CN110959511A - 一种蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统。渗灌系统位于种植框内，种植框内自上而下依次包括植被层、土壤基质层、过滤层以及蓄水层；还包括毛细芯，毛细芯包括长直条状的第一毛细芯、环状的第二毛细芯；第一毛细芯的一端连接有多个长条状的分支毛细芯，多个分支毛细芯的另一端分别与第二毛细芯连通，且多个分支毛细芯的另一端间隔设置于第二毛细芯上；第二毛细芯位于土壤基质层中，第一毛细芯依次穿过土壤基质层、过滤层，直至蓄水层中。本发明提供的一种蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，在对雨水利用的同时，对比于现有的绿化屋顶灌溉方式，具有水资源节约，供水均匀度高，节省空间，投入成本低等特点。

Description

一种蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统

技术领域

本发明属于海绵城市中绿色屋顶的灌溉技术领域，更具体地，涉及一种蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统。

背景技术

目前有的模块化绿色屋顶系统，如有的种植模块系统结构自下而上为排水层、过滤层、种植层。排水层设置于模块最底部，于排水层侧壁设置了排水管，排水层本身不储存水，排水管将流经模块种植层和过滤层的雨水集流到设于系统之外的蓄水池，蓄水池与模块分离布置。在种植层埋设穿孔地埋灌溉管道，灌溉管道与设置于蓄水池底部的潜水泵相连通，供水灌溉方式为依靠潜水泵的供水。在系统的种植层设置土壤湿度传感器，感应种植基质的湿度，判断灌溉与否。在蓄水池设高低水位传感器，所有传感器均与PLC控制器连通。即其灌溉系统的运行状况为：流经模块种植层和过滤层的多余雨水集流到蓄水池储存。当种植基质湿度低于某值时，潜水泵启动给植物灌溉。蓄水池水量可由池内高低水位传感器检测，可适当补充自来水，确保蓄水池储存足够水量用于灌溉。

在种植模块技术领域的研究当中，也有模块化种植系统设置了种植层、过滤层、蓄水层。蓄水层用于储存雨水，通过在模块侧壁设置溢流口控制蓄水层高度。其灌溉思路是利用一根长直毛细芯穿过过滤层连通蓄水层与种植层，利用毛细作用给植物供水。类似的利用毛细作用灌溉的系统还有种植系统仅有种植基质层，模块底部与毛细管垫连通的利用毛细管垫灌溉的系统。其灌溉思路是，在种植区域铺设毛细管垫，与毛细管垫间布设给水滴灌，供水使得毛细管垫吸水保持湿润。在毛细管垫上放置种植模块，模块最底层即种植基质层与毛细管垫通过多个孔相连通，利用基质层中土壤的毛细吸力，使得水分向上移动湿润基质层区域。上述两种灌溉方式均是利用毛细作用的自下而上的灌溉方式。

尽管上述灌溉方式均能够实现对模块植物的有效供水，但同时不免存在一些不足。如在种植系统外另设蓄水池，利用PLC控制器以及潜水泵供水灌溉的方式，在空间利用方面不够经济，在面积的有限的屋顶，另设蓄水池耗费一定的种植空间，另一方面，常设的蓄水池还会增大屋顶的负荷。此外，在基质层水平方向上埋设的埋地灌溉直管，利用湿度传感器检测种植基质含水量的时候，多数情况下监测到的只是当时土壤整体最大的湿度(由靠近灌溉管出水孔口传感器测得)或者检测到当时土壤的整体最小湿度(最远离灌溉管出水孔口传感器测得)，不免造成过多或过少供水，难以确保供水的均匀度。另外，整个灌溉方式虽能够实现自动控制，但其初次投入成本较大，自动检测运行仪器也易受屋顶恶劣环境影响，后期运营管理难度和成本都较大。

对于利用毛细直芯的灌溉方式，这种方式一定程度上能够保持种植基质的湿度水平，但是供水的不均匀仍是一个问题。至于应用毛细管垫的灌溉方式，种植容器通过底部的开孔使得基质与湿润的毛细垫接触，通过土壤的毛细作用将水引入容器中，这势必会出现种植容器底部土壤较湿而上层土壤较干的情况，不一定能够保证植物根区范围具有良好的湿润环境。此外，这种灌溉方式，需要供水滴管的持续供水以保持毛细垫的湿润，除了被种植容器覆盖的地方，大面积的湿润的毛细垫，会造成大量的水蒸发流失，造成灌溉水分的浪费。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，不仅节约水资源，且供水均匀度高，节省空间，投入成本低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，渗灌系统位于种植框内，种植框内自上而下依次包括植被层、土壤基质层、过滤层以及蓄水层；其中，还包括毛细芯，所述的毛细芯包括长直条状的第一毛细芯、环状的第二毛细芯；所述的第一毛细芯的一端连接有多个长条状的分支毛细芯，多个分支毛细芯的另一端分别与第二毛细芯连接，且多个分支毛细芯的另一端间隔设置于第二毛细芯上；所述的第二毛细芯位于土壤基质层中，第一毛细芯依次穿过土壤基质层、过滤层，直至蓄水层中。在本发明中，过滤层位于土壤基质层的下方，被玻璃钢栅格板支承。过滤层的作用是防止基质层中的土壤流失到蓄水层里填满蓄水层的空间，使得基质层与蓄水层有一定的隔离空间，防止基质层积水使植被根系一直被积水浸泡。

