摘 要：本作品针对高速公路中央分隔带绿化植物灌溉难、花费大等问题，在高速公路已有的集排水系统基础上，提出了一个节能高效的自动灌溉方案。本方案由高速公路自身集水部分、节水自动灌溉两部分组成。自身集水部分即降落于高速公路路面的雨水依次经过护坡、边沟、渗沟、沉淀池、集水箱，完成净化和收集过程；节水自动灌溉部分即埋设于中央分隔带下方的渗灌管道，并配有土壤含水量检测器进行实时监测，当植物需要时进行灌溉，若水源不充足可以直接从中央分隔带下的供水管道供给。局部供电系统通过在道路下面设压电陶瓷片发电，来为自动灌溉系统提供所需要的电能。该方案施工简单，成本低，效果好，值得广泛推广应用。

1.研究背景

随着社会经济的发展和环保意识的提高，高速公路上的绿化越来越受到重视。中央分隔带绿化是行车过程中视线触及最多的景色，其主要目的是防眩、下部埋设管道、安全、美观等。但目前中央分隔带绿化突出存在几个问题：

1.植物成活率低，很难达到预计目的；

2.灌溉劳动强度高、难度大、费用高、不安全；

3.传统人工漫灌和洒水车式浇灌方式，不但洒水不均且易对路面造成破坏。

然而我国地大物博，高速公路的建设是必然，中央分隔带的绿化亦不可缺少。在没有新的方法替换中央分隔带的绿化之前，提高中央分隔带植物成活率、降低灌溉难度和成本成为改善高速公路绿化状况的迫切需求。在这样的背景下，我们提出了一种自动化程度高、安装方便、成本低廉且能显著提高植物成活率的中央分隔带自动化灌溉系统设计方案。

2.设计原理

本文以郑州市的高速公路为例，通过对高速公路和现有的绿化灌溉模式的调研以及对雨量的初步计算，论证了高速公路中央分隔带自动灌溉的可行性，并提出作品的推广应用途径及价值。

2.1 设计思路

高速公路本身具有集流槽、边沟、渗沟、排水管道等一系列完善的集排水设施，已知边沟每隔一定的距离就会有一个最低点，在这个最低点汇集集流槽所收集的道路上的多余水量，边沟最低点为可渗透结构，通过渗透，水量渗入充满碎石的渗沟中，经过简单过滤后再由地下的排水沟将水量排向自由水体中。

本系统在高速公路本身自有的集排水系统基础上，，将集水管道与原有的排水管道相连，将收集到的水进行二次过滤，过滤后在重力作用下使将水流入集水箱。同时在缺水月份或少水地区借助服务区管道进行自动供水。通过埋在土壤中的湿度传感器实时监测土壤含水量，在作物缺水的情况下，自动启动水泵，利用渗灌技术直接在土体内进行灌溉，在达到自动灌溉的同时也达到了高效用水、节约成本的效果。水泵、温度传感器等的运行电源均来自于铺设于道路上的压电陶瓷片，通过过往汽车的碾压来为系统供电。

2.2 设计可行性论证

2.2.1水源来源

以河南省双向八车道高速公路为例。假设高速公路为单面坡，由路中间向两边排水。高速公路路基宽度=路肩宽度+行车道宽度+中央分隔带宽度。查询《道路桥梁基本规范》可知，高速公路为双向八车道路基宽度为42米，其中间带为3米。假设边沟出水口间距为200米。则单侧路面汇水面积221=19.5200m=3900mF×，中央分隔带汇水面积222=3200m=600mF× ，又查得高速公路沥青混凝土路面径流系数为0.95，中央带径流系数为0.55，边坡径流系数为0.8，集水设备利用系数为0.75。则实际集水面积。以郑州市年平均降雨量来计算，结果如下：

