農田灌溉自動化雨水回收裝置系統設計與試驗

華宇辰，管會彬，華明建，梁 川

(四川大學 水利水電學院， 成都 610044)

0 引言

目前，關于兼具雨水儲存、凈化及應用等多種功能的自動化約束回收裝置的相關研究數量不多，現有的研究成果欠缺，再加上雨水自動收集與凈化處理的工藝較為復雜化且效率較低，導致經濟成本上漲。鑒于此，以滿足農田的雨水自動化灌溉為目的，設計了自動化雨水回收裝置。自動化雨水回收裝置不僅可以完成農田大面積灌溉與凈化任務，而且實現了較低的能耗控制，提升了雨水凈化的效果與利用率。該裝置具有較長的使用周期及便于維護的管控方式，且經濟成本較低，同時在自然環境中污染物處理方面也表現出良好的效果，具有重要的實踐意義和價值。

1 總體設計方案

現對該設計系統不同功能部分的特點與作用加以總結和闡釋：

1)初始的棄流設備中的壓力傳感器-PLC電路屬于核心部分，依靠對擋板開關的合理調節，完成棄流環節的管控。棄流量與PLC電路相應的敏感程度和棄流容器的大小緊密相關。

2)初始的棄流設備與中后期的雨水凈化設備利用兩邊不等高的相應U形管實現連接處理：一方面依靠U形管兩邊的壓力差供應一定的動力，讓水可以流入至凈化設備中，避免了回流情況的發生；另一方面，具有良好的緩沖效果，避免處于中后階段雨水流入至凈化設備速度太快而導致凈化效率降低。

3)該設計在中后期階段雨水凈化設備中運用了石英砂-陶瓷膜過濾系統。相關材料能耗與經濟成本均較低，且環保作用明顯，便于維護管理。在凈化設備上設置能夠活動的蓋板，有利于凈化材料的替換。從量化評定結果可知，該系統消除污染物的成效十分明顯，使其應用范圍得以擴大。

4)對于中后期階段的雨水凈化處理而言，需要實施暫時性的水箱存儲處理，利用PLC電路對水灌溉的周期加以科學設定，確保凈化處理之后的水能在需求情況下借助對PLC電路水泵的管控方式，發揮出灌溉設備作用。

5)基于達到節能要求，該項目依靠滲灌形式，合理使用凈化之后的水源，達到對水資源使用量的降低，并利用過濾處理形式將其中的大部分污染物加以消除。

2 主要結構及參數設計計算

2.1 電器控制部分的設計

2.1.1 安全報警設備的設計

安全警報設備的設計如圖1所示。在水壓壓力傳感器電路運行正常的情況下，處于相應水位的電動閥便開始關閉，此時的棄流箱水位不會提高，對于距離傳感器輸出信號而言，尚未達到PLC電路的設定數值，無線傳感電路沒發揮出功能。一旦水壓壓力傳感器出現故障時，水位便不斷提高，距離傳感器所測定距離也會隨之降低，導致PLC電路開始運作，由無線傳送功能模塊將信息傳送出，相應的接收端會收到信號，致使警燈發亮[1]。

圖1 以無線傳輸技術作為支撐的安全報警設備設計

2.1.2 PLC水壓壓力傳感器的電路設計

在科學完成PLC電路管控系統的編程處理后，保證其在接收到高于13μA的相應電流信號情況下方可運行，對壓力傳感器的斷路情況加以避免，確保壓力傳感器的功能正常。圖2為系統對PLC水壓壓力傳感器的電路設計。

圖2 PLC水壓壓力傳感器的具體電路

1)運行原理。通過蓄電池為電路供應24V的相應電壓，確保其穩定性。對于水壓的壓力傳感器裝置，其中的4個可變的電阻具體阻值一致。不存在壓力情況下，A、B兩點沒有電勢差，相應的輸出電壓是0；存在壓力情況下，內部4個電阻的阻值則產生改變，其中R1和R4的阻值下降，R2與R3的阻值提高，讓A、B兩點形成一定的電勢差，在壓力、電勢差上有所差異。依靠運算放大器與外圍電路的管控裝置，使系統輸出的電壓保證科學性[2]。

