CN107217723A - 一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置和方法，属于排水管道技术领域。由内外两井组成，在内井中安装可绕转轴旋转的电动翻板，在井壁上安装进水管、出水管和截流管，在内外井夹层空间中装有水泵、光感检测器、流速传感器、控制器。当流速传感器检测到进水管中有水流时，系统自发启动。水泵将雨水送入光感检测器，测定雨水的透射光强，并转换为电信号，雨水越清洁，透射光越强，电信号越强。当电信号较弱时，自控系统指令电动翻板旋转至竖直状态，雨水被拦截到截流管，送入污水管或污水池；反之，电动翻板旋转至水平状态，雨水进入出水管排入河道。本发明直接与水质挂钩，实现高浓度径流雨水的准确截流，灵敏度高、响应时间短，运行管理方便。

Description

一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置和方法

技术领域

本发明属于排水管道技术领域，涉及一种径流雨水截流装置和方法，尤其涉及一种利用光电感应技术截流高浓度污染径流雨水、排放低浓度清洁径流雨水的截流装置和方法。

背景技术

降雨淋洗大气尘埃，冲刷地面污染物，形成地面径流雨水，通过市政排水管网直接排入城市河湖，对水环境造成严重污染。据调查，径流雨水中SS(悬浮固体)、COD、氨氮、总磷和总氮的平均浓度较高，其中SS浓度高于城市污水，其它污染物浓度超过了污水排放一级B标准限额。径流雨水污染现已成为城市河湖主要的污染源之一。在一场降雨中，初期的雨水首先冲刷地面及雨水管网，携带大量的污染物，浓度很高；随着降雨的进行，地面、管网系统中积累的污染物减少，雨水变得相对清洁。降雨初期的雨水污染物浓度高、体积小，是治理的主要对象，需要对其截流净化；降雨后期的雨水污染物浓度低，直接排放。目前国内外均开展了径流雨水污染的控制与治理，探索出不少用于拦截初期雨水的装置，主要包括跳越堰式截流井、溢流堰式截流井、截流槽式截流井等。这些装置的截流依据是水量或时间，即对于一场降雨，拦截降雨前期一定体积的雨水，或截流降雨前期一定时段的雨水，放流后期雨水。这些装置的截流依据并没有直接与雨水的水质挂钩，没有考虑雨量大小、地面清洁程度对雨水水质的影响，对于不同场次的降雨，截流的水质存在较大差异。如大雨将地面冲刷干净所用的时间比小雨短，而冲刷的地面污染物更多，排放的浑水总量更大，如果采用相同的截流时间，则在大雨时会截流部分清洁水，而在小雨时会弃流部分浑浊水；如果采用相同的截流体积，则在大雨时会弃流部分浑水，而在小雨时会截流部分清洁水。当连续降雨后地面较清洁时，将地面冲刷干净需要的时间更短、水量更少，如果还用固定的截流时间或截流体积，会使截流的水量偏大。因此，这种基于时间和体积的截流方式不能准确截流浑水，弃流清水，因而不适用于截流高浓度的径流雨水。

发明内容

本发明的目的是针对现有截流井存在的缺点与不足，提出一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置和方法，采用直接与水质挂钩的径流雨水分质截流装置，利用水质越清洁透光性越强的特性，建立径流雨水水质与透光性的关系，用激光照射径流雨水，用光感检测器检测透射光强并转换成电信号，从而建立水质与电信号的关系，水质越清洁，电信号越强。设置应弃流的径流雨水水质阈值及其对应的电信号强度阈值。由自控系统作出实时判断，当电信号强度小于设定的阈值时，指令电动翻板旋转到截流位置；当电信号强度大于设定的阈值时，指令电动翻板旋转到弃流位置，实现高浓度污染雨水的准确截流、低浓度清洁雨水的自动弃流。将该装置安装于雨水管道末端时，能对径流雨水实现分质截流，有效减少入河湖污染。

