CN110530682B - 一种屋面雨水自动流量监测及样品采集方法和相应的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种屋面雨水自动流量监测及样品采集装置及其相应的采集方法，所述采集装置包括横向流量测量管，该横向流量测量管连接主体部分，横向流量测量管连接于雨落管出口，所述主体部分包括能源供给系统并为数据处理系统、样品采集系统提供作业电源。本发明所述样品采集方法，包括：在雨水采集装置中内嵌至少两种采样模式；在降雨初期流量计检测到降雨强度较小，自动选用事先输入的固定时间段采样方案；当降雨量较大时，除了通过降雨时间间隔来控制采样瓶还可以通过激光水位计来按量采集。本发明所述技术方案不需要对已有雨落管进行改装的前提下，对管内所集屋面雨水的流量进行测量，并根据时间或流量变化进行自动采样和流量监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对屋面雨水自动流量监测及样品采集的方法及装置。
背景技术
随着城市化进程的加快，城市洪涝、径流污染等城市雨水问题越发凸显，由降雨径流冲刷城市下垫面所带来的径流污染是城市水环境水质恶化的主要来源之一。准确掌握径流污染负荷，从而对径流污染进行有效控制，准确监测下垫面产生的径流量及径流污染物浓度具有非常重要的意义。
城市的下垫面主要包括屋面、路面、绿地、水体等，对于径流量的监测，目前对于路面、绿地和水体均已有研究在探讨流量监测和样品采集的解决方案，但对于屋面径流雨水，由于径流主要通过雨落管传输，又因降雨的随机性及雨强和雨量的时变性，使得雨落管传输的雨水为非满管流，因此使得现有针对管道的流量监测方法很难实施于雨落管，更难做到准确。此外，自雨落管的屋面雨水采样也由于降雨采样的随机性和时变性而比较困难。
本发明可完成指定雨落管流量监测和降水样品的采集工作，具有自动监测流量、自动采集样品、数据实时发送等特点。对于补足雨水径流监控的盲点和研究降雨对屋面冲刷导致的污染物扩散具有现实意义。
发明内容
本发明提供一种屋面雨水自动流量监测及样品采集装置，其包括横向流量测量管，该横向流量测量管连接主体部分，横向流量测量管连接于雨落管出口。
优选的是，所述横向流量测量管包括雨落管连接口，该雨落管连接口下游的横向流量测量管内设置感雨器、超声波流量计和水平仪，感雨器连接超声波流量计，并控制超声波流量计的开启和关闭。
更优选的是，所述横向流量测量管底部还设有支架，该支架支撑于横向流量测量管和地面之间，以确保横向流量测量管处于水平位置，便于测量。
所述横向流量测量管工作原理为:雨落管中液体通过接口进入到流量测量管，激发感雨器后启动超声波流量计，超声波流量计通过速度差法测量横向流量测量管内的流体流量。
优选的是，所述主体部分包括能源供给系统、数据处理系统、样品采集系统、截污排放系统，该能源供给系统连接所述数据处理系统、样品采集系统，并为数据处理系统、样品采集系统提供作业电源；。
优选的是，所述主体部分顶端设有太阳能板作为能量来源，所述太阳能板连接有电池组，将太阳能板转化后的电力储存在电池组中，待感雨器激活时，电池组为所有作业装备提供能源。
所述数据处理系统连接样品采集系统，所述数据处理系统还连接管理终端，所述数据处理系统对采样过程进行记录并通过短消息将采样过程的记录数据发送给管理终端。主要记录内容为：1.以时间轴为序列的雨落管流量信息；2.感雨器触发后，以时间轴为序列，采样瓶更换的个数和雨落管流量变化所对应采样瓶序号。并根据需要对样品采集系统的采样方式进行调整。提供电池组报警功能，当连续阴天后电池组所存储电量不足以完成采样工作时，对管理终端进行报警，提示使用外部电源充电或更换电池组。