2)運放功能。進行A1與A2的運放時，處于一致方向的運算電路，有關特點也一致，旨在讓電壓擴大同樣的倍數，對溫漂予以降低，提升抗共模干擾水平。在增益情況下，放大器裝置的特點沒受到干擾。A3的運放針對的是差分比重提高的電路，使存在電勢差相應的兩個輸入電壓實現放大，最終讓輸出電壓為0。A4的運放針對的為電壓跟隨器裝置，以發揮對零壓力改進的作用，利用對RP2的調控，使壓力為0的情況下輸出為0。處于電路當中的電容則經過充放電的處理，保證電路運行的穩定性。

2.1.3 繼電器電路與電動閥電路的合理設計

關于固態繼電器的運作原理可以表述為：在繼電器獲得由水壓壓力傳感器設備形成的u0后，當其達到一定大小時，銜鐵會受吸，使右邊的電路接通；依靠蓄電池中的電動閥功能，當對其關閉后，會致使雨水無法流入到棄流箱裝置中，而是流入到集水箱內。

以觸電數量的差異作為依據，主要存在兩開兩閉、三開三閉以及四開四閉等不同類型的電磁繼電器裝置。此系統構造十分精簡明了，主要利用了兩開兩閉類型的直流固態繼電器裝置，繼電器主要規格為MY2N。

2.1.4 PLC技術下水泵電路

兩個水泵采用交流220V的蓄電池供電，利用PLC編程電路達到對電路運行情況的控制目的。對空氣的溫度使用溫度傳感器裝置予以測定，并把電流信號傳輸到PLC電路中，僅在電流的信號數值高于所設定的電流信號數值時水泵方開始運作。本設計所運用的蓄電池規格為6 733N。

2.1.5 太陽能電池板電路原理

太陽能電池板電路的運作原理可以表述為：利用太陽能對陽光加以收集，并轉變成電能，在蓄電池中予以存儲。需注意的是，太陽能電池板與蓄電池不可加以直接連線，應增添光伏充電控制器裝置，旨在謹防電池板在某時段形成電量過高，使蓄電池受損，保證電壓穩定[3]。依靠蓄電池引出兩條線實現電路的連接處理，達到一起充供電效果。太陽能電池板電路原理圖如圖3所示。

圖3 太陽能電池板電路原理圖

2.2 機械部分的設計

農田灌溉的自動化雨水回收系統擁有凈化、儲存及應用等功能，具體的機械部分如圖4所示。

2.3 相關設計的計算

2.3.1 棄流容器規格的科學設計和計算

通常而言，降雨開始后5min之內的雨水污染情況最嚴重，應該科學予以處置，并進行以下計算，即

此公式根據成都市最新公布的暴雨強度計算公式，一年四季相同。

其中，P為設計的重現年限，假設P=3年；t為降雨的耗時，取t=3min。

Q=i·ψ·A·t

其中，Q為前3min的降雨量；i為暴雨的強度；ψ為平均的徑流系數，農田綠地ψ=0.15；A為集雨的面積(m2)。

由于收集裝置設備的開口是圓形，相應直徑是60cm，因此A=0.283m2，Q=2.76×10-4m3/次。

經計算，得出棄流雨水的體積為276cm3，棄流箱底的面積為3cm×3cm=9cm2。當棄流箱設備的水位為30.7cm時，電路開始運行。當水位為30cm時，水壓強P=ρgh=3kPa情況下(上式中，g=9.8N/kg或者g=10N/kg,h單位為m ,ρ單位為kg/m，壓強P單位為Pa)，壓力傳感器的輸出電壓為1.5V。

所以，基于確保輸出電壓是1.5V的目的，棄流容器設備的高度應超過30cm。為此，棄流容器裝置的高度取40cm，而底面的半徑則為3cm。

1.漏斗外觀的雨水收集器裝置 2.電箱 3.濕度傳感器裝置 4.U形管 5.距離傳感器裝置 6.電動閥設備 7.石英砂的雨水處理箱裝置 8.多孔隔板 9.鉸鏈 10.陶瓷膜雨水的處理箱裝置 11.陶瓷膜 12.集水箱設備 13.水泵 14.塑料的滲灌主管 15.塑料的滲灌支管 16.水壓壓力傳感器裝置 17.時間傳感器裝置圖4 農田灌溉的自動化雨水回收系統分解圖

