城市綠化帶雨水收集灌溉系統(tǒng)研究

王正金 黃川騰 張 政 楊 梨

（遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563006）

0 引言

隨著國(guó)家城市化建設(shè)進(jìn)程加快，中央綠化帶道路和城市綠化帶急劇增加，隨之而來(lái)的是綠化帶灌溉消耗大量人力、物力和水資源，但是仍不能保證植株較高的存活率。目前，傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)不能根據(jù)土壤濕度和植株耐受度合理地控制澆灌水量，水資源無(wú)法高效利用且不能實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉，同時(shí)，快速路面采用傳統(tǒng)人工灌溉還存在安全隱患。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)植株灌溉技術(shù)的研究重點(diǎn)正從工程灌溉水技術(shù)向生物（生理）灌溉技術(shù)等方向轉(zhuǎn)移，提出諸如調(diào)虧灌溉（RdI）、部分根干燥（PRD）和分根區(qū)交替灌溉（ARDI）等作物生理節(jié)水新技術(shù)[1]，以提高作物的存活率和品質(zhì)。歸根結(jié)底，控制植物需水的適時(shí)適量供給，是作物灌溉控制技術(shù)的核心。

該文擬研發(fā)推廣一種城市綠化帶雨水收集節(jié)水灌溉系統(tǒng)，基于解決水資源缺乏和植物需水的適時(shí)適量供給這2個(gè)核心問題，達(dá)到環(huán)保節(jié)水、降低人力消耗、提高植株存活率、避免人工澆灌對(duì)交通的影響和操作安全隱患的有益效果。

1 常見綠化帶灌溉方式

1.1 傳統(tǒng)式灌溉

目前，傳統(tǒng)綠化帶灌溉的控制方式主要有2 種。1）經(jīng)驗(yàn)性灌溉（如圖 1（a）所示），按照傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)控制植物需水灌溉的時(shí)間和灌水量。前期投資較少，工藝簡(jiǎn)單，但是不能根據(jù)土壤濕度和植株耐受度合理地控制澆灌水量，水資源無(wú)法高效利用且不能實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉。此外，后期成本投入大，影響城市交通，造成路面積水，浪費(fèi)水資源。2）噴灌（如圖 1（b）所示），實(shí)時(shí)進(jìn)行覆蓋性灌溉，是目前市場(chǎng)上使用量最大的灌溉方式。此灌溉方式相對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)化灌溉方式更為自動(dòng)化，后期成本投入相對(duì)少，但此灌溉方式在噴灑時(shí)加大了水分的蒸發(fā)，不能很好地將水分滲透入植物根部，并未達(dá)到真正的節(jié)水灌溉。此外，噴灌產(chǎn)生的水霧會(huì)對(duì)車輛行駛造成影響，存在安全隱患。上述2種傳統(tǒng)的綠化帶澆灌方式越來(lái)越達(dá)不到國(guó)家的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 現(xiàn)有新型灌溉系統(tǒng)

傳統(tǒng)灌溉方式越來(lái)越達(dá)不到國(guó)家環(huán)保要求標(biāo)準(zhǔn)，自2016 年國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》后，在綠化帶灌溉系統(tǒng)革新方面出現(xiàn)很多實(shí)用創(chuàng)新性系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)灌溉模式

圖2 （a）和圖2 （b）為市面上的2 種改進(jìn)后的灌溉裝置[3-4]，2 種灌溉裝置都停留在對(duì)澆灌管道和噴水裝置的優(yōu)化，沒有從根本上解決問題，未能達(dá)到實(shí)質(zhì)性節(jié)水效果。

圖3 為一種智能化、精準(zhǔn)化的灌溉系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)是一種結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)、衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)等多種技術(shù)為一體的智能化灌溉系統(tǒng)，采用這種智能化控制系統(tǒng)，節(jié)水效果相對(duì)顯著，達(dá)到了一定的節(jié)水灌溉，但這種智能化精確化的灌溉系統(tǒng)生產(chǎn)成本和維修成本較高，不能夠大面積推廣,并且不能將雨水凈化收集利用，優(yōu)點(diǎn)單一。

圖2 綠化帶灌溉裝置現(xiàn)有專利成果

圖3 智能化精準(zhǔn)化的灌溉

2 新型雨水收集灌溉系統(tǒng)研發(fā)

2.1 系統(tǒng)概況

基于上述問題，該文研發(fā)推廣了一種城市綠化帶節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用自然資源，合理收集、過濾、儲(chǔ)存雨水，根據(jù)植株品類合理規(guī)劃土壤最佳濕度范圍，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度精確進(jìn)行地下滲灌。城市綠化帶雨水收集灌溉系統(tǒng)包括雨水收集系統(tǒng)和灌溉控制系統(tǒng)。

2.1.1 雨水收集系統(tǒng)

如圖 4 所示，該系統(tǒng)涉及的雨水收集系統(tǒng)包括蓄水機(jī)構(gòu)和過濾機(jī)構(gòu)。其中過濾機(jī)構(gòu)設(shè)有排水管道、篩板、溢水機(jī)構(gòu)和過濾管道等構(gòu)件；為了不影響綠化帶的施工結(jié)構(gòu)，過濾管道設(shè)置在綠化帶的外側(cè)，過濾管道的開口與綠化帶外側(cè)的路面連通，并在過濾管道的開口處設(shè)有篩板；雨水經(jīng)過道路自成坡道流向過濾機(jī)構(gòu)，經(jīng)篩板進(jìn)行一次過濾后流向集水管道中，再經(jīng)過傾斜的濾板進(jìn)行二次過濾最終進(jìn)入溢水機(jī)構(gòu)。

