李頎 于林平* 劉祁華 盧鵬超 呂 榮 楊歸任

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

1 研究背景

我國(guó)的淡水總量豐富，位于世界第六位。但是由于人口基數(shù)和耕地面積基數(shù)較大，人均占有量相對(duì)很少。我國(guó)人均占有水資源量為2 300 m3，僅相當(dāng)于世界人均占有量的1/4，美國(guó)的1/6，排在世界的第121 位［1］。由于受到季風(fēng)的影響及水土資源組合的不平衡，導(dǎo)致了我國(guó)的水資源時(shí)間分布不平衡，空間分布不平均。農(nóng)業(yè)缺水、城市缺水及生態(tài)環(huán)境缺水是我國(guó)水資源短缺的三大問(wèn)題。調(diào)查數(shù)據(jù)表明，目前我國(guó)人均可利用水資源量?jī)H約為900 m3，已有300 多個(gè)城市缺水，水資源短缺已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的嚴(yán)重障礙。針對(duì)水資源短缺的狀況聯(lián)合國(guó)曾發(fā)出警告:人類(lèi)在石油危機(jī)之后，下一個(gè)危機(jī)就是水。因此，增強(qiáng)水的危機(jī)意識(shí)，保護(hù)水資源，珍惜水、節(jié)約水刻不容緩。另外，不合理利用等導(dǎo)致的水資源浪費(fèi)也成為主要問(wèn)題，合理利用水資源成了解決當(dāng)下問(wèn)題的主要途徑之一。其中，據(jù)初步測(cè)算我國(guó)平均每個(gè)家庭一天要消耗大約16 L 水來(lái)淘米、洗菜，一年則需要5 840 L，這些可回收利用水源每年大量流失造成了水資源的浪費(fèi)，因此家庭廢水的合理有效利用不可忽視［2-4］。與此同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，家庭綠化對(duì)于環(huán)境的凈化作用受到重視，人們希望通過(guò)家庭綠化美化環(huán)境、改善家庭環(huán)境質(zhì)量并享受綠色生活，但是由于生活節(jié)奏加快，在生活中總會(huì)有無(wú)暇照顧花草的時(shí)候，從而影響家庭花卉生長(zhǎng)，因此，實(shí)現(xiàn)家庭綠化的自動(dòng)化澆灌可以滿(mǎn)足人們享受綠色生活的需要。

2 家庭陽(yáng)臺(tái)綠化自動(dòng)澆灌裝置設(shè)計(jì)

基于家庭廚房廢水回收利用中存在的不足，研究并設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)⒓矣脧U水集中收集并用于自動(dòng)澆灌的家庭集水再利用裝置。

2.1 裝置的模塊設(shè)計(jì)

基于集水與自動(dòng)澆灌的需要，本裝置的設(shè)計(jì)主要由集水裝置、自動(dòng)澆灌系統(tǒng)兩部分組成。1)集水裝置:家庭廚房中淘米、洗菜水等可回收利用的水源通過(guò)管道經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入集水裝置(集水箱)。集水箱基于便于拆卸與清潔而設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理。2)家庭綠化自動(dòng)澆灌系統(tǒng):由供水澆灌裝置和水位監(jiān)測(cè)裝置兩部分構(gòu)成。供水澆灌裝置采用土壤濕度感應(yīng)原理，通過(guò)濕度感應(yīng)器自動(dòng)控制電磁閥及水泵的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制澆灌，為凈化及美化室內(nèi)環(huán)境提供保障。水位監(jiān)測(cè)裝置由電控制模塊及水位監(jiān)測(cè)探頭組成，通過(guò)集水箱內(nèi)水面位置高低監(jiān)測(cè)箱內(nèi)水量，當(dāng)水量不足時(shí)，可以接通家庭供水管路提供水源，保證自動(dòng)澆灌用水量，達(dá)到合理用水的目的。其供電部分采用雙重保障，即屋頂安裝太陽(yáng)能板，為電路模塊提供電能，節(jié)能環(huán)保;當(dāng)太陽(yáng)能板能量不足時(shí)，轉(zhuǎn)換為家庭用電系統(tǒng)繼續(xù)提供電能。集水裝置(集水箱)上部設(shè)計(jì)成小型家庭陽(yáng)臺(tái)花壇，其中栽種綠化盆栽等增加了裝置的使用功能同時(shí)滿(mǎn)足家庭綠化需要，裝置模型如圖1 所示。