优选的是，所述样品采集系统包括真空抽吸式采水器，该真空抽吸式采水器还连接螺旋输送系统。
更优选的是，所述真空抽吸式采水器，主要包括配有密封圈的罩体，该罩体内安装真空抽吸口，向下运动压紧目标采样瓶口，通过真空泵将采样瓶内空气抽出来采集雨水样品。所述密封罩体连接至一PVC材料制的弯管，该弯管首端连接至所述罩体顶端，该弯管的末端对接或覆盖采样区域。
更优选的是，弯管末端设计为具有一定倾角的斜面，防止与底部紧密覆盖无法采样，且该斜面应侧向放置，避免正面放置积累杂物堵塞管口。真空抽吸装置将所述罩体内和采样瓶内的空气抽出后，使雨水经由弯管首端从所述罩体底部吸入弯管，进而进入采样瓶，从而完成采样。
更优选的是，所述螺旋输送系统包括至少三条轨道形成的U型槽螺旋轨道，所述轨道底部支撑采样瓶竖立，所述轨道两侧防止采样瓶侧翻。
优选的是，所述轨道的材质选用金属。
优选的是，在采样点段，所述轨道为水平方向，使采样瓶口能和密封罩紧密相接。在未开始采样时，所述U型槽螺旋轨道上半部分放置好空的采样瓶，所述U型槽轨道的下半部分为空，作为采样瓶收集部分。在采样开始时，可通过预先设定从第一个或者第二个采样瓶开始采样，从第二个采样瓶开始采样时，认为第一个采样瓶为空白样瓶。第一个采样瓶前有阻尼装置，防止采样瓶过快下滑导致碰撞。最后一个采样瓶后有推挤挡板，通过起动设置在轨道上的马达来向下推挤采样瓶至采样处。
优选的是，所述截污排放系统分为引流挡板、截污装置、采样区域、排水出口。底板需要有一个较小倾角，例如不小于5度的倾角；使水流向出口排放。在降雨量较少的时段，为使采样量满足检验需要，设计引流挡板将较小流量雨水引导至采样区域；当降雨量较大时，多余流量可越过引流挡板直接排放。在水流经过采样区前，先通过截污滤网，将水流中夹杂的石头、树叶等杂物挡住，以免堵住采样口。截污滤网设计成尖角状，水流持续冲刷挡板可将杂物排出，避免杂物堆积导致水流不能通过采样区域。采样区域为采样管末端所在位置，在保证流量的前提下，应尽量减少杂物流经该区域。排水出口处可选配安装截污滤网并设置溢流口，或直接排放。
本发明第二方面提供一种屋面雨水自动流量监测及样品采集方法，其包括：
步骤S1：在雨水采集装置中内嵌至少两种采样模式，即：固定时间段采样模式，或按雨水量采集模式；
步骤S2：在降雨初期流量计检测到降雨强度较小，自动选用事先输入的固定时间段采样方案；
步骤S3：当降雨量较大时，除了通过降雨时间间隔来控制采样瓶还可以通过激光水位计来按量采集。
步骤S4：当在完成采样后，取样管向上升起，罩体与采样瓶脱离，通过设置在最后一个采样瓶后的挡板推挤将下一个采样瓶移动到罩体下方。所述挡板设每个采样瓶采样结束后，均被推挤并由下一个采样瓶入位采样，直到设定好的采样瓶全部采样完毕。
优选的是，执行步骤S1、S2、S4或执行步骤S1、S3、S4。
优选的是，所述固定时间段采样模式间隔相等的时间段，并将每个时间段的样品分别放入一个采样瓶中，防止由于降雨量少导致不同时段的降水样品混杂在一个瓶内。
优选的是，所述按雨水量采集模式，是指，当一个采样瓶中的样品量满足要求时，设定继续换下一个采样瓶采集，或者停止采集直到下个一设置好的采样时间。
优选的是，本发明第二方面所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集方法采用本发明第一方面所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集装置。
