农田灌溉自动化雨水回收装置系统设计与试验

华宇辰，管会彬，华明建，梁 川

(四川大学 水利水电学院， 成都 610044)

0 引言

目前，关于兼具雨水储存、净化及应用等多种功能的自动化约束回收装置的相关研究数量不多，现有的研究成果欠缺，再加上雨水自动收集与净化处理的工艺较为复杂化且效率较低，导致经济成本上涨。鉴于此，以满足农田的雨水自动化灌溉为目的，设计了自动化雨水回收装置。自动化雨水回收装置不仅可以完成农田大面积灌溉与净化任务，而且实现了较低的能耗控制，提升了雨水净化的效果与利用率。该装置具有较长的使用周期及便于维护的管控方式，且经济成本较低，同时在自然环境中污染物处理方面也表现出良好的效果，具有重要的实践意义和价值。

1 总体设计方案

现对该设计系统不同功能部分的特点与作用加以总结和阐释：

1)初始的弃流设备中的压力传感器-PLC电路属于核心部分，依靠对挡板开关的合理调节，完成弃流环节的管控。弃流量与PLC电路相应的敏感程度和弃流容器的大小紧密相关。

2)初始的弃流设备与中后期的雨水净化设备利用两边不等高的相应U形管实现连接处理：一方面依靠U形管两边的压力差供应一定的动力，让水可以流入至净化设备中，避免了回流情况的发生；另一方面，具有良好的缓冲效果，避免处于中后阶段雨水流入至净化设备速度太快而导致净化效率降低。

3)该设计在中后期阶段雨水净化设备中运用了石英砂-陶瓷膜过滤系统。相关材料能耗与经济成本均较低，且环保作用明显，便于维护管理。在净化设备上设置能够活动的盖板，有利于净化材料的替换。从量化评定结果可知，该系统消除污染物的成效十分明显，使其应用范围得以扩大。

4)对于中后期阶段的雨水净化处理而言，需要实施暂时性的水箱存储处理，利用PLC电路对水灌溉的周期加以科学设定，确保净化处理之后的水能在需求情况下借助对PLC电路水泵的管控方式，发挥出灌溉设备作用。

5)基于达到节能要求，该项目依靠渗灌形式，合理使用净化之后的水源，达到对水资源使用量的降低，并利用过滤处理形式将其中的大部分污染物加以消除。

2 主要结构及参数设计计算

2.1 电器控制部分的设计

2.1.1 安全报警设备的设计

安全警报设备的设计如图1所示。在水压压力传感器电路运行正常的情况下，处于相应水位的电动阀便开始关闭，此时的弃流箱水位不会提高，对于距离传感器输出信号而言，尚未达到PLC电路的设定数值，无线传感电路没发挥出功能。一旦水压压力传感器出现故障时，水位便不断提高，距离传感器所测定距离也会随之降低，导致PLC电路开始运作，由无线传送功能模块将信息传送出，相应的接收端会收到信号，致使警灯发亮[1]。

图1 以无线传输技术作为支撑的安全报警设备设计

2.1.2 PLC水压压力传感器的电路设计

在科学完成PLC电路管控系统的编程处理后，保证其在接收到高于13μA的相应电流信号情况下方可运行，对压力传感器的断路情况加以避免，确保压力传感器的功能正常。图2为系统对PLC水压压力传感器的电路设计。

图2 PLC水压压力传感器的具体电路

1)运行原理。通过蓄电池为电路供应24V的相应电压，确保其稳定性。对于水压的压力传感器装置，其中的4个可变的电阻具体阻值一致。不存在压力情况下，A、B两点没有电势差，相应的输出电压是0；存在压力情况下，内部4个电阻的阻值则产生改变，其中R1和R4的阻值下降，R2与R3的阻值提高，让A、B两点形成一定的电势差，在压力、电势差上有所差异。依靠运算放大器与外围电路的管控装置，使系统输出的电压保证科学性[2]。

