第 1 章 绪论
1.1 选题的背景与意义
1.1.1 水资源现状
水作为生命之源，是地球上不可或缺、不可被替代的一种有限的自然资源，也是所有生物赖以生存的物质资源与环境资源[4]，人类的一切生产活动都离不开水。据统计，地球水圈中水的总量约为 13.9 亿 km3，其中，淡水只有 3520 万 km3，仅占水资源总量 2.5%。淡水中 68.7%是存在于冰川与极地地区的冰层及永久积雪，0.8%是永久冻土，剩下的 30.5%是地表水、地下水及大气水[5]。但是随着水资源危机的加剧和水环境质量的不断恶化，水资源已演变为一个世界性的资源环境问题。
据 2018 年世界水资源开发报告指出，随着当今世界人口增长及经济发展，全球需水量每年正在以 1%的速度增长，且在未来二十年内将继续出现持续增长的趋势，水资源危机在不断加剧。增加的需水量主要来源于发展中国家。农业作为最大的用水部门，依然存在很大的缺口。而且目前全球仍有近一半人口生活在每年至少有一个月处于缺水状态的地区，这个数字到 2050 年可能会增加至 48亿至 57 亿。同时进入新世纪以来，由于生态环境的恶化，水文循环受到影响，非洲、亚洲、拉丁美洲等地河流中都出现了严重的水污染[6]，预计在未来几十年内，水质污染状况还会进一步加剧，将对人类健康、生态环境和水资源的可持续发展产生严重的威胁，未来水资源将面临更大的挑战。
我国不仅是一个用水大国，同时也是缺水最为严重的国家之一。我国淡水资源总量为 28000 亿 m3，居世界第六位，但人均水资源量只有 2074.5 m3（2017 年底）[7]，居世界第 128 位，不足世界人均水平的 1/4，是人均水资源量最为贫乏的国家之一。若再去掉难以被利用的洪水泾流和分布在偏远地区的地下水资源，剩余可利用水资源仅为 11000 亿 m3 左右，人均可利用水资源量仅为 900 m3[8]。再加上我国人多水少、水资源时空分布不均，使得水资源形势更加严峻，同时水环境污染、水生态恶化等问题更加加剧了水资源短缺与水资源供需之间的矛盾，水资源已成为限制我国发展的重要因素之一。
进入新世纪以来，我国水资源面临着严峻的挑战[9]。据中国水利部统计在2003 年，全国 668 个城市中就有 400 个城市缺水，其中 108 个城市处于严重缺水，每年水资源缺口达 60 亿 m3，每年因缺水造成的工业生产损失达 250 亿美元，粮食损失达 2500 万吨[10]。我国尽管在水资源的开发、利用、配置、节约、保护和管理等方面取得了突出成绩，但随着我国工业化、城市化进程的加快，水资源供需之间的矛盾将更加严重，未来水资源形势将更加严峻。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 雨水资源化利用现状
雨水利用是一项被广泛应用的传统古老技术，其历史可追溯至公元前 6000多年，那时候人们便已把集蓄雨水用于农业生产和生活所需[19]。但随着现代科学技术的发展，地下水开采逐渐取代了雨水利用技术。随着全球人口的快速增长及城市化进程的推进，对水资源的需求量也在日益增长，地下水的过量开采，再加上水环境污染、水生态恶化等问题，使得水资源日益紧张，水资源危机已成为全球化的问题[20]。降雨是自然界水循环中的重要环节，是维系人类生存所需水源的基础[21]。作为一种长期存在的水源，其易于获得，处理简便，数量可观。雨水的资源化利用，可一定程度上缓解水资源短缺的现状，而且能促进水环境生态系统的循环与可持续发展，因此越来越多的国家认识到了雨水资源的重要价值，兴起了雨水的回收利用。
1.2.1.1 国外雨水资源化利用现状
近几十年来，美国、德国、英国、日本、以色列、澳大利亚、印度、泰国等40 多个国家都相继展开了雨水利用的研究与实践应用[22]，一些国家还联合成立了与雨水集蓄利用相关的组织和协会，提倡和宣传雨水资源的回收利用。其中，德国、美国、日本等城市化进程较早的国家，雨水利用的发展较快，受益匪浅。国外发达国家对雨水资源化利用的相关研究是在 20 世纪 60 年代初开始的[23]。国内外雨水资源化利用技术的应用主要在两方面，即生活应用方面和农业生产方面。
