CN110002664B - 城市道路雨水模块化智能利用系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种城市道路雨水模块化智能利用系统及控制方法，其特征在于，包括：雨水收集净化模块、雨水分离导流模块、以及雨水回用模块。雨水通过初期雨水弃流、土壤与过滤装置过滤，给水厂污泥烧结陶粒脱氮除磷，进入雨水储蓄单元以备利用。布设于绿化土壤中的传感器与雨水模块中的液位传感器收集信息，单片机自动控制水泵启停与阀门切换，进行道路、绿化浇洒或过滤装置反冲洗，实现系统的智能化运行。对于雨水资源丰富的城市，系统可完全满足全年大部分时间中道路浇洒与绿化浇洒用水需求，同时有效提高了城市的防涝防灾能力。该系统投入使用后可以取得很好的生态、环境、社会与经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及城市规划建设领域，尤其涉及一种城市道路雨水模块化智能利用系统及控制方法。
背景技术
在城市建设的过程中，广泛采取地表硬化的策略，而硬化的水泥沥青道路无法透水下渗，在低洼地段内涝时有发生；同时，在许多城市水资源短缺的情况下，日常的路面与绿化浇洒又耗费了大量宝贵的水资源，导致了城市用水矛盾的加剧。
为了解决上述问题，国家大力倡导海绵城市建设，并推出了相关的建设指标要求。《关于推进海绵城市建设的指导意见》中指出：“通过海绵城市建设，综合采取‘渗、滞、蓄、净、用、排’等措施，最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响，将70%的降雨就地消纳和利用”的工作目标。
但从近年的建设实际看来，在实际道路雨水综合利用的工程建设中，往往还有存在着如下的问题：1）现阶段雨水利用过程中缺乏对初期降雨径流的弃流处理：据国内研究报道，前30%的道路雨水径流中含有52.2%~72.1%的TSS、53%~65.3%的COD、40.4%~50.6%的TN、45.8%~63.2%的TP，初期冲刷效应显著（张智. 排水工程 上册[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2015），雨水利用的过程中需要对初期降雨径流进行弃流控制，以保证回收雨水水质的可靠；2）目前雨水利用的过程中往往缺乏自动控制的手段，依靠人工对设备进行控制，无法达到对雨水的智能利用；3）在下渗绿地的设计中缺乏对土壤渗透能力的考量，导致实际的粘质土壤环境下雨水下渗效率不佳；4）建设后的雨水利用系统对道路的排水防涝能力提升不明显，部分经改造后的路段“逢雨必涝”的问题依然突出。
发明内容
本发明提出一种能够以系统化方式整合多种技术手段、针对特定场景下进行优化设计、对雨水进行有效净化与综合利用的雨水利用系统，用以解决上述现有技术当中存在的问题。本发明通过对与城市降雨具有相关性的设施分别提出改进方案并加以整合，以适应城市主要道路海绵城市改造需求，系统通过收集的雨水满足全年大部分时间绿化浇洒与路面浇洒的供水需求，提高城市低洼地区在极端降水条件下的防涝能力。在优选方案中，还可以通过传感器收集信息，单片机利用各个传感器收集的信息与控制中心发出的远程指令对系统进行控制，以提高系统的雨水利用效率，实现资源的收集利用过程中完全的自动化、智能化。同时，单片机也可将系统传感器收集的信息通过单片机无线远传至控制中心，以便于市政管理部门对系统的运行情况进行实时的评估控制。系统投入运营后，可以取得很好的生态与经济效益，符合节能减排的要求。
本发明具体采用以下技术方案：
一种城市道路雨水模块化智能利用系统，其特征在于，包括：
雨水收集净化模块、雨水分离导流模块、以及雨水回用模块；
所述雨水收集净化模块由上至下包括低于路面的绿地层、过滤层和储水层；所述过滤层中埋设有导水漏管；所述储水层的上端布设有雨水溢流管道；所述雨水溢流管道连接市政雨水管道；
所述雨水分离导流模块包括改进雨水口单元和雨水砂滤单元；所述改进雨水口单元的进水口设置有滤网，出水口与雨水砂滤单元的进水口连接，并通过浮球阀连接市政污水管道；所述雨水砂滤单元包括过滤腔体、设置在过滤腔体底部的承托层、以及设置在承托层上的过滤填充层；所述过滤腔体的上部连接市政污水管道；所述过滤腔体的底部通过三通阀分别连接导水漏管和反冲洗管道；
所述雨水回用模块包括控制单元和与控制单元连接的设置在储水层底部的潜水泵；所述潜水泵通过阀门连接反冲洗管道和浇洒管道；所述阀门连接控制单元。
优选地，所述绿地层低于路面5~18 cm，并采用加入质量分数为20％～30％的砂子及5％的腐殖土的改性土壤。
