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文章编号:1007 4929(2011)04 0048 03
节水灌溉 2011年第4期
园林绿化植物灌溉需水量估算
邱振存1,管 健2
(1.唐山优耐特农业科技有限公司,河北唐山063020;2.总后建筑设计院三室,北京100036)
摘 要:园林植物灌溉需水量估算多是应用农业灌溉的概念和公式,计算理念和计算精度无法有效描述园林植物需水量实际情况。从园林植物需水的特殊考虑着手,通过引入园林植物腾发量、参考作物腾发量、园林系数公式、有效降雨量、运行时间倍乘数等相关概念,确定了园林植物实际需求的灌溉需水量,提出了一种园林绿化植物需水量的估算方法和估算过程。
关键词:园林植物;参考腾发量;园林系数;有效降雨;运行时间倍乘数;灌溉需水量 中图分类号:TU985.1 文献标识码:A
园林灌溉的目的是当降雨不足以维持园林植物的健康、外观,以及适度生长时,向园林植物提供所需的补充水量。高效的园林灌溉用水管理就是为了满足园林用水需求,避免用水不足或过度。有效的园林规划设计和园林灌溉用水管理不仅需要考虑绿化植物的水分需求,以及灌溉系统在输送这些水分时的工作情况。同时也需要考虑由于植物水分需求中的不确定性、风险规避等因素而在管理中施加的额外的水量。本文综合考虑园林系数、运行时间倍乘数等因素,探讨园林绿化植物灌溉需水量估算方法。
气候冷湿型冷干型暖湿型暖干型热湿型热干型
计算参考作物腾发量,如彭曼-蒙太斯法(奥伦,1986)、辐射法(都伦鲍斯和普鲁伊特,1977)、基于FAO布莱尼-克雷多法(FAO Blaney Criddle)基础上的温度法以及蒸发皿法等。表1列出了几种气候条件下的参考作物腾发量的最大范围值,可作为参考。
表1 参考作物腾发量的最大范围
定义(仲夏)50%RH50%RH21 ~32 ,32 ,>50%RH>32 ,
ETo/(25.4mm d-1)
0.10~0.150.15~0.200.15~0.200.20~0.250.20~0.300.30~0.45
1 园林系数法计算园林植物需水量
园林植物需水量(腾发量)速率可由园林系数法公式计算得出。方法是通过应用一个园林系数KL对ETo进行调整,来计算园林植物需水量(PWR)。
PWR=ETo KL
量,mm/d;KL为园林系数。
(1)
式中:PWR为园林植物需水量,mm/d;ETo为参考作物腾发
注:正午空气温度和相对湿度,RH为相对湿度。
1.2 园林系数影响因素及其计算方法
类似于作物系数,园林系数是特别派生出来用于根据参考作物腾发量来估算绿化植物水分消耗的系数。
不同于作物或者草坪,园林植物很典型的由一种以上的植物种类组成。多种绿化植物种类集中在一起,且通常在一个灌水小区进行灌溉,而在同一灌水小区的不同的植物种类其水分需求可能差别较大。例如一个小区可能由八仙花、杜鹃花、刺柏、夹竹桃以及橄榄树组成。这些种类通常被认为具有完全不同的水分需求,为一种植物选取的作物系数可能不适合于其他
1.1 参考作物腾发量
参考作物腾发量是确定园林植物需水的基础。由于用于确定参考作物腾发量ETo的参考作物通常为草或者苜蓿,而灌水良好、生长茁壮、修剪整齐(8~15cm)的冷季型草类应用的最为广泛,因而园林绿化工程也常采用冷季型草参考腾发量。
参考腾发量可以由測渗仪测量消耗的水的重量直接测得,但通常是由气象站的测量数据计算而来。已有多种方法用于
收稿日期:2010 11 17
基金项目:国家自然科学基金(51039007,50979076)。
( )男,,E mail:@yah。
园林绿化植物灌溉需水量估算 邱振存 管 健
种类。适用于园林绿化植物的园林系数需要包含进在很多种植模式中出现的植物种类的混合种植的考虑。
相比作物,园林绿化中植物密度变化相当大。许多植物可能比其他植物多数倍的叶片面积。例如,具有树木、灌木以及地被植物的园林很紧凑的组合进一个小区域,通常具有更大的叶面面积,更多的叶片面积很典型的意味着植物腾发量的增加。园林系数因子考虑绿化植物种植密度上的这种变化。
此外,许多园林系统可能包含一系列的小气候条件,从凉爽、荫凉、受保护区域到炎热、阳光充足、多风区域。这些小气候的变化会显著影响植物水分损耗。在华盛顿西雅图的实验发现铺装区域种植的植物比在公园环境里种植的相同种类的植物多消耗50%的水量。在加利福尼亚进行的其他研究也发现在遮阴处种植的植物会比大田条件下的同类植物少消耗50%的水量。由小气候引起的水分消耗的变化也需要设置一个系数因子加以考虑。
在这些因素共同影响下,园林绿化植物需水与农业作物和草坪十分不同,并且在进行园林绿化植物水分需求估算时都需要加以考虑。园林系数就是为考虑这些不同而提出的。1.2.1 植物种类因子Ks