其中，毛细芯通过第一毛细芯、第二毛细芯以及分支毛细芯组合成类似于“方向盘”结构；这样设置的目的是，底部的长直条状毛细芯垂直向上引水，水分运移过程中，当水分运移到分支毛细芯的接驳处时，能够将水分均分到分支毛细芯上，进而将水分均匀地输移到顶部的环状第二毛细芯上，整一个过程能够将水分均匀分配，这一作用在连续干旱的时期尤为明显。

进一步的，相邻两个分支毛细芯之间的间距值相等。各个分支毛细芯等间距设置，进一步的提高水分分配的均匀性。

进一步的，所述的毛细芯的表面包裹有一层过滤结构。

进一步的，所述的过滤结构、过滤层均采用无纺布；在所述的过滤层设置有用于支撑土壤基质层的栅格板，使用无纺布紧紧包裹在栅格板的上下两端。过滤层采用无纺布，使用无纺布紧紧包裹住玻璃钢栅格板的上下两端，起到两层过滤的作用。无纺布具有良好的耐腐蚀性、透水性、抗微生物性，在长期使用的过程中不需要进行更换。毛细芯外包无纺布的作用是将毛细芯尽可能的与土壤基质层中的土壤颗粒分离，避免毛细芯堵塞。

进一步的，所述的第一毛细芯的端部位于蓄水层的底部；所述的第二毛细芯靠近植被层的根部但不与植被层的根部接触。在整个灌溉系统的布置上，“方向盘”式毛细芯的底部长直段穿透过滤层并伸到蓄水层最底部，“方向盘”状的上部即第二毛细芯则处于土壤基质层的中上段，并尽量将其布置得靠近植被的根部。这种布置方式，使得整一个“方向盘”状的毛细芯结构能够通过其底部长直段在蓄水层中吸渗水分，将水分运移到上部，而其上部是布置在种植基质层中植物的根区范围的，所以，该毛细芯结构能够引水到植物根部附近土壤供植物利用。外包无纺布使其能够能防止结构被基质层的土壤颗粒或者其它杂物堵塞，保证系统持续工作。

进一步的，所述的植被层需要充分考虑观赏性、经济效益和环境效益，结合地区气候以及植物的生长习性选择植物；所述的土壤基质层用于为植物生长提供必要的营养，且要具备良好的透水性、渗水性以及良好的蓄水性能；所述的过滤层设有用于支撑土壤基质层的栅格板。

在本发明中，屋顶的承载能力有限，种植基质要求能够为植物生长提供必要的营养外，基质土壤的容重也不能过大，并且要具备良好的透水性、渗水性以及良好的蓄水性能。

进一步的，所述的蓄水层内填满有用于蓄水和支撑的陶粒。

进一步的，所述的种植框的侧壁上间隔设有多个溢流口，所述的溢流口位于蓄水层的顶部所在的位置。

在本发明中，蓄水层位于种植框的底部。蓄水层厚度的设定原则是，充分考虑当地的降雨量而定。蓄水层厚度的控制方法是，在蓄水层顶部位置，四边形种植框的四面边壁上打孔，溢流口的直径设置为1.5cm，以溢流多余的雨水，控制蓄水层的厚度。蓄水层的作用是储存雨水，减少屋顶雨水径流同时为植被层植物提供水分。蓄水层被陶粒填满，以支承起玻璃钢格栅板和土壤基质层。陶粒作为一种疏松多孔的材料，具有密度小、抗压性强、水分吸收率大等特点，可以将水分通过外壳吸收到粒体内空余的地方储存起来，在蓄水层的水干涸了之后，缓慢释放出体内储存的水分，缩短了植被受到干旱的时间。

进一步的，所述的毛细芯的材质为超细纤维涤纶材料。选用的毛细芯材料是超细纤维涤纶材料，有很强的吸水能力。

进一步的，设有三条分支毛细芯。整一个毛细芯的布置像汽车的方向盘一样，即在一个环状的毛细芯结构的基础上，再引出三条分支并且将它们绑结在一起，在三条分支的接驳处再引出一条长直毛细芯。

