王 旭，戎貴文，沈齊婷，羅秀麗

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

全球性水資源短缺日益嚴(yán)重，但暴雨洪水災(zāi)害又頻繁發(fā)生，雨水利用是協(xié)調(diào)人、地關(guān)系，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要措施[1]。我國城市的發(fā)展不同程度上受到干旱缺水、洪澇災(zāi)害的影響。全國600多座城市中，目前有400多個城市供水不足，其中嚴(yán)重缺水的城市有110個，城市年缺水總量達(dá)60 億m3[2]。然而，近幾年，每逢雨季，各地城市輪番上演“城市看海”的景象，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和人員傷亡及財產(chǎn)損失[3]。城市內(nèi)澇與水資源短缺的矛盾在一定程度上反映了雨水資源利用與控制技術(shù)的不足。國外應(yīng)對城市化過程中激增的雨水徑流，從最初的快速排放，發(fā)展到了后來的排洪與蓄洪結(jié)合；管理目標(biāo)從“最佳管理方案”(BMPs)推進(jìn)到了后來的“低影響開發(fā)”(LID)[4-7]。同時，雨水收集方案、利用方式和法律法規(guī)迅速發(fā)展[8-12]。我國過去對雨水收集利用的研究主要集中在干旱、半干旱地區(qū)的農(nóng)村[13]，近年來，對于現(xiàn)代意義的城市雨水利用理論和雨水管網(wǎng)優(yōu)化研究逐漸增多[14,15]，雨水利用與工程設(shè)計技術(shù)逐漸發(fā)展和應(yīng)用[16-18]，在園林景觀、生態(tài)小區(qū)、城市綠地等方面開展了許多雨水收集利用的設(shè)計與試驗研究[19-22]，但雨水源頭減排與利用技術(shù)仍有待提高。2014年10月，我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南-低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》[23]，旨在加大城市徑流雨水源頭減排的剛性約束，有效緩解城市內(nèi)澇、削減城市徑流污染負(fù)荷、節(jié)約水資源、保護(hù)和改善城市生態(tài)環(huán)境。為響應(yīng)國家建設(shè)“海綿城市”的需求，實現(xiàn)雨水源頭減排與利用，緩解水資源缺水與城市內(nèi)澇的矛盾，本文設(shè)計了自動集雨灌溉系統(tǒng)，研究了該系統(tǒng)的實現(xiàn)過程和運(yùn)行模式，并在此基礎(chǔ)上開展了模型試驗測試。

1 系統(tǒng)整體組成

自動集雨澆灌系統(tǒng)由雨水收集系統(tǒng)、澆灌系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，并將太陽能電池板與該系統(tǒng)集成以提供其工作所需能源，如圖1所示。雨水收集系統(tǒng)根據(jù)大氣降雨條件收集雨水；澆灌系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度和植物需水量形成相應(yīng)的灌溉供水源頭；智能控制系統(tǒng)利用信號調(diào)理器接收各類傳感器信號，通過轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)技術(shù)控制相應(yīng)部件的步進(jìn)工作。

2 子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 雨水收集系統(tǒng)

雨水收集系統(tǒng)包括蓄水池、溢流槽、集雨板、集水箱、支撐桿、球形鉸鏈、電動伸縮桿、循環(huán)軌道、雨水傳感器、水質(zhì)傳感器、水位傳感器、濾網(wǎng)、鋼刷、從動齒輪、主動齒輪、旋轉(zhuǎn)軸和電動機(jī)，如圖1所示。蓄水池位于集水箱的正下方，并與之相連通。在靠近集水箱頂部沿長度方向的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有對稱的內(nèi)、外循環(huán)軌道，內(nèi)軌道兩端裝有旋轉(zhuǎn)軸。集雨板的下端通過合頁與集水箱頂部沿長度方向的側(cè)面頂部邊緣連接。支撐桿通過球形鉸鏈與固定在集水箱底部中心位置的電動伸縮桿連接。雨水傳感器和水質(zhì)傳感器均布置在集水箱外側(cè)壁面，水位傳感器布置在集水箱內(nèi)側(cè)底部。濾網(wǎng)四周固定在集水箱內(nèi)側(cè)壁面，鋼刷兩端安裝有從動與主動齒輪，主動齒輪位于旋轉(zhuǎn)軸兩端，并與循環(huán)軌道的齒鏈皮帶互相嚙合。當(dāng)鋼刷沿循環(huán)軌道的下軌道運(yùn)動，濾網(wǎng)上的雜物被清除出集水箱，防止濾網(wǎng)堵塞；當(dāng)鋼刷沿循環(huán)軌道的上軌道運(yùn)動時，鋼刷被循環(huán)軌道拉緊的上軌道提升而與濾網(wǎng)分離。

