城市集雨及绿地节灌智能控制一体化系统研究

闫秀婧 汪浩然 丑晨 高昕葳 甘雨田

［关键词］ 城市集雨；绿地节灌；智能控制；一体化系统

［摘 要］ 为有效减少城市公共区雨水径流量，减轻城市内涝排水的压力，减少雨污合流，实现绿地建设与地下蓄水池的有机统一，节约地面建设空间和水资源，保证城镇绿化景观的完整性和空间利用的整齐划一，达到节约利用水资源和园林人力管护成本的目的，以城市雨水收集和利用为研究对象，在城市绿化区建造地下蓄水池，结合5G技术、传感器技术、嵌入式技术、自动控制技术，集成开发一套雨水自動收集和绿化自动浇灌控制系统，可实现城市雨水自动收集和储量的检测、浇灌绿地土壤湿度检测，同时记录蓄水池水位信息、土壤湿度信息、绿地喷灌状态以及储存历史数据，以便回溯和分析。

［中图分类号］ S157  ［文献标识码］ A  ［文章编号］ 1000－0941（2023）05－0009－03

水是生命之源，是人们生活生产中不可或缺的一项重要资源，是促进社会经济发展、推动文明进步的重要因素。我国城市水资源极其匮乏，全国城市每年缺水60亿m3，每年因缺水造成经济损失2 000亿元。城市公园和绿地作为“城市之肺”，可以净化空气、涵养水源、调节局部小气候，但养护城市园林、绿地也需要耗费大量宝贵的水资源，而我国有近一半城市水资源紧缺。雨水是优质的天然水源，采用最经济、最超前、最先进的城市天然雨水自动收集及绿地自动浇灌系统是非常迫切和需要的。

1 雨水资源化利用技术研究现状

国外雨水资源化利用起步较早，从20世纪60年代开始，发达国家长期致力于雨水资源化利用技术的研发和实践探索，目前已形成较为成熟的雨水资源化利用技术和做法。日本最早实施雨水利用工程，在东京都墨田区把降到各家屋顶的雨水通过导水管收集到水箱中，然后用于冲厕所、浇庭院和洗车等；美国雨水利用大多以蓄水回灌地下水为主，以提高天然入渗能力；德国在雨水资源化利用研究方面形成了一整套较为成熟的雨水资源利用的实用性技术、行业标准和管理条例，无论是工业、商业还是居民小区均要设计雨水利用设施，否则将征收雨水排放设施费和雨水排放费，部分地区利用雨水可节约饮用水达50％[1-2]。

我国雨水资源充沛，年降雨量约61 900亿m3，但雨水利用率不到１％[3]。20世纪90年代，雨水的集蓄利用主要集中在农业灌溉方面，如甘肃的“121”雨水集流节灌工程、宁夏的“窑窖农业”、陕西的“甘露”工程、内蒙古的“集雨节水灌溉”工程等[3-4]。我国城市雨水资源化利用研究始于20世纪80年，发展于90年代，大中城市的雨水利用推动力度较大，北京、天津、上海、青岛、大连、南京、深圳等城市结合自身的具体情况陆续开展了雨水利用研究，但大多处于示范阶段，并没有实质性投入使用[5-6]。随着庆阳、厦门、西安、嘉兴等地的海绵城市建设陆续进行，对雨水资源化利用的研究也有了许多突破，主要是通过建设海绵城市将雨水引入地下，解决城市排水问题并进行地下水源的补充[6-8]。但是，将绿化区和地下雨水蓄水池建设整合进行雨水收集，并将收集的雨水用于绿地自动浇灌，以实现自动集雨和绿地节灌的研究较少。

2 要解决的关键问题

系统主要解决雨水自动收集和雨水储量及绿地土壤湿度的检测，以确保雨水的有效收集与储存和绿地的自动浇灌；同时记录水位信息、土壤湿度信息、喷灌状态以及储存历史数据，以便回溯和分析。

2.1 雨水蓄水池建设

在城市绿地建设中，根据地理位置和雨水收集需要，选择适宜区域修建地下蓄水池，通过设计地埋雨水收集管道和雨水自动感应开关将雨水引入蓄水池中，实现雨水收集、雨水储量检测。在蓄水池建设中主要考虑蓄水池雨水收集管道的引流、过滤、防渗、防漏，蓄水量的大小，蓄水池的位置等因素，其结构见图1。为解决雨水蓄水池水压不足问题，需要安装增压泵实现喷灌水压管理，并安装水量感应器，在检测到蓄水量达到下限值时，停止所有喷灌。

2.2 智能感应器的选择与使用

所有智能感应器必须实现在地下防锈、防电、防腐的功能，并且保证在10～15 a内不更换，这涉及控制系统的整体功能。埋入绿地的土壤湿度感应器，其埋深根据植物根系深度确定，土壤湿度上下限也要根据植物的需水量设置，当土壤湿度低于湿度下限时开始灌溉，高于湿度上限时停止灌溉。水流感应器布设在蓄水池表面，要考虑其抗压功能，并在水流感应器上设置水流量感应阈值，达到阈值时蓄水池盖打开，开始蓄水，否则关闭蓄水池盖。水位感应器在检测到蓄水池水满时，关闭蓄水池盖，以防止蒸发引起水量减少。水量感应器设置在蓄水池中，主要检测蓄水池中水蓄积量是否允许水泵开启浇灌模式，要具有防锈、防电、防腐能力。