本发明所述的一种屋面雨水自动流量监测及样品采集方法及其相应的装置，不需要对已有雨落管进行改装的前提下，对管内所集屋面雨水的流量进行测量，并根据时间或流量变化进行自动采样和流量监测。
附图说明
图1为本发明所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集装置的一优选实施例的结构示意图；
图2为图1所示实施例中真空泵5上的密封罩的结构示意图；
图3为图1所示实施例中采样瓶的结构示意图；
图4为图1所示实施例中采样区鱼鳞筛的结构示意图；
图1-图4中数字标记的含义是：
1雨落管连接口 2超声波流量计 3水平仪 4可调节支架 5真空泵
6采水管竖向提升马达 7电池组、数据处理系统 8太阳能板 9鱼鳞筛
51采样管 52真空抽吸口 53密封圈 93采样区。
具体实施方式
实施例1.1:一种屋面雨水自动流量监测及样品采集装置，如图1-图2所示，其包括横向流量测量管，该横向流量测量管连接主体部分，横向流量测量管连接于雨落管出口。所述横向流量测量管包括雨落管连接口1，该雨落管连接口1包括密封接口，该雨落管连接口1下游的横向流量测量管内设置感雨器、超声波流量计2和水平仪3，感雨器连接超声波流量计，并控制超声波流量计的开启和关闭。
所述横向流量测量管底部还设有可调节支架4，该可调节支架4支撑于横向流量测量管和地面之间，以确保横向流量测量管处于水平位置，便于测量。
所述横向流量测量管工作原理为:雨落管中液体通过接口进入到流量测量管，激发感雨器后启动超声波流量计2，超声波流量计2通过速度差法测量横向流量测量管内的流体流量。
本实施例中优选的是，所述主体部分包括能源供给系统、数据处理系统、样品采集系统、截污排放系统，该能源供给系统连接所述电池组、数据处理系统7、样品采集系统，并为数据处理系统、样品采集系统提供作业电源。
所述主体部分顶端设有太阳能板8作为能量来源，太阳能板8连接有电池组，将太阳能板转化后的电力储存在电池组中，等到感雨器激活时，电池组为所有作业装备提供能源。
所述数据处理系统连接样品采集系统，所述数据处理系统还连接管理终端，所述数据处理系统对采样过程进行记录并通过短消息将采样过程的记录数据发送给管理终端。主要记录内容为：1.以时间轴为序列的雨落管流量信息；2.同时间采样瓶序列号。并根据需要对样品采集系统的采样方式进行调整。提供电池组报警功能，当连续阴天后电池组所存储电量不足以完成采样工作时，对管理终端进行报警，提示使用外部电源充电或更换电池组。
所述样品采集系统包括真空泵5，该真空泵5还连接螺旋输送系统。
所述真空泵5主要包括配有密封圈53的罩体，该罩体内安装真空抽吸口52，向下运动压紧目标采样瓶口，通过真空泵5将采样瓶内空气抽出来采集雨水样品。所述密封罩体连接至一PVC材料制的弯管，该弯管首端连接至所述罩体顶端，该弯管的末端对接或覆盖采样区域；真空泵还连接采水管竖向提升马达6。
弯管末端设计为具有一定倾角的斜面，防止与底部紧密覆盖无法采样，且该斜面应侧向放置，避免正面放置积累杂物堵塞管口。真空抽吸装置将所述罩体内和采样瓶内的空气抽出后，使雨水经由弯管首端从所述罩体底部吸入弯管，进而进入采样瓶，从而完成采样。
所述螺旋输送系统包括至少三条轨道形成的U型槽螺旋轨道，所述轨道底部支撑采样瓶竖立，所述轨道两侧防止采样瓶侧翻。
所述轨道的材质选用金属。
