CN113697964A - 一种用于经济作物区面源污染控制的水循环系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于经济作物区面源污染控制的水循环系统及方法,所述的减污降耗水循环系统包括智能节水节肥系统、生态湿地净化系统、排水系统、光伏供电系统。通过本发明的系统可实现经济作物区灌溉节水,排水水质净化,将处理后的水体中残留的氮、磷营养物质再次提供给作物生长所需,整个水循环过程中灌溉节水、监测、抽水等设备均采用分布式光伏电力供应系统。本发明优点能够提高水肥资源的利用效率,减少灌区内因灌溉或降雨导致的面源污染物外排,降低农田面源污染物外排对河湖水质造成的影响,通过墒情和水位监测实现水循环系统的智能化控制,采用新能源供电以减少运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及河湖水环境保护、农业节水节肥与面源污染控制领域,具体来 说是一种用于经济作物区面源污染控制的水循环系统。
背景技术
国内各地区通过采用截污控污、生态治理等技术手段我国河湖水环境治理 取得了一定的成效,但对于河湖汇流区的面源污染问题,仍未得到有效解决。 根据实地调查和文献调研,河湖汇流区内经济作物区(如花卉、果蔬等)灌溉 方式较粗放,化肥农药使用量较高,如滇池流域内玫瑰的施肥量为1067kg/hm2、 非洲菊为686kg/hm2、花卉类作物平均施肥量达876kg/hm2、西葫芦1250kg/hm2、 草莓884kg/hm2、菜用豌豆777kg/hm2。由于粗放式灌溉、自然降雨形成的地表 径流将经济作物区中农药、重金属以及氮、磷等污染物带走进入河湖,对河湖 水质造成影响。高质量、现代化农业的发展,亟需解决粗放式灌溉、农药化肥过量使用、面源污染等问题。
以往面源污染治理方法存在:(1)水肥高效利用方面仍然不足,源头缺乏 节水与节肥,过程中未形成减污减排与节水节肥一体化水循环系统;(2)在智 能控制方面落后,缺少墒情监测+节水、水位监控+抽水相结合的智能控制过程; (3)在运行成本方面仍然较高,以往方法采用电网供电,运行成本高、推广价 值低。
发明内容
本发明正是为了解决上述问题缺陷,针对经济作物区粗放式灌溉带来的水资 源高效利用不足,化肥农药使用量大造成的面源污染排放等问题,从节水节肥、 减污减排、水资源高效循环利用、降低能耗节省成本等方面,提供一种用于经 济作物区面源污染控制的水循环系统。
本发明采用如下技术方案实现。
一种用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,本发明所述的减污降耗水 循环系统包括智能节水节肥系统、生态湿地净化系统、排水系统、光伏供电系 统;
所述的光伏供电系统包括分布式光伏15、光伏板组件16、储能电池17;
所述的智能节水节肥系统包括调蓄池1、第一抽水泵2、无线实时监测水位 计13;
所述的第一抽水泵2设置在调蓄池1的中下部位置,通过第一抽水泵2将调 蓄池1中的水泵出;所述的无线实时监测水位计13设置在调蓄池1的上部位置; 无线实时监测水位计13通过储能电池17与光伏板组件16连接;
所述的生态湿地净化系统包括生态湿地8、排水闸9、自动水位计10、第二 抽水泵11;
所述的生态湿地8设置为坡地生态湿地,在生态湿地8的高端坡地处设置净 化进水处19,在生态湿地8的低端坡地处设置净化积水处20;在净化积水处20 内设置第二抽水泵11,第二抽水泵11通过水管12与调蓄池1连接,将净化后 的水回流至调蓄池1内;
所述的排水闸9设置在生态湿地8的净化积水处20一侧,排水闸9附近的 净化积水处20内设置有自动水位计10;排水闸9通过储能电池17与分布式光 伏15连接;生态湿地8内均匀设置若干分布式光伏15。
进一步为,本发明所述的排水系统包括节水干管3、节水支管4、排水支沟6、 排水干沟7;
所述的节水干管3与调蓄池1上的第一抽水泵2连接;在节水干管3上横向 设置若干节水分管3.1,所述的节水分管3.1平行设置;节水分管3.1靠近节水 干管3的一端设置为排水起始端21,节水分管3.1远离节水干管3的一端设置 为排水末端22;
