種植屋面自動滴灌系統(tǒng)及其工程實施要點簡述

劉亞輝，王 立，陳文杰，宋 曄

LIU Yahui1，WANG Li1，CHEN Wenjie1，SONG YE2

(1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州310012;2.浙江省建設(shè)科技推廣中心，浙江 杭州310006)

微灌是指按照作物需求，通過管道系統(tǒng)與安裝在末級管道上的灌水裝置，將水和作物生長所需的養(yǎng)分以較小的流量，均勻、準(zhǔn)確地直接輸送到作物根部附近土壤的一種灌水方法，它包括滴灌、微噴灌、霧灌。滴灌技術(shù)采用專門的管道系統(tǒng)和設(shè)備將低壓水送到灌溉區(qū)域并緩慢地滴到作物根部土壤中，是最為節(jié)水的一種微灌形式。我國自1974年由墨西哥政府贈送我國三套滴灌設(shè)備開始引進滴灌技術(shù)以來，已有四十多年的發(fā)展歷程。通過各界的不懈努力，我國的滴灌技術(shù)有了長足的發(fā)展，在學(xué)習(xí)國外先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，同時還引進了一些具有世界先進水平的滴灌生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備。目前可生產(chǎn)單翼迷宮式滴灌帶、內(nèi)鑲式滴灌帶和壓力補償式滴灌管等多種產(chǎn)品。我國滴灌設(shè)備的技術(shù)水平迅速提高，為大面積推廣滴灌技術(shù)打下良好的基礎(chǔ)，滴灌技術(shù)也由此獲得了迅速的發(fā)展。目前，雖然國內(nèi)種植屋面采用較多的仍然是傳統(tǒng)的人工澆灌或噴灌，但效果顯著的滴灌技術(shù)已在溫室中有了較多的推廣。然而單純的滴灌技術(shù)仍然存在可改進之處，主要體現(xiàn)在:(1)其灌溉時間及頻率完全靠人工判斷，經(jīng)常產(chǎn)生過量灌溉或灌水不足的問題，影響植物的生長;(2)澆灌過程需人工參與并作出評估，需要一定的管理及維護成本。

針對以上問題，筆者及所在項目團隊通過將目前先進的滴灌技術(shù)與現(xiàn)代自動控制技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一套新穎的全自動現(xiàn)代化滴灌系統(tǒng)——種植屋面自動滴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)所選植物及土壤的類型，在自動控制系統(tǒng)中設(shè)定適宜植物生長的濕度范圍。當(dāng)土壤水分不足時，即土壤濕度值小于設(shè)定最小值時，自動控制系統(tǒng)會控制電磁閥并打開水泵進行澆灌，至土壤水分充足后水泵自動關(guān)閉，整個澆灌過程不但科學(xué)合理，且全自動化操作，大大節(jié)省了人力及維護費用。另外，自動滴灌系統(tǒng)在自動控制器判斷需要啟動水泵進行澆灌后，通過管網(wǎng)系統(tǒng)末級管道上的滴水器將水直接輸至地表下的種植物根部附近，其工作壓力一般僅為50～150 kPa。這樣不但提供了種植物所需水分，同時在地表下形成局部澆灌，有效地減少了總澆灌水用量及地表蒸發(fā)量，具有明顯的節(jié)能節(jié)水的效果。

1 自動滴灌系統(tǒng)的組成

種植屋面自動滴灌系統(tǒng)主要包括管網(wǎng)首部樞紐、滴灌管網(wǎng)、自動控制系統(tǒng)及濕度傳感網(wǎng)絡(luò)等四部分(圖1)。

圖1 種植屋面自動滴灌系統(tǒng)組成示意圖

(1)管網(wǎng)首部樞紐 主要包括各類閥門、水泵(當(dāng)?shù)喂喙芫W(wǎng)直接與壓力水連接且壓力滿足設(shè)計要求時，可不設(shè))、過濾設(shè)備、水表及壓力表等設(shè)備儀表，一般集中安裝在專用設(shè)備房或者滿足設(shè)計使用要求的設(shè)備柜內(nèi)。

(2)滴灌管網(wǎng) 主要包括干管連接、支管連接及毛管安裝(當(dāng)毛管內(nèi)無內(nèi)置滴水器時，還需在毛管上安裝滴頭)。干管布置方向平行于種植方向，支管布置方向一般垂直于種植方向，毛管布置方向一般與種植方向一致。

