基于海绵城市理念的屋面雨水源头洁净蓄渗装置及运行方法与流程

本发明涉及雨水源头减排和水资源保护领域，特别涉及一种基于海绵城市理念的屋面雨水源头洁净蓄渗装置及运行方法。

背景技术：

城镇化是保持经济持续健康发展的强大引擎，然而，随着快速城镇化的发展，原本具有涵养水源功能的绿地、湿地、沟渠等区域大部分演化为硬化地面，致使城市在面临强降雨时仅能依靠市政管网排水。目前，城市传统的市政排水系统主要存在以下缺点：

(1)遇到暴雨时，会造成城市地表径流量大幅提高，市政管网泄洪能力远远不足，引发道路洪涝积水；

(2)雨水浸泡携带地面上的大量生活垃圾与污染物，会堵塞市政管路，水体排放到自然环境中，会加剧自然水体的污染程度；

(3)大量雨水通过市政管网排放到自然水体中，会加重河流水系负荷，甚至引发生态环境破坏；

(4)造成雨水资源大量流失，不能充分循环利用。

近几年，每逢雨季，各地城市轮番上演“城市看海”的景象，造成严重的洪涝灾害和人员伤亡及财产损失，而暴雨过后却又陷入干燥缺水的窘境，热岛效应显著。城市内涝与水资源短缺的矛盾折射出城镇化与自然的不和谐，因此，必须树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，建设具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的“海绵城市”，实现城镇化和环境资源的可持续发展。2015年4月，我国首批“海绵城市”建设试点城市名单正式公布，标志着我国在城市建设过程中将更加注重人水和谐，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护。构建低影响开发雨水系统，将自然途径与人工措施相结合是实现雨水分选与分流、雨水蓄滞与洁净涵养地下水的重要途径，城市“弹性适应”自然环境变化，对减少洪涝灾害、缓解城市水资源短缺和促进人与自然和谐发展具有重要意义。

技术实现要素：

发明目的：鉴于上述城市内涝与水资源短缺的矛盾以及传统排水系统存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于海绵城市理念的屋面雨水源头洁净蓄渗装置及运行方法，克服现有城市开发建设过程中雨水减排措施未能发挥源头“渗、滞、蓄、净、用”等缺陷，缓解城市内涝与水资源短缺的矛盾，保护和改善城市生态环境。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的一种基于海绵城市理念的屋面雨水源头洁净蓄渗装置，包括雨水分流箱、雨水弃流箱、蓄水箱、涵养地下水系统、控制系统、雨滴传感器和太阳能电池板。

所述的雨水分流箱顶部设有进水口I₁，进水口I₁与建筑物的落水管下端相连；雨水分流箱内部固定着密封室、水质传感器和电动三通控制阀，水质传感器的信号线接头、电动三通控制阀的阀门及电路接头均设在密封室内；电动三通控制阀的进水口I₂设在雨水分流箱内，电动三通控制阀的出水口E₁与雨水弃流箱的进水口I₃相连，电动三通控制阀的出水口E₂通过雨水弃流箱内部的圆形通道与雨水收集管相连通。

所述的雨水弃流箱形状为长方体，右侧面上部设有通气孔、下部设有弃流孔，弃流孔上设有电动阀门，雨水弃流箱的背面和底部设有加强肋。

所述的蓄水箱顶部左端设有圆形进水口I₄、蓄水箱顶部右端设有矩形溢水口、底部设有取水口，圆形进水口I₄与雨水收集管下端相连。

所述的涵养地下水系统包括雨水调控箱、下水槽、地下水库、涵管管网和渗水孔，雨水调控箱顶部设有压力表和气压调节阀，雨水调控箱底部设有矩形上水口U₁、顶部右侧设有矩形下水口U₂，矩形上水口U₁与蓄水箱的矩形溢水口相连，矩形下水口U₂与下水槽的上端相连，地下水库的进口与下水槽的下端相连。

所述的控制系统包括多源监测模块、信息处理模块和调控模块，多源监测模块用于实时采集雨滴传感器、水质传感器和压力表的数字信号；信息处理模块用于接收多源监测模块的采集信号并经过内部程序处理后传输给调控模块；调控模块用于向电动三通控制阀的阀门、弃流孔的电动阀门和气压调节阀发送执行指令。

