社區綠地灌溉智能化設計與實效研究

清華大學附屬中學（100084）　曲雪琪　孟　岳　薛靖凡　張亦馳

社區綠地灌溉智能化設計與實效研究

清華大學附屬中學（100084）曲雪琪孟岳薛靖凡張亦馳

指導教師：唐秀梅

對于已有微灌設備的綠地，再加裝上一些設備，并采集和調整這些附加設備在該綠地應用的相關數據，達到能夠通過土壤的含水量自動控制綠地灌溉的時間和水量的智能化管理效果，以避免人工控制對水資源的浪費，達到節約水資源、提高用水效率的目的。

綠地灌溉；土壤含水量；智能化管理；節水

世界上許多事物是可以替代的：比如照明，沒有電燈，可以點蠟燭；沒有蠟燭，可以點油燈、松明火把等等。而水還沒有任何物質可以替代，沒有水，一切生命都將消失。地球上水的儲量很大，但淡水只占2．5%，其中易供人類使用的淡水不足1%。據專家最新估計，全球陸地上可更新的淡水資源約42．75萬億立方米，其中易于使用的約12．5-14．5萬億立方米。按1995年人口統計，全球人均淡水資源約7450 立方米，其中易于使用的淡水人均約2180 -2440 立方米。可見，地球上的淡水資源是有限的。而我們的家鄉北京屬資源型重度缺水地區， 屬 111個特貧水城市之一，是水庫存水量全國下降最快的三個城市之一。人均水資源占有量不足 300立方米，是世界人均水資源量的1/25、全國人均水資源量的1/8，遠遠低于國際人均 1000立方米的缺水下限。水資源緊缺已成為制約經濟社會可持續發展的一個瓶頸。

看了上面的幾段文字，你會得到什么結論？對，地球上的水資源是十分寶貴而有限的。這就是一對矛盾，如何緩解這對矛盾呢？靠你、靠我、靠大家，更要靠科學。有研究部門分析，在城市生活中，居民日常生活中的淋浴及個人洗漱、沖廁、衣物洗滌及市政綠化具有較大的節水潛力。于是我們選擇了社區綠地灌溉智能化管理作為研究課題，即綠地灌溉的時間和水量能夠根據土壤的含水量（即濕度）來自動控制，以達到“節約用水，提高用水效率” 的目的。

一、調查研究設計

1. 社區綠地灌溉方式的調查

在日常生活中我們發現綠地的灌溉存在著一些不合理現象，為此，我們對十個社區進行了調查。結果如下：

（1）灌溉方式

?

（2）灌溉頻率

?

調查結果分析：目前許多小區的綠地灌溉還是以最費水的漫灌為主，即使有比較先進和省水的噴灌或微灌系統也是由人為控制的。而且灌溉的頻率也不等，時間安排上也不盡合理。也就是說小區綠地的花草樹木此時是否需要灌溉，灌溉用水量的多少，完全靠人的感覺判斷，沒有能夠做到按需灌溉，這樣對水資源會造成很大浪費。

2. 可行性設備的調查

針對綠地灌溉的不合理情況，我們確定進行綠地灌溉智能化管理的研究，即綠地灌溉的時間和水量能夠根據土壤的含水量（即濕度）來自動控制，以達到節約用水，提高用水效率的目的。為此我們又進行了可行性設備的調查，通過網上查找并向從事相關工作的家長咨詢，我們決定用北京聯創思源科技有限公司的自動灌溉設備，該設備主要用于新疆棉田自動灌溉的控制系統，沒有小區綠地灌溉的實踐，但從原理上講可用于綠地灌溉的自動控制。

3. 實驗區的確定

經過對比我們確定清華大學荷清苑小區最西南部的一片綠地作為我們方案實施的實驗區。該綠地的土壤較干燥，安裝有微灌設備，但是需要人工手動控制開關。我們從該小區物業部門了解到，我們實驗區的綠地面積約1800平方米，每年從5月——10月為主要灌溉期。綜合該綠地的情況，首先離我們學校比較近，利于觀察和研究。另外針對該綠地已有微觀設備，但是仍為人工控制，屬于沒能夠按需灌溉，也會造成水資源浪費的情況，具有整改的基礎和必要。所以經與物業部門和清華大學園林科商議，我們就將該綠地確定為實驗區。

二、相關設備的結構及作用

1. 系統結構和設備相互作用關系

相關設備的結構和相互作用關系如下圖所示：

2. 各設備的作用

水分傳感器：測定土壤水分并將信息傳輸給采集器。

無線水分采集器：接收水分傳感器信息，處理信息，發出信號給控制器。

無線閥門控制器：接受采集器信號，根據信號控制閥門。

控制閥：用控制閥代替手動閥，自動控制微灌開關。

微灌系統：自動控制的小區綠地灌溉系統。

三、觀測數據和結果分析

1. 選點測量、定點布局

在綠地中要確定一個點來作為水分傳感器（上圖中1號設備）的布置點，這個點的土壤濕度要最接近綠地各個地點土壤濕度的平均值，這樣才有代表性。于是我們在綠地中考慮地勢高低、陰陽程度、分散程度等方面的因素，選擇了五個地點作為測點。利用水分傳感器測定各個測點的土壤含水量，連測十次，算出平均數。找出測點中在三天里最接近平均數的點位，將該點位定為水分傳感器的布置點。

