临沂市园林直属管理所
摘要：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，水资源日益紧缺已经对中国经济社会发展构成了的威胁，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，精准灌溉作为其中的重要一环得到了各方人士的重视。笔者首先分析自动控制灌溉实现的理论基础，然后介绍自动节水灌溉系统的原理及组成，最后完成城市绿地节水灌溉的典型设计。
关键词：太阳能；节约型园林；节水灌溉；自动控制
一、现阶段我国绿化灌溉存在的问题
1.传统的绿地灌溉既浪费人力又浪费水资源，据统计人工漫灌造成了70%的资源浪费。近年来，绿地灌溉逐步采用自动灌溉的方式，但自动灌溉设备仍依赖市电网提供电能，这样一来，一是加重了电网的用电负荷，二是有些区域根本无法采用市网供电。
2.由于我国北方气候普遍较南方干燥，年均降雨量少，灌溉条件成为北方城市园林绿化发展、景观植物品种选择的主要限制因素。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。近年来，绿地喷灌系统的研究发展很快，出现了很多不同种类的灌溉自动控制装置。但市场上绝大多数滴灌系统装置，存在着维护成本高、界面单一不可调、无太阳能供电、雨水回收利用等弊端。
二、研究方案的设计思想
1.设计思想：首先，根据灌溉面积、苗木种类来确定需要的用水量，根据用水量来推算水泵的功率、流量，再确定太阳能电池板的功率及蓄电池的容量等。
2.通过实际测量太阳能输出端参数，验证太阳能电池板的输出功率是否满足蓄电池充电的需要以及系统主要负载（水泵）的抽水性能。
3.采用外加直流电的方式来驱动水泵直接工作，计算注满储水容器所需时间，根据各个季节的日照时间进行对比参考，为系统进一步的优化设计提供依据。
4.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。
5.传统的节水灌溉一般都是以人工干预为主，利用一些测量、监测手段进行观测，不能准确全面反映植物需水生长状态和周围的环境等情况。随着科学技术的迅速发展，电子产品的推广，精准化自动控制节水灌溉技术开始在城市绿地灌溉中得到应用。在中国城市用水量日益增长，而城市可用水资源日益匮乏的情况下，利用有限的资源取得最大的生态效益，利用此控制灌溉系统进行精细化操作，升级目前普遍存在的粗放式管理，有利于水资源的充分利用和城市的可持续发展。
三、研究内容
主要研究一种节水的绿地自动灌溉系统。此系统采用太阳能电源供电，根据太阳辐射强度、土壤特性等系列因素以及采用先进的自动控制技术来实现整个灌溉系统的节水节能。该系统主要包括两个部分：太阳能独立供电部分、绿地自动灌溉部分。主要研究内容与任务如下：
A、供电部分：
（1）通过对灌溉系统用水量需求分析，确定水泵的功率、流量，再确定太阳能独立供电部分输出功率；其结构由太阳能自动跟踪、发电蓄电主回路、供电控制部分三大部分组成，通过自动跟踪提高系统供电效率。并通过建立仿真模型以及试验来验证所研究的内容。
（2）为解决太阳能不稳定，导致绿地灌溉无法按需灌溉的问题，加装了蓄电瓶和蓄水储能的灌溉方式。
太阳能电池板所产生的是不稳定的直流电，且无法实现最大功率输出，负载中直流水泵、自动跟踪部分电机与控制电路、自动灌溉部分的电磁阀与自动监测控制电路以及各外部传感器等用电设备都需要稳定且电压等级多样的直流电源。为了解决这些矛盾，采取供电主回路首先通过直流斩波电路，实现太阳能电池板最大功率输出点跟踪并将变化的太阳能电池输出电压转换成稳定输出的24V直流电。其次通过以降压电路满足各级负载需要，驱动各种直流装置，最终系统提供的电压等级有5V、12V、24V的直流输出。
如下图
（3）自动跟踪控制模块
跟踪系统主要由单片机CPU、太阳跟踪传感器和信号处理单元、外部时钟、伺服模块和输入、显示模块组成，单片机在接收到外部时钟和光电信号处理单元的信号后，通过伺服模块完成跟踪动作。其结构图如图所示：
自动跟踪控制原理图
B、绿地自动灌溉部分：