在每个节水分管3.1上均匀上下交错设置节水支管4;在每一行节水分管3.1 和节水支管4两侧设置经济作物区14;若干经济作物区14上下平行设置;
相邻的两个经济作物区14之间设置有排水支沟6;排水支沟6在排水末端 22附近汇集成排水干沟7;
所述的排水干沟7与生态湿地8高端坡地处设置的净化进水处19连接。
进一步为,本发明所述的经济作物区14宽度设置为排水支沟6宽度的五倍 以上。
进一步为,本发明所述的减污降耗水循环系统包括墒情监测设备5,所述的 墒情监测设备5均匀设置在上下平行设置的经济作物区14组合区域内。
进一步为,本发明所述的减污降耗水循环系统包括智能抽水系统,所述的智 能抽水系统包括第一智能控制开关阀门、第二智能控制开关阀门、第三智能控 制开关阀门、无线/有线信号收发装置、计算机;
所述的第一智能控制开关阀门与第一抽水泵2连接;
所述的第二智能控制开关阀门与第二抽水泵11连接;
所述的第三智能控制开关阀门与排水闸9连接;
无线/有线信号收发装置包括信号接收端和信号发送端;
所述的信号接收端分别与墒情监测设备5、无线实时监测水位计13、自动水 位计10联接;
所述的信号发送端与计算机连接;计算机分别与第一智能控制开关阀门、第 一抽水泵2、第二智能控制开关阀门、第二抽水泵11、第三智能控制开关阀门、 排水闸9联接。
进一步为,本发明所述的墒情监测设备5通过储能电池17与光伏板组件16 联接。
进一步为,本发明均匀设置的墒情监测设备5具体为,五点法:上下平行设 置的经济作物区14组合区域中,第一行和最后一行的经济作物区14的两端处 分别设置1个墒情监测设备5,在中间行的经济作物区14中间位置设置1个墒 情监测设备5,共五个点。
进一步为,本发明均匀设置的墒情监测设备5具体为,七点法:上下平行设 置的经济作物区14组合区域中,第一行和最后一行的经济作物区14的两端处 分别设置1个墒情监测设备5,在中间行的经济作物区14两端处和中间位置分 别设置1个墒情监测设备5,共七个点。
进一步为,本发明在生态湿地8内设置有房屋,所述的分布式光伏15设置 在房屋屋顶18处。
上述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统的方法,该方法包括:在 经济作物区14选择合适的地点建设中调蓄池1,并在调蓄池1中安装自动控制 第一抽水泵2,第一抽水泵2连接节水干管3,节水干管3连接布设在农田里面 带有滴灌或喷灌设备的节水支管4;在农田里面埋设墒情监测设备5,用于监测 土壤墒情,并采用无线传输实时数据给自动控制第一抽水泵2,用于控制第一抽 水泵2的开关;考虑到经济作物区14实地施肥(也有通过节水管使用液态肥) 和农药使用,因灌溉和降雨造成地表径流,带走农药、重金属、氮磷等;在经 济作物区14设置统一的排水收集系统,排水支沟6连接排水干沟7,排水干沟 7收集农田排水后进入生态湿地净化系统;在经济作物区14选择可利用的低洼 蓄水区或小型水库来建设生态湿地净化系统,采用成熟且应用较广的生态湿地 净化技术,通过沉水植物带和生态湿地净化系统(净化岛)对经济作物区14的 农药、重金属有害物质进行截留、净化,并对水体中的氮、磷等营养物质进行 生态处理;处理后的水体通过蓄水区或小型水库对水体的调蓄作用,来暂时储 存处理后的水体,若处理后的水量较大,水位超过调节池可容纳的水位,可通 过排水闸9泄放一部分水量,其中排水闸9配备自动水位计10,用于监测水位 并将水位实时传输给排水闸9,便于自动控制排水闸9泄水;为实现减污减排, 在生态湿地净化系统中储存处理后的水体调节池中安装第二抽水泵11,第二抽 水泵11连接水管12,水管12连接调蓄池1,通过在调蓄池1中安装无线实时 监测水位计13,将调蓄池1的水位实时发送给第二抽水泵11,通过水位高低的 设定来实现第二抽水泵11的自动化控制;智能抽水系统可将生态湿地净化系统 处理后的水和水体中的氮磷营养物质回用于灌溉,实现整个系统的水肥资源高 效循环利用;整套系统采用分布式光伏15提供电力;在经济作物区14附近的 房屋屋顶18、蓄水区或小型水库区,建设分布式光伏15,通过输电线路为第一 抽水泵2、第二抽水泵11提供电力;光伏板组件16与储能电池17相配合为墒 情监测设备5、自动水位计10、无线实时监测水位计13提供电力。
