智能大棚雨水收集與回用系統(tǒng)設計與應用

李光吉 ，張靈真 ，劉 凱

（1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014；2.山東省水利廳外資利用服務中心，山東 濟南 250014）

山東省平原區(qū)地下水漏斗區(qū)面積達12210km2，約占全國的1/5，其中最嚴重的濰北地區(qū)已形成山東省最大的地下水漏斗區(qū)，即淄博-濰坊漏斗區(qū)，面積達5 422 km2，占全省漏斗區(qū)總面積的45%，居全國第二位。壽光處于淄博-濰坊漏斗區(qū)中心位置，大量的蔬菜種植造成了嚴重的地下水超采，地下水超采區(qū)綜合治理迫在眉睫。

1 項目背景及項目區(qū)概況

1.1 項目背景

自上世紀70年代以來，隨著壽光市經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，對地下水資源的過度利用，地下水位呈現(xiàn)明顯逐年下降趨勢。為此，探索一種新型節(jié)水模式，建設智能大棚雨水收集與回用系統(tǒng)，減少農(nóng)業(yè)灌溉用水量，對地下水漏斗區(qū)綜合治理提供示范意義重大。

1.2 項目區(qū)概況

華天光伏農(nóng)業(yè)示范基地，位于壽光市西部，丹河東岸，張家營村西，西稻田村北。園區(qū)內(nèi)現(xiàn)有17個冬暖式大棚，主要種植葡萄、西紅柿，后墻采用土墻便于保溫，棚頂使用鋼結構，利用太陽能電池板和透光玻璃代替常用的塑料薄膜。大棚單棚長100 m，內(nèi)部種植面積超過1 000 m2，連墻體總占地面積為1 500 m2。鋼結構連棟溫室大棚2個，主要以葡萄為主，總建筑面積5 000 m2，太陽能電池板鋪設面積為50%。大棚灌溉模式主要是滴灌與噴灌相結合，生物肥與沖施肥相結合，病蟲害防治主要采用太陽能殺蟲燈、生物防治以及高效低毒農(nóng)藥三位一體的模式。

2 工藝流程及控制參數(shù)

雨水收集與回用工程主要由雨水收集系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、蓄存及回用系統(tǒng)組成。雨水收集系統(tǒng)包括集流溝和匯流溝；凈化系統(tǒng)包括集流溝蓋板、集流溝及匯流溝末端攔污柵、棄流裝置、沉沙池等；蓄存及回用系統(tǒng)包括蓄水池、水泵及灌溉管網(wǎng)等。

雨水收集及回用流程為：棚頂雨水經(jīng)過棚前集流溝收集，經(jīng)集流溝末端棄流裝置將初期降水部分棄流，棄流后雨水匯入?yún)R流溝后送至沉沙池，經(jīng)沉沙過濾后由管道輸水進入蓄水池，蓄水池內(nèi)設有潛水泵，自蓄水池提水返回入大棚內(nèi)灌溉管網(wǎng)系統(tǒng)。雨水收集流程示意見圖1。

圖1 雨水收集及回用流程圖

根據(jù)雨水收集及回用工藝流程，工藝主要控制參數(shù)包括：可收集雨量、需水量、蓄水池容積、單方水成本、畝均地下水壓采量等。

3 工程規(guī)模

3.1 集水量計算

園區(qū)作物種植為大棚蔬菜，設計保證率采用75%；利用1～15#冬暖棚集水，集流面積合計為22 855 m2。采用典型年法計算年降水量，典型年選擇1988年，年降水量為466.3 mm，以此，計算可收集雨量為7 461 m3。集流時間選擇在降水量較為集中的5～9月份進行。

3.2 需水量

大棚總種植面積2.6 hm2，其中西紅柿種植面積1.2 hm2，葡萄種植面積1.3 hm2，棚內(nèi)綠化面積0.1 hm2。參照《山東省主要農(nóng)作物灌溉定額》，年總需水量6 650 m3。示范區(qū)現(xiàn)有工作人員7人，辦公區(qū)建筑面積280 m2，示范區(qū)清洗、沖廁年用水量131 m3。

3.3 蓄水池容積調(diào)算

采用典型年調(diào)節(jié)法，以死庫容起調(diào)，起調(diào)時間為5月初，蒸發(fā)滲漏損失按月供水量的10%計列。為保證蓄水池供水水質、同時考慮泥沙沉降造成淤積，水泵最低起調(diào)水位在池底以上50 cm，水池內(nèi)面積1 110 m2，即死庫容為555 m3。經(jīng)調(diào)算，蓄水池容積為4 434 m3。

4 雨水集蓄與回用工程方案

4.1 總體布局

根據(jù)工藝流程及園區(qū)內(nèi)大棚總體布置，于1#～15#大棚的南側各布置集流溝1條，集流溝共15條，沿東西向布置，與大棚長度相同；棚頂雨水經(jīng)有效收集后，流入棚前的集流溝，各集流溝匯和雨水至匯流溝，匯流溝共2條，平行布置于道路兩側。匯流溝自北向南流至沉沙池，經(jīng)沉沙過濾后，由管道輸水進入布置在15#棚南側的蓄水池，蓄水池內(nèi)設有潛水泵，自蓄水池提水入各大棚的灌溉管網(wǎng)。

