城市绿地节水灌溉自动控制研究

1、2011,27(6):317-321 Chinese Agricultural Science Bulletin城市绿地节水灌溉自动控制研究宋秀瑜1， 北京101512；北京林业大学水土保持学院， 摘 要：市进一步发展的必然选择， 控制灌溉实现的理论基础， 灌溉的典型设计和不同植物配置模式的设计。关键词：中图分类号：S24文献标志码：B论文编号：2010-3165Study on Automatic Monitor and Control of Water-saving Irrigation on Urban GreenbeltSong Xiuyu 1 , Zhang Xiaoxia 2 ,

2、Wang Xiuru 2 , Yang Jian 2 , Wang Honglei 2 ( 1Beijing Miyun Water Reservoir Administration, Beijing 101512; College of Water & Soil Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083)Abstract:That Increasingly scarce water resource has posed a serious threat to urban greenbelt in China&#

3、39;s economic and social development. And water-saving irrigation been carried out has become an inevitable choice for the further development of the city, the precision irrigation as an important part of which has been of great importance to all parties. This article analyzed the theoretical basis

4、to achieve automatic control of irrigation previously. Subsequently, the principle and form of urban greenbelt automatic water-saving irrigation systems were been introduced. Eventually, that the typical design for water-saving irrigation of urban greenbelt and the design of different plant configur

5、ation mode was completed.Key words:urban greenbelt; water-saving irrigation; automatic control; central computer 0引言水资源日益紧缺已经对中国经济社会发展构成了 1严重的威胁， 甚至成为经济社会发展的瓶颈。中国 城市用水十分紧张， 干旱缺水已成为城市生态环境建 2设最为主要的限制因素。城市绿地灌溉是城市用水 的大户。随着经济的发展和城市化进程的加快， 城市 绿地面积会大幅度增加， 城市绿地灌溉用水量也随之 逐年提高， 城市绿化用水总量在城市耗水量中的比重 3越来越大， 不但给城市用

6、水带来了很大的压力， 而且 水资源的紧缺已经严重影响了城市自然生态系统和社 会经济发展。因此， 开展城市绿地节水灌溉已成为城 市进一步发展的必然选择， 是当前解决城市用水压力 的有效措施， 也是保证城市绿化和水资源合理利用相 协调的一项重要措施， 对中国水资源的持续利用意义 重大。 传统的节水灌溉一般都是以人工控制为主， 利用 温度计、 土壤湿度计等监测手段进行观测， 未能准确全 面了解作物需水肥状况、 生长状态和周围的环境等情 况。随着电子信息技术的迅速发展， 智能化、 精准化自 动控制节水灌溉技术在城市绿地灌溉中得到应用， 提 高水资源利用率， 缓解水资源日趋紧张的矛盾， 降低管 理成本4

7、。在中国城市用水量日趋增长， 而城市可用基金项目：第一作者简介通讯作者：林业大学67信箱，：收稿日期：修回日期：2010-12-24。·318 · 水资源日益匮乏的情况下， 中国农学通报3种灌水模式综合起来， 通过配备先进的监测系统、 信 大的生态效益， 代目前普遍存在的粗放灌水方式， 以实现城市绿地精确节约灌水9。 1自动控制灌溉的理论依据1.1生物学理论水分亏缺是限制植物生长的重要因素5。在城市 绿地灌溉研究过程中， 掌握各种绿化植物的耗水和生 长特性， 对有效节水和实现节水灌溉自动控制有重要 意义。西北农林科技大学李文华等研究表明， 不同土

8、 壤水分处理对植物的茎重、 根重、 总生物量影响显著， 植物的叶片相对含水率和单株耗水量均随土壤水分的 6降低而降低。只有当土壤含水率高于某一阈值时 （植物存活阈值） 植物才能存活； 在此之上更高的某一 阈值时 （植物拥有最大生物量阈值） 才能保证植物拥有 6-8较大的生物量。对于景观植物而言， 不需要拥有最 大生物量， 只要保证一定的观赏水平即可， 这是实现节 水灌溉自动控制的生物学依据。因此， 掌握植物的需 水量变化、 准确测量土壤含水率， 将植物根部附近的土 壤含水率控制在植物存活阈值和植物拥有最大生物量 阈值之间， 就能有效节水且保证植物的正常生长， 具有 6,8重要的现实意义。1.2

