一种用于膨胀土植绿陡坡的智能化滴灌系统及实施方法

本发明涉及膨胀土边坡，特别涉及一种用于膨胀土植绿陡坡的智能化滴灌系统及实施方法。

背景技术：

1、膨胀土是我国分布广泛的一类特殊土，主要由亲水性强的黏土矿物成分蒙脱石和伊利石组成，它对水分的敏感性特别强；在干湿交替频繁的大气环境中，膨胀土边坡土体中水分变化显著，土体经历了反复的干湿循环，引起强度衰减、裂缝产生、联结力减弱等工程性能的劣化，膨胀土边坡出现失稳破坏；在工程界，膨胀土素有“逢堑必垮，无堤不塌”之说。由此可见，土体中水分变化引发的膨胀土边坡失稳现象是该地区频发的工程灾害，而解决这类问题的技术关键在于如何减少膨胀土边坡土体含水量的变化(即减弱土体的“干湿循环效应”)。

2、自然气候环境中，太阳辐射、大气降雨、蒸发/蒸腾等因素对膨胀土边坡土体含水量的影响是不可避免的，但降低上述因素的影响程度是可以利用相关技术手段来实现的。相关研究表明，膨胀土陡坡(坡度45-60°)加速了雨水表面径流，减少降雨入渗，可防止边坡土体吸水膨胀、强度锐减，从而控制膨胀土边坡土体含水量不致过高、维持边坡稳定性(控“湿”)；另一方面，植物根系在边坡土体中起到“加筋”作用，有利于提高边坡稳定性，同时植被覆盖减少了太阳对坡面土体的直接辐射，降低蒸发作用对土体含水量变化的影响，因此提倡在膨胀土陡坡上种植根系横向发育较好而纵向发育较差的绿色植被。然而，上述2个技术手段在控制膨胀土边坡土体含水量不过高(控“湿”)方面起到很好的效果，但在实施过程中经常遇到以下2个难题：(1)降雨时，大部分雨水以坡面地表径流的方式流出边坡，入渗到边坡土体的雨水较少，土体含水量有所增加但波动幅度不大，起到了较好的“控湿”效果；但是在非降雨时段，太阳辐射和环境温度会引起土中水分的蒸发散失，边坡土体含水量逐渐减小，如果在该过程中土体水分持续得不到补给，土体含水量递减到一定值时，土体表面会干缩开裂，引起膨胀土强度衰减，这种土体“过干”的现象不利于维持膨胀土边坡的稳定性。(2)绿色植被的生长、发育离不开一定湿度的土壤环境，“过干”的土壤让植被不能吸收生长过程所必需的水分和营养，从而影响到其根系的正常发育甚至导致其凋零枯萎。因此，膨胀土植绿陡坡在成功解决控“湿”问题的同时，还需要控制膨胀土体中含水量不致太低：即采用一定的技术手段在非降雨时段能给过“干”的土体补给水分(即解决控“干”问题)，使膨胀土边坡表层土体含水量控制在一个有利于边坡稳定和植被生长的范围内变化。

3、现有技术中，滴灌利用塑料管道将水通过直径约10mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉，它是干旱缺水地区最有效的一种节水灌溉方式，水的利用率可达95％；因此，滴灌技术在农田灌溉和植被养护方面得到广泛应用，但是该技术应用于膨胀土陡坡的植被养护尚存在以下2个困难：(1)滴灌技术一般采用定时定量方式实现自动化控制对植被进行灌溉养护，未能与边坡土体的实际含水量进行直接联系，难以满足膨胀土植绿陡坡土体含水量实现控“干”的要求；(2)膨胀土植绿陡坡的土体含水量需要控制在一个有利于边坡稳定和植被生长的范围内变化，即该含水量变化幅度既能满足边坡土体表面不发生干缩开裂又要满足植被生长的湿度环境要求，因此，如何实现对陡坡全范围内的土体含水量进行精确监控是一项必不可少的工作。综上所述，急需一种用于膨胀土植绿陡坡的智能化滴灌系统及实现方法来解决上述问题

技术实现思路

1、针对膨胀土植绿陡坡在实施土体含水量控“干”过程中的不足，本发明提供一种用于膨胀土陡坡绿化的智能化滴灌系统及实施方法，采用边坡土体含水量全方位实时精确监控的方式实现滴灌系统的智能自动化控制，可有效地把土体含水量控制在一个有利于边坡稳定和植被生长的范围，满足膨胀土植绿陡坡土体含水量实现控“干”要求，具有精准实施节水灌溉、全面监控土壤湿度、智能自动控制管理、有效控制土体水分等优势。

