1、奥林匹克中心区如何更好实现水资源的合理利用奥林匹克中心区园林景观利用智能灌溉中央控制管理系统充分利用气象和自然降雨实现水资源更合理甘肃大禹节水集团股份有限公司 门旗0 摘要本文主要论述奥林匹克中心区园林景观灌溉如何在实现硬质地雨水采集基础上，利用灌溉计算机中央智能控制系统更加合理利用采集雨水和植物景观土壤有效储存水，从而达到硬质地集雨灌溉，景观植物土壤储水有效利用。通过不同智能灌溉管理，做到精准灌溉，实现合理利用水资源目的。灌溉系统保证景观植物更加健康，增加景观植物碳转化，增加城市需氧量同时，大大降低灌溉的用水量，节约运行电力，也实现了奥运中心区低碳环保运行管理目标关键词： 雨洪利用 智能灌溉
2、。1、概述2008 北京奥运会中心区绿化景观规划设计和建设体现“ 科技奥运、绿色奥运、人文奥运” 主题。后奥运在“ 绿色奥运 ”中科学利用中水灌溉基础上，有效利用收集雨水和景观区植物土壤根系储存降雨，就是如何协调和采用智能灌溉中央控制系统智能管理来体现“科技奥运” 的内容之一。也就是如何充分利用雨水养护好景观区园林植被，确保园林植被的成活率及游人的观赏性，减少因植被死亡而重复投资和丧失美丽景观。奥林匹克中心区位于城市中轴线北端，中心区总占地 291 公顷，包括国家体育场、国家体育馆、国家游泳中心、奥运村、会议中心、配套建筑以及市政、道路、绿化、水系、地下设施等建设项目。其中绿化面积 47 公顷
3、，植物配置种类繁多，有大量的乔木、灌木、及草（地被）地等。很多植物水敏感性极强，供水不当，植物生长及外观不能达到理想效果；若供水不足，如遇干旱或高温天气，植物会迅速枯萎，甚至死亡。过去灌溉水的有效利用效率低，40%-60%灌溉水由于深层渗漏及无效蒸发损失掉。传统人工灌溉不仅浪费水资源，工作效率很低，灌溉制度的制定和执行几乎完全依赖系统使用管理者的经验、责任心等人为因素，而且也不能根据植物种类本身的需要和气象条件以及水文数据精确灌溉，实际使用时，往往出现过量灌溉或灌溉不足的情况，对园林景观植物的生长是十分不利的。中心区在灌溉时通过选择相应的灌水器还可改善园林中的小气候：通过喷灌可减少空气中的粉尘
4、；通过喷灌/微灌可冲洗掉植物表面的尘土，使植物生机昂然，充满活力；通过喷灌/微灌在灌溉的同时产生动感；使人们感觉到贴近自然的湿润感；把园林工人从繁重的灌溉工作中解放出来，使他们有时间和精力为园林中的植物进行植保、修剪、松土等设备做不了的工作。从而真正提高园林绿地的维护管理水平。中心区采用透水硬质路面或砖收集自然降雨，并汇集到集水井供园林景观植物灌溉的同时，根据智能灌溉计算机中控系统的雨量监测系统，充分利用自然降雨对植物景观的补充灌溉，提高降雨的有效性，做到适时精准的灌溉。特别是像奥运中心区绿化这样大型的园林项目，灌溉用水管理需要通过自动化灌溉控制系统的监测，提供不间断的气象、灌溉用水等统计数据
5、，为园林植被的养护提供技术参数，通过灌溉系统及其气象站、各种探测器应可实现适时对灌溉的调整，根据不同植物根系和土壤质地等条件调整设置，从而最大限度的实现精准灌溉，而这是靠大量人工都无法实现的。奥运会中心区的园林绿化灌溉建设与管理中在体现“科技奥运”，一方面灌溉设计中要采用不同的灌溉方法，对不同的植物种植区分别采用一些喷灌、微喷和滴灌等先进的灌溉设备，同时建设后运行管理采用科学管理是更重要的一环，目前对于绿化的植物多样性和不同的种植园区，制定科学的灌溉智能管理，尤其在中心区硬质地降雨收集和智能植物景观区降雨土壤水分的充分利用，在全国还是首次创新和示范，不仅实现合理利用水资源同时，使中心区园林景观
