基于屋顶绿化的灌溉系统配置研究

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  【摘 要】屋顶绿化对于提高城市环境质量、提高屋顶隔热效果、减少城市热岛效应及改善居住环境有积极的意义,由于屋顶的特殊条件,其灌溉要求与普通农业和园林灌溉相比有更高的要求。为保证屋顶植物灌溉的科学性,根据其要求,结合各灌溉技术的特点,对灌溉系统的配置进行了分析,提出了适合屋顶绿化的灌溉系统配置方案,对屋顶绿化的运行管理具有一定的启示意义。
  【关键词】屋顶绿化;灌溉;分析
  屋顶绿化是人们根据建筑屋顶结构特点、荷载和屋顶上的生态环境条件,选择生长习性与之相适应的植物材料,通过一定技艺,在建筑物顶部及一切特殊空间建造绿色景观的一种形式。屋顶绿化将绿地向空中发展,是节约土地、开拓城市空间的有效办法,屋顶绿化可创造空中景观,改善城市环境面貌;缓解大气浮尘,净化空气;保护建筑物顶部,延长屋顶建材使用寿命;保温隔热,减少空调的使用,节约能源;缓解城市热岛效应[1];消弱城市噪音;缓解雨水屋面溢流,减少排水压力等,被誉为新世纪“有生命的建筑材料”与“生物地毯”。
  屋顶绿化具有良好的景观、生态、经济、社会效益,自然离不开科学的设计。屋顶绿化设计的重点主要考虑以下几个方面:屋顶位置、屋面荷载、栽培基质、植物配置、根系穿刺预防、栽培方式、影响植物生长发育的环境因子(水分、光照、养分、温度、湿度、风力、降雨等)、灌溉与排水、景观要求等[2]。由于屋顶所处的空间条件具有特殊性,灌溉系统配置成为影响屋顶绿化正常运行成败的一个重要环节。
  一、屋顶绿化灌溉问题总体分析
  屋顶绿地属于园林绿地范畴,对屋顶植物的灌溉具有一般园林绿地灌溉的共性。灌溉系统要与现有景观相互协调配合,既要满足绿化苗木、花草正常生长的水分供给需要,还要考虑良好的景观效果。
  屋顶绿地中,由于考虑到建筑物荷载及结构要求,土壤基质一般较薄,多种植浅根系植物,如草坪草、花卉、佛甲草等,一般都均匀密植,也有少数种植灌木类植物。屋顶土壤基质蓄水能力有限,加上屋顶阳光照射,风力较大,水分损失较快,与普通园林灌溉相比,需更加严格控制灌溉时机和灌溉强度,对灌溉质量要求较高,须次多量少进行灌溉。如果灌溉过度,植物根部会因为排水不畅而腐烂;灌水不及时,会因水分快速蒸腾导致植物缺水而凋萎甚至死亡。
  屋顶绿地由于其特殊的立地条件,高、陡、风大、夏季温度极高等特点,绿地养护人员作业条件艰苦,具有一定的安全风险,人工成本较高。另外养护人员的灌水、施肥、喷药等动作难免会造成植物景观的破坏,这就需要灌溉系统配置自动化控制技术。自动采集灌溉相关参数,如土壤水分等,适时适量进行灌溉,自动控制灌溉可以兼带施肥喷药功能,在灌溉用水中混入肥料和农药,以水带肥,利用灌溉管网及灌水器将水肥输送至作物种植区域,达到水肥的科学高效管理。
  为了提高屋顶绿地灌溉的质量与管理水平,以下屋顶绿化灌溉系统涉及的从植物类型、灌溉形式、水源供给、管道选择、施肥装置、自动化控制等灌溉配系统组成进行分析和配置,给出一个简易的工程实施方案以供参考。
  二、屋顶绿化灌溉系统各因素配置
  (一)植物类型:屋顶绿化结构层一般分为保温隔热层、防水层、排水层、过滤层、土壤层、植物层等。考虑到屋顶结构的承重与防水,屋顶绿化所选植物须具备根浅、穿刺能力较弱等特点。由于屋顶位置较高,受风、阳光影响较大,水分损失较快,作物须具备一定的耐旱耐寒性能。佛甲草,又名万年草,属景天科多年生草本植物,佛甲草为多浆植物,其体内含水量高,其叶、茎表皮的角质层具有超常的防止水分蒸发的特性,具有耐干旱、耐高温、耐寒冷、适应性强等特点。干旱时自身可调节水分,吸水能力强,一个月不浇水也不能干死。夏天屋顶温度高达60℃,它也能承受,基本不用浇水。冬季基质冻结,佛甲草呈休眠状态,开春气温回升,很快又能萌发。佛甲草可生长在较薄的基质上(3-5cm厚),扩展能力强,根系纵横交错,与土壤紧密结合,是屋顶绿化理想种植植物。此外,也可根据配套条件的优劣及需要选择适宜的植物品种,如费菜、八宝等。