本发明的技术方案是：一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，包括由井底、外井壁、盖板组成的外井、进水管、出水管、截流管；其特征在于：所述外井内设有由内井壁构成的内井，所述内井紧贴外井的一角设置，所述内井与外井共用两面井壁、盖板和井底，所述内井壁的边长小于外井壁的边长；所述进水管垂直穿过内井壁、外井壁与市政雨水管相连；所述出水管垂直穿过内井壁与河湖相通；所述截流管垂直穿过内井壁与市政污水管或污水蓄水池相通；所述内井的中部竖向位置设有电动翻板，所述进水管、出水管设置在所述电动翻板的上方，所述截流管设置在所述电动翻板的下方，所述进水管的末端底部设有导流槽，所述导流槽与进水管相通；所述电动翻板设水平和竖直两种可调节状态，当电动翻板处于水平状态时正好封堵住内井的横断面，当电动翻板处于竖直状态时正好封堵住出水管的入口；所述导流槽外侧壁上设有流速传感器，所述流速传感器监测所述导流槽中水流的流速；所述内井与外井的夹层空间中设有水泵、光感检测器和控制器；所述导流槽、水泵、光感检测器和进水管之间设有连通管，所述连通管与水泵进口相连的一端插入导流槽中，另一端插入进水管中；信号线将所述光感检测器、流速传感器与控制器相连；电源线将控制器与外部电源相连，并将所述光感检测器、电动翻板、水泵与控制器相连。

所述外井与内井的横截面均为矩形，盖板为矩形平板。

所述电动翻板由电机、转轴、2个轴承、止水套、面板组成；面板为矩形平板，面板一边固定在转轴上，转轴每端套入1个轴承，其中一端还套入止水套，末端与电机的轴固定，电机带动转轴、面板在轴承和止水套内转动；转轴紧贴出水管一侧的内井壁内侧水平放置，两端轴承、止水套嵌入内井壁中，止水套允许转轴在其中转动，但阻止内井中的水从止水套与转轴之间的缝隙流入外井；电机固定在内井壁的外侧，具有水平和竖直两个旋转状态，水平状态时面板水平，面板封堵内井横断面，竖直状态时面板向上旋转至竖直状态，面板封堵出水管入口。

所述水泵、光感检测器和控制器均固定在内井壁的外侧。

所述导流槽为矩形槽，位于内外井夹层空间中的进水管末端底部，且与进水管相通。

所述光感检测器由透光室、激光源和光电池组成。

所述透光室为一长方体透明小室，两端设有进口和出口，进口通过连通管与水泵相连，出口通过连通管与进水管相连。

所述激光源为半导体激光灯，通过电源线与控制器相连，光电池为硅光电池，通过信号线与控制器相连；激光源、光电池分别安装于透光室相对的两个侧面，且激光源正对光电池，光电池能检测从激光源照射过来的光强度，并产生电信号，电信号强度与光强度对应。

所述控制器是PLC自控模块，内部记录了应该截流的高浓度径流雨水对应的透射光强度及其电信号强度阈值，控制器能实时记录流速传感器测得的流速、光电池的电信号强度，控制器内部嵌入逻辑运算程序，能根据流速大小作出判断，实施切断或接通激光源、水泵、电机电源的操作，能根据电信号强度大小指令电机旋转到水平状态或竖直状态。

一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置的使用方法，其特征在于，使用方法如下：

(1)实测不同水质的径流雨水流过透光室时光电池监测到的电信号强度，建立水质与电信号强度的关系，设定截流的临界水质及其对应的电信号强度，并输入控制器；

(2)控制器实时采集流速传感器流速信号；

(3)当控制器采集到的流速传感器测得的导流槽中水流速度大于零时，自动接通电机、水泵和激光源的电源；当控制器采集到的流速传感器测得的导流槽中水流速度等于零时，关闭电机、水泵和激光源的电源；

(4)控制器实时采集光电池的电信号强度，当电信号强度小于等于设定的临界水质对应的电信号强度时，指令电机旋转到竖直状态，径流雨水进入截流管；

(5)当控制器采集到的光电池电信号强度大于设定的临界水质对应的电信号强度时，指令电机旋转到水平状态，径流雨水进入出水管。

本发明的有益之处：本发明提出的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置和使用方法，装置结构新颖，方法原理清晰、操作简单，结合光电感应技术，采用电动翻板，配合自控系统，实现了径流雨水的分质截流。