(3)自動控制系統(tǒng) 為一種可根據(jù)種植物需水量及埋置于土壤中濕度傳感器反饋的信息，通過在控制器中燒錄預(yù)先編寫好的相應(yīng)控制程序自動控制滴灌量及滴灌時間的系統(tǒng)，一般將其固定在隱蔽且封閉的專用操作柜(室)內(nèi)或管網(wǎng)首部樞紐附近位置。

(4)濕度傳感網(wǎng)絡(luò) 是由埋置在種植土壤中的多個濕度傳感器組成的反映土壤濕度信息的網(wǎng)絡(luò)。自動控制系統(tǒng)通過對傳感網(wǎng)絡(luò)反映的土壤信息進行分析判斷，進而對管網(wǎng)首部樞紐進行控制是否需要滴灌或滴灌量，因此傳感網(wǎng)絡(luò)是自動滴灌系統(tǒng)的感知神經(jīng)。濕度傳感器埋置于植物根部附近位置。

2 工程實施要點

2.1 實施要求

2.1.1 水壓要求 一般而言，滴灌管網(wǎng)的干管水壓應(yīng)在0.3 MPa 左右，至滴頭(或滴水器)端的水壓應(yīng)在0.1～0.15 MPa。當(dāng)水壓不滿足設(shè)計要求時，應(yīng)調(diào)整水泵的功率，或分若干區(qū)域控制進行滴灌。

2.1.2 材料要求 滴灌管網(wǎng)的干管可采用鍍鋅管或PE 管，其他水管采用PE 管，水管規(guī)格及所能承受的最大壓力應(yīng)能滿足設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求，且毛管壁厚還應(yīng)不小于1.5 mm。其余材料或設(shè)備進場前應(yīng)有相應(yīng)的產(chǎn)品合格證及相關(guān)檢測報告。

2.1.3 場地要求 種植屋面實施自動滴灌系統(tǒng)安裝施工時，場地亦應(yīng)做到“三通一平”。所謂“三通”是指水源已接通至實施屋面、電源已接通至實施屋面及材料垂直運輸路線暢通;“一平”是指覆土形式屋面的種植土面或盆栽屋面的屋面板基本平整。

2.2 管網(wǎng)首部樞紐安裝實施要點

2.2.1 閥門安裝 閥門安裝前，應(yīng)作強度和嚴(yán)密性試驗［1］。與閥門所連接的管路，應(yīng)先清理干凈其中的氧化鐵屑、泥砂、焊渣和其他雜物。密封填料嚴(yán)禁進入閥門里影響水流;電磁閥安裝完成后還應(yīng)把閥門前、后接管用支架固定好，然后對其氣密性進行檢查，最后需通電數(shù)次，使之適溫后方可正式投入使用。

2.2.2 水泵安裝 水泵與水管連接前，水管內(nèi)部和管端應(yīng)清洗干凈，清除雜物;密封面和螺紋不應(yīng)損壞。安裝完成后應(yīng)該對整體的氣密性進行檢查。

2.2.3 過濾器安裝 安裝前應(yīng)認真清洗所有連接管道的螺紋連接表面，使用管道密封膠或特氟龍帶要適量［2］。

2.2.4 水表安裝 水表應(yīng)安裝在易于檢修、易于觀測的位置。

2.2.5 壓力表安裝 取壓口應(yīng)避免處于管路彎曲、分叉及流束形成渦流的區(qū)域，當(dāng)管路中有突出物體(如測溫元件)時，取壓口應(yīng)取在其前面。

2.3 滴灌管網(wǎng)施工要點

2.3.1 干管的連接 先根據(jù)要求并結(jié)合實際情況量好管道尺寸，進行斷管并標(biāo)號。斷口要平齊，用銑刀或刮刀除掉斷口內(nèi)外飛刺［3］。干管安裝完后應(yīng)做閉水試驗，出口用堵頭封閉，達到不滲不漏。