植物种类因子Ks用来考虑植物种类在需水上的不同,其数值可参考表2进行选取。在已定植的园林中,樱桃、桦树、桤木、八仙花、杜鹃花等植物种类需要相对多的水量来维持健康和外观,而橄榄、夹竹桃、车桑子、刺柏等植物则需水量较小。
表2 不同类型植物的种类系数Ks
植被类型树木灌木地被植物
树木、灌木、地被植物混合
冷季型草暖季型草
高0.90.70.90.9--平均0.50.50.50.50.80.6
低0.20.20.20.2--
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植被赋以较小的密度因子Kd数值。具有混合植物类型(树木、灌木以及地被植物)的种植很典型地比单一植物类型的种植具有更多的集聚叶面积,因而将会损耗更多的水量。这类种植会被赋以较高的密度因子Kd数值。只有一种植物类型占主导的全覆盖种植,则赋以平均的密度因子数值,即Kd=1.0。
表3 不同植物类型的密度因素Kd
植被类型树木灌木地被植物
树木、灌木、地被植物混合
草
高1.31.11.11.31.0
平均1.01.01.01.01.0
低0.50.50.50.60.6
应该注意到,基于绿化植物密度和生长阶段,一给定种植区域内密度因子可能变化相当大。
表3假设绿化植物之间的裸露的土壤表面不会被灌溉水湿润。否则,由于湿土表面蒸发Kd值应该增加10%~20%,尤其是对于树木和灌木而言。1.2.3 小气候因子Kmc
一个园林绿化工程内可能存在多种差别较大的小气候条件,需要在估算植物水分消耗当中加以考虑。城市园林的典型特征(例如建筑物和铺装)影响温度、风速、光强度和湿度。这些特征在园林内/间变化相当大,导致小气候上的差异。为考虑这些差异,采用了小气候因子Kmc。小气候因子Kmc有助于考虑阳光、遮阴、保护地、热/冷区域以及风的影响。例如城市园林中铺装、开敞环境下的植物可能比在公园环境下的同一植物增加50%的腾发量。
平均的小气候条件相当于测量参考腾发量时的条件,也即开放场地环境、无特殊风力条件及非典型性的热源输入。这种小气候大体上不会受到附近建筑物、构筑物、人行道、坡度或者反射表面的影响。
高需水(通常为不利的)小气候条件下,位置特征提高了蒸发条件,例如被吸热表面、反射表面包围的种植,或者暴露于特殊的风力条件下时,Kmc将会被赋以较高的数值。例如,街道中间、停车场,紧挨着建筑物的西南面,或者在 风洞 区域的种植将会被赋以较高的Kmc数值。
低需水的小气候条件与高需水的小气候条件可能是共同体,但对某些位置的园林植物是有利的,例如白天里大部分时间都被遮蔽或者受到保护从而不受当地典型风的影响的种植将被赋以低Kmc值。这些位置条件包括建筑物的北侧、庭院、建筑物屋檐下、坡地北侧,以及远离干/热表面等。
表4 不同植物类型的小气候因素Kmc植被树木灌木地被植物
树木、灌木、地被植物混合
草
高1.41.31.21.41.2
平均1.01.01.01.01.0
低0.50.50.50.50.8
注: 以上所列的园林绿化的类别:树木、灌木、地被植物是指完全由一种植被或一种占主导的植被构成。 树木的种类值基于农业树木的研究成果。 地被植物的估算值是基于加州的初步的研究成果。 混合种植是有两到三种植被组成,都不占主导。 暖季型草是添加进来用以与冷季型草进行区别的。
表2中,平均的Ks数值代表了在一给定的植被类型中与需水相关的典型或平均的种类因子。类似的,高值代表了在一给定植物类型中种类因子的高限值,低值代表了在一给定植物类型中种类因子的低限值。例如地被植物的低限值是0.2,它适合于所选取的组合是较耐干旱的地被种类。但这个数值却不适合于许多典型的观赏型地被植物。1.2.2 密度因子Kd
植物密度因子被用于考虑园林种植间绿化植物密度的差异,其数值可参考表3进行选取。植物密度意指园林种植中所有植物聚集而成的叶面积。植物密度或者叶面积的不同导致水分消耗的不同。
未长成且稀疏种植的园林会典型地比长成的或者浓密种
50
需要指出,每一特定的小气候(环境)都需要考虑合适的小气候调整因子。生长于阳光下的草地植被具有平均的小气候因子(Kmc=1),而完全处于遮阴状态下的同一片植被,可能选择0.8的小气候因子,以降低小区的灌水量,更好地与园林绿化植物的实际需水要求相适应。相似的,若同一块草地从玻璃或其他表面接收到相当数量的反射光线,则应该选择1.2(或更高)的小气候调整因子数值,而这会增加小区的灌水量以适应较高的植物需水要求。1.2.4 园林系数计算
综上所述,园林系数的确定需要考虑植物种类因子Ks、密度因子Kd和小气候因子K
mc
园林绿化植物灌溉需水量估算 邱振存 管 健
Re=Rh 100
月;RF为有效雨量系数,%。
由于基于长时段平均历史数据预测未来降雨的不确定性,通常在规划园林植物的用水需求时,可以认为不超过50%的历史降雨量是有效降雨。