9、自动控制理论自动控制是使生产或其他过程按照预先编制的工 作程序自动进行， 当被控制的对象运行时， 无需更多的 人直接参与。自动控制技术、 计算机技术、 通讯技术等 电子信息技术的快速发展， 为实现节水灌溉的自动控 制提供理论依据和技术支撑。自动控制灌溉系统是将 灌溉节水技术、 植物栽培技术及节水灌溉工程的运行 管理技术有机结合， 通过计算机通用化和模块化的设 计程序， 构筑供水流量、 压力、 土壤水分、 植物生长信 息、 气象资料的自动监测控制系统， 能够进行水、 土环 境因子的模拟优化， 实现灌溉节水、 作物生理、 土壤湿 度等技术控制指标的逼近控制， 从而实现城市绿地节 水灌溉的自动控制9

10、。近年来相关研究已经深入到将 气象因素、 蒸腾量和土壤含水率相结合的综合灌溉控 8,10制。自动控制节水灌溉系统可分为闭环控制节水 灌溉系统和开环控制节水灌溉系统。无论闭环还是开 环控制节水灌溉系统， 均实现了主阀门、 过滤器自冲洗 和管网水流分配的全过程自动控制。在城市绿地节水 灌溉中普遍应用典型的闭环中央计算机控制系统。2城市绿地节水灌溉自动控制系统2.1城市绿地自动控制灌水原理自动控制灌水是将灌水时间、 灌水量和灌水深度（图1） 中央计算机控制系统 实现集中操作监控， 离散分布工作。通过自动气象站收集温度、 相对湿度、 灌水量、 风速、 辐射等气象参量， 通过土壤水分传感器 采集土壤湿度

11、数据， 经有线或无线的信号传输线传送 给中央计算机； 中央计算机按照预置的控制方法对数 据进行分析处理， 根据结果向控制器发送控制命令， 控 制器收到指令后控制对应的电磁阀的开启和关闭， 实 施城市绿地节水灌溉自动控制， 同时控制器将相关信 息反馈给中央计算机控制系统， 周而复始， 构成一个闭 环控制的自动控制灌溉系统3,8,11。同时自动控制灌溉 系统可自动监测管道、 电磁阀、 水泵等设备故障并报 警， 可做到最大限度地节水、 节能， 并保护系统的正常 设备运行。自动气象站 中央控制系统 土壤水分传感器管 控制器道 电 机 输 磁 泵植物土壤 水阀 图1城市绿地节水灌溉自动控制系统2.2城市

12、绿地自动控制系统组成城市绿地灌溉自动控制系统由一套中央计算机、 （图2） 另外还有相 多套田间控制器、 多个电磁阀组成 ， 应的通讯设备和系统软件作为支撑。2.1.1中央计算机即中央计算机决策和控制设备过滤 站控制器， 是整个控制系统的控制中心， 被看作是自动 控制系统的大脑。通过自动气象站收集与植物需水相 关的气象参量， 如温度、 相对湿度、 灌水量、 风速、 辐射 等。通过土壤水分传感器采集土壤湿度数据， 经有线 或无线的信号传输线反馈到中央计算机， 计算机会自 动决策当天所需灌水量， 并向电磁阀发出电信号， 开启 及关闭灌水系统12。管理人员可通过中央计算机了解 灌溉状态和灌溉历史记录1

13、1。灌区的当前土壤湿度、 2.1.2控制器在灌溉自动控制过程中， 控制器作为信 息中转和信号转换的中间环节起到了一个承上启下的 作用11。控制器带有网络通讯功能， 它接收中央计算 机的控制指令， 按照程序开启或关闭相应的电磁阀， 从 而实现自动化灌溉。每个控制站都配备有土壤湿度传·319 · 中央计算机控制灌溉系统 输水部分机 组 灌 管 中 、过 水 网央 器 滤 计 器 算 机 控 制 系 统控制部分 数据采集系统 灌溉控制系统土 自 壤 控 动 水 控 电 信 解 制 气 分 制 磁 号 码 线象 传 器 阀 线 器 站 感 器 图2中央计算机控制灌溉系统组成 感器和

