一种基于雨水水质控制的初雨弃流器及其使用方法与流程

本发明属于城市雨水资源利用、海绵城市建设等技术领域，涉及一种基于雨水水质控制的初雨弃流器，用于城市雨水的收集与利用。

背景技术：

我国水资源短缺，且南北分布不均。另一方面，随着我国城镇化率的进一步加快，城市水资源需求量急剧增加，合理利用雨水资源是解决我国城市水资源短缺和水资源需求量大这一矛盾的重要内容，尤其开发利用城市集雨装置进行雨水收集、净化和综合利用也是我国海绵城市建设中的重要环节。在雨水利用过程中，初期雨水水质差是影响雨水资源利用的最大难题之一(张艳娟等停车场集雨洗车现场试验[J]中国水土保持科学,2014,1(1):109-113)。在初期冲刷效应的作用下，降雨初期径流中往往会携带大量的污染物，会导致径流初期产生一个较高的污染物浓度峰值，这些初期含有大量污染物的雨水增加了雨水收集利用的难度。初期污染物浓度受多种因素影响，比如雨水收集区面积、降雨强度和干期长度等都会影响到初雨水质。研究表明初期雨水携带了大量的污染负荷，初期雨水污染较为严重，因此，雨水非常规水资源在收集利用过程中控制初期雨水显得尤为重要(王倩等.国内典型城市降雨径流初期累积特征分析[J].中国环境科学,2015,35(6):1719-1725)。雨水在初期冲刷作用下，初雨中的主要污染物是总悬浮物颗粒(TSS)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和主要重金属(孟莹莹等.基于污染负荷控制的屋面初期径流弃除量探讨[J].中国给水排水，2010，26(7):40-42.)。初雨最明显的特征是TSS含量高，水体浑浊，随着时间的推移，雨水逐渐变清。

城市雨水主要有屋面、道路、渗透性地面三种汇流介质，其中地面径流雨水水质最差，渗透性地面径流雨水基本以渗透为主，可收集的雨水十分有限。城市屋面雨水收集利用较为方便、污染程度低、利用价值高。随着城市的快速发展，城市屋面面积也急剧增大，屋面雨水收集利用潜力十分巨大。目前的城市屋面雨水收集主要由初雨弃流、雨水收集、雨水输送和雨水存储系统构成。初雨弃流是雨水资源化利用的第一步，水质差的初雨经过弃流装置弃流至城市市政污水管道，从而保证后续收集雨水的水质。目前应用较多的初雨弃流器主要有两种方式：基于降雨时间的弃流器和基于降雨流量的弃流装置。基于降雨时间弃流器结构简单，主要由一定容积的弃流桶和浮球构成，当弃流桶中的浮球随着水位的提高而逐步上升，当水位达到设计水位时，浮球也上升到弃流桶顶部，堵住了弃流器的进水口，从而完成初雨截留，之后的雨水便改道流入到雨水收集单元。这种初雨弃流器结构简单、安装方便，应用最为广泛，但其不能根据降雨强度和屋面受污染程度进行有效弃流，弃流量恒定，无法应对不同降雨条件下所形成的不同初雨污染负荷的初雨，尤其是第一场雨降临时，往往会形成污染较为严重的初雨，依然按照设定水位进行初雨弃流会导致后续收集的雨水水质恶化。

第二种常见的初雨弃流器根据雨水流量进行弃流。其原理是基于一般降雨初期降雨强度较大，比如机械翻板初雨弃流器就是其中一种弃流方式(杨潇等，翻板式初雨分离器的设计[J],水资源与水工程学报,2010,21(60):121-124)，该弃流器利用水力作用使翻板自动翻转，从而进行初期雨水弃流处理。没有雨时，翻板处于倾斜位置，降雨开始后，初期雨水从翻板下排到市政雨污排水管道。当雨量增大时，翻板在重力以及水压力共同作用下自动翻转，使得翻板下端排水口封闭，集雨池水位抬升，汇集的雨水通过收集口流入到蓄水池。当雨量减少时，集雨池水位下降，翻板又会在重力作用下恢复到初始倾斜位置，后期少量雨水也会被弃流。该装置结构简单，可自动完成弃流动作。

虽然以上两种形式的初雨弃流器具有结构简单、使用方便的特点，但是均不能实现初雨的准确弃流，也不能根据不同降雨条件进行灵活对应，进而无法保证后续收集雨水的水质，因此，开发应对不同降雨特征和不同雨水冲刷条件的初雨弃流器是保证利用雨水水质的关键环节。

