社区绿地灌溉智能化设计与实效研究

清华大学附属中学（100084）　曲雪琪　孟　岳　薛靖凡　张亦驰

社区绿地灌溉智能化设计与实效研究

清华大学附属中学（100084）曲雪琪孟岳薛靖凡张亦驰

指导教师：唐秀梅

对于已有微灌设备的绿地，再加装上一些设备，并采集和调整这些附加设备在该绿地应用的相关数据，达到能够通过土壤的含水量自动控制绿地灌溉的时间和水量的智能化管理效果，以避免人工控制对水资源的浪费，达到节约水资源、提高用水效率的目的。

绿地灌溉；土壤含水量；智能化管理；节水

世界上许多事物是可以替代的：比如照明，没有电灯，可以点蜡烛；没有蜡烛，可以点油灯、松明火把等等。而水还没有任何物质可以替代，没有水，一切生命都将消失。地球上水的储量很大，但淡水只占2．5%，其中易供人类使用的淡水不足1%。据专家最新估计，全球陆地上可更新的淡水资源约42．75万亿立方米，其中易于使用的约12．5-14．5万亿立方米。按1995年人口统计，全球人均淡水资源约7450 立方米，其中易于使用的淡水人均约2180 -2440 立方米。可见，地球上的淡水资源是有限的。而我们的家乡北京属资源型重度缺水地区， 属 111个特贫水城市之一，是水库存水量全国下降最快的三个城市之一。人均水资源占有量不足 300立方米，是世界人均水资源量的1/25、全国人均水资源量的1/8，远远低于国际人均 1000立方米的缺水下限。水资源紧缺已成为制约经济社会可持续发展的一个瓶颈。

看了上面的几段文字，你会得到什么结论？对，地球上的水资源是十分宝贵而有限的。这就是一对矛盾，如何缓解这对矛盾呢？靠你、靠我、靠大家，更要靠科学。有研究部门分析，在城市生活中，居民日常生活中的淋浴及个人洗漱、冲厕、衣物洗涤及市政绿化具有较大的节水潜力。于是我们选择了社区绿地灌溉智能化管理作为研究课题，即绿地灌溉的时间和水量能够根据土壤的含水量（即湿度）来自动控制，以达到“节约用水，提高用水效率” 的目的。

一、调查研究设计

1. 社区绿地灌溉方式的调查

在日常生活中我们发现绿地的灌溉存在着一些不合理现象，为此，我们对十个社区进行了调查。结果如下：

（1）灌溉方式

?

（2）灌溉频率

?

调查结果分析：目前许多小区的绿地灌溉还是以最费水的漫灌为主，即使有比较先进和省水的喷灌或微灌系统也是由人为控制的。而且灌溉的频率也不等，时间安排上也不尽合理。也就是说小区绿地的花草树木此时是否需要灌溉，灌溉用水量的多少，完全靠人的感觉判断，没有能够做到按需灌溉，这样对水资源会造成很大浪费。

2. 可行性设备的调查

针对绿地灌溉的不合理情况，我们确定进行绿地灌溉智能化管理的研究，即绿地灌溉的时间和水量能够根据土壤的含水量（即湿度）来自动控制，以达到节约用水，提高用水效率的目的。为此我们又进行了可行性设备的调查，通过网上查找并向从事相关工作的家长咨询，我们决定用北京联创思源科技有限公司的自动灌溉设备，该设备主要用于新疆棉田自动灌溉的控制系统，没有小区绿地灌溉的实践，但从原理上讲可用于绿地灌溉的自动控制。

3. 实验区的确定

经过对比我们确定清华大学荷清苑小区最西南部的一片绿地作为我们方案实施的实验区。该绿地的土壤较干燥，安装有微灌设备，但是需要人工手动控制开关。我们从该小区物业部门了解到，我们实验区的绿地面积约1800平方米，每年从5月——10月为主要灌溉期。综合该绿地的情况，首先离我们学校比较近，利于观察和研究。另外针对该绿地已有微观设备，但是仍为人工控制，属于没能够按需灌溉，也会造成水资源浪费的情况，具有整改的基础和必要。所以经与物业部门和清华大学园林科商议，我们就将该绿地确定为实验区。