14、数据采集传输器， 性实施自动灌溉 节水的目的。2.1.3电磁阀电磁阀是整个系统的最末端执行机构。 一般为隔膜阀， 电磁阀腔内由一个特制的橡胶隔膜隔 开。隔膜在水压作用下上升， 将阀门打开。隔膜在水 压作用下落回隔膜座时， 关闭阀门。3城市绿地节水灌溉自动控制系统的设计3.1试验区概况为了对城市绿地节水灌溉进行系统的研究， 北京 林业大学王秀茹教授主持开展了 “城市绿地节水灌溉 技术集成与指标体系综合评价工程” 研究课题， 课题试 位于东经116°51 验区选在北京市密云水库管理处， 北纬40°22。该区为暖温带大陆性半湿润半干旱季 风型气候， 四季分明， 干湿冷暖变化明显，

15、 年平均气温 为10.8 ， 年 平 均 降 水 量 为488.9 mm， 均 降 水多 年 300700 mm。 北京市密云水库管理处场地内整体上采用自然式 的植物布局。在植物材料的选择上遵循乡土树种为 主、 适地适树、 乔灌草相结合的原则。在此基础上进行 不同叶色植物、 不同高度植物以及不同花期植物的搭 配， 力求在观赏方面上呈现空间、 时间上的丰富变化， 在生态环境效益方面有最佳的组合搭配。3.2自动控制系统设计城市绿地一方面多呈现不规则形状13， 对灌水量、 灌水方法等各不相同7； 位置、 另一方面考虑到城市绿 地的景观生态作用， 城市绿地一般是乔灌草相结合的 配置方式， 或单一的行道

16、树及绿地。因此， 对草坪上乔 灌、 花卉的微灌设计除了考虑一般灌溉系统所要的因 备的选择、 支管水压力、 水量水质、 灌溉制度及设备的 维修等14。城市绿地灌溉系统的设计在满足绿化苗 木、 花卉、 草坪等植物生长的正常水分供给需要的同时 还要兼顾与现有景观相互协调配合， 保持良好的景观 效果13。 （图3） 一般包括用于城市绿地灌溉的微灌系统 ， 控 首部枢纽 中央 制 箱 水源 计算机解 码 器土壤水分传感器 灌木 花卉 草坪 草坪 电磁阀 自动气象站 喷头 灌木 乔木花卉 花卉 草坪 草坪 图3城市绿地节水灌溉自动控制系统设计图·320 · 中国农学通报控制系统 3.2

17、.3数据采集系统数据采集系统包括SD210传感 器解码器和FDR(MP-406)精密土壤湿度传感器。每 个灌溉小区埋设1个FDR土壤湿度传感器(MP-406)， 每个FDR土壤湿度传感器与1个SD210传感器解码器 通过SD210将数据返回至中央控制系统分析数 行） 承插式连接件等。电磁阀以下接连支管， 3.3不同植物配置模式可在该处测压。3.2.1中央控制系统在密云管理处办公楼内， 设置一 个中央控制室， 内配一套中央控制系统， 包括计算机、 控制器等。整个自动控制系统选用雨鸟公司的 SiteControl中央控制系统， 通过SiteControl中央控制 器， 可为灌溉系统设置灌水日期、

18、运行时间、 链接程序 ET进度表、 传感器启动、灌水程序等。交互式地图实 现最大程度的控制站点， 且易于操作人员编程、 监控和 发现并解决故障。SiteControl中央控制系统具有高级 绘图特性， 可通过地图及屏幕显示图表显示所有站点 的运行情况、 流量过程线等， 并有状态报告显示。3.2.2灌溉控制系统自动控制器与中央控制系统连 接,从自动控制器接出主电线连接FD-401田间解码器 和SD210传感器解码器。每个FD-401解码器可单独 控制4个电磁阀。每个电磁阀处添加1个PRS-D压力 调节器， 以保证在电磁阀出口处有一个恒定压力。泵 的电源处设置电磁继电器和转换开关， 电磁继电器与 中

