園林綠化智能澆灌技術應用探討

摘要 智能澆灌技術不僅能實現精準灌溉，還能提高水資源利用效率。為提高園林綠化相關從業人員對智能澆灌技術的認識，推動智能澆灌技術在園林綠化領域的廣泛應用，本文通過對比分析智能澆灌技術與常規人工澆灌方法的成本、優劣勢，分析智能澆灌技術原理及傳感器組合應用，并從水源選擇、控制系統優化、澆灌分區規劃、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設計，為園林綠化澆灌系統設計優化及養護人員提供參考。

關鍵詞 智能澆灌；精準灌溉自動控制系統；節水；園林綠化

中圖分類號 S274.2；S731" "文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）12-0115-04

園林綠化作為城市生態建設的重要一環，其澆灌方式的改進與創新，對節約水資源、提升澆灌效率等具有積極意義[1]。目前，智能澆灌技術的研究與應用已取得了一定進展，可通過物聯網、大數據，以電腦或手機App等方式操控澆灌，主要應用于農業或家庭園藝灌溉[2]，且多數研究主要聚焦于傳感器改進[3]、系統優化和后臺平臺管理[4]等方面，而從園林綠化專業需求和應用角度探討的研究有待深入。鑒于此，本文通過對比智能澆灌技術與常規澆灌方法的成本、優劣勢，分析智能澆灌技術原理及傳感器組合應用，并從水源選擇、控制系統優化、澆灌分區規劃、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設計，旨在提高園林綠化相關從業人員對智能澆灌技術的認識，推動智能澆灌技術在園林綠化領域的廣泛應用，并為園林綠化澆灌系統設計優化及養護人員提供參考，以實現水資源的高效利用。

1 澆灌技術對比分析

在園林綠化澆灌中，常規澆灌方法是指人工拉皮管澆灌或利用灑水車澆灌，而智能澆灌技術是指利用物聯網、傳感器和云計算等技術，實現對園林植物生長環境的實時監測和數據分析，從而進行精準澆灌的一種智能化技術[5]。

1.1 成本對比

從成本視角對兩種澆灌方式進行比較。以一帶狀公園設計為例，其綠化澆灌面積9 650 m2，養護期3年，通過計價軟件對其建設成本、養護成本兩個方面進行對比分析，詳見表1。

由表1可知，智能澆灌系統前期建設成本較高，但結合后期養護成本[6]，且隨著養護年限的增加，成本節約更為明顯。該項目3年的養護周期可節約成本21.3%，6年的養護周期可節約成本47%以上。因此，智能澆灌技術在成本上具有明顯優勢。

1.2 優劣勢對比

從養護效率、節水和植物保護等方面對人工澆灌方法與智能澆灌技術優劣勢進行比較[4]（表2）。由表2可看出，智能澆灌技術在養護效率、節水、植物保護、安全性及精準度等方面較人工澆灌具有明顯優勢。

2 智能澆灌系統技術原理與傳感器組合應用分析

利用4G、5G、ZigBee、LoRa和NB-IoT等無線通信技術及物聯網技術[7]，智能澆灌控制系統可自行實時通過感知層（利用各類傳感器來監測地表風雨、溫濕度、光照度、土壤養分、水分含量和pH值等）來分析采集的數據，并由手機或電腦端來操控噴頭、滴頭和微噴頭等灌溉設備運行，在操控端與實施層之間通過安裝電磁閥組成的多個澆灌控制分區來實現自動啟閉功能，以此根據控制器指令實現精準灌溉[6]。通過土壤溫濕度傳感器判定土壤溫濕度是否超出閾值，電子閥將自動啟閉，以此來通過控制系統對灌溉實時遠程監控。通過對上述原理的解析，形成智能澆灌系統技術原理示意（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。可采集風速、風向、溫濕度和光照度等氣象信息，如風向變送器、風速變送器、光學雨量變送器、斗式雨量變送器、太陽總輻射傳感器、光合作用有效輻射傳感器、紫外線變送器和負氧離子檢測儀等。（2）土壤墑情傳感器。可采集土壤的電導率、pH值和土壤溫濕度[8-9]等信息，全面、真實地反映監測區的土壤理化性狀變化，及時準確提供各監測點的土壤墑情狀況，如土壤電導率變送器、土壤pH值變送器、管式土壤墑情監測儀、土壤溫度水分變送器和土壤張力變送器等。（3）流量計、水表。用于灌溉區水量監測，可根據不同作物、不同區域和不同時間對灌溉水量進行記錄和統計，能精準判斷管道或噴頭是否有損壞，如LoRa水表等。

本研究通過多個項目實踐及經驗總結，設計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+水表”，該傳感器組合既可以節約建設成本及后期維護成本，又能滿足對園林植物精準澆灌的需求。

3 智能澆灌系統設計

董偉新等[5]就城市道路綠化帶自動噴灌系統設計工程實例，介紹了自動噴灌系統的設計過程及注意事項，通過設置自動噴灌系統，可以達到綠化帶自動噴灌設計的應用效果。智能澆灌系統設計流程見圖2，該流程涵蓋了從水源到控制系統選擇，再到澆灌分區規劃、噴頭樣式選擇與布置等多個關鍵環節，可以為園林綠化項目的實施提供全面細致的指導。