二、相关设备的结构及作用

1. 系统结构和设备相互作用关系

相关设备的结构和相互作用关系如下图所示：

2. 各设备的作用

水分传感器：测定土壤水分并将信息传输给采集器。

无线水分采集器：接收水分传感器信息，处理信息，发出信号给控制器。

无线阀门控制器：接受采集器信号，根据信号控制阀门。

控制阀：用控制阀代替手动阀，自动控制微灌开关。

微灌系统：自动控制的小区绿地灌溉系统。

三、观测数据和结果分析

1. 选点测量、定点布局

在绿地中要确定一个点来作为水分传感器（上图中1号设备）的布置点，这个点的土壤湿度要最接近绿地各个地点土壤湿度的平均值，这样才有代表性。于是我们在绿地中考虑地势高低、阴阳程度、分散程度等方面的因素，选择了五个地点作为测点。利用水分传感器测定各个测点的土壤含水量，连测十次，算出平均数。找出测点中在三天里最接近平均数的点位，将该点位定为水分传感器的布置点。

我们的测量的结果如下：

时间点1点2点3点4点5均值8月29日11:00 3．7 3．8 3．7 18．4 17 18 12．4 13．2 13．3 21．7 19．8 20．7 16．4 17．5 12．7 3．73 17．8 12．96 20．73 15．5 14．1 8月30日8:00 4．3 4．5 3．9 15．0 11．9 13．210．4 10．4 10．0 19．5 19．6 18．3 24．1 17．3 17．1 4．23 13．3 10．2 19．1 19．5 13．3 8月30日14:00 30．7 32．8 32．9 31．5 30．8 29．8 34．6 32．4 32．1 40．8 40．2 41．3 38．5 37．3 36．5 32．1 30．7 33．0 40．8 37．4 34．8 9月1日8:00 27．9 26．6 25．3 25．6 29．1 27．2 30．3 26．4 29．1 38．2 37．7 32．9 36．1 35．9 33 26．6 28．6 28．6 36．3 35．0 31．0 9月3日8:00 25．2 25．7 25．1 26．1 27．0 20．0 29．1 27．5 25．2 36．2 35．2 33．4 33．1 30．6 30．5 25．3 24．327．3 34．9 31．4 28．7 9月10日8:00 17．8 17．7 16．3 29．9 27．6 27．8 32．1 30．7 26．4 38．3 34．2 32．3 33 33．1 32 17．3 28．4 29．7 34．9 32．7 28．6 9月12日8:00 13．2 10．5 10．5 24．5 20．8 20．5 23．4 26．7 23．6 28．2 28．6 25．3 30．9 27．0 28．1 11．4 21．9 24．6 27．4 28．7 22．8 9月14日8:00 32．3 27 26．2 34 34 30．2 32．3 36．7 33．1 37．5 38．4 37．6 33．8 36．1 34．6 28．5 32．8 34 37．8 34．8 33．6 10月10日8:00 3．5 2．5 3．4 6．9 7 7．78．3 8 7．9 12．1 8．6 15．2 14．9 13．1 15．5 3．1 7．2 8．1 12 14．5 9 10月15日8:00 30．3 32．8 28．5 26 21．2 25 28．8 29．7 26 31．4 32．6 26．6 31．4 33．2 29．7 30．5 24．7 28．2 30．2 31．4 28．9

分析结果：对五个特征点进行了9天十次的测量，每个点位每次测其三个角度的数值，计算出平均值；再计算五个点位的平均值，结果为第5点有1次最接近平均值；第2点有4次最接近平均值；第3点有5次最接近平均值。最后将第3点位确定为土壤水分传感器的布置点位。

2. 数据采集、试行观调

绿地智能灌溉中必须要确定灌溉开始指令低限值和灌溉停止指令高限值，即土壤湿度低于多少开始灌溉、高于多少停止灌溉。为此我们与该绿地的灌溉工人联系，在即将灌溉前通知我们，测当时的土壤含水量，在浇灌完成后再测一次土壤含水量，如此进行若干次的测量，算出平均值，以此作为我们自动控制灌溉系统中灌溉开始指令低限值的参考和灌溉停止指令高限值的参考，以求最好的绿地保养和节水效果。