1-太陽能電池板；2-雨水收集系統(tǒng)；3-蓄水池；4-溢流槽；5-集雨板；6-集水箱；7-支撐桿；8-球形鉸鏈；9-電動伸縮桿；10-循環(huán)軌道；11-雨水傳感器；12-水質(zhì)傳感器；13-水位傳感器；14-濾網(wǎng)；15-鋼刷；16-從動齒輪；17-主動齒輪；18-旋轉(zhuǎn)軸；19-電動機(jī)；20-澆灌系統(tǒng)；21-潛水泵；22-輸水管；23-浮球液位開關(guān)；24-土壤濕度傳感器；25-智能控制系統(tǒng)

2.2 澆灌系統(tǒng)

澆灌系統(tǒng)由潛水泵、輸水管、浮球液位開關(guān)和土壤濕度傳感器組成，如圖1所示。潛水泵安裝在蓄水池底部，浮球液位開關(guān)固定在蓄水池靠近中部的內(nèi)側(cè)壁面，土壤濕度傳感器埋設(shè)在土壤中。各類傳感器將信號適時通過專用線路傳輸給智能控制系統(tǒng)。

2.3 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)包括信號調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器和控制臺。智能控制系統(tǒng)用于接收各類傳感器所采集到的信息，形成相應(yīng)部件的控制信號，控制蓄電池、電動伸縮桿、電動機(jī)和潛水泵的步進(jìn)工作。

3 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)實現(xiàn)過程的主程序如下：

void main(){

Boolean H2OD_Flag = false; ∥降雨檢測標(biāo)識

Boolean H2OQ_Flag = false; ∥水質(zhì)檢測標(biāo)識

Boolean Motor1_Flag = false; ∥電機(jī)工作標(biāo)識

Boolean Motor2_Flag = false; ∥伸縮桿工作標(biāo)識

Boolean Motor3_Flag = false; ∥電機(jī)工作標(biāo)識

Boolean LevelD_Flag = false; ∥水位標(biāo)識

sbit Interrupt1_Flag = 0; ∥初始化單片機(jī)中斷1標(biāo)識

sbit Interrupt2_Flag = 0; ∥初始化單片機(jī)中斷2標(biāo)識

while(1){

H2OD_Flag=H2OD(); ∥降雨狀態(tài)

H2OQ_Flag=H2OQ(); ∥獲得水質(zhì)狀態(tài)

LevelD_Flag=LevelD(); ∥獲得水位狀態(tài)

HD_Flag=HDetect(); ∥獲得濕度狀態(tài)

If(H2OD_Flag && H2OQ_Flag&&! LevelD_Flag){

Interrupt1_Flag = 1; ∥觸發(fā)中斷1，控制伸縮桿和電機(jī)

}

if(HD_Flag){

Interrupt2_Flag = 1; ∥觸發(fā)中斷2，控制潛水泵

}

}

Interrupt1() {

Motor01_Flag =～Motor01_Flag; ∥伸縮桿工作狀態(tài)取反

Motor02_Flag =～Motor02_Flag; ∥電機(jī)工作狀態(tài)取反

}

Interrupt2() {

Motor03_Flag =～Motor03_Flag; ∥潛水泵工作狀態(tài)取反

}

}

由于篇幅限制，以上僅列出控制系統(tǒng)主程序部分，用于說明系統(tǒng)的實現(xiàn)過程及原理。

4 系統(tǒng)運(yùn)行模式

4.1 系統(tǒng)初始模式

在未降雨時，雨水傳感器和水質(zhì)傳感器不向信號調(diào)理器輸入雨水和水質(zhì)信息，雨水收集系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，兩個集雨板處于“人”字形相扣狀態(tài)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在光照作用下處于充電狀態(tài)。

