CN113979558B - 一种城市河岸初期雨水收集容量确定方法及雨水收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种城市河岸初期雨水收集容量确定方法及雨水收集装置，属于雨水净化技术领域。方法包括：一、确定城市河道沿岸雨水排口总数N以及各排口所处的位置；二、获取各雨水排口处的地表径流曲线Qi(t)，以及各雨水排口处的污染物含量曲线Ci(t)；三、计算单场雨水收集池来水的污染物总负荷W(t)；四、根据海绵城市径流污染物削减率指标计算雨水收集池停止收集时间点c；五、构建雨水收集池容积模型，并计算雨水收集池总容积V。本发明科学利用污染物负荷累积规律确定雨水收集池容积，有助于提升初期雨水收集池收集池设计的合理性，进而进行雨水收集装置的设计，实现了对初期雨水污染物的有效拦截，达到海绵城市建设的径流污染削减率控制要求。

Description

一种城市河岸初期雨水收集容量确定方法及雨水收集装置
技术领域
本发明属于雨水净化技术领域，更具体地说，涉及一种城市河岸初期雨水收集容量确定方法及雨水收集装置。
背景技术
城市雨水径流所产生的面源污染是城市水质恶化的主要原因，设置初期雨水净化收集装置能够经济有效的解决雨水径流污染。
现有技术中，常用的城市降雨径流污染控制技术主要包括雨水花园、绿色屋顶、人工湿地、砂滤池、植草沟、旋流分离器、生态树池和初期雨水调蓄池等；其中，初期雨水调蓄池一般包括两种初期雨水处理方法，一是在低峰时段排放至污水管道并送至污水处理厂处理，由于增设管道会增加工程成本，且二次开发可能产生相应污染；二是建设雨水处理设施如细格栅、气浮池等对初期雨水进行净化处理。
由于城市用地规划相对固定，城市河道沿岸用地紧张，现有初期雨水污染控制治理措施存在工程投资较大、维护不便、占地较多以及等问题，且我国《室外排水设计规范》中适用于分流制的雨水调蓄池的计算公式采用经验公式计算规模，存在相应缺陷。
经检索，中国专利公开号：CN 112499907 A；公开日：2021年3月16日；公开了一种初期雨水原位净化系统及初期雨水净化方法；初期雨水原位净化系统包括改良式生态植草沟净化单元和河道梯形生态护坡净化单元；改良式生态植草沟净化单元为在植草沟内部设置生态渗滤池的改良式生态植草沟；河道梯形生态护坡净化单元为多层阶梯型的河道梯形生态护坡；通过生态渗滤池中的穿孔排水管，将净化后的雨水排放至河道梯形生态护坡净化单元；改良式生态植草沟净化单元和河道梯形生态护坡净化单元分别设置于河道河岸和河道护坡。该申请案的初期雨水原位净化系统及初期雨水净化方法，虽然能有效削减入河污染物浓度，节省治理成本，但是更适用于郊区、田边的河道，无法在城市河道有效适用。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种城市河岸初期雨水收集容量确定方法，包括如下步骤：
一、确定城市河道沿岸雨水排口总数N以及各排口所处的位置，N为大于1的整数，i为排水口编号，i值为区间[1，N]内的整数；
二、获取各雨水排口处的地表径流曲线Qi(t)，以及各雨水排口处的污染物含量曲线Ci(t)；
三、构建污染物累积模型，并计算单场雨水收集池来水的污染物总负荷W(t)，所述污染物累积模型为，
Figure SMS_1
其中，T为单场雨水总周期；
四、根据海绵城市径流污染物削减率指标计算雨水收集池停止收集时间点c；
五、构建雨水收集池容积模型，并计算雨水收集池总容积V，所述雨水收集池容积模型为，
Figure SMS_2
根据本发明实施例的城市河岸初期雨水收集容量确定方法，可选地，步骤四中，计算雨水收集池停止收集时间点c采用如下方法：