我們的測量的結果如下：

時間點1點2點3點4點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

分析結果：對五個特征點進行了9天十次的測量，每個點位每次測其三個角度的數值，計算出平均值；再計算五個點位的平均值，結果為第5點有1次最接近平均值；第2點有4次最接近平均值；第3點有5次最接近平均值。最后將第3點位確定為土壤水分傳感器的布置點位。

2. 數據采集、試行觀調

綠地智能灌溉中必須要確定灌溉開始指令低限值和灌溉停止指令高限值，即土壤濕度低于多少開始灌溉、高于多少停止灌溉。為此我們與該綠地的灌溉工人聯系，在即將灌溉前通知我們，測當時的土壤含水量，在澆灌完成后再測一次土壤含水量，如此進行若干次的測量，算出平均值，以此作為我們自動控制灌溉系統中灌溉開始指令低限值的參考和灌溉停止指令高限值的參考，以求最好的綠地保養和節水效果。

計算機采集灌前時間水分值灌后時間水分值第一次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%

人工和計算機采集灌溉前后土壤濕度值統計表

經過一個多月的測量，并將人工測定值與計算機采集值進行對比，初步得出灌前（低限）值為15%左右，灌后（高限）值為30%左右。

3. 對比研究、效果統計

我們實驗區的綠地總面積為1800平方米，為了進行用水量的統計和對比，得到節水效率的數值，以利于方案的改進和完善，我們將該綠地分為兩部分，一部分用人工灌溉，一部分用設備進行自動灌溉。

人工自動人工自動人工自動水表讀數起始0．2 0．2 14．2 13．4 37．2 31．9終止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節水率5．71% 19．4% 35．3%平均節水率20．14%

四、成果綜述

1. 經濟效益

經過設備安裝后，對兩塊綠地灌溉用水量進行了數據采集和計算分析。初步得出節水效率為20%左右，灌前低限值約為15%，灌后高限值約為30%，達到了預期的效果。后經過一個灌溉季設備真正自動控制的統計，人工灌溉的一側用水量為2906噸，自動控制的一側用水量為2248噸，節水658噸，節水率22．6%，以上數據基本說明方案實施成功。

2. 社會影響

（1）來自北京聯創思源科技有限公司的感言

我國目前絕大部分農業生產還是采用漫灌，僅在新疆棉產區試點灌溉自動化，因此有關“土壤水分測量”“根據土壤水分自動灌溉”等問題研究，是我國在農業生產過程中進行資源合理、有效利用的一大重點，也是我公司的一項研究項目。清華附中學生的方案源于生活中不合理的綠地灌溉方式，提出測量土壤含水量并據此自動控制灌溉的方案，體現同學們關心周圍環境的意識很強，發現生活細節的能力很強。并且從我們專業技術人員的角度看，此方案也是解決當今我國農業環境面臨的缺水、干旱、灌溉自動程度低等問題的一種嘗試。

（2）來自荷清苑小區物業部門的感言

荷清苑小區位于清華大學的北部，于2002年9月建成，社區內居住著清華大學一些著名的院士、各領域著名的教授、學者等，人文素質很高，為了給他們創造一個溫馨的生活環境，我們社區的各項管理都是非常細致到位的，在綠化方面更是投入很多。清華附中的師生能夠以我小區綠地作為實驗區，進行節水研究，一方面是我們為他們提供活動的空間，從另一個角度講也是幫助我們提高綠地灌溉的效率。而且看到孩子們積極主動地參與活動、別開生面地設計研究，我們深受感動。另外，我們的灌溉工人也十分配合和支持附中師生，在施工前的規劃、施工的進行及施工后的觀測等方面給予了很多實際的幫助。

總之，我們愿意與附中師生攜手，為將我們的小區建設得更美好、為達到節約水資源的目的一起努力。

（3）來自學生家長的感言

作為家長，我們感到通過這次社區綠地灌溉智能化管理的研究，使曲雪琪獲益非淺，主要體現在以下幾個方面：

①能夠更深入地了解當前全球所面臨的水資源緊缺的狀況，對保護水資源的重要性有了進一步的認識，保護水資源的主動性更強了，責任感更明確了。從而有利于孩子們在今后的生活中，更好地履行一個公民、一個地球人應盡的社會責任，為保護全球的水資源做出更多的努力和貢獻。

②在與同學、老師、專家，以及社區居民的接觸和交談當中，孩子的溝通交流能力得到了進一步的提升。

③開闊了視野，增長了見識，特別是對節水的方式、方法、原理以及相關設備、設施的知識都有了更廣泛地了解。

④動手實踐能力進一步提高，使書本上的知識不僅停留在紙面上，而是通過各自的實際操作，真正轉化為現實的成果，并從中有所感悟和認識，有利于他們今后的健康成長。

（責任編校：周維國）