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（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(shè)的發(fā)展，高架花箱綠化也成為城市綠化中重要的一個(gè)組成部分，由于我國(guó)地理?xiàng)l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(huì)老齡化人口的加劇，使得原本就屬于勞動(dòng)密集型的綠化養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)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(yè)的人數(shù)越來(lái)越少，從而使用工成本不斷攀升。在這種趨勢(shì)下，發(fā)展機(jī)械化作業(yè)，節(jié)水園林與智能化灌溉勢(shì)在必行。站在可持續(xù)發(fā)展的角度分析，節(jié)水節(jié)能是全社會(huì)的大勢(shì)所趨。

1 高架花箱綠化的影響

近年來(lái)，隨著城市綠化的發(fā)展，城市高架橋的綠化也成為城市綠化中的一個(gè)重要分支。高架橋綠化是指以橋?yàn)橹黧w，圍繞橋體、橋墩、防撞梁并根據(jù)其特征而進(jìn)行的植物綠化工作。在高架橋綠化中，高架兩側(cè)防撞梁定的綠化花箱是高架綠化的重要組成部分。常見(jiàn)的形式為在防撞梁頂或者其側(cè)面固定花箱，花箱沿防撞梁延伸，高架的植物與土壤都會(huì)被裝在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(wèn)題，花箱的土壤層都不會(huì)設(shè)計(jì)很厚，土壤儲(chǔ)水能力差。在植物生長(zhǎng)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(yǎng)護(hù)工人開(kāi)灑水車(chē)在夜晚進(jìn)行灌溉。雖然夜晚車(chē)流相對(duì)較少，但灑水車(chē)需要緩慢行進(jìn)也會(huì)對(duì)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(zé)任心，很難做到均勻一致的灌水，更加無(wú)法實(shí)現(xiàn)施肥，而且噴灑到高架橋下的水，對(duì)橋下路面行車(chē)會(huì)造成干擾[1]，另一方面在車(chē)流中進(jìn)行水車(chē)噴灑作業(yè)，對(duì)施工人員來(lái)說(shuō)也存在一定的安全隱患。

2 高架花箱綠化智能灌溉系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)分析

智能灌溉是指無(wú)須人工操作，而灌溉系統(tǒng)自行做出相應(yīng)決定，并且自動(dòng)執(zhí)行灌溉任務(wù)，并根據(jù)采集到的信息調(diào)整灌溉任務(wù)而達(dá)到水肥一體化的精準(zhǔn)灌溉[2]。

高架智能灌溉系統(tǒng)由高架花箱灌溉數(shù)字化云端控制平臺(tái)（簡(jiǎn)稱云平臺(tái)）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(lián)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(tǒng)、終端微灌灌水器、首部施肥系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)以及加壓系統(tǒng)等組成。主要架構(gòu)如圖1所示。

圖1 高架花箱智能灌溉系統(tǒng)架構(gòu)

解碼器控制器為創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線智慧灌溉控制器，內(nèi)部鑲嵌控制云棧，可以通過(guò)4G/5G 以太網(wǎng)絡(luò)以及有線等多種通信方式將通過(guò)傳感器采集到土壤溫濕度、EC、雨量等數(shù)據(jù)傳輸儲(chǔ)存到云平臺(tái)，同時(shí)在PC 段和手機(jī)PAD 等移動(dòng)端通過(guò)云平臺(tái)也可以對(duì)控制器進(jìn)行編程設(shè)定，制定及修改灌溉計(jì)劃，并可以實(shí)時(shí)開(kāi)啟關(guān)閉灌溉系統(tǒng)。在控制器的后臺(tái)通過(guò)權(quán)限的分配，可以分成操作人員、管理人員等不同級(jí)別，不同級(jí)別的操作人員具有的操作權(quán)限不同，一線操作人員僅可以手動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉系統(tǒng)，管理人員可以進(jìn)行編程、制定程序，接收到流量異常等報(bào)警信號(hào)，并且同時(shí)進(jìn)行處理等作業(yè)。不同人員的操作記錄會(huì)實(shí)時(shí)上傳到云端，必要時(shí)可以追溯操作內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)誤操作，避免過(guò)量灌溉，并找到相關(guān)責(zé)任人。

