城市绿化智慧灌溉关键技术的探究

魏浩华 邵建英 邱家生 刘小莉

摘 要：城镇化在带动城市经济发展的同时，也带来规模巨大的城市绿化。基于节约水源、降低人力成本、减少养护总费用等因素，探究了一套充分考虑土壤干湿度条件的城市绿化智慧灌溉技术，重点分析了城市绿化土壤干湿度值选定、4G灌溉控制器工作电源问题的解决、智慧灌溉的工作模式和土壤温湿度传感器的布设等看似简单但均影响着实际效果的关键点，致力于推动城市绿化智慧灌溉技术的运用。

关键词：城市绿化；智慧灌溉；土壤干湿度值

中图分类号：TU986.5 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）01–00-03

1 城市绿化灌溉的现状

随着城镇化的深入推进，各地城市建设规模达到了一个新高度，与之配套的城市绿化面积不断加大、绿植种类不断增多。截至2023年9月，我国31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团已实现国家森林城市创建全覆盖，城市建成区绿化覆盖率由10年前的39.22%提高到现在的42.69%，城市人均公园绿地面积由10年前的11.8 m2提高到现在的15.29 m2。

传统的人工灌溉方式需要大量的人力投入，且易受天气和人为因素的影响，效率低下，同时很难掌握灌溉效果，“要不涝死，要不旱死”的现象常见。需要定期巡查、维护和修剪植物，以确保植物健康生长。然而，由于缺乏足够的专业技术人员和高效的管理机制，许多城市绿化项目出现了人力资源浪费的现象。

鉴于此，探究一种智慧绿化灌溉技术，通过设置传感器、控制器和执行器等设备，实现对植物进行精确浇水，主要原理是根据植物的需水量和土壤湿度情况，自动控制灌溉系统的开关，从而为每一棵植物提供合适的水量，提高灌溉效率，减少人力物力成本，保护植物生长环境，为城市绿化抗旱保苗提供一套有效的技术手段。

2 城市绿化灌溉的总体方案

城市绿化智慧灌溉系统能够结合植物生长需求和环境条件，精确控制灌溉水量。借助互联网和无线通信技术，实现对灌溉系统的远程监控和管理。城市管理者可以通过手机、电脑等设备，随时随地监测植物的生长状态和灌溉效果，及时调整灌溉方案；也可以根据植物种类、生长阶段和季节变化，调整灌溉水量和频率，精确控制水量，避免灌溉过度或不足，以适应不同的需求，保证城市绿化带植物获得充足的水分供应，从而促进其良好生长和品质提升，提高用水效率。

城市绿化智慧灌溉系统主要由前端设备和后台控制系统组成，其中前端设备包括土壤干湿度传感器、4G灌溉控制器、执行电磁阀和灌溉管道系统四个方面；后台控制系统包括城市绿化区域一张图（GIS地图）、一张网（传输网）、一个绿化灌溉业务支撑平台和掌上移动管理终端（APP）（图1）。

2.1 前端设备

2.1.1 土壤干湿度传感器

土壤干湿度传感器是城市绿化智慧灌溉系统中的重要组成部件，主要用于感知环境变化。土壤干湿度传感器可以通过测量土壤湿度的变化，判断植物是否需要浇水，即通过准确的灌溉控制，做出相应的灌溉调整，解决因过度浇水或不足而引发的植物生长问题，保证植物的正常生长。

2.1.2 4G灌溉控制器

4G灌溉控制器是自动灌溉系统的中枢，负责接收土壤干湿度传感器采集到的数据，并根据预设的程序进行分析和处理。4G灌溉控制器可以根据植物的需水量、土壤湿度和环境因素等进行智能判断，从而实现对灌溉系统的精确控制，避免灌溉过度或不足，提高用水效率。同时，4G灌溉控制器还可以通过连接水泵和阀门等执行器，控制水源，精准供应植物的需水量。