View of Farmland Irrigation

2.3.2 壓力傳感器電路相關參數的計算

當繼電器處于12V電壓下時，符合相關的閉合條件，此時4個運放應把傳感器的輸出電壓增加到12÷1.5=8倍左右。對于該電路，相應的電壓關系為

U3=U1(R5+RP1)/RP1U4=u2(R6+RP1)/RP1U0=(u3-u4)R10/R8

設RP1的阻值最大為10kΩ，R5、R6的阻值均為50kΩ，R7、R8、R9及R10的阻值均為100kΩ，由此獲得8倍的電壓放大成效。

從理論角度而言，不存在壓力情況下的輸出應為0；但在實際運行過程中，由于遭受溫漂與零漂方面的干擾，導致4個橋臂的電阻相應阻值產生改變，輸出并不是0。因此，添加A4運放實現調零處理，可以保證系統測定的科學性。

2.3.3濕敏電阻特性曲線相對PLC電路電流方面的計算

本裝置選擇濕敏電阻進行大氣內濕度的測定，同時當成有效的信號，并傳遞到PLC的管控電路當中。在此類濕度計相應的測定元件上具有較薄的涂層，可以吸收來自周邊的氣體當中的水蒸汽，達到導電的效果。當周邊氣體的相對濕度逐漸提升時，相應濕敏電阻的吸水率也增大，兩電極之間的電阻數值也減小。依靠電極相應的電流數值，能夠體現出周邊氣體相應的濕度情況。具體的特征參數情況如圖5所示。

圖5 濕敏電阻相關的特性參數

由圖5可以看出：此裝置設備的濕敏電阻一直運行于交流1.5V的電路當中。由相應的電阻特征參數得知，其相對濕度為50%的情況下，有關電阻值為115kΩ，電流A=13μA。依靠PLC電路管控系統實現編程處理，當接入超過13μA相應的電流信號時進行運作。由此對壓力傳感器設備的斷路情況加以消除，保證其正常功能的發揮。

2.3.4 關于水泵的輸出壓力和滲灌管孔徑相關計算

當運作的壓力低于0.05MPa時，應該保證孔徑處于0.1～0.15mm范圍內。鑒于采用機械打孔處理過程中表現出精度較低的情況，相應的孔徑最小數值為0.6mm。因此，通過運用激光打孔的方式，使得孔徑的區間處于0.1～0.15mm范圍內，其中大部分是0.12mm，相應的孔密度是8孔/cm2。

3 機具的實際效果及創新點

3.1 機具的實驗驗證結果

由于季度收集的雨量會遭受天氣、下墊面及降雨量等方面因素影響，下墊面針對的是雨水收集項目與建筑物的布設、構造。大部分區域季度收集雨量依據下述公式進行計算，即

Q=ψαβA(H×10-3)

其中，Q為季度收集的雨量(m3);Ψ為平均徑流系數，園林綠地取ψ=0.15；α為是季節的折減系數，成都地區α=0.89；β為初期的棄流系數=1-初期的雨量×年平均的降雨次數/年平均的降雨量,成都地區β=0.66；A為集雨的面積(m2)；H為平均的月降雨量(mm)。

成都地區多年月平均降雨量如圖6所示。

收集設備的開口是圓形的，直徑為60cm,因此A=π×120×120/4=1.132m2。由公式Q=ψαβA(H×10-3)可知：設定某高速公路為2 000km,此設備的滲透管長為2m，則需要大概1 000個相應的集雨裝置設備。

集水總量為:

春季Q=0.15×0.89×0.67×1.132×(0.02+0.047+

0.082)×1000=15.1L

夏季Q=0.15×0.89×0.67×1.132×(0.11+0.223+

0.227)×1000=56.72L

秋季Q=0.15×0.89×0.67×0.283×(0.115+0.04+

0.016)×1000=17.32L

冬季Q=0.15×0.89×0.67×0.283×(0.006+0.007+

0.011)×1000=2.43L

通常而言，降雨開始后的前5min內，相應的雨水污染情況最嚴重，應及時加以治理。采用以下公式，即

其中，P為設計的重現期(設定3年)；t為降雨的耗時(設定3min)。

Q=i·ψ·A·t

其中，Q為開始3min內初期的降雨量；i為暴雨的強度；Ψ為平均的徑流系數，園林綠地取Ψ=0.15；A為集雨的面積(m2);收集設備的開口是圓形，直徑為60cm。因此，A=π×60×60/4=0.283m2,Q=2.76×10-4m3/次。

