城市綠化地面滲透灌溉系統(tǒng)探析

李亞奇，秦昌旭，王春堂

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018）

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

城市綠化地面滲灌系統(tǒng)由灌溉系統(tǒng)、防堵系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 城市綠化地面滲透灌溉系統(tǒng)平面圖

灌溉系統(tǒng)由凈水池、集雨池、灌溉主管、毛管、電磁閥、光電水位傳感器組成。集雨池主要收集雨水，池底略高于出水管，其中出水管呈向下傾斜狀；凈水池連接著城市管網(wǎng)，其出水管與集雨池出水管通過一個(gè)雙向電磁閥連接，控制集雨池出水還是凈水池出水；光電水位傳感器安裝于集雨池出水管處的管壁上，控制電磁閥的開閉。灌溉主管連接于過濾池，主要起輸水作用，毛管按照30 cm的間距連接在灌溉主管上面。

防堵系統(tǒng)由過濾池、雙向閥門、水泵、過濾體、生物防堵裝置、脫脂棉花組成，如圖2所示。過濾池中上部連接著進(jìn)水管道，管道連接著電磁雙向閥門，雙向閥門與水泵相連；過濾池下部連接著反沖洗管道，反沖洗管道連接電磁雙向閘門。進(jìn)水時(shí)，電磁閥門轉(zhuǎn)向下側(cè)，開啟上側(cè)管道，水泵啟動(dòng)將水從過濾池上部進(jìn)入；進(jìn)行反沖洗時(shí)，電磁閥轉(zhuǎn)向上側(cè)，開啟下側(cè)管道，水泵啟動(dòng)，水流從過濾池從下方進(jìn)入沖刷上層濾料。過濾體采用雙層濾料，通過整個(gè)濾層而不是表面截留膠體顆粒。生物防堵裝置為自主研發(fā)的一種毛管，其中，毛管下端為圓柱體，粗細(xì)均勻；中上段為順滑曲線，其中管壁內(nèi)側(cè)逐漸向外擴(kuò)展，外側(cè)仍然豎直，呈喇叭口狀，管壁逐漸減小；順滑曲線連接上端生物防堵裝置。生物防堵裝置由PVC材料制成，為半球型，內(nèi)部空腔，外部是PVC外殼，毛管壁與半球型外殼為一個(gè)整體，通過整個(gè)毛管的中上段順滑連接；半球形外殼上面用激光打上許多微米級別的小孔。從毛管中的棉花滲透上來的水分就可以通過該裝置從小孔中滲出。

圖2 生物防堵裝置

智能化系統(tǒng)由RS485接口+Modbus云協(xié)議、土壤濕度計(jì)、水泵調(diào)頻器組成。采用RS485總線訪問控制策略，搭載Modbus RTU通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)田間作物生長要素信息實(shí)時(shí)采集。Modbus串行鏈路協(xié)議采用主從（Master/Slave）方式，實(shí)現(xiàn)主站Master向從站Slave數(shù)據(jù)請求以及Slave端向Master端的響應(yīng)請求，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互。通過設(shè)置不同的從站傳感器地址，達(dá)到主站輪詢訪問土壤溫度、土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)的目的，通信雙方使用CRC16循環(huán)冗余校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸檢錯(cuò)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。解析后的傳感器數(shù)據(jù)通過4G全網(wǎng)通模塊SIM7600CE采用EDP通信協(xié)議傳輸至OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多樣化展示和分析處理。土壤濕度計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤含水量，通過RS485接口+Modbus云協(xié)議向云端傳輸數(shù)據(jù)。水泵變頻器與云端連接，利用變頻器來改變水泵的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)水泵的流量，達(dá)到控制灌溉水量的作用。