构建海绵城市径流污染物削减率指标与径流污染物累积占比的关系模型，
Figure SMS_3
其中，α(t)为海绵城市径流污染物削减率指标，Wc(t)为c时刻的径流污染物负荷；
根据海绵城市径流污染物削减率指标与径流污染物累积占比的关系模型解算出雨水收集池停止收集时间点c。
根据本发明的另一方面，提供了一种城市河岸初期雨水收集装置，包括：
雨水收集池，其与河道雨水排口连通，收集雨水排口排出雨水，雨水收集池总容积为V；
净化带，其一端与雨水收集池出口连通，净化带沿平行于河道水流方向布置，净化雨水收集池排出的雨水；
储水池，其与净化带另一端连通，储水池收集净化带另一端排出的雨水。
根据本发明的另一方面，提供了一种城市河岸初期雨水收集装置，可选地，所述净化带有若干个，依次连通布置于雨水收集池与储水池之间。
根据本发明的另一方面，提供了一种城市河岸初期雨水收集装置，可选地，各所述净化带按河道跌水分级布置。
根据本发明的另一方面，提供了一种城市河岸初期雨水收集装置，可选地，所述净化带沿平行于河道水流方向依次包括输水渠道一、过滤净化部及输水渠道二。
根据本发明的另一方面，提供了一种城市河岸初期雨水收集装置，可选地，所述过滤净化部包括：
过滤单元，其包括沿水流方向依次设置的粗砂层、细砂层及砾石层；
净化单元，其包括沿水流方向依次设置的沸石层、石灰石层、海绵铁层和火山岩层；
沿水流方向，所述净化单元布置于过滤单元之后。
根据本发明的另一方面，提供了一种城市河岸初期雨水收集装置，可选地，所述过滤单元中，粗砂层、细砂层及砾石层的体积比为3：2：3；
所述净化单元中，沸石层、石灰石层、海绵铁层和火山岩层的体积比为1：1：1：1。
根据本发明的另一方面，提供了一种城市河岸初期雨水收集装置，可选地，还包括补水单元，其包括：
进水管道，其一端与输水渠道二连通，另一端与河道连通，所述进水管道上设有止回阀，供水流单向输入至输水渠道二中；
出水管道，其一端与输水渠道二连通，另一端与河道连通，所述出水管道上设有止回阀，供水流单向输出至河道中。
根据本发明的另一方面，提供了一种城市河岸初期雨水收集装置，可选地，所述储水池中设有水质检测仪，检测储水池中的水质。
有益效果
相比于现有技术，本发明至少具备如下有益效果：
(1)本发明的城市河岸初期雨水收集容量确定方法，利用不同城市的海绵城市建设标准中径流总量控制率和污染削减率作为控制性指标，结合城市排水管网布置，模拟计算初期雨水的蓄排水量，能科学利用污染物负荷累积规律确定雨水收集池总容积V，实现了初期雨水污染物的有效拦截，同时尽可能的减少设计空间的消耗，避免由于设计误差造成的人力、物料和财力的浪费；
(2)本发明的城市河岸初期雨水收集装置，通过雨水收集池+净化带+储水池的结构设计，能过滤净化收集的初期雨水，削减初期雨水中的污染物浓度，提升水质，且净化带沿平行于河道水流方向布置，有效利用了河道岸坡距道路的有限空间；
(3)本发明的城市河岸初期雨水收集装置，能够按河道跌水分级布设净化带，有效适用于具有一定河道比降的城市河道沿岸；
(4)本发明的城市河岸初期雨水收集装置，净化带多级布置，对初期雨水进行多级净化处理，有效提高净化率；
(5)本发明的城市河岸初期雨水收集装置，还设置有补水单元，使净化带的输水渠道与河道间能相互补水，高效利用河道多余水量，确保旱期市政用水保证率完成指标，同时能够有效缓建雨季净化带处理负荷过大的问题；
(6)本发明的城市河岸初期雨水收集装置，对于各输水渠道中的水流及储水池中的存水，根据水质及相关指标进行相应用途的再利用，实现了对初期雨水的分质合理利用；
