一种智能海绵城市装置及方法

赵昊裔

[摘    要]这些年来我国频频出现“看海”的问题，引发了对传统模式下的城市排水系统建造反思和对城区水危机的关注。在新理念下城镇化建设环境思想指引下，海绵城市的概念被住房和城乡建设部正式提出，并就相关问题发布了指南，全国各级省市纷纷配套出台相关建造计划;这是我国继森林城市、园林城市、低碳城市、生态城市等一系列新的城市理念后诞生的新概念。虽然海绵城市应用正逐步规模化，并已取得较大成效，但目前存在的问题是智能化程度不高。因此，设计一种智能海绵城市装置，成为海绵城市领域一个亟待解决的技术难题。提供了一种智能海绵城市装置，解决海绵城市智能化程度不高的困境。

[关键词]海绵城市;装置;智能;方法

[中图分类号]TB47 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）02–00–04

Smart Sponge City Device and Method

Zhao Hao-yi

[Abstract]Over the years， our country has frequently encountered the problem of "seeing the sea"， which has triggered reflections on the construction of urban drainage systems under the traditional model and concerns about the urban water crisis. Under the guidance of the CPC Central Government's environmental thinking on urbanization under the new concept， the concept of sponge city was formally proposed by the Ministry of Housing and Urban-Rural Development， and guidelines were issued on related issues. Provinces and cities at all levels across the country have issued supporting construction plans; This is a new concept born in my country following a series of new urban concepts such as forest cities， garden cities， low-carbon cities， and ecological cities. Although the sponge city application is gradually expanding and has achieved great results， the current problem is that the degree of intelligence is not high. Therefore， designing a smart sponge city device has become a technical problem to be solved urgently in the sponge city field. This article is dedicated to providing a smart sponge city device to solve the predicament that the sponge city is not highly intelligent.

[Keywords]sponge city;equipment;intelligence; method

晴時的干旱，雨时的内涝，地下水沉降，该如何解决？海绵城市主要涉及一种新时代城市雨水管理的概念。也就是说，海绵城市是指城区能像一块海绵一样，在应对雨水的危害和适应环境的急速变化等方面具有较好的柔性，能像一块海绵一样吸水、存水，无水时也能够保持原有的形状，也可把其叫作为“水弹性城市”。在国际定义术语为“低影响开发雨水系统构建”，也就是说，降雨时吸水、蓄水、净水、渗水，并在必要时将蓄存的水排放并加以重复利用，实现雨洪在城市之间的自由迁徙。

国外城市是通过建设巨型管道来解决雨水排放的问题，但成本巨大，同时也带来了水体污染。国内多地发生内涝的主要原因是排水系统建设不足。管道建设跟不上城市建设，国内大部分的排水管道是20世纪70～80年代修建的。修建时建设标准低，管道不够粗。随着时间的变化，堵塞、漏水、断头问题常见，更是起不到应有的作用。在我国几千年来，利用涝池、渗井、水叫等方式巧妙地解决了这一问题，也为当下提供了新思路。

由于传统城市路面是基于混凝土的结构，水泥是其主要组成部分，这也造成了原有水文特征和自然生态的改变，从而，需要重视自然渗透，加大地下径流，减小地面径流。对于渗透雨水的方式是多种多样的，目前常用的方式是改变各种地面、路面的铺装材质，改变绿地竖向，改善屋顶的绿化，从源头上将雨水储存起来然后渗下去。减小的地面径流将流入河流等水域，另一部分水将经过地下径流流入蓄水池，进入蓄水、净水和渗水的阶段。由于地面径流极大减小，雨水造成洪灾的几率减小，多余的雨水反被净化利用起来，这就是海绵城市的水循环。

海绵城市应用正逐步规模化，并已取得较大成效，但目前存在的问题是智能化程度不高。于是，设计一种智能海绵城市装置，成为海绵城市领域一个亟待解决的技术难题。

1 智能海绵城市

本文提出一种智能海绵城市装置，主要由智能夜景照明系统、智能喷泉系统、智能喷灌系统等组成。

2 智能夜景照明系统

目前全世界都在普遍关注环境、资源和人口等重大问题，它与人类经济社会的可持续发展息息相关，而照明与其中的环境与资源关系最为贴切。1973年，全世界爆发了第一次能源危机，引发了国际对照明节能的关注，其中一些国家随后提出了一些照明节能的措施和原则。1991年美国环保局提出了积极推动绿色照明工程的方案，并且迅速得到了世界众多国家和联合国的关切，随后拟定了照明节能标准、具体技术对策和照明节能政策。当前，绿色照明在其中一些国家获得了较大的环境效益和经济效益。这说明绿色照明发展潜力巨大，前景广阔。今后科技照明长远的目标是全力全方位实施绿色照明。

