城市绿化带雨水收集灌溉系统研究

王正金 黄川腾 张 政 杨 梨

（遵义师范学院，贵州 遵义 563006）

0 引言

随着国家城市化建设进程加快，中央绿化带道路和城市绿化带急剧增加，随之而来的是绿化带灌溉消耗大量人力、物力和水资源，但是仍不能保证植株较高的存活率。目前，传统的灌溉技术不能根据土壤湿度和植株耐受度合理地控制浇灌水量，水资源无法高效利用且不能实现节水灌溉，同时，快速路面采用传统人工灌溉还存在安全隐患。

近年来，国内外对植株灌溉技术的研究重点正从工程灌溉水技术向生物（生理）灌溉技术等方向转移，提出诸如调亏灌溉（RdI）、部分根干燥（PRD）和分根区交替灌溉（ARDI）等作物生理节水新技术[1]，以提高作物的存活率和品质。归根结底，控制植物需水的适时适量供给，是作物灌溉控制技术的核心。

该文拟研发推广一种城市绿化带雨水收集节水灌溉系统，基于解决水资源缺乏和植物需水的适时适量供给这2个核心问题，达到环保节水、降低人力消耗、提高植株存活率、避免人工浇灌对交通的影响和操作安全隐患的有益效果。

1 常见绿化带灌溉方式

1.1 传统式灌溉

目前，传统绿化带灌溉的控制方式主要有2 种。1）经验性灌溉（如图 1（a）所示），按照传统生产经验控制植物需水灌溉的时间和灌水量。前期投资较少，工艺简单，但是不能根据土壤湿度和植株耐受度合理地控制浇灌水量，水资源无法高效利用且不能实现节水灌溉。此外，后期成本投入大，影响城市交通，造成路面积水，浪费水资源。2）喷灌（如图 1（b）所示），实时进行覆盖性灌溉，是目前市场上使用量最大的灌溉方式。此灌溉方式相对传统经验化灌溉方式更为自动化，后期成本投入相对少，但此灌溉方式在喷洒时加大了水分的蒸发，不能很好地将水分渗透入植物根部，并未达到真正的节水灌溉。此外，喷灌产生的水雾会对车辆行驶造成影响，存在安全隐患。上述2种传统的绿化带浇灌方式越来越达不到国家的环保标准。

1.2 现有新型灌溉系统

传统灌溉方式越来越达不到国家环保要求标准，自2016 年国务院印发《“十三五”节能减排综合工作方案》后，在绿化带灌溉系统革新方面出现很多实用创新性系统。

图1 传统灌溉模式

图2 （a）和图2 （b）为市面上的2 种改进后的灌溉装置[3-4]，2 种灌溉装置都停留在对浇灌管道和喷水装置的优化，没有从根本上解决问题，未能达到实质性节水效果。

图3 为一种智能化、精准化的灌溉系统[2]，该系统是一种结合计算机应用技术、传感器应用技术、卫星监测技术等多种技术为一体的智能化灌溉系统，采用这种智能化控制系统，节水效果相对显著，达到了一定的节水灌溉，但这种智能化精确化的灌溉系统生产成本和维修成本较高，不能够大面积推广,并且不能将雨水净化收集利用，优点单一。

图2 绿化带灌溉装置现有专利成果

图3 智能化精准化的灌溉

2 新型雨水收集灌溉系统研发

2.1 系统概况

基于上述问题，该文研发推广了一种城市绿化带节水灌溉系统，该系统充分利用自然资源，合理收集、过滤、储存雨水，根据植株品类合理规划土壤最佳湿度范围，实时监测土壤湿度精确进行地下渗灌。城市绿化带雨水收集灌溉系统包括雨水收集系统和灌溉控制系统。

2.1.1 雨水收集系统

如图 4 所示，该系统涉及的雨水收集系统包括蓄水机构和过滤机构。其中过滤机构设有排水管道、筛板、溢水机构和过滤管道等构件；为了不影响绿化带的施工结构，过滤管道设置在绿化带的外侧，过滤管道的开口与绿化带外侧的路面连通，并在过滤管道的开口处设有筛板；雨水经过道路自成坡道流向过滤机构，经筛板进行一次过滤后流向集水管道中，再经过倾斜的滤板进行二次过滤最终进入溢水机构。

