智能化、精准化灌溉.doc

智能化、精准化灌溉我国城市大规模绿化发展之出路 周 荣我国的城市大规模绿化已高速发展数年。申奥成功，将在我国各大中城市掀起新的绿化高潮。 在城市中大规模绿化自然好处多多。如： 改善生态环境；美化城市；提高城市地位；增加旅游收入； 改善投资环境，吸引外资等。但我们在获得好处的同时，还应十分重视其负面影响棗大量耗费水资源，与其它行业争水，可能影响国民经济的可持续发展。城市绿化植物为草、花、树，灌木等。其中很多种植物水敏感性极强。供水不足，如遇干旱高温天气，会迅速枯萎，直至死亡。我国大部分大、中城市严重缺水。而现行灌溉技术落后，水利用效率低下（有效利用率低于40%），大量绿化用水被浪费掉。改善灌水技术，采用智能化，精准化灌溉，努力提高水的利用率势在必行。传统的绿化用水，多由水车拉至现场，用人工皮管大水漫灌，这种方法大约有80%的水由于深层渗漏及无效蒸发损失掉。 近些年，管网供水，喷头喷洒的喷灌灌水法，日渐流行起来。但管网控制大部分仍采用手动法。这种方法随意性大， 常常发生该灌水时，无人开阀，不该灌时又无人关阀。一边下雨一边喷水，草地变人工湖，马路变排水渠的情况屡见不鲜。采用这种方法，至少有40%-50%的水浪费掉。 利用定时器控制灌溉的方法在我国已采用6年多，但普及率很低，估计连十分之一都不到。采用定时器控制灌溉，比人工控制系统要节水的多。它可以依经验针对不同气候时段，设置不同程序。减少了灌溉控制随意性。此种情况下，灌水器采用喷头，水的实际利用率可达到65%70%，如灌水器采用高均匀度喷头或滴头，实际水利用效率应该能达到75%80%。如配上雨量传感器，风速传感器，水利用效率还能高一些。但灌溉程序设定仍是依赖于管理人员的经验或参照有关参考数据。如管理人员经验不足，或获得的参考数据准确性差，编制的程序会导致灌水过量或不足。因此这种控制方法距精准化灌溉差距仍远。尽管如此，这种方法，在发达的西方国家，广为采用。依笔者估计，美国的园林灌溉系统约有90%，采用此种控制方法。其优点是投资少，易于操作，灌溉水的有效利用率比手动控制提高很多。 智能化，精准化灌溉技术是伴随着计算机应用技术、传感器制造技术、塑料工业技术的提高而逐步实现的。 智能化中央计算机灌溉控制系统大约在80年代初由雨鸟公司、摩托罗拉等几家公司开发、研制成功，并投入使用。由于技术复杂、应用难度大，价格高昂，这种控制设备最早应用于高尔夫球场灌溉系统的控制上。90年代，计算机工业的硬件、软件飞速发展，使得灌溉系统中央计算机系统操作难度越来越小，功能越来越丰富，价格也逐渐降了下来。这种系统在园林绿化上用得也越来越多了起来，雨鸟公司针对不同用途，研制、开发出了中央计算机控制系统：Maxicom. 据雨鸟公司统计，全美平均每个州安装有约30套左右这种系统。其中著名的项目有：迪士尼世界及迪士尼乐园；微软总部；英特尔总部；摩托罗拉总部；全球最大的拉斯维加斯米高梅（MGM）大饭店；拉斯维加斯公园处所属城市绿地及34个公园；斯坦福大学校园；普度大学校园等等。智能化灌溉中央计算机控制系统具有如下功能：1. 自动采集各种气象数据，计算并记录蒸发蒸腾量ET； 2. 根据前一天的ET值自动编制当天灌溉程序并实施灌溉； 3. 可由连接的土壤湿度传感器、风速传感器、雨量传感器等干涉程序，启动、关闭、暂停灌溉系统； 4. 连接流量传感器可自动监测、记录、警示由于输水管断裂引起的漏水及电磁阀故障；最大限度利用管网输水能力； 5. 运行程序而不起动灌溉系动（干运行），测试程序合理性，不合理时预先修改； 6. 自动记录、显示、储存各灌溉站的运行时间；自动记录、显示、储存传感器反馈数据，以积累资料，修改程序，修改系统等。 7. 频繁灌溉功能：可将设计好的灌水延续时间分成若干时段，以便提供足够的土壤入渗时间，减少坡地或粘性土地地面径流损失。 8. 一套中央计算机系统可控制无数台田间控制系统（称为卫星站）。 9. 储存数百套灌溉程序； 10. 