[0001] 本发明涉及膨胀土边坡技术领域，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。

[0002] 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”)。

[0003] 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。

[0004] 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

[0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0039] 实施例一

[0040] 如图1所示，本实施例公开了一种用于膨胀土植绿陡坡的智能化滴灌系统，包括滴灌模块、土体含水量监测模块和智能管理控制模块9。

[0041] 滴灌模块包括蓄水池1、抽水泵2、控水阀3、供水管4、毛管5和滴头6，如图2所示；蓄水池1内壁固定连接有抽水泵2，抽水泵2连接由控水阀3控制的供水管4，供水管4与若干条毛管5相互垂直连接，毛管5设置若干个滴头6。蓄水池1用来提供滴灌系统的灌溉用水，根据实际工程需要设置不同的储水量，带有水位自动检测和自动上水控制等装置；抽水泵2固定安装于蓄水池1的内壁，用来提供输水动力将蓄水池1里的灌溉用水以一定的压力输送到供水管4；抽水泵2连接由控水阀3控制的供水管4；控水阀3用来控制供水管4内水流，包括抽水泵2的启停、管内输水流量和压力等，一般采用电动阀门；供水管4与若干条毛管5相互垂直连接，每条毛管5上设置若干个滴头6；供水管4用来将灌溉用加压水均匀地输送至毛管5，一般采用管径30～50mm的PE材质粗管，为防止毛管5上的滴头6堵塞，在供水管4输入端安装过滤装置对水中的杂质、矿物质进行沉淀处理；毛管5用来将灌溉用加压水均匀地输送至滴头6，采用若干毛管5平行并排方式进行布设，管间距L为1.5～2.5m，如图2所示，为减少蒸发量和地表径流，毛管5埋设于陡坡的植被层土体中，根据植物根系深度，其埋深H为2～5cm，毛管5采用管径4～6mm的PE材质细管，其上按间距d＝20～50cm等距离布置若干个滴头6；滴头
6用来将灌溉用加压水均匀而又缓慢地滴入陡坡植被层的植物根区土壤中，采用PP材质压力补偿式滴头，滴头6的间距，间距d＝20～50cm，根据植物株距可任意调整，滴头流量q为2～8L/h，工作压力为100～350kPa。

[0042] 土体含水量监测模块包括若干个土壤湿度传感器组7，土壤湿度传感器组7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，一般采3 3
用TDR探针测量表层或深层土壤的体积含水量，测量范围为0～0.70m /m ，测量精度为±
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0.01m /m，工作温度为‑40～60℃；为了对陡坡土体的含水量进行全面实时监测，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(形如“米”字)，可根据实际工况在放射状路径上选择不同间距D＝1.5～3.0m，如图3所示；同时，为了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，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，其中：TR1(埋深h1＝5cm)用于监测土壤表层含水量，TR2(埋深h2＝10～15cm，根据植物根系的发育情况确定)用于监测土壤植被层含水量，如图3所示；所有的土壤湿度传感器组7通过数据传输电缆8与智能管理控制模块9相连接。

[0043] 智能管理控制模块9用来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8分别连接滴灌模块中控水阀3和土体含水量监测模块中土壤湿度传感器组7；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。其中，植绿陡坡特征包括：陡坡坡度和土性参数。

[0044] 如图4所示，本发明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，并通过智能管理控制模块9设定土体含水量的低、高阈值(M1、M2，且M1≤M2)和土壤湿度传感器组的监测参数；土壤湿度传感器组7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智能管理控制模块9进行分析反馈，当某个土体含水量达到设定的低阈值(M1)时，智能管理控制模块9开启控水阀3，通过抽水泵2从蓄水池1中抽水并依次输送至供水管4、毛管5、滴头6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(M2)时，智能管理控制模块9关闭控水阀3，抽水泵2停止抽水滴灌。在整个过程中，智能管理控制模块9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。

[0045] 作为本实施例的优选方案，结合以下具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

[0046] 南宁地区某膨胀土植绿陡坡，坡度为46°，植物根系发育深度6～10cm，为了减少工2
程量，仅选取面积S＝25m(5m×5m)的斜坡作为本发明的实施试验场地。

[0047] 蓄水池安装在坡顶平缓处，采用2.0m×2.0m×1.5m的不锈钢水箱，可装约6.0m3的水量，此次仅作为实施试验，因此采用人工上水方式对蓄水池内的灌溉用水量进行补给(若长期试验，可采用自动上水方式)；在其内部安装一台抽水泵，参数如下：功率2.2kw，扬程40m，最大流量8m3/h，电压为220V/50Hz，口径25mm；供水管和毛管均选用PE材质塑料管，其管径和壁厚分别为30mm、1.87mm和5mm、1.29mm；供水管一端连接于抽水泵，另一端与3条平行并排的毛管(管间距L＝1.5m)相互垂直连接，根据植物根系深度(6～10cm)，将毛管埋设于陡坡的植被层土体中，其埋深H为5cm；每条毛管上按间距d＝40cm等距离布置12个PP塑料材质压力补偿式滴头，滴头流量q为2～8L/h，工作压力为100～350kPa。

[0048] 土壤湿度传感器组选用美国METER公司的TEROS11传感器，基于时域反射原理测试3 3 3 3
土体的体积含水量，工作参数如下：测量范围为0～0.70m/m ，测量精度为±0.01m /m，工作温度为‑40～60℃；在陡坡坡面上呈“米”字型布设，以中心点为基准呈放射状按间距3.0m设置陡坡平面监测点一共布设9组湿度传感器，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，其中：TR1(埋深h1＝5cm)用于监测土壤表层含水量，TR2(埋深h2＝12cm)用于监测土壤植被层含水量，一共布置了18个传感器(TR1和TR2分别为9个)，编号分别为TR1‑①～⑨和TR2‑①～⑨；所有的土壤湿度传感器组通过数据传输电缆与智能管理控制模块9相连接；试验开始前，对所有的土壤湿度传感器组进行标定，经
3 3
标定后测试试样体积含水率的最大绝对误差约为±0.01m/m。

