种植屋面自动滴灌系统及其工程实施要点简述

刘亚辉，王 立，陈文杰，宋 晔

LIU Yahui1，WANG Li1，CHEN Wenjie1，SONG YE2

(1.浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州310012;2.浙江省建设科技推广中心，浙江 杭州310006)

微灌是指按照作物需求，通过管道系统与安装在末级管道上的灌水装置，将水和作物生长所需的养分以较小的流量，均匀、准确地直接输送到作物根部附近土壤的一种灌水方法，它包括滴灌、微喷灌、雾灌。滴灌技术采用专门的管道系统和设备将低压水送到灌溉区域并缓慢地滴到作物根部土壤中，是最为节水的一种微灌形式。我国自1974年由墨西哥政府赠送我国三套滴灌设备开始引进滴灌技术以来，已有四十多年的发展历程。通过各界的不懈努力，我国的滴灌技术有了长足的发展，在学习国外先进经验的基础上，同时还引进了一些具有世界先进水平的滴灌生产技术及设备。目前可生产单翼迷宫式滴灌带、内镶式滴灌带和压力补偿式滴灌管等多种产品。我国滴灌设备的技术水平迅速提高，为大面积推广滴灌技术打下良好的基础，滴灌技术也由此获得了迅速的发展。目前，虽然国内种植屋面采用较多的仍然是传统的人工浇灌或喷灌，但效果显著的滴灌技术已在温室中有了较多的推广。然而单纯的滴灌技术仍然存在可改进之处，主要体现在:(1)其灌溉时间及频率完全靠人工判断，经常产生过量灌溉或灌水不足的问题，影响植物的生长;(2)浇灌过程需人工参与并作出评估，需要一定的管理及维护成本。

针对以上问题，笔者及所在项目团队通过将目前先进的滴灌技术与现代自动控制技术相结合，构建了一套新颖的全自动现代化滴灌系统——种植屋面自动滴灌系统。该系统可根据所选植物及土壤的类型，在自动控制系统中设定适宜植物生长的湿度范围。当土壤水分不足时，即土壤湿度值小于设定最小值时，自动控制系统会控制电磁阀并打开水泵进行浇灌，至土壤水分充足后水泵自动关闭，整个浇灌过程不但科学合理，且全自动化操作，大大节省了人力及维护费用。另外，自动滴灌系统在自动控制器判断需要启动水泵进行浇灌后，通过管网系统末级管道上的滴水器将水直接输至地表下的种植物根部附近，其工作压力一般仅为50～150 kPa。这样不但提供了种植物所需水分，同时在地表下形成局部浇灌，有效地减少了总浇灌水用量及地表蒸发量，具有明显的节能节水的效果。

1 自动滴灌系统的组成

种植屋面自动滴灌系统主要包括管网首部枢纽、滴灌管网、自动控制系统及湿度传感网络等四部分(图1)。

图1 种植屋面自动滴灌系统组成示意图

(1)管网首部枢纽 主要包括各类阀门、水泵(当滴灌管网直接与压力水连接且压力满足设计要求时，可不设)、过滤设备、水表及压力表等设备仪表，一般集中安装在专用设备房或者满足设计使用要求的设备柜内。

(2)滴灌管网 主要包括干管连接、支管连接及毛管安装(当毛管内无内置滴水器时，还需在毛管上安装滴头)。干管布置方向平行于种植方向，支管布置方向一般垂直于种植方向，毛管布置方向一般与种植方向一致。

(3)自动控制系统 为一种可根据种植物需水量及埋置于土壤中湿度传感器反馈的信息，通过在控制器中烧录预先编写好的相应控制程序自动控制滴灌量及滴灌时间的系统，一般将其固定在隐蔽且封闭的专用操作柜(室)内或管网首部枢纽附近位置。

(4)湿度传感网络 是由埋置在种植土壤中的多个湿度传感器组成的反映土壤湿度信息的网络。自动控制系统通过对传感网络反映的土壤信息进行分析判断，进而对管网首部枢纽进行控制是否需要滴灌或滴灌量，因此传感网络是自动滴灌系统的感知神经。湿度传感器埋置于植物根部附近位置。

2 工程实施要点

2.1 实施要求

2.1.1 水压要求 一般而言，滴灌管网的干管水压应在0.3 MPa 左右，至滴头(或滴水器)端的水压应在0.1～0.15 MPa。当水压不满足设计要求时，应调整水泵的功率，或分若干区域控制进行滴灌。

2.1.2 材料要求 滴灌管网的干管可采用镀锌管或PE 管，其他水管采用PE 管，水管规格及所能承受的最大压力应能满足设计及相关规范要求，且毛管壁厚还应不小于1.5 mm。其余材料或设备进场前应有相应的产品合格证及相关检测报告。

2.1.3 场地要求 种植屋面实施自动滴灌系统安装施工时，场地亦应做到“三通一平”。所谓“三通”是指水源已接通至实施屋面、电源已接通至实施屋面及材料垂直运输路线畅通;“一平”是指覆土形式屋面的种植土面或盆栽屋面的屋面板基本平整。

