城市集雨及綠地節灌智能控制一體化系統研究

閆秀婧 汪浩然 丑晨 高昕葳 甘雨田

［關鍵詞］ 城市集雨；綠地節灌；智能控制；一體化系統

［摘 要］ 為有效減少城市公共區雨水徑流量，減輕城市內澇排水的壓力，減少雨污合流，實現綠地建設與地下蓄水池的有機統一，節約地面建設空間和水資源，保證城鎮綠化景觀的完整性和空間利用的整齊劃一，達到節約利用水資源和園林人力管護成本的目的，以城市雨水收集和利用為研究對象，在城市綠化區建造地下蓄水池，結合5G技術、傳感器技術、嵌入式技術、自動控制技術，集成開發一套雨水自動收集和綠化自動澆灌控制系統，可實現城市雨水自動收集和儲量的檢測、澆灌綠地土壤濕度檢測，同時記錄蓄水池水位信息、土壤濕度信息、綠地噴灌狀態以及儲存歷史數據，以便回溯和分析。

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

水是生命之源，是人們生活生產中不可或缺的一項重要資源，是促進社會經濟發展、推動文明進步的重要因素。我國城市水資源極其匱乏，全國城市每年缺水60億m3，每年因缺水造成經濟損失2 000億元。城市公園和綠地作為“城市之肺”，可以凈化空氣、涵養水源、調節局部小氣候，但養護城市園林、綠地也需要耗費大量寶貴的水資源，而我國有近一半城市水資源緊缺。雨水是優質的天然水源，采用最經濟、最超前、最先進的城市天然雨水自動收集及綠地自動澆灌系統是非常迫切和需要的。

1 雨水資源化利用技術研究現狀

國外雨水資源化利用起步較早，從20世紀60年代開始，發達國家長期致力于雨水資源化利用技術的研發和實踐探索，目前已形成較為成熟的雨水資源化利用技術和做法。日本最早實施雨水利用工程，在東京都墨田區把降到各家屋頂的雨水通過導水管收集到水箱中，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用性技術、行業標準和管理條例，無論是工業、商業還是居民小區均要設計雨水利用設施，否則將征收雨水排放設施費和雨水排放費，部分地區利用雨水可節約飲用水達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90年代，雨水的集蓄利用主要集中在農業灌溉方面，如甘肅的“121”雨水集流節灌工程、寧夏的“窯窖農業”、陜西的“甘露”工程、內蒙古的“集雨節水灌溉”工程等[3-4]。我國城市雨水資源化利用研究始于20世紀80年，發展于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、深圳等城市結合自身的具體情況陸續開展了雨水利用研究，但大多處于示范階段，并沒有實質性投入使用[5-6]。隨著慶陽、廈門、西安、嘉興等地的海綿城市建設陸續進行，對雨水資源化利用的研究也有了許多突破，主要是通過建設海綿城市將雨水引入地下，解決城市排水問題并進行地下水源的補充[6-8]。但是，將綠化區和地下雨水蓄水池建設整合進行雨水收集，并將收集的雨水用于綠地自動澆灌，以實現自動集雨和綠地節灌的研究較少。

2 要解決的關鍵問題

系統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；同時記錄水位信息、土壤濕度信息、噴灌狀態以及儲存歷史數據，以便回溯和分析。

2.1 雨水蓄水池建設

在城市綠地建設中，根據地理位置和雨水收集需要，選擇適宜區域修建地下蓄水池，通過設計地埋雨水收集管道和雨水自動感應開關將雨水引入蓄水池中，實現雨水收集、雨水儲量檢測。在蓄水池建設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，其結構見圖1。為解決雨水蓄水池水壓不足問題，需要安裝增壓泵實現噴灌水壓管理，并安裝水量感應器，在檢測到蓄水量達到下限值時，停止所有噴灌。

2.2 智能感應器的選擇與使用

所有智能感應器必須實現在地下防銹、防電、防腐的功能，并且保證在10～15 a內不更換，這涉及控制系統的整體功能。埋入綠地的土壤濕度感應器，其埋深根據植物根系深度確定，土壤濕度上下限也要根據植物的需水量設置，當土壤濕度低于濕度下限時開始灌溉，高于濕度上限時停止灌溉。水流感應器布設在蓄水池表面，要考慮其抗壓功能，并在水流感應器上設置水流量感應閾值，達到閾值時蓄水池蓋打開，開始蓄水，否則關閉蓄水池蓋。水位感應器在檢測到蓄水池水滿時，關閉蓄水池蓋，以防止蒸發引起水量減少。水量感應器設置在蓄水池中，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 自動控制管理系統研發

