CN114982608A - 一种海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统 - Google Patents

一种海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统 Download PDF

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Abstract

一种海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，海绵植物干旱程度辨识模块实现植物缺水情况分析，结合植物蒸腾作用的原理，并结合海绵体内植物种植的种类和数量核算植物缺水量；海绵基质最大允许灌溉程度分析模块，根据历史和未来气象信息，结合海绵基质在蒸发和渗透双重作用，核算海绵基质可以接受的最大灌溉量；灌溉模块利用海绵植物干旱程度辨识模块和海绵基质最大允许灌溉程度分析模块的核算结果，比较确定海绵植物的最大浇水量，启动灌溉系统进行浇灌。本发明精确计算海绵城市中海绵体植物的灌溉时间和灌溉量，充分保证灌溉的及时性和准确性，既起到节水作用，又最大程度保证海绵体植物的生长，从而助力海绵城市发挥最大的作用。

Description

一种海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统
技术领域
本发明属于灌溉技术领域，具体涉及一种海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统。
背景技术
海绵城市是一个城市雨洪综合管理系统，在海绵城市的建设理念下，城市排水系统中需要储存有限的雨水，利用更多的自然力量进行排水。自然的力量多指利用绿色基础设施进行雨水利用，如屋面绿化集水、生物滞留池、雨水花园等海绵体，海绵体正是指一个个吸水和释水的基础设施(单体)，是海绵城市的重要组成部分，利用这些措施来缓解城市内涝，可以实现健康、持续、自然渗透和净化的循环城市环境。
植物是海绵城市海绵体中收水的重要组成部分，其能够滞留、吸纳，净化雨水，是解决雨水面源污染和水体存储循环的关键一环。
但是在长期干旱的情况，由于海绵体的海绵基质的空隙大，难以形成较好的毛细作用为表层种植的植物补充水分，导致表层植物出现干旱缺水情况，为了维持海棉植物的存活，有必要对其进行合理的适量的灌溉。一方面可以维持海绵植物的生存，另一方面不至于由于灌水量过大，影响海绵体在雨天时蓄积作用的发挥。本发明为了解决这一矛盾，特提出了一种海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，包括：海绵植物干旱程度辨识模块、海绵基质最大允许灌溉程度分析模块和灌溉模块，所述海绵植物干旱程度辨识模块实现植物缺水情况分析，结合植物蒸腾作用的原理，并结合海绵体内植物种植的种类和数量核算植物缺水量；所述海绵基质最大允许灌溉程度分析模块，根据历史和未来气象信息，结合海绵基质在蒸发和渗透双重作用，核算海绵基质可以接受的最大灌溉量；所述灌溉模块利用海绵植物干旱程度辨识模块和海绵基质最大允许灌溉程度分析模块的核算结果，比较确定海绵植物的最大浇水量，启动灌溉系统进行浇灌。
进一步地，海绵植物干旱程度辨识模块中，利用无人机挂载的红外测温仪，测量叶面温度，利用海绵植物叶面温度减去气温的正值温差累加值作为海绵植物缺水指标，连续多天的正值温差累加值大于5℃时，表示0-30厘米基质层的相对湿度下降到50％以下，则可判断该海绵体的海绵植物处于缺水状态。
进一步地，海绵基质最大允许灌溉程度分析模块，利用大数据网络爬虫技术，从互联网上获取当地气象部门的气象历史和未来监测信息，并自动对信息内容进行解析，生成气象信息监测数据库。
进一步地，利用对上一次降雨的降雨量数据的分析，同时考虑海绵基质内水分的蒸发和渗透，由此可以核算海绵基质的现状含水量情况。
进一步地，海绵基质透水速率参数指其对地表水的渗透能力，决定于海绵基质的质地、结构、孔隙、湿度和剖面构型因素。
进一步地，利用对上一次降雨的降雨量等数据的分析，同时考虑海绵基质内水分的蒸发和渗透，由此可以核算海绵基质的现状含水量情况；同时通过爬取未来一段时间内的气象信息，可以确定下一次降雨的时间和大致降雨量，并考虑浇灌后到下一次降雨之间海绵基质的持续蒸发和渗透等情况，可以反算海绵基质的最大蓄水能力；同时结合海绵基质现状含水量情况，进而可以核算海绵基质可以接受的最大灌溉量。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，通过系统核算海绵基质可以接受的最大灌溉量、利用无人机挂载的红外测温仪扫描测量叶面温度计算含水量总量与利用大数据网络爬虫技术，对气象数据并进行解析，生成气象信息监测数据库，三者协同核算海绵城市基质所需灌溉量。本发明精确计算海绵城市中海绵体植物的灌溉时间和灌溉量，充分保证灌溉的及时性和准确性，既起到节水作用，又最大程度保证海绵体植物的生长，从而助力海绵城市发挥最大的作用。