6、更加美丽宜人。2中心区气象基本资料、植物需水量 ETo 和水资源分析1)北京气象和降雨资料月份 ETo 总降雨量(毫米/天) (毫米/月)一月 1.07 3.0二月 1.43 8.0三月 2.36 9.0四月 4.04 22.0五月 4.87 36.0六月 5.41 70.0七月 4.65 197.0八月 3.98 243.0九月 3.36 64.0十月 1.78 21.0十一月 1.28 8.0十二月 0.95 2.0总计 (毫米/年) 1072.20 683.0上表是北京多年气象和降雨平均值（联合国粮农组织 FAO 资料），由表中可以看出北京市年平均降雨量在 680 毫米，而不同植物景观生
7、长季节（260 天）植物参考蒸散量ETo 在 700-900 毫米。2）中心区基本情况中心区灌溉景观植物面积 47 公顷，不同植物平均植物年需水量 560 毫米计算，中心区年植物需水量 26 万方/年。传统灌溉管理方法灌溉效率低，没有合理考虑降雨和气象因素等，灌溉量达到 38 万方/年。中心区水系面积 18 公顷，雨洪利用面积 100 公顷（100%），雨水资源利用率 85%，外排雨水量： 15%。3）中心区灌溉水资源分析100 公顷雨洪利用面积，年平均降雨 55 万立方，其中每年雨洪收集用于灌溉量 5 万方，而景观区雨水入渗补给土壤和地下水的量约 32 万方。传统灌溉管理没有很好考虑降雨和季
8、节气候变化等，雨洪利用水量只有 10 万方/年。而且没有考虑气候变化等因素，每年灌溉需要中水或市政水就达到 38 多万方。中心区设计和实施的雨洪利用从两方面考虑：（1） 国内首次在 100 公顷集水面积上每年收集 5 万方雨洪水用于灌溉。如果不采用智能气候调节灌溉制度，每年浪费 30-40%灌溉水。因为植物景观植物每天或季节根据气候需水量不一样，因此传统灌溉管理雨洪收集的雨水只能利用 3 万多方，其他 2 万方虽然灌溉到植物景观中，也会由于地面径流或过量灌溉土壤深层渗漏而损失，同时损失电费等运行费。采用智能气象调节和其他智能技术就能充分实现硬质地收集的雨洪水高效利用。（2） 降雨也是景观植物灌
9、溉补充的一种形式，每年中心区 47 公顷植物景观植物土壤每年有 32 多万方水补给或深层渗漏给地下水。由北京气象资料可以看出，北京年降雨（640 毫米）与植物生长需水量（560 毫米)相差不大，但季节和时空变异，植物景观必须补充灌溉，但降雨补给植物灌溉量如何利用是目前许多自动控制系统不能很好解决问题，降雨利用率只有 10-20%。也就是说每年 4 月到 12 月 660 毫米的雨，最多只有 130 多毫米雨能被利用，其他由于没有智能雨量监测决策管理系统，考虑灌溉系统效率 80%，每年还要补充灌溉 800 毫米水。智能雨量监测技术和智能灌溉管理控制系统，就能使降雨利用率提高的 40%-50%以上
10、，补充灌溉量就可以减低到 370 毫米以下，降雨多的年份灌溉量更少。不同灌溉控制系统和降雨有效性利用对比表腾散量ETo（mm) 植物需水量 ET(mm)灌溉量 （mm) 降雨量 （mm)有效降雨（mm)补充灌溉量(mm)年灌溉量（万方）年中水用量（万方）自动控制 800 560 933 660 132 801 38 38智能控制 800 560 700 660 330 370 17 20利用雨洪 800 560 700 660 330 370 17 15因此虽然考虑采用高效灌溉设备，灌溉效率在 80%以上，但采用传统不考虑季节调节等自动控制灌溉系统，年灌溉量要 38 万方水；采用智能灌溉控制系