選定適合擴展和控制的單片機進行集成控制，實現蓄水池蓋開關、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 控制管理系統及移動端APP研發

研發PC控制管理系統或移動端APP，控制單片機進行蓄水量、土壤濕度、噴灌狀態等過程的管理，實現過程的控制和數據的回溯及分析。

3 關鍵技術設計與實現

3.1 蓄水池建設關鍵技術

（1）蓄水池的選址要與綠地協調統一，同時考慮地埋雨水引流管與周邊建筑物的關聯，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進行凈化處理，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，結合控制系統，在無降雨和蓄水池水位達上限時，確保蓄水池蓋關閉，水不蒸發和減少，為綠地灌溉提供保證。

3.2 自動控制系統功能實現及工作機理

自動控制系統功能實現重點集中在蓄水池水位監測與管理、水流感應控制與管理、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）蓄水池水位監測與管理終端主要實現水位監測與信號傳遞。當水位達到蓄水池上限時，將信號傳遞給蓄水池蓋或引流管蓋控制器，觸發控制器發出信息控制蓄水池蓋或引流管蓋自動關閉。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）水流感應控制與管理終端主要實現引流管和過濾裝置下面的水流感應與管理。當引流管或過濾裝置下面的水流感應器感應到水流后，將信號傳遞給蓄水池蓋或引流管蓋控制器，觸發控制器發出信息控制蓄水池蓋或引流管蓋自動打開； 閆秀婧等：城市集雨及綠地節灌智能控制一體化系統研究沒有水流感應信號時發出控制信息，控制蓄水池蓋和引流管蓋自動關閉。

（3）綠地土壤濕度控制與管理終端主要實現綠地植物需水量的監測與管理。根據植物需水量設置土壤濕度最大閾值和最小閾值，當土壤濕度感應器監測到土壤濕度已經達到閾值時，將信號傳遞給澆灌控制器，觸發澆灌控制器發出信息控制綠地噴灌系統啟動工作或停止工作。

（4）綠地澆灌控制與管理終端主要實現蓄水池水量的監測。當蓄水池中水量達到下限值時，發送信號傳遞給噴灌控制器，觸發綠地噴灌系統停止工作。

控制系統工作機理見圖2，控制器工作流程見圖3。

4 結 語

（1）利用城市綠化區地下空間，綜合考慮雨水收集的便利性、集中性進行選址，借助市場上抗滲防漏性能優良的大量雨水收集模塊修建室外地埋雨水蓄水池，構建雨水收集和綠地澆灌自動控制一體化系統，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）將水流感應器、水量感應器、土壤濕度感應器整合，研建雨水自動收集及綠地自動澆灌集成控制系統，實現集雨與綠地澆灌的自動化，并借助于5G技術，將雨水自動收集和綠地自動澆灌信息實時發送到移動客戶端，進行蓄水狀態和澆灌狀態的實時管理和監測，有助于智慧城市的建設。

（3）結合人工智能和自動控制系統，進行城市各建筑區雨水的收集與綠地節灌，實現雨水自動收集管理、蓄水池水量自動檢測、土壤濕度檢測、綠地噴灌的自動管控，可有效解決城市內澇和人力資源短缺問題，降低綠化澆灌管理成本，節約利用城市水資源。? （4）將綠化區建設與地下雨水收集池建設理念整合，應用于各建筑區規劃建設中，可實現綠地建設與地下蓄水池的有機統一，既節約地面建設空間和水資源，又保證小區綠化景觀的完整性和空間利用的整齊劃一，在未來城鎮化小區建設中具有廣闊的應用前景。

[參考文獻]

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[8] 吳玉福.白銀市雨水集蓄利用與社會經濟效益調查[J].中國水土保持，2011（10）：42-43.

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

［收稿日期］ 2022-10-19

（責任編輯 徐素霞）