[0049] 智能管理控制模块9通过数据传输电缆8分别连接滴灌模块中控水阀和土体含水量监测模块中土壤湿度传感器组；根据边坡特征和植被情况，输入膨胀土边坡信息、土壤湿3 3 3 3
度传感器组信息；设置土体含水量阈值(M1＝0.250m /m，M2＝0.350m /m)；设置土体含水量采集频率，滴灌系统未开启时，采集频率为1次/小时，滴灌系统开启后，采集频率为1次/
10分钟(其目的是为了更精确地根据土体含水量变化启停滴灌系统)。

[0050] 当所有设备安装完毕后，选择一个非降雨时段进行本发明的实施试验，过程如下：本发明开始运行，土壤湿度传感器组(TR1‑①～⑨和TR2‑①～⑨)开始采集膨胀土陡坡的土体含水量数据通过数据传输电缆传输到智能管理控制系统，各监测点反馈的边坡土体初始
3 3
含水量θ值(m/m)见表1。

[0051] 表1

[0052] 编号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨TR1 0.322 0.342 0.336 0.341 0.326 0.325 0.331 0.336 0.328
TR2 0.330 0.345 0.345 0.348 0.329 0.334 0.329 0.341 0.332

[0053] 土体含水量监控模块每小时采集1次边坡土体含水量数据并传输到智能管理控制系统进行分析反馈；随着边坡土体中水分的蒸发散失，各测点反馈的边坡土体含水量θ值不3 3
断减小，当某个传感器TR1‑⑤实时监测到的含水量θ值减少到0.250m/m (等于设定的含水量低阈值M1)，智能管理控制系统启动控水阀，抽水泵将蓄水池中的灌溉水依次输送经过供水管、毛管和滴头，对膨胀土陡坡土体实施精准滴灌，边坡土体含水量采集频率自动调整为
3 3
1次/10分钟；滴灌系统启动时各监测点反馈的边坡土体含水量θ值(m/m)见表2。

[0054] 表2

[0055] 编号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨TR1 0.250 0.253 0.254 0.251 0.250 0.252 0.250 0.251 0.252
TR2 0.262 0.265 0.264 0.254 0.262 0.248 0.252 0.254 0.263

[0056] 滴灌过程中，土体含水量监控模块每10分钟采集1次边坡土体含水量数据并传输到智能管理控制系统进行分析反馈；随着边坡土体中水分的入渗浸润，各测点反馈的土体3 3
含水量θ值不断增大，当某个传感器TR1‑④监测的含水量θ值增大到0.350m/m (等于设定的含水量高阈值M2)，智能管理控制系统关闭控水阀，停止滴灌，边坡土体含水量采集频率自
3 3
动调整为1次/小时；滴灌系统关闭时各监测点反馈的边坡土体含水量θ值(m/m)见表3。

[0057] 表3

[0058] 编号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨TR1 0.345 0.339 0.350 0.350 0.342 0.348 0.343 0.341 0.342
TR2 0.338 0.337 0.346 0.350 0.341 0.343 0.342 0.334 0.343

[0059] 上述即为一次完整的滴灌系统启动、关闭过程(边坡土体也经历了一次干湿循环过程)；随后，土体含水量监控模块每小时采集1次边坡土体含水量数据并传输到智能管理控制系统进行分析反馈，当某一个传感器监测到的土体含水量值低于设定阈值M1时，启动滴灌系统，……。

[0060] 本次实施例试验一共进行了3次完整的滴灌系统启动、关闭过程，膨胀土植绿陡坡土体也经历了3次完整的干湿循环。在试验过程中，土体含水量监控模块采集到的含水量数据较多，为了有效评价本发明的实施效果，仅选择部分关键的土体含水量数据(滴灌系统启动、关闭瞬间各监测点的土体含水量，即各监测点土体干湿循环过程中的最大、最小含水量)进行分析，其统计结果如图5所示；其中，含水量变化次数N与滴灌系统运行状况的对应关系：0‑边坡土体初始状态；1‑第1次启动滴灌系统；2‑第1次关闭滴灌系统；3‑第2次启动滴灌系统；4‑第2次关闭滴灌系统；5‑第3次启动滴灌系统；6‑第3次关闭滴灌系统。由图5可知，膨胀土植绿陡坡土体含水量均在设定的含水量阈值M1、M2之间变化，表明本发明实现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，具有很好的实施效果。

[0061] 本发明的工作原理：滴灌模块用来对植绿陡坡土体精准实施节水灌溉，土体含水量监测模块用来对植绿陡坡的土体含水量全面实施精确监测，智能管理控制模块9用来对上述2个模块的运行状况进行控制管理，实现膨胀土植绿陡坡的土体含水量实时监测和自动化精准滴灌。具体来说，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，并通过智能管理控制模块9设定土体含水量的高、低阈值和土壤湿度传感器组的监测参数；土壤湿度传感器组7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智能管理控制模块9进行分析反馈，当某个土体含水量达到设定的低阈值时，智能管理控制模块9开启控水阀，通过抽水泵从蓄水池1中抽水并依次输送至供水管4、毛管5、滴头6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，智能管理控制模块9关闭控水阀3，抽水泵2停止抽水滴灌。

[0062] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。