CN113152586B - 一种基于在线水质监测的屋面雨水自动收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于在线水质监测的屋面雨水自动收集系统,包括水质在线监测装置，信号传递及控制装置和雨水收集装置。水质在线监测装置通过太阳能电池进行供电。信号传递及控制装置包括单片机及通过编程被其控制的二位三通电磁阀。雨水收集装置包括雨水管道及储水箱。在线监测装置监测雨水水质后将信号传输给控制系统，水质达到设定标准时，通过控制电磁阀的开闭，使雨水流入储水箱；水质未达到设定标准时，使雨水流入市政管网。本发明装置系统结构简单，绿色环保，成本低廉，提高了雨水利用的收集、利用效率，符合绿色建筑及海绵城市建设方针，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种基于在线水质监测的屋面雨水自动收集系统

技术领域

本发明涉及一种集水系统，具体涉及屋面雨水收集系统，能够对屋面径流水质在线监测并实现根据水质目标选择性收集雨水径流。水质监测、收集过程实现自动控制，无需人工操作。监测仪器所需电源由太阳能提供，无需外加电源。仅将水质达标的雨水收集起来,后续的处理更为简单，甚至无需处理，就可直接利用。

背景技术

随着全球性气候变化的影响，极端暴雨发生的频率越来越高，以及城市化进程中非渗透性路面的增多，使得大量雨水无法及时排除，引起城市内涝问题，妨碍了城市居民的正常生活及地方经济的发展。目前倡导的海绵城市建设中，屋面雨水回用技术也是重要的组成部分。另一方面，水资源匮乏的问题日益凸显出来，尤其在西北干旱地区，有很多地方面临水资源短缺的问题。

发达国家，包括德国、丹麦、日本和澳大利亚等都积极地发展了雨水收集利用系统，对于雨水的利用率普遍达到20%-30%，有些甚至达到40%-50%。相比于降落到地表的雨水径流，屋面径流更干净，因而德国和日本都建立了集中的屋顶雨水收集利用系统，回用水不处理，或经简单处理便可用于冲厕，浇灌，景观用水，地下水回灌等。我国北京，天津，上海，青岛，深圳等已经开展了雨水利用的相关研究和示范工程，但雨水利用率还不到10%，其余大部分城市的雨水利用率基本为零。

尽管屋面径流的水质较地表径流好，但是水质是否达标依然是影响屋面径流收集利用的核心问题。由于气相条件不同，降雨类型不同，屋面径流的水质随着区域和降雨类型的不同而不同。通常认为降雨初期，雨水径流中包含较高浓度的污染物，被定义为初期冲刷现象。显然初期弃流量主要取决于前期干天时间和降雨的大小，并非一成不变的。此外，在整个降雨的过程中，降雨径流的水质也是随着降雨的冲刷强度发生变化的，是不稳定的。因而，屋面径流水质变化范围大，目前无法进行预测，这是影响屋面雨水收集利用的主要因素之一。然而，现有的屋顶雨水收集净化系统忽视了上述问题，主要存在下述两方面的缺陷。

（1）未考虑对初期高浓度污染的屋面径流弃流，或对雨水径流收集时采用固定的弃流量。如申请号为201610982033.X，名称为“屋顶雨水收集存储回用系统”的专利，将雨水径流按其产生时间，分别存储于多个水箱中，未考虑高污染浓度的初期径流弃流，这必然增加雨水径流后续的处理、利用成本。又如申请号为201310317294.6，名称为“一种全自动屋顶雨水收集净化装置”的专利未考虑每场降雨的差异性，对初期2mm的雨水径流进行弃流。实际上，对于不同的降雨，初期2mm的降雨可能水质已经达标，也可能还未将屋顶沉积物冲刷干净。采用固定的弃流量，不利于雨水的高效收集利用。