2、本发明提供的一种用于膨胀土植绿陡坡的智能化滴灌系统，包括：土体含水量监测模块、智能管理控制模块和滴灌模块；

3、其中，所述土体含水量监测模块包括若干个土壤湿度传感器组，所述土壤湿度传感器组埋设于陡坡不同平面位置和土层深度，用来实时监测膨胀土植绿陡坡的土体含水量变化，采用tdr探针测量表层或深层土壤的体积含水量，测量范围为0～0.70m3/m3，测量精度为±0.01m3/m3，工作温度为-40～60℃；在陡坡面上以坡面中心为基准点向外呈放射性状布置若干组土壤湿度传感器组，用于对陡坡土体的含水量进行全面实时监测，根据实际工况在放射状路径上选择不同间距d＝1.5～3.0m；在每个陡坡平面监测点处按不同埋设深度h布置1组2个土壤湿度传感器组tr1和tr2，用于兼顾满足边坡土体表面不发生干缩开裂又要满足植被生长的湿度环境要求，其中：tr1用于监测土壤表层含水量，tr2用于监测土壤植被层含水量；

4、所述智能管理控制模块用于实时监测膨胀土植绿陡坡的土体含水量变化和智能控制滴灌模块的运行管理，通过数据传输电缆分别连接滴灌模块中控水阀和所述土壤湿度传感器组；包括实时监测单元、预警与报警单元、滴灌方案优化单元、养护计划管理单元、远程监控与控制单元；该系统基于设定的土体含水量阈值，能够实时监测陡坡水分变化情况，及时发送预警或报警信息，根据植绿陡坡特征和灌溉要求，自动生成滴灌方案，优化水分调控效果，提供最佳的养护策略；

5、所述滴灌模块与智能管理控制模块连接，所述滴灌模块用于基于所述传输控制信号对植绿陡坡实施灌溉；

6、根据膨胀土植绿陡坡土层的湿度环境要求，确定边坡土体含水量变化范围，并通过所述智能管理控制模块设定土体含水量的低、高阈值和土壤湿度传感器组的监测参数；所述土壤湿度传感器组对边坡各处土体的体积含水量进行实时监测并将数据传输至所述智能管理控制模块进行分析反馈，当某个土体含水量达到设定的低阈值时，所述智能管理控制模块开启所述控水阀对边坡土体进行精准滴灌，当某个土体含水量达到设定的高阈值时，所述智能管理控制模块关闭所述控水阀，停止滴灌，在整个过程中，所述智能管理控制模块对陡坡土体中含水量进行实时采集、分析和反馈，根据需求适时调整监测频率，优化滴灌效果。

7、优选地，所述tr1传感器设置于陡坡地表垂直向下的5cm处，所述tr1传感器用于监测土壤表层含水量；

8、所述tr2传感器设置于陡坡地表垂直向下的10cm～15cm处，所述tr2传感器用于监测土壤植被层含水量。

9、优选地，所述实时监测单元用于基于数据传输电缆接收土壤湿度传感器组的数据并实时监测陡坡水分变化情况。

10、优选地，所述报警单元用于基于土体含水量阈值判断所述陡坡水分变化情况，发送报警信息。

11、优选地，所述滴灌方案优化单元用于根据植绿陡坡特征和灌溉要求，自动生成滴灌方案；其中，所述植绿陡坡特征包括：陡坡坡度和土性参数。

12、优选地，所述养护计划管理单元用于基于所述滴灌方案提供最佳养护策略。

13、优选地，所述远程监控与控制单元用于基于所述最佳养护策略向滴灌模块发出控制信号。

14、优选地，所述滴灌模块包括：蓄水池、抽水泵、控水阀、供水管、若干毛管和若干滴头；

15、其中，所述蓄水池用于提供灌溉用水；

16、所述抽水泵一端固定安装于蓄水池的内壁，另一端与所述供水管连接，所述抽水泵用于为蓄水池里的灌溉用水提供动力输送至供水管；

17、所述控水阀安装于所述供水管上，所述控水阀用于控制供水管内的水流；

18、所述供水管的一端与所述抽水泵连接，另一端与若干所述毛管垂直连接，所述供水管用于将灌溉用水输送至所述毛管；

19、所述毛管用于将灌溉用水加压后均匀地输送至滴头；

20、若干所述滴头与所述毛管连接，所述滴头用于将加压后的灌溉用水均匀滴入陡坡植被层的植物根区土壤中。

21、优选地，若干所述毛管以1.5m～2.5m的间距平行并排布设；

22、其中，所述毛管的埋设深度为：2cm～5cm。

23、优选地，若干所述滴头以20cm～50cm的间距设置在所述毛管上；所述滴头的流量为2～8l/h，工作压力为100～350kpa。

24、本发明具有如下技术效果：

25、本发明以边坡土体实际含水量为控制参数，智能自动地对膨胀土植绿陡坡精准实施节水滴灌，满足了膨胀土植绿陡坡土体含水量实现控“干”的要求，减少了边坡土体含水量的变化幅度，有效降低了膨胀土干湿循环效应对边坡土体的劣化效应，有利于提高膨胀土边坡的稳定性。

26、本发明实现了对膨胀土植绿陡坡全方位多层次土体含水量的精确监控反馈，使边坡土体含水量变化幅度既能满足边坡土体表面不发生干缩开裂又要满足植被生长的湿度环境要求，在保证边坡土体整体稳定性的基础上，实施了“绿色生态护坡”新技术，有利于促进工程与环境的和谐发展。