11、统和雨量监测控制系统，合理利用降雨水资源，中心区年降到灌溉量 20 方；考虑雨洪收集灌溉水量，项目区中水或市政水年灌溉需要量就可降到 15 万方。3 区景观智能灌溉控制系统是如何实现灌溉水资源合理利用1）计算机智能控制原理示意奥运中心区园林景观灌溉计算机中央控制系统，主要是计算机智能中控软件采集与协调灌溉系统的各个设备。采用解码器通讯控制技术，通过收集气象、雨量和水源流量等数据采集，根据植物和土壤等因素与智能决策管理，适时适量补充灌溉，实现降雨、中水和市政水资源的合理利用。2）根据实时气象站数据决策灌水中心区全 自动气象站根据 2000 年联合国粮农组织的最新模型，实现每小时采集温度、湿度、日
12、照和风速等数据计算出植物的参考蒸散量 ETo 值。一般气象站代表 30 平方公里面积上的参考值。由于不同植物品种需水量不同、阳坡面和阴坡面的需水要求也不一样，灌溉管理人员对植物需水量 ET 进行调整，智能中控就可以根据每天 ETo 调整每个控制阀的灌溉运行时间。由于气象条件的波动及植株的不断生长，作物的蒸散量每天都会有所不同。灌溉中央控制管理系统根据采集的气象数据计算参考作物的蒸散量 ET0 值，再根据乔木、灌木和地被等不同园林景观植物的作物系数 KC，确定不同植物的需水量 ET。根据不同植物的需水量自动调整不同阀门的开关时间，达到按需灌水的目的。目前采用控制有季节调节与计算机中控有季节调节灌
13、溉量相比可以节水 20-25%。 本项目区以草坪和地被为例，根据每天 ETo 变化调节，不考虑降雨补水，260 天生长期 ETo=762 毫米/年，对暖季草 Kc=0.6，那草坪灌溉量W=ETo*Kc/0.8=571 毫米，相当于每平方米灌溉 0.57 方水/年。如果没有采用季节调节和雨量监测，那每天按 3-4 毫米需水量灌溉，灌溉制度为 2 到 3 天，那整个生育期需要灌溉 780 毫米以上，相当于每年一平方米灌溉 0.78 方/年。3）通过雨量监测合理利用天然降水灌溉中央控制系统中 雨量传感器可以充分利用天然降雨，使入渗到土壤中的有效降雨充分利用。当降雨量达到一定值后，雨量筒传感器感应到这
14、一数值并将信号传到中控系统中，灌溉系统将自动暂停或中断灌溉系统，根据数据分析，如果降雨没有达到灌溉量，雨停止后智能中控将启动程序补充降雨量不够的灌溉量；如果降雨量达到或超过灌溉量，中控就停止灌溉。根据不同根系储水量延时一定时间在灌溉。从而达到充分利用雨水资源目的。中心区中控有 3 个量雨筒传感器，可以管理不同根系深度的草坪、灌木和乔木的有效降雨储水量，可以保证降雨灌溉的有效性。从而达到硬质地集雨灌溉，景观植物土壤有效储雨充分利用。中心区目前是国内第一个将集雨和智能有效用雨为一体的大面积园林景观灌溉控制系统。国外一些项目做到了智能利用降雨，但都没有大面积集雨灌溉系统。项目区自动气象站和雨量监测筒