（2）屋顶雨水收集净化系统复杂，成本过高。有些雨水收集净化装置采用传统的水处理工艺，如过滤，混凝，沉淀，消毒等。由于雨水径流的水质水量随着降雨而产生很大的变化，采用统一的处理工艺、参数，造成处理效率不高。此外，对雨水进行分散处理，大大的增加了处理成本。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是：提供一种基于雨水径流水质在线监测，对屋面雨水选择性收集，并且无需外加电源，过程自动控制、成本低廉、运行稳定可靠、适用范围广泛的装置。从而达到减少排入市政管网的雨水量，降低城市内涝的风险，高效利用雨水资源，缓解水资源匮乏的目的。

为了实现上述目的，本发明专利是这样实现的：降雨时，通过置于水样测定室内的浮子液位开关控制水质检测仪开始工作。以水质检测仪为传感器，测定的雨水径流的水质，传输给控制单元，控制单元将测定值与设定的标准值比较，如果水质达到设定标准，则控制二位三通电磁阀的开闭方式，使雨水径流流入雨水收集装置；如果水质未达到设定标准，则选择弃流，使雨水径流流入市政管网系统。

优选的所述的控制电路由两个电路构成。由数据接收端电路与数据执行端电路组成。所述的数据接收端电路由数据输出端口，单片机，电磁继电器以及若干导线构成；所述的数据执行端电路的部由电池继电器的，电源以及二位三通电磁阀组成的，将二位电磁继电器的输出端和三通电磁阀串联接入电源的两端，通过电路一来控制电路二的运行，从而间接的控制二位三通电磁阀的工作。

优选的所述单片机应为Arduino系列单片机。

优选的所述的水质监测仪为浊度仪。

本发明能达到的有益效果：本实用新型设计合理、监测质量高，利用单片机编程，处理数据速度快,时钟系统完善，工作性能高，功耗低，运行稳定可靠；针对目前屋面雨水收集利用中存在的水质不稳定问题，通过在线检测水质指标，实现仅收集利用达到水质标准的屋面雨水，而将未达标的雨水弃流；由于只收集了水质达标的径流，收集后的雨水不需处理就可直接利用，减少了处理环节，高效经济。通过加一个水质装置检测就可以实现雨水的收集，安装简单，工作稳定，成本低廉。自动控制过程，不需要增加额外人力投入的同时，缓解了城市内涝问题，开发了新的水资源，符合建设海绵城市的要求。本实用新型具有设计合理、结构简单、成本低廉、运行稳定可靠、净化效果好、监测质量高、使用寿命长、经济效益好、适用范围广泛的优点。本发明对雨水进行收集利用，在一定程度上，缓解了如今社会的两大热点问题——水资源匮乏问题和城市内涝问题，提高了人们利用现代科技服务社会的意识。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为一种基于水质在线监测的屋面雨水收集系统的结构示意图。

图2为一种基于水质在线监测的屋面雨水收集系统的控制单元示意图。

图中，1.连接屋顶的排水立管，2.水样测定室，3.溢流管，4.二位三通电磁阀，5.连接储水箱的雨水管，6.连接市政排水系统的雨水管，7.储水箱，8.电磁继电器，9.水质监测仪，10.监测探头，11.太阳能电池，12.数据传输线，13.控制单元,14.连接线路,15.指示灯,16.Arduino单片机，17.电磁继电器。

具体实施方式

下面将结合附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

在附图1、2中，一种基于水质在线监测的屋面雨水自动收集系统，包括水质在线监测装置，信号传递及控制装置和雨水收集装置。所述的水质在线监测装置包括水样测定室（2），位于（2）上的溢流管（3），水质监测仪（9），监测探头（10），浮子液位开关（11）太阳能电池（8）；所述的信号传递及控制装置包括数据传输线（12），控制单元（13），连接线路（14），二位三通电磁阀（4）；所述雨水收集装置包括连接屋顶的雨水管（1），连接储水箱的雨水管（5），连接市政排水系统的雨水管（6），储水箱（7）；所述的控制单元（13）包括Arduino单片机（16），电磁继电器（17）；一种基于水质在线监测的屋面雨水自动收集系统，电路的工作状态由指示灯（15）显示。