4.2 集雨蓄水模式

在降雨初期，雨水傳感器和水質(zhì)傳感器感知降雨信號并將降雨信號和水質(zhì)信息傳遞給信號調(diào)理器，智能控制系統(tǒng)開始工作，當(dāng)雨水水質(zhì)達(dá)到智能控制系統(tǒng)內(nèi)部程序設(shè)置的雨水收集標(biāo)準(zhǔn)后，控制臺向蓄電池發(fā)出指令接通電動伸縮桿的開關(guān)線路，電動伸縮桿將推力傳遞給以球形鉸鏈為支點彎曲的支撐桿，驅(qū)使集雨板向外打開，雨水開始自動收集。

在雨水開始自動收集后，控制臺向蓄電池發(fā)出指令接通電動機(jī)開關(guān)，電動機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)并驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動主動齒輪旋轉(zhuǎn)，主動齒輪的輪齒帶動循環(huán)軌道的齒鏈皮帶運(yùn)動，循環(huán)軌道的齒鏈皮帶外側(cè)輪齒帶動鋼刷兩端的從動齒輪旋轉(zhuǎn)，從而鋼刷在從動齒輪的帶動下沿著循環(huán)軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，鋼刷在自身重力作用下保持豎直向下狀態(tài)。

在雨水整個收集過程中，電動伸縮桿始終保持推進(jìn)工作狀態(tài)，雨水直接落入濾網(wǎng)或者沿著帶有擋水窄板的集雨板流向濾網(wǎng)，電動機(jī)始終處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，鋼刷沿著循環(huán)軌道的齒鏈皮帶外側(cè)順時針運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)鋼刷沿循環(huán)軌道的下軌道運(yùn)動時，濾網(wǎng)上的樹葉等雜物被清除出集水箱，保持濾網(wǎng)暢通無阻。雨水通過濾網(wǎng)進(jìn)入集水箱后，在集水箱底部匯集，并沿著溢流槽流入蓄水池。

降雨停止后，雨水傳感器傳輸?shù)慕涤晷盘栔袛啵刂婆_向電動機(jī)發(fā)出關(guān)閉指令，電動機(jī)停止運(yùn)行，鋼刷、從動齒輪、主動齒輪和旋轉(zhuǎn)軸隨即停止轉(zhuǎn)動，同時，控制臺向電動伸縮桿發(fā)出回收指令，支撐桿牽引集雨板恢復(fù)到初始的“人”字形相扣狀態(tài)，蓄電池放電狀態(tài)中止。

4.3 澆灌模式

在天氣干旱、土壤濕度達(dá)到土壤濕度傳感器設(shè)置的下限時，信號調(diào)理器接收到土壤濕度傳感器的信號，智能控制系統(tǒng)開始工作，向控制臺發(fā)出灌溉指令，控制臺向蓄電池發(fā)出指令接通潛水泵開關(guān)，雨水通過輸水管向外接的澆灌設(shè)備供水。在澆灌過程中，當(dāng)土壤濕度達(dá)到土壤濕度傳感器的上限時，土壤濕度傳感器將此信號傳送給智能控制系統(tǒng)，控制臺執(zhí)行切斷潛水泵電源指令，潛水泵停止工作。

當(dāng)蓄水池中的水位降低到浮球液位開關(guān)位置時，潛水泵的電源通過浮球液位開關(guān)自行切斷，防止?jié)撍贸霈F(xiàn)干轉(zhuǎn)、引發(fā)空燒。

5 模型試驗與測試

利用自制的集雨灌溉系統(tǒng)模型在室外開展試驗與測試。降雨時，智能控制系統(tǒng)能夠接收到水質(zhì)傳感器輸送的信息，并控制電動伸縮桿開啟集雨板，如圖2所示。在降雨停止后，雨水傳感器傳輸?shù)慕涤晷盘栔袛?，智能控制系統(tǒng)能夠及時發(fā)送模擬信號控制電動伸縮桿回收，牽引集雨板閉合，恢復(fù)至初始的“人”字形相扣狀態(tài)。

