气雾栽培
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2015年9月17日 作者:xwz2367609 [返回]
水车温室的开发与利用(二)

项目主要研究开发内容、技术关键及创新点
    水车温室是集成温室技术、现代农耕、生态生物、能源科技、可持续耕作、计算机控制等为一体的多学科系统工程。是基于现代科技融合生态理念,关注生态环保与低碳生产生活的新概念新思路及新农业。它的功能复合了农业耕作的基础功能,延伸了污水处理的新功能,又有美学的融合,让它成为一个既有水上景观,又能高额产出及强大水处理功能的可持续人工生态系统。它可以利用太阳光能源及水,实现永续零排放耕作,就如未来的生命支持系统一样,可以独立完成生产生活与生态的三大需求,很有可能成为未来农业发展空间拓展及水质处理的重要技术。以下就该技术的开发内容作些介绍。
一、研究开发内容

1、温室部份
     温室由水上与水下两大部份组成,水上温室的要求必须符合水面经常会遇到的灾害天气如大风大浪,摆动涨落,对温室的强度有较高的要求,另外由于是水上温室所以还得选择轻型结构,减少承重。另外作为水上漂浮设施,离网供电是其重要的特点,所以温室除了上述要求外,还需结合光伏温室技术,融合太阳能发电,实现电力的自给,最好再结合风力发电进行互补。漂浮温室虽然于水上,但有净水要求的耕作,还可配套取水技术,可以收集雨水或者空气中获水,解决高质量水的需求问题。温室设计围绕上述问题进行创新设计。

水车温室整体外观效果

(1)温室结构
    水车温室外型采用截半的半锥体结构,因为自然界锥体为沙漏的自然落体形态,科学与实践证明,它具有更强的建筑抗性,如埃及金字塔,在狂风及沙暴环境下依然耸立,这与它的自然落体形态有关。但在无任何风障的水面,建筑不宜过高,可以作截半设计,减少风阻,另外再于温室顶处设一倒锥体钢构,用于雨水收集,及安装太阳能发电板。倒锥体收集的雨水可以用于对水质有较高要求的气雾栽培。另外如果建于海上,因为海水的咸度无法满足无土栽培要求,只要在年降雨1000毫米的地区,收集水基本可供耕作需求。所以倒锥的雨水收集设计,于海上或者污染水域,淡水紧缺处特别重要。另外发电板状于倒锥处,比安装温室外围挡光更少,让温室有更好的光效。
钢构建设采用外三角内蜂窝的鸟巢构造,实现双层空间桁架的复合高强度效果,同时也方便冬季覆内膜形成具50厘米的双层膜保温效果。温室基座钢构与甲板平台连为一体,温室半径为15米,占地706平方米,浮体甲板平台半径为17.5米,占地962平方米。采用温室钢构与甲板基座连为一体的方案可以大大提高水上的抗风性。甲板基座同样采用厚0.5米的三角蜂窝式的空间桁架结构,但对于材料选择上,如果建于海上,基座管材必须进的镀铝处理,减少腐蚀。
温室出入口门宽为2米高为2.4米,设为玻璃推拉门,门与连接陆地的筏排对接,筏排宽为5米长为30米(具体尺寸以实际而定),筏排两侧安装平板朝天的太阳能发电板,中间为过道,筏排下方用化工桶制作浮体。