在生活应用方面，集蓄雨水主要是为了解决城市和农村地区人们的生活用水问题。德国通过屋面雨水收集系统、雨水截污与渗透系统及生态小区雨水利用系统，不仅可将雨水供给家庭非饮用水，还可补给地下水，其雨水利用技术已形成了成套的设施和产品；美国的屋顶雨水集流系统彻底解决了家庭供水问题，其很多地方都将雨水用于洗车、冲洗道路、绿地浇灌和洗衣；日本作为亚洲最早同时也是城市雨水利用规模最大的国家，一直以来都将雨水作为非饮用水的备用水源，集蓄雨水主要用于冲洗厕所、浇灌草坪、消防及灾害应急等；英国的地面蓄水系统，可将局部地域内的雨水，通过人工的方式收集贮存，补给人们生活所需的杂用水，来减轻城市的供水压力；在澳大利亚的农村及城市郊区地区，家庭雨水收集利用得到了全面普及，使用雨水居民比使用集中供水系统居民要多，主要收集来自屋顶的雨水。位于澳大利亚新堡镇城郊的无花果小区，雨水是其主要的家用水来源，仅靠收集处理的雨水便能满足 50%的家用热水和冲厕用水，及 100%的花园浇灌和汽车冲洗用水；泰国是在农村中开展雨水资源化利用规模最大的国家，通过 20 世纪 80 年代的“泰缸”工程，利用家庭集流水缸，解决了 300 多万农村人口的用水难题；印度地方政府通过政府投资、居民筹资以及民间捐资等多种手段，兴建了许多雨水收集设施，主要用于解决居民的用水问题[24-28]。
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第 2 章 雨水气雾栽培的可行性分析
2.1 长春水资源现状分析
据吉林省水资源公报报道，2016 年长春地区年降水 138.7 亿 m3，水资源总量为 43.77 亿 m3，占全国水资源总量的 0.15%，其中地表水资源量为 24.96 亿m3，地下水资源量为 21.23 亿 m3（重复量为 2.42 m3）[13]。至 2016 年末，长春人口为 753.4 万[66]，为全国人口的 0.54%，人均水资源量为 580.966 m3，不足全国人均水平的 1/4，为严重缺水城市。据长春市城市科学研究院预测，2020 年长春年需水总量会达到 8.25 亿 m3；2050 年将会增至 11.32 亿 m3；而当前长春城市年供水量仅为 4.74 亿 m3，这给未来长春水资源的供给带来了严峻的挑战[67]。长春市在 2008 年便被选为第三批全国节水型社会建设试点，通过各种方法去实现节水，进行中水回收和污水处理，对于雨水收集利用却并未给予过多重视。图 2.1所示为长春 2016 年各行业用水比例[13]，其中农业灌溉用水量超过了用水总量的一半，位列第一。同时对比往年数据发现，近年来农业用水比重持续下降，工业用水比重稳定增加，城镇公共用水和居民生活用水比重正在逐渐上升。
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2.2 长春降雨特征分析
2.2.1 降水量分析
降水量也称雨量，指的是在一定区域一定时间段内由天上降落至地表，且未经过蒸发、渗透、流失，在地表上积聚的液态或固态水的水层深度，一般通过雨量筒进行测定，单位为毫米。根据国家统计局《中国统计年鉴》中对长春降水的统计数据，2008-2017 年长春地区按月分布的降水量状况[7]，如图 2.2 所示。
从图 2.2 中长春近十年的降水数据可以得出，长春地区年均降水量为 656.09mm，与我国多年的年均降水量 648 mm 相近，为全球陆地年均降水量 800 mm的 4/5，不足亚洲陆地年均降水量 740 mm[68]的 9/10。由此看出，长春地区降水相对而言并不充沛，但是长春地区雨量相对集中，雨季主要集中于每年的 5~9 月，降水量占全年降水总量的 72.3%~88.9%，达 474mm~583mm，其他月份降水相对较少。降水集中便于雨水的收集与资源化利用。无土栽培用水量较大，若使用雨水作为营养液水源，则需当地年均降水量达到 1000 mm 以上[18]，否则雨水无法满足无土栽培生产。长春降水量远低于 1000 mm，无法进行无土栽培周年连续生产，但栽培若选在雨季，则降水量完全可以满足雨季这 5 个月的栽培需求。此外，长春雨季多在夏秋之际，此时温度与湿度较高，适宜植物生长，更有利于进行无土栽培，但需预防植物病虫害的发生。
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第 3 章 雨水利用型雾培装置的设计............................253.1 装置简介............................... 25