在本发明中，该灌溉系统的运行原理为：

用水在表面张力下能够在毛细束中产生毛细现象的原理，土壤水分在毛细作用、土壤吸力和植物蒸腾的作用下，向植物根部运动，产生细微水流，通过毛细芯浸润方式给植物根部供水。当植物蒸腾作用较强时，毛细芯会通过毛细作用从蓄水层和土壤层中吸收更多的水使之浸润，并将水分聚集到植物根部，供植物利用；反之，当植物蒸腾作用减弱时，植物根系的毛细管力减弱，土壤水分较慢较少地被吸到植物根部附近，土壤也会较慢较少地吸取由毛细芯浸润来的水分，在一定程度上实现了按植物需求自动调节供水的目标。相较于管道渗灌方式，毛细芯渗灌具有节能，节水效果好，不需要额外的灌溉动力，堵塞较轻，易维护，对水质的要求低，可减少深层渗漏浪费以及可以直接利用绿色屋顶蓄积的雨水资源等诸多优点。其可以通过“以垂直空间换时间”的方式调节雨水资源的季节不均。毛细芯把下雨时存在蓄水层的雨水缓慢吸渗到上面的土壤层，预期在无雨日期和少雨季节也可以保持屋顶植物良好生长，还能减缓雨季的洪涝灾害。下面的蓄水层既能储存雨水，又不占用植被的表面面积，可以充分利用屋顶表面积覆盖植被，使屋顶空间得到合理利用。

与现有技术相比，有益效果是：

1.本发明创新性地使用毛细芯向上渗灌的方式，设计了外包无纺布的“方向盘”式超细纤维毛细芯用于渗灌装置，选用的毛细芯材料是超细纤维涤纶材料。可以保证毛细芯在运行过程中不堵塞，并且其“方向盘”式的结构，能够给基质层中植物的根区范围均匀供水，基质层湿度均匀度提升，并且灌溉供水直达植物根区范围，针对性强，用水节约。此外，完全埋地的毛细芯布置，运行期间没有多余的水分蒸发；

2.相较于管道渗灌方式，毛细芯渗灌具有节能，节水效果好，不需要额外的灌溉动力，堵塞较轻，易维护，对水质的要求低，可减少深层渗漏浪费以及可以直接利用绿色屋顶蓄积的雨水资源等诸多优点。其可以通过“以垂直空间换时间”的方式调节雨水资源的季节不均。毛细芯把下雨时存在蓄水层的雨水缓慢吸渗到上面的土壤层，预期在无雨日期和少雨季节也可以保持屋顶植物良好生长，还能减缓雨季的洪涝灾害。下面的蓄水层既能储存雨水，又不占用植被的表面面积，可以充分利用屋顶表面积覆盖植被，使屋顶空间得到合理利用。

附图说明

图1是本发明灌溉系统的整体结构示意图。

图2是本发明毛细芯结构示意图。

图3是本发明水分在毛细芯中运行方向示意图。

图4是本发明实施例中毛细直芯、环状毛细芯和本发明提供的“方向盘”式毛细芯结构示意图。

图5是本发明实施例中超细纤维毛细芯吸水高度随时间变化图。

图6是本发明实施例中距离毛细直芯、环状毛细芯和“方向盘”式毛细芯5cm和10cm处的供水均匀度随日期变化图。

图7是本发明实施例中种植框内“方向盘”式毛细芯垂直向上渗灌系统示意图。

图8是本发明实施例中2018年1月～2018年3月期间每场降雨前后实验框土壤含水量及其变化幅度。

图9是本发明实施例中相等雨后干旱时间佛甲草网纹草实验框土壤含水量图。

图10是本发明实施例中不同时期测量得到的植被株高数据分析。

图11是本发明实施例中佛甲草冠层直径随时间的变化图。

图12是本发明实施例中四天的太阳辐射与屋顶气温随时间日变化图。

图13是本发明实施例中佛甲草夏季的平均蒸腾速率日变化图。

图14是本发明实施例中金鱼草冬季的平均蒸腾速率日变化图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1至图3所示，一种蓄雨绿色屋顶毛细芯5垂直向上渗灌系统，渗灌系统位于种植框7内，种植框7内自上而下依次包括植被层1、土壤基质层2、过滤层3以及蓄水层4；其中；

植被层1：充分考虑观赏性、经济效益和环境效益，结合地区气候以及植物的生长习性选择植物。

土壤基质层2：屋顶的承载能力有限，种植基质要求能够为植物生长提供必要的营养外，基质土壤的容重也不能过大，并且要具备良好的透水性、渗水性以及良好的蓄水性能。

过滤层3：过滤层3位于土壤基质层2的下方，被玻璃钢栅格板31支承。过滤层3的作用是防止基质层中的土壤流失到蓄水层4里填满蓄水层4的空间，使得土壤基质层2与蓄水层4有一定的隔离空间，防止土壤基质层2积水使植被根系一直被积水浸泡。过滤层3采用无纺布6，使用无纺布6紧紧包裹住玻璃钢栅格板31的上下两端，起到两层过滤的作用。无纺布6具有良好的耐腐蚀性、透水性、抗微生物性，在长期使用的过程中不需要进行更换。

蓄水层4：蓄水层4位于模块(种植框7)的底部。蓄水层4厚度的设定原则是，充分考虑当地的降雨量而定。蓄水层4厚度的控制方法是，在蓄水层4顶部位置，四边形模块(种植框7)的四面边壁上打孔，溢流口41的直径设置为1.5cm，以溢流多余的雨水，控制蓄水层4的厚度。蓄水层4的作用是储存雨水，减少屋顶雨水径流同时为植被层1植物提供水分。蓄水层4被陶粒填满，以支承起玻璃钢格栅板和土壤基质层2。陶粒作为一种疏松多孔的材料，具有密度小、抗压性强、水分吸收率大等特点，可以将水分通过外壳吸收到粒体内空余的地方储存起来，在蓄水层4的水干涸了之后，缓慢释放出体内储存的水分，缩短了植被受到干旱的时间。

