基于海綿理念的居民區雨水回收及智能化利用系統

臧晗博，王曉龍，于林平，朱永英，閆世龍，閆銘澤，宿耀坤，葉瑞鵬，麥紫祺

(大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

1 研究背景

我國是一個水資源嚴重缺乏的國家，多年平均水資源位居世界第6，而人均擁有水資源量居于世界第 110 位[1]，僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。與此同時我國雨水資源卻浪費嚴重，我國年均降雨量超過6萬億m3，而進行收集再利用的卻很少。若能把大部分雨水進行回收再利用[2]，將會有效地緩解我國的缺水問題。隨著城市化進程的加速,樓房、路面、廣場等建筑硬化而不透水的面積日益增多，使得大量的降水因無法得到有效合理的收集和滲透而被浪費掉。同時暴雨又經常引起城市內澇，導致許多街道被淹沒，嚴重影響交通和人們的正常生活，甚至威脅到了人們的生命安全。海綿城市[3]概念的提出與推行不但能夠緩解了城市內澇的局面，而且有效地增加了雨水的收集和二次利用，使我國水資源匱乏的問題得到有效改善。在我國城市建設用地中，建筑小區用地約占總用地的40%,其產生的雨水徑流約占城市徑流總量的50%[4]。因此,如何實現對建筑小區雨水徑流的有效控制利用，已成為海綿城市建設的重要內容之一。2015年國務院75號文《關于推進海綿城市建設的指導意見》中也明確提出建設海綿型建筑小區。

基于此，在研究分析城市降雨量及雨水回收利用技術等信息的基礎上，基于高效節水、人水和諧[5]的可持續發展理念，提出了一種居民區雨水海綿式回收及智能化利用系統，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術[6]，實現了雨水在社區的積存、滲透和凈化利用。在高效回收雨水、防止自然災害的同時，利用云端智能將雨水綜合利用起來，為推進海綿社區建設提供參考[7]。

2 居民區雨水回收及智能化利用系統

該系統主要由雨水發電裝置、雨水收集及存儲裝置(含下凹式綠地、透水瀝青、透水方磚、過濾裝置)、云端智能噴灌裝置及光感應洗車裝置等部分組成。

2.1 設計思路及原理

2.1.1 雨水發電裝置

降雨時，屋面的雨水通過簡單過濾經由雨水立管進入發電裝置，在水流沖擊作用下，水輪機開始旋轉，將水的重力勢能轉換為機械能，水輪機又帶動同軸相連的發電機旋轉。在勵磁電流的作用下，發電機的定子繞組切割勵磁磁力線產生感應電動勢[8]，輸出電能，并且將電能儲入蓄電裝置，用于社區照明和供電。發電后的雨水進入一級蓄水池。

2.1.2 雨水收集及存儲裝置

路面的雨水通過透水磚和透水瀝青[9]搭配開孔式路緣石[10]，通過滲導結合的方式，匯入一級蓄水池，當降水量過大時，透水鋪裝上的雨水漫入下凹式綠地[11]，將一部分雨水滯留在綠地中用于補充地下水，另一部分雨水通過預先設置的溢流口流入地下蓄水裝置[12]，用于系統的供水，防止社區發生內澇。

2.1.3 光感應洗車裝置

根據光感應的原理，當汽車駛入停車位時，裝在停車位上的光感應頭感受光線被遮擋變暗，光敏傳感器[13]就會接到感應，并向手機 APP 發出信號，通過 APP 控制驅動水泵轉動從二級蓄水池中抽水，實現自動洗車。清洗后汽車駛出停車位或通過手機 APP 關閉，感應器停止工作，結束洗車。

2.1.4 云端智能噴灌裝置

WIFI連接路由器，路由器連接以太網，以太網訪問服務器云端，手機通過網絡訪問服務器云端實現手機和綠化裝置的通訊。小區綠地通過土壤濕度傳感器[14]感應土壤濕度，當綠地缺水時，濕度傳感器向手機發出信號預警，手機 APP 通過網絡訪問服務器云端，控制一級蓄水池水泵開關，實現遠程遙控定時定量噴灑。

2.2 系統結構組成圖

系統結構見圖1、圖2。

圖2 實物模型

2.3 系統工作流程

系統工作流程見圖3。

圖3 結構流程

2.4 模擬實驗

制作系統模型，尺寸85 cm×60 cm×80 cm，以不同的速度傾倒2 L的雨水，進行模擬實驗，待水位剛剛降至面層下方時記錄耗時，實驗結果見表1和表2。

表1 模擬小雨實驗

表2 模擬暴雨實驗

(1)模擬5次小雨，降雨量為8 mm/24 h，將2 L水緩慢傾倒在模型面層上，平均總計用時12.3 s。

(2)模擬5次暴雨，降雨量為100 mm/24 h，將2 L水快速傾倒在模型面層上，平均總計用時3.4 s。

由表1和表2可以看出，模擬小雨時，模型匯集的雨水徑流中90%以上下滲補給地下水，8%的雨水經過濾進入一級蓄水池中，實驗得出透水率約 150 L/mm2·min，發電量約為4.4 W。模擬暴雨時模型匯集的雨水徑流中87%進入一級蓄水池，10%滲入地下，實驗得出透水率約150 L/mm2·min，發電量為約為5 W。由模型實驗可以看出，本系統充分回收并利用云端控制雨水的自由遷移，符合設計理念要求，能夠快速有效排開雨水，防止社區內澇，實現節能減排和充分利用水資源的目標。

3 創新特色

該系統基于海綿城市理念，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術，實現了居民區雨水的收集、滲透和智能綜合利用。本系統有以下三大特色。

3.1 雨水發電

傳統的雨水立管往往采用消能裝置消減雨水的動能，此種方法能量的利用率低且噪音大。本系統充分利用雨水進行發電，在消能的同時將雨水勢能轉化為電能，實現節能環保。

3.2 有效排水

采用滲導結合的理念，在透水性能良好的路面基礎上，搭配開孔式路緣石、下沉綠地、植被緩沖帶及下凹式綠地，對雨水疏導、過濾和凈化，有效防控社區內澇。

3.3 云端智能雨水再利用

通過手機 APP 控制，對存儲和凈化的雨水進行再利用，實現草地智能噴灌、路面自動清潔以及光感應自動洗車等功能。

4 結論

本文基于海綿城市理念，提出了一個居民區雨水海綿式回收及智能化利用系統。該系統通過滲導結合的方式將雨水進行有效收集并存儲，充分利用雨水勢能發電，并利用云端智能實現草地自動噴灌以及光感應自動洗車等功能，在高效回收雨水、防止自然災害的同時，利用云端智能將雨水綜合利用起來，實現了高效節水、節能環保的可持續發展目標。也落實了海綿理念，使居民區在應對雨水帶來的自然災害時具有了良好的“彈性”，可為推進海綿社區建設提供參考。