园林绿地智能化灌溉技术推广探讨

史作亚，辛 振，谢秀霞，汤 垚

(1.山东齐风鲁雅园林工程有限公司，山东 济南 250100； 2.济南园林开发建设集团有限公司 山东 济南 250100)

1 引言

我国北方各省气候干旱，水资源缺乏，园林绿地多年来使用的传统浇灌或漫灌的方式不仅效率低下、成本高而且浪费水资源非常严重，缓解水资源紧缺的问题迫在眉睫，设计一个能够对土壤进行定时、定点、定量的灌溉控制系统符合节能环保的要求[1]，而将智能技术引入到浇灌系统，是解决上述问题的构建技术之一。 智能灌溉系统是利用先进的科学技术，如GPS 定位技术、互联网实时监测、反馈及智能传感器技术，对目标灌溉区的园林景观进行基于模型的合理灌溉，利用最佳配置的水资源满足园区景观植物成长的需要，避免出现水资源浪费问题。 同时，智能灌溉技术具有节能和环保性能，能有效改善人工灌溉方式的应用缺点[2]。

2 智能化浇喷灌系统技术特点

智能化浇喷灌系统是在现有的传统喷灌系统的基础上，利用现代传感器技术、无线通信技术等高新智能技术，着力建设的智能喷灌系统。 它能通过自动感测土壤湿度，决定灌溉的区域、时段和时长；根据墒情可自动开启灌溉，也可自动关闭灌溉[3]。 在实现科学合理灌溉的同时，有效提高灌溉水利用率，与传统的喷灌方法相比，可节约水资源16%～30%左右，让绿化管理更加科学、精细，同时可以通过手机APP 登录管理系统来实现远程操控，并可根据气候及花卉特性一键实时调节灌溉时长，不仅缩短了工期，而且真正实现了智能化、自动化，为园区的植物养护打下坚实的基础。 绿地智能灌溉技术可结合园林中绿地的生长情况自觉配置相关用水量，以此实现对园林绿色植被景观的智能化管理。 适用于北方地区园林、小区、广场及园林绿化所涉及的各种领域，对园林绿地景观地势起伏不平效果更佳。

3 工艺原理

在该技术的建设过程中我们探索形成了一套适用于本地的基于ET 值的灌溉决策方法，基于ET 值灌溉决策方法的基础理论为水量平衡法[4]。 水量平衡法将作物根系活动区域以上的土层视为一个整体，针对不同作物在不同生育期的需水量和土壤质地，根据有效降雨量、灌水量、地下水补给量与作物蒸腾量(ET)之间的平衡关系，确定灌水量[5](图1)。 水量平衡法公式如式1。

图1 水量平衡法示意图Figure 1 Schematic diagram of the water balance

即：M=ETc-P0-K+ET

式中M 为绿地灌溉水量，ETc为植物需水量，P0为有效降雨量，K 为地下水补给量，ET 为作物蒸腾量

4 工艺流程及操作要点

4.1 智能化浇喷灌系统的整体工作流程

首先由远程气象墒情监测站监测空气环境信息、 土壤环境信息，作为园区灌溉决策的基础数据来源，通过网络将上述数据上传到精准管理物联网平台控制软件； 控制软件接收到数据后，对数据进行处理分析，通过内置的模型，估算参考ET0， 同时联合有效降雨数据形成参考的灌溉决策指导；智能灌溉系统可根据控制决策，以分区的形式对绿地进行自动灌溉(图2)。 通过自动控制和人为干预结合的模式，为园区作物生长提供优良的灌溉环境[6]。

图2 系统整体结构框图Figure 2 Block diagram of the whole system

4.2 操作要点

4.2.1 智能灌溉系统建设

首先需完成智能灌溉系统的建设工作， 智能灌溉系统由智能控制器、总线阀门及安装管道等附件组成，配合园区喷灌系统使用。 其中智能灌溉控制器通过局域网络与中控室软件平台互联， 平台根据用户设定灌溉值结合园区气象墒情数据形成灌溉决策并将灌溉指令发送至智能控制器，由控制器对田间总线阀门进行实时控制， 保障作物处于最优灌溉环境(图3)。