2.3.2 支管連接 支管一般采用熱熔連接［4］。連接前，管材或管件連接面上的污物應(yīng)用潔凈棉布擦凈，應(yīng)銑削連接面，使其與軸線垂直。

2.3.3 毛管連接 安裝毛管時，鉆孔方向垂直于底面方向，孔洞毛刺應(yīng)銑平。

2.4 自動滴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計及安裝要點

先根據(jù)季節(jié)、種植物的類型及土壤情況綜合考慮并向相關(guān)園林設(shè)計師咨詢相關(guān)情況，確定種植物最大及最小需水濕度;然后根據(jù)這兩個參數(shù)，采用單片機或其他程序語言編制控制程序。該控制程序能滿足當(dāng)土壤達到最大含水量時電磁閥及水泵自動關(guān)閉，在土壤達到最小含水量時電磁閥自動開啟并打開水泵的使用功能。系統(tǒng)設(shè)計流程見圖2。最后將其與電磁閥及水泵繼電器進行正確連接并進行運行調(diào)試，滿足要求后再將控制系統(tǒng)固定至隱蔽且封閉的專用操作柜(室)內(nèi)或管網(wǎng)首部樞紐中相應(yīng)位置(圖3)。

圖2 控制系統(tǒng)的設(shè)計流程圖

圖3 自動控制系統(tǒng)的安裝

2.5 傳感網(wǎng)絡(luò)布置

濕度傳感器埋置深度一般在100 mm 左右，平均每100 m2埋設(shè)1～2 個(圖4)。

2.6 系統(tǒng)運行及驗收

首先應(yīng)將所有閥門打開，自動控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，然后再將水泵接通電源通水，先沖洗管道。水管沖洗干凈后，用堵頭將水管尾部封閉，逐個檢查滴頭出水狀況。系統(tǒng)試運行合格后，應(yīng)對自動滴灌系統(tǒng)的資料文件、材料規(guī)格及安裝質(zhì)量等進行驗收［5］。系統(tǒng)質(zhì)量驗收合格后方可交付使用。

圖4 埋設(shè)濕度傳感器

3 工程實施案例

某污水處理廠，建筑面積約1.2 萬m2，處理池池頂板厚度250 mm。該工程約600 m2池頂采用光伏與綠化復(fù)合施工，種植土厚度確定為200 mm(包括50 mm 厚蓄水層)，在組件下采用耐干旱且容易管理的麥冬草作為主要綠化草本植物，并在光伏電池板下種植較耐陰的海桐及梔子花等作為主要的綠化灌木。本工程采用屋面綠化自動滴灌系統(tǒng)進行澆灌。該自動滴灌系統(tǒng)采用375W 直流水泵，外徑33.33 mm(DN25)PE 主管、外徑16 mm 的內(nèi)鑲式滴灌帶，共埋設(shè)濕度傳感器6 支，控制系統(tǒng)及管網(wǎng)首部樞紐安裝于太陽能光伏板下。見圖5～8。該系統(tǒng)使用至今，效果良好。

圖5 滴灌管線敷設(shè)

圖6 控制系統(tǒng)及管網(wǎng)首部樞紐的安裝

圖7 傳感器的布置

4 結(jié) 語

本文主要針對當(dāng)前傳統(tǒng)滴灌方式的灌溉時間及頻率完全靠人工判斷，容易產(chǎn)生過量灌溉或灌水不足而影響植物的生長及滴灌過程需人工參與，耗費管理及維護成本等問題，提出了一種新穎的自動滴灌澆灌方式，并且闡述了該澆灌系統(tǒng)——種植屋面自動滴灌系統(tǒng)的組成及其工程實施要點。并通過工程實例驗證了該系統(tǒng)的自動化程度高、無須人工管理及水資源利用充分的特點。因此，種植屋面自動滴灌系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益、社會效益及推廣應(yīng)用前景。

［1]沈陽市城鄉(xiāng)建設(shè)委會.GB 50242—2002 建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［2]中華人民共和國水利部.SL/T 68—94 微灌用篩網(wǎng)過濾器［S］.北京:機械工業(yè)出版社，1994.

［3]建設(shè)部科技發(fā)展促進中心，上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團建筑設(shè)計科技發(fā)展中心.CJJ/T 98—2003 建筑給水聚乙烯類管道工程技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4]中國輕工業(yè)聯(lián)合會.GB/T 5836.1—2006 建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［5]中國灌溉排水發(fā)展中心，中國農(nóng)業(yè)大學(xué).GB/T 50485—2009 微灌工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.