对于根系发育较浅的园林植物,只能从降雨数据中应用通常灌溉季节月份内的历史数据来计算每年的有效降雨量,灌溉季节之外的有效降雨量通常是不能被用来进行园林灌溉需水量计算的,原因在于园林植物的根区较浅,不能存储大量的季节外降雨。
(3)
式中:Re为月度有效降雨量,mm/月;Rh为历史降雨量,mm/
3个因子的综合影响:
mc
KL=KsKdK
植密度因子;Kmc为园林小气候因子。
(2)
式中:KL为园林系数;Ks为园林植物种类因子;Kd为园林种
2.2 园林植物净需水量(PWRnet)
植物净需水量(PWRnet)为植物需水量(PWR)减去有效降雨量(Re):
PWRnet=PWR-Re
mm/d;Re为有效降雨量,mm/d。
(4)
式中:PWRnet为植物净需水量,mm/d;PWR为植物需水量,
2 园林绿化植物灌溉需水量估算
2.1 有效降雨量
有效降雨量是指灌溉季节内能够实际上被植物所利用的那部分降雨量。估算园林植物需水量时,在灌溉季节可能有显著降雨发生的情况下应该考虑当地有效降雨。由于降雨量时、空变化很大,因而虽然降雨有助于满足园林绿化对水分的需求,但并不总是可靠的水分来源。
园林绿化有可能是由不同的土壤类型、植物和根系深度,以及斜坡地形构成的综合体。平坦地形对降雨入渗的 机会时间 的影响与坡地或起伏地形相比有所不同。水分在平坦绿化地块上更不可能流失,因为它有更好的机会入渗。但当降雨强度超过入渗强度时则会产生径流。根系深度也会影响能够被容纳的有效降雨量。大于土壤有效持水量的过多的日降雨通过地表径流和深层渗漏的方式损失掉了。因而降雨会以不同的方式影响园林工程中的每一个灌溉区域。
美国农业部土壤保持局(USDA SCS)的一项基于美国22个站点50年的逐日土壤储水量、降雨量和作物腾发量的研究表明农业作物的平均有效降雨大约76%。表5是土壤保持局针对平坦园林绿地且根系深度在10~45cm的不同类型土壤上的研究成果(平均值)。从表中可知,由于园林植物较浅的根系埋深,平均有效降雨要低得多。
表5 由月度历史降雨量估算的有效降雨量
(基于土壤类型和根系深)
根系深度/cm类别12345
种类沙土沙壤土壤土黏壤土黏土
15
30
45
60
2.3 园林植物灌溉需水量(IWR)
2.3.1 净灌溉需水量(IWRnet)
净灌溉需水量(IWRnet)是指存储于植物根区,可添加于土壤水库以满足净植物需水量(PWRnet)的那部分灌溉水量。园林植物净灌溉需水量不包含为弥补水分分布不均匀影响或者为补充其他灌溉水量损耗而增加的水量。
IWRnet=PWRnet
2.3.2 灌水分布不均需水量(IWRDU)
由于水量分布不均导致的需水量是指为了弥补灌水小区内灌溉水的不均匀分布所需向园林绿地施加的额外的水量。这部分水量主要由喷头/滴头的类型、间距以及运行压力决定的。2.3.3 管理需水量(IWRwm)
管理需水量是指为了弥补未来植物需水的不确定性(规避风险)、管理者个人偏好、为盐分控制需要的淋洗水量、蒸发损失、风漂移、地面径流、管道跑漏、深层渗漏等等所需额外施加于园林绿化的水量。IWRwm直接在管理人员的掌控之下。2.3.4 毛灌溉需水量(IWRgross)
毛灌溉需水量(IWRgross或简单的IWR)是全部的灌溉水量,它包括植物净需水量、用于水量分布不均上的补偿水量和用水当中的损耗,以及管理人员额外施用的水量。这些水量中的一部分进入根区,添加至土壤水库,一部分损耗于蒸发、地面径流、深层渗漏、风漂移、管道渗漏或者喷洒于目标区域之外:
IWR=IWRnet+IWRDU+IWRwm
2.3.5 基础灌溉需水量(IWRbase)
基础灌溉需水量(IWRbase)是指为了满足植物净需水量和为抵消水量分布不均匀而施加于园林植物的水量。基础灌溉需水量不包含为弥补蒸发、风漂移、管道渗漏、深层渗漏、地表径流以及界外喷洒的损失水量,因为这些损失量可以通过适当的管理措施(灌水安排和维护)而使其最小化。基础灌溉需水量可由以下式计算:
IWRbase=RTM IWRnet
:(7)
(页)
(6)(5)
月平均有效降雨量(月度降雨量的百分数)/%
4447494745
4853575551
5258636055
5563686559
注:只适用于平坦绿化地块,且平均月度降雨量在6mm到200mm之间。
:
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适合小农户的滴灌自动控制系统在裕民县的推广应用 崔春亮 阿不都沙拉木 雷建花
完成,无需另外雇佣专人灌溉,节省劳力0.7万元(农户实际支付的人工工资)。
综上所述,项目区45.3hm2玉米自动化滴灌较地面灌节约支出总计11620元,年节水27180m3,增产增收17.83万元。
3 系统的推广应用前景