具体有益效果如下：

(1)利用径流雨水中污染物浓度与透光性的关系，通过光电转换，将透射光信号转换成电信号，以此控制径流雨水的截流与弃流，克服了常规拦截技术不能与水质直接挂钩，不能准确截流的缺点；

(2)采用光电池实现光电转换，该设备具有灵敏度高、响应时间短等优点，保证了分质截流的准确性，有效控制入河的径流污染；

(3)一体化的截流设备配备电动翻板与具有自检、自启闭功能的控制系统，大大降低误操作的发生率，运行管理方便。

附图说明

图1 为本发明装置平面结构示意图。

图2 为本发明装置截流状态结构剖面示意图。

图3 为本发明装置弃流状态结构剖面示意图。

图4 为本发明装置结构剖面示意图。

图5 为本发明装置电动翻板结构示意图。

图6 为本发明装置光感检测器结构示意图。

图中：外井1、内井2、进水管3、出水管4、截流管5、电动翻板6、电机7、水泵8、光感检测器9、控制器10、电源线11、信号线12、地面13、盖板14、井底15、外井壁16、内井壁17、流速传感器18、导流槽19、转轴20、轴承21、止水套22、面板23、侧齿坎24、透光室25、激光源26、光电池27、连通管28、前齿坎29。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-6所示，一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，包括外井1、内井2、进水管3、出水管4、截流管5、电动翻板6、水泵8、光感检测器9、控制器10、电源线11、信号线12、流速传感器18、导流槽19、连通管28。外井1置于地面13以下，由井底15、外井壁16、盖板14组成，横断面为矩形。井底15采用混凝土浇筑成水平面，外井壁16采用砂浆、砖砌筑成直立墙壁。盖板14为一矩形平板，采用混凝土、金属、塑料等材料制作。内井2横断面为矩形，紧贴外井1一角设置，与外井1共用两面井壁、盖板14和井底15，内井壁17边长小于外井壁边长。进水管3垂直穿过内井壁17、外井壁16，与市政雨水管相连；出水管4垂直穿过内井壁17，与河湖相通；截流管5垂直穿过内井壁17，与市政污水管或污水蓄水池相通。电动翻板6设置于内井2竖向中部位置，有水平和竖直两种可调的状态：水平状态时电动翻板6正好封堵住内井2横断面，进水管3、出水管4位于电动翻板6的上方，截流管5位于电动翻板的下方；竖直状态时电动翻板6正好封堵住出水管4入口。导流槽19位于进水管3末端底部，与进水管3相通。流速传感器18安装在导流槽19外侧壁上，流速传感器18采用超声波流速仪，能监测到导流槽19中水流的流速。水泵8、光感检测器9、控制器10置于内井2与外井1的夹层空间中，固定在内井壁17的外侧。连通管28进口插入导流槽19中，依次连接水泵8、光感检测器9，出口插入进水管3中。信号线12将光感检测器9、流速传感器18与控制器10相连。电源线11将控制器10与外部电源相连，并将光感检测器9、电动翻板6、水泵8与控制器10相连。

如图1-6所示，一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，电动翻板6由电机7、转轴20、2个轴承21、止水套22、面板23组成。电机7为电动执行器，转轴20为实心不锈钢棒，轴承21为滚动轴承，止水套22为防水套管，面板23为矩形不锈钢板。面板23一边焊接固定在转轴20上，转轴20每端套入1个轴承21，连接电机7的一端还套入止水套22，末端与电机7的轴固定。电机7可带动转轴20、面板23在轴承21和止水套22内转动。转轴20紧贴出水管4一侧的内井壁17内侧水平放置，两端轴承21、止水套22嵌入内井壁17中，止水套22允许转轴20在其中转动，但能阻止内井2中的水从止水套22与转轴20之间的缝隙流入外井1。电机7固定在内井壁17的外侧，具有水平和竖直两个旋转状态，水平状态时面板23水平，面板23封堵内井2横断面，竖直状态时面板23向上旋转至竖直状态，面板23封堵出水管4入口。除出水管4所在的内井壁17以外，其余三面井壁的内侧水平伸出3个小平台，分别为前齿坎29与2条侧齿坎24。前齿坎29位于与转轴20相对的一侧的内井壁17上，侧齿坎24位于其余两面内井壁17上，当面板23呈水平时，刚好放置在3条齿坎上。