另外，在本实施例中，还包括毛细芯5，如图2所示；所述的毛细芯5包括长直条状的第一毛细芯51、环状的第二毛细芯52；所述的第一毛细芯51的一端连接有三个长条状的分支毛细芯53，三个分支毛细芯53的另一端分别与第二毛细芯52连通，且三个分支毛细芯53的另一端等间隔设置于第二毛细芯52上；所述的第二毛细芯52位于土壤基质层2中，第一毛细芯51依次穿过土壤基质层2、过滤层3，直至蓄水层4中。在本实施例中，毛细芯5的表面包裹有一层无纺布6，无纺布6具有良好的耐腐蚀性、透水性、抗微生物性，在长期使用的过程中不需要进行更换。毛细芯5外包无纺布6的作用是将毛细芯5尽可能的与土壤基质层2中的土壤颗粒分离，避免毛细芯5堵塞。

在本实施例中，毛细芯5通过第一毛细芯51、第二毛细芯52以及分支毛细芯53组合成类似于“方向盘”结构；这样设置的目的是，底部的长直条状毛细芯5垂直向上引水，水分运移过程中，当水分运移到分支毛细芯53的接驳处时，能够将水分均分到分支毛细芯53上，进而将水分均匀地输移到顶部的环状第二毛细芯52上，整一个过程能够将水分均匀分配，这一作用在连续干旱的时期尤为明显。

另外，所述的第一毛细芯51的端部位于蓄水层4的底部；所述的第二毛细芯52靠近植被层1的根本但不与植被层1的根部接触。在整个灌溉系统的布置上，“方向盘”式毛细芯5的底部长直段穿透过滤层3并伸到蓄水层4最底部，“方向盘状”的上部即第二毛细芯52则处于土壤基质层2的中上段，并尽量将其布置得靠近植被的根部。这种布置方式，使得整一个“方向盘”状的毛细芯5结构能够通过其底部长直段在蓄水层4中吸渗水分，将水分运移到上部，而其上部是布置在种植基质层中植物的根区范围的，所以，该毛细芯5结构能够引水到植物根部附近土壤供植物利用。外包无纺布6使其能够能防止结构被基质层的土壤颗粒或者其它杂物堵塞，保证系统持续工作。

在一些实施例中，所述的毛细芯5的材质为超细纤维涤纶材料。选用的毛细芯5材料是超细纤维涤纶材料，有很强的吸水能力。

该灌溉系统的运行原理为：

用水在表面张力下能够在毛细束中产生毛细现象的原理，土壤水分在毛细作用、土壤吸力和植物蒸腾的作用下，向植物根部运动，产生细微水流，通过毛细芯5浸润方式给植物根部供水。当植物蒸腾作用较强时，毛细芯5会通过毛细作用从蓄水层4和土壤层中吸收更多的水使之浸润，并将水分聚集到植物根部，供植物利用；反之，当植物蒸腾作用减弱时，植物根系的毛细管力减弱，土壤水分较慢较少地被吸到植物根部附近，土壤也会较慢较少地吸取由毛细芯5浸润来的水分，在一定程度上实现了按植物需求自动调节供水的目标。相较于管道渗灌方式，毛细芯5渗灌具有节能，节水效果好，不需要额外的灌溉动力，堵塞较轻，易维护，对水质的要求低，可减少深层渗漏浪费以及可以直接利用绿色屋顶蓄积的雨水资源等诸多优点。其可以通过“以垂直空间换时间”的方式调节雨水资源的季节不均。毛细芯5把下雨时存在蓄水层4的雨水缓慢吸渗到上面的土壤层，预期在无雨日期和少雨季节也可以保持屋顶植物良好生长，还能减缓雨季的洪涝灾害。下面的蓄水层4既能储存雨水，又不占用植被的表面面积，可以充分利用屋顶表面积覆盖植被，使屋顶空间得到合理利用。

通过蓄雨绿色屋顶实验，研究有“方向盘”式毛细芯5渗灌和无毛细芯5渗灌两种处理对蓄雨绿色屋顶的土壤含水量、植被株高、冠层直径、植被覆盖率影响，证实蓄雨绿色屋顶毛细芯5垂直向上渗灌系统的可行性。

1、灌溉系统可行性验证。

渗灌系统在设置上，蓄水层4与种植基质层有一定的空间间隔，间隔高度约为玻璃钢栅格板31的厚度。该渗灌系统能正常运行的前提是，装置使用的超细纤维毛细芯5能否在克服重力的作用下，将蓄水层4的水分从下到上吸渗到植物根部附近供植物利用。为此，需要先检验水分在设计的超细纤维毛细芯5垂直方向上爬升的最大高度能否满足蓄雨屋顶绿化灌溉需求。设置了超细纤维毛细芯5的吸水高度和吸水均匀度预实验。供水均匀度是指灌溉水转化为土壤水分后在空间分散的均匀程度，是衡量灌水质量的重要指标之一。一般而言，供水均匀度越高，灌水质量越好。供水均匀度可用克里斯琴森公式(Christiansencoefficient of uniformity，Cu)来计算：