控制線采用專(zhuān)用的雙絞屏蔽線，所有電磁閥通過(guò)解碼器并聯(lián)在控制線上，相對(duì)傳統(tǒng)的多線控制方式，每個(gè)電磁閥一個(gè)控制線，公用一根零線即公共線的方式，大量節(jié)省電線。高架花箱距離長(zhǎng)，雙絞控制線的方式特別適合這種長(zhǎng)距離的傳輸控制方式，以控制器為半徑14#雙絞線（相當(dāng)于1.63mm2）單邊的傳輸距離可以達(dá)到4.5km，同時(shí)控制信號(hào)、采集數(shù)據(jù)信號(hào)和電流同時(shí)在一根控制線里傳輸，傳輸質(zhì)量高，當(dāng)距離大于4.5km 時(shí)可以采用中繼的方式，傳輸距離可以延展得更遠(yuǎn)。從控制器引出來(lái)只有兩根線，施工布線十分方便，信號(hào)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(hào)線單獨(dú)布線帶來(lái)的麻煩，降低工程施工造價(jià)。雙絞屏蔽線抗干擾能力強(qiáng)，可靠性更高也更加穩(wěn)定。

電磁閥是分區(qū)控制閥，高架花箱的距離長(zhǎng)，不可能同時(shí)開(kāi)啟灌溉，如果同時(shí)開(kāi)啟勢(shì)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(shí)就需要由電磁閥根據(jù)流量大小，將整個(gè)高架花箱灌溉區(qū)分成多個(gè)小區(qū)，分區(qū)進(jìn)行輪流灌溉。電磁閥采用直流脈沖式自鎖式電磁閥，運(yùn)行電流為9V 直流。電磁閥是常用的隔膜電磁閥，電磁閥由個(gè)膜分成上下兩部分閥腔，當(dāng)水流進(jìn)入閥體時(shí)，上下腔同時(shí)進(jìn)水，充滿后，上下腔水壓相同，電磁閥不會(huì)開(kāi)啟，上閥腔在頂蓋上面有一個(gè)放水的小孔，由電磁頭控制，當(dāng)通電時(shí)線圈產(chǎn)生磁力，將磁鐵芯吸到頂部，放水孔打開(kāi)，上腔內(nèi)的水通過(guò)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(kāi)啟，水流開(kāi)始通過(guò)。同樣關(guān)閉時(shí)，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(jìn)入隔膜上腔的水增多，上腔水壓力增大，隔膜下移，當(dāng)上腔和下腔水壓相同時(shí)，電磁閥關(guān)閉。所謂自鎖式電磁閥，是電磁閥的磁鐵芯里有一個(gè)自鎖裝置，當(dāng)磁芯上吸后，會(huì)自動(dòng)鎖定，在沒(méi)有外力的情況下保持開(kāi)啟狀態(tài)。正式脈沖式控制正式利用此功能，在開(kāi)啟時(shí)傳輸一個(gè)瞬間的正向的脈沖電流，磁鐵芯上吸，電磁閥開(kāi)啟，關(guān)閉時(shí)傳輸一個(gè)瞬時(shí)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(guān)閉電磁閥。不需要長(zhǎng)時(shí)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(shí)開(kāi)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(zhuǎn)換設(shè)備，所有的設(shè)備并聯(lián)在控制線上。沒(méi)有單獨(dú)的控制線，就要靠解碼器來(lái)給設(shè)備在控制器中編碼識(shí)別。每個(gè)解碼器有一個(gè)唯一的ID 在控制器中被識(shí)別，解碼器的作用就是通過(guò)自身的ID 定位把電磁閥、傳感器等在控制器進(jìn)行定位識(shí)別，同時(shí)通過(guò)內(nèi)部的電容等元器件儲(chǔ)存一定的電量，接受脈沖電流的同時(shí)收放電流，從而控制電磁閥的開(kāi)啟關(guān)閉。