如图1-6所示，一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，导流槽19为矩形槽，位于内外井夹层空间中的进水管3末端底部，且与进水管3相通。光感检测器9由透光室25、激光源26、光电池27组成。透光室25为一长方体透明小室，用有机玻璃等透明材料制成，两端设有进口和出口，进口通过连通管28与水泵8相连，出口通过连通管28与进水管3相连。激光源26为半导体激光灯，光电池27为硅光电池。水泵8为小型蠕动泵，连通管28为橡胶软管。激光源26、光电池27分别安装于透光室25相对的两个侧面，且激光源26正对光电池27，光电池27能检测从激光源26照射过来的光强度，并产生电信号，电信号强度与光强度对应，激光源26通过电源线11与控制器10相连，光电池27通过信号线12与控制器10相连。

如图1-6所示，一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，控制器10是PLC自控模块，内部记录了应该截流的高浓度径流雨水对应的透射光强度及其电信号强度阈值，控制器能实时记录流速传感器18测得的流速、光电池的电信号强度，控制器10内部嵌入逻辑运算程序，能根据流速大小作出判断，实施切断或接通激光源26、水泵8、电机7电源的操作，能根据电信号强度大小指令电机7旋转到水平状态或竖直状态。

如图1-6所示，一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置的使用方法如下：

(1)实测不同水质的径流雨水流过透光室25时光电池27监测到的电信号强度，建立水质与光电池27的电信号强度的关系，设定截流的临界水质及其对应的电信号强度，并输入控制器10；

(2)控制器10实时采集流速传感器18的流速信号；

(3)当控制器10采集到的流速传感器18测得的导流槽19中水流速度大于零时，接通电机7、水泵8和激光源26的电源；当控制器10采集到的流速传感器18测得的导流槽19中水流速度等于零时，关闭电机7、水泵8和激光源26的电源；

(4)控制器实时采集光电池27的电信号强度，当电信号强度小于等于设定的临界水质对应的电信号强度时，指令电机7旋转到竖直状态，径流雨水进入截流管5；

(5)当控制器10采集到的光电池27的电信号强度大于设定的临界水质对应的电信号强度时，指令电机7旋转到水平状态，径流雨水进入出水管4。

Claims (10)

1.一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，包括由井底(15)、外井壁(16)、盖板(14)组成的外井(1)、进水管(3)、出水管(4)、截流管(5)；其特征在于：所述外井内设有由内井壁(17)构成的内井(2)，所述内井(2)紧贴外井(1)的一角设置，所述内井(2)与外井(1)共用两面井壁、盖板(14)和井底(15)，所述内井壁(17)的边长小于外井壁(16)的边长；所述进水管(3)垂直穿过内井壁(17)、外井壁(16)与市政雨水管相连；所述出水管(4)垂直穿过内井壁(17)与河湖相通；所述截流管(5)垂直穿过内井壁(17)与市政污水管或污水蓄水池相通；所述内井(2)的中部竖向位置设有电动翻板(6)，所述进水管(3)、出水管(4)设置在所述电动翻板(6)的上方，所述截流管(5)设置在所述电动翻板(6)的下方，所述进水管(3)的末端底部设有导流槽(19)，所述导流槽(19)与进水管(3)相通；所述电动翻板(6)设水平和竖直两种可调节状态，当电动翻板(6)处于水平状态时正好封堵住内井(2)的横断面，当电动翻板(6)处于竖直状态时正好封堵住出水管(4)的入口；所述导流槽(19)外侧壁上设有流速传感器(18)，所述流速传感器(18)监测所述导流槽(19)中水流的流速；所述内井(2)与外井(1)的夹层空间中设有水泵(8)、光感检测器(9)和控制器(10)；所述导流槽(19)、水泵(8)、光感检测器(9)和进水管(3)之间设有连通管(28)，所述连通管(28) 与水泵(8)进口相连的一端插入导流槽(19)中，另一端插入进水管(3)中；信号线(12)将所述光感检测器(9)、流速传感器(18)与控制器(10)相连；电源线(11)将控制器(10)与外部电源相连，并将所述光感检测器(9)、电动翻板(6)、水泵(8)与控制器(10)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，其特征在于：所述外井(1)与内井(2)的横截面均为矩形，盖板(14)为矩形平板。