技术实现要素：

针对上述现有初雨弃流器存在的一些问题，本发明提供了一种根据雨水水质特征进行准确弃流的初雨弃流器，使其适用于各种降雨条件下雨水收集系统中的初雨弃流装置。该基于雨水水质控制的初雨弃流器现有集雨装置改动少，机动性高，具有很好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于雨水水质控制的初雨弃流器，该装置直接安装在现有集雨管道中，包括外部弃流装置、自控电路。

所述外部弃流装置包括水质检测桶、雨水浊度传感器、导流管、集雨管。所述雨水浊度传感器安装在水质检测桶中，模块化装配。水质检测桶底部有一开孔，连接集雨管，用于初期雨水的收集检测。水质检测桶的一侧上部有一开孔，连接导流管，用于将初期浊度较高的雨水导流至污水口进行排放。

所述自控电路用于检测雨量信息与浊度信号传递，包括雨量感应器、浊度信号传递单元、电源、插座、常闭电磁阀和常开电磁阀。所述插座设置在电路盒内。所述的雨量感应器和雨水浊度传感器均通过电路与浊度信号传递单元连接，雨量感应器位于地面上用于感应雨量，雨水浊度传感器用于实时检测雨水浊度，浊度信号传递单元设置在电路盒内，根据雨水浊度传感器测得的雨水浊度信息控制插座与电源连接，给常闭电磁阀、常开电磁阀供电，即控制常闭电磁阀、常开电磁阀的开闭，进而控制雨水是否弃流。

常闭电磁阀、常开电磁阀在不供电的情况下，常闭电磁阀关闭，常开电磁阀打开时，雨水经集雨管流入水质检测桶内。常闭电磁阀、常开电磁阀供电的情况下，常闭电磁阀打开，常开电磁阀关闭时，雨水直接经现有排水管道进入集雨收集单元或雨水净化单元。

上述基于雨水水质控制的初雨弃流器的使用方法，包括以下步骤：

通过雨量感应器感应降雨发生后，启动雨水浊度传感器进行雨水浊度实时监测，当雨水水质浊度较高时，导流管上流向雨水弃流桶的导流管电磁阀打开，初雨直接通过污水口进入弃流桶，进而流向市政管网。随着降雨历时的推进，根据雨水浊度传感器检测雨水浊度，雨水水质浊度降低，导流管上流向弃流桶电磁阀闭合，雨水通过管路流入集雨收集单元或雨水净化单元。

步骤1：设定雨水浊度传感器的阈值，根据雨水水质符合收集要求或者后续净化要求设计阈值大小。

步骤2：雨量感应器获得降雨信号后，触发整个弃流装置单元，常开电磁阀为打开状态，常闭电磁阀为关闭状态，雨水经过集雨管到达水质检测桶，水质检测桶内的雨水浊度传感器对雨水水质进行实时监测，判断降雨过程中雨水浊度：

若初雨的雨水浊度若大于雨水浊度传感器设定的阈值，水质检测桶内的初雨经导流管弃流到污水口，排至市政污水管道中。随降雨的进行，雨水浊度逐渐降低，当雨水浊度传感器实时监测的浊度不大于阈值时，雨水水质符合收集要求或者后续净化要求，浊度信号传递单元输出信号，控制插座与电源连接，给常闭电磁阀、常开电磁阀供电，常闭电磁阀打开，同时常开电磁阀关闭，后续雨水直接经现有管路进入雨水收集单元或者雨水净化单元。

若初雨的雨水浊度不大于雨水浊度传感器设定的阈值，浊度信号传递单元9输出信号，控制插座与电源连接，给常闭电磁阀、常开电磁阀供电，常闭电磁阀打开，同时常开电磁阀关闭，后续雨水进入雨水收集单元或者雨水净化单元。

步骤3：当雨量感应器感应到雨停时，浊度信号传递单元输出信息，插座与电源断开，常闭电磁阀、常开电磁阀断电，常开电磁阀打开，常闭电磁阀关闭，然后整个装置恢复到待机状态。