与现有技术相比,本发明的优点为:
(1)本发明通过源头节水节肥、过程生态湿地净化处理、末端处理后的水 体和水中的氮磷营养物质进行资源化再利用于灌溉,实现减污减排的水肥资源 高效循环利用,减少面源污染对河湖水质的影响。
(2)采用墒情监测实现节水的智能化控制灌溉;采用调蓄池水位监测实时 反馈给生态湿地调节池抽水泵,通过自动控制水泵开关,实现湿地净化水到调 蓄池的智能化控制。
(3)采用分布式光伏技术给监测设备、抽水泵设备提供电力,降低运行成 本,便于在规模化经济作物种植区、家庭式经济作物种植区等推广应用。
(4)合理改造经济作物种植区的蓄水区、小型水库作为生态湿地,减少工 程开挖,降低成本,便于推广应用。
(5)合理利用经济作物区附近的房屋屋顶18,以及蓄水区、小型水库开发 分布式光伏15,减少占地,降低成本,助力水循环系统更好地被接受和推广。
下面结合附图和具体实施方式本发明做进一步解释。
附图说明
图1为本发明整体系统示意图;
图2为智能节水节肥系统局部放大示意图;
图3为生态湿地净化系统局部放大示意图;
图4为分布式光伏与房屋屋顶关联结构示意图。
图中标号为:1-调蓄池、2-第一抽水泵、3-节水干管、3.1-节水分管、4-节水 支管、5-墒情监测设备、6-排水支沟、7-排水干沟、8-生态湿地、9-排水闸、10- 自动水位计、11-第二抽水泵、12-水管、13-无线实时监测水位计、14-经济作物 区、15-分布式光伏、16-光伏板组件、17-储能电池、18-房屋屋顶、19-净化进水 处、20-净化积水处、21-排水起始端、22-排水末端。
具体实施方式
见图1,图2,图3,图4所示。
一种用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,本发明所述的减污降耗水 循环系统包括智能节水节肥系统、生态湿地净化系统、排水系统、光伏供电系 统;
所述的光伏供电系统包括分布式光伏15、光伏板组件16、储能电池17;
所述的智能节水节肥系统包括调蓄池1、第一抽水泵2、无线实时监测水位 计13;
所述的第一抽水泵2设置在调蓄池1的中下部位置,通过第一抽水泵2将调 蓄池1中的水泵出;所述的无线实时监测水位计13设置在调蓄池1的上部位置; 无线实时监测水位计13通过储能电池17与光伏板组件16连接;
所述的生态湿地净化系统包括生态湿地8、排水闸9、自动水位计10、第二 抽水泵11;
所述的生态湿地8设置为坡地生态湿地,在生态湿地8的高端坡地处设置净 化进水处19,在生态湿地8的低端坡地处设置净化积水处20;在净化积水处20 内设置第二抽水泵11,第二抽水泵11通过水管12与调蓄池1连接,将净化后 的水回流至调蓄池1内;
所述的排水闸9设置在生态湿地8的净化积水处20一侧,排水闸9附近的 净化积水处20内设置有自动水位计10;排水闸9通过储能电池17与分布式光 伏15连接;生态湿地8内均匀设置若干分布式光伏15。
进一步为,本发明所述的排水系统包括节水干管3、节水支管4、排水支沟6、 排水干沟7;
所述的节水干管3与调蓄池1上的第一抽水泵2连接;在节水干管3上横向 设置若干节水分管3.1,所述的节水分管3.1平行设置;节水分管3.1靠近节水 干管3的一端设置为排水起始端21,节水分管3.1远离节水干管3的一端设置 为排水末端22;
在每个节水分管3.1上均匀上下交错设置节水支管4;在每一行节水分管3.1 和节水支管4两侧设置经济作物区14;若干经济作物区14上下平行设置;
相邻的两个经济作物区14之间设置有排水支沟6;排水支沟6在排水末端22附近汇集成排水干沟7;
所述的排水干沟7与生态湿地8高端坡地处设置的净化进水处19连接。