2)运放功能。进行A1与A2的运放时，处于一致方向的运算电路，有关特点也一致，旨在让电压扩大同样的倍数，对温漂予以降低，提升抗共模干扰水平。在增益情况下，放大器装置的特点没受到干扰。A3的运放针对的是差分比重提高的电路，使存在电势差相应的两个输入电压实现放大，最终让输出电压为0。A4的运放针对的为电压跟随器装置，以发挥对零压力改进的作用，利用对RP2的调控，使压力为0的情况下输出为0。处于电路当中的电容则经过充放电的处理，保证电路运行的稳定性。

2.1.3 继电器电路与电动阀电路的合理设计

关于固态继电器的运作原理可以表述为：在继电器获得由水压压力传感器设备形成的u0后，当其达到一定大小时，衔铁会受吸，使右边的电路接通；依靠蓄电池中的电动阀功能，当对其关闭后，会致使雨水无法流入到弃流箱装置中，而是流入到集水箱内。

以触电数量的差异作为依据，主要存在两开两闭、三开三闭以及四开四闭等不同类型的电磁继电器装置。此系统构造十分精简明了，主要利用了两开两闭类型的直流固态继电器装置，继电器主要规格为MY2N。

2.1.4 PLC技术下水泵电路

两个水泵采用交流220V的蓄电池供电，利用PLC编程电路达到对电路运行情况的控制目的。对空气的温度使用温度传感器装置予以测定，并把电流信号传输到PLC电路中，仅在电流的信号数值高于所设定的电流信号数值时水泵方开始运作。本设计所运用的蓄电池规格为6 733N。

2.1.5 太阳能电池板电路原理

太阳能电池板电路的运作原理可以表述为：利用太阳能对阳光加以收集，并转变成电能，在蓄电池中予以存储。需注意的是，太阳能电池板与蓄电池不可加以直接连线，应增添光伏充电控制器装置，旨在谨防电池板在某时段形成电量过高，使蓄电池受损，保证电压稳定[3]。依靠蓄电池引出两条线实现电路的连接处理，达到一起充供电效果。太阳能电池板电路原理图如图3所示。

图3 太阳能电池板电路原理图

2.2 机械部分的设计

农田灌溉的自动化雨水回收系统拥有净化、储存及应用等功能，具体的机械部分如图4所示。

2.3 相关设计的计算

2.3.1 弃流容器规格的科学设计和计算

通常而言，降雨开始后5min之内的雨水污染情况最严重，应该科学予以处置，并进行以下计算，即

此公式根据成都市最新公布的暴雨强度计算公式，一年四季相同。

其中，P为设计的重现年限，假设P=3年；t为降雨的耗时，取t=3min。

Q=i·ψ·A·t

其中，Q为前3min的降雨量；i为暴雨的强度；ψ为平均的径流系数，农田绿地ψ=0.15；A为集雨的面积(m2)。

由于收集装置设备的开口是圆形，相应直径是60cm，因此A=0.283m2，Q=2.76×10-4m3/次。

经计算，得出弃流雨水的体积为276cm3，弃流箱底的面积为3cm×3cm=9cm2。当弃流箱设备的水位为30.7cm时，电路开始运行。当水位为30cm时，水压强P=ρgh=3kPa情况下(上式中，g=9.8N/kg或者g=10N/kg,h单位为m ,ρ单位为kg/m，压强P单位为Pa)，压力传感器的输出电压为1.5V。

所以，基于确保输出电压是1.5V的目的，弃流容器设备的高度应超过30cm。为此，弃流容器装置的高度取40cm，而底面的半径则为3cm。

1.漏斗外观的雨水收集器装置 2.电箱 3.湿度传感器装置 4.U形管 5.距离传感器装置 6.电动阀设备 7.石英砂的雨水处理箱装置 8.多孔隔板 9.铰链 10.陶瓷膜雨水的处理箱装置 11.陶瓷膜 12.集水箱设备 13.水泵 14.塑料的渗灌主管 15.塑料的渗灌支管 16.水压压力传感器装置 17.时间传感器装置图4 农田灌溉的自动化雨水回收系统分解图

