園林自動恒壓灌溉技術的應用

張春全 刁玉靜 鄭娜麗

摘要 在園林管理中采用何種灌溉技術方案能最大限度地提高水的利用率，降低勞動成本，是每個管理者必須考慮的首要問題。筆者根據自己二十多年的管理經驗，推薦使用園林自動恒壓灌溉技術。認為該技術是目前最先進、合理的灌溉方式，可實現高效節水目標。該文還詳細介紹了園林自動恒壓系統的構建過程，以及潛水泵、變頻器等主要設備的選用，及壓力調整，電網管網安裝技術中具體操作注意事項，對一線的農林工作具有指導意義。

關鍵詞 園林灌溉；恒壓；變頻控制；遠傳壓力表；節水灌溉

中圖分類號 S275 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）27-338-03

Application of Automatic Constant Pressure Irrigation Technology in Garden Management

ZHANG Chung-quan， DIAO Yu-jing， ZHEN Na-li

（Nanyang City Garden Green Management Bureau， Nanyang， Henan 473058）

Abstract In landscape management， it is the most important question that every manager must consider the use of the technology scheme to improve the water utilization ratio and reduce labor cost. According to the authors experiences， oautomatic constant pressure irrigation technolgy was recommend. It was thought that the technology is the most advanced and reasonable irrigation method and can achieve high efficiency and water saving target. The construction process， selection of submersible pump， frequency converter， specific operational considerations in pressure adjustment， power network installation technology were introduced in detail， which has guiding significance for agricultural work in the first line.

Key words Garden irrigation； Constant pressure； Inverter control； Remote pressure gauge； Water saving irrigation

隨著我國經濟建設發展，對園林管理水平的質量要求也在不斷提高。過去傳統的灌溉方式多為粗放式大水漫灌，農工體力勞動強度大、手動操作，啟動時對電網和給水管網沖擊大、穩定性差、管網壓力不可控，易造成爆網、效率低、浪費水源和電能，且不能實行自動控制，灌溉效果不理想。然而實際管理中對灌溉指標的要求越來越精細化和對灌溉效果的要求也不斷提高，傳統灌溉技術已遠遠不能適應形勢需要。國內有關恒壓灌溉系統的研究有許多，呂家圣等[1]研究了丘陵山區枇杷園水肥集成自動灌溉控制系統；邱明權等[5]研究了一種泵房恒壓控制方法，減少水壓力波動，進而改善噴灌機的噴灑均勻度，提高對農業灌溉水的利用效率；吳桂林等[3]設計高速公路中央綠化帶灌溉方案，并對灌溉效果進行了驗證，結果表明采用變孔徑大孔管恒壓灌溉方案可以滿足微灌技術要求，為中央綠化帶植物生長提供用水需求。李浩等[4]、徐亮等[5]、石向陽等[6]、張佳琛[7]等都對變頻恒壓自動灌溉技術的應用進行較大篇幅的研討。筆者根據20多年來的工程施工及管理經驗，對園林自動恒壓灌溉技術進行了總結，其優點是：自動控制、對電網和管網無沖擊、穩定性好；壓力可控可調、能效比高、節約水源和電能；可適用于微噴、漫灌、噴灌及冷霧景觀等工程，且能實行無人值守自動控制。該技術節省人力，降低管理成本，灌溉效果理想。

1 自動恒壓園林灌溉技術需要的主要設備與材料

自動恒壓灌溉系統主要有配套動力控制箱、潛水泵（或管道泵或排污泵，依灌溉水源條件及灌溉環境而定）、水質過濾器、電流矢量變頻器、微電腦時控開關；遠傳壓力表、給水管網、配套電纜線及信號線、指示燈、接線端子等電氣附件組成。