灌水器是高架花箱實(shí)現(xiàn)灌水和施肥的終端設(shè)備，由于高架花箱為沿著防撞梁連續(xù)布置的長(zhǎng)條狀的花槽，通常每個(gè)花槽長(zhǎng)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(lèi)型。其中以滴箭應(yīng)用為最多，滴箭是通過(guò)一個(gè)穩(wěn)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(jù)需要水量的大小，每個(gè)花箱平均分配同等數(shù)量的滴箭頭，保證每個(gè)花箱得到水量一致。穩(wěn)流滴頭下端是一個(gè)倒刺，可以直接用專(zhuān)用打孔器打孔后壓入低密度的LDPE 供水分支管道中。穩(wěn)流滴頭帶有壓力補(bǔ)償功能，在一定距離的管線上布置時(shí)，滴頭內(nèi)部的壓力補(bǔ)償膜片通過(guò)不同程度的變形，可以保證距離水源端最近處和最遠(yuǎn)處的滴頭出水的流量和壓力保持一致，然后通過(guò)分水器分配到各個(gè)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(tài)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(gè)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(tǒng)。所謂的首部系統(tǒng)是指灌溉系統(tǒng)水源部分，包含加壓設(shè)備、過(guò)濾系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)和消毒系統(tǒng)。

通常高架花箱沿整個(gè)高架排布距離較長(zhǎng)，如采用市政水，水源清潔無(wú)須過(guò)濾處理。但是市政管網(wǎng)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(zhǎng)距離鋪設(shè)，由此而產(chǎn)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(shè)備，另外花箱滴灌灌水器的流道較小，對(duì)水質(zhì)有要求，不需經(jīng)過(guò)過(guò)濾系統(tǒng)，否則會(huì)堵塞管道及灌水器，造成系統(tǒng)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(jìn)行過(guò)濾處理?？紤]到加壓水泵、變頻控制柜、過(guò)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(tǒng)，將加壓水泵、變頻控制柜、過(guò)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(shè)備在獨(dú)立的空間內(nèi)，便于維修操作，箱體外還可以根據(jù)周邊景觀需求進(jìn)行彩繪噴涂，不會(huì)對(duì)景觀造成破壞[3]。當(dāng)控制柜接收到控制器傳來(lái)的啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，水泵啟動(dòng)恒壓供水，根據(jù)開(kāi)啟輪灌區(qū)的多少，改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，從而改變水量，保持恒定系統(tǒng)工作壓力。有壓水經(jīng)過(guò)過(guò)濾、消毒系統(tǒng)供給各個(gè)灌區(qū)。

施肥系統(tǒng)一般在過(guò)濾系統(tǒng)后，旁路并聯(lián)在出水的主管上，整個(gè)施肥系統(tǒng)進(jìn)出水管均由有閥門(mén)，不用時(shí)保持關(guān)閉。需要施肥時(shí)，將攪拌好的特定濃度的液態(tài)肥料放在施肥器的吸入端，開(kāi)啟閥門(mén)在灌溉時(shí)，肥料就會(huì)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(fèi)，省工、省時(shí)。施肥系統(tǒng)可以選擇的有多種，簡(jiǎn)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(dòng)化程度高、能精確同時(shí)施幾種肥料的有自動(dòng)施肥機(jī)等，自動(dòng)施肥機(jī)還能自動(dòng)調(diào)整肥料的酸堿狀態(tài)、EC 值等做到精準(zhǔn)施肥[4]。自動(dòng)施肥機(jī)造價(jià)較高，一般來(lái)說(shuō)比例式注肥泵應(yīng)用相對(duì)較多，它具有價(jià)格適中，施肥濃度可控等優(yōu)點(diǎn)，安裝簡(jiǎn)單，操作也相對(duì)更加靈活。

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

3 結(jié)語(yǔ)

城市的發(fā)展在不斷的加速，園林建設(shè)面積日益增加，園林綠化用水與城市居民生活及生產(chǎn)用水之間的矛盾也日益突出，常規(guī)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(tǒng)的大面積推廣使用不單可以節(jié)約水資源，也能降低園林養(yǎng)護(hù)成本，提高養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，保證高架綠化的景觀效果。高架花箱智能灌溉系統(tǒng)完美解決了灌溉線路長(zhǎng)，布線不易等問(wèn)題，只要將終端灌水器換成合適的類(lèi)型，例如地埋噴頭，灌木噴頭等，也同樣能夠應(yīng)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(tǒng)模式將是搶占未來(lái)園林灌溉系統(tǒng)的重要核心技術(shù)，勢(shì)必會(huì)得到園林從業(yè)者和城市建設(shè)規(guī)劃者的重視，也一定會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。