15、4 ）避免过量灌溉目前大多数的灌溉水都不可能被完全利用，有的是因为灌水强度大形成径流而损失，有的是因为蒸发而损失，但最大浪费来自于过量灌溉。土壤对水的保持能力是有限的，灌溉时最多使土壤含水量达到这个上限，超过此上限的灌溉水在植物根区以下通过深度渗透而流失，不能被土壤保持，也就不能被植物利用，所以在使用灌溉系统时，灌溉深度不宜超过植物主要根系活动深度。智能控制可以根据土壤质地的存储水量设置和每天气象站 ET对比，实现植物根系不同灌溉深度的目标。这样就能就更能高效实现收集的雨洪灌溉利用，减少深层渗漏损失。5）实现间歇灌溉在景观区中有些地方坡度大和土壤渗透能力差粘土等地方，智能中控系统通过设置将灌水
16、时间分成若干时间段进行以免产生径流损失。比如在某个灌溉区域，根据植物需水量的要求需要灌溉 20 分钟，但是当灌溉 5 分钟时径流产生，如果继续灌溉，大量的水都将产生地面径流流失，在这种情况下中控可以将这20 分钟分成 4 个时间段，每段灌 5 分钟，中间间隔 10 分钟以供土壤渗透。实现“间歇灌溉”。增加入渗，减少地面径流损失。一般自动控制器实现不了间歇灌溉，许多灌溉水通过地面径流损失。对于中心区收集的 5 万方灌溉雨水，如果不采用间歇灌溉，那收集的雨水效率也就会降低。6 ）系统动态智能流量管理为了降低投资造价和运行工作压力正常，灌溉设计师设计经济合理的管道和灌溉设备，如果自动控制系统没有流量
17、管理功能，人工管理不能实现设计师的目的，开启阀门流量过大，管道的水力损失增加，或超过水泵额定流量产生压力过低，灌溉就不均匀，同样浪费大量水资源。只有采用流量管理，才能根据每个主管或干管的流量设定，自动开启一定数量的阀门，其流量不超过设定流量，以保持正常工作压力和泵站的高效运行。7）智能控制管理实现碳转化和低碳运行环保管理智能灌溉管理不仅利用率中水和雨水收集系统的水资源，同时充分利用园林景观区的土壤有效存储水利用，使景观植物更加健康，增加景观植物吸收二氧化碳转化，增加城市需氧气量同时，大大降低灌溉的用水量，节约运行电力，也实现了奥运中心区低碳环保运行管理。4中心区智能灌溉管理存在问题与建议中心区
18、后奥运会时期已是北京的最大热点旅游区，每天有人如潮，灌溉系统维护着中心区的植物景观。目前奥林匹克中心区智能化灌溉系统控制中，可以结合自动气象站和雨量传感器等参数，综合考虑土壤、气候、环境和植物类型来确定灌水方式、灌水量和灌水时间，每天调整灌溉量来满足植物不同生长期的灌溉需求。建立起先进的灌溉控制系统，如何维护灌溉设备和管理智能化中控系统是目前中心区灌溉系统主要问题：1) 设备维护和管理在游人如织的中心区，有些灌溉设备经常会受到损坏，因此必须及时维护更换损坏的设备和配件是保证灌溉系统正常运行的关键。2）根据景观植物变化调整灌溉程序或制度中心区每年都有一些植物景观发生变化以满足不同活动需要，在改变
19、灌溉设备同时，及时改变灌溉程序。3）智能化管理需要根据不同条件更改有关参数，目前许多数据库的参数需要专业人员培训和调整，才能更好的发挥作用。要经常培训中控操作人员及时根据中心区的情况调节有关参数。为了使奥运中心景观植物更加健康，更有效的实现碳转换和低碳运行管理，结合中水、雨水收集和景观植物区土壤雨水有效利用，从而做到精准灌溉，到达节水和合理使用水资源目的。建议北京市等有关教学和科研单位利用中心区现有的智能灌溉控制技术平台，对中心区不同植物生长特性、需水规律、土壤质地等进行系统研究，制定合理参数，为中心区强大的智能控制系统决策提供更科学依据，使中心区灌溉系统发挥出更大的效益同时，探索出适合北京的不同植物景观的智能灌溉决策模式。
