高速公路中央分隔帶集水節水自動灌溉系統設計

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、花費大等問題，在高速公路已有的集排水系統基礎上，提出了一個節能高效的自動灌溉方案。本方案由高速公路自身集水部分、節水自動灌溉兩部分組成。自身集水部分即降落于高速公路路面的雨水依次經過護坡、邊溝、滲溝、沉淀池、集水箱，完成凈化和收集過程；節水自動灌溉部分即埋設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行實時監測，當植物需要時進行灌溉，若水源不充足可以直接從中央分隔帶下的供水管道供給。局部供電系統通過在道路下面設壓電陶瓷片發電，來為自動灌溉系統提供所需要的電能。該方案施工簡單，成本低，效果好，值得廣泛推廣應用。

1.研究背景

隨著社會經濟的發展和環保意識的提高，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、下部埋設管道、安全、美觀等。但目前中央分隔帶綠化突出存在幾個問題：

1.植物成活率低，很難達到預計目的；

2.灌溉勞動強度高、難度大、費用高、不安全；

3.傳統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化灌溉系統設計方案。

2.設計原理

本文以鄭州市的高速公路為例，通過對高速公路和現有的綠化灌溉模式的調研以及對雨量的初步計算，論證了高速公路中央分隔帶自動灌溉的可行性，并提出作品的推廣應用途徑及價值。

2.1 設計思路

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施，已知邊溝每隔一定的距離就會有一個最低點，在這個最低點匯集集流槽所收集的道路上的多余水量，邊溝最低點為可滲透結構，通過滲透，水量滲入充滿碎石的滲溝中，經過簡單過濾后再由地下的排水溝將水量排向自由水體中。

本系統在高速公路本身自有的集排水系統基礎上，將集水管道與原有的排水管道相連，將收集到的水進行二次過濾，過濾后在重力作用下使將水流入集水箱。同時在缺水月份或少水地區借助服務區管道進行自動供水。通過埋在土壤中的濕度傳感器實時監測土壤含水量，在作物缺水的情況下，自動啟動水泵，利用滲灌技術直接在土體內進行灌溉，在達到自動灌溉的同時也達到了高效用水、節約成本的效果。水泵、溫度傳感器等的運行電源均來自于鋪設于道路上的壓電陶瓷片，通過過往汽車的碾壓來為系統供電。

2.2 設計可行性論證

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。假設邊溝出水口間距為200米。則單側路面匯水面積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為0.95，中央帶徑流系數為0.55，邊坡徑流系數為0.8，集水設備利用系數為0.75。則實際集水面積。以鄭州市年平均降雨量來計算，結果如下：

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通訊管道和服務區水電管道等，我們還可以直接從供水管道取水。

2.2.3灌溉系統

目前，常采用的節水灌溉有滴灌、噴灌、微噴灌、根灌、滲灌等形式。針對中央綠化隔離帶的特點，我們從節水效果、壓力補償功能、濕潤方式、系統配套、灌溉影響、施工等6個方面進行分析評價，最終選定滲灌。滲灌具有節水效果顯著，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，便于施工等優點。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境，采用管道滲灌是對高速公路中央分隔帶較為有利的節水灌溉方式。

2.2.4供電系統

本系統采用壓電陶瓷片供電，通過車輛荷載對壓電陶瓷發電片施加壓力，使壓電陶瓷發電片產生振動和形變，進而產生電流。且其成本低廉，適用于較多荷載作用次數的地方。

2.3 高速公路雨水收集系統設計方案

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

同時中央分隔帶下部常埋設通訊管道，服務區水電管道等。我們可以每隔一段距離，從供水管道中開一個與水箱連接的管道，并用閥門控制。在水箱內設置水位監測器，當水箱內水位低于最低限度時，由電路控制打開閥門進行水箱供水。這樣在利用中央分隔帶自身功能的同時便解決了供水問題，對于少雨貧水地區中央分隔帶植物的灌溉非常有利，且切實可行。

2. 4中央分隔帶滲透節水自動灌溉系統

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

在整套系統中，將水泵至于集水箱中，同時由集水箱中引出灌溉主管與埋設于土壤中的滲透管連接。當土壤濕度測定儀測得數據低于設定值時，利用電磁閥控制器控制水泵控制器，提出水泵中雨水進行灌溉。當土壤濕度高于一定值時，系統自動關閉。

2.3.5壓電陶瓷供電系統

路面壓電發電采用鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷片的正壓電效應產生電壓和電荷。壓電陶瓷片具有將機械能轉化為電能的性能，當其受外力作用時，其極化強度隨之而變，導致表面吸附的自由電荷隨之變化。根據《 》導出單個壓電片在標準輪載的作用下的發電效率為

100%EWη=×

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

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常可觀的，每天作用的次數也是非常非常多的。而且路面的寬度遠遠大于壓電陶瓷發電片的長度，也就是我們可以串聯多個壓電陶瓷發電片與路面上，這樣產生的電流就非常的可觀。而且它安全無污染，對環境友好，是對清潔能源的一種利用，且對路面結構影響很小。

4.結語

高速公路中央分隔帶植物的灌溉一直都是難題，每年花費在高速公路中央分隔帶綠化帶養護的費用高達幾千萬，卻仍收效甚微。因此發展針對高速公路中央分隔帶的集水節水自動灌溉系統已是迫在眉睫。本作品設計理念的提出對高速公路中央分隔帶自動灌溉系統的設計具有一定的參考價值和促進作用。