2.1.3 执行电磁阀和灌溉管道系统

执行电磁阀是实际执行灌溉操作的设备，主要控制水泵和阀门。水泵负责将水源提供给灌溉系统，确保有足够的水量进行灌溉；而阀门则通过控制水流的开关，将水送到不同的植物区域；执行电磁阀控制的阀门连接灌溉管道系统，管道上配备了微灌喷头，均匀地布设在绿化带上。执行与控制之间通过信号传输和接口通讯实现协同工作，使得灌溉系统可以按照预设的程序进行自动化操作，极大地解放了人力，节省了人工浇水的时间和成本。

2.2 后台控制系统

第一，添加设备。登录云平台，点击设备配置、设备管理，完成设备的添加。

第二，智能水源管理。该灌溉系统可以根据植物的特性和需求，准确控制灌溉水量和频次。通过监测土壤湿度、气象数据等参数，智能调整灌溉方案，并实现数据查询及设备控制，确保植物获得适量的水分供应，提高植物生长的质量和绿化效率。该系统可对智能设备、采集的数据进行管理、查看，并通过平台进行远程控制。智慧灌溉系统可以通过互联网和无线通信技术，实现对灌溉系统的远程监控和管理。城市管理者和园艺师可以随时随地监测植物的生长状态和灌溉效果，根据实际情况进行调整和优化，提高绿化管理的科学性和精细化程度。

第三，策略設置。智慧灌溉系统可以实现定时、定量的灌溉，减少人工操作的需求，提高绿化维护的效率，使灌溉再无需人工巡查和手动操作，有助于减少时间和劳力成本，同时确保植物的持续健康生长。通过应用智慧灌溉技术，在设备上依据湿度值定时设置开关策略，可以根据植物种类、生长阶段和季节的变化，精确调整灌溉方案，满足植物的生长需求。合理的水分供应可以促进植物的健康生长，提高绿化质量，并减少植物因灌溉过度或不足而导致的病虫害问题。智慧灌溉技术可以精确计量和控制使用的水量，避免水资源的浪费；还可以通过使用合理的节水策略，如利用雨水收集系统、农业灌溉排水系统等，提高水资源的利用效率。

通过在城市绿化区内布设土壤干湿度传感器，实时监测土壤干湿度。当土壤干度到达一定的数值时，平台向布设在绿化带中的4G灌溉控制器发送数据，控制器收到数据后向安装在绿化带中的电磁阀发出启动灌溉的指令，以一个4G灌溉控制器为组别的同组，电磁阀按从远到近或从近到远的顺序梯次开启电磁阀进行灌溉，灌溉完成后自动关闭电磁阀，实现精准智慧灌溉。同时也可以根据不同的需求和场景对灌溉系统进行灵活的配置和扩展，根据植物的特性、种类和数量，调整灌溉系统的配件组成，以适应不同的绿化项目。

3 关键技术的探究

2023年2月开始，项目组将新疆喀什地区叶城县团结路的绿化带作为样地，该样地东起核桃大道、西至肖塔渠南路，分别包括团结东路、团结中路、团结西路三段，道路总长为1 700 m，是双向四车道城市主干道。道路两边均建设了宽为1.8 m的绿化带与人行道隔离，绿化带内种植了高15～20 m法国梧桐，树龄为33年，树冠大，郁闭度＞0.95；法国梧桐底部为1.0 m高的绿篱。项目组将道路两边的绿化带分成6段，每段随机选择一边绿化带为对照样方，另外一边的绿化带为项目试验样方。项目试验样方中布设了DN100改性PA灌溉主管网，在主管网上布设了DN25出水灌溉电磁脉冲电磁阀和土壤温湿度传感器，电磁脉冲阀和土壤温湿度传感器均连接到4G灌溉控制器中，4G灌溉控制器通过4G物联网与后台通讯。电磁阀出水口连接了DN25改性PA灌溉管网，DN25改性PA灌溉管网根据现场实际情况布设了微灌喷头。

