城市草坪智能化灌溉系统方案

城市草坪智能化浇灌系统方案

1系统概论

1.1绿地浇灌特点

园林草坪是为改善环境、增加美感、陶冶性情等目的而栽植的，因此要求它

们最好常年生长皆绿，每年只需剪而不必种植，另外，草坪使土壤渗吸速度降低,

要求采纳少量频灌法浇灌，而且为了节约劳力和资金、提高喷灌质量的要求，园

林草坪浇灌大多采纳自动化限制固定式喷灌系统。同时绿地浇灌具有如下特点：

1.绿地浇灌要求水质和喷洒质量较为严格，特殊是对高级欣赏植物和高尔夫

球场的草皮，要求喷灌匀称度较高，如有漏喷或喷洒过量都会造成严峻损失。

2.草坪喷灌多数在夜间进行，其缘由之一是草坪白天喷灌，蒸发损失大。一

般夜晚喷灌时能比白天少消耗10%以上的水量;缘由之二是有些草坪白天不允许

喷洒，如高尔夫球场进行竞赛、公园消遣区进行文娱活动等。

4喷灌系统不能影响草坪的维护作业.草坪须要常常性的修剪、植保、施肥

等，这些作业往往由机械完成。因此，须要选择特殊的设备。

4.喷灌系统在满足草坪需水要求的同时，需充分留意景观和环境效果。细心

设计的喷灌系统，通过正确选择喷头和进行喷点的布置，不仅能满足草坪需水，

而且在灌水时可以形成水动景观效果。

5.全自动化浇灌系统不须要人干脆参加，通过预先编制好的限制程序和依据

反映作物需水的某些参量可以长时间地自动启闭水泵和自动按肯定的轮灌依次

进行浇灌。人的作用只是调整限制程序和检修限制设备。这种系统中，除灌水器

（喷头、滴头等）、管道、管件及水泵、电机外，还有中心限制器、自动阀、传感

器（土壤水分传感器、温度传感器、压力传感器、水位传感器和雨量传感器等）

及电线等。

托普物联网针对智能化浇灌系统也做出了一些的探讨与开发，并与浙江高校

合作，已经研发出了针对不同浇灌类型的方案，同时也进行了实施，在实践中探

讨系统的适用性，针对不足做出新的补充，力求为中国农业的发展作出贡献。

1.2我国绿地浇灌现状及展望

1.2.1我国绿地浇灌现状

由于经济技术等缘由，过去我国草坪浇灌基本上是以人工浇灌为主，这种浇

灌方法只能变更土壤湿度，对绿地植物生长的小气候影响小，灌水定额较大，不

便实施适时适量浇灌，水的利用率低，这种方法也许有80%的水由于深层渗漏及

无效蒸发损失掉。

草坪浇灌宜选择喷灌，喷灌以其节水、保土、省工、适应性强、养护质量高、

景观效果好等优点，在城市绿地草坪中应用广泛。喷灌灌水器覆盖面积相对较大,

并且喷点少，不影响绿地面积的整体美观，相对于传统漫灌节水30%左右。大面

积草坪（高尔夫球场、足球场、大型广场）采纳喷灌，既寸满足草坪生长需水的要

求，又可形成一道水景加绿地的风景线。

我国过去城市绿地浇灌多采纳大水漫灌或人工喷洒模式。此类浇灌不能刚好

灌水、过量灌水或灌水不足，难以限制灌水匀称度，对绿地作物的正常生长产生

不良影响。现在我国主要挂广的是半自动浇灌系统。此类系统如利用定时器限制

浇灌比人控园林草坪是为改善环境、增加美感、陶冶性情等目的而栽植的，因此

要求它们限制系统节水很多。可以依据阅历针对不同气候时段设置不同浇灌程

序，削减了浇灌的随意性。这种状况下，灌水器采纳喷头，水的实际利用率可以

达到65%—70%水器采纳高匀称度的喷头，实际水利用效率能达到75%—80机假如

再配上雨风速传感器浇灌水的利用率还可以增加。但浇灌程序设定仍是依靠管理

人步参考有关参考数据。如管理人员阅历不足或获得的参考数据精确性差，编伟

导致灌水过量或不足，距离精确化浇灌仍有很大距离。但由于其投资少，浇灌水

的有效利用率比手动限制提高很多，作为成熟的浇灌系统现阶段城推广的是此类

模式。

1.2.2我国绿地浇灌展望

智能化灌概系统是将来浇灌的发展方向。精确化，智能化浇灌技术是随机应

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。所谓智能就是依

据植物需水量对其进行浇灌。通过自动气象站采集每天的气象资料作物的作物系

数确定出每天绿地的耗水量。通过探测器将灌区的土壤水分湿丈螃湿度，日照时

数，风速，温度等数据收集起来发送到数据处理中，自，依据预需水量计算模型

进行需水量的计算。得到需水量后通过流量限制系统进行浇灌。

1.3智能化浇灌探讨动态

智能化浇灌主要由两个方面构成。首先是作物需水量的确定，包括何时及灌

多少水。其次是流量限制系统，确定如何支配灌水以使总的灌水费用最少需水量

确定的关键是参考作物腾发量即E几。

1.3.1国外智能化浇灌探讨动态

1990年，第十一届国际浇灌展览年会上提出计算机技术和传感器将广泛浇灌

限制管理系统中Isl。Marti。smith等I'］发表的浇灌规划及管理工具cROP件包,

采纳Penman—Montieth方程计算作物需水量还具有拟定浇灌制度和水支配、育