1993年开始，我国正式发起了绿色照明工程，并在1996年颁布了《中国绿色照明工程实施方案》。2001年，国际组织与原国家经贸委一起开发了中国绿色照明工程促进项目，这个项目目前已经完成，而且效果显著。已经制定工业建筑、公共建筑以及住宅照明节能标准。强化了测试能力，并且进行了国家级实验室照明产品电器的一致性比对。以多种渠道和形式宣扬绿色照明的好处和意义，加强了社会各界的环保节能意识。开展标识工作和节能认证，组织了绿色照明培训和专业教育。质量承诺、大宗采购和供需侧（DSM）照明节能试点，为节电产品的推广积累了良好的基础，并为照明节电积累了宝贵经验。

城市夜景照明是绿色照明的关键组成部分，是城市经济发展、城市社会进步和风貌特征的重要体现。伴随着城市化夜景照明的快速发展，人们逐渐意识到城市夜景照明是一个庞大的系统工程，它由城市的构筑物、建筑物、道路、街道、桥梁、公园、广场、市内河道及水面、绿地、室外广告和城市附属设施，如公用标志、书报亭、电话亭、公汽站台等的照明。必须将这些构景的部分有机地组织协调在一起，进而统一的规划，才能够形成一幅景色优美的夜景图画。

大功率半导体照明在城市夜景照明中应用正逐步规模化，并已取得较大成效，在功能照明上也有一定突破，但目前存在的问题是照度控制精度不高。于是，设计高精度夜景照明智能调节装置，成为城市夜景照明领域一个亟待解决的技术难题。

本文创新性地提出一种高精度夜景照明智能调节装置应用于智能海绵城市系统。

当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，由光通量与电流之间的光照特性曲线，可得：

（1）

式中：为单个LED通过的正向电流向量，A;为整个发光半导体照明装置的光通量，l m;k1为单个LED比例参数，l m/A;N为处于闭合状态的断路器数量;y为每个LED支路的LED数目。

由投光灯照度计算公式，可得：

（2）

式中：U为发光半导体照明装置的利用系数;S为发光半导体照明装置照射面的作用面积，m2;

Eav为发光半导体照明装置照射面的照度，Lx;K为发光半导体照明装置的维护系数;

设定电压矢量以及电流矢量，如下：

φ1 （3）

式中：Vin为发光半导体照明装置的输入电压，单位为V;为发光半导体照明装置的输入电压向量，单位为V;φ1为的向量角（°）。

由基尔霍夫电压定律以及基尔霍夫电流定律，可得：

=IF∠φ2 （4）

φ2=0 （5）

=I∠φ3 （6）

=Ic∠φ4 （7）

（8）

（9）

（10）

式中：IF为单个LED通过的正向电流，A;为单个LED通过的正向电流向量，A;φ2为的向量角，（°）;为发光半导体照明装置的主路输入电流向量，（°）;I为发光半导体照明装置的主路输入电流向量，A;φ3為的向量角，（°）;Ic为可调电容电流，A;为可调电容电流向量，A;φ4为的向量角，（°）;C为可调电容的电容值，F;Vo为单个LED的开通压降，V;Rs为单个LED的等效串联电阻，Ω;R为发光半导体照明装置的限流电阻，Ω;L为可调电感的电感值，H;j为虚数单位，j2=-1;其中k1、U、K、S、y、IF、R为预设值。

所述的景观亮化智能调节装置的调节方法，先进行预设值的设定;然后根据实际所需要的发光半导体照明装置照射面的照度Eav，根据公式（1）～（10）计算，以获得N、L、C、的值，按照计算结果控制电压可调装置输出的电压、可调电容的电容值、可调电感的电感值，以及MOS管的闭合数量。

3 智能喷泉系统

《关于推进海绵城市建设的指导意见》从加强规划引领、统筹有序建设、完善支持政策、抓好组织落实等四个方面，提出了将雨水年径流总量控制率作为城市规划的刚性控制指标，建立区域雨水排放管理制度。建设海绵城市，即构建低影响开发雨水系统，雨水经过石子、瓷沙、活性炭、石英砂、滤布五层结构后进入溢流池，溢流池中的水有四个流向：①流向城市用水，再流向水体;②水流向城市雨洪系统，再流向水体;③水流向城市土壤;④水可以就地重复利用，比如智能灌溉、智能音乐喷泉等。

智能音乐喷泉系统包含如下功能：①马达启停智能安全检测系统;②音乐喷泉系统。其中，马达启停智能检测系统能保证系统稳定运行，并能防止溢流池水位过低，造成马达烧毁。音乐喷泉系统能根据环境中播放的音乐强度自动调节马达的输出马力，从而控制喷泉出口的扬程。

3.1 马达启停智能安全监测系统

图2是马达启停智能安全监测系统结构示意图。它由用于根据控制器处理的数据发出控制指令的监控装置、用于对信号采集装置搜集的数据进行分析的控制器、信号采集装备，监控装置与控制器的控制端连接，执行机构与控制器的输出端连接，控制器的输入端与信号采集装置连接。