在采样点段，所述轨道为水平方向，使采样瓶口能和密封罩紧密相接。在未开始采样时，所述U型槽螺旋轨道上半部分放置好空的采样瓶，所述U型槽轨道的下半部分为空，作为采样瓶收集部分。在采样开始时，可通过预先设定从第一个或者第二个采样瓶开始采样，从第二个采样瓶开始采样时，认为第一个采样瓶为空白样瓶。第一个采样瓶前有阻尼装置，防止采样瓶过快下滑导致碰撞。最后一个采样瓶后有推挤挡板，通过起动设置在轨道上的马达来向下推挤采样瓶至采样处，图3为采样瓶的一优选实施例的结构示意图。
所述截污排放系统分为引流挡板、截污装置、采样区域、排水出口。底板需要有一个较小倾角，例如不小于5度的倾角；使水流向出口排放。在降雨量较少的时段，为使采样量满足检验需要，设计引流挡板将较小流量雨水引导至采样区域；当降雨量较大时，多余流量可越过引流挡板直接排放。在水流经过采样区前，先通过截污滤网，将水流中夹杂的石头、树叶等杂物挡住，以免堵住采样口。截污滤网设计成尖角状，水流持续冲刷挡板可将杂物排出，避免杂物堆积导致水流不能通过采样区域。采样区域为采样管末端所在位置，在保证流量的前提下，应尽量减少杂物流经该区域。排水出口处可选配安装截污滤网并设置溢流口，或直接排放。
如图1、图2及图4所示，真空泵5的采样管92末端设有采样区鱼鳞筛91，该采样区的鱼鳞筛91包括至少两块带鱼鳞状镂空的筛片，该筛片底部连接于采样区93的上方，所述筛片的外表面朝向管道的进水端，所述筛片的内表面与所述采样区之间构成一个顶部带角度，底部带坡度的滤水汇流区，本实施例中，鱼鳞筛下游为开放式结构，采样管92的末端位于鱼鳞筛91和采样区93构成的汇流空间内。
本实施例中，鱼鳞筛91如鱼鳞一样排列在钢板两侧，鱼鳞状开口向外朝下，主要功能是在保证水流进入采样区的同时尽量阻止树叶、树枝、石子等固体杂质进入采样区后堵住采样口。鱼鳞筛的设计目的是通过水流的持续冲刷，这些被阻挡住的杂物被冲走，不会因为持续累积而造成堵塞水流进入采样区。
本实施例中，采样区由两侧向中间凹陷，尽量汇集水流到中间。采样时采样管92向下抵到采样区的中间凹陷处进行采样。采样管口有一定倾角，防止与采样区密合接触导致无法采样，倾角应朝向两侧避免正面面向水流时会有细颗粒杂物累积在正面。
作业时，将横向测量管连接口与雨落管出口连接，调节支架使水平仪保持平稳。当有液体流经安装在横向测量管底部的感雨器时，启动超声波流量计实时测量流经横管内的流体流量。同时取样管伸出吸取流经主体部分的流体进入采样瓶，由于可能夹杂树叶、泥沙等杂物，需要在取样入口部分进行粗筛，防止杂物堵塞取样管。流体通过取样处后由排放口排出。
PVC弯管末端连接玻璃罩，可对接覆盖采样瓶瓶口，真空泵将玻璃罩内和瓶内空气抽出后，使雨水吸上来完成采样。可有两种模式完成一瓶样品的采集，在降雨初期流量计检测到降雨强度较小，自动选用事先输入的固定时间段采样方案，如5,10,15分钟间隔等，每个时间段的样品分别放入一个采样瓶中，防止由于降雨量少导致不同时段的降水样品混杂在一个瓶内。当降雨量较大时，除了通过降雨时间间隔来控制采样瓶还可以通过激光水位计来按量采集。当一个采样瓶中样品量满足要求时，可以设定是继续换下一个采样瓶采集，还是停止采集直到下个一设置好的采样时间。
在完成采样后，取样管向上升起，玻璃罩与采样瓶脱离，通过推挤将下一个采样瓶移动到玻璃罩下方，以此循环。
取样管与一个玻璃罩相连接，玻璃罩与采样瓶密封后，通过真空泵将流体吸入采样瓶。使用激光水位计测量采样瓶内流体液位。设定两种采样模式，当测得雨水流量较大时，采样瓶尽量装满，当液位达到一定高度后，真空泵停止抽吸，玻璃罩向上脱离已满采样瓶，通过推挤将下一个空采样瓶移动到玻璃罩下方，以此循环。当降雨强度较小或不连续时，可采用固定时间段采样，通过计时器控制采样时长，将一段时间内样品放在一个采样瓶内。