所述的雨滴传感器固定于雨水弃流箱的顶部，用于获取降雨信号。

所述的太阳能电池板也固定于雨水弃流箱的顶部，用于将太阳能转化为电能，为整套装置运行提供电能。

在本发明中，所述的雨水分流箱内部设有密封室、水质传感器和电动三通控制阀，水质传感器的信号线接头、电动三通控制阀的阀门及电路接头均设在密封室内。

在本发明中，所述的地下水库为长方体钢筋混凝土结构，顶部的钢筋混凝土面积大于地下水库自身的顶部面积。

在本发明中，随着雨水收集管中的雨水水位快速上升，水压迅速增加，所述的涵管管网内的雨水下渗速度加快，雨水快速涵养地下水源。

在本发明中，所述的雨水收集管正好能够插入圆形通道的双层结构。

在本发明中，所述的雨水调控箱为水平圆柱形状，雨水调控箱位于所述的蓄水箱顶部的右侧。

作为优选，电动三通控制阀为分流旋塞阀，旋塞阀的阀芯按120°旋转实现分流或关闭功能，电动三通控制阀的阀门旋转通过外部的微型电机控制。

作为优选，雨水弃流箱顶部设有凹槽、内部设有圆形通道，凹槽的槽底与圆形通道相通，凹槽内正好能够嵌入雨水分流箱，圆形通道的出口端为双层结构。

作为优选，雨水调控箱的长度等于蓄水箱的宽度。

作为优选，下水槽为四棱柱形状，下水槽的顶部为斜面进口、底部为平面出口。

作为优选，地下水库底部设有若干个连接涵管管网出口。

作为优选，涵管管网向建筑物地基和地下水库地基的外部周围弯曲延伸，涵管管网侧壁开有若干的漏水小孔。

作为优选，涵管管网的出水末端逐渐变细形成渗水孔。

本发明提供的技术方案还包括基于海绵城市理念的屋面雨水源头洁净蓄渗装置的运行方法，包括如下步骤：

①无降雨时，装置处于初始状态，弃流孔的电动阀门处于开启状态，电动三通控制阀处于关闭状态，气压调节阀处于关闭状态，雨滴传感器不向控制系统的多源监测模块传输信号，控制系统处于休眠模式；

②降雨发生后，雨滴传感器感应到雨滴后发出信号，多源监测模块接受到信号后传输给信息处理模块，信息处理模块通过内部程序判断降雨强度和时间并向调控模块发送指令，调控模块启动弃流孔的电动阀门将弃流孔关闭，同时，初期屋面雨水通过落水管进入雨水分流箱的进水口I₁；

③雨水分流箱内的水质传感器开始获得雨水的水质多参数检测数据，并将测量数据传输给控制系统的多源监测模块，信息处理模块根据多源监测模块传输的数字信号通过内部程序判别水质的优劣；当水质不满足预设的收集标准时，控制系统向电动三通控制阀的微型电机发出指令，微型电机启动并旋转阀芯120°，将雨水引入雨水弃流箱；当水质满足预设的收集标准后，控制系统向电动三通控制阀的微型电机发出转换指令，微型电机驱动电动三通控制阀的阀芯旋转120°，将雨水导入雨水收集管；

④洁净的雨水通过雨水收集管进入蓄水箱开始蓄积雨水，当雨水量超过蓄水箱容积时，雨水自动上升通过矩形溢水口进入雨水调控箱；当雨水水位上升至雨水调控箱的矩形下水口U₂位置时，雨水通过下水槽流入地下水库；当地下水库中的雨水淌入涵管管网的进口时，雨水沿着涵管管网向建筑物和地下水库的地基外部远处流去，并通过涵管管网侧壁漏水小孔和末端的渗水孔渗入地下；

⑤当雨水收集管的来雨量超过所有涵管管网的排水下渗量时，地下水库的水位开始上涨，逐渐上升至下水槽；当雨水从下水槽上升至雨水调控箱顶部时，蓄水箱、雨水调控箱、下水槽、地下水库和雨水收集管逐渐由无压流变为有压流，在此过程中，信息处理模块实时判断多源监测模块接收的压力表数字信号，当雨水调控箱的气压高于预计压强标准最大值时，信息处理模块将信息传输给调控模块，调控模块向气压调节阀发送执行指令开始排气，当雨水调控箱的气压恢复到预计标准最小值时排气过程中止；