所述的雨水收集装置包括连接储水箱的雨水管5，首端连接二位三通电磁阀4对应的出口，终端连接储水箱7。所述的连接市政排水系统的雨水管6首端连接二位三通电磁阀对应的另一出口，终端通向市政雨水管网。所述的监测探头10设置在水样测定室2内。所述的浮子液位开关11设置在水样测定室2内。

降雨时，雨水径流经排水立管1进入水样测定室2，达到液位开关11的控制水位时，浊度仪9作为水质监测仪开始工作，如果排水立管1的水质指标浊度超过设定值5 NTU，单片机16会赋予某一IO口为高电频。从而促使电磁继电器17入口端有电流通过，电磁继电器17里的线圈有磁性，触发电磁阀电路的闭合，指示灯15变亮，二位三通电磁阀4开始工作，它的一端的阀门打开，另一端闭合，使超标雨水径流通过雨水管6排入市政管网；当浊度仪9检测到的排水立管1的浊度小于等于设定值5 NTU时，单片机16会赋予某一IO口为低电频。电磁继电器17入口端无电流通过，电磁继电器17里的线圈无磁性，电磁阀电路处于关闭状态，无电流状态的二位三通电磁阀4的另一端路通畅，阀门打开，雨水径流经雨水管5流入储水箱7收集，进一步简单处理或直接利用。降雨停止时，由于水样测定室中水的溢流和蒸发作用，液位下降，达不到液位开关的控制电位，水质检测仪停止工作。

Claims (6)

1.一种基于水质在线监测的屋面雨水自动收集系统，其特征在于：包括水质在线监测装置，信号传递及控制装置和雨水收集装置；所述的水质在线监测装置包括水样测定室（2），位于水样测定室（2）上的溢流管（3），水质监测仪（9），监测探头（10），浮子液位开关（11）和太阳能电池（8）；所述的信号传递及控制装置包括数据传输线（12），控制单元（13），连接线路（14），二位三通电磁阀（4）；所述雨水收集装置包括连接屋顶的排水立管（1），连接储水箱的雨水管（5），连接市政排水系统的雨水管（6），储水箱（7）；

所述水样测定室（2）连接屋顶的排水立管（1），其底部具有一定坡度，便于少量降雨快速积累一定深度，方便水样测定；所述水样测定室（2）连接溢流管（3），待测水样容积超出水样测定室（2）时，能够回流至连接屋顶的排水立管（1）；

所述的浮子液位开关（11）置于水样测定室（2），浮子控制液位高度略低于溢流管（3）底部高度；当水样达到浮子液位高度时，水质监测仪（9）开关打开，水质监测仪（9）开始工作；当雨停后，液位低于浮子液位高度时，水质监测仪（9）开关关闭，水质监测仪（9）停止工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于水质在线监测的屋面雨水自动收集系统，其特征在于：所述水质监测仪是浊度仪或pH计或电导率仪通过探头快速监测水质的仪器；水质参数、监测仪器根据后续雨水处理及利用方式选择。

3.根据权利要求1所述的一种基于水质在线监测的屋面雨水自动收集系统，其特征在于：电源由太阳能电池（8）提供，节能环保。

4.根据权利要求1所述的一种基于水质在线监测的屋面雨水自动收集系统，其特征在于：所述的控制单元（13）由单片机编程和电磁继电器共同实现，连接数据传输线，接收监测数据信号，并通过控制线路（14），控制二位三通电磁阀（4）的开闭方式；如果水质参数达到设定标准，则二位三通电磁阀（4）打开通往连接储水箱的雨水管（5）的阀门，关闭通往连接市政排水系统的雨水管（6）的阀门，如果水质参数未达到设定标准，则关闭通往连接储水箱的雨水管（5）的阀门，而打开通往连接市政排水系统的雨水管（6）的阀门。

5.根据权利要求4所述的一种基于水质在线监测的屋面雨水自动收集系统，其特征在于：所述的控制单元（13）的单片机为Arduino单片机，控制方式由Arduino单片机编程实现。

6.根据权利要求1所述的一种基于水质在线监测的屋面雨水自动收集系统，其特征在于：储水箱（7）连接后续雨水处理、利用系统。

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