新疆在今后10年将发展高效节水灌溉面积200万hm2。其中近5年实施120万hm2。高效节水灌溉随着劳动力价格的不断攀升,必然向灌溉自动化方向发展,同时该系统还可广
图5 自动模式设置界面
表1 适合小农户的玉米滴灌自动控制系统造价表
设备名称
潜水泵变频控制器
离心+全自动清洗网式过滤器
田间PVC管及管件田间PE管及管件田间滴管带及管件
灌溉主控制器1000型无线+46RTU
Xishui autoirri 64
158760820
192
[1**********]
规格描述250QJ160 105/5
100kWXishui150 HASF
200160,110,90
9016
单价/元[***********][1**********]40
数量/套111111
合计/元[***********][1**********]40
泛用用于果树滴灌,温室控制,其使用范围很广。项目实施开发后还可以在国内其他省市,尤其是在与新疆较近的西北地区推广使用,其发展和推广前景很大。
根据新疆节水灌溉规划目标,至2015年新疆将拥有187万hm2高效节水灌溉面积,按照1/5的节水灌溉面积安装灌溉自动控制系统计算为37万hm2,而造价仅为1800~5250元/hm2,预计将有6.72~19.6亿元的市场潜力。随着节水灌溉面积扩大,新疆有望近期内逐渐实现膜下滴灌改造改造为自动控制系统,这部分的市场潜力也不容忽视。
4 存在的问题和今后研发的方向
目前存在的主要问题是研发的灌溉自动控制系统设备功能相对简单,规格不够齐全,不能满足所有客户的需求,其次是农民的节水意识有待于进一步提高,建议经常举行农民讲座和培训班。
我院将在现有基础上,继续研制适宜小农户的更加实用、小巧、造价低廉、便于操作的灌溉自动控制系统,扩大产品的系列,满足小农户在灌溉自动控制中的不同需求。参考文献:
[1] 崔春亮,雷建花.自主研发的棉花滴灌自动化控制系统的应用
[J].中国农村水利水电,2009,(10):76-80.
电磁阀3"+传感器50m3/hXishuiRTU w/sensor
4620元。
(2)增产:玉米单产由去年地面灌的1.14万kg/hm2增加到1.38万kg/hm。单产增加了约2400kg/hm。按当年玉米收购平均价1.64元/kg,每公顷新增效益3936元,合计新增效益178300元。
(3)省工:项目区去年地面灌溉需要人工2人,采用小农户滴灌自动控制系统后,灌溉管理只需1人,而且可由农户自己
2
2
(上接第50页)
运行时间倍乘数(RTM)是对灌溉系统低于理想状态的灌水非均匀度进行补偿的一种调整,可用于计算基础灌溉需水量(IWRbase)。RTM可能为1.0或更高,1.0代表了具有完美灌水均匀度的理想系统。
喷灌系统和滴灌/微灌系统的RTM可由下式计算:
RTM=100/DULH(或EU)
EU为滴灌/微灌系统的出流均匀度系数。
DULH和EU的确定和计算可参考相关文献,不赘述。
(8)
式中:DULH为喷灌系统面积权重的低值1/2分布均匀度系数;
京:水利电力出版社,1979.
[2] 傅 琳,董文楚,郑耀泉等.微灌工程技术指南[M].北京:水利电
力出版社,1988.
[3] 喷灌工程设计手册编写组.喷灌工程设计手册[M].北京:水利电
力出版社,1989.
[4] 水利部国际合作司等.美国国家灌溉工程手册[M].北京:中国水
利水电出版社,1998.
[5] 赵竞成.喷灌工程技术[M].北京:水利水电出版社,1999.[6] 丁文铎.城市绿地喷灌[M].北京:中国林业出版社,2001.[7] 郭元裕.农田水利学[M].北京:水利水电出版社,2007.[8] LandscapeIrrigationSchedulingandWaterManagement
Water
ManagementCommitteeofTheIrrigationAssociation,March2005.[9] AGuidetoEstimatingIrrigationWaterNeedsofLandscapePlan
tingsinCalifornia
TheLandscapeCoefficientMethodand
WUCOLSIII,UniversityofCaliforniaCooperativeExtension&CaliforniaDepartmentofWaterResources,August2000.[10] GB/T50085 2007,喷灌工程技术规范[S].[11] SL103 95,微灌工程技术规范[S].
3 结 语
应用园林系数法估算园林植物蒸发量是园林植物灌溉需水量估算的核心。确定了园林系数KL,考虑了有效降雨Re,并考虑灌水不均需水量和管理需水量之后,即可进一步确定园林植物净灌溉需水量、毛灌溉需水量,以及基础灌溉需水量。参考文献:
[1],洲.