4.2 集雨流量

1）設計暴雨強度。暴雨重現(xiàn)期采用2年，降雨歷時為5 min，經(jīng)計算，暴雨強度q=351 L/（s·hm2）。

2）集雨流量。根據(jù)各大棚集雨面積計算，集流溝雨水設計流量采用0.06 m3/s。

4.3 工程方案

1）集流溝。采用預制C25混凝土板襯砌，預制板厚0.06 m。根據(jù)工程總體布局，確定集流溝比降為1/1 000，溝寬0.5 m，深0.5 m，設計水深0.26 m。為了防止落葉及較大雜物進入集流溝，在溝上加蓋750mm×450 mm×40 mm的雨水溝蓋板。同時集流溝兩側鋪設花磚，與大棚相鄰側鋪至棚角，另一側花磚向溝外按2‰坡降鋪設，落入外側花磚及磚外的雨水不再匯入集流溝內(nèi)。

2）匯流溝。匯流溝布置于項目區(qū)中心道路兩側，自北向南分別匯流 1～8#、9#～15#大棚雨水，比降采用1/500，設計水深0.5 m，長180 m。末端接Φ500的PVC管道入沉沙池。匯流溝采用U形渠道，渠道混凝土槽口寬度76.8 cm，圓弧直徑60 cm，襯砌厚度6 cm，圓弧高度22.7 cm，渠道總深度80 cm。匯流溝上面設C25預制鋼筋混凝土蓋板，蓋板厚0.1 m，長1.0 m，寬0.5 m。

3）沉沙池。本工程集蓄的雨水通過滴灌微噴形式灌溉，對水質要求較高，因此設置沉沙池。參照《雨水集蓄利用工程技術》，確定沉沙池長2 m，寬2 m。根據(jù)匯流溝末端溝底高程，確定沉沙池進水管道底高程為15.0 m，出水管道底高程為14.8 m，池底高程為14.0 m。沉沙池采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土結構，厚40 cm，沉沙池不設蓋板。

4）蓄水池。根據(jù)空地尺寸及庫容要求，考慮施工中兩側開挖影響，水池選定尺寸為15.6×77.0 m，混凝土頂板上覆土厚度為1 m，施工完畢后不影響綠化或蔬菜種植。

5）雨水回用設備。根據(jù)計算選用150QJ32-36型井泵1臺，水泵設計流量Q=32 m3/h，揚程H=36 m，轉速2 850 r/min，配套功率5.5 kW。

5 成本及效益分析

5.1 成本分析

雨水利用工程的成本包括固定資產(chǎn)投資和年運營成本兩部分。

5.1.1 固定資產(chǎn)投資

包括土建工程費用（含構筑物和管道等）、設備及安裝工程費和其他工程費等；根據(jù)設計方案，本工程投資概算225萬元，其中匯流溝及集流溝60萬元、沉沙池及蓄水池150萬元、回用設備及安裝15萬元。

5.1.2 運營成本

運營成本包括動力費、折舊費、維護管理費等其他費用。

1）動力費。計算公式為：C=N·T·d

式中：N為水泵電機功率，kW；其他照明用電設備，所占比例甚小，忽略不計；T為全年電機工作時間，h；d為電費單價，元/kWh。經(jīng)計算，本工程年動力費為760元。

2）折舊費。按30年使用年限，不計殘值，則年折舊費為7.5萬元。

3）維護管理費等其他費用。包括污泥處置、水質分析、維護管理等其他費用，按以上費用的10%計，為0.8萬元。經(jīng)計算，本項目年運行成本8.37萬元。

5.2 效益分析

經(jīng)分析，項目區(qū)雨水收集及回用工藝主要參數(shù)指標為：年降雨量466.3 mm，集水面積22 855 m2，年徑流量為9 058 m3，年收集雨水量7 461 m3，雨水收集率為82%；蓄水池容積4 434 m3，如果收集雨水能全部用于灌溉，能控制蔬菜灌溉面積2.59 hm2。

根據(jù)項目區(qū)的成本分析，集蓄回用系統(tǒng)單方雨水年運行成本為11.2元，每畝年可減少地下水開采，即地下水壓采量為192 m3。

6 前景展望

根據(jù)項目區(qū)雨水集蓄及回用方案，智能大棚雨水收集與回用系統(tǒng)主要控制指標為：75%保證率下，單方水集流面積為3.06 m2，每畝集水面積為593.6 m2，每畝需要的蓄水池容積為114 m3。根據(jù)以上指標，即可以實現(xiàn)雨水集蓄與蔬菜灌溉的“集灌平衡”，實現(xiàn)“自給自足”，灌溉全部是處理過的雨水，不僅節(jié)水還省了人工。在降水量偏少的我國東部平原區(qū)，對高耗水的蔬菜等經(jīng)濟作物大棚種植區(qū)，因地制宜配備雨水收集與利用系統(tǒng)在技術上是可行的，具有較高的推廣價值和示范意義。