基于海绵理念的居民区雨水回收及智能化利用系统

臧晗博，王晓龙，于林平，朱永英，闫世龙，闫铭泽，宿耀坤，叶瑞鹏，麦紫祺

(大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

1 研究背景

我国是一个水资源严重缺乏的国家，多年平均水资源位居世界第6，而人均拥有水资源量居于世界第 110 位[1]，仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。与此同时我国雨水资源却浪费严重，我国年均降雨量超过6万亿m3，而进行收集再利用的却很少。若能把大部分雨水进行回收再利用[2]，将会有效地缓解我国的缺水问题。随着城市化进程的加速,楼房、路面、广场等建筑硬化而不透水的面积日益增多，使得大量的降水因无法得到有效合理的收集和渗透而被浪费掉。同时暴雨又经常引起城市内涝，导致许多街道被淹没，严重影响交通和人们的正常生活，甚至威胁到了人们的生命安全。海绵城市[3]概念的提出与推行不但能够缓解了城市内涝的局面，而且有效地增加了雨水的收集和二次利用，使我国水资源匮乏的问题得到有效改善。在我国城市建设用地中，建筑小区用地约占总用地的40%,其产生的雨水径流约占城市径流总量的50%[4]。因此,如何实现对建筑小区雨水径流的有效控制利用，已成为海绵城市建设的重要内容之一。2015年国务院75号文《关于推进海绵城市建设的指导意见》中也明确提出建设海绵型建筑小区。

基于此，在研究分析城市降雨量及雨水回收利用技术等信息的基础上，基于高效节水、人水和谐[5]的可持续发展理念，提出了一种居民区雨水海绵式回收及智能化利用系统，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术[6]，实现了雨水在社区的积存、渗透和净化利用。在高效回收雨水、防止自然灾害的同时，利用云端智能将雨水综合利用起来，为推进海绵社区建设提供参考[7]。

2 居民区雨水回收及智能化利用系统

该系统主要由雨水发电装置、雨水收集及存储装置(含下凹式绿地、透水沥青、透水方砖、过滤装置)、云端智能喷灌装置及光感应洗车装置等部分组成。

2.1 设计思路及原理

2.1.1 雨水发电装置

降雨时，屋面的雨水通过简单过滤经由雨水立管进入发电装置，在水流冲击作用下，水轮机开始旋转，将水的重力势能转换为机械能，水轮机又带动同轴相连的发电机旋转。在励磁电流的作用下，发电机的定子绕组切割励磁磁力线产生感应电动势[8]，输出电能，并且将电能储入蓄电装置，用于社区照明和供电。发电后的雨水进入一级蓄水池。

2.1.2 雨水收集及存储装置

路面的雨水通过透水砖和透水沥青[9]搭配开孔式路缘石[10]，通过渗导结合的方式，汇入一级蓄水池，当降水量过大时，透水铺装上的雨水漫入下凹式绿地[11]，将一部分雨水滞留在绿地中用于补充地下水，另一部分雨水通过预先设置的溢流口流入地下蓄水装置[12]，用于系统的供水，防止社区发生内涝。

2.1.3 光感应洗车装置

根据光感应的原理，当汽车驶入停车位时，装在停车位上的光感应头感受光线被遮挡变暗，光敏传感器[13]就会接到感应，并向手机 APP 发出信号，通过 APP 控制驱动水泵转动从二级蓄水池中抽水，实现自动洗车。清洗后汽车驶出停车位或通过手机 APP 关闭，感应器停止工作，结束洗车。

2.1.4 云端智能喷灌装置

WIFI连接路由器，路由器连接以太网，以太网访问服务器云端，手机通过网络访问服务器云端实现手机和绿化装置的通讯。小区绿地通过土壤湿度传感器[14]感应土壤湿度，当绿地缺水时，湿度传感器向手机发出信号预警，手机 APP 通过网络访问服务器云端，控制一级蓄水池水泵开关，实现远程遥控定时定量喷洒。

2.2 系统结构组成图

系统结构见图1、图2。

图2 实物模型

2.3 系统工作流程

系统工作流程见图3。

图3 结构流程

2.4 模拟实验

制作系统模型，尺寸85 cm×60 cm×80 cm，以不同的速度倾倒2 L的雨水，进行模拟实验，待水位刚刚降至面层下方时记录耗时，实验结果见表1和表2。

表1 模拟小雨实验

表2 模拟暴雨实验

(1)模拟5次小雨，降雨量为8 mm/24 h，将2 L水缓慢倾倒在模型面层上，平均总计用时12.3 s。

(2)模拟5次暴雨，降雨量为100 mm/24 h，将2 L水快速倾倒在模型面层上，平均总计用时3.4 s。

由表1和表2可以看出，模拟小雨时，模型汇集的雨水径流中90%以上下渗补给地下水，8%的雨水经过滤进入一级蓄水池中，实验得出透水率约 150 L/mm2·min，发电量约为4.4 W。模拟暴雨时模型汇集的雨水径流中87%进入一级蓄水池，10%渗入地下，实验得出透水率约150 L/mm2·min，发电量为约为5 W。由模型实验可以看出，本系统充分回收并利用云端控制雨水的自由迁移，符合设计理念要求，能够快速有效排开雨水，防止社区内涝，实现节能减排和充分利用水资源的目标。

3 创新特色

该系统基于海绵城市理念，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现了居民区雨水的收集、渗透和智能综合利用。本系统有以下三大特色。

3.1 雨水发电

传统的雨水立管往往采用消能装置消减雨水的动能，此种方法能量的利用率低且噪音大。本系统充分利用雨水进行发电，在消能的同时将雨水势能转化为电能，实现节能环保。

3.2 有效排水

采用渗导结合的理念，在透水性能良好的路面基础上，搭配开孔式路缘石、下沉绿地、植被缓冲带及下凹式绿地，对雨水疏导、过滤和净化，有效防控社区内涝。

3.3 云端智能雨水再利用

通过手机 APP 控制，对存储和净化的雨水进行再利用，实现草地智能喷灌、路面自动清洁以及光感应自动洗车等功能。

4 结论

本文基于海绵城市理念，提出了一个居民区雨水海绵式回收及智能化利用系统。该系统通过渗导结合的方式将雨水进行有效收集并存储，充分利用雨水势能发电，并利用云端智能实现草地自动喷灌以及光感应自动洗车等功能，在高效回收雨水、防止自然灾害的同时，利用云端智能将雨水综合利用起来，实现了高效节水、节能环保的可持续发展目标。也落实了海绵理念，使居民区在应对雨水带来的自然灾害时具有了良好的“弹性”，可为推进海绵社区建设提供参考。