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文章编号:1007 4929(2011)04 0048 03
节水灌溉 2011年第4期
园林绿化植物灌溉需水量估算
邱振存1,管 健2
(1.唐山优耐特农业科技有限公司,河北唐山063020;2.总后建筑设计院三室,北京100036)
摘 要:园林植物灌溉需水量估算多是应用农业灌溉的概念和公式,计算理念和计算精度无法有效描述园林植物需水量实际情况。从园林植物需水的特殊考虑着手,通过引入园林植物腾发量、参考作物腾发量、园林系数公式、有效降雨量、运行时间倍乘数等相关概念,确定了园林植物实际需求的灌溉需水量,提出了一种园林绿化植物需水量的估算方法和估算过程。
关键词:园林植物;参考腾发量;园林系数;有效降雨;运行时间倍乘数;灌溉需水量 中图分类号:TU985.1 文献标识码:A
园林灌溉的目的是当降雨不足以维持园林植物的健康、外观,以及适度生长时,向园林植物提供所需的补充水量。高效的园林灌溉用水管理就是为了满足园林用水需求,避免用水不足或过度。有效的园林规划设计和园林灌溉用水管理不仅需要考虑绿化植物的水分需求,以及灌溉系统在输送这些水分时的工作情况。同时也需要考虑由于植物水分需求中的不确定性、风险规避等因素而在管理中施加的额外的水量。本文综合考虑园林系数、运行时间倍乘数等因素,探讨园林绿化植物灌溉需水量估算方法。
气候冷湿型冷干型暖湿型暖干型热湿型热干型
计算参考作物腾发量,如彭曼-蒙太斯法(奥伦,1986)、辐射法(都伦鲍斯和普鲁伊特,1977)、基于FAO布莱尼-克雷多法(FAO Blaney Criddle)基础上的温度法以及蒸发皿法等。表1列出了几种气候条件下的参考作物腾发量的最大范围值,可作为参考。
表1 参考作物腾发量的最大范围
定义(仲夏)50%RH50%RH21 ~32 ,32 ,>50%RH>32 ,
ETo/(25.4mm d-1)
0.10~0.150.15~0.200.15~0.200.20~0.250.20~0.300.30~0.45
1 园林系数法计算园林植物需水量
园林植物需水量(腾发量)速率可由园林系数法公式计算得出。方法是通过应用一个园林系数KL对ETo进行调整,来计算园林植物需水量(PWR)。
PWR=ETo KL
量,mm/d;KL为园林系数。
(1)
式中:PWR为园林植物需水量,mm/d;ETo为参考作物腾发
注:正午空气温度和相对湿度,RH为相对湿度。
1.2 园林系数影响因素及其计算方法
类似于作物系数,园林系数是特别派生出来用于根据参考作物腾发量来估算绿化植物水分消耗的系数。
不同于作物或者草坪,园林植物很典型的由一种以上的植物种类组成。多种绿化植物种类集中在一起,且通常在一个灌水小区进行灌溉,而在同一灌水小区的不同的植物种类其水分需求可能差别较大。例如一个小区可能由八仙花、杜鹃花、刺柏、夹竹桃以及橄榄树组成。这些种类通常被认为具有完全不同的水分需求,为一种植物选取的作物系数可能不适合于其他
1.1 参考作物腾发量
参考作物腾发量是确定园林植物需水的基础。由于用于确定参考作物腾发量ETo的参考作物通常为草或者苜蓿,而灌水良好、生长茁壮、修剪整齐(8~15cm)的冷季型草类应用的最为广泛,因而园林绿化工程也常采用冷季型草参考腾发量。
参考腾发量可以由測渗仪测量消耗的水的重量直接测得,但通常是由气象站的测量数据计算而来。已有多种方法用于
收稿日期:2010 11 17
基金项目:国家自然科学基金(51039007,50979076)。
( )男,,E mail:@yah。
园林绿化植物灌溉需水量估算 邱振存 管 健
种类。适用于园林绿化植物的园林系数需要包含进在很多种植模式中出现的植物种类的混合种植的考虑。
相比作物,园林绿化中植物密度变化相当大。许多植物可能比其他植物多数倍的叶片面积。例如,具有树木、灌木以及地被植物的园林很紧凑的组合进一个小区域,通常具有更大的叶面面积,更多的叶片面积很典型的意味着植物腾发量的增加。园林系数因子考虑绿化植物种植密度上的这种变化。
此外,许多园林系统可能包含一系列的小气候条件,从凉爽、荫凉、受保护区域到炎热、阳光充足、多风区域。这些小气候的变化会显著影响植物水分损耗。在华盛顿西雅图的实验发现铺装区域种植的植物比在公园环境里种植的相同种类的植物多消耗50%的水量。在加利福尼亚进行的其他研究也发现在遮阴处种植的植物会比大田条件下的同类植物少消耗50%的水量。由小气候引起的水分消耗的变化也需要设置一个系数因子加以考虑。
在这些因素共同影响下,园林绿化植物需水与农业作物和草坪十分不同,并且在进行园林绿化植物水分需求估算时都需要加以考虑。园林系数就是为考虑这些不同而提出的。1.2.1 植物种类因子Ks