(2)温室功能
    总体来说温室建于水体上,环境气候的缓冲性较好,有水体作为保护,能产生类似微海洋气候效果,冬季可以提高环境温度,夏日可以利用大水体及深水进行降温。在温室微环境气候调控上,可以利用水体底层深水抽至温室顶处进行喷淋降温,冬季可以用深水循环至内温室进行加温。水车温室在水的利用上具陆地温室所不可比拟的调控优势,而且是节能低耗的调控措施。
在水体上进行农耕或者湿地公园建设,虽然有丰富的水资源,但如果内部进行立体化的无土栽培,特别是雾培,对水质有较高的要求,所以温室还需增加雨水收集功能及雾收集利用,雨水收集可以于温室顶处的倒锥结构部份作为大的收集漏斗,雨水直接进入温室内直径5米的水体,温室内水体采用钢构建设,立柱顶高5.8米与倒锥回流口连为一体,基座采用水泥喷浆建设成深1.2米的水体。另外于温室外缘基座也可以设收集槽或管,加大集雨面。
    除了雨水收集外,建于江河湖泊水塘等水体上的温室,还有一大优势,就是水面常有起雾天气,如果收集雾水,也是解决优质水供应的一种方法,在温室甲板基座上设两环高3米的雾水凝露收集网,内环收集网设于半径15米处,紧贴温室地缘一周,外环收集网设计半径17米处,两环收集网之间留出宽2米的环绕过道,用于观光与管理通道。两环雾收集网总长为188米,高为3米,总面积为564平方米,以每平方米起雾天气收集5公斤水,两环收集网可于夜晚及早晨收集约2.5吨水。空气中的雾通过网变成雾滴,雾滴变大后随网下滴至网基处的收集管槽,然后集中回流至温室内的蓄水池,用于无土栽培所需。
    安装太阳能发电板的倒锥部份,可覆发电板总面积为166平方米,采用太阳能发电膜覆盖,可达166X60= 9960瓦,约10千瓦,基本可满足温室内各电机的用电需求,实现水车温室的离网(离电网)运行。
    该设计在通风上,可以利用底层进风,集雨锥出风的方式,通风距为15米,在自然情况下就可以达到良好的通风效果,无需主动的动力通风配合。

2、甲板基座部份
   基座犹如船只的甲板,需有一定的排水量。即系统总吨位,它由温室设施重量、基座甲板自身重要、植物生物量、人员及生产活动过程中变化的重要,在设计时以,实际重要的一倍作为排水量设计,以减少沉落风险。

(1)基座钢构及甲板处理
     基座采用三角蜂窝网架结构模式,利用25#热镀锌管为材料,如果海水区,还需进行镀铝处理,以提高耐腐性。基座半径为17.5米的钢构圆盘,面积为962平方米,采用空间桁架结构,上层为三角网架,下层为蜂窝,上层网架铺铁丝网后采用泡沫水泥进行喷浆处理,构建轻型的基座地面。

(2)浮体选择及数量
    浮体材料采用废旧化工桶,于基座的窝蜂口内作立式捆绑固定,化工桶浮体作三环布局(见图)。第个化工桶的排水量约为200L,三环排化工桶浮体总数量为432只,总计排水量为86.4吨。

(3)沉水阿科蔓生物系统
    阿科蔓是一种新型的水质处理材料,它通过纤维高科技的编织,能形成巨大的表面积,维纤材料表面及织物空隙就成为水体中微生物及藻类巨大的滋生与栖息场所,一般每平方米阿科蔓可创250平方米的表面积。通过阿科蔓材料,让水体的微生物形成巨大的生物膜,实现良好的生物转换,把污染有机物矿化分解,促进水生生态的良性循环,同时也为水车温室的耕作提供可吸收的矿质离子。另外阿科蔓也有缓和水流冲击的作用,让水车温室更加稳定。在阿科蔓水草的生物处理下,可以形成富集生物的水下生态环境,硝化反硝化聚磷等细菌在表面积上大量滋生,从而又促进相关藻、软体动物,及鱼的生物群形成,形成水车温室下水体的高效生物滤化与净化效果。

    阿科蔓安装于化工桶浮体之间,该水需阿科蔓材料500平方米,可创造微表面积125000平方米,发挥其强大的生物处理功能。

3、栽培设施
   水车温室栽培设施一般采用轻型栽培模式,所选择的栽培植物可以是农业生产的各种经济作物,也可以是高生物转化率的林业树种及药用等植物,如果水质无重金属污染的可以生产农产品,如果有严重污染的水体可以种植经济林或者花卉园林植物。栽培设施以无土栽培模式集成的方式构建,有陶粒式基质培,立柱式雾培、及立柱式海绵培,还有温室外甲板地缘一周的槽式基质培。以下就各种设施建设作详细说明。