  (二)灌溉形式:灌溉的形式一般有漫灌、管灌、喷灌、微喷、滴灌、小管出流、渗灌[3]等形式。
  漫灌是在田间不做任何沟埂,灌水时任其在地面漫流,借重力作用浸润土壤,是一种比较粗放的灌水方法,灌水的均匀性差,水量浪费较大;管灌是利用低压管道将水输送至田间,再由分水口连接软管进入田间沟、畦的地面灌溉技术,水进入沟、畦后的状态仍然属于漫灌;喷灌是用专门的管道系统和设备将有压水送至灌溉地段并喷射到空中形成细小水滴洒到田间的一种灌溉方法[3]。喷灌可以控制喷水量和均匀性,避免产生地面径流和深层渗漏损失,使水的利用率大为提高。但其需要的工作压力较大,一般不低于0.3MPa;微喷灌是利用直接安装在毛管上或与毛管连接的微喷头将压力水以喷洒状湿润土壤,与喷灌相比,其工作压力较低,一般为0.15-0.2MPa,喷水柔和; 滴灌是按照作物需水要求,通过低压管道系统与安装在毛管上的滴头,将水和作物需要的养分一滴一滴,均匀而又缓慢地滴入作物根区土壤中的灌水方法,属于局部灌溉,一段时间后各湿润圈相互搭接形成湿润带,其工作压力较低,一般为0.05-0.15MPa;小管出流与滴灌相类似,其流量比滴灌要大,工作压力范围较大;渗灌是利用渗水毛管埋在地下作物根系活动层,压力水通过渗水毛管管壁的毛细孔以渗流的形式湿润其周围土壤,由于它减少了土壤表面蒸发,是用水量最省的一种微灌技术,但受堵塞影响较大。
  结合屋顶绿化的使用条件,考虑到节能、节水要求,漫灌、管灌为粗放式灌溉形式,不应采用。喷灌由于喷射半径大,工作压力高,能耗较大,视情况而采用。微喷灌喷水柔和,工作压力低,自来水及中水管网压力能够满足其工作要求,可适用于屋顶绿化灌溉,常用于较为平坦地形的灌溉。滴灌根据其特点能够适应屋顶应用条件,滴灌管可用于成行成列作物的灌溉,管上滴头、滴箭可用于立体栽培植物的灌水。渗灌具有良好的节水性能,但渗灌对水质苛刻,容易发生堵塞,在具体应用时谨慎选择。   (三)水源供给:河流、水库、机井等均可作为灌溉水源,考虑到屋顶绿地位于建筑物顶部,结合就近原则,水源可利用收集天然降雨,建筑物配套的自来水或中水作为屋顶绿化灌溉水源。天然降雨由于具有温度适宜、无盐、能耗低等优点,是非常理想的灌溉水源,但需要建造雨水收集与储存系统,占用一定的屋顶空间,一次性投资较高,可视情况进行选择。水源除满足水量要求外,还需满足水质和水压要求。由于采用了微喷、滴灌等节水灌溉技术,一般情况下,建筑物的自来水和中水供应均能满足灌溉水量要求。微喷、滴灌出水口尺寸很小,容易发生堵塞,需要增设过滤装置确保灌溉水质[4],采用中水时,屋顶绿化植物如用作食物,则中水水质须符合《农田灌溉水质标准》(GB5084-92)水质要求。微喷、滴灌属于微压灌溉,灌水器工作压力介于为0.05-0.15MPa,自来水及中水管网压力一般不低于0.3MPa,可以满足灌溉压力要求,如遇工作压力低,可设置水泵加以解决。
  (四)管道选择:管道是灌溉系统的主要组成部分,考虑到施工条件、管道密封性能、适应灌溉形式、承压级别等,喷灌、微喷、滴灌系统绝大多数使用塑料管道,常用的有聚氯乙烯管(简称PVC管)、聚乙烯管(简称PE管)等[3]。塑料管道具有抗腐蚀、柔韧性好、能适应较小的局部沉陷、内壁光滑、输水摩阻小、密度小、重量轻和运输安装方便等优点。PVC管受阳光照射容易老化,常用作主管埋设于地下,PE管加入了抗老化剂,能抵抗阳光照射,常用作支管及毛管铺设于地面,也可以浅埋。在首部枢纽、穿过建筑物、高架等特殊情况,灌溉系统也使用一些其他管道,如镀锌钢管,但为了避免锈蚀物进入微喷或滴灌灌水器,尽量减少金属管道的使用。