植物种类因子Ks用来考虑植物种类在需水上的不同,其数值可参考表2进行选取。在已定植的园林中,樱桃、桦树、桤木、八仙花、杜鹃花等植物种类需要相对多的水量来维持健康和外观,而橄榄、夹竹桃、车桑子、刺柏等植物则需水量较小。
表2 不同类型植物的种类系数Ks
植被类型树木灌木地被植物
树木、灌木、地被植物混合
冷季型草暖季型草
高0.90.70.90.9--平均0.50.50.50.50.80.6
低0.20.20.20.2--
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植被赋以较小的密度因子Kd数值。具有混合植物类型(树木、灌木以及地被植物)的种植很典型地比单一植物类型的种植具有更多的集聚叶面积,因而将会损耗更多的水量。这类种植会被赋以较高的密度因子Kd数值。只有一种植物类型占主导的全覆盖种植,则赋以平均的密度因子数值,即Kd=1.0。
表3 不同植物类型的密度因素Kd
植被类型树木灌木地被植物
树木、灌木、地被植物混合
草
高1.31.11.11.31.0
平均1.01.01.01.01.0
低0.50.50.50.60.6
应该注意到,基于绿化植物密度和生长阶段,一给定种植区域内密度因子可能变化相当大。
表3假设绿化植物之间的裸露的土壤表面不会被灌溉水湿润。否则,由于湿土表面蒸发Kd值应该增加10%~20%,尤其是对于树木和灌木而言。1.2.3 小气候因子Kmc
一个园林绿化工程内可能存在多种差别较大的小气候条件,需要在估算植物水分消耗当中加以考虑。城市园林的典型特征(例如建筑物和铺装)影响温度、风速、光强度和湿度。这些特征在园林内/间变化相当大,导致小气候上的差异。为考虑这些差异,采用了小气候因子Kmc。小气候因子Kmc有助于考虑阳光、遮阴、保护地、热/冷区域以及风的影响。例如城市园林中铺装、开敞环境下的植物可能比在公园环境下的同一植物增加50%的腾发量。
平均的小气候条件相当于测量参考腾发量时的条件,也即开放场地环境、无特殊风力条件及非典型性的热源输入。这种小气候大体上不会受到附近建筑物、构筑物、人行道、坡度或者反射表面的影响。
高需水(通常为不利的)小气候条件下,位置特征提高了蒸发条件,例如被吸热表面、反射表面包围的种植,或者暴露于特殊的风力条件下时,Kmc将会被赋以较高的数值。例如,街道中间、停车场,紧挨着建筑物的西南面,或者在 风洞 区域的种植将会被赋以较高的Kmc数值。
低需水的小气候条件与高需水的小气候条件可能是共同体,但对某些位置的园林植物是有利的,例如白天里大部分时间都被遮蔽或者受到保护从而不受当地典型风的影响的种植将被赋以低Kmc值。这些位置条件包括建筑物的北侧、庭院、建筑物屋檐下、坡地北侧,以及远离干/热表面等。
表4 不同植物类型的小气候因素Kmc植被树木灌木地被植物
树木、灌木、地被植物混合
草
高1.41.31.21.41.2
平均1.01.01.01.01.0
低0.50.50.50.50.8
注: 以上所列的园林绿化的类别:树木、灌木、地被植物是指完全由一种植被或一种占主导的植被构成。 树木的种类值基于农业树木的研究成果。 地被植物的估算值是基于加州的初步的研究成果。 混合种植是有两到三种植被组成,都不占主导。 暖季型草是添加进来用以与冷季型草进行区别的。
表2中,平均的Ks数值代表了在一给定的植被类型中与需水相关的典型或平均的种类因子。类似的,高值代表了在一给定植物类型中种类因子的高限值,低值代表了在一给定植物类型中种类因子的低限值。例如地被植物的低限值是0.2,它适合于所选取的组合是较耐干旱的地被种类。但这个数值却不适合于许多典型的观赏型地被植物。1.2.2 密度因子Kd
植物密度因子被用于考虑园林种植间绿化植物密度的差异,其数值可参考表3进行选取。植物密度意指园林种植中所有植物聚集而成的叶面积。植物密度或者叶面积的不同导致水分消耗的不同。
未长成且稀疏种植的园林会典型地比长成的或者浓密种
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需要指出,每一特定的小气候(环境)都需要考虑合适的小气候调整因子。生长于阳光下的草地植被具有平均的小气候因子(Kmc=1),而完全处于遮阴状态下的同一片植被,可能选择0.8的小气候因子,以降低小区的灌水量,更好地与园林绿化植物的实际需水要求相适应。相似的,若同一块草地从玻璃或其他表面接收到相当数量的反射光线,则应该选择1.2(或更高)的小气候调整因子数值,而这会增加小区的灌水量以适应较高的植物需水要求。1.2.4 园林系数计算
综上所述,园林系数的确定需要考虑植物种类因子Ks、密度因子Kd和小气候因子K
mc
园林绿化植物灌溉需水量估算 邱振存 管 健
Re=Rh 100
月;RF为有效雨量系数,%。
由于基于长时段平均历史数据预测未来降雨的不确定性,通常在规划园林植物的用水需求时,可以认为不超过50%的历史降雨量是有效降雨。