有關雨水污染物的治理與測定如表1、表2所示。

圖6 成都地區多年月平均降雨量

有關項目分析測定方法標準濃度成都雨水濃度ph玻璃電極法6-87.6pb火焰原子吸收光度法0.1kg/L6.47氨氮納試分光光度法≤20mg/L1.71Bod5有機物5日培養法≤20mg/L64.55ss重量法≤240mg/L388.66石油類紅外分光光度法20.02大腸菌群顯微鏡檢查≤2個/L沒測定出來

表2 雨水污染物分析結果

由此可得出結論：對于成都地區的雨水而言，只有鉛、bod5及ss等出現超標情況，通過科學處理以后能夠被應用到農田灌溉當中。

3.2 機具的實際效果

經過前文對此次農田灌溉自動化雨水回收裝置系統的分析及相關計算可知，本次所研究的農田灌溉自動化雨水回收裝置系統應用在了我國的成都地區，并且取得了一系列良好的實際效果。

1)利用此次設計的農田灌溉自動化雨水回收裝置系統，可以減少鉛排放量1 891 526g，使945 763人避免遭受到中毒。

2)減少了有機物的排放量高達18 845.21g，使水體富營養化得以減輕。

3)該農田灌溉自動化雨水回收裝置系統可以收集雨水量2.92×108t，讓5 840 000用戶能夠利用。

4)節約用電230kW·h，與50W燈泡運行46 000h相當，節約用煤達到了100kg。

5)節省農田灌溉用水2.32×109t，讓46 400 000用戶能夠利用。

3.3 創新點

3.3.1 減排性

該農田灌溉自動化雨水回收裝置系統具有一定針對性。四川省成都市地區的雨水情況相較于全國范圍內污染物水平是較高的，該裝置擁有良好的去除成效。所以，此次設計的農田灌溉自動化雨水回收裝置系統有利于實現減排性的要求，在水資源的利用與雨水的收集方面具有很大的實際意義和價值，其重要性不容忽視。

3.3.2 多功能性

1)此次設計的農田灌溉自動化雨水回收裝置系統可以實現雨水的凈化、存儲及合理應用等眾多功能，并且形成一體化控制的模式，在運用效果方面凸顯出良好的實際意義與價值。

2)該裝置系統能夠達到對雨水有效凈化的效果，并采用自動化管控的模式，達到了分批凈化處理的目的，并且產生良好的凈化質量與成效。

3)此次設計的農田灌溉自動化雨水回收裝置系統主要運用過濾的形式，并依靠有關凈化材料，實現高效的大分子與顆粒物污染物的去除處理，從而使得后續的雨水得以收集和利用，使農田灌溉變得更加高效與順利。

3.3.3 可替換性

1)設計的農田灌溉自動化雨水回收裝置系統中的不同功能模塊，依靠合理的設計與連接處理，在對水物理與力學方面性能因素考慮的基礎上，盡可能避免雨水凈化與運用成效方面的相關不利因素的影響，如系統中的U形管與斜管部分的科學設計。

2)該農田灌溉自動化雨水回收裝置系統中凈化設備的上端設置了能夠隨意轉動的蓋板設備，并確保相應的凈化材料具有可替換性。

4 結論

通過闡述課題的研究背景和意義，明確了研究的目的與總體的設計方案，從電器控制部分、機械部分兩個方面分析了設計的方案及相關計算結果，即太陽能功率選用計算、棄流容器規格的科學設計和計算、壓力傳感器電路相關參數計算、濕敏電阻特性曲線相對PLC電路電流方面的計算、選用石英砂與陶瓷膜等凈化材料原因分析、關于水泵的輸出壓力和滲灌管孔徑相關計算，以及采用無線傳輸技術的報警設備方面的計算說明。望此次研究的結果能夠使有關設計人員加以重視，并從中得到相應的借鑒，從而推進我國在自動化雨水回收裝置方面的研究與應用進程。