(7)本发明通过城市河岸初期雨水收集容量确定方法，科学利用污染物负荷累积规律确定雨水收集池容积，有助于提升初期雨水收集池设计的合理性，进而进行雨水收集装置的设计，实现了对初期雨水污染物的有效拦截，达到海绵城市建设的径流污染削减率控制要求，在雨水收集装置布置时，利用河道岸坡距道路的有限空间，且过滤净化部的设计均采用天然物料，避免开发产生污染，同时节约工程成本，装置还能根据各级净化带中的雨水污染程度进行分质处理利用，有效解决区域雨水回用问题，既削减城市雨水的污染负荷，又提高雨水资源的利用率，同时还能利于提升河道水质等级。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1示出了本发明的城市河岸初期雨水收集装置示意图；
图2示出了实施例5的城市河岸初期雨水收集装置示意图；
图3示出了实施例4的过滤净化部示意图；
图4示出了本发明的城市河岸初期雨水收集装置的一种布置方式示意图；
图5示出了本发明的城市河岸初期雨水收集装置的另一种布置方式示意图；
图6示出了实施例1中获取Qi(t)与Ci(t)曲线的一种方式流程试图；
附图标记：
1、雨水收集池；
2、净化带；20、输水渠道一；21、过滤净化部；210、过滤单元；2100、粗砂层；2101、细砂层；2102、砾石层；211、净化单元；2110、沸石层；2111、石灰石层；2112、海绵铁层；2113、火山岩层；22、输水渠道二；
3、储水池；
4、补水单元；40、进水管道；41、出水管道。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一”、“二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
实施例1
本实施例的城市河岸初期雨水收集容量确定方法，包括如下步骤：
一、确定城市河道沿岸雨水排口总数N以及各排口所处的位置，N为大于1的整数，i为排水口编号，i值为区间[1，N]内的整数；
二、获取各雨水排口处的地表径流曲线Qi(t)，以及各雨水排口处的污染物含量曲线Ci(t)；
三、构建污染物累积模型，并计算单场雨水收集池来水的污染物总负荷W(t)，所述污染物累积模型为，
Figure SMS_4
其中，T为单场雨水总周期；
四、根据海绵城市径流污染物削减率指标计算雨水收集池停止收集时间点c，具体操作为：
构建海绵城市径流污染物削减率指标与径流污染物累积占比的关系模型，
Figure SMS_5
其中，α(t)为海绵城市径流污染物削减率指标，Wc(t)为c时刻的径流污染物负荷；
根据海绵城市径流污染物削减率指标与径流污染物累积占比的关系模型解算出雨水收集池停止收集时间点c；
五、构建雨水收集池容积模型，并计算雨水收集池总容积V，所述雨水收集池容积模型为，
Figure SMS_6
进一步地，本实施例步骤二中，各雨水排口处的地表径流曲线Qi(t)，以及各雨水排口处的污染物含量曲线Ci(t)有多种获取方法，
如，采取人工测量确认，如人工测量目标河道各雨水排口处一场或多场降雨周期内地表径流量随时间的变化，以及污染物含量随时间的变化，从而得出地表径流量Qi与时间t的关系曲线，污染物含量Ci与时间t的关系曲线；
又如，可以通过建立城市面源污染负荷模型，根据软件模拟结果提取Qi(t)及Ci(t)曲线，更具体地说，如图6所示，通过采集目标河道区域参数，建立SWMM模型，进而对目标河道降雨径流面源污染进行精确的模拟预测，从而得出地表径流量Qi与时间t的关系曲线，污染物含量Ci与时间t的关系曲线。