对于根系发育较浅的园林植物,只能从降雨数据中应用通常灌溉季节月份内的历史数据来计算每年的有效降雨量,灌溉季节之外的有效降雨量通常是不能被用来进行园林灌溉需水量计算的,原因在于园林植物的根区较浅,不能存储大量的季节外降雨。
(3)
式中:Re为月度有效降雨量,mm/月;Rh为历史降雨量,mm/
3个因子的综合影响:
mc
KL=KsKdK
植密度因子;Kmc为园林小气候因子。
(2)
式中:KL为园林系数;Ks为园林植物种类因子;Kd为园林种
2.2 园林植物净需水量(PWRnet)
植物净需水量(PWRnet)为植物需水量(PWR)减去有效降雨量(Re):
PWRnet=PWR-Re
mm/d;Re为有效降雨量,mm/d。
(4)
式中:PWRnet为植物净需水量,mm/d;PWR为植物需水量,
2 园林绿化植物灌溉需水量估算
2.1 有效降雨量
有效降雨量是指灌溉季节内能够实际上被植物所利用的那部分降雨量。估算园林植物需水量时,在灌溉季节可能有显著降雨发生的情况下应该考虑当地有效降雨。由于降雨量时、空变化很大,因而虽然降雨有助于满足园林绿化对水分的需求,但并不总是可靠的水分来源。
园林绿化有可能是由不同的土壤类型、植物和根系深度,以及斜坡地形构成的综合体。平坦地形对降雨入渗的 机会时间 的影响与坡地或起伏地形相比有所不同。水分在平坦绿化地块上更不可能流失,因为它有更好的机会入渗。但当降雨强度超过入渗强度时则会产生径流。根系深度也会影响能够被容纳的有效降雨量。大于土壤有效持水量的过多的日降雨通过地表径流和深层渗漏的方式损失掉了。因而降雨会以不同的方式影响园林工程中的每一个灌溉区域。
美国农业部土壤保持局(USDA SCS)的一项基于美国22个站点50年的逐日土壤储水量、降雨量和作物腾发量的研究表明农业作物的平均有效降雨大约76%。表5是土壤保持局针对平坦园林绿地且根系深度在10~45cm的不同类型土壤上的研究成果(平均值)。从表中可知,由于园林植物较浅的根系埋深,平均有效降雨要低得多。
表5 由月度历史降雨量估算的有效降雨量
(基于土壤类型和根系深)
根系深度/cm类别12345
种类沙土沙壤土壤土黏壤土黏土
15
30
45
60
2.3 园林植物灌溉需水量(IWR)
2.3.1 净灌溉需水量(IWRnet)
净灌溉需水量(IWRnet)是指存储于植物根区,可添加于土壤水库以满足净植物需水量(PWRnet)的那部分灌溉水量。园林植物净灌溉需水量不包含为弥补水分分布不均匀影响或者为补充其他灌溉水量损耗而增加的水量。
IWRnet=PWRnet
2.3.2 灌水分布不均需水量(IWRDU)
由于水量分布不均导致的需水量是指为了弥补灌水小区内灌溉水的不均匀分布所需向园林绿地施加的额外的水量。这部分水量主要由喷头/滴头的类型、间距以及运行压力决定的。2.3.3 管理需水量(IWRwm)
管理需水量是指为了弥补未来植物需水的不确定性(规避风险)、管理者个人偏好、为盐分控制需要的淋洗水量、蒸发损失、风漂移、地面径流、管道跑漏、深层渗漏等等所需额外施加于园林绿化的水量。IWRwm直接在管理人员的掌控之下。2.3.4 毛灌溉需水量(IWRgross)
毛灌溉需水量(IWRgross或简单的IWR)是全部的灌溉水量,它包括植物净需水量、用于水量分布不均上的补偿水量和用水当中的损耗,以及管理人员额外施用的水量。这些水量中的一部分进入根区,添加至土壤水库,一部分损耗于蒸发、地面径流、深层渗漏、风漂移、管道渗漏或者喷洒于目标区域之外:
IWR=IWRnet+IWRDU+IWRwm
2.3.5 基础灌溉需水量(IWRbase)
基础灌溉需水量(IWRbase)是指为了满足植物净需水量和为抵消水量分布不均匀而施加于园林植物的水量。基础灌溉需水量不包含为弥补蒸发、风漂移、管道渗漏、深层渗漏、地表径流以及界外喷洒的损失水量,因为这些损失量可以通过适当的管理措施(灌水安排和维护)而使其最小化。基础灌溉需水量可由以下式计算:
IWRbase=RTM IWRnet
:(7)
(页)
(6)(5)
月平均有效降雨量(月度降雨量的百分数)/%
4447494745
4853575551
5258636055
5563686559
注:只适用于平坦绿化地块,且平均月度降雨量在6mm到200mm之间。
:
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适合小农户的滴灌自动控制系统在裕民县的推广应用 崔春亮 阿不都沙拉木 雷建花
完成,无需另外雇佣专人灌溉,节省劳力0.7万元(农户实际支付的人工工资)。
综上所述,项目区45.3hm2玉米自动化滴灌较地面灌节约支出总计11620元,年节水27180m3,增产增收17.83万元。
3 系统的推广应用前景