式中：θ_i为每个测点的体积含水率；

为所有测点的平均体积含水率；N为测点总数；C_u为供水均匀度。

手工制作了三种形状的超细纤维毛细芯5，毛细直芯、环状毛细芯5和“方向盘”式毛细芯5如图4所示。

经过超细纤维毛细芯5的吸水高度实验，得出超细纤维毛细芯5吸水高度随时间变化图如图5所示。

从图中可以看出，超细纤维毛细芯5在刚开始吸水时速度快，随着吸水量的增多速度逐渐减慢，随着吸水时间的增大，吸水高度最终也达到一个极限值。实验中所用的超细纤维毛细芯5最大吸水垂直高度为40cm，而玻璃框蓄水层4底端到土壤基质层2中间的高度为35cm，模块蓄水层4底端到土壤基质层2中间的高度为15cm，所以超细纤维毛细芯5渗灌能满足实验的要求，在装置设置条件下能够起到正常灌溉作用。

为了探明毛细直芯、环状毛细芯5、“方向盘”式毛细芯5这三种形状的超细纤维毛细芯5的供水均匀度状况，于2017年7月-10月在三个裸土玻璃实验框进行三种形状的毛细芯5供水均匀度测算对比实验。设置了A、B、C三个实验框，实验框A均匀放置9个“方向盘”式毛细芯5；实验框B均匀放置9个环状毛细芯5；实验框C均匀放置9个毛细直芯。三个实验框中的基质土壤以及各层高度设置完全一样，且实验框中不设置植被。三个框中的土壤含水量取样点数目都是10个，用便携式土壤水分测定仪(其核心构造是英国Delta-T公司的ML3土壤水分温度传感器，其测量范围为0～100％vol，测量精度为±1％vol(0～50％vol和0～40℃)，探头感应区域为高度55mm×直径70mm的土壤圆柱)测量土壤含水量。具体做法是在距离三种形状的毛细芯55cm和10cm的地方各取5个测量点，并用克里斯琴森公式来计算毛细芯5渗灌的供水均匀度。实验得出距离毛细直芯、环状毛细芯5和“方向盘”式毛细芯55cm和10cm处的供水均匀度随日期变化图，如图6所示。

从图6中可以看出，不管是距离毛细芯55cm还是10cm位置，基本上都是“方向盘”式毛细芯5的供水均匀度高于环状毛细芯5，环状毛细芯5高于毛细直芯。在距离毛细芯55cm处，“方向盘”式毛细芯5渗灌的供水均匀度最大值可达93.5％±0.3％，环状毛细芯5供水均匀度最大值为88.9％±0.6％，毛细直芯的供水均匀度最大值为87.6％±0.4％。在距离毛细芯510cm处，“方向盘”式毛细芯5渗灌的供水均匀度最大值可达92.3％±0.4％，环状毛细芯5供水均匀度最大值为88.2％±0.5％，毛细直芯的供水均匀度最大值为85.1％±0.3％。因此，布置“方向盘”式毛细芯5，相比于其他形式的毛细芯5布置，可以提高土壤的供水均匀度。

2、实验布置。

实验设置了A、B、C三个相同的有机玻璃实验框，实验框的尺寸为1.5m×1.5m×0.6m，框的底部是放在特制的离地面40cm高的铁架上以支撑整个玻璃框容器的重量。其中A、C实验框放有“方向盘”式毛细芯5渗灌装置，B实验框不放置毛细芯5渗灌装置。三个实验框的主要结构都相同，从上到下分别是植被层1，土壤基质层2，过滤层3，蓄水层4。实验地点是广州中山大学南校区地环大楼屋顶。有机玻璃种植框7内“方向盘”式毛细芯5垂直向上渗灌系统示意图如图7所示。

蓄雨绿色屋顶有机玻璃实验框的结构组成如下表：

需要说明的是：每个实验框只种植一种植物，佛甲草和网纹草于2017年11月28日完成幼苗移栽。

(1)植被层1。因为绿色屋顶的条件相对恶劣，屋顶温度较地面的温度高、光照强烈，所以植被需要具有一定的耐高温性、耐强光性和耐旱性。实验使用植物为佛甲草、网纹草、金鱼草。

(2)土壤基质层2。实验用基质培养土是纯天然泥炭土，精选椰糠、蓬松珍珠粉、复合花肥、河沙、谷粉等调制而成。经过消毒，土壤不含对植被有害的细菌以及杂草的种子，有利于植被生长发育。该培养土的土质疏松透气，渗水性能好。土壤富含植物生长所需的氮、磷、钾等各种营养元素，后期不需要施肥即可为植被提供营养。且土壤PH值在5.6-7.0之间，适合多数植物。

