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智能化精準(zhǔn)化的灌溉
我國的城市大規(guī)模綠化已高速發(fā)展數(shù)年。北京申奧和上海申博成功，將在我國各大中城市掀起新的綠化高潮。 在城市中大規(guī)模綠化自然好處多多。如改善生態(tài)環(huán)境、美化城市、提高城市地位、增加旅游收入、改善投資環(huán)境，吸引外資等。但我們在獲得好處的同時(shí)，還應(yīng)十分重視其負(fù)面影響，如大量耗費(fèi)水資源，與其它行業(yè)爭水，可能影響國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
城市綠化植物為草、花、樹、灌木等。其中很多種植物水敏感性極強(qiáng)。供水不足，如遇干旱、高溫天氣，會(huì)迅速枯萎，直至死亡。我國大部分大、中城市嚴(yán)重缺水，而現(xiàn)行灌溉技術(shù)落后，水利用效率低下（有效利用率低于40%），大量綠化用水被浪費(fèi)掉。改善灌水技術(shù)，采用智能化、精準(zhǔn)化灌溉，努力提高水的利用率勢在必行。傳統(tǒng)的綠化用水，多由水車?yán)连F(xiàn)場，用人工皮管大水漫灌，這種方法大約有80%的水由于深層滲漏及無效蒸發(fā)損失掉。
近些年，管網(wǎng)供水、噴頭噴灑的噴灌灌水法，日漸流行起來，但管網(wǎng)控制大部分仍采用手動(dòng)法。這種方法隨意性大，常常發(fā)生該灌水時(shí)，無人開閥，不該灌時(shí)又無人關(guān)閥，一邊下雨一邊噴水，草地變?nèi)斯ずR路變排水渠的情況屢見不鮮。采用這種方法，至少有40%～50%的水浪費(fèi)掉。
利用定時(shí)器控制灌溉的方法在我國已采用6年多，但普及率很低，估計(jì)連1/10都不到。采用定時(shí)器控制灌溉，比人工控制系統(tǒng)要節(jié)水要多，它可以依經(jīng)驗(yàn)針對不同氣候時(shí)段，設(shè)置不同程序，減少了灌溉控制隨意性。此種情況下，灌水器采用噴頭，水的實(shí)際利用率可達(dá)到65%～70%，如灌水器采用高均勻度噴頭或滴頭，實(shí)際利用效率應(yīng)該能達(dá)到75%～80%。如配上雨量傳感器、風(fēng)速傳感器，水利用效率還能高一些。但灌溉程序設(shè)定仍是依賴于管理人員的經(jīng)驗(yàn)或參照有關(guān)參考數(shù)據(jù)。如管理人員的經(jīng)驗(yàn)不足，或獲得的參考數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差，編制的程序會(huì)導(dǎo)致灌水過量或不足。因此，這種控制方法距精準(zhǔn)化灌溉差距仍遠(yuǎn)。盡管如此，這種方法在發(fā)達(dá)的西方國家廣為采用。據(jù)筆者估計(jì)，美國的園林灌溉系統(tǒng)約有90%采用此種控制方法。其優(yōu)點(diǎn)是投資少，易于操作，灌溉水的有效利用率比手動(dòng)控制提高很多。
智能化、精準(zhǔn)化灌溉技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、傳感器制造技術(shù)、塑料工業(yè)技術(shù)的提高而逐步實(shí)現(xiàn)的。
智能化中央計(jì)算機(jī)灌溉控制系統(tǒng)大約在上世紀(jì)80年代初由雨鳥、摩托羅拉等幾家公司開發(fā)、研制成功，并投入使用。由于技術(shù)復(fù)雜、應(yīng)用難度大，價(jià)格高昂，這種控制設(shè)備最早應(yīng)用于高爾夫球場灌溉系統(tǒng)的控制上。90年代，計(jì)算機(jī)工業(yè)的硬件、軟件飛速發(fā)展，使得灌溉系統(tǒng)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作難度越來越小，功能越來越豐富，價(jià)格也逐漸降了下來。這種系統(tǒng)在園林綠化上用得也越來越多了起來，雨鳥公司針對不同用途，研制、開發(fā)出了中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：Maxicom。