一台田间控制器（卫星站）可使4个轮灌区独立灌溉或同时灌溉； 11. 手动干涉灌溉系统：可在阀门上手动启、闭系统，可在田间卫星站上手动控制系统，也可在计算机上手动启、闭任何一站，任何一个电磁阀。 12. 一套中央计算机控制系统可控制小到一个公园， 大到上百个公园，甚至全城的所有灌溉系统。 13. 可控制灌溉系统以外的其它设备，如：道路或公共场所灯光，大门、喷泉、水泵等 14. 有线、无线、移动通讯、电话线多种通讯功能选择。 智能化中央计算机控制系统主要由中央计算机，集群控制器(CCU），田间控制器（卫星站），电磁阀构成。中央计算机可装置在任何一个地方。比如：一套中央计算机系统控制50个公园的灌溉系统。中央计算机可安装在市园林局认为合适的位置。CCU安装在各个公园内。中央计算机与CCU之间的通讯，可采用有线连接（近距离），无线连接，电话线连接或移动通讯方法连接。一台CCU最多可连接28个田间控制器。CCU与田间控制器之间同样可选上述数种通讯方式。 由中央计算机到终端电磁阀的工作过程为：中央计算机编程，并将程序下达到CCU。CCU将各轮灌区灌溉控制程序再发到相关田间控制器。田间控制器依中央计算机制作的程序启闭各轮灌区电磁阀。如下图所示： 中央计算机上的初始程序由控制人员编制。之后，计算机每日自动收集由气象站采集的气象数据，计算ET值，并不断对原有程序自动修改。如遇传感器传来异常信息（如降雨，过分干燥，系统漏水.），自动中断或暂停程序，待异常情况排除后，继续恢复程序运行。 如果将雨鸟公司的智能泵站连接到中央计算机控制系统上，则效果会更好。这样从水泵到电磁阀之间复杂的系统将由一个高度智能化的系统管理起来，可做到最大限度地节水、节能，最大限度地保护系统设备运行，避免灌溉系统常发生的下列几种问题：过量灌溉或灌水不足，浪费水资源或不能满足植物需水； 管网破裂，漏失水； 系统运行压力不合理； 水泵运行效率低下； 地形起伏不平时或土壤入渗率低产生地面径流，浪费宝贵的水资源； 降雨时，灌溉系统照常灌溉； 管理、维护成本高。 采用这种智能化控制系统 ，节水效果非常显著。以微软公司为例：1994年开始采用雨鸟智能化中央管理系统MAXICOM。之前，采用的是雨鸟定时式控制器。与94年之前相比，该年总用水量降低了35%，水费+总运行费降低了40%。要做到精准灌溉，除了要采用高度智能化的中央计算机控制系统外，还必须采用高度节水的灌水器。 目前常用的园林节水灌溉灌水器有喷头，微喷头及滴头。由于种种原因，我国园林灌溉采用滴灌的还很少。单喷头均匀度是反映喷头性能的一个很重要指标。经过几十年的努力，国际上知名的几家灌溉公司生产的园林喷头均匀度已相当高。 喷头组合间距选择，决定系统灌水均匀度。应当根据不同条件，严格依规范布置。喷头的工作压力及喷嘴的合理选择不只影响系统流量及喷洒距离，还影响雾化程度。雾化程度其实是一个很重要的指标。如果太高，漂移损失及蒸发损失太大，会浪费很多水。有的官员在验收草坪喷灌系统时，以是否雾化为标准，这是大错特错的。 要保持一个灌溉系统各点上的压力完全一样是十分困难的。为消除因局部点上压力过高而引起雾化太高，浪费水，设计人员应在该点上布置带压力调节功能的喷头。带压力调节功能的喷头通常用PRS表示。如：雨鸟1804止溢，压力补偿喷头，其型号为1804-PRS。此外，还可在电磁阀上安装压力调节器。将压力限制在合理范围。 要真正做到精准化灌溉，最适宜的灌水器为压力补偿滴头。 目前滴灌广泛应用在花卉，灌木及行道树上。但应用在草坪上的不多。原因是滴头必须埋在地下。滴头出水量一般很小（28升/小时），一次灌水时间很长。如果采用滴灌，草的部分根系会长时间处于饱和状态下，吸不到足够的氧气，久而久之，会烂根，草叶枯黄，直至死亡。 压力补偿滴灌设备如滴灌管，滴灌带，管上滴头，出水十分均匀。雨鸟生产的压力补偿滴灌管当压力在0.64.2bar范围内变化时，出水量基本相同。智能化、精准化灌溉代表当代最先进的灌溉技术。采用这种