附图说明
图1是海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，由三部分组成：海绵植物干旱程度辨识模块、海绵基质最大允许灌溉程度分析模块和灌溉模块。
海绵植物干旱程度辨识模块，主要利用无人机红外成像系统分析植物缺水情况，其技术核心是基于利用植物蒸腾作用的原理，健康植物在阳光和水分充足的情况下会进行充分的蒸腾作用。水分散失会带走热量，水分充足的情况下，发生充分的蒸腾作用，导致较低的叶面温度；而植物缺水的情况下，进行不充分的蒸腾作用，导致较高的叶面温度。利用无人机挂载的红外测温仪，测量叶面温度，在每日的13：30至14：30进行定时连续观测，当0-30厘米土层相对湿度大于75％时，海绵植物叶面温度比气温低；相对湿度小于70％时，海绵植物叶面温度比气温高。
红外成像系统是由红外热四周传播转换为电信号，然后由电信号转换为光信号。光学系统的主要功能之一是把于光信号转变成电信号，信号的强弱表示向周围热辐射的速度；功能之二是把电信号经过电子学处理，热辐射被转化成热图像显示在热像仪上，以上完成光学系统的两个转换过程，从而得到二维热图像。最后通过红外热图像分析软件得到温度分布图，或者感兴趣区域内的平均温度等信息。
本发明利用无人机搭载红外测温仪进行红外扫描，可以实时的获取地表通量及土壤水分；速度快：即响应时间快。只要接收到目标的红外辐射即可在短时间内定温。红外测温仪准确度高：红外测温不会与接触式测温一样破坏物体本身温度分布，因此测量精度高。红外测温仪灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出。可进行微小温度场的温度测量和温度分布测量，以及运动物体或转动物体的温度测量。使用安全及使用寿命长。
本发明利用海绵植物叶面温度减去气温的正值温差累加值作为海绵植物缺水指标。一般情况下连续多天的正值温差累加值大于5℃时，表示0-30厘米基质层的相对湿度下降到50％以下，则可判断该海绵体的海绵植物处于缺水状态。在此基础上，根据红外成像的特征光谱进行判断海绵体内植物种植的种类和数量测算植物缺水量。
(2)海绵基质最大允许灌溉程度分析模块
利用大数据“网络爬虫”技术，从互联网上获取当地气象部门的气象历史和未来监测信息，并自动对信息内容进行解析，生成气象信息监测数据库。
利用爬取得数据，可测算上次降雨之后，海绵基质表层达到饱和时，海绵基质蒸发强度决定于质量交换系数及海绵基质表面水汽压与空气中水汽压之差。
当海绵基质中蒸发大于海绵基质中水和地下水的补给时，表层水分逐渐减少，含水量逐渐下降，液态水的移动减弱。由于液态水的传导度随着含水量的减少而迅速降低，此时，海绵基质中水分蒸发率与含水量成正比例。当含水量降低至一定程度时，液态水的传导度逐渐趋近于零，液态水的蒸发亦趋近于零，形成干化硬壳。于是蒸发基本上不在土壤表面进行，而海绵基质中水汽借扩散作用通过干化表层逸入大气，蒸发率取决于海绵基质含水量及土壤中水汽压梯度，因扩散途径不断延长，故蒸发极为微弱。
海绵基质蒸发量的计算方式如下：
Figure BDA0003705040060000041
式中，Ed为海绵基质的实际蒸发量，z0为ZFP的位置坐标，0表示以土壤表面为坐标原点，θ(z，t1)为t1时刻ZFP至土壤表面的含水率分布，θ(z，t2)为t2时刻ZFP至土壤表面的含水率分布。
利用ZFP(zero fluxplane method，零通量面)计算海绵基质蒸发量其先决条件是确定ZFP的存在及其深度，用张力计测值确定ZFP的位置。
海绵基质渗透率参数指其对地表水的渗透能力。决定于海绵基质的质地、结构、孔隙、湿度、剖面构型等因素。一般情况下海绵基质质地较粗、结构性好、孔隙较大、渗水比较容易，透水性大。海绵基质剖面构型中，如上一下各层的透水性能不一致时，海绵基质渗透性常由透水性最小的一层决定。
海绵基质渗透率的计算方式如下：
Figure BDA0003705040060000042
其中，A是土粒孔隙之间的比例系数，di是各径级土粒直径中值，m表示固定水层单位面积水柱质量，g表示重力加速度，k％表示土壤总孔隙度，v表示水的黏滞系数，λi表示土壤机械组成百分数。