View of Farmland Irrigation

2.3.2 压力传感器电路相关参数的计算

当继电器处于12V电压下时，符合相关的闭合条件，此时4个运放应把传感器的输出电压增加到12÷1.5=8倍左右。对于该电路，相应的电压关系为

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

设RP1的阻值最大为10kΩ，R5、R6的阻值均为50kΩ，R7、R8、R9及R10的阻值均为100kΩ，由此获得8倍的电压放大成效。

从理论角度而言，不存在压力情况下的输出应为0；但在实际运行过程中，由于遭受温漂与零漂方面的干扰，导致4个桥臂的电阻相应阻值产生改变，输出并不是0。因此，添加A4运放实现调零处理，可以保证系统测定的科学性。

2.3.3湿敏电阻特性曲线相对PLC电路电流方面的计算

本装置选择湿敏电阻进行大气内湿度的测定，同时当成有效的信号，并传递到PLC的管控电路当中。在此类湿度计相应的测定元件上具有较薄的涂层，可以吸收来自周边的气体当中的水蒸汽，达到导电的效果。当周边气体的相对湿度逐渐提升时，相应湿敏电阻的吸水率也增大，两电极之间的电阻数值也减小。依靠电极相应的电流数值，能够体现出周边气体相应的湿度情况。具体的特征参数情况如图5所示。

图5 湿敏电阻相关的特性参数

由图5可以看出：此装置设备的湿敏电阻一直运行于交流1.5V的电路当中。由相应的电阻特征参数得知，其相对湿度为50%的情况下，有关电阻值为115kΩ，电流A=13μA。依靠PLC电路管控系统实现编程处理，当接入超过13μA相应的电流信号时进行运作。由此对压力传感器设备的断路情况加以消除，保证其正常功能的发挥。

2.3.4 关于水泵的输出压力和渗灌管孔径相关计算

当运作的压力低于0.05MPa时，应该保证孔径处于0.1～0.15mm范围内。鉴于采用机械打孔处理过程中表现出精度较低的情况，相应的孔径最小数值为0.6mm。因此，通过运用激光打孔的方式，使得孔径的区间处于0.1～0.15mm范围内，其中大部分是0.12mm，相应的孔密度是8孔/cm2。

3 机具的实际效果及创新点

3.1 机具的实验验证结果

由于季度收集的雨量会遭受天气、下垫面及降雨量等方面因素影响，下垫面针对的是雨水收集项目与建筑物的布设、构造。大部分区域季度收集雨量依据下述公式进行计算，即

Q=ψαβA(H×10-3)

其中，Q为季度收集的雨量(m3);Ψ为平均径流系数，园林绿地取ψ=0.15；α为是季节的折减系数，成都地区α=0.89；β为初期的弃流系数=1-初期的雨量×年平均的降雨次数/年平均的降雨量,成都地区β=0.66；A为集雨的面积(m2)；H为平均的月降雨量(mm)。

成都地区多年月平均降雨量如图6所示。

收集设备的开口是圆形的，直径为60cm,因此A=π×120×120/4=1.132m2。由公式Q=ψαβA(H×10-3)可知：设定某高速公路为2 000km,此设备的渗透管长为2m，则需要大概1 000个相应的集雨装置设备。

集水总量为:

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，降雨开始后的前5min内，相应的雨水污染情况最严重，应及时加以治理。采用以下公式，即

其中，P为设计的重现期(设定3年)；t为降雨的耗时(设定3min)。

Q=i·ψ·A·t

其中，Q为开始3min内初期的降雨量；i为暴雨的强度；Ψ为平均的径流系数，园林绿地取Ψ=0.15；A为集雨的面积(m2);收集设备的开口是圆形，直径为60cm。因此，A=π×60×60/4=0.283m2,Q=2.76×10-4m3/次。