实施例2.1：一种屋面雨水自动流量监测及样品采集方法，其包括：
步骤:1：在雨水采集装置中内嵌至少两种采样模式，即：固定时间段采样模式，或按雨水量采集模式；
步骤2：在降雨初期流量计检测到降雨强度较小，自动选用事先输入的固定时间段采样方案；
步骤3：当在完成采样后，取样管向上升起，罩体与采样瓶脱离，通过设置在最后一个采样瓶后的挡板推挤将下一个采样瓶移动到罩体下方。所述挡板设每个采样瓶采样结束后，均被推挤并由下一个采样瓶入位采样，直到设定好的采样瓶全部采样完毕。
实施例2.2：一种屋面雨水自动流量监测及样品采集方法，其包括：
步骤:1：在雨水采集装置中内嵌至少两种采样模式，即：固定时间段采样模式，或按雨水量采集模式；
步骤2：当降雨量较大时，除了通过降雨时间间隔来控制采样瓶还可以通过激光水位计来按量采集。
步骤3：当在完成采样后，取样管向上升起，罩体与采样瓶脱离，通过设置在最后一个采样瓶后的挡板推挤将下一个采样瓶移动到罩体下方。所述挡板设每个采样瓶采样结束后，均被推挤并由下一个采样瓶入位采样，直到设定好的采样瓶全部采样完毕。
上述实施例2.1-2.2中所述固定时间段采样模式间隔相等的时间段，并将每个时间段的样品分别放入一个采样瓶中，防止由于降雨量少导致不同时段的降水样品混杂在一个瓶内。
上述实施例2.1-2.2中所述按雨水量采集模式，是指，当一个采样瓶中的样品量满足要求时，设定继续换下一个采样瓶采集，或者停止采集直到下个一设置好的采样时间。
上述实施例2.1-2.2中所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集方法采用实施例1.1所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集装置。
上述实施例所述的一种屋面雨水自动流量监测及样品采集方法及其相应的装置，不需要对已有雨落管进行改装的前提下，对管内所集屋面雨水的流量进行测量，并根据时间或流量变化进行自动采样和流量监测。
上述实施例主要通过设置在主体部分顶端的太阳能电池板供电，第一次使用需要提前将电池组充满，防止太阳能板未充满电池组造成的测量、采样中断。
上述实施例设有数据处理和信息发送模块，可将降雨过程中收集的数据通过短消息发送到接收端，并提醒用户及时取样、清洁装置。
Claims (8)
1.一种屋面雨水自动流量监测及样品采集装置，其特征在于：包括横向流量测量管，该横向流量测量管连接主体部分，横向流量测量管连接于雨落管出口，所述主体部分包括能源供给系统、数据处理系统、样品采集系统、截污排放系统，该能源供给系统连接所述数据处理系统、样品采集系统，并为数据处理系统、样品采集系统提供作业电源，所述样品采集系统包括真空抽吸式采水器，该真空抽吸式采水器还连接螺旋输送系统；所述螺旋输送系统包括至少三条轨道形成的U型槽螺旋轨道，所述轨道底部支撑采样瓶竖立，所述轨道两侧防止采样瓶侧翻；
在采样点段，所述轨道为水平方向，使采样瓶口能和罩体紧密相接；在未开始采样时，所述U型槽螺旋轨道上半部分放置好空的采样瓶，所述U型槽螺旋轨道的下半部分为空，作为采样瓶收集部分；在采样开始时，预先设定从第一个或者第二个采样瓶开始采样，从第二个采样瓶开始采样时，认为第一个采样瓶为空白样瓶；第一个采样瓶前有阻尼装置，防止采样瓶过快下滑导致碰撞；最后一个采样瓶后有推挤挡板，通过启动设置在轨道上的马达来向下推挤采样瓶至采样处；