旨。利用仝生育期的作物水分生产函数估算有限供水状况下的作物减产损。

Tsakiri利用随机过程，Mariio等利用时间序列来预料参考作物腾发量。经

过全球范围内长期的探究探讨，联合国粮农组织FAO于1998年透定了Penman一

Montieth方程作为全球范围内唯一有效运用的参考作物腾发量计算方法，此前始

终沿用的是改进Penman法，缘由是某些地区后者有可能导致对作物需水量估算过

大。

ReeJ等及Pauls等利用多阶段决策过程，wardlawR等利用二次规划方法，以

浇灌供水效益最大为目标建立渠系配水模型。

wangz等将浇灌配水渠道概化为一组导管，每根导管向下面的一个或几个斗

口供水，即为一个轮灌组，采纳0—1规划法求解一个灌水周期内各斗口的最佳轮

灌组合，以达到整个配水渠道配水时间最短、流量稳定和输水损失最小。shyamR

等采纳线性规划模型进行渠道配水探讨，以净浇灌总收益最大为FI标，并考虑了

各级渠道实际放水时间、渠道输水、最小流量等约束条件，已胜利地应用于印度

的Go1awar&Go1aPar渠灌区。

1.4本文探讨思路

本文引进最新的智能化浇灌、计算机、科学算法等相关领域的探讨成果，探

讨城市绿地智能化浇灌系统的应用。主要进行了绿地作物需水量模糊推理系统及

浇灌运行中的流量限制系统探讨。

作物需水量模糊推理系统由自动气象站及探测器采集各种气象信息，依据

FA0于1998年举荐的Penlnan—Montieth方程计算出参考作物腾发量。同时利用被

浇灌作物在浇灌时的作物系数获得特定作物的作物腾发量E天，然后利用水量平

衡法对土壤含水率进行逐日计算。最终利用土壤含水率、当日作物腾发量、作物

生长最佳土壤含水率、气象预报等数据建立作物需水量计算的模糊推理系统。由

机组、过滤站

图2.1智能化浇灌系统基本组成图

2.2中心限制系统

中心限制系统基本工作原理：由气象传感器把植物需水相关的气象参量反馈

给中心限制系统，运算植物前一天损耗的水量，并确定今口是否补充水分和补充

多少水分;若须要补水，中心限制系统向各限制器发出指令限制其辖区内的机组

和电磁阀的启闭，在肯定时间内按肯定依次自动完成绿地浇灌并自动停机。限制

系统工作原理及其信息流程图见图2.2。

图2.2中心限制系统工作原理及其信息流程图

限制系统主要包括两大系统:作物需水量计算系统及流量限制系统。

作物需水量计算系统确定灌水量，流量限制系统确定如何实施浇灌，即限制

各电磁阀的各个限制器的分组轮灌依次。通过信息传输系统将浇灌支配发送给田

间限制器，由其支配各电磁阀进行浇灌。

如上所示，中心限制系统主要由作物需水量计算系统及流量限制系统构成。

2.2.1需水量计算系统

需水量计算系统利用农田水量平衡原理逐日对土壤含水量进行计算。

利用联合国粮农组织1FA0)举荐的彭蛀一蒙特斯(Penlnan—Montieth)公式

逐日计算参考作物蒸腾量，结合作物系数得到特定作物的作物蒸腾量。在获知作

物蒸腾量后，依据各种探测器可获知实时的气象资料，从而推算出土壤实时含水

量。为使土壤含水量保持在预定范围内，以土壤实时含水量及作物蒸腾量为输入

量，灌水量为输出量建立作物需水量模糊计算系统。利用自适应神经网络模糊推

理系统(ANFIS)对输入量隶属函数及模糊规则进行优化c

2.2.2流量限制系统

得到灌水量后，限制器的分组轮灌支配由流量限制系统选择限制。流量限制

系统结构图如图2.3所示。

各

控

约束

时间

灌制灌水

水器流

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水控

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间

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图2.3

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系统

限制

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约束

法对

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惩处

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定法

间限

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用搜

型，利

解模

为求

型。

解。

行求

型进

后模

优化

法对

传算

用遗

终利

介绍

3系统

简述

制