CN114698489A - 一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统 - Google Patents

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Abstract

一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，包括地下蓄水灌溉模块、数据监测模块和控制模块；地下蓄水灌溉模块包括自下而上布置的蓄水层、过滤层、种植层和植被层，蓄水层与过滤层之间设置支撑骨架，蓄水层内还设置有多根吸水棉芯，吸水棉芯连接蓄水层和种植层；数据监测模块包括土壤湿度传感器和气象预测数据单元；控制模块包括控制器、供水管、排水管、供水阀门和排水阀门，供水管设置在蓄水层的侧边顶部，供水管上设置有供水阀门；排水管设置在蓄水层的侧边底部，排水管上设置有排水阀门；控制器的输入端与土壤湿度传感器和气象预测数据单元连接、输出端分别与供水阀门和排水阀门连接。本发明灵活收集并利用雨水，精准实现节水灌溉。

Description

一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统
技术领域
本发明属于海绵城市领域，具体涉及一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统。
背景技术
随着城镇化进程的加快，导致城市越来越多的自然渗透表面被建筑物、道路、广场等不透水表面所替代，城市自然渗透率下降了约70%，以至于许多城市出现城市内涝。然而，城市建筑屋顶占城市不透水表面近40%-50%的比例，且建设绿色屋顶不会额外侵占城市建设用地，具有较大开发潜力。基于“海绵城市”建设理念，绿色屋顶能够增加不透水表面渗透率，滞留雨水和缓解降雨峰值径流，还具有缓解城市热岛效应、降低建筑能耗、延长建筑物面寿命等优势，是一种可持续的城市雨水管理措施。
绿色屋顶结构配置（由下至上）主要包括排水层、过滤层、种植层和植被层。目前关于绿色屋顶雨水收集利用的主要方式：一类是增加种植层深度和种植层土壤改良，但增加种植层深度往往以增加屋面垂直荷载和建设成本为代价；而基质土壤改良对雨水收集利用能力有限（通常含水量增加10%左右），也不利于种植土壤灵活选材和建设成本降低。另一类是增加带蓄水功能的排水层，该方式对雨水的收集利用率较高，但受降雨和干旱季节性影响，以至于雨季蓄水层饱和难以释放二次降雨时所需的雨水收集空间，造成蓄水层贮存能力减弱；同时在旱季开展盲目灌溉也会降低降雨前的可用蓄水空间，并造成水资源浪费。目前关于智能节水灌溉的主要方式是通过传感器监测数据传输到控制终端以自动启停喷灌或滴灌系统，但该方式需要额外铺设管道和喷头等设施，很难保证均匀灌溉，且建设和维护成本较高；同时也未考虑气象因素对蓄水空间的影响，难以实现智能精准节水灌溉。
受屋面荷载和气象因素影响，现有绿色屋顶技术对雨水的滞留能力和雨水收集利用率低，且现有灌溉技术需要额外铺设灌溉装置，同时并未考虑土壤湿度和气象因素对蓄水空间的影响，易造成水资源浪费和较高的灌溉维护成本。本发明针对城市绿色屋顶雨水管理中存在的雨水收集滞留率低、建设和灌溉维护成本高等难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有绿色屋顶结构存在的上述不足，提供一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，相对于现有绿色屋顶技术和灌溉装置，具有雨水滞留能力强、雨水收集利用率高、节约灌溉用水、节省绿色屋顶建设和灌溉维护成本等优势，灵活收集并利用雨水，智能精准实施节水灌溉。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，包括地下蓄水灌溉模块、数据监测模块和控制模块；
所述地下蓄水灌溉模块包括自下而上布置的蓄水层、过滤层、种植层和植被层，所述蓄水层与过滤层之间设置支撑骨架，蓄水层内还设置有多根吸水棉芯，所述吸水棉芯连接蓄水层和种植层（吸水棉芯设置在蓄水层底部至种植层中部之间）；
所述数据监测模块包括土壤湿度传感器和气象预测数据单元，土壤湿度传感器埋设在种植层中部，用于监测土壤含水量变化；气象预测数据单元用于根据降雨量预测数据以及温度、太阳辐射、风速和湿度蒸发量预测数据，计算近期降雨量和蒸散量以控制所需灌溉供水量或排水量；
