石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院雨水收集利用系統(tǒng)設(shè)計

黃媛 李瑜玲 楊英茹 高欣娜 武猛 李海杰

摘 要：溫室雨水收集系統(tǒng)可集中利用天然雨水，經(jīng)過簡單處理進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，在冀中南地區(qū)夏季降雨量大而地下水資源匱乏的情況下其經(jīng)濟(jì)價值和生態(tài)價值尤為突出。石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院位于石家莊市區(qū)北三環(huán)附近，處于市區(qū)與正定新區(qū)的連接線上，同時毗鄰太平河風(fēng)景區(qū)，區(qū)位優(yōu)勢明顯，該研究院有2座現(xiàn)代化連棟溫室，以該溫室為研究對象，設(shè)計一套雨水收集系統(tǒng)和水肥一體化系統(tǒng)，可達(dá)到節(jié)水減肥、降低人工成本、緩解區(qū)域地下水超采問題、保持該區(qū)域的水土環(huán)境資源的目的。

關(guān)鍵詞：雨水收集;設(shè)施溫室;水肥一體化;水資源

中圖分類號：S24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-060X（2020）03-0074-03

Abstract： Greenhouse rainwater collection system can centrally utilize natural rainwater and carry out agricultural irrigation through simple treatment. Its economic and ecological values are especially prominent in areas where water resources are relatively scarce. Shijiazhuang Academy of Agriculture and Forestry Science is located near the North Third Ring Road of Shijiazhuang City， on the connecting line between the city and Zhengding new district， and is adjacent to Taiping River scenic area， its location advantage is obvious. The research institute covers an area of 53.1 hectares， including two modern multi-span greenhouses. This project takes the greenhouses as the research object to design a rainwater collection system and a water and fertilizer integration system for the goals of saving water and reducing fertilization， cutting labor costs， alleviating the problem of groundwater overexploitation in the region， and maintaining the water and soil environment resources in the region.

Key words： rainwater collection; greenhouse facilities; water and fertilizer integration; water resources

石家莊市是河北省的省會，位于河北省中南部，處于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季寒暑分明，夏季降雨量大，可占全年降水量的60%～70%。2018年石家莊市全市平均降水509.2 mm，同時伴有階段性干旱與局地暴雨頻發(fā)的特點。冀中南地區(qū)地下水資源匱乏，地下漏斗情況嚴(yán)重，石家莊地區(qū)東部各平原縣是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)糧大縣，地下水超采現(xiàn)象更為嚴(yán)重[1]。石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院位于石家莊市區(qū)北三環(huán)附近，處于市區(qū)與正定新區(qū)的連接線上，毗鄰太平河風(fēng)景區(qū)，區(qū)位優(yōu)勢顯著，是城市北部太平河景區(qū)綠色長廊中的一部分。研究院占地面積53.1 hm2，以小麥試驗地和棉花試驗地為主，其中建有2個現(xiàn)代化連棟溫室，總面積5 401.6 m2，年耗水量約為6 000 t，現(xiàn)為高山杜鵑及設(shè)施蔬菜的科研試驗用地。

由于棚頂?shù)恼谏w，溫室內(nèi)常年使用滴灌、微噴等方式進(jìn)行灌溉，無法利用自然雨量，而通過溫室屋面收集的雨水屬于中性水，各項污染物含量較少，硬度也較低，無需進(jìn)行軟化等其他處理，可直接回用于農(nóng)業(yè)澆灌，從而有效節(jié)約地下水。同時，人工蓄水池的修建可以很好地解決降水不均帶來的地下水超采伴有的水土流失等環(huán)境問題，更好維護(hù)太平河風(fēng)景區(qū)內(nèi)的自然資源[2-4]。

1 雨水收集系統(tǒng)設(shè)計

溫室屋面雨水收集系統(tǒng)包含區(qū)域收集、屋面排水溝、落水管系統(tǒng)、初期雨水棄流、初級雨水收集池、離心過濾及砂石過濾系統(tǒng)、室內(nèi)儲水設(shè)施以及水肥一體灌溉系統(tǒng)。簡單來說，利用溫室屋面收集的雨水，通過雨水棄流、初級過濾、凈化，最終存貯在溫室的灌溉儲水罐中，供溫室內(nèi)灌溉使用[5]。

1.1 集水面積的確定

集水面積與建筑物的屋頂坡度及造型無關(guān)，一般主要與集水屋頂?shù)乃酵队耙约暗孛婕鄣奈恢迷O(shè)置相關(guān)。如果排水溝設(shè)置在屋頂坡向一側(cè)，則整個溫室屋頂?shù)乃酵队懊娣e都可作為集水面積[6]。該項目主要收集2座溫室屋頂?shù)挠晁?座溫室的面積分別為1 600.0和3 801.6 m2。所以該項目集水面積為5 401.6 m2（圖1）。

1.4 其他組成系統(tǒng)