⑥当降雨结束后，雨滴传感器的信号中断，信息处理模块通过内部程序中的计时语句开始计时，当连续超过8小时没有雨滴传感器信号后，向调控模块发送指令，调控模块启动弃流孔的电动阀门将弃流孔打开，雨水弃流箱中的初期雨水开始排出，实现与降雨错开洪峰排放，排放完毕后，整个装置恢复到初始状态；

按照上述相应步骤，即可实现屋顶雨水洁净蓄渗的过程。

有益效果：本发明的基于海绵城市理念的屋面雨水源头洁净蓄渗装置及运行方法，具有以下有益效果：

(1)本发明中的弃流初期雨水、收集洁净雨水和涵养地下水以及控制弃流雨水的时间等过程，充分实现了自动化和智能化。

(2)本发明中雨水分流箱内的水质传感器用于获得雨水的水质多参数检测数据，并将测量数据传输给控制系统的多源监测模块，信息处理模块根据多源监测模块传输的数字信号通过内部程序判别水质的优劣，能够实现初期水质较差雨水的分流与洁净雨水的收集与利用，为洁净收集雨水和涵养地下水系统提供了保证，减少了涵养地下水时对地下水的污染。

(3)本发明中的电动三通控制阀为分流旋塞阀，旋塞阀的阀芯按120°旋转实现分流或关闭功能，当水质不满足预设的收集标准时，控制系统向电动三通控制阀的微型电机发出指令，微型电机启动并旋转阀芯120°，将雨水引入雨水弃流箱；当水质满足预设的收集标准后，控制系统向电动三通控制阀的微型电机发出转换指令，微型电机驱动电动三通控制阀的阀芯旋转120°，将雨水导入雨水收集管；当雨水弃流箱中的初期雨水排放完毕后，控制系统向电动三通控制阀的微型电机发出转换指令，微型电机驱动电动三通控制阀的阀芯旋转120°，电动三通控制阀关闭，恢复到初始状态，控制过程智能化程度高，阀芯等角度旋转有利于克服电动三通控制阀的系统误差。

(4)本发明中的雨水收集管的来雨量超过所有涵管管网的排水下渗量时，地下水库的水位开始上涨，当雨水从下水槽上升至雨水调控箱顶部时，蓄水箱、雨水调控箱、下水槽、地下水库和雨水收集管逐渐由无压流变为有压流，在此过程中，信息处理模块实时判断多源监测模块接收的压力表数字信号，当雨水调控箱的气压高于预计压强标准最大值时，信息处理模块将信息传输给调控模块，调控模块向气压调节阀发送执行指令开始排气，当雨水调控箱的气压恢复到预计标准最小值时排气过程中止，该措施能够避免装置内产生高压，损坏仪器设备和管路系统，有利于保障装置安全，延长装置使用寿命。

(5)本发明中的雨滴传感器用于接受雨水信号，当连续超过8小时没有雨滴传感器信号后，向调控模块发送指令，调控模块启动弃流孔的电动阀门将弃流孔打开，雨水弃流箱中的初期雨水才开始排出，实现与降雨错开洪峰排放，避免雨水携带屋面上的污染物直接随地面径流排放到自然水体而加剧水体污染负荷。

(6)本发明中的蓄水箱具有储存洁净雨水的效果，侧面左下端设有取水口，可以从取水口引出洁净的雨水，用于浇灌草坪、树木或者用于洗车等，实现雨水资源化，提高雨水利用率。

