智能大棚雨水收集与回用系统设计与应用

李光吉 ，张灵真 ，刘 凯

（1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014；2.山东省水利厅外资利用服务中心，山东 济南 250014）

山东省平原区地下水漏斗区面积达12210km2，约占全国的1/5，其中最严重的潍北地区已形成山东省最大的地下水漏斗区，即淄博-潍坊漏斗区，面积达5 422 km2，占全省漏斗区总面积的45%，居全国第二位。寿光处于淄博-潍坊漏斗区中心位置，大量的蔬菜种植造成了严重的地下水超采，地下水超采区综合治理迫在眉睫。

1 项目背景及项目区概况

1.1 项目背景

自上世纪70年代以来，随着寿光市经济社会的迅速发展，对地下水资源的过度利用，地下水位呈现明显逐年下降趋势。为此，探索一种新型节水模式，建设智能大棚雨水收集与回用系统，减少农业灌溉用水量，对地下水漏斗区综合治理提供示范意义重大。

1.2 项目区概况

华天光伏农业示范基地，位于寿光市西部，丹河东岸，张家营村西，西稻田村北。园区内现有17个冬暖式大棚，主要种植葡萄、西红柿，后墙采用土墙便于保温，棚顶使用钢结构，利用太阳能电池板和透光玻璃代替常用的塑料薄膜。大棚单棚长100 m，内部种植面积超过1 000 m2，连墙体总占地面积为1 500 m2。钢结构连栋温室大棚2个，主要以葡萄为主，总建筑面积5 000 m2，太阳能电池板铺设面积为50%。大棚灌溉模式主要是滴灌与喷灌相结合，生物肥与冲施肥相结合，病虫害防治主要采用太阳能杀虫灯、生物防治以及高效低毒农药三位一体的模式。

2 工艺流程及控制参数

雨水收集与回用工程主要由雨水收集系统、净化系统、蓄存及回用系统组成。雨水收集系统包括集流沟和汇流沟；净化系统包括集流沟盖板、集流沟及汇流沟末端拦污栅、弃流装置、沉沙池等；蓄存及回用系统包括蓄水池、水泵及灌溉管网等。

雨水收集及回用流程为：棚顶雨水经过棚前集流沟收集，经集流沟末端弃流装置将初期降水部分弃流，弃流后雨水汇入汇流沟后送至沉沙池，经沉沙过滤后由管道输水进入蓄水池，蓄水池内设有潜水泵，自蓄水池提水返回入大棚内灌溉管网系统。雨水收集流程示意见图1。

图1 雨水收集及回用流程图

根据雨水收集及回用工艺流程，工艺主要控制参数包括：可收集雨量、需水量、蓄水池容积、单方水成本、亩均地下水压采量等。

3 工程规模

3.1 集水量计算

园区作物种植为大棚蔬菜，设计保证率采用75%；利用1～15#冬暖棚集水，集流面积合计为22 855 m2。采用典型年法计算年降水量，典型年选择1988年，年降水量为466.3 mm，以此，计算可收集雨量为7 461 m3。集流时间选择在降水量较为集中的5～9月份进行。

3.2 需水量

大棚总种植面积2.6 hm2，其中西红柿种植面积1.2 hm2，葡萄种植面积1.3 hm2，棚内绿化面积0.1 hm2。参照《山东省主要农作物灌溉定额》，年总需水量6 650 m3。示范区现有工作人员7人，办公区建筑面积280 m2，示范区清洗、冲厕年用水量131 m3。

3.3 蓄水池容积调算

采用典型年调节法，以死库容起调，起调时间为5月初，蒸发渗漏损失按月供水量的10%计列。为保证蓄水池供水水质、同时考虑泥沙沉降造成淤积，水泵最低起调水位在池底以上50 cm，水池内面积1 110 m2，即死库容为555 m3。经调算，蓄水池容积为4 434 m3。

4 雨水集蓄与回用工程方案

4.1 总体布局

根据工艺流程及园区内大棚总体布置，于1#～15#大棚的南侧各布置集流沟1条，集流沟共15条，沿东西向布置，与大棚长度相同；棚顶雨水经有效收集后，流入棚前的集流沟，各集流沟汇和雨水至汇流沟，汇流沟共2条，平行布置于道路两侧。汇流沟自北向南流至沉沙池，经沉沙过滤后，由管道输水进入布置在15#棚南侧的蓄水池，蓄水池内设有潜水泵，自蓄水池提水入各大棚的灌溉管网。