进一步地，本实施例步骤四中，通过查阅海绵城市建设中径流污染物削减率，以其中代表性的径流污染物(如SS)为标准，并定义当污染物负荷占比率等同标准削减率时对应的初期径流为初期雨水，构建关系模型，在α(t)、W(t)已知的情况下，计算出达到目标污染物负荷占比率对应的时间点，即为雨水收集池停止收集时间点c。
最终，根据河道沿河实际可利用空间、收集池收集标准、雨水排口的出流过程和排口数量，根据不同污染物削减率与污染物总削减量之间的数学关系，根据雨水收集池停止收集时间点c，结合各雨水收集池截污率与径流累积量之间的关系，计算得到雨水收集池容积V，完成雨水收集池容积的设计规划。
本实施例的城市河岸初期雨水收集容量确定方法，利用不同城市的海绵城市建设标准中径流总量控制率和污染削减率作为控制性指标，结合城市排水管网布置，模拟计算初期雨水的蓄排水量，能科学利用污染物负荷累积规律确定雨水收集池总容积V，实现了初期雨水污染物的有效拦截，同时尽可能的减少设计空间的消耗，避免由于设计误差造成的人力、物料和财力的浪费。
实施例2
本实施例的城市河岸初期雨水收集装置，包括：
雨水收集池1，其与河道雨水排口连通，收集雨水排口排出雨水，雨水收集池1总容积为V；
净化带2，其一端与雨水收集池1出口连通，净化带2沿平行于河道水流方向布置，净化雨水收集池1排出的雨水；
储水池3，其与净化带2另一端连通，储水池3收集净化带2另一端排出的雨水。
本实施例的雨水收集池1与河道各雨水排口连通，且根据实施例1的城市河岸初期雨水收集容量确定方法进行总容积V的设定；进一步地，本实施例设计有净化带2，雨水收集池1中的雨水流经净化带2，被过滤净化，削减初期雨水中的污染物浓度，提升了水质，最终流入储水池3储存净化后的雨水，并根据水质及需求进行雨水的再利用；本实施例中净化带2沿平行于河道水流方向布置，有效利用了河道岸坡距道路的有限空间。
进一步地，所述净化带2有若干个，依次连通布置于雨水收集池1与储水池3之间，如图1所示，通过设置多个净化带2，对初期雨水进行多级净化处理，有效提高净化率。
实施例3
本实施例的城市河岸初期雨水收集装置，在实施例2的基础上做进一步改进，各所述净化带2按河道跌水分级布置。
本实施例的城市河岸初期雨水收集装置，适用于具有一定河道比降的城市河道沿岸，利用城市人工河道岸坡有限空间按河道跌水分级布设净化带2，净化带2中水流方向同河道水流方向，如图1所示。
实施例4
本实施例的城市河岸初期雨水收集装置，在实施例2和3的基础上做进一步改进，所述净化带2沿平行于河道水流方向依次包括输水渠道一20、过滤净化部21及输水渠道二22。
进一步地，所述过滤净化部21包括：
过滤单元210，其包括沿水流方向依次设置的粗砂层2100、细砂层2101及砾石层2102；
净化单元211，其包括沿水流方向依次设置的沸石层2110、石灰石层2111、海绵铁层2112和火山岩层2113；
沿水流方向，所述净化单元211布置于过滤单元210之后。
如图1所示，初期雨水依次经过输水渠道以20、过滤单元210、净化单元211及输水渠道二22，过滤单元210截留雨水中的部分悬浮物质，并初步削减雨水污染物浓度，然后经净化单元211对雨水进行净化，通过截留、生化反应，进一步削减雨水污染物浓度。
进一步地，如图3所示，过滤单元210中，粗砂层2100、细砂层2101及砾石层2102的体积比为3：2：3，且粗砂与细砂以表1中的粒径分布，能有效提高过滤效果；
表1、滤料粒径分布表
Figure SMS_7
如图3所示，净化单元211中，沸石层2110、石灰石层2111、海绵铁层2112和火山岩层2113的体积比为1：1：1：1，且填料粒径为5～10mm，填充后填料的空隙率为40％～45％，能有效提高净化效果。
