高速公路中央分隔帶集水節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李桐

摘 要：本作品針對高速公路中央分隔帶綠化植物灌溉難、花費(fèi)大等問題，在高速公路已有的集排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)節(jié)能高效的自動(dòng)灌溉方案。本方案由高速公路自身集水部分、節(jié)水自動(dòng)灌溉兩部分組成。自身集水部分即降落于高速公路路面的雨水依次經(jīng)過護(hù)坡、邊溝、滲溝、沉淀池、集水箱，完成凈化和收集過程；節(jié)水自動(dòng)灌溉部分即埋設(shè)于中央分隔帶下方的滲灌管道，并配有土壤含水量檢測器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)植物需要時(shí)進(jìn)行灌溉，若水源不充足可以直接從中央分隔帶下的供水管道供給。局部供電系統(tǒng)通過在道路下面設(shè)壓電陶瓷片發(fā)電，來為自動(dòng)灌溉系統(tǒng)提供所需要的電能。該方案施工簡單，成本低，效果好，值得廣泛推廣應(yīng)用。

1.研究背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)保意識的提高，高速公路上的綠化越來越受到重視。中央分隔帶綠化是行車過程中視線觸及最多的景色，其主要目的是防眩、下部埋設(shè)管道、安全、美觀等。但目前中央分隔帶綠化突出存在幾個(gè)問題：

1.植物成活率低，很難達(dá)到預(yù)計(jì)目的；

2.灌溉勞動(dòng)強(qiáng)度高、難度大、費(fèi)用高、不安全；

3.傳統(tǒng)人工漫灌和灑水車式澆灌方式，不但灑水不均且易對路面造成破壞。

然而我國地大物博，高速公路的建設(shè)是必然，中央分隔帶的綠化亦不可缺少。在沒有新的方法替換中央分隔帶的綠化之前，提高中央分隔帶植物成活率、降低灌溉難度和成本成為改善高速公路綠化狀況的迫切需求。在這樣的背景下，我們提出了一種自動(dòng)化程度高、安裝方便、成本低廉且能顯著提高植物成活率的中央分隔帶自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2.設(shè)計(jì)原理

本文以鄭州市的高速公路為例，通過對高速公路和現(xiàn)有的綠化灌溉模式的調(diào)研以及對雨量的初步計(jì)算，論證了高速公路中央分隔帶自動(dòng)灌溉的可行性，并提出作品的推廣應(yīng)用途徑及價(jià)值。

2.1 設(shè)計(jì)思路

高速公路本身具有集流槽、邊溝、滲溝、排水管道等一系列完善的集排水設(shè)施，已知邊溝每隔一定的距離就會(huì)有一個(gè)最低點(diǎn)，在這個(gè)最低點(diǎn)匯集集流槽所收集的道路上的多余水量，邊溝最低點(diǎn)為可滲透結(jié)構(gòu)，通過滲透，水量滲入充滿碎石的滲溝中，經(jīng)過簡單過濾后再由地下的排水溝將水量排向自由水體中。

本系統(tǒng)在高速公路本身自有的集排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將集水管道與原有的排水管道相連，將收集到的水進(jìn)行二次過濾，過濾后在重力作用下使將水流入集水箱。同時(shí)在缺水月份或少水地區(qū)借助服務(wù)區(qū)管道進(jìn)行自動(dòng)供水。通過埋在土壤中的濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤含水量，在作物缺水的情況下，自動(dòng)啟動(dòng)水泵，利用滲灌技術(shù)直接在土體內(nèi)進(jìn)行灌溉，在達(dá)到自動(dòng)灌溉的同時(shí)也達(dá)到了高效用水、節(jié)約成本的效果。水泵、溫度傳感器等的運(yùn)行電源均來自于鋪設(shè)于道路上的壓電陶瓷片，通過過往汽車的碾壓來為系統(tǒng)供電。

2.2 設(shè)計(jì)可行性論證

2.2.1水源來源

以河南省雙向八車道高速公路為例。假設(shè)高速公路為單面坡，由路中間向兩邊排水。高速公路路基寬度=路肩寬度+行車道寬度+中央分隔帶寬度。查詢《道路橋梁基本規(guī)范》可知，高速公路為雙向八車道路基寬度為42米，其中間帶為3米。假設(shè)邊溝出水口間距為200米。則單側(cè)路面匯水面積221=19.5200m=3900mF×，中央分隔帶匯水面積222=3200m=600mF× ，又查得高速公路瀝青混凝土路面徑流系數(shù)為0.95，中央帶徑流系數(shù)為0.55，邊坡徑流系數(shù)為0.8，集水設(shè)備利用系數(shù)為0.75。則實(shí)際集水面積。以鄭州市年平均降雨量來計(jì)算，結(jié)果如下：

3N=2412603.11454.68m×=

可以看出所收集的降雨量總值較為可觀。除此之外，在中央分隔帶下部常埋設(shè)通訊管道和服務(wù)區(qū)水電管道等，我們還可以直接從供水管道取水。

2.2.3灌溉系統(tǒng)