新疆在今后10年将发展高效节水灌溉面积200万hm2。其中近5年实施120万hm2。高效节水灌溉随着劳动力价格的不断攀升,必然向灌溉自动化方向发展,同时该系统还可广
图5 自动模式设置界面
表1 适合小农户的玉米滴灌自动控制系统造价表
设备名称
潜水泵变频控制器
离心+全自动清洗网式过滤器
田间PVC管及管件田间PE管及管件田间滴管带及管件
灌溉主控制器1000型无线+46RTU
Xishui autoirri 64
158760820
192
[1**********]
规格描述250QJ160 105/5
100kWXishui150 HASF
200160,110,90
9016
单价/元[***********][1**********]40
数量/套111111
合计/元[***********][1**********]40
泛用用于果树滴灌,温室控制,其使用范围很广。项目实施开发后还可以在国内其他省市,尤其是在与新疆较近的西北地区推广使用,其发展和推广前景很大。
根据新疆节水灌溉规划目标,至2015年新疆将拥有187万hm2高效节水灌溉面积,按照1/5的节水灌溉面积安装灌溉自动控制系统计算为37万hm2,而造价仅为1800~5250元/hm2,预计将有6.72~19.6亿元的市场潜力。随着节水灌溉面积扩大,新疆有望近期内逐渐实现膜下滴灌改造改造为自动控制系统,这部分的市场潜力也不容忽视。
4 存在的问题和今后研发的方向
目前存在的主要问题是研发的灌溉自动控制系统设备功能相对简单,规格不够齐全,不能满足所有客户的需求,其次是农民的节水意识有待于进一步提高,建议经常举行农民讲座和培训班。
我院将在现有基础上,继续研制适宜小农户的更加实用、小巧、造价低廉、便于操作的灌溉自动控制系统,扩大产品的系列,满足小农户在灌溉自动控制中的不同需求。参考文献:
[1] 崔春亮,雷建花.自主研发的棉花滴灌自动化控制系统的应用
[J].中国农村水利水电,2009,(10):76-80.
电磁阀3"+传感器50m3/hXishuiRTU w/sensor
4620元。
(2)增产:玉米单产由去年地面灌的1.14万kg/hm2增加到1.38万kg/hm。单产增加了约2400kg/hm。按当年玉米收购平均价1.64元/kg,每公顷新增效益3936元,合计新增效益178300元。
(3)省工:项目区去年地面灌溉需要人工2人,采用小农户滴灌自动控制系统后,灌溉管理只需1人,而且可由农户自己
2
2
(上接第50页)
运行时间倍乘数(RTM)是对灌溉系统低于理想状态的灌水非均匀度进行补偿的一种调整,可用于计算基础灌溉需水量(IWRbase)。RTM可能为1.0或更高,1.0代表了具有完美灌水均匀度的理想系统。
喷灌系统和滴灌/微灌系统的RTM可由下式计算:
RTM=100/DULH(或EU)
EU为滴灌/微灌系统的出流均匀度系数。
DULH和EU的确定和计算可参考相关文献,不赘述。
(8)
式中:DULH为喷灌系统面积权重的低值1/2分布均匀度系数;
京:水利电力出版社,1979.
[2] 傅 琳,董文楚,郑耀泉等.微灌工程技术指南[M].北京:水利电
力出版社,1988.
[3] 喷灌工程设计手册编写组.喷灌工程设计手册[M].北京:水利电
力出版社,1989.
[4] 水利部国际合作司等.美国国家灌溉工程手册[M].北京:中国水
利水电出版社,1998.
[5] 赵竞成.喷灌工程技术[M].北京:水利水电出版社,1999.[6] 丁文铎.城市绿地喷灌[M].北京:中国林业出版社,2001.[7] 郭元裕.农田水利学[M].北京:水利水电出版社,2007.[8] LandscapeIrrigationSchedulingandWaterManagement
Water
ManagementCommitteeofTheIrrigationAssociation,March2005.[9] AGuidetoEstimatingIrrigationWaterNeedsofLandscapePlan
tingsinCalifornia
TheLandscapeCoefficientMethodand
WUCOLSIII,UniversityofCaliforniaCooperativeExtension&CaliforniaDepartmentofWaterResources,August2000.[10] GB/T50085 2007,喷灌工程技术规范[S].[11] SL103 95,微灌工程技术规范[S].
3 结 语
应用园林系数法估算园林植物蒸发量是园林植物灌溉需水量估算的核心。确定了园林系数KL,考虑了有效降雨Re,并考虑灌水不均需水量和管理需水量之后,即可进一步确定园林植物净灌溉需水量、毛灌溉需水量,以及基础灌溉需水量。参考文献:
[1],洲.