计算机采集灌前时间水分值灌后时间水分值第一次8月30日8:00 12．57% 8月30日14:00 27．45%第二次9月13日8:0019．83% 9月13日15:00 32．63%第三次10月13日8:00 13．55% 10月13日15:00 29．36 %平均值15．32%平均值29．81%

人工和计算机采集灌溉前后土壤湿度值统计表

经过一个多月的测量，并将人工测定值与计算机采集值进行对比，初步得出灌前（低限）值为15%左右，灌后（高限）值为30%左右。

3. 对比研究、效果统计

我们实验区的绿地总面积为1800平方米，为了进行用水量的统计和对比，得到节水效率的数值，以利于方案的改进和完善，我们将该绿地分为两部分，一部分用人工灌溉，一部分用设备进行自动灌溉。

人工自动人工自动人工自动水表读数起始0．2 0．2 14．2 13．4 37．2 31．9终止14．2 13．4 37．2 31．9 70．1 53．2用水量1413．2 23．18．5 32．9 21．3差值0．8 4．5 11．6节水率5．71% 19．4% 35．3%平均节水率20．14%

四、成果综述

1. 经济效益

经过设备安装后，对两块绿地灌溉用水量进行了数据采集和计算分析。初步得出节水效率为20%左右，灌前低限值约为15%，灌后高限值约为30%，达到了预期的效果。后经过一个灌溉季设备真正自动控制的统计，人工灌溉的一侧用水量为2906吨，自动控制的一侧用水量为2248吨，节水658吨，节水率22．6%，以上数据基本说明方案实施成功。

2. 社会影响

（1）来自北京联创思源科技有限公司的感言

我国目前绝大部分农业生产还是采用漫灌，仅在新疆棉产区试点灌溉自动化，因此有关“土壤水分测量”“根据土壤水分自动灌溉”等问题研究，是我国在农业生产过程中进行资源合理、有效利用的一大重点，也是我公司的一项研究项目。清华附中学生的方案源于生活中不合理的绿地灌溉方式，提出测量土壤含水量并据此自动控制灌溉的方案，体现同学们关心周围环境的意识很强，发现生活细节的能力很强。并且从我们专业技术人员的角度看，此方案也是解决当今我国农业环境面临的缺水、干旱、灌溉自动程度低等问题的一种尝试。

（2）来自荷清苑小区物业部门的感言

荷清苑小区位于清华大学的北部，于2002年9月建成，社区内居住着清华大学一些著名的院士、各领域著名的教授、学者等，人文素质很高，为了给他们创造一个温馨的生活环境，我们社区的各项管理都是非常细致到位的，在绿化方面更是投入很多。清华附中的师生能够以我小区绿地作为实验区，进行节水研究，一方面是我们为他们提供活动的空间，从另一个角度讲也是帮助我们提高绿地灌溉的效率。而且看到孩子们积极主动地参与活动、别开生面地设计研究，我们深受感动。另外，我们的灌溉工人也十分配合和支持附中师生，在施工前的规划、施工的进行及施工后的观测等方面给予了很多实际的帮助。

总之，我们愿意与附中师生携手，为将我们的小区建设得更美好、为达到节约水资源的目的一起努力。

（3）来自学生家长的感言

作为家长，我们感到通过这次社区绿地灌溉智能化管理的研究，使曲雪琪获益非浅，主要体现在以下几个方面：

①能够更深入地了解当前全球所面临的水资源紧缺的状况，对保护水资源的重要性有了进一步的认识，保护水资源的主动性更强了，责任感更明确了。从而有利于孩子们在今后的生活中，更好地履行一个公民、一个地球人应尽的社会责任，为保护全球的水资源做出更多的努力和贡献。

②在与同学、老师、专家，以及社区居民的接触和交谈当中，孩子的沟通交流能力得到了进一步的提升。

③开阔了视野，增长了见识，特别是对节水的方式、方法、原理以及相关设备、设施的知识都有了更广泛地了解。

④动手实践能力进一步提高，使书本上的知识不仅停留在纸面上，而是通过各自的实际操作，真正转化为现实的成果，并从中有所感悟和认识，有利于他们今后的健康成长。

（责任编校：周维国）