1.1 潛水泵的選用

潛水泵的選用，除了要考慮品牌質量因素外，主要需對水泵的流量和揚程這兩個參數進行準確計算，這兩個參數一旦確定，水泵的功率也就確定下來了。

1.1.1

水泵揚程的確定。

水泵揚程（m）=（噴頭理想壓力揚程+ 沿程水頭損失+管網高度差）×120%

（1）

（1）灌溉方式的確定。各種不同的灌溉方式適用于不同的現場情況和管理目的，運行壓力也是不同的。地埋式噴頭灌溉和搖臂式噴頭灌溉的理想運行壓力是0.25～0.4 mPa。大搖臂式噴頭的運行壓力還要再高些，可以達到0.6～0.8 mPa；微噴噴頭的理想運行壓力為0.15～0.3 mPa；冷霧景觀噴頭的理想運行壓力達到1.2 mPa。確定要用的噴頭也就確定了噴頭理想壓力揚程。

（2）水頭損失的計算。首先查找不同的給水管材對水的摩阻系數，然后按照下面公式計算沿程水頭損失。現在工程施工中常用的塑料類的PVC PPR PE等管材的水力摩阻系數（λ）≈0.007，接下來就可計算沿程水頭損失：

Hf=λL/div2/2g

（2）

式中：Hf—沿程水頭損失（m）；

λ—水力摩阻系數（取值0.007）；

L—管道長度（m）；

di—管道內徑（m）；

v—水流流速（m/s）；

g—重力加速度（取值9.81 m/s2）[8]。

（3）管網高度差。除沿程水頭損失外還應該考慮地形高差變化所帶來的壓力損耗，即水泵出水口到最高位置噴頭的高度差（管網高度差m）。

有了這3個參數就可以計算出該灌溉工程需要配置的潛水泵的揚程。

1.1.2 水泵流量的確定。

水泵流量=（每個噴頭的流量×灌溉分區內的噴頭個數）×120%

1.1.3 水泵的功率確定及水泵選型。按照國家標準：即GB2816-2014[9]深井潛水泵形式及基本參數表查找選型即可。

有了這3個方面的參數，就可以完成潛水泵的選擇了。

1.2 變頻器的選用

1.2.1 近年來變頻器市場上的品牌與質量狀況。自20世紀后期，變頻器開始在各個領域被應用，國內變頻器市場幾乎被國外品牌占領并壟斷[10]，如富士、三墾、三菱、ABB、西門子、LG等。近幾年，變頻器國產化發展迅猛，質量基本可以與國外品牌媲美，且價格低廉，性能也很穩定，因此普及非常迅速，如森蘭、普傳、英威騰等。使用者可以根據灌溉工程建設的資金狀況有多種選擇，這給包括園林灌溉工程在內的各個領域的使用與管理單位帶來了極大的方便。

1.2.2

變頻器選型。每一品牌的變頻器廠家都會生產適用于不同領域的產品，園林自動恒壓灌溉只適合選擇風機水泵型或通用型的變頻器。根據上面確定的水泵功率大小選擇與水泵相匹配的一款變頻器。在這里需要說明的是：變頻器離水泵的距離如果超出100 m，需要考慮變頻器上調一個型號使用，且無論什么情況下，都不能下調型號使用。

2 自動恒壓園林灌溉安裝技術

2.1 給水管網及管網附件、電纜的連接根據室外給水規程規范操作即可，該文不再贅述。

2.2 控制電路的安裝

2.2.1 變頻恒壓灌溉控制系統。按標準接線圖進行操作（見圖1）。

2.2.2 安裝注意事項。

（1）變頻器到水泵的距離以小于100 m為宜。

（2）如果出現以下情況必須加裝直流電抗器，即水泵和變頻器功率大于或等于75 kW，或三相電壓不平衡達到5%，或變頻器所用之處的電源容量與變頻器容量之比為10∶1 以上；變頻器安裝位置離大容量電源在10 m 以內。

（3）壓力設定單元的給定模擬量由遠傳壓力表提供。壓力設定變量為兩種設定方式，實際使用時可根據設備具體情況選取一種即可（見圖1）。

（4）需要接地電氣元件必須可靠規范接地，變頻控制柜必須做好防雨防潮、防曬、散熱通風等防護措施。

（5）主回路和控制回路電纜規格必須與相應功率機型相匹配。

（6）變頻控制系統的安裝布線、運轉調試、運行維護必須由訓練有素的專業人員根據相關電氣規程規范操作，并對系統定期做好維修保養和例行檢查。

3 自動恒壓灌溉系統控制原理

3.1 實現自動啟動的原理

系統的自動啟動得益于微電腦時控開關的使用。時控開關可以每天定時啟動系統，或隔日或指定時日按時啟動系統，也可以每天多次啟動系統。如果需要安裝更高級的灌溉系統，則可以選擇加裝雨水傳感器或灌溉強度傳感器來根據植物實時需求水量實現灌溉系統的啟動與停止的全自動運行。這樣可以做到當園林綠地內的土壤含水量低于設定臨界值時，系統會自動判定啟動或不啟動灌溉系統（見圖1中的運轉指令單元）。