(3)过滤层3。过滤层3位于土壤基质层2的下方，玻璃钢栅格板31的上方。实验有机玻璃框的过滤层3采用150g/m2的无纺布6，使用无纺布6紧紧包裹住栅格板31的上下两端，起到两层过滤的作用。玻璃钢栅格挡水板每一小格参数为50×50×50mm。

(4)蓄水层4。玻璃框底部设置20cm厚度的蓄水层4，并在蓄水层4顶部位置的玻璃框上每个面各设置一个排水孔(排水孔直径1.5cm)，目的是排除多余的雨水。为了能使蓄水层4支撑起栅格板31、土壤基质层2的重量，实验中使用陶粒填满蓄水层4。

3、毛细芯5渗灌对蓄雨绿色屋顶实验框内土壤含水量的影响测量与分析。

实验从屋顶气象站截取了2018年1月-2018年3月和2018年12月-2019年3月的降雨记录，本实验将降雨间隔小于3小时的降雨看作一场降雨。探究降雨前后以及相同干旱时间内，“方向盘”式毛细芯5渗灌对蓄雨绿色屋顶玻璃框内土壤含水量的影响。在有机玻璃框中，为了获取土壤含水量的长时间序列变化资料，在每个实验框放置3个美国HOBO公司的S-SMC-M005土壤水分传感器，埋深约5cm，数据记录间隔30min。

2018年1月～2018年3月降雨情况表

2018年12月～2019年3月降雨情况表

对测量数据进行统计分析，得出2018年1月～2018年3月期间每场降雨前后实验框土壤含水量及其变化幅度如图8所示。

通过对比可以看出，有毛细芯5佛甲草实验框和有毛细芯5网纹草实验框降雨前后的土壤含水量都高于无毛细芯5佛甲草实验框。有毛细芯5的两个实验框内土壤含水量在降雨前后变化趋势比较平稳，波动较小。无毛细芯5的佛甲草实验框土壤含水量在降雨前后变化率较大，波动剧烈。原因是有毛细芯5渗灌的实验框在没有降水的时候，仍然可以对土壤进行渗灌，使得土壤不至于长期缺水。降雨的时候，由于土壤蒸发可以忽略不计，因此土壤内部并没有形成水势差，毛细芯5就停止或者大大减少渗灌量，土壤水分就由雨水补充。而没有渗灌的实验框土壤含水量仅仅依靠蓄雨层的水蒸发来缓慢补给，土壤含水量少，因此对降雨的响应强烈。说明有“方向盘”式毛细芯5渗灌的实验框土壤含水量较高，土壤含水量在降雨前后波动较小，变化更平稳。

为了便于研究降雨后相等干旱时间内玻璃实验框土壤含水量的变化趋势，取了2018年1月8日-1月28日这段雨后干旱期间，分析在相等干旱时间内，毛细芯5渗灌对佛甲草网纹草玻璃实验框土壤含水量的影响。对实验数据的统计分析如图9所示。

实验框在间隔相同的干旱期后，土壤含水量都有不同程度的下降。没有“方向盘”式毛细芯5渗灌的佛甲草实验框的土壤含水量下降幅度最大，由雨后的0.126m3/m3下降为0.041m3/m3，土壤含水量下降幅度高达67.5％。有“方向盘”式毛细芯5渗灌的佛甲草实验框和网纹草实验框，土壤含水量在前面几天降低比较剧烈，之后的统计天数内含水量一直处于一个比较稳定的状态，最终的下降幅度为21.4％和19.9％。

对于没有“方向盘”式毛细芯5渗灌的佛甲草实验框，在相等的雨后干旱间隔时间，土壤含水量都显著的低于有“方向盘”式毛细芯5渗灌的两个实验框。但两个有“方向盘”式毛细芯5渗灌的实验框之间的土壤含水量，在相等的雨后干旱时间，却没有显著性的差异。在2018年1月8日和1月28日，有“方向盘”式毛细芯5佛甲草框的土壤含水量分别为0.238±0.005m3/m3和0.187±0.003m3/m3，土壤含水量之间并没有显著性的差异。同样的，有“方向盘”式毛细芯5网纹草框的土壤含水量分别为0.231±0.003m3/m3和0.185±0.004m3/m3，也并没有显著性的差异。相对比，没有“方向盘”式毛细芯5渗灌的佛甲草实验框的两个日期土壤含水量分别为0.126±0.025m3/m3和0.041±0.002m3/m3，其土壤含水量具有显著性的差异。说明“方向盘”式毛细芯5渗灌能够使土壤含水量在干旱期内保持相对稳定的状态，“方向盘”式毛细芯5渗灌可以基本上实现对蓄雨绿色屋顶植被自动供水。

4、毛细芯5渗灌对蓄雨绿色屋顶实验框内植被生长的影响

植被株高、冠层直径、植物覆盖率是反映植被长势的重要指标。不同生长时期植株的株高、冠层直径既取决于自身的遗传特性，也受到土壤水分、养分等环境条件的影响。

4.1在两个种植佛甲草的实验框中，选择位置相同的六个点记录植株的高度，测量株高时取其处于自然状态下，最长的那一条茎高作为高度值，两个实验框的植被刚刚种植的初始高度几乎是一样的。不同时期测量得到的植被株高数据分析如图10所示。