图3 智能灌溉系统实物图Figure 3 intelligent irrigation system diagram

利用智能灌溉系统可控制管道系统供水， 通过管道和喷头均匀、定时、定量进行灌溉，浸润作物根系发育生长区域，使主要根系土壤始终保持疏松和适宜的含水量，将含水量控制在作物适宜生长的区间内[7]。 系统各模块互相协作，在实现智能化浇灌的同时，实现了水资源的最高利用，具有很好的经济价值和社会价值[8]。

4.2.2 气象墒情监测系统建设

在建设智能灌溉系统的同时， 完成远程气象墒情监测系统的建设工作，远程气象墒情监测站由监测主机、气象信息监测传感器、土壤信息监测传感器、供电设备以及安装附件组成，能够自动监测空气温湿度、风速风向、降雨量、太阳辐射等气象信息，同一土壤剖面4 个深度(表土层、心土层、底土层和潜育层)的温度和容积含水量等墒情信息。通讯链路可采用GPRS 远程无线接入或有线方式经局域网接入整个系统[9]。 在野外环境采集中因通常不具备供电条件，因此通常会配套太阳能充放电控制设备作为系统电源，实际现场情况本方案中采用GPRS 无线通讯链路。气象墒情监测系统的使用使得技术人员能够及时掌握园区墒情变化，有助于灌溉决策，使得“何时灌溉、灌溉多少”有据可依。 见图4、表1。

图4 气象墒情监测系统实物图Figure 4 Diagram of meteorology soil moisture monitoring system

表1 墒情监测站传感器性能指标Table 1 Performance index of soil moisture monitoring station sensor

利用气象墒情监测系统，掌握园区土壤墒情变化规律，包括多层土壤温度和土壤含水量，发布土壤墒情信息，同时结合气象信息(温度、湿度、风速、风向、降雨、光照)，统筹考虑，为制定科学有效的灌溉计划提供科学依据[10]。

4.3.3 精准管理物联网平台建设

该技术最后利用精准管理物联网平台建设工作(图5)，精准管理物联网平台详细记录园区日常管理过程，结合实时采集的气象墒情信息、作物长势信息，实现了以作物蒸腾量为主要依据结合土壤质地和作物不同生长期的智能化灌溉，将土壤含水量控制在最佳区间内。

图5 精准管理物联网软件效果图Figure 5 Effect diagram of accurate managment on Internet of things soft

5 材料与设备

5.1 ASE 中央灌溉控制器（GW-CM-ASE1）

该控制器是一款具有12 路继电器输出、8 路模拟量输入和8 路开关量输入， 同时能够支持多种轮灌启动方式和多达20 个轮灌组的超强灌溉控制器。

GW-CM-ASE1 可以控制48 个阀门，用户可以通过设置灌溉方式对48 个阀门独立控制，也可以对其中任意个数的阀门进行轮灌。 所有的灌溉均可以通过设定灌溉开启时间、灌溉时长以及传感器数值等方式启动。

ASE 中央灌溉控制器主要技术参数为：设备大小：580×450×215 mm；工作环境温度：-20℃—+60℃；相对湿度：50%(无凝结)。

5.2 自动化解码控制采集器（RTU）

自动化解码控制采集器(RTU)，采取高性能微处理器芯片，是针对野外工作环境下优化设计的高可靠性有线总线长距离控制解码设备。 可支持与主机PLC 双总线网络组网技术，电源信号合二为一，提供交直流版本,稳定传输距离3 km，极限距离5 km。 同时支持线电子编址，或远程编址，或预设。

自动化解码控制采集器(RTU)主要技术参数如下。

(1)总线供电：DC24V—DC30V 之间(根据负载需要的电源自由选择)。

(2)控制输出信号：

1)直流输出型：DC24V 输出，适应绝大部分国产或者进口直流电磁阀阀头，单点带负载能力20w。

2)脉冲输出型LATCHING：12—30v 输出，脉冲宽度根据阀门不同用户可以设定为20—500 ms。 输出电流最大：3A。 适应国内和国外大部分品牌电磁阀阀头.

