臧晗博，王曉龍，于林平，朱永英，閆世龍，閆銘澤，宿耀坤，葉瑞鵬，麥紫祺

(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

我國是一個水資源嚴重缺乏的國家，多年平均水資源位居世界第6，而人均擁有水資源量居于世界第 110 位[1]，僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。與此同時我國雨水資源卻浪費嚴重，我國年均降雨量超過6萬億m3，而進行收集再利用的卻很少。若能把大部分雨水進行回收再利用[2]，將會有效地緩解我國的缺水問題。隨著城市化進程的加速,樓房、路面、廣場等建筑硬化而不透水的面積日益增多，使得大量的降水因無法得到有效合理的收集和滲透而被浪費掉。同時暴雨又經(jīng)常引起城市內(nèi)澇，導(dǎo)致許多街道被淹沒，嚴重影響交通和人們的正常生活，甚至威脅到了人們的生命安全。海綿城市[3]概念的提出與推行不但能夠緩解了城市內(nèi)澇的局面，而且有效地增加了雨水的收集和二次利用，使我國水資源匱乏的問題得到有效改善。在我國城市建設(shè)用地中，建筑小區(qū)用地約占總用地的40%,其產(chǎn)生的雨水徑流約占城市徑流總量的50%[4]。因此,如何實現(xiàn)對建筑小區(qū)雨水徑流的有效控制利用，已成為海綿城市建設(shè)的重要內(nèi)容之一。2015年國務(wù)院75號文《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》中也明確提出建設(shè)海綿型建筑小區(qū)。

基于此，在研究分析城市降雨量及雨水回收利用技術(shù)等信息的基礎(chǔ)上，基于高效節(jié)水、人水和諧[5]的可持續(xù)發(fā)展理念，提出了一種居民區(qū)雨水海綿式回收及智能化利用系統(tǒng)，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術(shù)[6]，實現(xiàn)了雨水在社區(qū)的積存、滲透和凈化利用。在高效回收雨水、防止自然災(zāi)害的同時，利用云端智能將雨水綜合利用起來，為推進海綿社區(qū)建設(shè)提供參考[7]。

2 居民區(qū)雨水回收及智能化利用系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由雨水發(fā)電裝置、雨水收集及存儲裝置(含下凹式綠地、透水瀝青、透水方磚、過濾裝置)、云端智能噴灌裝置及光感應(yīng)洗車裝置等部分組成。

2.1 設(shè)計思路及原理

2.1.1 雨水發(fā)電裝置

降雨時，屋面的雨水通過簡單過濾經(jīng)由雨水立管進入發(fā)電裝置，在水流沖擊作用下，水輪機開始旋轉(zhuǎn)，將水的重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能，水輪機又帶動同軸相連的發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。在勵磁電流的作用下，發(fā)電機的定子繞組切割勵磁磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢[8]，輸出電能，并且將電能儲入蓄電裝置，用于社區(qū)照明和供電。發(fā)電后的雨水進入一級蓄水池。

2.1.2 雨水收集及存儲裝置

路面的雨水通過透水磚和透水瀝青[9]搭配開孔式路緣石[10]，通過滲導(dǎo)結(jié)合的方式，匯入一級蓄水池，當(dāng)降水量過大時，透水鋪裝上的雨水漫入下凹式綠地[11]，將一部分雨水滯留在綠地中用于補充地下水，另一部分雨水通過預(yù)先設(shè)置的溢流口流入地下蓄水裝置[12]，用于系統(tǒng)的供水，防止社區(qū)發(fā)生內(nèi)澇。

2.1.3 光感應(yīng)洗車裝置

根據(jù)光感應(yīng)的原理，當(dāng)汽車駛?cè)胪＼囄粫r，裝在停車位上的光感應(yīng)頭感受光線被遮擋變暗，光敏傳感器[13]就會接到感應(yīng)，并向手機 APP 發(fā)出信號，通過 APP 控制驅(qū)動水泵轉(zhuǎn)動從二級蓄水池中抽水，實現(xiàn)自動洗車。清洗后汽車駛出停車位或通過手機 APP 關(guān)閉，感應(yīng)器停止工作，結(jié)束洗車。

