城市集雨及綠地節(jié)灌智能控制一體化系統(tǒng)研究

閆秀婧 汪浩然 丑晨 高昕葳 甘雨田

［關(guān)鍵詞］ 城市集雨；綠地節(jié)灌；智能控制；一體化系統(tǒng)

［摘 要］ 為有效減少城市公共區(qū)雨水徑流量，減輕城市內(nèi)澇排水的壓力，減少雨污合流，實(shí)現(xiàn)綠地建設(shè)與地下蓄水池的有機(jī)統(tǒng)一，節(jié)約地面建設(shè)空間和水資源，保證城鎮(zhèn)綠化景觀的完整性和空間利用的整齊劃一，達(dá)到節(jié)約利用水資源和園林人力管護(hù)成本的目的，以城市雨水收集和利用為研究對象，在城市綠化區(qū)建造地下蓄水池，結(jié)合5G技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、自動控制技術(shù)，集成開發(fā)一套雨水自動收集和綠化自動澆灌控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)城市雨水自動收集和儲量的檢測、澆灌綠地土壤濕度檢測，同時(shí)記錄蓄水池水位信息、土壤濕度信息、綠地噴灌狀態(tài)以及儲存歷史數(shù)據(jù)，以便回溯和分析。

［中圖分類號］ S157? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A? ［文章編號］ 1000－0941（2023）05－0009－03

水是生命之源，是人們生活生產(chǎn)中不可或缺的一項(xiàng)重要資源，是促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推動文明進(jìn)步的重要因素。我國城市水資源極其匱乏，全國城市每年缺水60億m3，每年因缺水造成經(jīng)濟(jì)損失2 000億元。城市公園和綠地作為“城市之肺”，可以凈化空氣、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)局部小氣候，但養(yǎng)護(hù)城市園林、綠地也需要耗費(fèi)大量寶貴的水資源，而我國有近一半城市水資源緊缺。雨水是優(yōu)質(zhì)的天然水源，采用最經(jīng)濟(jì)、最超前、最先進(jìn)的城市天然雨水自動收集及綠地自動澆灌系統(tǒng)是非常迫切和需要的。

1 雨水資源化利用技術(shù)研究現(xiàn)狀

國外雨水資源化利用起步較早，從20世紀(jì)60年代開始，發(fā)達(dá)國家長期致力于雨水資源化利用技術(shù)的研發(fā)和實(shí)踐探索，目前已形成較為成熟的雨水資源化利用技術(shù)和做法。日本最早實(shí)施雨水利用工程，在東京都墨田區(qū)把降到各家屋頂?shù)挠晁ㄟ^導(dǎo)水管收集到水箱中，然后用于沖廁所、澆庭院和洗車等；美國雨水利用大多以蓄水回灌地下水為主，以提高天然入滲能力；德國在雨水資源化利用研究方面形成了一整套較為成熟的雨水資源利用的實(shí)用性技術(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和管理?xiàng)l例，無論是工業(yè)、商業(yè)還是居民小區(qū)均要設(shè)計(jì)雨水利用設(shè)施，否則將征收雨水排放設(shè)施費(fèi)和雨水排放費(fèi)，部分地區(qū)利用雨水可節(jié)約飲用水達(dá)50％[1-2]。

我國雨水資源充沛，年降雨量約61 900億m3，但雨水利用率不到１％[3]。20世紀(jì)90年代，雨水的集蓄利用主要集中在農(nóng)業(yè)灌溉方面，如甘肅的“121”雨水集流節(jié)灌工程、寧夏的“窯窖農(nóng)業(yè)”、陜西的“甘露”工程、內(nèi)蒙古的“集雨節(jié)水灌溉”工程等[3-4]。我國城市雨水資源化利用研究始于20世紀(jì)80年，發(fā)展于90年代，大中城市的雨水利用推動力度較大，北京、天津、上海、青島、大連、南京、深圳等城市結(jié)合自身的具體情況陸續(xù)開展了雨水利用研究，但大多處于示范階段，并沒有實(shí)質(zhì)性投入使用[5-6]。隨著慶陽、廈門、西安、嘉興等地的海綿城市建設(shè)陸續(xù)進(jìn)行，對雨水資源化利用的研究也有了許多突破，主要是通過建設(shè)海綿城市將雨水引入地下，解決城市排水問題并進(jìn)行地下水源的補(bǔ)充[6-8]。但是，將綠化區(qū)和地下雨水蓄水池建設(shè)整合進(jìn)行雨水收集，并將收集的雨水用于綠地自動澆灌，以實(shí)現(xiàn)自動集雨和綠地節(jié)灌的研究較少。