3.2 實現壓力調整的原理

3.2.1 供水壓力調整。灌溉管網系統的噴灌壓力來源于給水水泵的高速旋轉。根據我國的相關標準，國內生產的三相380 V電壓電源水泵的轉速固定多為1 450轉或2 900轉。1 450轉水泵多應用于大流量低揚程低壓力的灌溉系統，2900轉水泵則應用于大流量高揚程高壓力的灌溉系統中。這兩種水泵都使用380 V 50 HZ電源供電，而水泵電機的轉速取決于電源頻率，因此交流電機轉速與頻率的關系可用如下公式表示：

n=60f/p

式中： n—電機轉速，r/min；

f—電源頻率，（50Hz）；

p—電機磁極對數[4]。

由此可見，要取得可變可調的供水壓力，必須改變水泵電機的轉速，繼之以只有改變供電電源的頻率，才能調控電機轉速和調控供水壓力，而這項工作就交由變頻器來完成了。

3.2.2 變頻器的基本工作原理。變頻器首先是把三相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）調整頻率后，變換為三相或單相交流電（AC）輸出。

變頻器工作原理可簡述為：ACDCAC

交流直流交流由此可知，在直流到交流轉變過程中，即可實現輸出頻率的調整，變頻器可以根據需要輸出不同的頻率，也就是改變了電機運行轉速n，使電機運行轉速可控可調[11]。可見，變頻器不但具有調頻調速基本功能，而且還具有調壓、穩壓等功能。變頻器工作性能良好，使用簡單，變頻調速功能只是其眾多功能中的最基本功能。

3.2.3

恒壓灌溉給水控制原理

（1）控制目的 。目前國內灌溉系統配套的水泵大部分是15 kW以上的大功率水泵，除了啟動時需要使用變頻器以實現軟啟動以平緩對電網的沖擊和平緩對灌溉給水管網的沖擊外，還可以用變頻器來對管網壓力進行恒定控制。當灌溉時管網壓力低于設定壓力值時，讓變頻器增大輸出頻率；當管網壓力高于設定壓力值時，讓變頻器輸出頻率減小，并不斷重復上述過程，這樣就實現了恒壓灌溉給水的目的。

（2）控制原理。恒壓灌溉是靠變頻器的“內置PID閉環控制功能”實現的。當灌溉系統運行時，當管網壓力高于設定壓力時，遠傳壓力表會向變頻器輸送該時點的模擬壓力變量，變頻器CPU對該壓力變量采收、運算、處理、傳輸，然后調整減小輸出頻率；當管網壓力低于設定壓力時，遠傳壓力表又會向變頻器輸送該時點的模擬壓力變量，變頻器CPU再對該壓力變量采收、運算、處理、傳輸，然后調整增加輸出頻率；實際運行時，變頻器無時無刻不在重復上述過程，這樣就實現了恒壓灌溉供水的目的（見圖1中的壓力設定單元）[12]。

4 結語

園林自動恒壓灌溉系統，實現了自動控制，解決了人工作業，勞動強度大、漫灌浪費水源的問題；恒壓灌溉對電網和管網無沖擊、穩定性好，避免了管網內的流量突變，減少了爆管、滴漏的發生概率。該技術壓力可控可調、能效比高、節約水源和電能；可適用于微噴、漫灌、噴灌及冷霧景觀等工程，且能與計算機聯網實現程序控制或遙控，可節省管理成本，達到理想的灌溉效果。

參考文獻

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[12] 山西天海泵業有限公司產品中心[DB/OL].http：//www.skysea.com.cn/ 2015.