（1）屋面收集：主要是2座溫室的屋頂，面積分別為1 600.0和3 801.6 m2。（2）屋面排水溝：利用溫室的天溝（雨槽），設(shè)雙端排水管。（3）落水管系統(tǒng)：垂直落水管利用溫室自身的落水管，在末端將落水口匯集在一起，并通向初級雨水收集池。（4）初級雨水棄流系統(tǒng)：雨水匯集管末端，安裝雨水棄流過濾器，初期雨水棄流裝置的主要作用是除去徑流中大部分污染物，泥沙、流土及細(xì)小的或溶解性污染物，已達(dá)到快速凈化水質(zhì)的目的。（5）初級雨水收集池：設(shè)于室外，用于暫時收集雨水，池內(nèi)設(shè)隔斷，將水池分成沉淀區(qū)和儲水區(qū)2部分;在儲水區(qū)安裝供水泵，在沉淀區(qū)安裝污水泵，定期清理并將污水排到污水井，水池容積為60 m3。（6）離心過濾及砂石過濾系統(tǒng)：在水池頂部設(shè)置一臺離心過濾器和一臺砂石過濾器，完成對初級雨水的過濾和凈化，處理過的雨水存入溫室內(nèi)的儲水罐[7-9]（詳見圖2）。（7）室內(nèi)儲水設(shè)施：在2座溫室內(nèi)部各設(shè)一個組裝式儲水罐，采用鍍鋅波浪鋼板現(xiàn)場組裝，內(nèi)襯PVC水襯，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、安全的大型儲水設(shè)施，儲水罐安裝施工簡單方便，使用壽命長，可作為臨時或永久式儲水設(shè)施，特別適合溫室灌溉系統(tǒng)的儲水等，儲水罐的容積為110 m3（詳見圖3）。

2 水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計

2.1 供水系統(tǒng)

溫室內(nèi)的水肥一體化系統(tǒng)采用雨水和自來水雙套供水系統(tǒng)，并設(shè)置切換功能，有效利用了純天然的雨水，在雨水不足的情況下，使用市政供水系統(tǒng)。共2座溫室，由于種植作物和種植方式不同，并分屬不同的使用者，在2座溫室內(nèi)各配一套相對獨立的水肥一體化系統(tǒng)[10]。

每套系統(tǒng)采用一臺水泵，額定流量為8 m3/h，揚(yáng)程為36 m。配置一臺電控箱，可實現(xiàn)手動操作，也可由施肥機(jī)來實現(xiàn)全自動控制。主管路為50 UPVC管，位于溫室中間主道路布置。每棟溫室配一個取水口、一個電磁閥，由施肥機(jī)實現(xiàn)自動滴灌控制。水源來自溫室內(nèi)儲水罐，當(dāng)儲水罐水源不足時可切換其他供水水源[11]。

2.2 灌溉系統(tǒng)

該項目采用噴灌機(jī)進(jìn)行灌溉，并在每棟溫室設(shè)置一個取水口，便于其他灌溉使用。每座溫室配一臺噴灌機(jī)，溫室內(nèi)配置噴灌機(jī)工作軌道和轉(zhuǎn)移軌道[12]。溫室一配8條工作軌道，每條長度44 m，轉(zhuǎn)移軌道長80 m，軌道總長432 m;溫室二配5條工作軌道，每條長度40 m，轉(zhuǎn)移軌道長40 m，軌道總長240 m。

2.3 配肥系統(tǒng)

采用一臺AUTO-A8施肥機(jī)，具有EC、pH值檢測和混液箱低液位檢測等功能，同時主體結(jié)構(gòu)采用工業(yè)鋁合金框架，面板采用觸摸屏方便操作，使用時可根據(jù)作物生長需要進(jìn)行配方，營養(yǎng)液按需要的比例自動配比稀釋。在施肥過程中結(jié)合環(huán)境條件，可以采用時間、光照累積度和時間復(fù)合控制等模式供肥供水，與溫室環(huán)境控制系統(tǒng)可實現(xiàn)無縫連接，共同組建成現(xiàn)代化的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)和水肥管理系統(tǒng)[13]。

3 效益分析與估算

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

該項目利用雨水收集系統(tǒng)可實現(xiàn)日光溫室節(jié)水灌溉的目的，同時雨水收集系統(tǒng)與增設(shè)的水肥一體化系統(tǒng)相結(jié)合， 更可達(dá)到節(jié)肥增效、省工省時的目的。雨水收集系統(tǒng)與水肥一體化系統(tǒng)的設(shè)置有效提高了灌溉水利用系數(shù)，預(yù)計在該項目中可實現(xiàn)年節(jié)水2 924.1 m3，按工程運(yùn)行年限30 a計算，工程壽命期內(nèi)可減少使用地下水8.77萬m3，同時減少各項人工成本及環(huán)境維護(hù)成本，總體經(jīng)濟(jì)效益顯著[14]。

3.2 生態(tài)環(huán)境效益

該項目可有效減少區(qū)域內(nèi)的地下水開采，既可滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)作物科研試驗及生長用水，又能合理蓄存夏季豐沛的雨水，涵養(yǎng)太平河風(fēng)景區(qū)的水土資源，緩解冀中南地區(qū)地下漏斗擴(kuò)大情況的蔓延，有效保護(hù)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境長遠(yuǎn)發(fā)展，生態(tài)效益顯著[15]。

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（責(zé)任編輯：張煥裕）