圖1 家庭陽(yáng)臺(tái)綠化自動(dòng)澆灌裝置模型

2.2 自動(dòng)澆灌系統(tǒng)工作電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)澆灌系統(tǒng)是本裝置的主體，其工作電路由繼電器、電磁閥、水泵及相應(yīng)供水管路構(gòu)成，由濕度感應(yīng)器控制電路通過(guò)傳輸相應(yīng)的電信號(hào)來(lái)控制其工作狀態(tài)。當(dāng)土壤中濕度充足時(shí)，土壤濕度感應(yīng)器部分電路閉合，水泵停止工作，不進(jìn)行供水。當(dāng)土壤濕度低于土壤濕度感應(yīng)器設(shè)定值時(shí)，檢測(cè)探頭得到信號(hào)，感應(yīng)器指示燈亮起，傳出電信號(hào)，繼而控制工作電路工作。土壤濕度感應(yīng)器工作原理如圖2 所示。自動(dòng)澆灌系統(tǒng)通過(guò)傳感器檢測(cè)植物生長(zhǎng)的土壤濕度，本裝置依據(jù)植物特點(diǎn)分別對(duì)相應(yīng)的濕度感應(yīng)器設(shè)計(jì)土壤濕度設(shè)計(jì)值，進(jìn)行土壤濕度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)不同植物的自動(dòng)澆灌，合理科學(xué)用水。實(shí)驗(yàn)證明，通常植物以土壤水分占土壤持水量的60%～80%時(shí)生長(zhǎng)最好，快速準(zhǔn)確地測(cè)定土壤水分對(duì)于探明植物生長(zhǎng)發(fā)育期內(nèi)土壤水分盈虧以便適時(shí)作出灌溉施肥決策或排水措施等具有重要的意義。

圖2 濕度傳感器的原理

3 裝置的特點(diǎn)

針對(duì)目前家庭廚房中所產(chǎn)生的大量可利用廢水直接排入下水系統(tǒng)造成的水資源浪費(fèi)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)具有自動(dòng)澆灌功能的家庭集水裝置，能夠收集淘米、洗菜過(guò)程中所產(chǎn)生的廢水，同時(shí)利用濕度感應(yīng)原理對(duì)家庭綠化植物的土壤的濕度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行土壤澆灌。裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)巧妙，布局合理，為家庭廢水的回收再利用提出了新的思路。裝置具有以下特點(diǎn):

第一，利用集水裝置(集水箱)實(shí)現(xiàn)家庭廢水(淘米、洗菜水等)可二次利用水資源的收集;第二，自動(dòng)澆灌系統(tǒng)通過(guò)土壤濕度感應(yīng)原理調(diào)節(jié)土壤濕度，并依據(jù)植物特點(diǎn)分別對(duì)相應(yīng)的濕度感應(yīng)器設(shè)計(jì)土壤濕度設(shè)計(jì)值，實(shí)現(xiàn)不同植物的自動(dòng)澆灌，使自動(dòng)化家居走入人們的生活，節(jié)約了人力、物力;第三，陽(yáng)臺(tái)自動(dòng)澆花系統(tǒng)供水管路和電控線(xiàn)路均可拆卸，便于故障排查，同時(shí)集水過(guò)濾部分也各自獨(dú)立可拆卸，便于清潔及檢修;第四，裝置具備集水、自動(dòng)澆灌與家庭綠化功能于一體，有效利用家庭陽(yáng)臺(tái)綠化區(qū)域，美化了居住環(huán)境。

［1］王曉昌.中國(guó)水資源現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和供需發(fā)展趨勢(shì)分析［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2001.

［2］盧亞雄，羅衛(wèi)東，劉晶茹，等.利用同層排水衛(wèi)生間地面下結(jié)構(gòu)貯水系統(tǒng)的研究［J］.山西建筑，2014，40(23):164-165.

［3］余海靜.建筑內(nèi)生活廢水的再利用［J］.建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2004(11):97.

［4］王 巍.淺談城鎮(zhèn)居民用水二次利用［J］.黑龍江環(huán)境通報(bào)，2004(4):94-95.