该系统检测系统单元设计和关键参数的选取原则如下：

（1）泵内部不停发热会降低泵电机的使用寿命，泵电机内部温度的改变反映了泵的运行质量和工作效率的变化，因此为了保证响应速度及精度，采用热电阻测温。

（2）为了防止液位过低时，泵电机被抽空，从而严重损害电机的使用寿命，应该使溢流池水位保持在正常液位（正常液位处于低液位与高液位之间），故而采用雷达液位计测液位。

（3）泵出水总管压力低及出口支管压力低，这说明电机故障或喷泉供水系统存在漏水现象，故应该采用防腐型智能压力控制器对压力值进行实时监控。

马达启停智能安全监测系统的控制方法应该包含以下几点：

（1）信号采集装置应由以下组成：出水总管压力检测装置、泵出口支管压力检测装置、水泵电机温度检测装置和液位检测装置。

（2）信号报警与采集：实时监测泵电机运行信号、泵电机热继电器故障信号、泵断路器分闸信号、出水总管压力值、泵出口支管压力值、溢流池水位值、水泵电机的轴承温度。

（3）预设泵出口支管压力指标和出水总管压力指标、溢流池水位指标、水泵电机轴承温度值指标;并根据泵组的运行状态，对上面4个参数进行实时采集与信号报警。

（4）预先设定泵出口支管压力指标、溢流池水位指标、水泵电机轴承温度值指标。水泵电机轴承温度值指标有：温度高值（一般为95 ℃）、温度高高值（一般为135 ℃）;溢流池水位指标有：液位低低值，此值=泵电机进水管高度+（0.5～1）m;液位低值，此值=泵电机进水管高度+（1～2）m;液位高值，此值=泵电机进水管高度+（5～6）m。

（5）出水总管压力指标：支管压力低值（一般为0.25 MPa，此值可调）。

（6）泵出口支管压力指标：支管压力低值（一般为0.35 MPa，此值可调）。

（7）预设各类参数超越预定设置指标范围的延时时间为5s，这里设定5s的原因，是为了防止检测元件的错误信号。

（8）将以下状况称作泵电机处于故障状态：①泵电机在运行信号存在的情况下，泵出口支管压力值持续5 s低于压力低值，这里设置5 s的原因是为了过滤检测元件的误信号;当泵电机出现故障状态无法启动或停机，需要记录停机原因。②泵电机出现热继电器故障信号;③泵电机出现泵斷路器分闸信号;④泵电机实时轴承温度高于温度高高值且持续时间大于5 s，这里设置5 s的原因，是过滤检测元件的误信号。

（9）水泵的连锁条件：①泵组正常运行时处于一工一备状态，当一台泵故障时，另一台泵启动;②泵电机在运行信号存在的情况下，当溢流池水位低于低低值，泵电机应连锁停止;③泵电机处于非运行且非故障状态的情况下，当溢流池水位高于低值，泵电机方可允许启动。

3.2 音乐喷泉系统

音乐喷泉是一种为了娱乐而创造出来的可以活动的喷泉，它根据美学设计并且经常会产生三维的效果。在此过程中，水流被操控，散射及折射光，然后一个三维的画面就产生了。随着音乐变换，音乐喷泉为人们在夜间增添一份听觉的盛宴和美轮美奂的视觉，是在快节奏的城市生活夜间下一项较为浪漫闲适的娱乐活动。

4 智能喷灌系统

图3是智能喷灌系统结构示意图。它包括信号采集装置、用于对信号采集装置采集的数据进行处理的控制器、用于根据控制器处理的数据发出控制指令的监控装置，信号采集装置与控制器的输入端连接，控制器的输出端与执行机构连接，控制器的控制端与监控装置连接。

它具有两个功能：

（1）控制器通过采集土壤湿度传感器感知的土壤湿度情况控制喷灌马达的启停。当土壤湿度传感器的测量值低于设定低值时，喷灌马达启动;当土壤湿度传感器的测量值高于设定高值时，喷灌马达停止。

（2）控制器通过温度传感器、湿度传感器感应环境的状况，并在监控计算机中进行显示，向外界展示环境状况。

5 结束语

与现有技术相比，智能装置的效果为：解决现有海绵城市系统的智能化程度不高的特点，具体包含了智能夜景照明系统、智能喷泉系统、智能喷灌系统。其中，智能夜景照明系统解决了照度控制精度不高的问题。智能喷泉系统提供了一种安全可靠的音乐喷泉方案。智能灌溉系统提供了一种节能型的灌溉解决方案。该智能装置已成功应用于实际工程，具有很好的推广前景。

参考文献

[1] 谈旭辉.“海绵城市”在市政道路设计中的应用分析[J].科技与创新， 2017（11）：10-11.

[2] 林美，何文孝.智能照明系统的功能与优势发展研究[J].无线互联科技，2016（21）：20-21.