本装置的基本原理是基于初雨污染负荷中总悬浮物颗粒浓度(TSS)特征最为明显，降雨初期随着降雨历时的推进和降雨强度的加大，TSS浓度增大，并达到一定的峰值。目前关于水质监测中浊度传感器的技术已经较为成熟，可以进行水质的实时监测，而浊度与TSS之间又有良好的线性关系，均能反应水体中颗粒性污染物的浓度。基于上述基本原理和思路，我们设计基于雨水水质控制的初雨弃流装置。如在降雨事件发生初期，雨水通过管路流向水质浊度传感器，传感器实时监测初雨，当浊度高于设定阈值未达到使用雨水水质要求时，雨水通过溢流到初雨收集桶，并流入到市政污水管网。当雨水浊度低于设定阈值时，浊度传感器传输电信号至继电器，继而控制电磁阀打开，开始收集雨水。本装置与现有初雨弃流装置相比，虽然现有装置的构造相对，但现有装置不能对应不同降雨条件、难以应对不同初雨冲刷特征进行准确弃流。

本发明的效果和益处是相对比其它初雨弃流器而言，有益效果为：1)本装置完全实现自动控制，没有人员维护成本，可应对降雨这一非常随机的过程。2)本装置可以适应不同降雨条件和城市雨水径流不同冲刷规律并进行准确弃流，充分考虑后续雨水收集、处理利用系统的水量平衡，最大程度保证收集到充足且水质较好的雨水量，弥补了现有弃流装置过大、弃流量难以控制、污染物控制效果不稳定等诸多缺点，具有适应性强、自动化程度高、污染控制稳定、弃流量准确等特点。

附图说明

图1是基于雨水水质控制的初雨弃流器结构示意图；

图2是基于雨水水质控制的初雨弃流器电路控制原理图；

图中：1水质检测桶；2雨水浊度传感器；3导流管；4集雨管；5常闭电磁阀；6常开电磁阀；7雨量感应器；8电路盒；9浊度信号传递单元；10插座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

一种基于雨水水质控制的初雨弃流器，该装置直接安装在现有集雨管道中，包括外部弃流装置、自控电路。所述外部弃流装置中的水质检测桶1底部有一开孔，连接集雨管4。水质检测桶1的一侧上部有一开孔，连接导流管3，导流管上设置阀门。所述自控电路中的插座10设置在电路盒8内；雨量感应器7和雨水浊度传感器2均通过电路与浊度信号传递单元9连接，雨量感应器7位于地面上用于感应雨量，雨水浊度传感器2用于实时检测雨水浊度。浊度信号传递单元9设置在电路盒8内，根据雨水浊度传感器2测得的雨水浊度信息控制插座10与电源连接，控制雨水是否弃流，具体为：插座10与常闭电磁阀5、常开电磁阀6连接，当浊度信号传递单元9控制插座10与电源连接时，常闭电磁阀5、常开电磁阀6通电，当浊度信号传递单元9控制插座10与电源断开时，常闭电磁阀5、常开电磁阀6断电。

上述基于雨水水质控制的初雨弃流器的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：设定雨水浊度传感器2的阈值，根据雨水水质符合收集要求或者后续净化要求设计阈值大小。

步骤2：雨量感应器7获得降雨信号后，触发整个弃流装置单元，常开电磁阀6打开，常闭电磁阀5关闭，雨水沿①方向经过集雨管4到达水质检测桶1，水质检测桶1内的雨水浊度传感器2对雨水水质进行实时监测，判断降雨过程中雨水浊度：

若初雨的雨水浊度若大于雨水浊度传感器2设定的阈值，水质检测桶1内的初雨经导流管3弃流到污水口，排至市政污水管道中。随着降雨的进行，雨水浊度逐渐降低，当雨水浊度传感器2实时监测的浊度不大于阈值时，雨水水质符合收集要求或者后续净化要求，浊度信号传递单元9输出信号，控制插座10与电源连接，给常闭电磁阀5、常开电磁阀6供电，集雨管4上的常闭电磁阀5打开，同时常开电磁阀6关闭，后续雨水沿②方向进入雨水收集单元或者雨水净化单元。

若初雨的雨水浊度不大于雨水浊度传感器2设定的阈值，浊度信号传递单元9输出信号，控制插座10与电源连接，给常闭电磁阀5、常开电磁阀6供电，集雨管4上的常闭电磁阀5打开，同时常开电磁阀6关闭，后续雨水沿②方向进入雨水收集单元或者雨水净化单元。

步骤3：当雨量感应器7感应到雨停时，收集雨水方向的电磁阀6关闭，连接初雨弃流方向的电磁阀5打开，然后整个装置恢复到待机状态。