2.2 管网首部枢纽安装实施要点

2.2.1 阀门安装 阀门安装前，应作强度和严密性试验［1］。与阀门所连接的管路，应先清理干净其中的氧化铁屑、泥砂、焊渣和其他杂物。密封填料严禁进入阀门里影响水流;电磁阀安装完成后还应把阀门前、后接管用支架固定好，然后对其气密性进行检查，最后需通电数次，使之适温后方可正式投入使用。

2.2.2 水泵安装 水泵与水管连接前，水管内部和管端应清洗干净，清除杂物;密封面和螺纹不应损坏。安装完成后应该对整体的气密性进行检查。

2.2.3 过滤器安装 安装前应认真清洗所有连接管道的螺纹连接表面，使用管道密封胶或特氟龙带要适量［2］。

2.2.4 水表安装 水表应安装在易于检修、易于观测的位置。

2.2.5 压力表安装 取压口应避免处于管路弯曲、分叉及流束形成涡流的区域，当管路中有突出物体(如测温元件)时，取压口应取在其前面。

2.3 滴灌管网施工要点

2.3.1 干管的连接 先根据要求并结合实际情况量好管道尺寸，进行断管并标号。断口要平齐，用铣刀或刮刀除掉断口内外飞刺［3］。干管安装完后应做闭水试验，出口用堵头封闭，达到不渗不漏。

2.3.2 支管连接 支管一般采用热熔连接［4］。连接前，管材或管件连接面上的污物应用洁净棉布擦净，应铣削连接面，使其与轴线垂直。

2.3.3 毛管连接 安装毛管时，钻孔方向垂直于底面方向，孔洞毛刺应铣平。

2.4 自动滴灌控制系统的设计及安装要点

先根据季节、种植物的类型及土壤情况综合考虑并向相关园林设计师咨询相关情况，确定种植物最大及最小需水湿度;然后根据这两个参数，采用单片机或其他程序语言编制控制程序。该控制程序能满足当土壤达到最大含水量时电磁阀及水泵自动关闭，在土壤达到最小含水量时电磁阀自动开启并打开水泵的使用功能。系统设计流程见图2。最后将其与电磁阀及水泵继电器进行正确连接并进行运行调试，满足要求后再将控制系统固定至隐蔽且封闭的专用操作柜(室)内或管网首部枢纽中相应位置(图3)。

图2 控制系统的设计流程图

图3 自动控制系统的安装

2.5 传感网络布置

湿度传感器埋置深度一般在100 mm 左右，平均每100 m2埋设1～2 个(图4)。

2.6 系统运行及验收

首先应将所有阀门打开，自动控制系统处于工作状态，然后再将水泵接通电源通水，先冲洗管道。水管冲洗干净后，用堵头将水管尾部封闭，逐个检查滴头出水状况。系统试运行合格后，应对自动滴灌系统的资料文件、材料规格及安装质量等进行验收［5］。系统质量验收合格后方可交付使用。

图4 埋设湿度传感器

3 工程实施案例

某污水处理厂，建筑面积约1.2 万m2，处理池池顶板厚度250 mm。该工程约600 m2池顶采用光伏与绿化复合施工，种植土厚度确定为200 mm(包括50 mm 厚蓄水层)，在组件下采用耐干旱且容易管理的麦冬草作为主要绿化草本植物，并在光伏电池板下种植较耐阴的海桐及栀子花等作为主要的绿化灌木。本工程采用屋面绿化自动滴灌系统进行浇灌。该自动滴灌系统采用375W 直流水泵，外径33.33 mm(DN25)PE 主管、外径16 mm 的内镶式滴灌带，共埋设湿度传感器6 支，控制系统及管网首部枢纽安装于太阳能光伏板下。见图5～8。该系统使用至今，效果良好。

图5 滴灌管线敷设

图6 控制系统及管网首部枢纽的安装

图7 传感器的布置

4 结 语

本文主要针对当前传统滴灌方式的灌溉时间及频率完全靠人工判断，容易产生过量灌溉或灌水不足而影响植物的生长及滴灌过程需人工参与，耗费管理及维护成本等问题，提出了一种新颖的自动滴灌浇灌方式，并且阐述了该浇灌系统——种植屋面自动滴灌系统的组成及其工程实施要点。并通过工程实例验证了该系统的自动化程度高、无须人工管理及水资源利用充分的特点。因此，种植屋面自动滴灌系统具有良好的经济效益、社会效益及推广应用前景。

［1]沈阳市城乡建设委会.GB 50242—2002 建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范［S］. 北京:中国建筑工业出版社，2002.

［2]中华人民共和国水利部.SL/T 68—94 微灌用筛网过滤器［S］.北京:机械工业出版社，1994.

［3]建设部科技发展促进中心，上海现代建筑设计集团建筑设计科技发展中心.CJJ/T 98—2003 建筑给水聚乙烯类管道工程技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［4]中国轻工业联合会.GB/T 5836.1—2006 建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［5]中国灌溉排水发展中心，中国农业大学.GB/T 50485—2009 微灌工程技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.