據(jù)雨鳥公司統(tǒng)計(jì)，全美平均每個(gè)州安裝有30套左右這種系統(tǒng)。其中著名的項(xiàng)目有：迪士尼世界及迪士尼樂園、微軟總部、英特爾總部、摩托羅拉總部，全球最大的拉斯維加斯米高梅（MGM）大飯店，拉斯維加斯公園處所屬城市綠地及34個(gè)公園，斯坦福大學(xué)校園，普度大學(xué)校園等。
智能化灌溉中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有如下功能：
1.自動(dòng)采集各種氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算并記錄蒸發(fā)蒸騰量ET。
2.根據(jù)前一天的ET值自動(dòng)編制當(dāng)天灌溉程序并實(shí)施灌溉。
3.可由連接的土壤濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、雨量傳感器等干涉程序，啟動(dòng)、關(guān)閉、暫停灌溉系統(tǒng)。
4.連接流量傳感器可自動(dòng)監(jiān)測、記錄、警示由于輸水管斷裂引起的漏水及電磁閥故障，最大限度利用管網(wǎng)輸水能力。
5.運(yùn)行程序而不起動(dòng)灌溉系統(tǒng)（干運(yùn)行），測試程序合理性，不合理時(shí)預(yù)先修改。
6.自動(dòng)記錄、顯示、儲(chǔ)存各灌溉站的運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)記錄、顯示、儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鞣答仈?shù)據(jù)，以積累資料，修改程序、系統(tǒng)等。
7.頻繁灌溉功能：可將設(shè)計(jì)好的灌水延續(xù)時(shí)間分成若干時(shí)段，以便提供足夠的土壤入滲時(shí)間，減少坡土或粘性土地地面徑流損失。
8.一套中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可控制無數(shù)臺(tái)田間控制系統(tǒng)（稱為衛(wèi)星站）。
9.儲(chǔ)存數(shù)百套灌溉程序。
10.一臺(tái)田間控制器（衛(wèi)星站）可使4個(gè)輪灌區(qū)獨(dú)立灌溉或同時(shí)灌溉。
11.手動(dòng)干涉灌溉系統(tǒng)：可在閥門上手動(dòng)啟、閉系統(tǒng)，可在田間衛(wèi)星站上手動(dòng)控制系統(tǒng)，也可在計(jì)算機(jī)上手動(dòng)啟、閉任何一站、任何一個(gè)電磁閥。
12.一套中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可控制小到一個(gè)公園，大到上百個(gè)公園，甚至全城的所有灌溉系統(tǒng)。
13.可控制灌溉系統(tǒng)以外的其它設(shè)備，如：道路或公共場所燈光，大門、噴泉、水泵……
14.有線、無線、移動(dòng)通訊、電話線多種通訊功能選擇。
智能化中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由中央計(jì)算機(jī)、集群控制器（CCU）、田間控制器（衛(wèi)星站）、電 磁閥構(gòu)成。中央計(jì)算機(jī)可裝置在任何一個(gè)地方，比如 ：一套中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制50個(gè)公園的灌溉系統(tǒng)。中央計(jì)算機(jī)可安裝在市園林局認(rèn)為合適的位置，CCU安 裝在各個(gè)公園內(nèi)。中央計(jì)算機(jī)與CCU之間的通訊，可采用有線連接（近距離）、無線連接，電話線連接或移動(dòng)通訊方法連接。一臺(tái)CCU最多可連接28個(gè)田間控制器，CCU與田間控制器之間同樣可選上述數(shù)種通訊方式。
由中央計(jì)算機(jī)到終端電磁閥的工作過程為：中央計(jì)算機(jī)編程，并將程序下達(dá)到CCU；CCU將各輪灌區(qū)灌溉控制程序再發(fā)到相關(guān)田間控制器；田間控制器據(jù)中央計(jì)算機(jī)制作的程序啟閉各輪灌區(qū)電磁閥。