内部布局

(1)露天人工湿地型的槽式基质培
    该区建于甲板基座地缘最外环一周,采用发泡水泥建成宽0.4米深0.4米的种植槽,槽内铺设陶粒或者碎石,最好以陶粒为佳,容重轻减少负载,外环总栽培线长为102米,为露天种植区,主要用于栽培多年生的果树或者园林树种,最好是周年常绿的树种,可以全年发挥生物净化的过滤功能,达到高效的生物转化目的。如南方的枇杷,柑桔等,也可以种植速生紫薇或者杨树。于种植槽表面铺设灌溉管,用太阳能水泵循环灌溉,通过碎石或陶粒基质过滤后回流至大水体(见图)。

雾收集及露天陶粒式基质培

(2)温室内地缘一周的槽式基质培
    该区也为槽式基质栽培,但于温室内可以用于瓜果的种植,于水车温室地缘一周建宽与深0.4米的环弧种植槽,可以用木板也可以用发泡水泥建设,槽内同样铺设陶粒基质,共有栽培线总长为82米,以种植番茄为例,株距0.6米计,可栽培番茄136株,以单株年产量10公斤计,可年收番茄或其它瓜果1360公斤,本项目以栽培高效益的黑番茄为主。循环方式同样采用水体的水经由灌溉管再流经基质形成开放式循环。

温室内地缘一周用于瓜果种植的环形陶粒基质培

(3)海绵基质的立柱式栽培
    海绵作为立体栽培基质具有以处几大优点,一是材质轻,方便立体化构建,二是海绵表面积大,更利于有益微生物的滋生,促进硝化与反硝化的过程。三是对作物根系来说又具良好的保水性与透气性。采用开槽PVC方管,用海绵条折叠式卡入栽培,作物种苗卡于海绵缝中即可,操作方便。海绵立柱培同样采用大水体的水进行开放式循环种植,类似于鱼菜共生模式。每柱高度为1.8米,作二环排布局,排距为1.2米,柱间距为0.8米,柱顶处环状布设灌溉管即可。外环共95柱,内环为85米,总栽培线长为324米,海绵基质柱式培,以种植小株型的农作物为主,以间距0.2米计,可栽培叶菜1620棵(见图)。

立柱式海绵条基质培

(4)立柱式雾培
    前面介绍的几种模式全部采用水体污染水进行开放式循环灌溉栽培,其功能侧重于水质处理。而气雾培的立柱种植方式,主要用收集雨水或者雾水进行种植,达到高效化农业生产目的。
立柱雾培共作三环排设计,排间距与柱间距皆为 1.8米,三环排共布设栽培柱66根。雾培柱采用口径0.6米长3米的波纹管制作,每柱栽培表面积为5.652平方米,总栽培表面积为373平方米,如果以栽培小株型作物如,叶菜、草莓、花卉等,以间距0.15X0.1m计,可一次性栽培24868株。该项目的三环栽培柱,一环用于叶菜种植,一环用于草花生产,另一环用于药草种植。柱与柱之间连为一体,实现柱内循环式供液,达到零排放高效生产的效果。该区如果就以叶菜种植计,可日收获叶菜70公斤以上的产量。

(5)鱼菜共生模式
    中心立柱式水体主要用于雨水收集,也可以结合养鱼,构建鱼菜共生系统,于柱体上设计三环管道化水培系统,用于花卉蔬菜的种植,如果要对雨水进行再次的净化处理,可以于管内栽培水培花卉,如果用于农业生产可以栽培瓜果,以绿化整柱体,当然也可以独立构建管道雾培方式,产生更大的生物产量。

4、自动控制
    温室环境及栽培控制,全部采用农科院自主研究的各种智能化设备与产品,实现管理数字化精准化,还可以结合2012年开发的物联网技术,实现远程监控及管理。控制系统分为环境管理及栽培管理。
    环境管理采用光照、温度、湿度传感器,进行温室大环境的气候调节,栽培管理,结合智能模块化的专家系统,如雾培管理系统,水培基质培管理系统等,配以EC传感器、PH值传感器、溶氧传感器、叶片水膜传感器、水温、水位等传感器,实现温室环境及栽培过程的数字化自动控制。 

