種植屋面自動滴灌系統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.浙江省建筑科學設計研究院有限公司，浙江 杭州310012;2.浙江省建設科技推廣中心，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分以較小的流量，均勻、準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。滴灌技術采用專門的管道系統和設備將低壓水送到灌溉區域并緩慢地滴到作物根部土壤中，是最為節水的一種微灌形式。我國自1974年由墨西哥政府贈送我國三套滴灌設備開始引進滴灌技術以來，已有四十多年的發展歷程。通過各界的不懈努力，我國的滴灌技術有了長足的發展，在學習國外先進經驗的基礎上，同時還引進了一些具有世界先進水平的滴灌生產技術及設備。目前可生產單翼迷宮式滴灌帶、內鑲式滴灌帶和壓力補償式滴灌管等多種產品。我國滴灌設備的技術水平迅速提高，為大面積推廣滴灌技術打下良好的基礎，滴灌技術也由此獲得了迅速的發展。目前，雖然國內種植屋面采用較多的仍然是傳統的人工澆灌或噴灌，但效果顯著的滴灌技術已在溫室中有了較多的推廣。然而單純的滴灌技術仍然存在可改進之處，主要體現在:(1)其灌溉時間及頻率完全靠人工判斷，經常產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與現代自動控制技術相結合，構建了一套新穎的全自動現代化滴灌系統——種植屋面自動滴灌系統。該系統可根據所選植物及土壤的類型，在自動控制系統中設定適宜植物生長的濕度范圍。當土壤水分不足時，即土壤濕度值小于設定最小值時，自動控制系統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閉，整個澆灌過程不但科學合理，且全自動化操作，大大節省了人力及維護費用。另外，自動滴灌系統在自動控制器判斷需要啟動水泵進行澆灌后，通過管網系統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量，具有明顯的節能節水的效果。

1 自動滴灌系統的組成

種植屋面自動滴灌系統主要包括管網首部樞紐、滴灌管網、自動控制系統及濕度傳感網絡等四部分(圖1)。

圖1 種植屋面自動滴灌系統組成示意圖

(1)管網首部樞紐 主要包括各類閥門、水泵(當滴灌管網直接與壓力水連接且壓力滿足設計要求時，可不設)、過濾設備、水表及壓力表等設備儀表，一般集中安裝在專用設備房或者滿足設計使用要求的設備柜內。

(2)滴灌管網 主要包括干管連接、支管連接及毛管安裝(當毛管內無內置滴水器時，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 為一種可根據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先編寫好的相應控制程序自動控制滴灌量及滴灌時間的系統，一般將其固定在隱蔽且封閉的專用操作柜(室)內或管網首部樞紐附近位置。

(4)濕度傳感網絡 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絡。自動控制系統通過對傳感網絡反映的土壤信息進行分析判斷，進而對管網首部樞紐進行控制是否需要滴灌或滴灌量，因此傳感網絡是自動滴灌系統的感知神經。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，滴灌管網的干管水壓應在0.3 MPa 左右，至滴頭(或滴水器)端的水壓應在0.1～0.15 MPa。當水壓不滿足設計要求時，應調整水泵的功率，或分若干區域控制進行滴灌。

2.1.2 材料要求 滴灌管網的干管可采用鍍鋅管或PE 管，其他水管采用PE 管，水管規格及所能承受的最大壓力應能滿足設計及相關規范要求，且毛管壁厚還應不小于1.5 mm。其余材料或設備進場前應有相應的產品合格證及相關檢測報告。

2.1.3 場地要求 種植屋面實施自動滴灌系統安裝施工時，場地亦應做到“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 管網首部樞紐安裝實施要點

2.2.1 閥門安裝 閥門安裝前，應作強度和嚴密性試驗［1］。與閥門所連接的管路，應先清理干凈其中的氧化鐵屑、泥砂、焊渣和其他雜物。密封填料嚴禁進入閥門里影響水流;電磁閥安裝完成后還應把閥門前、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，水管內部和管端應清洗干凈，清除雜物;密封面和螺紋不應損壞。安裝完成后應該對整體的氣密性進行檢查。

2.2.3 過濾器安裝 安裝前應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 取壓口應避免處于管路彎曲、分叉及流束形成渦流的區域，當管路中有突出物體(如測溫元件)時，取壓口應取在其前面。

2.3 滴灌管網施工要點

2.3.1 干管的連接 先根據要求并結合實際情況量好管道尺寸，進行斷管并標號。斷口要平齊，用銑刀或刮刀除掉斷口內外飛刺［3］。干管安裝完后應做閉水試驗，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用潔凈棉布擦凈，應銑削連接面，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，孔洞毛刺應銑平。

2.4 自動滴灌控制系統的設計及安裝要點

先根據季節、種植物的類型及土壤情況綜合考慮并向相關園林設計師咨詢相關情況，確定種植物最大及最小需水濕度;然后根據這兩個參數，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土壤達到最大含水量時電磁閥及水泵自動關閉，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。系統設計流程見圖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試，滿足要求后再將控制系統固定至隱蔽且封閉的專用操作柜(室)內或管網首部樞紐中相應位置(圖3)。

圖2 控制系統的設計流程圖

圖3 自動控制系統的安裝

2.5 傳感網絡布置

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

2.6 系統運行及驗收

首先應將所有閥門打開，自動控制系統處于工作狀態，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。系統試運行合格后，應對自動滴灌系統的資料文件、材料規格及安裝質量等進行驗收［5］。系統質量驗收合格后方可交付使用。

圖4 埋設濕度傳感器

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進行澆灌。該自動滴灌系統采用375W 直流水泵，外徑33.33 mm(DN25)PE 主管、外徑16 mm 的內鑲式滴灌帶，共埋設濕度傳感器6 支，控制系統及管網首部樞紐安裝于太陽能光伏板下。見圖5～8。該系統使用至今，效果良好。

圖5 滴灌管線敷設

圖6 控制系統及管網首部樞紐的安裝

圖7 傳感器的布置

4 結 語

本文主要針對當前傳統滴灌方式的灌溉時間及頻率完全靠人工判斷，容易產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——種植屋面自動滴灌系統的組成及其工程實施要點。并通過工程實例驗證了該系統的自動化程度高、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具有良好的經濟效益、社會效益及推廣應用前景。

［1]沈陽市城鄉建設委會.GB 50242—2002 建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范［S］. 北京:中國建筑工業出版社，2002.

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

［3]建設部科技發展促進中心，上海現代建筑設計集團建筑設計科技發展中心.CJJ/T 98—2003 建筑給水聚乙烯類管道工程技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［4]中國輕工業聯合會.GB/T 5836.1—2006 建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材［S］.北京:中國標準出版社，2006.

［5]中國灌溉排水發展中心，中國農業大學.GB/T 50485—2009 微灌工程技術規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.