所述控制模块包括控制器、供水管、排水管、供水阀门和排水阀门，所述供水管设置在蓄水层的侧边顶部，供水管上设置有供水阀门；所述排水管设置在蓄水层的侧边底部，排水管上设置有排水阀门；所述控制器的输入端与土壤湿度传感器和气象预测数据单元连接，所述控制器的输出端分别与供水阀门和排水阀门连接。
按上述方案，所述支撑骨架的高度保证相互连通的蓄水层和过滤层、种植层及植被层隔离，蓄水层用于收集贮存降雨入渗雨水。
按上述方案，所述吸水棉芯的底部位于所述蓄水层底部、顶部伸入种植层中部。
按上述方案，多根吸水棉芯均匀分布在蓄水层内（用于吸收蓄水层水分补给灌溉种植层土壤）。
按上述方案，所述吸水棉芯每间隔200-500mm均匀布置在蓄水层内。
按上述方案，所述吸水棉芯为直径8~12mm的毛细吸水棉纤维或聚酯纤维。
按上述方案，所述吸水棉芯位于直径为10~15mm的镂空塑料管内，镂空塑料管底部位于所述蓄水层底部、顶部伸入种植层中部。
按上述方案，所述过滤层下面设置一个镂空的隔板作为支撑，所述吸水棉芯穿过隔板设置在蓄水层内。
按上述方案，所述供水阀门和排水阀门均为电动阀门。
本发明的工作原理：采用带地下蓄水层的绿色屋顶结构配置在降雨时贮存渗透种植层的多余雨水，在干旱期通过吸水棉芯将蓄水自然补给灌溉种植层水分。当土壤湿度传感器监测到种植层土壤含水量低于植被需要灌溉的阀值时，控制器结合接收的土壤湿度传感器数据和近期气象预测数据精准计算灌溉用水量，并通过控制供水管上的供水阀门定量供水至绿色屋顶蓄水层，实现智能精准灌溉。当气象预测数据单元显示近期降雨量大于城市内涝雨水管理阀值，且土壤湿度传感器大于蓄水层水分补给阀值（即蓄水层仍有蓄水深度），控制器通过控制排水管上的排水阀门提前排走蓄水层多余贮水，为二次降雨前提供可用蓄水空间，从而精准实现城市雨水管理。
本发明的有益效果：
1、采用吸水棉芯将蓄水层贮存的雨水向种植层补给水分的绿色屋顶结构作为地下灌溉装置，有效降低了传统灌溉系统所需的管道、喷头等灌溉装置成本，并进一步提高了雨水收集利用率；通过灵活控制蓄水层储水深度，能够将绿色屋顶年雨水滞留率提高至90%以上，有效缓解城市内涝风险；
2、通过精准控制灌溉用水量，解决了灌溉节水和盲目过度灌溉问题，从而降低灌溉维护成本20%以上，同时提高了降雨前的可用蓄水空间和雨水滞留率。
附图说明
图1是本发明一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统的整体示意图；
图2是本发明绿色屋顶智能节水灌溉系统的控制流程图；
图中：1-植被层；2-种植层；3-过滤层；4-蓄水层；5-支撑骨架；6-吸水棉芯；7-土壤湿度传感器；8-气象预测数据单元；9-控制器；10-供水阀门；11-供水管；12-排水管；13-排水阀门。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
如图1所示，本发明所述的一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，包括地下蓄水灌溉模块、数据监测模块和控制模块；
地下蓄水灌溉模块包括自下而上布置的蓄水层4、过滤层3、种植层2和植被层1，蓄水层4与过滤层3之间设置支撑骨架5，蓄水层4内还设置有多根均匀分布的吸水棉芯6，吸水棉芯6为直径8~12mm的毛细吸水棉纤维或聚酯纤维，每间隔200-500mm均匀布置在蓄水层4内，吸水棉芯6连接蓄水层4和种植层2，吸水棉芯6的底部位于蓄水层4底部、顶部伸入种植层2中部，吸水棉芯6用于吸收蓄水层4水分补给灌溉种植层2土壤；支撑骨架5的高度保证相互连通的蓄水层4和过滤层3、种植层2及植被层1隔离，蓄水层4用于收集贮存降雨入渗雨水；为了增加吸水棉芯6支撑强度，在吸水棉芯6外部套接直径为10~15mm的镂空塑料管，镂空塑料管底部位于所述蓄水层底部、顶部伸入种植层中部；或者在过滤层3下面设置一个镂空的塑料隔板作为支撑，吸水棉芯6穿过隔板设置在蓄水层4内；
数据监测模块包括土壤湿度传感器7和气象预测数据单元8，土壤湿度传感器7埋设在种植层2中部，用于监测土壤含水量变化；气象预测数据单元8用于根据降雨量预测数据以及温度、太阳辐射、风速和湿度蒸发量预测数据，计算近期降雨量和蒸散量以控制所需灌溉供水量或排水量；