(7)本发明中的涵管管网侧壁开有若干个小孔，涵管管网的出水末端逐渐变细形成渗水孔，便于雨水补给地下，同时避免了雨水可能对土壤的冲蚀。

(8)本发明中的太阳能电池板用于将太阳能转化为电能，为整套装置运行提供电能，绿色环保，节约能源。

附图说明

图1是基于海绵城市理念的屋面雨水源头洁净蓄渗装置结构示意图；

图2是图1中的雨水分流箱结构示意图；

图3是图1中的雨水弃流箱结构示意图；

图4是图1中的蓄水箱结构示意图；

图5是图1中的涵养地下水系统立体结构示意图；

图6是图1中的控制系统示意图。

图中：1-雨水分流箱；10-进水口I₁；11-密封室；12-水质传感器；13-电动三通控制阀；130-进水口I₂；131-出水口E₁；132-出水口E₂；2-雨水弃流箱；20-进水口I₃；21-通气孔；22-弃流孔；23-加强肋；3-蓄水箱；30-圆形进水口I₄；31-矩形溢水口；32-取水口；4-涵养地下水系统；41-雨水调控箱；411-压力表；412-气压调节阀；413-矩形上水口U₁；414-矩形下水口U₂；42-下水槽；43-地下水库；44-涵管管网；45-渗水孔；5-控制系统；51-多源监测模块；52-信息处理模块；53-调控模块；6-落水管；7-雨水收集管；8-雨滴传感器；9-太阳能电池板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例：

如图1-图6所示，本发明的基于海绵城市理念的屋面雨水源头洁净蓄渗装置，包括雨水分流箱1、雨水弃流箱2、蓄水箱3、涵养地下水系统4、控制系统5、雨滴传感器8和太阳能电池板9。

如图1和图2所示，本发明的雨水分流箱1顶部设有进水口I₁10，进水口I₁10与建筑物的落水管6下端相连；雨水分流箱1内部固定着密封室11、水质传感器12和电动三通控制阀13，水质传感器12的信号线接头、电动三通控制阀13的阀门及电路接头均设在密封室11内；电动三通控制阀13的进水口I₂130设在雨水分流箱1内，电动三通控制阀13的出水口E₁131与雨水弃流箱2的进水口I₃20相连，电动三通控制阀13的出水口E₂132通过雨水弃流箱2内部的圆形通道与雨水收集管7相连通。

如图1和图3所示，本发明的雨水弃流箱2形状为长方体，右侧面上部设有通气孔21、下部设有弃流孔22，弃流孔22上设有电动阀门，雨水弃流箱2的背面和底部设有加强肋23。

如图1和图4所示，本发明的蓄水箱3顶部左端设有圆形进水口I₄30、蓄水箱3顶部右端设有矩形溢水口31、底部设有取水口32，圆形进水口I₄30与雨水收集管7下端相连。

如图1和图5所示，本发明的涵养地下水系统4包括雨水调控箱41、下水槽42、地下水库43、涵管管网44和渗水孔45，雨水调控箱41顶部设有压力表411和气压调节阀412，雨水调控箱41底部设有矩形上水口U₁413、顶部右侧设有矩形下水口U₂414，矩形上水口U₁413与蓄水箱3的矩形溢水口31相连，矩形下水口U₂414与下水槽42的上端相连，地下水库43的进口与下水槽42的下端相连。

如图1和图6所示，本发明的控制系统5包括多源监测模块51、信息处理模块52和调控模块53，多源监测模块51用于实时采集雨滴传感器8、水质传感器12和压力表411的数字信号；信息处理模块52用于接收多源监测模块51的采集信号并经过内部程序处理后传输给调控模块53；调控模块53用于向电动三通控制阀13的阀门、弃流孔22的电动阀门和气压调节阀412发送执行指令。

在本实施例中，雨滴传感器8固定于雨水弃流箱2的顶部，用于获取降雨信号。

在本实施例中，太阳能电池板9也固定于雨水弃流箱2的顶部，用于将太阳能转化为电能，为整套装置运行提供电能。

在本实施例中，电动三通控制阀13采用分流旋塞阀，旋塞阀的阀芯按120°旋转实现分流或关闭功能，电动三通控制阀13的阀门旋转通过外部的微型电机控制。

在本实施例中，雨水弃流箱2顶部设有凹槽、内部设有圆形通道，凹槽的槽底与圆形通道相通，凹槽内正好能够嵌入雨水分流箱1，圆形通道的出口端为双层结构；雨水收集管7正好能够插入圆形通道的双层结构。

