高架花箱綠化智能灌溉系統

姜凱

（上海金元造林工程有限公司，上海 202154）

0 引言

隨著城市園林建設的發展，高架花箱綠化也成為城市綠化中重要的一個組成部分，由于我國地理條件的限制，大部分城市淡水資源均較為短缺，另一方面，全社會老齡化人口的加劇，使得原本就屬于勞動密集型的綠化養護工作的人力成本也在逐年增加，主要原因就是以往的城市養護工作主要以40～60 歲左右的中老年為主，而目前這一群體占人口的比例逐年減少，年輕人愿意從事這一職業的人數越來越少，從而使用工成本不斷攀升。在這種趨勢下，發展機械化作業，節水園林與智能化灌溉勢在必行。站在可持續發展的角度分析，節水節能是全社會的大勢所趨。

1 高架花箱綠化的影響

近年來，隨著城市綠化的發展，城市高架橋的綠化也成為城市綠化中的一個重要分支。高架橋綠化是指以橋為主體，圍繞橋體、橋墩、防撞梁并根據其特征而進行的植物綠化工作。在高架橋綠化中，高架兩側防撞梁定的綠化花箱是高架綠化的重要組成部分。常見的形式為在防撞梁頂或者其側面固定花箱，花箱沿防撞梁延伸，高架的植物與土壤都會被裝在專門設計的花箱里面。一般花箱采用普通型和底部帶有蓄水層的蓄水型花箱，不論前者還是后者由于承重荷載的問題，花箱的土壤層都不會設計很厚，土壤儲水能力差。在植物生長季都需要澆灌，通常高架花箱的澆灌考慮到不影響白天繁忙的城市交通，一般是由市政養護工人開灑水車在夜晚進行灌溉。雖然夜晚車流相對較少，但灑水車需要緩慢行進也會對橋上的交通造成影響。另外灌水的充分與否完全取決于操作人員的責任心，很難做到均勻一致的灌水，更加無法實現施肥，而且噴灑到高架橋下的水，對橋下路面行車會造成干擾[1]，另一方面在車流中進行水車噴灑作業，對施工人員來說也存在一定的安全隱患。

2 高架花箱綠化智能灌溉系統組成結構分析

智能灌溉是指無須人工操作，而灌溉系統自行做出相應決定，并且自動執行灌溉任務，并根據采集到的信息調整灌溉任務而達到水肥一體化的精準灌溉[2]。

高架智能灌溉系統由高架花箱灌溉數字化云端控制平臺（簡稱云平臺）和控制云棧、解碼器控制器、傳感器（包括流量傳感器、雨量傳感器等）以及聯合控制模塊（指揮控制變頻水泵的模塊）組成的灌溉首部及總控、電磁閥、管道系統、終端微灌灌水器、首部施肥系統、過濾系統以及加壓系統等組成。主要架構如圖1所示。

圖1 高架花箱智能灌溉系統架構

解碼器控制器為創新的物聯網無線智慧灌溉控制器，內部鑲嵌控制云棧，可以通過4G/5G 以太網絡以及有線等多種通信方式將通過傳感器采集到土壤溫濕度、EC、雨量等數據傳輸儲存到云平臺，同時在PC 段和手機PAD 等移動端通過云平臺也可以對控制器進行編程設定，制定及修改灌溉計劃，并可以實時開啟關閉灌溉系統。在控制器的后臺通過權限的分配，可以分成操作人員、管理人員等不同級別，不同級別的操作人員具有的操作權限不同，一線操作人員僅可以手動開啟關閉系統，管理人員可以進行編程、制定程序，接收到流量異常等報警信號，并且同時進行處理等作業。不同人員的操作記錄會實時上傳到云端，必要時可以追溯操作內容，發現誤操作，避免過量灌溉，并找到相關責任人。