19、央控制系统控 制 首部枢纽 箱 水源 解 码 器图例 干管 花卉 草坪 支管 堵头 道路 探测器 喷头 信号线 电磁阀 图4草坪、 花卉试验小区平面布置示意图城市绿地植物品种多样， 不同植物对水分的需求 量不同， 同一种植物在不同生长阶段和季节需水量也 不同15。从植物种类划分， 乔灌木类用水量低于草坪 地被类植物， 而且乔灌木对改善城市生态环境效益显 著， 因此在城市绿地植物配置中， 应坚持以树木为主 体。近年来出现的 “草坪热” 以草代木、 ， 砍树种草， 造 成城市绿地景观单调， 既不适应城市需求， 又造成了大 量人力、 物力的浪费。因此， 需要对城市绿地配置方式 进行分析研究。通过对不

20、同的城市绿地配置方式下的 节水灌溉技术进行研究， 正确评价城市绿地的节水灌 溉方式， 为城市绿地节水灌溉及配置方式的选择提供 理论依据。 城市绿地配置方式主要包括草坪绿地、 灌草结合、 乔灌草结合以及乔草结合。根据该项目及密云水库管 理处的实际情况， 本项目进行中央计算机控制系统下4种植物配置模式灌溉试验。4种配置模式试验小区 （图4） 灌木、 分别是草坪、 花卉试验小区 ； 草坪、 花卉试水源 图例 花卉 花卉 干管 干管 灌木 支管 支管 灌木 草坪 道路 道路 草坪 堵头喷头 喷头 堵头 闸阀 闸阀 图5灌木、 草坪、 花卉试验小区平面布置示意图 ·321 · 水源水

21、源 图例 图例 干管 花卉 干管 支管 灌木 支管 道路 草坪 道路 微喷头 微喷头 乔木 堵头 闸阀 堵头 花卉 灌木 草坪 闸阀图6乔木、 灌木、 草坪、 花卉试验小区平面布置示意图 （图5） 乔木、 （图6） 3验小区 ； 灌木、 草坪、 花卉试验小区 ； （图7） 乔木、 草坪、 花卉试验小区 。采用得灌溉方式主 4要包括自动化控制下的低压喷灌、 微喷灌等。4结论5笔者系统研究了自动控制灌溉实现的理论依据， 城市绿地自动节水灌溉系统的原理、 组成， 并完成城市 6绿地灌溉试验区的自动控制灌溉系统的设计及城市绿 7地节水灌溉的典型设计。根据 “城市绿地节水灌溉技 术集成与指标体系综合评价

22、工程” 项目总体目标， 课题 8组还将对城市绿地在不同工程配置方式和节水灌溉工 程技术下的自动控制灌溉状况进行数据收集与分析， 9通过对不同的城市绿地配置方式下的节水灌溉技术的 图7乔木、 草坪、 花卉试验小区平面布置示意图罗茂婵.城市绿地节水灌溉效益评价方法研究D.北京:北京林业 大学,2006. 匡秋明.都市绿发精准变量灌溉控制系统的研究D.北京:北京林 业大学,2007. 杨建伟,韩蕊莲,魏宇昆,等.不同土壤水分状况对杨树、 沙棘水分关 系及生长的影响J.西北植物学报,2002,22(3):579-586. 李文华,刘广权,马松涛,等.干旱胁迫对苗木蒸腾耗水和生长的影 响J.西北农林科技大学学报:自然科学版.2004,32(1):61-64. 赵燕东,章军富,尹伟伦,等.按植物需求精准节水灌溉自动调控系 统的研究J.节水灌溉,2009(1):11-12. 匡秋明,赵燕东,白陈祥.节水灌溉自动控制系统的研究J.农业工 程学报,2007,23(6):136-139. 徐征和,吴俊河,丁若冰,等.自动化灌溉控制