圖2 現(xiàn)場模型試驗Fig.2 Field model test

試驗過程中選用不同濕度的土壤樣品進(jìn)行對照。埋設(shè)在土壤中的土壤濕度傳感器設(shè)置有不同的閾值，對于濕度低于預(yù)設(shè)閾值的土壤樣品，智能控制系統(tǒng)能夠接收到土壤濕度變化信號并實時控制蓄電池向潛水泵供電，抽取集水箱內(nèi)的雨水對草坪進(jìn)行澆灌。經(jīng)過澆灌過程，土壤濕度逐步增加，在達(dá)到預(yù)設(shè)的濕度閾值上限時，土壤濕度傳感器將模擬信號傳送至智能控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)能夠自主切斷蓄電池與潛水泵之間的閉合電路，潛水泵停止工作，雨水澆灌過程結(jié)束。

在整個集雨和澆灌過程中，集雨板能夠在智能控制系統(tǒng)的控制下及時開啟并收集雨水；土壤經(jīng)過雨水澆灌后，土壤濕度最終穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的濕度閾值范圍內(nèi)。

6 討論與分析

大力發(fā)展雨水資源收集與利用技術(shù)，實現(xiàn)雨水資源化，是破解我國水資源發(fā)展困局的重要途徑之一。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將智能化系統(tǒng)應(yīng)用于雨水收集和澆灌系統(tǒng)中，實現(xiàn)集雨和澆灌自動化操作，將是未來的發(fā)展趨勢。

(1)本文的雨水收集系統(tǒng)利用單片機(jī)程序、傳感器和電動機(jī)等協(xié)同工作，實現(xiàn)了雨水自動收集，所需電能來源于太陽能，清潔無污染。集雨板的啟閉方式設(shè)計巧妙，可為設(shè)計類似啟閉方式提供一定的參考，并且可在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。該系統(tǒng)延緩了地表徑流峰值、削減了徑流總量，有利于減輕城市排水管網(wǎng)的壓力，保障居民生活安全。

(2)雨水灌溉系統(tǒng)能夠根據(jù)不同灌溉植物所需濕度范圍調(diào)節(jié)土壤濕度傳感器的閾值，自動控制灌溉的頻率和水量，提高了雨水利用效率，保證植物生長所需的最佳土壤濕度環(huán)境。

(3)自動集雨、灌溉的智能控制系統(tǒng)，是保證系統(tǒng)整體正常運(yùn)行的關(guān)鍵。本文提供的控制程序用于自動集雨灌溉系統(tǒng)的實現(xiàn)與運(yùn)行，同時，可為其他類似的設(shè)備或者系統(tǒng)實現(xiàn)智能化控制提供借鑒與參考。

7 結(jié) 語

本文介紹了自主設(shè)計的自動集雨灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)將集雨、蓄水和灌溉三種功能集為一體，基于傳感器技術(shù)和單片機(jī)原理實現(xiàn)雨水收集與利用過程的自動化與智能化。

(1)雨水收集與利用的自動化與智能化，使得集雨灌溉過程不受人為主觀因素的限制，為實現(xiàn)雨水源頭及時減排、提高雨水資源利用效率提供了保證。

(2)通過土壤濕度傳感器、潛水泵、智能控制系統(tǒng)協(xié)同控制土壤所需水量，將收集的雨水用于灌溉，保障植物生長所需適宜濕度的同時，提高了灌溉用水效率。

(3)基于單片機(jī)原理實現(xiàn)系統(tǒng)自動化控制與運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行控制程序的編譯與調(diào)試，可為類似系統(tǒng)的編程與實現(xiàn)提供理論參考。

(4)模型試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)雨水收集與利用過程的自動化與智能化，但受限于加工技術(shù)條件，自動集雨灌溉系統(tǒng)的全部功能并未完全在模型中體現(xiàn)。建立功能更加完善的試驗?zāi)Ｐ?，并開展多種工況條件下的試驗與測試將是今后繼續(xù)需要開展的工作。