土壤渗透率公式进一步阐述了渗透率与有效土粒质量百分含量、土粒密度成正比，与土壤容重成反比，与土粒孔隙之间的比例系数A、有效土粒粒径di是典型的2次抛物线关系，土壤渗透率与土壤结构参数土粒密度、土壤容重、颗粒组成密切相关。海绵基质渗透率计算公式的单位为mm.s-1。
海绵基质的理化性状应符合当时有关植物种植的土壤标准，并满足雨水渗透的要求。在保证土壤肥力的基础上，绿地土壤改良应增加土壤的入渗率，保证雨水入渗速度和入渗量，一般绿化种植，其表层土壤(0-20cm)渗透率应不小于1.39x10-6m/s，若为雨水滞缓、渗透或净化设施，其土壤渗透率应在2.78x10-6m/s～1x10-4m/s之间。
海绵基质在蒸发和渗透双重作用下，其内部蓄积的雨水不断减少，这种蓄水量的减少为海绵基质应对下一场降雨，发挥海绵体的调节功能提供了可能。
利用对上一次降雨的降雨量等数据的分析，同时考虑海绵基质内水分的蒸发和渗透，由此可以核算海绵基质的现状含水量情况。
同时通过爬取未来一段时间内的气象信息，可以确定下一次降雨的时间和预计降雨量，并考虑浇灌后到下一次降雨之间海绵基质的持续蒸发和渗透等情况，可以反算海绵基质的最大蓄水能力；同时结合海绵基质现状含水量情况，进而可以核算海绵基质可以接受的最大灌溉量。该灌溉量与海绵植物种类、海绵植物种植区域面积、灌溉效率系数等因素有关。灌溉量计算方式如下：
w＝10yzhFε
其中，w是灌溉量，单位为m3；yz是综合净流系数；h是预计降雨量；F是海绵基质的汇水面积，ε是是灌溉效率系数。
(3)灌溉模块
利用前述两个模块的核算结果，比较确定海绵植物的最大浇水量，进而启动灌溉系统，对于海绵体处已经建有灌溉系统的海绵植物直接进行浇灌，对于没有建设灌溉系统的海绵体，则需要利用浇水车辆对海绵植物进行浇灌。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，其特征在于，包括：海绵植物干旱程度辨识模块、海绵基质最大允许灌溉程度分析模块和灌溉模块，
所述海绵植物干旱程度辨识模块实现植物缺水情况分析，结合植物蒸腾作用的原理，并结合海绵体内植物种植的种类和数量核算植物缺水量；
所述海绵基质最大允许灌溉程度分析模块，根据历史和未来气象信息，结合海绵基质在蒸发和渗透双重作用，核算海绵基质可以接受的最大灌溉量；
所述灌溉模块利用海绵植物干旱程度辨识模块和海绵基质最大允许灌溉程度分析模块的核算结果，比较确定海绵植物的最大浇水量，启动灌溉系统进行浇灌。
2.根据权利要求1所述的海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，其特征在于：海绵植物干旱程度辨识模块中，利用无人机挂载的红外测温仪，测量叶面温度，利用海绵植物叶面温度减去气温的正值温差累加值作为海绵植物缺水指标，连续多天的正值温差累加值大于5℃时，表示0-30厘米基质层的相对湿度下降到50％以下，则可判断该海绵体的海绵植物处于缺水状态。
3.根据权利要求1所述的海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，其特征在于：海绵基质最大允许灌溉程度分析模块，利用大数据网络爬虫技术，从互联网上获取当地气象部门的气象历史和未来监测信息，并自动对信息内容进行解析，生成气象信息监测数据库。
4.根据权利要求3所述的海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，其特征在于：利用对上一次降雨的降雨量数据的分析，同时考虑海绵基质内水分的蒸发和渗透，由此可以核算海绵基质的现状含水量情况。
5.根据权利要求1所述的海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，其特征在于：海绵基质透水速率参数指其对地表水的渗透能力，决定于海绵基质的质地、结构、孔隙、湿度和剖面构型因素。
6.根据权利要求1所述的海绵城市中海绵体植物精确灌溉系统，其特征在于：利用对上一次降雨的降雨量等数据的分析，同时考虑海绵基质内水分的蒸发和渗透，由此可以核算海绵基质的现状含水量情况；同时通过爬取未来一段时间内的气象信息，可以确定下一次降雨的时间和大致降雨量，并考虑浇灌后到下一次降雨之间海绵基质的持续蒸发和渗透等情况，可以反算海绵基质的最大蓄水能力；同时结合海绵基质现状含水量情况，进而可以核算海绵基质可以接受的最大灌溉量。
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