  (五)施肥装置:喷灌、微喷及滴灌系统除了能够高效灌溉,还能够利用其管道及其灌水器配送液态肥料,达到水肥一体化管理。由于受灌水器出水口大小限制,使用的肥料必须是水溶性肥,没有钙、镁、碳酸氢盐或其他可能形成不可溶盐的离子,对灌溉设备腐蚀性小[5]。国内可采用的水溶性复混肥有水溶性氮磷钾肥料、水溶性微量元素肥料、含氨基酸类水溶性肥料、含腐殖酸类水溶性肥料四类。
  肥料的吸入可利用施肥装置来实现,常见的施肥装置类型有重力式、压差施肥罐、文丘里施肥器、水动注肥泵等[5]。重力式施肥一般须借助重力滴灌系统,在高位蓄水池旁边,高于蓄水池液面处建造肥料池用于混合肥料,利用地形落差进行施肥。压差式施肥罐是将储液罐与微灌管道并联联接,使进水管口和出水管口之间产生压差,并利用这个压力差使部分灌溉水由进水管进入储液罐,再从出水管将经过稀释的营养液注入灌溉水中。文丘里施肥器是利用文丘里管原理,使肥料吸入管道与水流混合,文丘里施肥器一般并联于管路上,与开敞式肥料罐配套组成一套施肥装置。文丘里施肥器结构简单,造价低廉,使用方便,主要适用于小型微灌系统中。水动注肥泵,以柱塞泵原理的比例式施肥器为代表,其能够严格按设定比例进行水肥管理,即吸入肥料体积与管道水流量严格成一定比例,能够做到精确比例施肥,价格相对较高。在屋顶绿化的灌溉施肥应用中,可根据实际情况及各施肥装置特点进行选择应用。
  (六)自动化控制:自动化控制系统主要由采集系统、执行系统、传输系统、监控系统组成[6]。按照空间位置,采集系统和执行系统在屋面绿地内,监控系统安装在控制室中,传输系统为屋面绿地和控制室之间的连接部分。具体地说就是采集与传输系统主要负责支管控制阀信号处理传输,屋面土壤水分采集传输处理,屋顶气候要素采集传输,管道工作参数采集传输,系统及水源信号集中控制处理显示系统等。执行系统负责对输水部分的加压泵、控制阀以及灌水器等的控制来实现灌溉的功能。
  自动化控制系统可减少人员屋顶操作的次数,节省劳动力成本,提高灌溉的及时性和灌水量的准确性,是未来屋顶绿化灌溉发展的重要方向。
  三、屋顶绿化灌溉系统的工程实现
  假设有2000m2的屋顶绿地,屋顶面植物采用微喷,立体栽培采用滴灌,采用自动化控制灌溉,主要设备材料如表1所示。
  表1 屋顶绿化灌溉主要设备材料
  灌溉系统包含水源供水、施肥加药、管道、灌水器、数据采集、数据传输、中央处理器、阀门等部分组成,屋顶绿化灌溉系统如图1所示。
  图1 屋顶绿化灌溉系统示意图
  四、结语
  屋顶绿化灌溉系统是否合理关系到屋顶绿化的成败,由于使用条件的不同,屋顶绿化灌溉系统具有很强的灵活性,在实施过程中,应结合屋顶环境、气象等实际情况,从种植植物、水源供水、灌溉形式、管道选用、施肥装置及自动化技术应用等方面进行综合分析,以系统论为方法手段,以适用性、经济性为基本出发点进行科学分析与设计,不断进行完善,推动屋顶绿化事业的发展。
  【参考文献】
  [1]赵定国.屋顶绿化美化与21世纪城市新景观[J].草原与草坪,2001,(2):20-21.
  [2]白钊义.浅谈屋顶绿化[J].科技情报开发与经济,2003,13(5):117-118.
  [3] 傅林,董文楚,郑耀泉.微灌工程技术指南.北京:水利电力出版社,1987
  [4]姚振宪,何松林.滴灌设备与滴灌系统规划设计.北京:中国农业出版社,1999.
  [5] 张承林,邓兰生. 水肥一体化技术.北京:中国农业出版社,2012
  [6]吴普特,牛文全.节水灌溉与自动控制技术.北京:化学工业出版社,2001
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