3.根据权利要求1所述的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，其特征在于：所述电动翻板(6)由电机(7)、转轴(20)、2个轴承(21)、止水套(22)、面板(23)组成；面板(23)为矩形平板，面板(23)一边固定在转轴(20)上，转轴(20)每端套入1个轴承(21)，其中一端还套入止水套(22)，末端与电机(7)的轴固定，电机(7)带动转轴(20)、面板(23)在轴承(21)和止水套(22)内转动；转轴(20)紧贴出水管(4)一侧的内井壁(17)内侧水平放置，两端轴承(21)、止水套(22)嵌入内井壁(17)中，止水套(22)允许转轴(20)在其中转动，但阻止内井(2)中的水从止水套(22)与转轴(20)之间的缝隙流入外井(1)；电机(7)固定在内井壁(17)的外侧，具有水平和竖直两个旋转状态，水平状态时面板(23)水平，面板(23)封堵内井(2)横断面，竖直状态时面板(23)向上旋转至竖直状态，面板(23)封堵出水管(4)入口。

4.根据权利要求1所述的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，其特征在于：所述水泵(8)、光感检测器(9)和控制器(10)均固定在内井壁(17)的外侧。

5.根据权利要求1所述的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，其特征在于：所述导流槽(19)为矩形槽，位于内外井夹层空间中的进水管(3)末端底部，且与进水管(3)相通。

6.根据权利要求1所述的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，其特征在于：所述光感检测器(9)由透光室(25)、激光源(26)和光电池(27)组成。

7.根据权利要求6所述的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，其特征在于：所述透光室(25)为一长方体透明小室，两端设有进口和出口，进口通过连通管(28)与水泵(8)相连，出口通过连通管(28)与进水管(3)相连。

8.根据权利要求6所述的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，其特征在于：所述激光源(26)为半导体激光灯，通过电源线(11)与控制器(10)相连，光电池(27)为硅光电池，通过信号线(12)与控制器(10)相连；激光源(26)、光电池(27)分别安装于透光室(25)相对的两个侧面，且激光源(26)正对光电池(27)，光电池(27)能检测从激光源(26)照射过来的光强度，并产生电信号，电信号强度与光强度对应。

9.根据权利要求1所述的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置，其特征在于：所述控制器(10)是PLC自控模块，内部记录了应该截流的高浓度径流雨水对应的透射光强度及其电信号强度阈值，控制器能实时记录流速传感器(18)测得的流速、光电池的电信号强度，控制器(10)内部嵌入逻辑运算程序，能根据流速大小作出判断，实施切断或接通激光源(26)、水泵(8)、电机(7)电源的操作，能根据电信号强度大小指令电机(7)旋转到水平状态或竖直状态。

10.如权利要求1所述的一种基于光感技术的径流雨水分质截流装置的使用方法，其特征在于，使用方法如下：

(1)实测不同水质的径流雨水流过透光室(25)时光电池(27)监测到的电信号强度，建立水质与电信号强度的关系，设定截流的临界水质及其对应的电信号强度，并输入控制器(10)；

(2)控制器(10)实时采集流速传感器(18)流速信号；

(3)当控制器(10)采集到的流速传感器(18)测得的导流槽(19)中水流速度大于零时，自动接通电机(7)、水泵(8)和激光源(26)的电源；当控制器(10)采集到的流速传感器(18)测得的导流槽(19)中水流速度等于零时，关闭电机(7)、水泵(8)和激光源(26)的电源；

(4)控制器(10)实时采集光电池(27)的电信号强度，当电信号强度小于等于设定的临界水质对应的电信号强度时，指令电机(7)旋转到竖直状态，径流雨水进入截流管(5)；

(5)当控制器(10)采集到的光电池(27)电信号强度大于设定的临界水质对应的电信号强度时，指令电机(7)旋转到水平状态，径流雨水进入出水管(4)。