3.1.1 装置结构.................................. 25
3.1.2 装置功能........................... 26
第 4 章 雨水利用型雾培装置的控制系统设计...................................37
4.1 营养液管理................................ 37
4.1.1 pH 管理.................................37
4.1.2 EC 管理....................................37
第 5 章 装置运行及应用效果评价....................................49
5.1 装置运行效果分析及使用建议...........................49
5.1.1 自然沉降效果分析........................................49
5.1.2 吸附过滤效果分析...................................51
第 5 章 装置运行及应用效果评价
5.1 装置运行效果分析及使用建议
所收集雨水由于收集方式、收集地点及其他因素影响，水质波动较大，雨水中一般含有大量大颗粒物质及固态悬浮物。雨水一般可生化性差，多采用物化处理[90]，物化处理中使用较多的便是混凝沉淀与吸附过滤。混凝沉淀是通过投加混凝剂以处理悬浮物含量较高的雨水，但会增加处理成本，相对而言，自然沉淀是针对雨水中泥沙及悬浮物的最适方法。吸附过滤则一般用于去除前处理中残留的悬浮物固体、胶体及重金属等[91]，提高出水水质。一般在吸附过滤前需增加沉淀处理工艺，以防止滤池堵塞。本装置主要通过预沉池与吸附过滤池对这些物质进行预处理。沉降及过滤效果一般采用浊度作为检测指标，因为浊度不仅是感官性状方面的指标，更可以衡量待测液体中病菌、病原微生物和其他有害物质等依附在悬浮物和胶体上的程度[92]。为研究装置对雨水的预处理效果，同时为装置使用提供建议，在 10NTU~130NTU 范围内等梯度的配制了 5 种不同浊度的配制水，并对其进行了预沉与吸附过滤试验，以确定该范围内浊度水的预沉时间与预沉效果的关系。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文从雨水资源化利用对水资源利用的意义及无土栽培技术的优势出发，在课题组前期研究基础上，将雨水利用与蔬菜雾培技术相结合，以意大利生菜（Lactuca sativa L. var. ramosa Hort.）为栽培对象，分析长春市雨水用于雾培的可行性；设计并加工完成了集雨水处理与雾培营养液循环利用于一体的雨水利用型雾培装置；并将装置运用于栽培试验，开展效果评价。具体结论如下：
（1）通过对长春市近十年（2008～2017）降雨数据分析，结合试验当年（2018年）两个典型采样点天然雨水采样分析检验结果，对比无土栽培、农田灌溉及饮用水水质要求，并进行了雨水叶菜雾培试验。结果发现：长春市雨水是无土栽培的优质水源；雨水栽培组（处理 1）各项指标皆高于雨水与曝气自来水等量混合组（处理 2）和自来水栽培组（对照组）；处理 1 的叶绿素相对含量和净光合速率均最高，对照组最低，处理 2 介于二者之间；处理 1、处理 2 与对照组相比，可溶性糖和硝态氮含量随着雨水的加入有所增加，而可溶性蛋白则随雨水加入有所下降，其中，处理 1 硝态氮含量增加了近 50%；
（2）将雨水利用与雾培技术相结合，设计并加工完成了一套雨水利用型雾培装置。该装置由预沉池、吸附过滤池、过渡池、反渗透池、清水池、自来水池、营养液池、营养液提升泵、营养液调控池（酸液池、碱液池及浓缩营养液母液池）、雾培箱、缓冲消毒池及控制部分组成。该装置可通过自然沉降与吸附过滤对供给的雨水进行预处理，对 EC 值较大的雨水还可通过反渗透进一步处理。该装置可实现营养液循环利用，通过紫外线与臭氧对营养液进行杀菌消毒，以雨水作为优先水源，自来水为备用水源，通过二者互补保障水源供给的稳定性；
参考文献（略）