所述溢水機(jī)構(gòu)包括“L”形的阻擋板和接水板，接水板和阻擋版與過濾管道的一側(cè)相向固定連接；過濾管道的下端連通有儲(chǔ)水箱，為了防止雨水出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，儲(chǔ)水箱的底部與下水道連通，并在儲(chǔ)水箱的底部設(shè)有放水機(jī)構(gòu)。

放水機(jī)構(gòu)如圖5 所示，包括齒環(huán)、轉(zhuǎn)軸和固定環(huán)。固定環(huán)內(nèi)設(shè)有圓形的封閉板，封閉板內(nèi)設(shè)多塊扇形的葉片，固定環(huán)外設(shè)有多根轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸的一端穿過固定環(huán)與葉片轉(zhuǎn)動(dòng)連接，另一端固定連接有齒輪，齒環(huán)滑動(dòng)連接在固定環(huán)外，齒輪與齒環(huán)嚙合；儲(chǔ)水箱內(nèi)的頂部設(shè)有液位開關(guān)，液位開關(guān)與放水機(jī)構(gòu)共同作用，用于控制電機(jī)的開閉，儲(chǔ)水量達(dá)到液位開關(guān)的位置時(shí)，液位開關(guān)啟動(dòng)放水機(jī)構(gòu)進(jìn)行放水。儲(chǔ)水箱內(nèi)設(shè)有抽水泵，灌溉管道位于綠化帶內(nèi)且灌溉管道側(cè)壁均布有孔洞，抽水泵與灌溉管道連通。

圖4 結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 放水機(jī)構(gòu)的俯視圖

2.1.2 灌溉控制系統(tǒng)

如圖6 所示，灌溉控制系統(tǒng)涉及的儲(chǔ)電池、控制器和濕度傳感器采用電連接。濕度傳感器用于感應(yīng)土壤的濕度，濕度傳感器的信號(hào)傳輸口與控制器的信號(hào)接收端連接，控制器接收濕度傳感器發(fā)出的濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)濕度數(shù)據(jù)控制抽水泵的開閉。系統(tǒng)運(yùn)行涉及的能源由太陽(yáng)能板接收太陽(yáng)能，將其轉(zhuǎn)化為電能后儲(chǔ)存在儲(chǔ)電池內(nèi)，儲(chǔ)電池為控制器和濕度傳感器提供電能，濕度傳感器將土壤濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，根據(jù)不同植被的需水量不同，調(diào)節(jié)控制器，當(dāng)土壤濕度過低時(shí)控制器控制抽水泵開啟，就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的灌溉。

圖6 城市綠化帶雨水收集灌溉系統(tǒng)的工作示意圖信號(hào)傳輸圖

2.2 具體實(shí)施方式

該文所述城市綠化帶雨水收集灌溉系統(tǒng)實(shí)施方式：下雨時(shí)，雨水通過篩板進(jìn)入過濾管道，篩板可將雨水中直徑較大的垃圾與雨水分離開，接著雨水在過濾管道中經(jīng)過過濾板，泥土與雨水被過濾板隔離開，由于過濾板傾斜設(shè)置且過濾板的最低端與排水管道的最低端固定連接，泥土隨著傾斜的過濾板滑落到排水管道中，而雨水通過過濾板流到接水板內(nèi)，當(dāng)水量高于接水板懸空的一端時(shí)雨水就會(huì)溢出流到儲(chǔ)水箱內(nèi)；溢水機(jī)構(gòu)可防止水分蒸發(fā)、雨水發(fā)酵后臭氣溢出，還可使汽車排放的尾氣與儲(chǔ)水箱隔絕，以防止儲(chǔ)水箱中的雨水被外界尾氣污染；此外，溢水機(jī)構(gòu)可以減少空氣與雨水的接觸，從而減少酸性氧化物在水中的溶解量，使儲(chǔ)水器中的水偏于中性，更有助于植株的生長(zhǎng)。

如果下大雨儲(chǔ)水箱中的雨水量達(dá)到液位開關(guān)的位置時(shí)，液位開關(guān)開啟，電機(jī)啟動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)與之相連接的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其中轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與其固定連接的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，又由于儲(chǔ)水箱的底部與下水道連通，雨水從儲(chǔ)水箱內(nèi)流出，流入到下水道，這樣就可防止儲(chǔ)水箱內(nèi)水過多而溢出到路面。

雨水進(jìn)入儲(chǔ)水箱后開始儲(chǔ)存，當(dāng)規(guī)劃范圍泥土濕度小于設(shè)定值時(shí)，控制器控制抽水泵開啟，使得雨水通過灌溉管道進(jìn)入到綠化帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)植物的吸水于供給之間處于動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)植物的生長(zhǎng)起到了促進(jìn)的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

該文研發(fā)的城市綠化帶雨水收集節(jié)水灌溉可以收集、過濾、儲(chǔ)存雨水，根據(jù)植株品類合理規(guī)劃土壤最佳濕度范圍，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度精確進(jìn)行地下滲灌；充分利用了自然資源，實(shí)現(xiàn)智能灌溉，解決了水資源缺乏和植物需水的適時(shí)適量供給2 個(gè)核心問題，達(dá)到環(huán)保節(jié)水、降低人力消耗、提高植株存活率、避免人工澆灌對(duì)交通的影響的有益效果。

該系統(tǒng)在多次模擬實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行效果良好，在后續(xù)的研究發(fā)展中將會(huì)加入智能監(jiān)控和結(jié)構(gòu)裝配式等部分，為進(jìn)一步市場(chǎng)開發(fā)和綠化帶雨水收集灌溉施工提供新的思路和借鑒。