进一步为,本发明所述的经济作物区14宽度设置为排水支沟6宽度的五倍以上。
进一步为,本发明所述的减污降耗水循环系统包括墒情监测设备5,所述的 墒情监测设备5均匀设置在上下平行设置的经济作物区14组合区域内。
进一步为,本发明所述的减污降耗水循环系统包括智能抽水系统,所述的智 能抽水系统包括第一智能控制开关阀门、第二智能控制开关阀门、第三智能控 制开关阀门、无线/有线信号收发装置、计算机;
所述的第一智能控制开关阀门与第一抽水泵2连接;
所述的第二智能控制开关阀门与第二抽水泵11连接;
所述的第三智能控制开关阀门与排水闸9连接;
无线/有线信号收发装置包括信号接收端和信号发送端;
所述的信号接收端分别与墒情监测设备5、无线实时监测水位计13、自动水 位计10联接;
所述的信号发送端与计算机连接;计算机分别与第一智能控制开关阀门、第 一抽水泵2、第二智能控制开关阀门、第二抽水泵11、第三智能控制开关阀门、 排水闸9联接。
进一步为,本发明所述的墒情监测设备5通过储能电池17与光伏板组件16 联接。
进一步为,本发明均匀设置的墒情监测设备5具体为,五点法:上下平行设 置的经济作物区14组合区域中,第一行和最后一行的经济作物区14的两端处 分别设置1个墒情监测设备5,在中间行的经济作物区14中间位置设置1个墒 情监测设备5,共五个点。
进一步为,本发明均匀设置的墒情监测设备5具体为,七点法:上下平行设 置的经济作物区14组合区域中,第一行和最后一行的经济作物区14的两端处 分别设置1个墒情监测设备5,在中间行的经济作物区14两端处和中间位置分 别设置1个墒情监测设备5,共七个点。
进一步为,本发明在生态湿地8内设置有房屋,所述的分布式光伏15设置 在房屋屋顶18处。
上述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统的方法,该方法包括:在 经济作物区14选择合适的地点建设图1中调蓄池1,并在调蓄池1中安装自动 控制第一抽水泵2,第一抽水泵2连接节水干管3,节水干管3连接布设在农田 里面带有滴灌或喷灌设备的节水支管4;在农田里面埋设墒情监测设备5,用于 监测土壤墒情,并采用无线传输实时数据给自动控制第一抽水泵2,用于控制第 一抽水泵2的开关;考虑到经济作物区14实地施肥(也有通过节水管使用液态 肥)和农药使用,因灌溉和降雨造成地表径流,带走农药、重金属、氮磷等; 在经济作物区14设置统一的排水收集系统,图中排水支沟6连接排水干沟7, 排水干沟7收集农田排水后进入生态湿地净化系统;在经济作物区14选择可利 用的低洼蓄水区或小型水库来建设生态湿地净化系统,采用成熟且应用较广的 生态湿地净化技术,通过沉水植物带和生态湿地净化系统(净化岛)对经济作 物区14的农药、重金属有害物质进行截留、净化,并对水体中的氮、磷等营养 物质进行生态处理;处理后的水体通过蓄水区或小型水库对水体的调蓄作用, 来暂时储存处理后的水体,若处理后的水量较大,水位超过调节池可容纳的水 位,可通过排水闸9泄放一部分水量,其中排水闸9配备自动水位计10,用于监测水位并将水位实时传输给排水闸9,便于自动控制排水闸9泄水;为实现减 污减排,在生态湿地净化系统中储存处理后的水体调节池中安装第二抽水泵11, 第二抽水泵11连接水管12,水管12连接调蓄池1,通过在调蓄池1中安装无 线实时监测水位计13,将调蓄池1的水位实时发送给第二抽水泵11,通过水位 高低的设定来实现第二抽水泵11的自动化控制;智能抽水系统可将生态湿地净 化系统处理后的水和水体中的氮磷营养物质回用于灌溉,实现整个系统的水肥 资源高效循环利用;整套系统采用分布式光伏15提供电力;在经济作物区14 附近的房屋屋顶18、蓄水区或小型水库区,建设分布式光伏15,通过输电线路 为第一抽水泵2、第二抽水泵11提供电力;光伏板组件16与储能电池17相配 合为墒情监测设备5、自动水位计10、无线实时监测水位计13提供电力。