3.1 城市绿化土壤干湿度值

对观察区域进行一次灌溉，分别布设6个样地，每隔1天观察一次，记录土壤平均干湿度值。样地中土壤平均干湿度值到达75%时，需要进行灌溉。当土壤平均干湿度值到达95%时，可停止灌溉，每次灌溉间隔周期最短时间（连续晴天状态下）为4 d（表1）。

3.2 4G灌溉控制器的工作电源

在通常状况下，4G灌溉控制器普遍采用AC220V市电或者DC12V太阳能供电系统供电。然而，采用正常的AC220V市电供电则需要重新布设电源线，在架空线不被许可的情况下，地埋线涉及道路开挖和巨大回填工程量，成本太高；如果选择太阳能供电系统供电，在郁闭度＞0.95的环境下完全不可取，即使采用太阳能板与4G灌溉控制器分离安装的方式，也面临架空线的问题。

结合城市道路中的实际情况，项目组从就近的路灯维修孔取市电到4G灌溉控制器的户外箱中，4G灌溉控制器户外箱中配备一个12V 120AH蓄电池，蓄电池给4G灌溉控制器、电磁脉冲阀和土壤温湿度传感器提供电源。当晚上路灯电缆带电时，市电给电池充电。实践表明此解决方法基本适用于城市道路绿化的所有区域，是一种稳定、可靠、经济、实用的解决方案。

3.3 灌溉工作模式

为实现定时、精确的灌溉，减少人为因素的影响，提高工作效率，项目组开发了基于GIS后台控制系统并配备依据土壤干湿度自动开关电磁阀的灌溉模式、依设定时間开关电磁阀的灌溉模式和手动开关电磁阀的灌溉模式。一般情况下，当土壤温湿度传感器采集到的土壤干湿度值下降到75%时，系统自动开启远端电磁阀进行灌溉；当土壤温湿度传感器采集的土壤干湿度值上升到95%时，系统自动关闭远端电磁阀停止灌溉。此操作也可以减少对人工操作的需求，降低了维护和管理的人力成本。通过远程监控和智能控制，可以实现对灌溉系统进行全面管理，减少人工干预。

3.4 土壤温湿度传感器的布设

土壤温湿度传感器采集的数据与自动灌溉的准确性密切相关，项目组在绿化带中采用取土起堆的方式设置土壤温湿度传感器采样土包，选择地势稍高的地方，为保证透水情况基本相同，以绿化地面作为平面，取绿化带中基本性质一致的土壤做一个直径30 cm

的半球，将土壤温湿度传感器的探针埋入该半球的球心，能够有效监测土壤的干湿度变化。

4 效果评估

从2023年3月1日—6月30日，项目组根据叶城县团结路绿化样地道路的实际情况，将1 700 m的道路按照道路十字路口等分段情况分成了6段，在保证所有绿植健康生长的情况下，每段中均随机选择道路一边保留原来的灌溉作业，另外一边使用本智慧灌溉技术形成对照组。

4.1 使用水资源的情况

采用自动灌溉模式可节省水资源约22.45 %（表2）。

4.2 投入人工工时的情况

采用自动灌溉模式可节约人工工时约81.5%（表3）。

4.3 城市绿化养护总费用情况

在人工费按照20元/h计算，洒水车费用、水费、电费等其他费用按照实际发生量统计的情况下，采用自动灌溉模式可节省城市绿化养护总费用支出的77.1%（表4）。

5 结束语

本研究主要解决了制约城市绿化智慧灌溉技术推广使用的土壤湿度值选择、供电系统、土壤湿度传感器布设方式，以及梯次打开电磁阀的灌溉策略等技术瓶颈。城市绿化智慧灌溉技术不仅适用于城市绿化的智慧灌溉，也非常适合农业和林业领域水肥一体灌溉，即将肥料与灌溉水进行混合，通过灌溉系统进行喷洒，实现水肥一体化。该技术可以根据植物的需要，控制合适的剂量为植物提供养分，提高植物的生长效率。尤其是在地表水蒸发量大的西北地区，绿化灌溉要实现节水、省力、降费的目标，选择智慧灌溉技术将是最优的解决方法。

参考文献

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