基于屋頂綠化的灌溉系統配置研究

【摘 要】屋頂綠化對于提高城市環境質量、提高屋頂隔熱效果、減少城市熱島效應及改善居住環境有積極的意義，由于屋頂的特殊條件，其灌溉要求與普通農業和園林灌溉相比有更高的要求。為保證屋頂植物灌溉的科學性，根據其要求，結合各灌溉技術的特點，對灌溉系統的配置進行了分析，提出了適合屋頂綠化的灌溉系統配置方案，對屋頂綠化的運行管理具有一定的啟示意義。

【關鍵詞】屋頂綠化；灌溉；分析

屋頂綠化是人們根據建筑屋頂結構特點、荷載和屋頂上的生態環境條件，選擇生長習性與之相適應的植物材料，通過一定技藝，在建筑物頂部及一切特殊空間建造綠色景觀的一種形式。屋頂綠化將綠地向空中發展，是節約土地、開拓城市空間的有效辦法，屋頂綠化可創造空中景觀，改善城市環境面貌；緩解大氣浮塵，凈化空氣；保護建筑物頂部，延長屋頂建材使用壽命；保溫隔熱，減少空調的使用，節約能源；緩解城市熱島效應[1]；消弱城市噪音；緩解雨水屋面溢流，減少排水壓力等，被譽為新世紀“有生命的建筑材料”與“生物地毯”。

屋頂綠化具有良好的景觀、生態、經濟、社會效益，自然離不開科學的設計。屋頂綠化設計的重點主要考慮以下幾個方面：屋頂位置、屋面荷載、栽培基質、植物配置、根系穿刺預防、栽培方式、影響植物生長發育的環境因子（水分、光照、養分、溫度、濕度、風力、降雨等）、灌溉與排水、景觀要求等[2]。由于屋頂所處的空間條件具有特殊性，灌溉系統配置成為影響屋頂綠化正常運行成敗的一個重要環節。

一、屋頂綠化灌溉問題總體分析

屋頂綠地屬于園林綠地范疇，對屋頂植物的灌溉具有一般園林綠地灌溉的共性。灌溉系統要與現有景觀相互協調配合，既要滿足綠化苗木、花草正常生長的水分供給需要，還要考慮良好的景觀效果。

屋頂綠地中，由于考慮到建筑物荷載及結構要求，土壤基質一般較薄，多種植淺根系植物，如草坪草、花卉、佛甲草等，一般都均勻密植，也有少數種植灌木類植物。屋頂土壤基質蓄水能力有限，加上屋頂陽光照射，風力較大，水分損失較快，與普通園林灌溉相比，需更加嚴格控制灌溉時機和灌溉強度，對灌溉質量要求較高，須次多量少進行灌溉。如果灌溉過度，植物根部會因為排水不暢而腐爛；灌水不及時，會因水分快速蒸騰導致植物缺水而凋萎甚至死亡。

屋頂綠地由于其特殊的立地條件，高、陡、風大、夏季溫度極高等特點，綠地養護人員作業條件艱苦，具有一定的安全風險，人工成本較高。另外養護人員的灌水、施肥、噴藥等動作難免會造成植物景觀的破壞，這就需要灌溉系統配置自動化控制技術。自動采集灌溉相關參數，如土壤水分等，適時適量進行灌溉，自動控制灌溉可以兼帶施肥噴藥功能，在灌溉用水中混入肥料和農藥，以水帶肥，利用灌溉管網及灌水器將水肥輸送至作物種植區域，達到水肥的科學高效管理。

為了提高屋頂綠地灌溉的質量與管理水平，以下屋頂綠化灌溉系統涉及的從植物類型、灌溉形式、水源供給、管道選擇、施肥裝置、自動化控制等灌溉配系統組成進行分析和配置，給出一個簡易的工程實施方案以供參考。

二、屋頂綠化灌溉系統各因素配置

（一）植物類型：屋頂綠化結構層一般分為保溫隔熱層、防水層、排水層、過濾層、土壤層、植物層等?？紤]到屋頂結構的承重與防水，屋頂綠化所選植物須具備根淺、穿刺能力較弱等特點。由于屋頂位置較高，受風、陽光影響較大，水分損失較快，作物須具備一定的耐旱耐寒性能。佛甲草，又名萬年草，屬景天科多年生草本植物，佛甲草為多漿植物，其體內含水量高，其葉、莖表皮的角質層具有超常的防止水分蒸發的特性，具有耐干旱、耐高溫、耐寒冷、適應性強等特點。干旱時自身可調節水分，吸水能力強，一個月不澆水也不能干死。夏天屋頂溫度高達60℃，它也能承受，基本不用澆水。冬季基質凍結，佛甲草呈休眠狀態，開春氣溫回升，很快又能萌發。佛甲草可生長在較薄的基質上（3-5cm厚），擴展能力強，根系縱橫交錯，與土壤緊密結合，是屋頂綠化理想種植植物。此外，也可根據配套條件的優劣及需要選擇適宜的植物品種，如費菜、八寶等。