以上所述的仅是本发明的部分具体实施例,方案中公知的具体内容或常识在 此未作过多描述。应当指出,上述实施例不以任何方式限制本发明,对于本领 域的技术人员来说,凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落 在本发明的保护范围内。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准, 说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,其特征在于,所述的减污降耗水循环系统包括智能节水节肥系统、生态湿地净化系统、排水系统、光伏供电系统;
所述的光伏供电系统包括分布式光伏(15)、光伏板组件(16)、储能电池(17);
所述的智能节水节肥系统包括调蓄池(1)、第一抽水泵(2)、无线实时监测水位计(13);
所述的第一抽水泵(2)设置在调蓄池(1)的中下部位置,通过第一抽水泵(2)将调蓄池(1)中的水泵出;所述的无线实时监测水位计(13)设置在调蓄池(1)的上部位置;无线实时监测水位计(13)通过储能电池(17)与光伏板组件(16)连接;
所述的生态湿地净化系统包括生态湿地(8)、排水闸(9)、自动水位计(10)、第二抽水泵(11);
所述的生态湿地(8)设置为坡地生态湿地,在生态湿地(8)的高端坡地处设置净化进水处(19),在生态湿地(8)的低端坡地处设置净化积水处(20);在净化积水处(20)内设置第二抽水泵(11),第二抽水泵(11)通过水管(12)与调蓄池(1)连接,将净化后的水回流至调蓄池(1)内;
所述的排水闸(9)设置在生态湿地(8)的净化积水处(20)一侧,排水闸(9)附近的净化积水处(20)内设置有自动水位计(10);排水闸(9)通过储能电池(17)与分布式光伏(15)连接;生态湿地(8)内均匀设置若干分布式光伏(15)。
2.根据权利要求1所述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,其特征在于,所述的排水系统包括节水干管(3)、节水支管(4)、排水支沟(6)、排水干沟(7);
所述的节水干管(3)与调蓄池(1)上的第一抽水泵(2)连接;在节水干管(3)上横向设置若干节水分管(3.1),所述的节水分管(3.1)平行设置;节水分管(3.1)靠近节水干管(3)的一端设置为排水起始端(21),节水分管(3.1)远离节水干管(3)的一端设置为排水末端(22);
在每个节水分管(3.1)上均匀上下交错设置节水支管(4);在每一行节水分管(3.1)和节水支管(4)两侧设置经济作物区(14);若干经济作物区(14)上下平行设置;
相邻的两个经济作物区(14)之间设置有排水支沟(6);排水支沟(6)在排水末端(22)附近汇集成排水干沟(7);
所述的排水干沟(7)与生态湿地(8)高端坡地处设置的净化进水处(19)连接。
3.根据权利要求2所述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,其特征在于,所述的经济作物区(14)宽度设置为排水支沟(6)宽度的五倍以上。
4.根据权利要求2所述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,其特征在于,所述的减污降耗水循环系统包括墒情监测设备(5),所述的墒情监测设备(5)均匀设置在上下平行设置的经济作物区(14)组合区域内。
5.根据权利要求4所述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,其特征在于,所述的减污降耗水循环系统包括智能抽水系统,所述的智能抽水系统包括第一智能控制开关阀门、第二智能控制开关阀门、第三智能控制开关阀门、无线/有线信号收发装置、计算机;
所述的第一智能控制开关阀门与第一抽水泵(2)连接;
所述的第二智能控制开关阀门与第二抽水泵(11)连接;
所述的第三智能控制开关阀门与排水闸(9)连接;
无线/有线信号收发装置包括信号接收端和信号发送端;