(1)物联网

(2)传感器

(3)计算机控制

二、技术关键

1、采用整体张拉力结构解决水体温室的抗风问题
    水车温室作为漂浮温室,需要解决抗风抗浪及漂移震动对温室的结构影响问题,所以在温室建设上用常规的矩形或者线型温室难以达到理想的力学效果。运用整体张拉力,把温室与基座连为一体,并结合平衡受力的原则,构建起既省材又轻巧牢固的温室及基座结构,所以采用圆弧及锥体结构,以形成在海浪或者强风环境的整体抗性。

2、运用离网技术解决能量及水分的自循环问题
    漂浮的水车温室与陆地常常分离,不方便架设电线,处于供电的离网状态,另外纯净淡水的需求也不方便运输,必须利用自身系统得以解决。该项目汲取水与电的离网解决方案。其中电采用太阳能发电也可以结合风能发电,或者两者复合供电。清洁水的获取也非常重要,用于生活与要求较高的雾培用水,采用雨水收集净化及雾收集净化的获水模式,实现清洁水供应的系统自给。

3、采用立体化现代化耕作技术,解决耕地减少问题
    漂浮的水车温室比陆地温室投资更大,如果降低建设成本,采用高效的空间利用方式也是间接降低设施成本的有效方法,通过立体设计,提高3倍以上的耕作效率,也相当于降低三倍的建设成本及能耗成本。立体化设计充分利用轻型基质(海绵及陶粒)构建垂直立体化的基质型耕作系统,再结合高效生产的雾培技术,实现耕作表面积的数倍提高,这是水车温室能否服务生产与生活的成本控制的关键。应用立体化耕作系统实现高额产出及高效净化,构建起生产生态生态三结合的实用可持续发展模式。 

4、如何高效发挥水车温室的生产功能与生态功能是系统的核心与关键
    在温室内部布设,模式设计,品种选择上,通过科学合理的规划,让作物在同样光效下有更大的产额,让过滤植物有更高的生物转化率,这是系统高效运作的技术保障。如何构建自净功能强大,水下生态高效合理的基座微生态环境构建,直接影响水域治理效果及耕作效率。通过阿科蔓人工生态模拟,扩大水下环境生物膜表面积,通过微生态环境构建,形成高效的污水矿化机制,也促进温室内作物的高效快速生产,形成水上水下联动的生产与治理模式。

5、运用先进耕作模式及自动化技术解决劳动力问题
    漂浮的水车温室在大水域治理中经常处于远离陆地的环境下,如何减少人工干预及操作,将影响它的运用前景,尽最大化的实现少人工甚至是无人自运作,必须结合自动化技术,远程控制物联网技术,通过耕作模式创新,让每一系统都能与计算机接口对接,让温室内外的运行情况实现实时的监控管理,得有机结合计算机自动化及物联网技术,通过这些结合,最大化程度实现系统的自运行、自循环、自生产、自净化等,以提高系统的自组织运行能力。特别是水上林地生态系统的构建,完全可以实现无人化的拟自然运作,就如浮岛一样,能实现生态自构建,自组织,自循环。这将成为未来水域治理的重要利器,同时也是水上宏伟的景观。

三、创新点
   该项目的创新点较多,但与国内外相关领域相比,以下几项创新颇具突破性:

1、超大温室型浮岛构建,在国内外尚属首例
2、在漂移环境下构建现设施农业的耕作模式及拟自然生态的漂浮湿地环境,在国内外尚属首例
3、综合发挥水车温室的水治理及水搬移功能,延伸了温室的应用范围也扩大的温温室的功能利用,如温室基座植以人工水草,就如植物有了根系,充分发挥水上水下双管齐下的生产与治理方式,在国内外尚属首例。
4、离网条件下,构建现代农耕及植物浮岛体系,在国内外尚属领先。
5、在类似人工浮岛的离网环境下,植入物联网管理系统,实现无人化的监控管理,是集成创新的运用新模式。

项目预期目标(主要技术经济指标、社会效益、技术应用、产业化前景)

1、技术经济指标

   以高效生产的立体化雾培生产计算,该水车温室可日产蔬菜190公斤,年收获瓜果5400公斤,即年产蔬菜73.8吨,以每吨生产成本1000元,销售6000元/吨计,可年获利369000元。项目总投资892107.375元,年获利369000元,二年半收回投资成本。