控制線采用專用的雙絞屏蔽線，所有電磁閥通過解碼器并聯在控制線上，相對傳統的多線控制方式，每個電磁閥一個控制線，公用一根零線即公共線的方式，大量節省電線。高架花箱距離長，雙絞控制線的方式特別適合這種長距離的傳輸控制方式，以控制器為半徑14#雙絞線（相當于1.63mm2）單邊的傳輸距離可以達到4.5km，同時控制信號、采集數據信號和電流同時在一根控制線里傳輸，傳輸質量高，當距離大于4.5km 時可以采用中繼的方式，傳輸距離可以延展得更遠。從控制器引出來只有兩根線，施工布線十分方便，信號線和電源同走一根電纜，也能減少在高架防撞梁上各種信號線單獨布線帶來的麻煩，降低工程施工造價。雙絞屏蔽線抗干擾能力強，可靠性更高也更加穩定。

電磁閥是分區控制閥，高架花箱的距離長，不可能同時開啟灌溉，如果同時開啟勢必要求管線提供流量很大，管徑也需要很大、供水首部需要更大的功率保持供水流量和壓力的要求。這時就需要由電磁閥根據流量大小，將整個高架花箱灌溉區分成多個小區，分區進行輪流灌溉。電磁閥采用直流脈沖式自鎖式電磁閥，運行電流為9V 直流。電磁閥是常用的隔膜電磁閥，電磁閥由個膜分成上下兩部分閥腔，當水流進入閥體時，上下腔同時進水，充滿后，上下腔水壓相同，電磁閥不會開啟，上閥腔在頂蓋上面有一個放水的小孔，由電磁頭控制，當通電時線圈產生磁力，將磁鐵芯吸到頂部，放水孔打開，上腔內的水通過放水孔排入出水方向的管道中，隔膜上腔的壓力減小，隔膜在壓力作用下上移，電磁閥開啟，水流開始通過。同樣關閉時，電磁線圈失去電力，磁鐵芯在彈簧的作用下下移，堵住放水孔，進入隔膜上腔的水增多，上腔水壓力增大，隔膜下移，當上腔和下腔水壓相同時，電磁閥關閉。所謂自鎖式電磁閥，是電磁閥的磁鐵芯里有一個自鎖裝置，當磁芯上吸后，會自動鎖定，在沒有外力的情況下保持開啟狀態。正式脈沖式控制正式利用此功能，在開啟時傳輸一個瞬間的正向的脈沖電流，磁鐵芯上吸，電磁閥開啟，關閉時傳輸一個瞬時的反向的脈沖電流，磁鐵芯在彈簧和電流的雙重作用下，脫離自鎖裝置，下移堵住放水孔關閉電磁閥。不需要長時間的保持吸持電流，這樣就可以在有固定輸出功率的控制器控制下能夠同時開啟更多的電磁閥。

解碼器是電磁閥、采集傳感器等與控制器中間的轉換設備，所有的設備并聯在控制線上。沒有單獨的控制線，就要靠解碼器來給設備在控制器中編碼識別。每個解碼器有一個唯一的ID 在控制器中被識別，解碼器的作用就是通過自身的ID 定位把電磁閥、傳感器等在控制器進行定位識別，同時通過內部的電容等元器件儲存一定的電量，接受脈沖電流的同時收放電流，從而控制電磁閥的開啟關閉。

灌水器是高架花箱實現灌水和施肥的終端設備，由于高架花箱為沿著防撞梁連續布置的長條狀的花槽，通常每個花槽長度在1m 左右，寬度20cm 左右。這樣決定了終端灌水器只能采用滴灌管、滴頭和滴箭等幾種類型。其中以滴箭應用為最多，滴箭是通過一個穩流滴頭連接分水器和毛管，再連接滴箭箭頭，滴箭又分成彎箭頭和直箭頭兩種。滴箭的箭頭插入花箱的泥土中，根據需要水量的大小，每個花箱平均分配同等數量的滴箭頭，保證每個花箱得到水量一致。穩流滴頭下端是一個倒刺，可以直接用專用打孔器打孔后壓入低密度的LDPE 供水分支管道中。穩流滴頭帶有壓力補償功能，在一定距離的管線上布置時，滴頭內部的壓力補償膜片通過不同程度的變形，可以保證距離水源端最近處和最遠處的滴頭出水的流量和壓力保持一致，然后通過分水器分配到各個滴箭，圖2 顯示的為1 出4 滴箭，滴箭頭上有特定的流道，水分或液態的肥料就可以能夠沿著流道，緩慢滲入花箱的種植土中。這樣就保證了各個花箱得到了均勻一致的灌水量和施肥量。