（二）灌溉形式：灌溉的形式一般有漫灌、管灌、噴灌、微噴、滴灌、小管出流、滲灌[3]等形式。

漫灌是在田間不做任何溝埂，灌水時任其在地面漫流，借重力作用浸潤土壤，是一種比較粗放的灌水方法，灌水的均勻性差，水量浪費較大；管灌是利用低壓管道將水輸送至田間，再由分水口連接軟管進入田間溝、畦的地面灌溉技術，水進入溝、畦后的狀態仍然屬于漫灌；噴灌是用專門的管道系統和設備將有壓水送至灌溉地段并噴射到空中形成細小水滴灑到田間的一種灌溉方法[3]。噴灌可以控制噴水量和均勻性，避免產生地面徑流和深層滲漏損失，使水的利用率大為提高。但其需要的工作壓力較大，一般不低于0.3MPa；微噴灌是利用直接安裝在毛管上或與毛管連接的微噴頭將壓力水以噴灑狀濕潤土壤，與噴灌相比，其工作壓力較低，一般為0.15-0.2MPa，噴水柔和； 滴灌是按照作物需水要求，通過低壓管道系統與安裝在毛管上的滴頭，將水和作物需要的養分一滴一滴，均勻而又緩慢地滴入作物根區土壤中的灌水方法，屬于局部灌溉，一段時間后各濕潤圈相互搭接形成濕潤帶，其工作壓力較低，一般為0.05-0.15MPa；小管出流與滴灌相類似，其流量比滴灌要大，工作壓力范圍較大；滲灌是利用滲水毛管埋在地下作物根系活動層，壓力水通過滲水毛管管壁的毛細孔以滲流的形式濕潤其周圍土壤，由于它減少了土壤表面蒸發，是用水量最省的一種微灌技術，但受堵塞影響較大。

結合屋頂綠化的使用條件，考慮到節能、節水要求，漫灌、管灌為粗放式灌溉形式，不應采用。噴灌由于噴射半徑大，工作壓力高，能耗較大，視情況而采用。微噴灌噴水柔和，工作壓力低，自來水及中水管網壓力能夠滿足其工作要求，可適用于屋頂綠化灌溉，常用于較為平坦地形的灌溉。滴灌根據其特點能夠適應屋頂應用條件，滴灌管可用于成行成列作物的灌溉，管上滴頭、滴箭可用于立體栽培植物的灌水。滲灌具有良好的節水性能，但滲灌對水質苛刻，容易發生堵塞，在具體應用時謹慎選擇。

（三）水源供給：河流、水庫、機井等均可作為灌溉水源，考慮到屋頂綠地位于建筑物頂部，結合就近原則，水源可利用收集天然降雨，建筑物配套的自來水或中水作為屋頂綠化灌溉水源。天然降雨由于具有溫度適宜、無鹽、能耗低等優點，是非常理想的灌溉水源，但需要建造雨水收集與儲存系統，占用一定的屋頂空間，一次性投資較高，可視情況進行選擇。水源除滿足水量要求外，還需滿足水質和水壓要求。由于采用了微噴、滴灌等節水灌溉技術，一般情況下，建筑物的自來水和中水供應均能滿足灌溉水量要求。微噴、滴灌出水口尺寸很小，容易發生堵塞，需要增設過濾裝置確保灌溉水質[4]，采用中水時，屋頂綠化植物如用作食物，則中水水質須符合《農田灌溉水質標準》（GB5084-92）水質要求。微噴、滴灌屬于微壓灌溉，灌水器工作壓力介于為0.05-0.15MPa，自來水及中水管網壓力一般不低于0.3MPa，可以滿足灌溉壓力要求，如遇工作壓力低，可設置水泵加以解決。

（四）管道選擇：管道是灌溉系統的主要組成部分，考慮到施工條件、管道密封性能、適應灌溉形式、承壓級別等，噴灌、微噴、滴灌系統絕大多數使用塑料管道，常用的有聚氯乙烯管（簡稱PVC管）、聚乙烯管（簡稱PE管）等[3]。塑料管道具有抗腐蝕、柔韌性好、能適應較小的局部沉陷、內壁光滑、輸水摩阻小、密度小、重量輕和運輸安裝方便等優點。PVC管受陽光照射容易老化，常用作主管埋設于地下，PE管加入了抗老化劑，能抵抗陽光照射，常用作支管及毛管鋪設于地面，也可以淺埋。在首部樞紐、穿過建筑物、高架等特殊情況，灌溉系統也使用一些其他管道，如鍍鋅鋼管，但為了避免銹蝕物進入微噴或滴灌灌水器，盡量減少金屬管道的使用。

