◆湖南省寧鄉(xiāng)市第一高級中學 鄭翰軒

假期,我在鄉(xiāng)下走親戚時發(fā)現(xiàn)，大部分青壯年外出發(fā)展，一部分家庭僅有老人和孩子留守，為了用水方便，大多數(shù)人家中都打有水井，使用壓力水塔。

我進一步了解到，現(xiàn)在農(nóng)村普遍使用的水塔有兩種，一種放在樓頂，利用高度差產(chǎn)生的壓強來保障供水壓力；第二種是利用塔內(nèi)的氣壓，通過壓力傳感器來保障用水所需要的壓力。然而，在向居民們了解飲水安全時，他們表示從未清洗過水塔。村民都知道水塔長年累月不清洗一定很臟，但由于水塔都是密封的，他們不知道如何清洗。

我上網(wǎng)搜索有關(guān)農(nóng)村飲水安全的關(guān)鍵詞，發(fā)現(xiàn)政府的飲水安全工程目前還只覆蓋到城鎮(zhèn)集中供應(yīng)自來水的區(qū)域，未惠及偏遠的農(nóng)村。資料顯示，全國發(fā)生過多起因水塔污染導(dǎo)致群體性疾病的事例。

查閱這些資料后，我有一個強烈愿望：發(fā)明一個裝置，讓農(nóng)村居民使用水塔的水污染問題得到解決。

一、 設(shè)計定位

農(nóng)村家用壓力水塔自潔裝置是為了農(nóng)村居民飲水安全而設(shè)計的，它是水塔結(jié)構(gòu)中的一個功能性部件，只能對水進行粗加工，是對農(nóng)村居民水安全的一種補充，不能代替市面上普遍使用的凈水器。

農(nóng)村家用壓力水塔自潔裝置主要由抽水機、水塔、自潔裝置、壓力表、水管、水龍頭以及其他輔助設(shè)備組成，其中自潔裝置是核心技術(shù)部件。

本項目設(shè)計的主要技術(shù)難點是如何確保生活用水中無泥沙、鐵銹等雜質(zhì)。其中涉及過濾、沖洗問題，為此項目研究必須通過相應(yīng)的實驗來獲得解決問題的技術(shù)支持。

所設(shè)計的裝置應(yīng)滿足農(nóng)村居民用水需求，符合他們的使用習慣，力求結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。

二、功能設(shè)計

設(shè)計此裝置的技術(shù)難點在于，怎樣在不影響日常用水習慣，不另花時間和精力清洗水塔的條件下讓水塔自潔。

求解“水塔自潔”的問題，可采用“發(fā)散-收斂”的思維路徑。按照創(chuàng)造工程學的功能設(shè)計法，可從“水塔自潔”這一總功能出發(fā)分解功能，提出若干分功能。為了實現(xiàn)分功能，可以采用分功能用水、反沖式排水和進水以及過濾技術(shù)等。

三、理論依據(jù)

1.分功能用水的依據(jù)

走訪寧鄉(xiāng)市回龍鋪鎮(zhèn)10個自然村得知，農(nóng)村散居人口一般以戶為單位自建住宅，每戶自建一個壓力水塔，水源為自家井水。用水主要分為兩種，一是生活用水，主要用于做飯、洗衣等日常生活，要求水質(zhì)潔凈。另一種是生產(chǎn)用水，主要用于種菜、洗地等，對水質(zhì)的潔凈度要求低，使用頻次約為每周2次，用水量較大。水塔中的沉積物可通過生產(chǎn)用水一同排出，不會污染水塔。

因此，本裝置設(shè)計采用分功能排水的方式，另加一個生產(chǎn)用水龍頭，與水塔底部相連，水塔中的污染物通過日常生產(chǎn)用水排出水塔，不會沉積于水塔中，從而保證生活用水的潔凈。

2.反沖排污原理

反沖是一個物理學名詞，是指靜止或運動的物體通過分離排除部分物質(zhì)，使自身在反方向獲得加速的現(xiàn)象。

本裝置在兩處設(shè)計上利用該現(xiàn)象，一是排水閥上安裝旋轉(zhuǎn)龍頭。使用生產(chǎn)用水時，反沖作用讓旋轉(zhuǎn)龍頭旋轉(zhuǎn)，排水和攪拌同時進行，方便沉積在水塔底部的污染物隨生產(chǎn)用水排出。二是進水時也安裝旋轉(zhuǎn)龍頭，在進水的同時沖洗了附著在內(nèi)壁上的污染物。因為水塔的進水和排水每天都在進行，日常生活就能達到讓水塔自潔的目的。

四、方案設(shè)計與制作

1.方案一

本方案設(shè)計的裝置由水塔、轉(zhuǎn)反沖式排水龍頭、轉(zhuǎn)反沖式進水龍頭及輔助設(shè)備組成。

轉(zhuǎn)反沖式排水龍頭由園林噴水龍頭改裝而來，去掉底座其他部分，只留出水管道和接口螺紋，在保護螺紋的情況下，在燃氣灶上適當加熱，向下彎曲到可安裝在水塔底部為止。將出水方向調(diào)整為斜向下，直到出水管能在反沖力作用下旋轉(zhuǎn)為止。