2.3 自动控制管理系统研发

选定适合扩展和控制的单片机进行集成控制，实现蓄水池盖开关、蓄水量检测、土壤湿度检测、喷灌与否的自动判断与自动控制。

2.4 控制管理系统及移动端APP研发

研发PC控制管理系统或移动端APP，控制单片机进行蓄水量、土壤湿度、喷灌状态等过程的管理，实现过程的控制和数据的回溯及分析。

3 关键技术设计与实现

3.1 蓄水池建设关键技术

（1）蓄水池的选址要与绿地协调统一，同时考虑地埋雨水引流管与周边建筑物的关联，确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层，选用适宜的滤板材料和净水滤料对雨水中的杂质进行净化处理，保证集留水能直接用于喷灌。

（3）选取合适的蓄水池盖和引流管盖材料，结合控制系统，在无降雨和蓄水池水位达上限时，确保蓄水池盖关闭，水不蒸发和减少，为绿地灌溉提供保证。

3.2 自动控制系统功能实现及工作机理

自动控制系统功能实现重点集中在蓄水池水位监测与管理、水流感应控制与管理、绿地土壤湿度控制与管理、绿地浇灌控制与管理4个方面。

（1）蓄水池水位监测与管理终端主要实现水位监测与信号传递。当水位达到蓄水池上限时，将信号传递给蓄水池盖或引流管盖控制器，触发控制器发出信息控制蓄水池盖或引流管盖自动关闭。只有接收到控制蓄水池盖或引流管盖自动打开的信号后，方可打开蓄水池盖或引流管盖。

（2）水流感应控制与管理终端主要实现引流管和过滤装置下面的水流感应与管理。当引流管或过滤装置下面的水流感应器感应到水流后，将信号传递给蓄水池盖或引流管盖控制器，触发控制器发出信息控制蓄水池盖或引流管盖自动打开； 闫秀婧等：城市集雨及绿地节灌智能控制一体化系统研究没有水流感应信号时发出控制信息，控制蓄水池盖和引流管盖自动关闭。

（3）绿地土壤湿度控制与管理终端主要实现绿地植物需水量的监测与管理。根据植物需水量设置土壤湿度最大阈值和最小阈值，当土壤湿度感应器监测到土壤湿度已经达到阈值时，将信号传递给浇灌控制器，触发浇灌控制器发出信息控制绿地喷灌系统启动工作或停止工作。

（4）绿地浇灌控制与管理终端主要实现蓄水池水量的监测。当蓄水池中水量达到下限值时，发送信号传递给喷灌控制器，触发绿地喷灌系统停止工作。

控制系统工作机理见图2，控制器工作流程见图3。

4 结 语

（1）利用城市绿化区地下空间，综合考虑雨水收集的便利性、集中性进行选址，借助市场上抗渗防漏性能优良的大量雨水收集模块修建室外地埋雨水蓄水池，构建雨水收集和绿地浇灌自动控制一体化系统，可解决城市雨水排放、绿地自动浇灌和雨水资源利用问题。

（2）将水流感应器、水量感应器、土壤湿度感应器整合，研建雨水自动收集及绿地自动浇灌集成控制系统，实现集雨与绿地浇灌的自动化，并借助于5G技术，将雨水自动收集和绿地自动浇灌信息实时发送到移动客户端，进行蓄水状态和浇灌状态的实时管理和监测，有助于智慧城市的建设。

（3）结合人工智能和自动控制系统，进行城市各建筑区雨水的收集与绿地节灌，实现雨水自动收集管理、蓄水池水量自动检测、土壤湿度检测、绿地喷灌的自动管控，可有效解决城市内涝和人力资源短缺问题，降低绿化浇灌管理成本，节约利用城市水资源。  （4）将绿化区建设与地下雨水收集池建设理念整合，应用于各建筑区规划建设中，可实现绿地建设与地下蓄水池的有机统一，既节约地面建设空间和水资源，又保证小区绿化景观的完整性和空间利用的整齐划一，在未来城镇化小区建设中具有广阔的应用前景。

[参考文献]

[1] 程江，徐启新，杨凯，等.国外城市雨水资源利用管理体系的比较及启示[J].中国给水排水，2007（12）：68-72.

[2] 刘应宗，李明，金宇澄.城市排水规划中雨水资源化问题探讨[J].中国给水排水，2003（12）：97-98.

[3] 杨金辉，张晓燕，杨斌，等.城市连栋温室雨水的收集与监测[J].环境工程，2017，35（增刊2）：21-24.

[4] 鹿新高，庞清江，邓爱丽，等.城市雨水资源化潜力及效益分析与利用模式探讨[J].水利经济，2010，28（1）：1-4.

[5] 佚名.绿色建筑雨水收集与海绵城市[DB/OL].（2016-11-04）[2022-09-30].https：//jz.docin.com/p-1774927316.html.

[6] 王大奎.海绵城市理念在城市绿地雨水回用设计中的应用分析[J].低碳世界 ，2021，11（2）：113-114.

[7] 陶虎，张少英，万冰清，等.黄土地区海绵城市建设中一种雨水收集系统的开发研究[J].应用基础与工程科学学报，2021，29（1）：91-101.

[8] 吴玉福.白银市雨水集蓄利用與社会经济效益调查[J].中国水土保持，2011（10）：42-43.

［作者简介］ 闫秀婧（1968—），女，甘肃天水人，教授，博士，主要从事林业信息化研究。

［收稿日期］ 2022-10-19

（责任编辑 徐素霞）