控制模块包括控制器9、供水管11、排水管12、供水阀门10和排水阀门13，供水管11设置在蓄水层4的侧边顶部，供水管11上设置有供水阀门10，排水管12设置在蓄水层4的侧边底部，排水管12上设置有排水阀门13，控制器9的输入端与土壤湿度传感器7和气象预测数据单元8连接，控制器9的输出端分别与供水阀门10和排水阀门13连接。
如图2所示，本发明采用带地下蓄水层的绿色屋顶结构配置在降雨时贮存渗透种植层2的多余雨水，在干旱期通过吸水棉芯6将蓄水自然补给灌溉种植层2水分。当土壤湿度传感器7监测到种植层2土壤含水量低于植被需要灌溉的阀值时，控制器9结合接收的土壤湿度传感器数据和近期气象预测数据精准计算灌溉用水量，并通过控制供水管11上的供水阀门10定量供水至绿色屋顶蓄水层4，实现智能精准灌溉。当气象预测数据单元8显示近期降雨量大于城市内涝雨水管理阀值，且土壤湿度传感器7大于蓄水层4水分补给阀值（即蓄水层4仍有蓄水深度），控制器9通过控制排水管12上的排水阀门13提前排走蓄水层4多余贮水，为二次降雨前提供可用蓄水空间，从而精准实现城市雨水管理。
本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于本领域的技术人员来说，根据本发明做出各种相应的更改和变型，相应的更改和变型都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，其特征在于：包括地下蓄水灌溉模块、数据监测模块和控制模块；
所述地下蓄水灌溉模块包括自下而上布置的蓄水层、过滤层、种植层和植被层，所述蓄水层与过滤层之间设置支撑骨架，蓄水层内还设置有多根吸水棉芯，所述吸水棉芯连接蓄水层和种植层；
所述数据监测模块包括土壤湿度传感器和气象预测数据单元，土壤湿度传感器埋设在种植层中部，用于监测土壤含水量变化；气象预测数据单元用于根据降雨量预测数据以及温度、太阳辐射、风速和湿度蒸发量预测数据，计算近期降雨量和蒸散量以控制所需灌溉供水量或排水量；
所述控制模块包括控制器、供水管、排水管、供水阀门和排水阀门，所述供水管设置在蓄水层的侧边顶部，供水管上设置有供水阀门；所述排水管设置在蓄水层的侧边底部，排水管上设置有排水阀门；所述控制器的输入端与土壤湿度传感器和气象预测数据单元连接，所述控制器的输出端分别与供水阀门和排水阀门连接。
2.根据权利要求1所述的一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，其特征在于：所述支撑骨架的高度保证相互连通的蓄水层和过滤层、种植层及植被层隔离，蓄水层用于收集贮存降雨入渗雨水。
3.根据权利要求1所述的一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，其特征在于：所述吸水棉芯的底部位于所述蓄水层底部、顶部伸入种植层中部。
4.根据权利要求1所述的一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，其特征在于：多根吸水棉芯均匀分布在蓄水层内。
5.根据权利要求4所述的一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，其特征在于：所述吸水棉芯每间隔200-500mm均匀布置在蓄水层内。
6.根据权利要求1所述的一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，其特征在于：所述吸水棉芯为直径8~12mm的毛细吸水棉纤维或聚酯纤维。
7.根据权利要求6所述的一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，其特征在于：所述吸水棉芯位于直径为10~15mm的镂空塑料管内，镂空塑料管底部位于所述蓄水层底部、顶部伸入种植层中部。
8.根据权利要求1所述的一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，其特征在于：所述过滤层下面设置一个镂空的隔板作为支撑，所述吸水棉芯穿过隔板设置在蓄水层内。
9.根据权利要求1所述的一种带蓄水功能的绿色屋顶智能节水灌溉系统，其特征在于：所述供水阀门和排水阀门均为电动阀门。
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