所述的信号接收端分别与墒情监测设备(5)、无线实时监测水位计(13)、自动水位计(10)联接;
所述的信号发送端与计算机连接;计算机分别与第一智能控制开关阀门、第一抽水泵(2)、第二智能控制开关阀门、第二抽水泵(11)、第三智能控制开关阀门、排水闸(9)联接。
6.根据权利要求3所述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,其特征在于,所述的墒情监测设备(5)通过储能电池(17)与光伏板组件(16)联接。
7.根据权利要求3所述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,其特征在于,均匀设置的墒情监测设备(5)具体为,五点法:上下平行设置的经济作物区(14)组合区域中,第一行和最后一行的经济作物区(14)的两端处分别设置1个墒情监测设备(5),在中间行的经济作物区(14)中间位置设置1个墒情监测设备(5),共五个点。
8.根据权利要求3所述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,其特征在于,均匀设置的墒情监测设备(5)具体为,七点法:上下平行设置的经济作物区(14)组合区域中,第一行和最后一行的经济作物区(14)的两端处分别设置1个墒情监测设备(5),在中间行的经济作物区(14)两端处和中间位置分别设置1个墒情监测设备(5),共七个点。
9.根据权利要求1或2所述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统,其特征在于,在生态湿地(8)内设置有房屋,所述的分布式光伏(15)设置在房屋屋顶(18)处。
10.如权利要求1-9任一所述的用于经济作物区面源污染控制的水循环系统的方法,其特征在于,该方法包括:在经济作物区(14)选择合适的地点建设中调蓄池(1),并在调蓄池(1)中安装自动控制第一抽水泵(2),第一抽水泵(2)连接节水干管(3),节水干管(3)连接布设在农田里面带有滴灌或喷灌设备的节水支管(4);在农田里面埋设墒情监测设备(5),用于监测土壤墒情,并采用无线传输实时数据给自动控制第一抽水泵(2),用于控制第一抽水泵(2)的开关;考虑到经济作物区(14)实地施肥和农药使用,因灌溉和降雨造成地表径流,带走农药、重金属、氮磷;在经济作物区(14)设置统一的排水收集系统,排水支沟(6)连接排水干沟(7),排水干沟(7)收集农田排水后进入生态湿地净化系统;在经济作物区(14)选择利用的低洼蓄水区或小型水库来建设生态湿地净化系统,采用生态湿地净化技术,通过沉水植物带和生态湿地净化系统对经济作物区(14)的农药、重金属有害物质进行截留、净化,并对水体中的氮、磷等营养物质进行生态处理;处理后的水体通过蓄水区或小型水库对水体的调蓄作用,来暂时储存处理后的水体,若处理后的水量较大,水位超过调节池可容纳的水位,通过排水闸(9)泄放一部分水量,其中排水闸(9)配备自动水位计(10),用于监测水位并将水位实时传输给排水闸(9),便于自动控制排水闸(9)泄水;在生态湿地净化系统中储存处理后的水体调节池中安装第二抽水泵(11),第二抽水泵(11)连接水管(12),水管(12)连接调蓄池(1),通过在调蓄池(1)中安装无线实时监测水位计(13),将调蓄池(1)的水位实时发送给第二抽水泵(11),通过水位高低的设定来实现第二抽水泵(11)的自动化控制;智能抽水系统将生态湿地净化系统处理后的水和水体中的氮磷营养物质回用于灌溉,实现整个系统的水肥资源高效循环利用;整套系统采用分布式光伏(15)提供电力;在经济作物区(14)附近的房屋屋顶(18)、蓄水区或小型水库区,建设分布式光伏(15),通过输电线路为第一抽水泵(2)、第二抽水泵(11)提供电力;光伏板组件(16)与储能电池(17)相配合为墒情监测设备(5)、自动水位计(10)、无线实时监测水位计(13)提供电力。
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