所述真空抽吸式采水器包括配有密封圈(53)的罩体，该罩体内安装真空抽吸口(52)，该真空抽吸口(52)向下运动压紧目标采样瓶口，通过真空泵(5)将采样瓶内空气抽出来采集雨水样品；
真空泵(5)的采样管(51)末端设有采样区鱼鳞筛(91)，该采样区的鱼鳞筛(91)包括至少两块带鱼鳞状镂空的筛片，该筛片底部连接于采样区(93)的上方，所述筛片的外表面朝向管道的进水端，所述筛片的内表面与所述采样区之间构成一个顶部带角度，底部带坡度的滤水汇流区，鱼鳞筛下游为开放式结构，采样管(51 )的末端位于鱼鳞筛(91)和采样区(93)构成的汇流空间内。
2.如权利要求1所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集装置，其特征在于：所述横向流量测量管包括雨落管连接口(1)，该雨落管连接口(1)下游的横向流量测量管内设置感雨器、超声波流量计(2)和水平仪(3)，感雨器连接超声波流量计(2)，并控制超声波流量计(2)的开启和关闭。
3.如权利要求1或2所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集装置，其特征在于：所述横向流量测量管底部还设有支架，该支架支撑于横向流量测量管和地面之间，以确保横向流量测量管处于水平位置，便于测量。
4.如权利要求3所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集装置，其特征在于：所述主体部分顶端设有太阳能板(8)作为能量来源，太阳能板(8)连接有电池组(7)，将太阳能板(8)转化后的电力储存在电池组中，待感雨器激活时电池组为所有作业装备提供能源。
5.如权利要求1或2或4所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集装置，其特征在于：所述数据处理系统连接样品采集系统，所述数据处理系统还连接管理终端，所述数据处理系统对采样过程进行记录并通过短消息将采样过程的记录数据发送给管理终端。
6.如权利要求5所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集装置，其特征在于：所述罩体连接至PVC材料制的采样管，该采样管首端连接至所述罩体顶端，该采样管的末端对接或覆盖采样区域。
7.如权利要求6所述的屋面雨水自动流量监测及样品采集装置，其特征在于：采样管末端设计为具有一定倾角的斜面，防止与底部紧密覆盖无法采样，且该斜面应侧向放置，避免正面放置积累杂物堵塞管口；真空抽吸装置将所述罩体内和采样瓶内的空气抽出后，使雨水经由采样管末端从所述罩体顶端吸入采样管，进而进入采样瓶，从而完成采样。
8.应用于权利要求1-7中任一项所述自动流量监测及样品采集装置的监测及样品采集方法，其特征在于，包括：
步骤S1，在雨水采集装置中内嵌至少两种采样模式，即：固定时间段采样模式，或按雨水量采集模式；
步骤S2，在降雨初期流量计检测到降雨强度较小，自动选用事先输入的固定时间段采样方案；
步骤S3，当降雨量较大时，除了通过降雨时间间隔来控制采样瓶还可以通过激光水位计来按量采集；
步骤S4，当在完成采样后，取样管向上升起，罩体与采样瓶脱离，通过设置在最后一个采样瓶后的挡板推挤将下一个采样瓶移动到罩体下方；所述挡板使每个采样瓶采样结束后，均被推挤并由下一个采样瓶入位采样，直到设定好的采样瓶全部采样完毕；
执行步骤S1、S2、S4或执行步骤S1、S3、S4。
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