2、生态效益指标
    这种以水车温室为载体的生产方式与水质处理模式,是一种可以永续循环耕作的模式,对环境零排放,而且所产生的生物净化水质效果无二次污染,都可以作为可利用的生物量服务于生产生活,如种植瓜果蔬菜或者粮食生产,可以供应少农药或免农药蔬果等产品,如果用于花卉林业或者园林植物生产,可以作为材用林或者绿化。
水车温室的开发利用,让人类社会学会如何遵重自然,科学利用自然,实现废物废水资源的循环利用。学会污水治理的就地转化,学会节能与资源的循环利用,培养人们生态观念,增加人与生态的和谐。未来一定水体按照地球大生态圈的水陆比例,实施水车温室的科学配置,让水体微生态就地治理,减少对大生态圈的破坏,保持局部平衡。
水车温室在耕作上的运用,除了科学结合现代农耕技术,进行安全生产外,水域生态环境相对于陆地生态环境来说,病虫危害相对较少,是由水域相对隔离的再造人工生态系统,不会有太多的病虫滋生繁殖条件,可以生产出相对于陆地更为安体而健康的农产品。如果未来可以引用深海的海水进行农业生产,将会使农产品的质量与产量发生质的变化。也是未来人们开发海洋走向更广阔生产生活空间,构建更安全健康食物体系的利器。
    通过该项目实施,可以保持水域生态的平衡,可以节省生产耕地,可以减少能源消耗,又可以为沿海的耕地再造开拓新的发展空间。就系统耗能来说,安全利用水与光能,实现能源投入最少化,无需加温与降温的额外能源投入。

3、社会效益
    首先该项目是一个很好的科普项目,它融合的技术及学科众多,通过项目实施,让人们认识自然,热爱科学,建立信心,启发智慧。当项目产业化后,可以为水域丰富的地区民众解决蔬菜的安全供应问题,实现就地新鲜供市,缓减蔬果供应矛盾。通过项目建设,可以激发更多年轻的创业者参予产业发展,为创意农业的发展丰富项目内容。也为污水治理开拓新思路拓宽更广阔的想象空间,它就如农业的航模平台,可以发挥更为巨大的用途与功能,是一项融合生产、生活、生态的系统产业。可以按照用途进行灵活的创新发展。

4、技术应用

(1)运用于农业生产,再造耕地,空间耕作,提高效率。
(2)可作为海军蔬菜供应的后勤装备
(3)用于江河湖泊的综合治理
(4)也可以用于水上渔家乐的微农场建设
(5)作为生态科普教育基地
(6)作为科研平台
(7)作为水上公园与景观建设,服务于观光旅游

5、产业前景
    该项目具有广阔的产业发展前景,目前淡水资源的污染已成为我国环境治理的重要社会与生态问题。通过项目实施,可以净化水质治理污染,保护淡水渔业的发展,未来在大型的养殖场,配以水车温室,可以减少水质造成的翻塘死鱼问题,每年夏季全国各地都有大面积水域,鱼整片翻塘死亡现象,通过水车温室的配置,可以确保养殖水的清洁,为渔业的可持续发展提供保障。
耕地日益减少也是当前城市发展与农业之间的矛盾,通过水域再造耕地,可以创造更广阔的农业发空间,对于水乡发展农业有了新的解决路径,对长江流域一带,如何利用内河、水塘、湖泊发展现代农业,构建水上农耕的新型现代农业体系,具极为广阔的发展空间。
    让水治理从原来单一的水中处理,变为水陆结合双管齐下的全天候处理模式,让污染源高效转化为生物量,再结合资源再利用,实现无二次污染的仿自然的生态治污染效果。它就如水母一样可以高效的捕捉水域中的污染物质,还水域以清洁,还水生生物一个自然安全的生态环境。未来该项目在污水处理中将发展巨大的生态作用,其贡献无可估量。
在农业综合体的建设中,该项目是一个很好的科普教育项目,同时也是一个高效现代农业新模式,可以被引入现代农业园发挥其重要的生产科普观光体闲作用。 

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