在本实施例中，雨水调控箱41为水平圆柱形状，雨水调控箱41位于所述的蓄水箱3顶部的右侧，雨水调控箱41的长度等于蓄水箱3的宽度。

在本实施例中，下水槽42为四棱柱形状，下水槽42的顶部为斜面进口、底部为平面出口。

在本实施例中，地下水库43为长方体钢筋混凝土结构，顶部的钢筋混凝土面积大于地下水库43自身的顶部面积；所述的地下水库43底部设有若干个连接涵管管网44出口。

在本实施例中，涵管管网44向建筑物地基和地下水库43地基的外部周围弯曲延伸，涵管管网44侧壁开有若干的漏水小孔，涵管管网44的出水末端逐渐变细形成渗水孔45。

本实施例的基于海绵城市理念的屋面雨水源头洁净蓄渗装置的运行方法包括以下步骤：

①无降雨时，装置处于初始状态，弃流孔22的电动阀门处于开启状态，电动三通控制阀13处于关闭状态，气压调节阀412处于关闭状态，雨滴传感器8不向控制系统5的多源监测模块51传输信号，控制系统5处于休眠模式；

②降雨发生后，雨滴传感器8感应到雨滴后发出信号，多源监测模块51接受到信号后传输给信息处理模块52，信息处理模块52通过内部程序判断降雨强度和时间并向调控模块53发送指令，调控模块53启动弃流孔22的电动阀门将弃流孔22关闭，同时，初期屋面雨水通过落水管6进入雨水分流箱1的进水口I₁10；

③雨水分流箱1内的水质传感器12开始获得雨水的水质多参数检测数据，并将测量数据传输给控制系统5的多源监测模块51，信息处理模块52根据多源监测模块51传输的数字信号通过内部程序判别水质的优劣；当水质不满足预设的收集标准时，控制系统5向电动三通控制阀13的微型电机发出指令，微型电机启动并旋转阀芯120°，将雨水引入雨水弃流箱2；当水质满足预设的收集标准后，控制系统5向电动三通控制阀13的微型电机发出转换指令，微型电机驱动电动三通控制阀13的阀芯旋转120°，将雨水导入雨水收集管7；

④洁净的雨水通过雨水收集管7进入蓄水箱3开始蓄积雨水，当雨水量超过蓄水箱3容积时，雨水自动上升通过矩形溢水口31进入雨水调控箱41；当雨水水位上升至雨水调控箱41的矩形下水口U₂414位置时，雨水通过下水槽42流入地下水库43；当地下水库43中的雨水淌入涵管管网44的进口时，雨水沿着涵管管网44向建筑物和地下水库43的地基外部远处流去，并通过涵管管网44侧壁漏水小孔和末端的渗水孔45渗入地下；

⑤当雨水收集管7的来雨量超过所有涵管管网44的排水下渗量时，地下水库43的水位开始上涨，逐渐上升至下水槽42；当雨水从下水槽42上升至雨水调控箱41顶部时，蓄水箱3、雨水调控箱41、下水槽42、地下水库43和雨水收集管7逐渐由无压流变为有压流，在此过程中，信息处理模块52实时判断多源监测模块51接收的压力表411数字信号，当雨水调控箱41的气压高于预计压强标准最大值时，信息处理模块52将信息传输给调控模块53，调控模块向气压调节阀412发送执行指令开始排气，当雨水调控箱41的气压恢复到预计标准最小值时排气过程中止；

⑥当降雨结束后，雨滴传感器8的信号中断，信息处理模块52通过内部程序中的计时语句开始计时，当连续超过8小时没有雨滴传感器8信号后，向调控模块53发送指令，调控模块53启动弃流孔22的电动阀门将弃流孔22打开，雨水弃流箱2中的初期雨水开始排出，实现与降雨错开洪峰排放；当雨水弃流箱2中的初期雨水排放完毕后，控制系统5向电动三通控制阀13的微型电机发出转换指令，微型电机驱动电动三通控制阀13的阀芯旋转120°，关闭电动三通控制阀13，装置恢复到初始状态，控制系统5进入休眠模式。

本实施例的技术和方法能够极大地加大雨水源头减排的刚性约束，降低内涝发生几率、减少排涝系统建设工程量、减轻河道的排水压力，也能够缓解水资源短缺的压力，实现雨水资源化、涵养地下水、减轻城市洪涝和排水系统压力、削减城市径流污染负荷、改善和修复城市水环境，促进人与自然和谐发展。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施例，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。