2 工作原理

系統(tǒng)中的集雨池收集雨水，當(dāng)集雨池水位高于光電水位傳感器時(shí)，移動(dòng)端接收到信息，使集雨池出口處電磁閥開啟，凈水池出口處電磁閥關(guān)閉。水流經(jīng)過管道通入水泵，此時(shí)水泵口處的雙向電磁閥關(guān)閉下端出水管道，開啟上端出水管道，水流進(jìn)入上端管道連接過濾池的上方進(jìn)入過濾池，依靠水流的重力，經(jīng)過過濾池中的雙層濾料，進(jìn)入過濾池中，從過濾池中進(jìn)入主管，主管上每隔30 cm布設(shè)一根毛管，毛管中充滿了脫脂棉花，主管中的水分經(jīng)過棉花的毛細(xì)作用向上運(yùn)輸，最終到達(dá)土壤在土壤中擴(kuò)散開來。土壤中布設(shè)了土壤濕度計(jì)，土壤濕度計(jì)可以實(shí)時(shí)測定土壤含水率并通過RS485接口+Modbus云協(xié)議向云端傳輸數(shù)據(jù)，云端接收數(shù)據(jù)并與云端保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)所測含水率超過所設(shè)定的最高含水率，移動(dòng)端控制水泵變頻器，降低水泵的功率，減少水泵的出水量，當(dāng)所測含水率低于所設(shè)定的最低含水率時(shí)，移動(dòng)端控制水泵變頻器，提高水泵的功率，增加其出水量。當(dāng)集雨池中的水位低于光電水位傳感器時(shí)，移動(dòng)端控制凈水池出水口處的電磁閥開啟，關(guān)閉集雨池出水口處的電磁閥，凈水池連接著地下輸水管網(wǎng)。

該系統(tǒng)每隔一定時(shí)間將會(huì)開啟反沖洗系統(tǒng)，水泵口處的雙向電磁閥關(guān)閉上端出水管道，開啟下端出水管道，經(jīng)過水泵從過濾池下端開口處向內(nèi)灌水，過濾池中的水位逐漸提高，當(dāng)水位上升到雙層濾料時(shí)，濾料上過濾掉的懸浮雜質(zhì)將隨著水位繼續(xù)向上，從過濾池上端出水口出去，過濾池中的頂端進(jìn)水口和底端進(jìn)水口全部設(shè)置單向閥，使得反沖洗時(shí)的水流不會(huì)倒灌進(jìn)入上端出水管道和下端出水管道。

3 創(chuàng)新和優(yōu)勢

城市綠化地面滲透灌溉系統(tǒng)提升了滲灌的防堵。其在防止物理堵塞上增設(shè)了雙層濾料，并經(jīng)過試驗(yàn)測定出最適合的濾料填充，使得過濾更加充分。在防止生物堵塞上增設(shè)自主研制的生物防堵裝置，可以防止植物的根系進(jìn)入堵塞毛管而不會(huì)干擾水分進(jìn)入土壤。這幾種防堵措施可以大大增加該系統(tǒng)的使用時(shí)長，減少了維修成本。

城市綠化地面滲透灌溉系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能化灌溉，土壤濕度計(jì)、電磁閥、水泵和水泵變頻器都通過移動(dòng)端控制，根據(jù)土壤含水率的多少，來控制水泵口處雙向電磁閥和水泵變頻器，改變進(jìn)水量的多少。可通過移動(dòng)端控制水泵口處雙向電磁閥實(shí)現(xiàn)反沖洗。集雨池中的光電水位傳感器可以監(jiān)測集雨池中的水位多少，當(dāng)水位低于光電水位傳感器時(shí)可控制凈水池中的電磁閥開啟。在自動(dòng)灌溉下，減少了環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)。

4 結(jié)語

城市綠化地面滲透灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化灌溉，不僅能夠減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，還有利于節(jié)省灌溉時(shí)間，提高灌溉效率。城市綠化地面滲透灌溉系統(tǒng)減少了水分在土壤表面的蒸發(fā)，提高了灌溉水利用率，節(jié)省大量城市綠化用水，響應(yīng)了國家節(jié)水政策的號召。系統(tǒng)增設(shè)自主研發(fā)的防堵裝置，大大降低了維修成本，減少了運(yùn)行管理費(fèi)用，且該系統(tǒng)對灌溉水質(zhì)及灌區(qū)沒有特殊要求，可以廣泛使用。