城市绿地一方面多呈现不规则形状，对水量、灌溉方法等的要求各不相同；另一方面考虑到城市绿地的景观生态作用，园林绿地一般是乔灌草相结合的配置方式，或单一的行道树及绿地。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求的因素外，实际还要考虑一些精确参数，如植物的需水量、植物要求的灌溉位置、灌溉设备的选择、支管压力，水质质量、灌溉设备的维护保养等。
现选择一块乔灌草相结合的绿地进行试验操作。采用的灌溉方式主要有滴灌和微喷灌，系统工作模式有以下几种：
（1）当太阳辐照较强，环境因素要求灌溉系统灌溉。太阳能独立供电环节输出功率且满足水泵工作功率要求时，控制电路启动水泵、电磁阀开启实施灌溉，同时多余电能通过水泵将电能转换为水能储存。
（2）当太阳辐照较强，如灌溉环境因素不需要灌溉系统工作，则系统电磁阀关闭，控制电路启动水泵，电能通过水泵将电能转换为水能储存。
（3）当太阳辐照较弱，灌溉环境因素要求灌溉系统工作。此时太阳能供电环节输出功率小于水泵工作功率要求时，控制系统停止水泵工作，直接调用蓄水塔中的水实施灌溉。
（4）当太阳辐照较弱，土壤水分传感器检测灌溉环境不要求灌溉系统灌溉，则系统既不启动电磁阀灌溉，也不启动水泵实施抽水蓄能。
蓄水储能模块结构图
其工作原理是当植物活力仪的检测值低于植物需水信息设定值，同时上层土壤水分传感器的检测值低于上层土壤含水量的设定值时，灌溉监测控制器将给相应的电磁阀发出启动信号，启动喷头开始灌溉工作。同时，下层土壤水分传感器实时检测土壤含水量信息，当其测量值与下层土壤含水量设定值的偏差不超过2%时，灌溉监测控制器将给相应的阀门发出停止信号，喷头关闭，完成灌溉工作。针对不同的植物、不同的季节，上下层的土壤水分传感器设定值是不同的。
系统工作原理如图1：
在我们临沂市绿化灌溉实际为例，灌溉需求较大月份主要为3、4月植物萌蘖、开花期，以及9、10月气温高，植物蒸腾量大但降雨相对较少期间，其余月份植物蒸腾作用较弱或雨季降雨量充足，相对灌溉需求少。试验重点研究灌溉需求较旺盛的这4个月上水量数据。
通常的实际应用中对绿地实施灌溉，往往是通过有经验的园林工作人员根据土壤的干湿度、所处环境的光照强度或者空气的温度等等而做出判断是否需要灌概，而灌溉过程中灌水量就更加依赖工人的个人经验。由于绿地自动灌溉系统与一般的农业生产灌溉最大的不同就是前者只需要保证绿地中的植被满足基本的生理需水量。所以通过专家、工人的经验实施灌溉的方法基本能够保证绿地灌溉需求，我们所研究的本绿地系统灌溉从自动化、精量化出发，通过利用模糊控制的方法把先进的控制技术引入到绿地灌溉中来，模糊控制在灌溉系统中是把灌溉对象作为一个“黑匣子”，把工作人员对灌溉对象的操作经验通过模糊数学的方法转换成“模糊规则”，再通过具体的控制系统的硬件与软件模仿相关专家的知识与实际操作经验来实现具体操作。
结束语
1.本研究把太阳能发电技术和绿地自动灌溉系统相结合，由于太阳能发电在现今的技术水平下已经非常成熟并且发电成本逐渐降低，是一种可持续、清洁的能源。在追求环保的今天，把太阳能发电技术应用在小型独立发电的场合还是比较有前景的。目前我市大约有25%的绿化面积尚处在郊外无电网覆盖的区域，这一技术的推广应用无疑又增加了一种新的自动化灌溉方式。
2.本系统对自动控制灌溉实现进行可行性研究，对城市绿地自动节水灌溉系统的原理、组成进行阐述，并完成城市了绿地灌溉试验区的自动控制节水灌溉系统的设计。下一步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，通过对不同绿地配置方式下的节水灌溉技术的分析研究，正确评价城市绿地的节水灌溉方式，为城市绿地节水灌溉工程技术的选择和自动控制系统的应用提供技术支持，建设科技含量高的节水型城市绿地，逐步采用高标准的城市绿地灌溉技术，科学合理地选用喷灌、微灌、滴灌等先进的灌溉方法，结合城市化进程的推进，在城市绿地中，应用智能化、精准化自动控制灌溉将成为城市绿地灌溉的方向。
参考文献：
[1].向欢---太阳能光伏绿地自动灌溉系统研究
[2].宋秀瑜---城市绿地节水灌溉自动控制研究
论文作者:王伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：绿地论文; 系统论文; 城市论文; 太阳能论文; 水泵论文; 自动控制论文; 节水灌溉论文; 《基层建设》2019年第5期论文;