2.方案二

本方案模型中采用一個較大的濾芯，將生活用水和生產(chǎn)用水隔開。生活用水經(jīng)過濾芯后水質(zhì)得到了凈化，將雜質(zhì)、微生物等都集中在中心區(qū)域，排水時能將污水排出。調(diào)查結(jié)果顯示，長期使用的盛水容器器壁上有一層污垢，可以在從進水口流入的旋轉(zhuǎn)水流不斷沖刷下，實現(xiàn)自潔。

1.進水水槽 2.旋轉(zhuǎn)進水口 3.水塔 4.生活用水出口5.旋轉(zhuǎn)排水口 6.生產(chǎn)用水排水管 7.支架

圖4 方案二原理圖

圖5 方案二模型

3.方案三

本方案設(shè)計的模型中加裝了一個活性炭濾芯，整體結(jié)構(gòu)與方案二相同。濾芯的內(nèi)外兩層用圓孔板承力，內(nèi)外均加500目過濾網(wǎng)，中間用活性炭壓實，底部為圓板，頂部用不銹鋼封口。其余結(jié)構(gòu)與方案二一致。

圖6 方案三濾芯設(shè)計圖

圖7 方案三模型

圖8 方案三模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖9 方案三模型進水口結(jié)構(gòu)圖

五、測試

1.目的

檢驗農(nóng)村家用壓力水塔自潔裝置的使用效果，判斷其能否達到設(shè)計要求，并對比三種裝置的自潔效果。

2.器材

根據(jù)三個方案設(shè)計制作的裝置、增壓泵、濾紙、漏斗、電子天平。

3.方法

（1）取混濁的池塘水進行自潔實驗。采用目測法和稱重測量法檢驗自潔效果。目測池塘水的清潔度后，將水注入制作的裝置進行自潔。然后取生產(chǎn)用水和生活用水各500 mL，再次目測，接著用濾紙過濾，用電子天平測量帶污染物的濾紙質(zhì)量，比較自潔效果，記錄測量結(jié)果。

（2）取方案三裝置自潔后的水質(zhì)樣本到寧鄉(xiāng)銀龍水質(zhì)檢測有限公司進行檢測。

4.結(jié)論

三種方案設(shè)計的裝置都提高了水塔的自潔度，裝置三的效果更優(yōu)，水塔的自潔度更高，能將生產(chǎn)用水和生活用水隔離，使用生產(chǎn)用水時能更好地排出水塔中的污染物，不受生產(chǎn)用水使用頻率的影響。生活用水經(jīng)濾芯過濾，潔凈度更高。所以，最終我們決定采用方案三設(shè)計的裝置。

六、創(chuàng)新點

1.在充分開展調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)農(nóng)村散居人口的用水需求，將水塔的水按功能劃分，即一種是作為飲用、洗衣等生活用水，另一種是作為洗地、澆花等生產(chǎn)用水，在不定期的洗地、澆花過程中完成水塔的自潔。

2.用濾芯將生活用水和生產(chǎn)用水隔離，保證生活用水的潔凈，水塔中的泥沙、鐵銹等沉積物都積累在生產(chǎn)用水中，當需要洗地、澆花的時候，將水塔中不潔凈的水排出水塔。

3.使用反沖旋轉(zhuǎn)龍頭，進水時旋轉(zhuǎn)龍頭沖水，將濾芯內(nèi)壁沖洗干凈。排水時旋轉(zhuǎn)龍頭排水，一邊排水一邊攪拌，能較完整地將沉積在水塔底部的雜質(zhì)排出。

該裝置不僅能應(yīng)用于農(nóng)村家用壓力水塔，對其他水塔（如小區(qū)二次供水塔、樓頂水塔等）的自潔方法的研究與設(shè)計也有一定的借鑒價值。

專家點評

鄭翰軒同學的農(nóng)村家用壓力水塔自潔裝置是一件富有愛心與責任心的發(fā)明作品。

作為一名生活在城市的中學生，強烈的關(guān)愛他人之心促使鄭翰軒在農(nóng)村走親戚時還不忘了解村民的用水情況及用水安全問題；當發(fā)現(xiàn)村民自建水塔都是密封的、不知道怎樣清洗且不清洗，可能引起水塔污染導(dǎo)致群體性疾病發(fā)生之時，其強烈的責任心迫使他想到了這項發(fā)明課題，并設(shè)計完成了這個裝置，讓村民使用水塔的水污染問題得到了解決。

新時代的中學生應(yīng)牢固樹立社會主義核心價值觀，像鄭翰軒同學這樣關(guān)心農(nóng)業(yè)，走向農(nóng)村，關(guān)愛農(nóng)民，為國家實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略助力，為農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化——“產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風文明、治理有效、生活富裕”等，貢獻自己的創(chuàng)新智慧，學以致用，創(chuàng)新成長。