实施例5
本实施例的城市河岸初期雨水收集装置，在实施例2～4的基础上做进一步改进，还包括补水单元4，其包括：
进水管道40，其一端与输水渠道二22连通，另一端与河道连通，所述进水管道40上设有止回阀，供水流单向输入至输水渠道二22中；
出水管道41，其一端与输水渠道二22连通，另一端与河道连通，所述出水管道41上设有止回阀，供水流单向输出至河道中。
如图2所示，本实施例设置补水单元4，其中进水管道40用于将河道水补充输入至净化带2中，出水管道41用于将净化带2水补充输出至河道中，并通过在各管道内设置止回阀确保对应管道内的水流为单向水流，不会回流。
进一步地，本实施例中，河道与输水渠道二22直接连通，对于处理负荷较大的雨季，当河道水位上升至进水管道40被淹没时，河道水流向输水渠道二22补水，当干旱季节河道水位降低时，输水渠道二22水流向河道补水，通过补水单元4相互补水，高效利用河道多余水量，确保旱期市政用水保证率完成指标，同时能够有效缓建雨季净化带处理负荷过大的问题。
实施例6
本实施例的城市河岸初期雨水收集装置，在实施例2～5的基础上做进一步改进，所述储水池3中设有水质检测仪，检测储水池3中的水质。
通过在储水池3设置水质检测仪，监测储水池3中的水质，参照《城市污水再生利用-城市杂用用水水质》(GB/T18920-2020)及《城市污水再生利用-景观环境水水质》(GB/T18921-2019)中的相关指标，确定储水池3中存水的用途，包括但不仅限于河道补水、景观补水、城市绿化用水、道路清扫用水等。
进一步地，本实施例在各输水渠道上还连通有回水管路，图中未示出，回水管路能根据各级净化带中输水渠道的水质情况，在水质达到不同的可利用标准时，通过回水管路将部分输水渠道的部分水量进行合理利用，实现初期雨水多级分质合理利用，同时配合补水单元4，保障了装置末端储水池3的水量处于合理容量范围，河道水体也可通过净化带净化后经补水单元4流回河道，从而提升河道水质等级。
需要注意的是，输水渠道中的水质等级大于相接河段的水质等级。
本实施例的城市河岸初期雨水收集装置，采用雨水收集池1、净化带2及储水池3的合理配置，对城市地块雨水排口排放雨水进行收集，且运用城市降雨面源模型计算不同降雨设计条件下城市雨洪过程及污染输出规律，通过水文情势和面源产生机制，定义初期雨水标准，然后确定雨水收集池1的有效容积，并利用城市道路至河道间的岸坡有限空间合理布设，装置根据河-岸高程沿岸布设，依靠重力自流辅以水泵等设备，实现装置内水流沿装置布设方向流动，在水流方向沿程按阶梯形式布设净化带2，雨水依次流过净化带2中各处理层，有效削减雨水中的大部分污染指标；每级净化带2中的过滤净化2部21后的输水渠道二22配置铁质管路与河道相连，构建河道与输水渠道二22的连接通道，并设置止回阀控制连接通过的水流方向，建立净化带2与河道的双向连通模式，实现分质供水，水质再净化的设计目的；进一步地，初期雨水污染物削减率与过滤净化部21配置物料有关，本实施例通过合理配置物料种类及物料级配，提高径流污染物削减率，并对处理后低浓度雨水配合综合利用工程，有利于构建河道高效用水、分质净水的生态修复体系。
实施例7
本实施例提供一种城市河岸初期雨水收集方法，步骤如下：
一、首先，根据实施例1的城市河岸初期雨水收集容量确定方法，确定目标城市河道沿岸设置的雨水收集池1的总容积V；
二、然后进行雨水收集装置的设置，在设置雨水收集池1时，有两种设置方案：
一种设置方案如图4所示，建立多个雨水排口的连接通道，将雨水输送至设置于上游的单一雨水收集池1中，通过共一套雨水收集装置进行初期雨水的收集处理；