2.1.4 云端智能噴灌裝置

WIFI連接路由器，路由器連接以太網(wǎng)，以太網(wǎng)訪問服務(wù)器云端，手機通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器云端實現(xiàn)手機和綠化裝置的通訊。小區(qū)綠地通過土壤濕度傳感器[14]感應(yīng)土壤濕度，當(dāng)綠地缺水時，濕度傳感器向手機發(fā)出信號預(yù)警，手機 APP 通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器云端，控制一級蓄水池水泵開關(guān)，實現(xiàn)遠程遙控定時定量噴灑。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

圖2 實物模型

2.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)流程

2.4 模擬實驗

制作系統(tǒng)模型，尺寸85 cm×60 cm×80 cm，以不同的速度傾倒2 L的雨水，進行模擬實驗，待水位剛剛降至面層下方時記錄耗時，實驗結(jié)果見表1和表2。

表1 模擬小雨實驗

表2 模擬暴雨實驗

(1)模擬5次小雨，降雨量為8 mm/24 h，將2 L水緩慢傾倒在模型面層上，平均總計用時12.3 s。

(2)模擬5次暴雨，降雨量為100 mm/24 h，將2 L水快速傾倒在模型面層上，平均總計用時3.4 s。

由表1和表2可以看出，模擬小雨時，模型匯集的雨水徑流中90%以上下滲補給地下水，8%的雨水經(jīng)過濾進入一級蓄水池中，實驗得出透水率約 150 L/mm2·min，發(fā)電量約為4.4 W。模擬暴雨時模型匯集的雨水徑流中87%進入一級蓄水池，10%滲入地下，實驗得出透水率約150 L/mm2·min，發(fā)電量為約為5 W。由模型實驗可以看出，本系統(tǒng)充分回收并利用云端控制雨水的自由遷移，符合設(shè)計理念要求，能夠快速有效排開雨水，防止社區(qū)內(nèi)澇，實現(xiàn)節(jié)能減排和充分利用水資源的目標。

3 創(chuàng)新特色

該系統(tǒng)基于海綿城市理念，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術(shù)，實現(xiàn)了居民區(qū)雨水的收集、滲透和智能綜合利用。本系統(tǒng)有以下三大特色。

3.1 雨水發(fā)電

傳統(tǒng)的雨水立管往往采用消能裝置消減雨水的動能，此種方法能量的利用率低且噪音大。本系統(tǒng)充分利用雨水進行發(fā)電，在消能的同時將雨水勢能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

3.2 有效排水

采用滲導(dǎo)結(jié)合的理念，在透水性能良好的路面基礎(chǔ)上，搭配開孔式路緣石、下沉綠地、植被緩沖帶及下凹式綠地，對雨水疏導(dǎo)、過濾和凈化，有效防控社區(qū)內(nèi)澇。

3.3 云端智能雨水再利用

通過手機 APP 控制，對存儲和凈化的雨水進行再利用，實現(xiàn)草地智能噴灌、路面自動清潔以及光感應(yīng)自動洗車等功能。

4 結(jié)論

本文基于海綿城市理念，提出了一個居民區(qū)雨水海綿式回收及智能化利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過滲導(dǎo)結(jié)合的方式將雨水進行有效收集并存儲，充分利用雨水勢能發(fā)電，并利用云端智能實現(xiàn)草地自動噴灌以及光感應(yīng)自動洗車等功能，在高效回收雨水、防止自然災(zāi)害的同時，利用云端智能將雨水綜合利用起來，實現(xiàn)了高效節(jié)水、節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展目標。也落實了海綿理念，使居民區(qū)在應(yīng)對雨水帶來的自然災(zāi)害時具有了良好的“彈性”，可為推進海綿社區(qū)建設(shè)提供參考。