圖2 一出四滴箭

首部系統。所謂的首部系統是指灌溉系統水源部分，包含加壓設備、過濾系統、施肥系統和消毒系統。

通常高架花箱沿整個高架排布距離較長，如采用市政水，水源清潔無須過濾處理。但是市政管網提供的水壓一般在0.2MPa 左右，再加上地面到高架頂端的高差，和水管的長距離鋪設，由此而產生的沿程水壓力損失，到管線的末端不能滿足滴頭正常工作的要求，這就需要加壓設備，另外花箱滴灌灌水器的流道較小，對水質有要求，不需經過過濾系統，否則會堵塞管道及灌水器，造成系統不能正常使用。特別是采用城市地下水和就近的景觀湖湖水作為水源的，必須進行過濾處理。考慮到加壓水泵、變頻控制柜、過濾器、施肥裝置等都占有一定的空間，放在室外一方面影響景觀，另一方面也有安全隱患。采用一體化泵站作為水源的首部系統，將加壓水泵、變頻控制柜、過濾器、施肥器整合在一起，外用箱體遮蔽，高度集成，占地面積小，所有設備在獨立的空間內，便于維修操作，箱體外還可以根據周邊景觀需求進行彩繪噴涂，不會對景觀造成破壞[3]。當控制柜接收到控制器傳來的啟動信號時，水泵啟動恒壓供水，根據開啟輪灌區的多少，改變水泵轉數，從而改變水量，保持恒定系統工作壓力。有壓水經過過濾、消毒系統供給各個灌區。

施肥系統一般在過濾系統后，旁路并聯在出水的主管上，整個施肥系統進出水管均由有閥門，不用時保持關閉。需要施肥時，將攪拌好的特定濃度的液態肥料放在施肥器的吸入端，開啟閥門在灌溉時，肥料就會按比例同灌溉水一道施到花箱土壤中，做到水肥一體，提高肥效，減少浪費，省工、省時。施肥系統可以選擇的有多種，簡易有文丘里施肥器，精度高的有比例式注肥泵，高效率的有不銹鋼泵注肥，自動化程度高、能精確同時施幾種肥料的有自動施肥機等，自動施肥機還能自動調整肥料的酸堿狀態、EC 值等做到精準施肥[4]。自動施肥機造價較高，一般來說比例式注肥泵應用相對較多，它具有價格適中，施肥濃度可控等優點，安裝簡單，操作也相對更加靈活。

需要注意的是，每次施肥過后，需要再灌5min 左右時間清水再關閉系統，這樣可以將管道中殘存的肥料沖洗干凈，防止時間長肥料在灌水器流道口沉淀絮結而堵塞灌水器。

3 結語

城市的發展在不斷的加速，園林建設面積日益增加，園林綠化用水與城市居民生活及生產用水之間的矛盾也日益突出，常規的人工灌溉模式已不可取[5]。智能化灌溉將是解決此矛盾的重要措施之一，高架花箱的智能化灌溉系統的大面積推廣使用不單可以節約水資源，也能降低園林養護成本，提高養護質量，保證高架綠化的景觀效果。高架花箱智能灌溉系統完美解決了灌溉線路長，布線不易等問題，只要將終端灌水器換成合適的類型，例如地埋噴頭，灌木噴頭等，也同樣能夠應用于城市道路、隔離帶、高速公路等的園林景觀，探索適合不同園林景觀的智能化灌溉系統模式將是搶占未來園林灌溉系統的重要核心技術，勢必會得到園林從業者和城市建設規劃者的重視，也一定會得到長足的發展。