另一种设置方案如图5所示，针对每处雨水排口，分别设置一套雨水收集装置，各雨水收集池1的容积总和为V；
净化带2的设置平行与河道水流方向，且分级分段铺设，对于具有一定河道比降的城市河道沿岸，按河道跌水分级布设净化带2；
三、对于降水量较大的雨季，河道水位上升至进水管道40被淹没时，河道水流向输水渠道二22补水；
对于干旱季节，河道水位降低时，输水渠道二22水流向河道补水；
同时，雨水收集过程中，根据各输水渠道内的水质，进行相应用途的利用。
通过本实施例的城市河岸初期雨水收集方法，能对城市河岸初期雨水进行有效收集，并能实现对水体的分级处理、分级利用，丰枯互济。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种城市河岸初期雨水收集装置，其特征在于，包括：
雨水收集池，其与河道雨水排口连通，收集雨水排口排出雨水，雨水收集池总容积为V；
净化带，其一端与雨水收集池出口连通，净化带沿平行于河道水流方向布置，净化雨水收集池排出的雨水；
储水池，其与净化带另一端连通，储水池收集净化带另一端排出的雨水；
雨水收集容量确定方法，包括如下步骤：
一、确定城市河道沿岸雨水排口总数N以及各排口所处的位置，N为大于1的整数，i为排水口编号，i值为区间[1，N]内的整数；
二、获取各雨水排口处的地表径流曲线Qi (t)，以及各雨水排口处的污染物含量曲线Ci(t)；
三、构建污染物累积模型，并计算单场雨水收集池来水的污染物总负荷W(t)，所述污染物累积模型为，
Figure QLYQS_1
；
其中，T为单场雨水总周期；
四、根据海绵城市径流污染物削减率指标计算雨水收集池停止收集时间点c；
五、构建雨水收集池容积模型，并计算雨水收集池总容积V，所述雨水收集池容积模型为，
Figure QLYQS_2
；
步骤四中，计算雨水收集池停止收集时间点c采用如下方法：
构建海绵城市径流污染物削减率指标与径流污染物累积占比的关系模型，
Figure QLYQS_3
；
其中，α(t)为海绵城市径流污染物削减率指标，Wc(t)为c时刻的径流污染物负荷；
根据海绵城市径流污染物削减率指标与径流污染物累积占比的关系模型解算出雨水收集池停止收集时间点c；
所述净化带有若干个，依次连通布置于雨水收集池与储水池之间；
各所述净化带按河道跌水分级布置；
所述净化带沿平行于河道水流方向依次包括输水渠道一、过滤净化部及输水渠道二；
还包括补水单元，其包括：
进水管道，其一端与输水渠道二连通，另一端与河道连通，所述进水管道上设有止回阀，供水流单向输入至输水渠道二中；
出水管道，其一端与输水渠道二连通，另一端与河道连通，所述出水管道上设有止回阀，供水流单向输出至河道中。
2.根据权利要求1所述的一种城市河岸初期雨水收集装置，其特征在于，所述过滤净化部包括：
过滤单元，其包括沿水流方向依次设置的粗砂层、细砂层及砾石层；
净化单元，其包括沿水流方向依次设置的沸石层、石灰石层、海绵铁层和火山岩层；
沿水流方向，所述净化单元布置于过滤单元之后。
3.根据权利要求2所述的一种城市河岸初期雨水收集装置，其特征在于：
所述过滤单元中，粗砂层、细砂层及砾石层的体积比为3：2：3；
所述净化单元中，沸石层、石灰石层、海绵铁层和火山岩层的体积比为1：1：1：1。
4.根据权利要求1所述的一种城市河岸初期雨水收集装置，其特征在于：所述储水池中设有水质检测仪，检测储水池中的水质。
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