有关雨水污染物的治理与测定如表1、表2所示。

图6 成都地区多年月平均降雨量

有关项目分析测定方法标准浓度成都雨水浓度ph玻璃电极法6-87.6pb火焰原子吸收光度法0.1kg/L6.47氨氮纳试分光光度法≤20mg/L1.71Bod5有机物5日培养法≤20mg/L64.55ss重量法≤240mg/L388.66石油类红外分光光度法20.02大肠菌群显微镜检查≤2个/L没测定出来

表2 雨水污染物分析结果

由此可得出结论：对于成都地区的雨水而言，只有铅、bod5及ss等出现超标情况，通过科学处理以后能够被应用到农田灌溉当中。

3.2 机具的实际效果

经过前文对此次农田灌溉自动化雨水回收装置系统的分析及相关计算可知，本次所研究的农田灌溉自动化雨水回收装置系统应用在了我国的成都地区，并且取得了一系列良好的实际效果。

1)利用此次设计的农田灌溉自动化雨水回收装置系统，可以减少铅排放量1 891 526g，使945 763人避免遭受到中毒。

2)减少了有机物的排放量高达18 845.21g，使水体富营养化得以减轻。

3)该农田灌溉自动化雨水回收装置系统可以收集雨水量2.92×108t，让5 840 000用户能够利用。

4)节约用电230kW·h，与50W灯泡运行46 000h相当，节约用煤达到了100kg。

5)节省农田灌溉用水2.32×109t，让46 400 000用户能够利用。

3.3 创新点

3.3.1 减排性

该农田灌溉自动化雨水回收装置系统具有一定针对性。四川省成都市地区的雨水情况相较于全国范围内污染物水平是较高的，该装置拥有良好的去除成效。所以，此次设计的农田灌溉自动化雨水回收装置系统有利于实现减排性的要求，在水资源的利用与雨水的收集方面具有很大的实际意义和价值，其重要性不容忽视。

3.3.2 多功能性

1)此次设计的农田灌溉自动化雨水回收装置系统可以实现雨水的净化、存储及合理应用等众多功能，并且形成一体化控制的模式，在运用效果方面凸显出良好的实际意义与价值。

2)该装置系统能够达到对雨水有效净化的效果，并采用自动化管控的模式，达到了分批净化处理的目的，并且产生良好的净化质量与成效。

3)此次设计的农田灌溉自动化雨水回收装置系统主要运用过滤的形式，并依靠有关净化材料，实现高效的大分子与颗粒物污染物的去除处理，从而使得后续的雨水得以收集和利用，使农田灌溉变得更加高效与顺利。

3.3.3 可替换性

1)设计的农田灌溉自动化雨水回收装置系统中的不同功能模块，依靠合理的设计与连接处理，在对水物理与力学方面性能因素考虑的基础上，尽可能避免雨水净化与运用成效方面的相关不利因素的影响，如系统中的U形管与斜管部分的科学设计。

2)该农田灌溉自动化雨水回收装置系统中净化设备的上端设置了能够随意转动的盖板设备，并确保相应的净化材料具有可替换性。

4 结论

通过阐述课题的研究背景和意义，明确了研究的目的与总体的设计方案，从电器控制部分、机械部分两个方面分析了设计的方案及相关计算结果，即太阳能功率选用计算、弃流容器规格的科学设计和计算、压力传感器电路相关参数计算、湿敏电阻特性曲线相对PLC电路电流方面的计算、选用石英砂与陶瓷膜等净化材料原因分析、关于水泵的输出压力和渗灌管孔径相关计算，以及采用无线传输技术的报警设备方面的计算说明。望此次研究的结果能够使有关设计人员加以重视，并从中得到相应的借鉴，从而推进我国在自动化雨水回收装置方面的研究与应用进程。