优选地，所述过滤层为上下铺设的透水土工布的给水厂污泥烧结陶粒层；所述储水层采用再生塑料形成的储水腔体作为基本单元构成。
优选地，所述导水漏管的坡度为3‰ ~ 5‰，埋设在过滤层的上部。
优选地，所述过滤填充层采用石英砂填充构成；所述承托层由土工布金属网构成。
优选地，所述雨水回用模块还包括连接控制单元的：埋设在绿地层中的湿度传感器和设置在储水层中的液位传感器。
优选地，所述控制单元为单片机，所述单片机通过无线通信连接上位机；所述潜水泵通过浇洒管道分别连接绿化浇洒喷头和道路浇洒喷头。
根据以上优选方案的控制方法，其特征在于：所述单片机监控湿度传感器和液位传感器传递的信号：当土壤湿度低于阈值时，控制所述潜水泵向浇洒管道泵水；当计时完毕后，关闭潜水泵。
优选地，通过单片机开启连接反冲洗管道的阀门，所述潜水泵向反冲洗管道泵水。
本发明及其优选方案通过初期雨水弃流、土壤与过滤装置过滤，给水厂污泥烧结陶粒脱氮除磷，进入雨水储蓄单元以备利用。布设于绿化土壤中的传感器与雨水模块中的液位传感器收集信息，单片机自动控制水泵启停与阀门切换，进行道路、绿化浇洒或过滤装置反冲洗，实现系统的智能化运行。对于处于雨水资源丰富地区的城市，系统可完全满足全年大部分时间中道路浇洒与绿化浇洒用水需求，同时有效提高了城市的防涝防灾能力。该系统投入使用后可以取得很好的生态、环境、社会与经济效益。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1是本发明实施例整体结构示意图；
图2是本发明实施例改进雨水口单元初期弃流状态示意图；
图3是本发明实施例改进雨水口单元保存传输雨水状态示意图；
图4是本发明实施例雨水砂滤单元结构示意图；
图5是本发明实施例雨水收集净化模块和雨水回用模块结构和位置关系示意图；
图6是本发明实施例湿度传感器信号处理流程示意图；
图7是本发明实施例潜水泵控制流程示意图；
图中：1-绿地层；2-阀门；3-滤网；4-闸门；5-浮球；6-雨水导管；7-三通阀；8-导水漏管；9-过滤填充层；10-过滤层；11-储水层；12-雨水溢流管道；13-市政雨水管道；14-反冲洗管道；15-潜水泵；16-绿化浇洒喷头；17-道路浇洒喷头；18-市政污水管道；19-湿度传感器；20-承托层。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
如图1-图5所示，本实施例装置包括：雨水收集净化模块、雨水分离导流模块、以及雨水回用模块；
雨水收集净化模块由上至下包括低于路面的绿地层1、过滤层10和储水层11；过滤层10中埋设有导水漏管8；储水层11的上端布设有雨水溢流管道12；雨水溢流管道12连接市政雨水管道13；
雨水分离导流模块包括改进雨水口单元和雨水砂滤单元；改进雨水口单元的进水口设置有滤网3，出水口与雨水砂滤单元的进水口连接，并通过浮球阀连接市政污水管道18；雨水砂滤单元包括过滤腔体、设置在过滤腔体底部的承托层20、以及设置在承托层20上的过滤填充层9；过滤腔体的上部连接市政污水管道18；过滤腔体的底部通过三通阀7分别连接导水漏管8和反冲洗管道14。
雨水回用模块包括控制单元，以及与控制单元连接的设置在储水层11底部的潜水泵15、埋设在绿地层1中的湿度传感器19和设置在储水层11中的液位传感器；潜水泵15通过阀门2连接反冲洗管道14和浇洒管道，浇洒管道分别连接绿化浇洒喷头16和道路浇洒喷头17。阀门2也连接至控制单元。
如图2、图3所示，为改进雨水口单元的两种不同工作状态，滤网3滤去较大垃圾（采用50 mm格栅，滤去直径50 mm以上垃圾）；初期雨水通过闸门4直接放出至市政污水管道18（图2所示），后期降水使得浮球5升高，关闭闸门4，使雨水流入雨水导管6（图3所示）。
图4所示为雨水砂滤单元的具体构造。雨水通过雨水导管6进入到雨水砂滤单元，进行二次过滤，通过由石英砂构成的过滤填充层9过滤滤去较小的杂质，用于支撑过滤填充层9的承托层20由土工布金属网构成。
