城市绿化地面渗透灌溉系统探析

李亚奇，秦昌旭，王春堂

（山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018）

1 系统的构成

城市绿化地面渗灌系统由灌溉系统、防堵系统、智能化系统构成，如图1所示。

图1 城市绿化地面渗透灌溉系统平面图

灌溉系统由净水池、集雨池、灌溉主管、毛管、电磁阀、光电水位传感器组成。集雨池主要收集雨水，池底略高于出水管，其中出水管呈向下倾斜状；净水池连接着城市管网，其出水管与集雨池出水管通过一个双向电磁阀连接，控制集雨池出水还是净水池出水；光电水位传感器安装于集雨池出水管处的管壁上，控制电磁阀的开闭。灌溉主管连接于过滤池，主要起输水作用，毛管按照30 cm的间距连接在灌溉主管上面。

防堵系统由过滤池、双向阀门、水泵、过滤体、生物防堵装置、脱脂棉花组成，如图2所示。过滤池中上部连接着进水管道，管道连接着电磁双向阀门，双向阀门与水泵相连；过滤池下部连接着反冲洗管道，反冲洗管道连接电磁双向闸门。进水时，电磁阀门转向下侧，开启上侧管道，水泵启动将水从过滤池上部进入；进行反冲洗时，电磁阀转向上侧，开启下侧管道，水泵启动，水流从过滤池从下方进入冲刷上层滤料。过滤体采用双层滤料，通过整个滤层而不是表面截留胶体颗粒。生物防堵装置为自主研发的一种毛管，其中，毛管下端为圆柱体，粗细均匀；中上段为顺滑曲线，其中管壁内侧逐渐向外扩展，外侧仍然竖直，呈喇叭口状，管壁逐渐减小；顺滑曲线连接上端生物防堵装置。生物防堵装置由PVC材料制成，为半球型，内部空腔，外部是PVC外壳，毛管壁与半球型外壳为一个整体，通过整个毛管的中上段顺滑连接；半球形外壳上面用激光打上许多微米级别的小孔。从毛管中的棉花渗透上来的水分就可以通过该装置从小孔中渗出。

图2 生物防堵装置

智能化系统由RS485接口+Modbus云协议、土壤湿度计、水泵调频器组成。采用RS485总线访问控制策略，搭载Modbus RTU通信协议实现田间作物生长要素信息实时采集。Modbus串行链路协议采用主从（Master/Slave）方式，实现主站Master向从站Slave数据请求以及Slave端向Master端的响应请求，实现双向数据交互。通过设置不同的从站传感器地址，达到主站轮询访问土壤温度、土壤水分传感器节点的目的，通信双方使用CRC16循环冗余校验，实现数据传输检错，保证数据传输的正确性和完整性。解析后的传感器数据通过4G全网通模块SIM7600CE采用EDP通信协议传输至OneNET云平台，实现数据多样化展示和分析处理。土壤湿度计可以实时监控土壤含水量，通过RS485接口+Modbus云协议向云端传输数据。水泵变频器与云端连接，利用变频器来改变水泵的转速，来调节水泵的流量，达到控制灌溉水量的作用。

2 工作原理

系统中的集雨池收集雨水，当集雨池水位高于光电水位传感器时，移动端接收到信息，使集雨池出口处电磁阀开启，净水池出口处电磁阀关闭。水流经过管道通入水泵，此时水泵口处的双向电磁阀关闭下端出水管道，开启上端出水管道，水流进入上端管道连接过滤池的上方进入过滤池，依靠水流的重力，经过过滤池中的双层滤料，进入过滤池中，从过滤池中进入主管，主管上每隔30 cm布设一根毛管，毛管中充满了脱脂棉花，主管中的水分经过棉花的毛细作用向上运输，最终到达土壤在土壤中扩散开来。土壤中布设了土壤湿度计，土壤湿度计可以实时测定土壤含水率并通过RS485接口+Modbus云协议向云端传输数据，云端接收数据并与云端保存的数据进行比较。当所测含水率超过所设定的最高含水率，移动端控制水泵变频器，降低水泵的功率，减少水泵的出水量，当所测含水率低于所设定的最低含水率时，移动端控制水泵变频器，提高水泵的功率，增加其出水量。当集雨池中的水位低于光电水位传感器时，移动端控制净水池出水口处的电磁阀开启，关闭集雨池出水口处的电磁阀，净水池连接着地下输水管网。

该系统每隔一定时间将会开启反冲洗系统，水泵口处的双向电磁阀关闭上端出水管道，开启下端出水管道，经过水泵从过滤池下端开口处向内灌水，过滤池中的水位逐渐提高，当水位上升到双层滤料时，滤料上过滤掉的悬浮杂质将随着水位继续向上，从过滤池上端出水口出去，过滤池中的顶端进水口和底端进水口全部设置单向阀，使得反冲洗时的水流不会倒灌进入上端出水管道和下端出水管道。

3 创新和优势

城市绿化地面渗透灌溉系统提升了渗灌的防堵。其在防止物理堵塞上增设了双层滤料，并经过试验测定出最适合的滤料填充，使得过滤更加充分。在防止生物堵塞上增设自主研制的生物防堵装置，可以防止植物的根系进入堵塞毛管而不会干扰水分进入土壤。这几种防堵措施可以大大增加该系统的使用时长，减少了维修成本。

城市绿化地面渗透灌溉系统可以实现智能化灌溉，土壤湿度计、电磁阀、水泵和水泵变频器都通过移动端控制，根据土壤含水率的多少，来控制水泵口处双向电磁阀和水泵变频器，改变进水量的多少。可通过移动端控制水泵口处双向电磁阀实现反冲洗。集雨池中的光电水位传感器可以监测集雨池中的水位多少，当水位低于光电水位传感器时可控制净水池中的电磁阀开启。在自动灌溉下，减少了环卫工人的劳动。

4 结语

城市绿化地面渗透灌溉系统实现智能化灌溉，不仅能够减轻环卫工人的劳动负担，还有利于节省灌溉时间，提高灌溉效率。城市绿化地面渗透灌溉系统减少了水分在土壤表面的蒸发，提高了灌溉水利用率，节省大量城市绿化用水，响应了国家节水政策的号召。系统增设自主研发的防堵装置，大大降低了维修成本，减少了运行管理费用，且该系统对灌溉水质及灌区没有特殊要求，可以广泛使用。