2 要解決的關(guān)鍵問題

系統(tǒng)主要解決雨水自動收集和雨水儲量及綠地土壤濕度的檢測，以確保雨水的有效收集與儲存和綠地的自動澆灌；同時(shí)記錄水位信息、土壤濕度信息、噴灌狀態(tài)以及儲存歷史數(shù)據(jù)，以便回溯和分析。

2.1 雨水蓄水池建設(shè)

在城市綠地建設(shè)中，根據(jù)地理位置和雨水收集需要，選擇適宜區(qū)域修建地下蓄水池，通過設(shè)計(jì)地埋雨水收集管道和雨水自動感應(yīng)開關(guān)將雨水引入蓄水池中，實(shí)現(xiàn)雨水收集、雨水儲量檢測。在蓄水池建設(shè)中主要考慮蓄水池雨水收集管道的引流、過濾、防滲、防漏，蓄水量的大小，蓄水池的位置等因素，其結(jié)構(gòu)見圖1。為解決雨水蓄水池水壓不足問題，需要安裝增壓泵實(shí)現(xiàn)噴灌水壓管理，并安裝水量感應(yīng)器，在檢測到蓄水量達(dá)到下限值時(shí)，停止所有噴灌。

2.2 智能感應(yīng)器的選擇與使用

所有智能感應(yīng)器必須實(shí)現(xiàn)在地下防銹、防電、防腐的功能，并且保證在10～15 a內(nèi)不更換，這涉及控制系統(tǒng)的整體功能。埋入綠地的土壤濕度感應(yīng)器，其埋深根據(jù)植物根系深度確定，土壤濕度上下限也要根據(jù)植物的需水量設(shè)置，當(dāng)土壤濕度低于濕度下限時(shí)開始灌溉，高于濕度上限時(shí)停止灌溉。水流感應(yīng)器布設(shè)在蓄水池表面，要考慮其抗壓功能，并在水流感應(yīng)器上設(shè)置水流量感應(yīng)閾值，達(dá)到閾值時(shí)蓄水池蓋打開，開始蓄水，否則關(guān)閉蓄水池蓋。水位感應(yīng)器在檢測到蓄水池水滿時(shí)，關(guān)閉蓄水池蓋，以防止蒸發(fā)引起水量減少。水量感應(yīng)器設(shè)置在蓄水池中，主要檢測蓄水池中水蓄積量是否允許水泵開啟澆灌模式，要具有防銹、防電、防腐能力。

2.3 自動控制管理系統(tǒng)研發(fā)

選定適合擴(kuò)展和控制的單片機(jī)進(jìn)行集成控制，實(shí)現(xiàn)蓄水池蓋開關(guān)、蓄水量檢測、土壤濕度檢測、噴灌與否的自動判斷與自動控制。

2.4 控制管理系統(tǒng)及移動端APP研發(fā)

研發(fā)PC控制管理系統(tǒng)或移動端APP，控制單片機(jī)進(jìn)行蓄水量、土壤濕度、噴灌狀態(tài)等過程的管理，實(shí)現(xiàn)過程的控制和數(shù)據(jù)的回溯及分析。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 蓄水池建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

（1）蓄水池的選址要與綠地協(xié)調(diào)統(tǒng)一，同時(shí)考慮地埋雨水引流管與周邊建筑物的關(guān)聯(lián)，確保雨水被最大限度地引入蓄水池。

（2）在地埋雨水引流管入口和蓄水池上層，選用適宜的濾板材料和凈水濾料對雨水中的雜質(zhì)進(jìn)行凈化處理，保證集留水能直接用于噴灌。

（3）選取合適的蓄水池蓋和引流管蓋材料，結(jié)合控制系統(tǒng)，在無降雨和蓄水池水位達(dá)上限時(shí)，確保蓄水池蓋關(guān)閉，水不蒸發(fā)和減少，為綠地灌溉提供保證。