3.1 水源選擇

城市綠化中主要采用市政自來水供水，從供水管開口引出，并根據綠化澆灌面積選擇合適的開口大小。另外，為確保噴頭能長期使用而不容易產生堵塞，可在噴頭前端設置過濾器。如果供水管道的水壓無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，則需考慮增設加壓裝置，如恒壓系統，以保證正常噴灌。

3.2 控制系統選擇

通常控制系統有全自動控制系統及半自動控制系統兩種。控制系統需要結合項目總投資及業主的需求來選擇。

3.2.1 全自動控制系統" 全自動控制系統有時控方式和加設傳感器方式。時控方式即在每個控制分區設置電磁閥，而電磁閥組是澆灌系統的控制核心[10]，根據編制的灌溉程序，預設澆灌時間、澆灌時長，定時啟閉電磁閥來達到自動澆灌的目的。加設傳感器方式就是根據具體項目需求和成本預算，在增設電磁閥的基礎上，可選擇增加“斗式雨量變送器+土壤溫濕度傳感器+流量計”等組合以達到更精準澆灌。

3.2.2 半自動控制系統" 半自動控制系統是對人工澆灌方式的改進，即在綠化用地上布置噴頭，通過人工控制分區閥門，來分區進行噴灌。其優點是可同時開啟多個閥門，但需綠化養護管理人員看管，在每個分區灌溉完成后及時關閉閥門。通過這種半自動控制方式，可以大幅減少綠化養護管理人員的工作量，大幅提高澆水效率，同時減少建設成本，缺點是需要人員看管，精準度和節水性有待進一步提高。

3.3 分區澆灌控制

在綠化分區澆灌控制上，需要結合總體平面設計圖進行設計[5]，如以道路、園路作為分區界限；充分考慮地形高差等因素，以確定是否需要設置分區地塊增設加壓措施或設置減壓閥、排氣閥。另外，分區澆灌控制也要考慮方便后期維護管理。

在設計分區澆灌時，應同時考慮水壓是否能夠滿足最不利點的噴頭工作水壓，以及管道管徑大小、分控規格等，綜合比較，以此選擇性價比最優的設計方案。

3.4 噴頭類型選擇

在澆灌系統設計前，了解噴頭類型，目前應用較多有以下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[11]，滴灌系統較為復雜，一般應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，適用于面積較大區域澆灑；特大射程噴頭射程12.1 m以上，適用于運動場地及特大面積綠化澆灑，對水壓要求較高。（3）按噴灑類型可分為散射噴頭和旋轉射線噴頭。（4）按噴頭是否隱藏可分為固定式噴頭和自動彈出噴頭。固定式噴頭高度受限，可能會影響景觀效果及養護作業；自動彈出噴頭可根據需要選擇彈出高度，不會影響景觀效果，在草坪澆灌中較常用。

在澆灌系統設計過程中，噴頭選擇應注意以下幾點：（1）地塊形狀大小，根據地塊大小選擇對應的噴灑半徑；（2）植物類型，地被植物可選擇相對固定的噴頭，草坪應選擇可伸縮的噴頭；（3）所需的噴頭參數，噴頭流量、壓力、噴灑強度、射程及噴灑角度等參數是否可調；（4）用戶需求及預算。此外，為實現整個地塊灌溉控制均勻和便于后期運行管理，噴頭選擇的原則是在同一電磁閥控制區域，盡量選用同種型號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，應注意以下幾點：（1）考慮水壓是否能夠滿足最不利點的噴頭工作水壓；（2）噴頭布置是否會有盲區；（3）是否會噴灑到路面；（4）根據景觀效果，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，且不宜布置過密；（5）對于覆蓋不全的位置，應采用小噴射半徑噴頭進行補充，以滿足全覆蓋的需要。

4 結論與討論

在當前園林綠化智慧澆灌技術的應用方面，因前期項目建設成本較高、建成后噴頭可能過密或噴頭立桿過高等破壞綠地景觀、灌溉系統故障以及養護人員操作困難等問題，在一定程度上影響了智能澆灌技術的推廣應用。基于上述問題，提出幾點建議：（1）加強智慧園林澆灌技術的培訓和推廣力度，提高園林管理人員的專業素質和技術水平；（2）加大對智慧澆灌技術的資金投入力度，鼓勵在新建或養護綠地中多使用智慧澆灌技術；（3）優化智能澆灌系統設計，進一步降低系統的建設和運行成本；（4）在實際應用中，結合水肥一體化技術[12]，在園林綠化養護施肥等方面加以應用，達到更精準控制；（5）在各類基礎數據采集傳輸上，更多地應用太陽能供電技術為各模塊和單片機供電[13]，減少后續維護過程頻繁更換蓄電池等情況；（6）協調與整合智慧澆灌系統與城市水資源，聯動推進綠化澆灌與居民、工業等用水量分配和使用時間，以保證合理利用，提高使用效率。

本文探討了智慧澆灌系統相較于人工澆灌的優勢，闡述了智能澆灌技術底層邏輯及傳感器組合，并從水源選擇、控制系統優化、澆灌分區規劃、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設計，為園林綠化智能澆灌系統設計優化及養護人員提供參考，以進一步降低建設成本、提升穩定性與便捷性，從而使智能澆灌技術得到更廣泛的普及與推廣應用。

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（責編：何 艷）