其中，如图5所示，在本实施例中，绿地层1的土壤顶部低于路面5~18 cm，从而可将道路径流引至绿化带内。并采用加入质量分数为20％～30％的砂子及5％的腐殖土的改性土壤，以达到实现本实施例所需的土壤渗透能力的要求，同时能够有效的保证土壤肥力。绿地内种植的植物以适应本地环境的、根系发达、抗性强的植物为主。在一个具体的使用实例当中，采用垂叶榕（抗污染、耐水湿，对土壤要求不严）与狐尾椰子起到了良好的效果。根据对具体种植植物根系深度的匹配，绿地层1的土壤厚度可设计为1 m左右，根据不同环境下不同的植物种植种类，土层深度可进行灵活调整。过滤层10为上下铺设的透水土工布的给水厂污泥烧结陶粒层，采用给水厂污泥烧制的陶粒作为粗滤料；储水层11采用再生塑料形成的储水腔体作为基本单元构成。导水漏管8的坡度为3‰ ~ 5‰，埋设在过滤层10的上部。从改进雨水口单元汇集的雨水，经雨水砂滤单元过滤后经导水漏管8均匀渗透至过滤层10中，在过滤层10的上下铺设的透水土工布的给水厂污泥烧结陶粒层中再次净化，本实施例采用的烧结陶粒可对雨水起到脱氮除磷的效果。储水层11用于储存上层过滤收集而来的雨水。其上部接有雨水溢流管道12，当储水层11储满水时，多余的水可经由溢流管流入市政雨水管道13，保证道路排水的安全。各管段直径根据实际建设地区建设情况按照当地重现期的降雨量设计。
在本实施例中，控制单元可以采用单片机或BIM控制端。以单片机为例，单片机通过无线通信可以连接上位机控制中心，可通过无线通信将传感器汇总得到的水位、土壤湿度等信息汇总到控制中心，同时控制中心可以发出指令对系统的雨水回用进行调整和设置。
在本实施例提供的控制方法中，在储水层11中收集来的雨水通过潜水泵15提升进行利用。雨水回用的用途分为三部分：道路浇洒、绿化浇洒、以及雨水砂滤单元反冲洗。其中，土壤中的湿度传感器19和设置在储水层11中的液位传感器分别将电信号传送至单片机，以分别控制潜水泵15启动与阀门2切换进行道路浇洒、绿化浇洒与雨水砂滤单元反冲洗。湿度传感器19处理子程序控制框图与阀门2处理子程序控制框图分别如图6、图7所示。此外，所述单片机控制单元可通过无线通信将传感器汇总得到的水位、土壤湿度等信息汇总到控制中心，同时控制中心可以发出指令对系统的雨水回用进行调整和设置。
如图6、图7所示，单片机监控湿度传感器19和液位传感器传递的信号：当土壤湿度低于阈值时，控制潜水泵15向浇洒管道泵水；当计时完毕，关闭潜水泵15。单片机开启连接反冲洗管道14的阀门2，潜水泵15向反冲洗管道14泵水。用于在暴雨来临前腾出塑料雨水储水单元的库存，减轻道路排水系统的压力，避免道路积水与城市内涝，也可以在当雨水砂滤单元出现阻塞的情况下或者定时地设定通过库存雨水的反冲洗维持雨水通道的整体畅通。
本实施例外接LCD显示屏用以显示湿度、液位等情况，采用继电器对阀门2的开闭进行控制。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的城市道路雨水模块化智能利用系统及控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种城市道路雨水模块化智能利用系统，其特征在于，包括：
雨水收集净化模块、雨水分离导流模块、以及雨水回用模块；
所述雨水收集净化模块由上至下包括低于路面的绿地层、过滤层和储水层；所述过滤层中埋设有导水漏管；所述储水层的上端布设有雨水溢流管道；所述雨水溢流管道连接市政雨水管道；
所述雨水分离导流模块包括改进雨水口单元和雨水砂滤单元；所述改进雨水口单元的进水口设置有滤网，出水口与雨水砂滤单元的进水口连接，并通过浮球阀连接市政污水管道；所述雨水砂滤单元包括过滤腔体、设置在过滤腔体底部的承托层、以及设置在承托层上的过滤填充层；所述过滤腔体的上部连接市政污水管道；所述过滤腔体的底部通过三通阀分别连接导水漏管和反冲洗管道；
所述雨水回用模块包括控制单元和与控制单元连接的设置在储水层底部的潜水泵；所述潜水泵通过阀门连接反冲洗管道和浇洒管道；所述阀门连接控制单元；
所述绿地层低于路面5~18 cm，采用加入质量分数为20％～30％的砂子及5％的腐殖土的改性土壤；
所述过滤层为上下铺设的透水土工布的给水厂污泥烧结陶粒层；所述储水层采用再生塑料形成的储水腔体作为基本单元构成；
所述导水漏管的坡度为3‰ ~ 5‰，埋设在过滤层的上部；
所述过滤填充层采用石英砂填充构成；所述承托层由土工布金属网构成；
所述雨水回用模块还包括连接控制单元的：埋设在绿地层中的湿度传感器和设置在储水层中的液位传感器；
所述控制单元为单片机，所述单片机通过无线通信连接上位机；所述潜水泵通过浇洒管道分别连接绿化浇洒喷头和道路浇洒喷头；
所述单片机监控湿度传感器和液位传感器传递的信号：当土壤湿度低于阈值时，控制所述潜水泵向浇洒管道泵水；当计时完毕时，关闭潜水泵；
通过单片机控制开启连接反冲洗管道的阀门，所述潜水泵向反冲洗管道泵水。
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