4.2 集雨流量

1）设计暴雨强度。暴雨重现期采用2年，降雨历时为5 min，经计算，暴雨强度q=351 L/（s·hm2）。

2）集雨流量。根据各大棚集雨面积计算，集流沟雨水设计流量采用0.06 m3/s。

4.3 工程方案

1）集流沟。采用预制C25混凝土板衬砌，预制板厚0.06 m。根据工程总体布局，确定集流沟比降为1/1 000，沟宽0.5 m，深0.5 m，设计水深0.26 m。为了防止落叶及较大杂物进入集流沟，在沟上加盖750mm×450 mm×40 mm的雨水沟盖板。同时集流沟两侧铺设花砖，与大棚相邻侧铺至棚角，另一侧花砖向沟外按2‰坡降铺设，落入外侧花砖及砖外的雨水不再汇入集流沟内。

2）汇流沟。汇流沟布置于项目区中心道路两侧，自北向南分别汇流 1～8#、9#～15#大棚雨水，比降采用1/500，设计水深0.5 m，长180 m。末端接Φ500的PVC管道入沉沙池。汇流沟采用U形渠道，渠道混凝土槽口宽度76.8 cm，圆弧直径60 cm，衬砌厚度6 cm，圆弧高度22.7 cm，渠道总深度80 cm。汇流沟上面设C25预制钢筋混凝土盖板，盖板厚0.1 m，长1.0 m，宽0.5 m。

3）沉沙池。本工程集蓄的雨水通过滴灌微喷形式灌溉，对水质要求较高，因此设置沉沙池。参照《雨水集蓄利用工程技术》，确定沉沙池长2 m，宽2 m。根据汇流沟末端沟底高程，确定沉沙池进水管道底高程为15.0 m，出水管道底高程为14.8 m，池底高程为14.0 m。沉沙池采用现浇C30钢筋混凝土结构，厚40 cm，沉沙池不设盖板。

4）蓄水池。根据空地尺寸及库容要求，考虑施工中两侧开挖影响，水池选定尺寸为15.6×77.0 m，混凝土顶板上覆土厚度为1 m，施工完毕后不影响绿化或蔬菜种植。

5）雨水回用设备。根据计算选用150QJ32-36型井泵1台，水泵设计流量Q=32 m3/h，扬程H=36 m，转速2 850 r/min，配套功率5.5 kW。

5 成本及效益分析

5.1 成本分析

雨水利用工程的成本包括固定资产投资和年运营成本两部分。

5.1.1 固定资产投资

包括土建工程费用（含构筑物和管道等）、设备及安装工程费和其他工程费等；根据设计方案，本工程投资概算225万元，其中汇流沟及集流沟60万元、沉沙池及蓄水池150万元、回用设备及安装15万元。

5.1.2 运营成本

运营成本包括动力费、折旧费、维护管理费等其他费用。

1）动力费。计算公式为：C=N·T·d

式中：N为水泵电机功率，kW；其他照明用电设备，所占比例甚小，忽略不计；T为全年电机工作时间，h；d为电费单价，元/kWh。经计算，本工程年动力费为760元。

2）折旧费。按30年使用年限，不计残值，则年折旧费为7.5万元。

3）维护管理费等其他费用。包括污泥处置、水质分析、维护管理等其他费用，按以上费用的10%计，为0.8万元。经计算，本项目年运行成本8.37万元。

5.2 效益分析

经分析，项目区雨水收集及回用工艺主要参数指标为：年降雨量466.3 mm，集水面积22 855 m2，年径流量为9 058 m3，年收集雨水量7 461 m3，雨水收集率为82%；蓄水池容积4 434 m3，如果收集雨水能全部用于灌溉，能控制蔬菜灌溉面积2.59 hm2。

根据项目区的成本分析，集蓄回用系统单方雨水年运行成本为11.2元，每亩年可减少地下水开采，即地下水压采量为192 m3。

6 前景展望

根据项目区雨水集蓄及回用方案，智能大棚雨水收集与回用系统主要控制指标为：75%保证率下，单方水集流面积为3.06 m2，每亩集水面积为593.6 m2，每亩需要的蓄水池容积为114 m3。根据以上指标，即可以实现雨水集蓄与蔬菜灌溉的“集灌平衡”，实现“自给自足”，灌溉全部是处理过的雨水，不仅节水还省了人工。在降水量偏少的我国东部平原区，对高耗水的蔬菜等经济作物大棚种植区，因地制宜配备雨水收集与利用系统在技术上是可行的，具有较高的推广价值和示范意义。