（五）施肥裝置：噴灌、微噴及滴灌系統除了能夠高效灌溉，還能夠利用其管道及其灌水器配送液態肥料，達到水肥一體化管理。由于受灌水器出水口大小限制，使用的肥料必須是水溶性肥，沒有鈣、鎂、碳酸氫鹽或其他可能形成不可溶鹽的離子，對灌溉設備腐蝕性小[5]。國內可采用的水溶性復混肥有水溶性氮磷鉀肥料、水溶性微量元素肥料、含氨基酸類水溶性肥料、含腐殖酸類水溶性肥料四類。

肥料的吸入可利用施肥裝置來實現，常見的施肥裝置類型有重力式、壓差施肥罐、文丘里施肥器、水動注肥泵等[5]。重力式施肥一般須借助重力滴灌系統，在高位蓄水池旁邊，高于蓄水池液面處建造肥料池用于混合肥料，利用地形落差進行施肥。壓差式施肥罐是將儲液罐與微灌管道并聯聯接，使進水管口和出水管口之間產生壓差，并利用這個壓力差使部分灌溉水由進水管進入儲液罐，再從出水管將經過稀釋的營養液注入灌溉水中。文丘里施肥器是利用文丘里管原理，使肥料吸入管道與水流混合，文丘里施肥器一般并聯于管路上，與開敞式肥料罐配套組成一套施肥裝置。文丘里施肥器結構簡單，造價低廉，使用方便，主要適用于小型微灌系統中。水動注肥泵，以柱塞泵原理的比例式施肥器為代表，其能夠嚴格按設定比例進行水肥管理，即吸入肥料體積與管道水流量嚴格成一定比例，能夠做到精確比例施肥，價格相對較高。在屋頂綠化的灌溉施肥應用中，可根據實際情況及各施肥裝置特點進行選擇應用。

（六）自動化控制：自動化控制系統主要由采集系統、執行系統、傳輸系統、監控系統組成[6]。按照空間位置，采集系統和執行系統在屋面綠地內，監控系統安裝在控制室中，傳輸系統為屋面綠地和控制室之間的連接部分。具體地說就是采集與傳輸系統主要負責支管控制閥信號處理傳輸，屋面土壤水分采集傳輸處理，屋頂氣候要素采集傳輸，管道工作參數采集傳輸，系統及水源信號集中控制處理顯示系統等。執行系統負責對輸水部分的加壓泵、控制閥以及灌水器等的控制來實現灌溉的功能。

自動化控制系統可減少人員屋頂操作的次數，節省勞動力成本，提高灌溉的及時性和灌水量的準確性，是未來屋頂綠化灌溉發展的重要方向。

三、屋頂綠化灌溉系統的工程實現

假設有2000m2的屋頂綠地，屋頂面植物采用微噴，立體栽培采用滴灌，采用自動化控制灌溉，主要設備材料如表1所示。

表1 屋頂綠化灌溉主要設備材料

灌溉系統包含水源供水、施肥加藥、管道、灌水器、數據采集、數據傳輸、中央處理器、閥門等部分組成，屋頂綠化灌溉系統如圖1所示。

圖1 屋頂綠化灌溉系統示意圖

四、結語

屋頂綠化灌溉系統是否合理關系到屋頂綠化的成敗，由于使用條件的不同，屋頂綠化灌溉系統具有很強的靈活性，在實施過程中，應結合屋頂環境、氣象等實際情況，從種植植物、水源供水、灌溉形式、管道選用、施肥裝置及自動化技術應用等方面進行綜合分析，以系統論為方法手段，以適用性、經濟性為基本出發點進行科學分析與設計，不斷進行完善，推動屋頂綠化事業的發展。

【參考文獻】

[1]趙定國.屋頂綠化美化與21世紀城市新景觀[J].草原與草坪，2001，（2）：20-21.

[2]白釗義.淺談屋頂綠化[J].科技情報開發與經濟，2003，13（5）：117-118.

[3] 傅林，董文楚，鄭耀泉.微灌工程技術指南.北京：水利電力出版社，1987

[4]姚振憲，何松林.滴灌設備與滴灌系統規劃設計.北京：中國農業出版社，1999.

[5] 張承林，鄧蘭生. 水肥一體化技術.北京：中國農業出版社，2012

[6]吳普特，牛文全.節水灌溉與自動控制技術.北京：化學工業出版社，2001