所述溢水机构包括“L”形的阻挡板和接水板，接水板和阻挡版与过滤管道的一侧相向固定连接；过滤管道的下端连通有储水箱，为了防止雨水出现倒灌现象，储水箱的底部与下水道连通，并在储水箱的底部设有放水机构。

放水机构如图5 所示，包括齿环、转轴和固定环。固定环内设有圆形的封闭板，封闭板内设多块扇形的叶片，固定环外设有多根转轴，转轴的一端穿过固定环与叶片转动连接，另一端固定连接有齿轮，齿环滑动连接在固定环外，齿轮与齿环啮合；储水箱内的顶部设有液位开关，液位开关与放水机构共同作用，用于控制电机的开闭，储水量达到液位开关的位置时，液位开关启动放水机构进行放水。储水箱内设有抽水泵，灌溉管道位于绿化带内且灌溉管道侧壁均布有孔洞，抽水泵与灌溉管道连通。

图4 结构示意图

图5 放水机构的俯视图

2.1.2 灌溉控制系统

如图6 所示，灌溉控制系统涉及的储电池、控制器和湿度传感器采用电连接。湿度传感器用于感应土壤的湿度，湿度传感器的信号传输口与控制器的信号接收端连接，控制器接收湿度传感器发出的湿度数据，并根据湿度数据控制抽水泵的开闭。系统运行涉及的能源由太阳能板接收太阳能，将其转化为电能后储存在储电池内，储电池为控制器和湿度传感器提供电能，湿度传感器将土壤湿度数据发送给控制器，根据不同植被的需水量不同，调节控制器，当土壤湿度过低时控制器控制抽水泵开启，就可以进行实时精确的灌溉。

图6 城市绿化带雨水收集灌溉系统的工作示意图信号传输图

2.2 具体实施方式

该文所述城市绿化带雨水收集灌溉系统实施方式：下雨时，雨水通过筛板进入过滤管道，筛板可将雨水中直径较大的垃圾与雨水分离开，接着雨水在过滤管道中经过过滤板，泥土与雨水被过滤板隔离开，由于过滤板倾斜设置且过滤板的最低端与排水管道的最低端固定连接，泥土随着倾斜的过滤板滑落到排水管道中，而雨水通过过滤板流到接水板内，当水量高于接水板悬空的一端时雨水就会溢出流到储水箱内；溢水机构可防止水分蒸发、雨水发酵后臭气溢出，还可使汽车排放的尾气与储水箱隔绝，以防止储水箱中的雨水被外界尾气污染；此外，溢水机构可以减少空气与雨水的接触，从而减少酸性氧化物在水中的溶解量，使储水器中的水偏于中性，更有助于植株的生长。

如果下大雨储水箱中的雨水量达到液位开关的位置时，液位开关开启，电机启动，电机带动与之相连接的转轴转动，其中转轴转动带动与其固定连接的叶片转动，同时，又由于储水箱的底部与下水道连通，雨水从储水箱内流出，流入到下水道，这样就可防止储水箱内水过多而溢出到路面。

雨水进入储水箱后开始储存，当规划范围泥土湿度小于设定值时，控制器控制抽水泵开启，使得雨水通过灌溉管道进入到绿化带内，实现植物的吸水于供给之间处于动态平衡，对植物的生长起到了促进的作用。

3 结语

该文研发的城市绿化带雨水收集节水灌溉可以收集、过滤、储存雨水，根据植株品类合理规划土壤最佳湿度范围，实时监测土壤湿度精确进行地下渗灌；充分利用了自然资源，实现智能灌溉，解决了水资源缺乏和植物需水的适时适量供给2 个核心问题，达到环保节水、降低人力消耗、提高植株存活率、避免人工浇灌对交通的影响的有益效果。

该系统在多次模拟实验中运行效果良好，在后续的研究发展中将会加入智能监控和结构装配式等部分，为进一步市场开发和绿化带雨水收集灌溉施工提供新的思路和借鉴。