3.2 自動控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及工作機(jī)理

自動控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)集中在蓄水池水位監(jiān)測與管理、水流感應(yīng)控制與管理、綠地土壤濕度控制與管理、綠地澆灌控制與管理4個方面。

（1）蓄水池水位監(jiān)測與管理終端主要實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測與信號傳遞。當(dāng)水位達(dá)到蓄水池上限時(shí)，將信號傳遞給蓄水池蓋或引流管蓋控制器，觸發(fā)控制器發(fā)出信息控制蓄水池蓋或引流管蓋自動關(guān)閉。只有接收到控制蓄水池蓋或引流管蓋自動打開的信號后，方可打開蓄水池蓋或引流管蓋。

（2）水流感應(yīng)控制與管理終端主要實(shí)現(xiàn)引流管和過濾裝置下面的水流感應(yīng)與管理。當(dāng)引流管或過濾裝置下面的水流感應(yīng)器感應(yīng)到水流后，將信號傳遞給蓄水池蓋或引流管蓋控制器，觸發(fā)控制器發(fā)出信息控制蓄水池蓋或引流管蓋自動打開； 閆秀婧等：城市集雨及綠地節(jié)灌智能控制一體化系統(tǒng)研究沒有水流感應(yīng)信號時(shí)發(fā)出控制信息，控制蓄水池蓋和引流管蓋自動關(guān)閉。

（3）綠地土壤濕度控制與管理終端主要實(shí)現(xiàn)綠地植物需水量的監(jiān)測與管理。根據(jù)植物需水量設(shè)置土壤濕度最大閾值和最小閾值，當(dāng)土壤濕度感應(yīng)器監(jiān)測到土壤濕度已經(jīng)達(dá)到閾值時(shí)，將信號傳遞給澆灌控制器，觸發(fā)澆灌控制器發(fā)出信息控制綠地噴灌系統(tǒng)啟動工作或停止工作。

（4）綠地澆灌控制與管理終端主要實(shí)現(xiàn)蓄水池水量的監(jiān)測。當(dāng)蓄水池中水量達(dá)到下限值時(shí)，發(fā)送信號傳遞給噴灌控制器，觸發(fā)綠地噴灌系統(tǒng)停止工作。

控制系統(tǒng)工作機(jī)理見圖2，控制器工作流程見圖3。

4 結(jié) 語

（1）利用城市綠化區(qū)地下空間，綜合考慮雨水收集的便利性、集中性進(jìn)行選址，借助市場上抗?jié)B防漏性能優(yōu)良的大量雨水收集模塊修建室外地埋雨水蓄水池，構(gòu)建雨水收集和綠地澆灌自動控制一體化系統(tǒng)，可解決城市雨水排放、綠地自動澆灌和雨水資源利用問題。

（2）將水流感應(yīng)器、水量感應(yīng)器、土壤濕度感應(yīng)器整合，研建雨水自動收集及綠地自動澆灌集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集雨與綠地澆灌的自動化，并借助于5G技術(shù)，將雨水自動收集和綠地自動澆灌信息實(shí)時(shí)發(fā)送到移動客戶端，進(jìn)行蓄水狀態(tài)和澆灌狀態(tài)的實(shí)時(shí)管理和監(jiān)測，有助于智慧城市的建設(shè)。

（3）結(jié)合人工智能和自動控制系統(tǒng)，進(jìn)行城市各建筑區(qū)雨水的收集與綠地節(jié)灌，實(shí)現(xiàn)雨水自動收集管理、蓄水池水量自動檢測、土壤濕度檢測、綠地噴灌的自動管控，可有效解決城市內(nèi)澇和人力資源短缺問題，降低綠化澆灌管理成本，節(jié)約利用城市水資源。? （4）將綠化區(qū)建設(shè)與地下雨水收集池建設(shè)理念整合，應(yīng)用于各建筑區(qū)規(guī)劃建設(shè)中，可實(shí)現(xiàn)綠地建設(shè)與地下蓄水池的有機(jī)統(tǒng)一，既節(jié)約地面建設(shè)空間和水資源，又保證小區(qū)綠化景觀的完整性和空間利用的整齊劃一，在未來城鎮(zhèn)化小區(qū)建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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［作者簡介］ 閆秀婧（1968—），女，甘肅天水人，教授，博士，主要從事林業(yè)信息化研究。

［收稿日期］ 2022-10-19

（責(zé)任編輯 徐素霞）