灌系統(tǒng)與城市水資源，聯(lián)動(dòng)推進(jìn)綠化澆灌與居民、工業(yè)等用水量分配和使用時(shí)間，以保證合理利用，提高使用效率。

本文探討了智慧澆灌系統(tǒng)相較于人工澆灌的優(yōu)勢(shì)，闡述了智能澆灌技術(shù)底層邏輯及傳感器組合，并從水源選擇、控制系統(tǒng)優(yōu)化、澆灌分區(qū)規(guī)劃、噴頭樣式選擇、噴頭及管道布置等方面全面分析了園林綠化智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為園林綠化智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化及養(yǎng)護(hù)人員提供參考，以進(jìn)一步降低建設(shè)成本、提升穩(wěn)定性與便捷性，從而使智能澆灌技術(shù)得到更廣泛的普及與推廣應(yīng)用。

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（責(zé)編：何 艷）