如果將雨鳥公司的智能泵站連接到中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)上，則效果會(huì)更好。這樣從水泵到電磁閥之間復(fù)雜的系統(tǒng)將由一個(gè)高度智能化的系統(tǒng)管理起來，可做到最大限度地節(jié)水、節(jié)能，最大限度地保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行，避免灌溉系統(tǒng)常發(fā)生的下列幾種問題。
1.過量灌溉或灌水不足，浪費(fèi)水資源或不能滿足植物需水；
2.管網(wǎng)破裂，漏失水；
3.系統(tǒng)運(yùn)行壓力不合理；
4.水泵運(yùn)行效率低下；
5.地形起伏不平時(shí)或土壤入滲率低產(chǎn)生地面徑流，浪費(fèi)寶貴的水資源；
6.降雨時(shí)，灌溉系統(tǒng)照常灌溉；
7.管理、維護(hù)成本高。
采用這種智能化控制系統(tǒng)，節(jié)水效果非常顯著。以微軟公司為例，1994年開始采用雨鳥智能化中央管理系統(tǒng)MAXICOM。之前，采用的是雨鳥定時(shí)式控制器。與1994年之前相比，該年總用水量降低了35%，水費(fèi)+總運(yùn)行費(fèi)降低了40%。
要做到精準(zhǔn)灌溉，除了要采用高度智能化的中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)外，還必須采用高度節(jié)水的灌水器。
目前常用的園林節(jié)水灌溉灌水器有噴頭、微噴頭及滴頭。由于種種原因，我國園林灌溉采用滴灌的還很少。單噴頭均勻度是反映噴頭性能的一個(gè)很重要指標(biāo)。經(jīng)過幾十年的努力，國際上知名的幾家灌溉公司生產(chǎn)的園林噴頭均勻度已相當(dāng)高。
噴頭組合間距選擇，決定系統(tǒng)灌水均勻度。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同條件，嚴(yán)格依規(guī)范布置。噴頭的工作壓力及噴嘴的合理選擇不只影響系統(tǒng)流量及噴灑距離，還影響霧化程度。霧化程度其實(shí)是一個(gè)很重要的指標(biāo)，如果太高，漂移損失及蒸發(fā)損失太大，會(huì)浪費(fèi)很多水。有的單位在驗(yàn)收草坪噴灌系統(tǒng)時(shí)，以是否霧化為標(biāo)準(zhǔn)，這是大錯(cuò)特錯(cuò)的。
要保持一個(gè)灌溉系統(tǒng)各點(diǎn)上的壓力完全一樣是十分困難的。為消除因局部點(diǎn)上壓力過高而引起霧化太高、浪費(fèi)水，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在特點(diǎn)上布置帶壓力調(diào)節(jié)功能的噴頭。帶壓力調(diào)節(jié)功能的噴頭通常用PRS表示。如：雨鳥1804止溢、壓力補(bǔ)償噴頭，其型號(hào)為1804-PRS。此外，還可在電磁閥上安裝壓力調(diào)節(jié)器，將壓力限制在合理范圍。
要真正做到精準(zhǔn)化灌溉，最適宜的灌水器為壓力補(bǔ)償?shù)晤^。
目前滴灌廣泛應(yīng)用在花卉、灌木及行道樹上。但應(yīng)用在草坪上的不多。原因是滴頭必須埋在地下。滴頭出水量一般很小（2～8升／小時(shí)），一次灌水時(shí)間很長。如果采用滴灌，草的部分根系會(huì)長時(shí)間處于飽和狀態(tài)下，吸不到足夠的氧氣，久而久之會(huì)爛根，草葉枯黃，直至死亡。
壓力補(bǔ)償?shù)喂嘣O(shè)備如滴灌管、滴灌帶、管上滴頭，出水十分均勻。雨鳥生產(chǎn)的壓力補(bǔ)償?shù)喂喙墚?dāng)壓力在0.6～4.2bar范圍內(nèi)變化時(shí)，出水量基本相同。
智能化、精準(zhǔn)化灌溉代表當(dāng)代最先進(jìn)的灌溉技術(shù)，采用這種技術(shù)是城市大規(guī)模綠化必由之路。
現(xiàn)階段，可先在大城市推廣。最適合的地方在大型公園，如北京的頤和園，將要建設(shè)的奧林匹克公園等；城市多街區(qū)綠地集中控制灌溉，大學(xué)校園綠地，大型小區(qū)綠地等。
水是制約可持續(xù)發(fā)展的最重要的因素，綠地灌溉將很快成為城市的用水大戶，節(jié)約有限的水資源關(guān)系到眼前及未來的發(fā)展。我們熱切希望智能化、精準(zhǔn)化灌溉技術(shù)能很快在我國推行起來。
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