目前，常采用的節(jié)水灌溉有滴灌、噴灌、微噴灌、根灌、滲灌等形式。針對中央綠化隔離帶的特點(diǎn)，我們從節(jié)水效果、壓力補(bǔ)償功能、濕潤方式、系統(tǒng)配套、灌溉影響、施工等6個(gè)方面進(jìn)行分析評價(jià)，最終選定滲灌。滲灌具有節(jié)水效果顯著，過程損失小、全面灌溉，均勻度較好、輸水管道流量小，投資低、灌溉對行車無影響，便于施工等優(yōu)點(diǎn)。且在這幾種灌溉方式中，滲灌有利于控制灌溉層深度，能確保高速公路路基不會(huì)受到灌溉水的侵蝕而影響公路的使用，鑒于高速公路特殊的地理環(huán)境，采用管道滲灌是對高速公路中央分隔帶較為有利的節(jié)水灌溉方式。

2.2.4供電系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用壓電陶瓷片供電，通過車輛荷載對壓電陶瓷發(fā)電片施加壓力，使壓電陶瓷發(fā)電片產(chǎn)生振動(dòng)和形變，進(jìn)而產(chǎn)生電流。且其成本低廉，適用于較多荷載作用次數(shù)的地方。

2.3 高速公路雨水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)利用高速公路本身自有的集排水系統(tǒng)，將集水管道與原有的排水管道相連，將收集到的水量進(jìn)行二次過濾，過濾后再利用重力作用將水送入集水箱。

同時(shí)中央分隔帶下部常埋設(shè)通訊管道，服務(wù)區(qū)水電管道等。我們可以每隔一段距離，從供水管道中開一個(gè)與水箱連接的管道，并用閥門控制。在水箱內(nèi)設(shè)置水位監(jiān)測器，當(dāng)水箱內(nèi)水位低于最低限度時(shí)，由電路控制打開閥門進(jìn)行水箱供水。這樣在利用中央分隔帶自身功能的同時(shí)便解決了供水問題，對于少雨貧水地區(qū)中央分隔帶植物的灌溉非常有利，且切實(shí)可行。

2. 4中央分隔帶滲透節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)

中央分隔帶的灌溉采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，灌溉方法為滲灌。首先根據(jù)中央分隔帶種植的植物來確定滲水管的埋設(shè)深度和滲水管的間距，接著在滲水管附近安設(shè)土壤濕度傳感器。當(dāng)土壤濕度降低到植物生長最小值時(shí)，由濕度傳感器發(fā)出信號傳遞到水泵處的信號接收裝置。當(dāng)接收到信號后，通過控制電路使水泵自動(dòng)連通，開始抽水進(jìn)行滲灌。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的土壤濕度后，可以自動(dòng)停止水泵工作，停止供水。

在整套系統(tǒng)中，將水泵至于集水箱中，同時(shí)由集水箱中引出灌溉主管與埋設(shè)于土壤中的滲透管連接。當(dāng)土壤濕度測定儀測得數(shù)據(jù)低于設(shè)定值時(shí)，利用電磁閥控制器控制水泵控制器，提出水泵中雨水進(jìn)行灌溉。當(dāng)土壤濕度高于一定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

2.3.5壓電陶瓷供電系統(tǒng)

路面壓電發(fā)電采用鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷片的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電壓和電荷。壓電陶瓷片具有將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的性能，當(dāng)其受外力作用時(shí)，其極化強(qiáng)度隨之而變，導(dǎo)致表面吸附的自由電荷隨之變化。根據(jù)《 》導(dǎo)出單個(gè)壓電片在標(biāo)準(zhǔn)輪載的作用下的發(fā)電效率為

100%EWη=×

已知小轎車單輪標(biāo)準(zhǔn)輪載為5000N，不考慮沖擊系數(shù)和荷載的擴(kuò)散，發(fā)電片采用PZT陶瓷片，選用的壓電常數(shù)121122310dCN.=×，作用面積為2.52.0Acmcm=×，厚度為2hmm=，相對介電常數(shù)730rε=，真空介電常數(shù)1221208.8510CNmε...=×..。帶入上述公式可得單片壓電陶瓷發(fā)電片的發(fā)電效率為：

2110100%=0.0192%2rdFηεε=×

單片的壓電陶瓷片在一次輪載的作用下發(fā)電效率看似很低，一方面主要原因是由于選取的等效模型與實(shí)際情況存在出入，且忽略了較多因素。但是高速公路上的車流量是非?？捎^的，每天作用的次數(shù)也是非常非常多的。而且路面的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓電陶瓷發(fā)電片的長度，也就是我們可以串聯(lián)多個(gè)壓電陶瓷發(fā)電片與路面上，這樣產(chǎn)生的電流就非常的可觀。而且它安全無污染，對環(huán)境友好，是對清潔能源的一種利用，且對路面結(jié)構(gòu)影響很小。

4.結(jié)語

高速公路中央分隔帶植物的灌溉一直都是難題，每年花費(fèi)在高速公路中央分隔帶綠化帶養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用高達(dá)幾千萬，卻仍收效甚微。因此發(fā)展針對高速公路中央分隔帶的集水節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)已是迫在眉睫。本作品設(shè)計(jì)理念的提出對高速公路中央分隔帶自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和促進(jìn)作用。