随着时间的推移，有毛细芯5渗灌的佛甲草实验框中的植被高度增长明显。植被的长势变化规律基本相同，高度基本上也是时刻保持一致性，最终高度都相差无几。截止到2018年3月31日，长势最高的达到16.7cm，最低的14.9cm，增幅变化范围338.2％～421.9％。

无毛细芯5佛甲草实验框中的植株高度增长缓慢，而且实验框内不同位置处个植株的长势差异逐渐增大。截止到2018年3月31日，最高的长到了10.8cm，最低的长到5.8cm，增幅变化范围75.7％～237.5％。有毛细芯5处理的佛甲草平均株高比无毛细芯5的佛甲草平均株高高出97.1％。

“方向盘”式毛细芯5渗灌能更好的给植被提供生长所需的水分。有毛细芯5渗灌的实验框中，水分供给较为均匀，不同位置的佛甲草长势基本相同，且由于有水分的供给，植株高度的增幅也较大。而无毛细芯5渗灌的佛甲草实验框中，土壤水分主要来源于天然降雨和蓄水层4蒸发的雨水，因此各个位置的水分分布不尽相同，使得实验框内不同位置的佛甲草长势不一致。

4.2植株的冠层直径是衡量植株发育情况的一个重要因素，测量冠层直径可以直接反映植株的长势，也能间接地反映出“方向盘”式毛细芯5渗灌是否起到了作用。在每个佛甲草实验框均匀选择六株佛甲草，用直尺测量每一株冠层的最大直径作为该株佛甲草的冠层直径，观测了佛甲草冠层直径随时间的变化。测量数据分析如图11所示。

由图11可以看出截止到2018年3月31日，有毛细芯5佛甲草实验框的植株冠层直径明显大于无毛细芯5佛甲草实验框。3月31日的时候，有毛细芯5佛甲草框的植株直径最大为29.1cm，直径最小为16.1cm，直径增幅变化范围106.4％～243.2％。无毛细芯5佛甲草框植株直径最大为15.1cm，直径最小为11.2cm，直径增幅变化范围55.5％～122.1％。因此，“方向盘”式毛细芯5渗灌不仅仅可以提升植株的株高，也能促进植株冠层直径的增大。

4.3不同处理的实验框内植物覆盖率的差异

植被覆盖度是指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区域总面积的百分比。植被覆盖度是生态调查的重要指标，对于揭示地表生态植被变化，分析和评价区域生态环境具有不可估量的作用。对于屋顶玻璃实验框而言，植被覆盖率就是实验框里植被的面积占整个实验框土壤表面积的百分比。

实验中采用了一种用数码照片和Photoshop软件计算植被覆盖度的简易方法。通过数码相机拍摄的成熟期佛甲草长势实景图和成熟期金鱼草长势实景图，将拍摄的图片先在Photoshop软件中作预处理，通过划分不同的色彩范围分析植被在实验框中所占的面积。计算植被覆盖度公式为Cv＝P1/P2，式中Cv为植被覆盖度；P1为所选范围像素值(植被颜色范围)；P2为整张照片像素值。

由上述方法计算得到有毛细芯5佛甲草实验框植物覆盖率为90.2％，无毛细芯5佛甲草实验框植物覆盖率为49.5％，有毛细芯5金鱼草实验框植物覆盖率为82.5％，无毛细芯5金鱼草实验框植物覆盖率为39.6％。有毛细芯5渗灌的植被，不论是佛甲草还是金鱼草，植被覆盖率几乎是无毛细芯5植被覆盖率的两倍，因此，有“方向盘”式毛细芯5渗灌的植被长势好于无毛细芯5的植被。说明“方向盘”式毛细芯5渗灌对蓄雨绿色屋顶植物的生长具有良好的促进作用。

5、毛细芯5渗灌对蓄雨绿色屋顶植物蒸腾速率和表面温度的影响

植物的蒸腾作用是植物一种复杂的生理过程，反映了植物的生长状况，植物的蒸腾速率揭示了植物对自身生存环境适应性应答的规律。实验选取2018年6月10日和2018年7月10日这两个晴转多云天气来研究夏季蓄雨绿色屋顶玻璃实验框在有毛细芯5渗灌和无毛细芯5渗灌的条件下植物蒸腾速率差异；选取2018年12月28日和2019年1月27日这两个晴转多云天气来研究冬季蓄雨绿色屋顶玻璃实验框在有毛细芯5渗灌和无毛细芯5渗灌的条件下植物蒸腾速率差异。植物的蒸腾速率是通过热红外温度仪获取植物冠层温度和参考叶片温度，通过屋顶小型气象站获取太阳辐射和屋顶气温数据，再用三温模型计算得到。同时用热红外温度仪测量夏季和冬季蓄雨绿色屋顶和普通屋顶(未绿化)的表面温度，通过对比分析，定量论证蓄雨绿色屋顶对热环境的改善效应。