3)交流输出型：AC24V，适应大部分国产进口交流电磁阀阀头，单点带负载能力20w

4)数据采集型：输出12V 传感器供电。

本系统采用脉冲输出型控制输出信号。

(3)传输距离：双绞线稳定距离3 km，极限距离5 km。

(4)采用普通铜芯双绞线电缆。 导线通径的大小取决于总线压降数值，计算上保证最远距离压降后电压不低于DC12V 。

5.3 WS1800 固定式远程墒情采集站

WS1800 固定式远程墒情采集站是一款采用太阳能供电，具有自动采集、存储、远程传输土壤温湿度以及气象信息的远程自动墒情采集设备。 WS1800 能够自动计算每小时ET 值(蒸腾值)和有效降雨量值，并能获取反应作物长势的图像信息。 采用短信和无线数据传输等通讯方式，配合USB 数据导出功能，使墒情数据的获取更加灵活、方便。

WS1800 固定式远程墒情采集站主要技术参数如下。

(1)太阳能供电；

(2) 4 路土壤水分传感器、4 路土壤温度传感器；

(3) 1 路空气温湿度传感器、1 路紫外线强度传感器、1 路辐射强度传感器、1 路风速/风向传感器、1 路降雨量传感器；

(4)ET 值、有效降雨量实时值和每日累积值自动计算上传。

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

图7 WS1800 固定式远程墒情采集站外观Figure 7 Exterior of Ws1800 fixed remote soil moisture collection station

6 效益分析

6.1 经济效益

传统喷灌灌溉方式，灌水量较常规漫灌已有较大幅度减少，但灌溉时长，灌溉水量完全凭技术人员经验决策，无据可依，无法保证水资源利用效率。济南廉政教育中心将灌溉方式改为智能化浇灌系统(图8)，气象墒情监测系统的使用使得技术人员能够及时掌握园区墒情变化，有助于灌溉决策，使得“何时灌溉、灌溉多少”变得有据可依，且整个灌溉过程可通过手动、定时、自动等操作实现，灌溉操作工作量大幅减少。

图8 济南廉政教育中心智能化浇灌系统Figure 8 Intelligent irrigation system of Jinan Centre anti-corruption education

据统计，项目实施前，灌溉667m2均用水量240 m3，总用工5.5 人日。 项目实施后，灌溉667m2均用水量197 m3，总用工2.6 人日。

按照农业水电费综合成本1.2 元/m3，人均工资180 元/天计算可得。

项目实施前水肥使用及相应人工667m2均成本M 为：

M=240×1.2+5.5×180=1278

项目实施后水肥使用及相应人工667m2均成本N 为：

N=197×1.2+2.6×180=704.4

经计算可得， 灌溉用水量由667m2均240 m3缩减为197 m3，实现生产节水约18%；灌溉相关人工由667m2均5.5 人日缩减为2.6 人日，实现节省人工47%。

6.2 社会效益

智能化浇喷灌系统涉及到传感器技术、自动控制技术、物联网技术、无线通信技术等多种高新技术，这些新技术的应用为我国的园林绿化行业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础。 济南廉政教育中心充分发挥智能化浇灌系统的优势，并根据园内不同区域的实际情况，采用不同的浇灌方式，始终坚持节能环保理念，节约园区运行成本，实现环境效益与社会效益共同发展[11]。

6.3 生态效益

智能化浇喷灌系统结合当下流行的全溶性水溶肥， 可轻松实现水肥一体化，将肥料精准施加到作物根部。智能化浇喷灌系统提高水的利用率的同时，也提高了施肥的利用率，相比较传统施肥模式可节省50%以上的肥料，减少了肥料滥用对土壤及环境的危害与影响。

该技术满足国家管理建筑节能工程的有关要求，可节约水资源，节省每日人工，有利于推进能源与建筑结合配套技术的研发、集成和规模化应用，有推广价值。

7 结语

绿地智能浇灌技术是现阶段先进的灌溉技术，对提高园林景观搭配质量，改善园林局部生态环境具有重要的应用价值。 济南廉政教育中心的智能化浇灌系统已取得了较好的社会效益、经济效益、生态效益。 未来，可在园林施工与养护过程中不断推动绿色智能灌溉技术的应用水平，促进景观绿色可持续发展。