3N=2412603.11454.68m×=

可以看出所收集的降雨量总值较为可观。除此之外，在中央分隔带下部常埋设通讯管道和服务区水电管道等，我们还可以直接从供水管道取水。

2.2.3灌溉系统

目前，常采用的节水灌溉有滴灌、喷灌、微喷灌、根灌、渗灌等形式。针对中央绿化隔离带的特点，我们从节水效果、压力补偿功能、湿润方式、系统配套、灌溉影响、施工等6个方面进行分析评价，最终选定渗灌。渗灌具有节水效果显著，过程损失小、全面灌溉，均匀度较好、输水管道流量小，投资低、灌溉对行车无影响，便于施工等优点。且在这几种灌溉方式中，渗灌有利于控制灌溉层深度，能确保高速公路路基不会受到灌溉水的侵蚀而影响公路的使用，鉴于高速公路特殊的地理环境，采用管道渗灌是对高速公路中央分隔带较为有利的节水灌溉方式。

2.2.4供电系统

本系统采用压电陶瓷片供电，通过车辆荷载对压电陶瓷发电片施加压力，使压电陶瓷发电片产生振动和形变，进而产生电流。且其成本低廉，适用于较多荷载作用次数的地方。

2.3 高速公路雨水收集系统设计方案

本系统利用高速公路本身自有的集排水系统，将集水管道与原有的排水管道相连，将收集到的水量进行二次过滤，过滤后再利用重力作用将水送入集水箱。

同时中央分隔带下部常埋设通讯管道，服务区水电管道等。我们可以每隔一段距离，从供水管道中开一个与水箱连接的管道，并用阀门控制。在水箱内设置水位监测器，当水箱内水位低于最低限度时，由电路控制打开阀门进行水箱供水。这样在利用中央分隔带自身功能的同时便解决了供水问题，对于少雨贫水地区中央分隔带植物的灌溉非常有利，且切实可行。

2. 4中央分隔带渗透节水自动灌溉系统

中央分隔带的灌溉采用自动控制系统，灌溉方法为渗灌。首先根据中央分隔带种植的植物来确定渗水管的埋设深度和渗水管的间距，接着在渗水管附近安设土壤湿度传感器。当土壤湿度降低到植物生长最小值时，由湿度传感器发出信号传递到水泵处的信号接收装置。当接收到信号后，通过控制电路使水泵自动连通，开始抽水进行渗灌。当达到预定的土壤湿度后，可以自动停止水泵工作，停止供水。

在整套系统中，将水泵至于集水箱中，同时由集水箱中引出灌溉主管与埋设于土壤中的渗透管连接。当土壤湿度测定仪测得数据低于设定值时，利用电磁阀控制器控制水泵控制器，提出水泵中雨水进行灌溉。当土壤湿度高于一定值时，系统自动关闭。

2.3.5压电陶瓷供电系统

路面压电发电采用锆钛酸铅（PZT）陶瓷片的正压电效应产生电压和电荷。压电陶瓷片具有将机械能转化为电能的性能，当其受外力作用时，其极化强度随之而变，导致表面吸附的自由电荷随之变化。根据《 》导出单个压电片在标准轮载的作用下的发电效率为

100%EWη=×

已知小轿车单轮标准轮载为5000N，不考虑冲击系数和荷载的扩散，发电片采用PZT陶瓷片，选用的压电常数121122310dCN.=×，作用面积为2.52.0Acmcm=×，厚度为2hmm=，相对介电常数730rε=，真空介电常数1221208.8510CNmε...=×..。带入上述公式可得单片压电陶瓷发电片的发电效率为：

2110100%=0.0192%2rdFηεε=×

单片的压电陶瓷片在一次轮载的作用下发电效率看似很低，一方面主要原因是由于选取的等效模型与实际情况存在出入，且忽略了较多因素。但是高速公路上的车流量是非常可观的，每天作用的次数也是非常非常多的。而且路面的宽度远远大于压电陶瓷发电片的长度，也就是我们可以串联多个压电陶瓷发电片与路面上，这样产生的电流就非常的可观。而且它安全无污染，对环境友好，是对清洁能源的一种利用，且对路面结构影响很小。

4.结语

高速公路中央分隔带植物的灌溉一直都是难题，每年花费在高速公路中央分隔带绿化带养护的费用高达几千万，却仍收效甚微。因此发展针对高速公路中央分隔带的集水节水自动灌溉系统已是迫在眉睫。本作品设计理念的提出对高速公路中央分隔带自动灌溉系统的设计具有一定的参考价值和促进作用。