根据气象站的记录，2018年夏季6月10日屋顶太阳辐射最大值出现在14：00，为502.3J/m² s；7月10日屋顶太阳辐射最大值出现在14：30，为530.4J/m²s；两天的最高屋顶气温分别为40.5℃和42.1℃。2018年冬季12月28日屋顶太阳辐射最大值出现在12：30，为396.6J/m² s；1月27日屋顶太阳辐射最大值出现在13：00，为410.2J/m² s；两天的最高屋顶气温分别为20.1℃和24.6℃。四天的太阳辐射与屋顶气温随时间日变化如图12所示。其中，a为2018年6月10日；b为2018年7月10日；c为2018年12月28日；d为2019年1月27日。

经过测量计算分析，得到佛甲草夏季的平均蒸腾速率日变化如图13所示。

2018年6月10日，两个实验框蒸腾速率最大值都出现在14：00。有渗灌佛甲草蒸腾速率最大值为132.56Jm^(-2)s^(-1)，无渗灌佛甲草蒸腾速率最大值为98.23Jm^(-2)s^(-1)，有渗灌的佛甲草的蒸腾速率在相同时刻都高于无渗灌的佛甲草，蒸腾速率差值最大为34.33Jm^(-2)s^(-1)；2018年7月10日，两个实验框蒸腾速率最大值都出现在14：00，有渗灌佛甲草蒸腾速率最大值为118.87Jm^(-2)s^(-1)，无渗灌佛甲草蒸腾速率最大值为87.56Jm^(-2)s^(-1)，蒸腾速率差值最大为31.31Jm^(-2)s^(-1)。得到金鱼草冬季的平均蒸腾速率日变化如图14所示。

2018年12月28日，两个实验框蒸腾速率最大值都出现在14：30。有渗灌金鱼草蒸腾速率最大值为85.23Jm^(-2)s^(-1)，无渗灌金鱼草蒸腾速率最大值为72.85Jm^(-2)s^(-1)，有渗灌的金鱼草的蒸腾速率在相同时刻都高于无渗灌的金鱼草，蒸腾速率差值最大为12.38Jm^(-2)s^(-1)；2019年1月27日，两个实验框蒸腾速率最大值都出现在14：30，有渗灌金鱼草蒸腾速率最大值为99.23Jm^(-2)s^(-1)，无渗灌金鱼草蒸腾速率最大值为80.36Jm^(-2)s^(-1)，蒸腾速率差值最大为18.87Jm^(-2)s^(-1)。

上述实验说明，“方向盘”式毛细芯5渗灌装置能够通过提升土壤含水量的方式，增加植被的蒸腾速率，进而促进植被的生长发育。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，渗灌系统位于种植框内，种植框内自上而下依次包括植被层(1)、土壤基质层(2)、过滤层(3)以及蓄水层(4)；其特征在于，还包括毛细芯(5)，所述的毛细芯(5)包括长直条状的第一毛细芯(51)、环状的第二毛细芯(52)；所述的第一毛细芯(51)的一端连接有多个长条状的分支毛细芯(53)，多个分支毛细芯(53)的另一端分别与第二毛细芯(52)连接，且多个分支毛细芯(53)的另一端间隔设置于第二毛细芯(52)上；所述的第二毛细芯(52)位于土壤基质层(2)中，第一毛细芯(51)依次穿过土壤基质层(2)、过滤层(3)，直至蓄水层(4)中。

2.根据权利要求1所述的蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，其特征在于，相邻两个分支毛细芯(53)之间的间距值相等。

3.根据权利要求2所述的蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，其特征在于，所述的毛细芯(5)的表面包裹有一层过滤结构。

4.根据权利要求3所述的蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，其特征在于，所述的过滤结构、过滤层(3)均采用无纺布(6)；在所述的过滤层(3)设置有用于支撑土壤基质层的栅格板(31，)所述的无纺布(6)紧紧包裹在栅格板(31)的上下两端。

5.根据权利要求4所述的蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，其特征在于，所述的第一毛细芯(51)的端部位于蓄水层(4)的底部；所述的第二毛细芯(52)靠近植被层(1)的根部但不与植被层(1)的根部接触。

6.根据权利要求5所述的蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，其特征在于，所述的植被层(1)需要充分考虑观赏性、经济效益和环境效益，结合地区气候以及植物的生长习性选择植物；所述的土壤基质层(2)用于为植物生长提供必要的营养，且要具备良好的透水性、渗水性以及良好的蓄水性能；所述的过滤层(3)设有用于支撑土壤基质层(2)的栅格板(31)。

7.根据权利要求5所述的蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，其特征在于，所述的蓄水层(4)内填满有用于蓄水和支撑的陶粒。

8.根据权利要求7所述的蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，其特征在于，所述的种植框的侧壁上间隔设有多个溢流口(41)，所述的溢流口(41)位于蓄水层(4)的顶部所在的位置。

9.根据权利要求5至7任一项所述的蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，其特征在于，所述的毛细芯(5)的材质为超细纤维涤纶材料。

10.根据权利要求9所述的蓄雨绿色屋顶毛细芯垂直向上渗灌系统，其特征在于，设有三条分支毛细芯(53)。

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