CN209523270U - 基于污染物实时监测的黄土高原地区公路雨水处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于污染物实时监测的黄土高原地区公路雨水处理系统，在高速公路边坡的坡体内设置若干根坡面雨水收集管，每根坡面雨水收集管的下端口与雨水导流管相连通；在高速公路边坡的坡体下设置污染物预处理器区；污染物预处理器区内还设置有若干根积水收集管，每根积水收集管的下端口与雨水导流管相连通；在砾石层和防渗漏层之间还设置有渗流收集管，在渗流收集管的管体上侧面设置有若干个用于收集渗流雨水的渗流孔；所述渗流收集管与蓄水池相连通；在蓄水池内设置有污染物实时监测子系统。本实用新型具有如下优点：能实现雨水快速排放与收集；能够对雨水中含有的有害物质进行预处理；并且能够对雨水中含有的有害物质进行实时监测。

Description

基于污染物实时监测的黄土高原地区公路雨水处理系统

技术领域

本实用新型涉及一种高速公路雨水资源化利用系统，具体是一种适用于能够对的高速公路雨水资源化利用系统。

背景技术

目前，对绿色高速公路的建设研究，通常从设计、施工、管理等方面对如何降低能源消耗、减小碳排放以及改善环境效益等方面着手，而雨水处理问题一直作为建设绿色高速公路重点，具体的，在对高速公路雨水的处理方面，“海绵型城市”是一个当前比较流行的模式和发展方向。

海绵型城市具有改善城市生态系统功能和抵御城市洪涝灾害的特性，以“慢排缓释”和“源头分散”规划设计理念，将城市变为一块具有应对自然环境变化的良好“弹性”的“海绵”，对雨水实现自然积存、自然渗透、自然净化，需要时将存储的水释放并加以利用。海绵城市理念具体应用到高速公路上，基本可以分为人渗、调蓄排放、收集回用3大环节。在入渗环节常见的措施有：1)路面处理：铺装透水材料形成透水路面，以利入渗，例如常见的透水路面为多孔沥青层，由于透水性沥青路面可减少地面70％～80％的径流量，加之设置简单的路侧排水沟即可满足排水要求；(2)渗透边沟处理：排水边沟内种植植物，通过植物和基层的吸附作用吸收雨水，缓解下游压力。

但是，在北方地区由于冬季严寒，存在冻胀问题，采用透水路面，虽然符合海绵城市“慢排缓释”的理念，但是也势必造成冬季雨水渗入地基，并且渗入雨水也无法实现快速排放，久而久之会对路面甚至边坡基础产生影响，无法保证高速公路的安全。

特别是，我们注意到我国北方还存在大量的干旱少雨区域，比如黄土高原属干旱和半干旱气候，黄土高原位于黄河流域中上游和海河流域上游地区。黄土高原气候干旱，地表植被覆盖差，土质疏松，流水侵蚀强烈，除少数残留的黄土塬相对完整，其余大部分地区已被切割成为破碎的梁峁丘陵，黄土高原西部和北部邻近大陆性干旱气候区，受沙漠化的严重威胁，而其它地区水土流失又极为严重。

暴雨是黄土高原最严重的自然灾害之一，是造成黄土高原严重水土流失和黄河产沙的最主要因素，一次暴雨或大暴雨引起的侵蚀量占年总量的60％甚至 90％以上，暴雨往往引发山体滑坡、坍塌等地质灾害，暴洪造成巨大损失。据统计，1960-2000年间黄土高原地区平均每年出现约26站次暴雨。黄土高原地区雨量虽少但多以暴雨形式降落，并且呈现暴雨多、强度大的特点，加之土壤疏松、植被稀少，水土流失严重，暴雨及其径流与所形成的洪水往往毁坏农田及其它工程设施，造成严重的水土流失。因此，黄土高于地区的道路雨水资源化利用设施对水利、铁路、公路及城建等方面的工程设计有重要的实用价值。

此外，高速公路路面雨水径流污染物众多，来源分散，不易管控，例如常见的北方地区高速公路还存在冬季融雪剂污染的问题，传统的廉价融雪剂是以氯盐为主要成分的无机融雪剂，使用传统融雪剂后，融化的雪水中含有大量盐分，对植被土壤伤害较大。直接将路面雨水径流不经任何处理排入土壤或引至自然水体，均会污染土壤和水体。

并且，值得注意的是，高速公路路面雨水在不同季节、不同气候、甚至一天内不同时段内雨水内的污染物组成以及污染程度均不同，因此有必要在对收集的雨水进行实时的监测与分类处理。例如高速公路路面雨水径流的污染物质量浓度随降雨历时和强度的不同而变化：对于降雨量大、初期降雨强度大的降雨事件，初期径流污染物质量浓度较高，而后污染物质量浓度随降雨历时的延续逐渐降低，后期质量浓度相对较低；而对于降雨量小、平均降雨强度小的降雨事件，由于初期对污染物的冲刷不彻底，污染物质量浓度没有明显减低的趋势。

因此如果将不同时段的雨水统统收集到一个蓄水池内，则造成分类利用上的不便：有的污染度低的雨水适用于储存后用于浇灌；有的污染度高，并且污染物难以被植物吸收处理并且会污染土壤的雨水只适用于服务区道路清扫、消防、冲厕、车辆冲洗等方面。

综上所述，必须对高速公路路面雨水进行有效管控引导，既要快速排放，防止水土严重流失，保护农田及公共工程设施不被暴雨损毁，也要防止其含有的有害物质不经处理直接进入土壤和自然水体，对于收集得到的雨水还应该视其有害成分及程度进行分类利用。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：提供一种能实现雨水快速排放、有效收集，防止暴雨造成严重的水土流失；并且能够对雨水有害物质进行实时监测，能够进行实时分类存储，进而能够实现对于收集得到的雨水进行分类利用的适用于黄土高原地区的高速公路雨水资源化利用系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。

基于污染物实时监测的黄土高原地区公路雨水处理系统，其特征在于：高速公路路面铺装采用非透水材料，高速公路边坡的坡体表面铺装采用非透水材料；所述边坡的坡体表面呈梯坎状，在高速公路边坡的坡体内设置若干根坡面雨水收集管，所述坡面雨水收集管的设置方向与高速公路路面方向相垂直；每根坡面雨水收集管的上端口不高于边坡的坡体表面，每根坡面雨水收集管的下端口与雨水导流管相连通；所述雨水导流管的设置方向与高速公路路面方向相平行；

在高速公路边坡的坡体下设置污染物预处理器区，所述污染物预处理器区自上而下依次设置有：种植用土壤层、细沙层、砾石层和防渗漏层；所述种植用土壤层上栽种有用于吸收污染物的植物；

所述污染物预处理器区内还设置有若干根积水收集管，所述积水收集管的设置方向与地面方向相垂直；每根积水收集管的上端口不低于所述种植用土壤层的上表面；每根积水收集管的下端口与雨水导流管相连通；

在所述砾石层和防渗漏层之间还设置有渗流收集管，所述渗流收集管设置方向与地面方向平行，在所述渗流收集管的管体上侧面设置有若干个用于收集渗流雨水的渗流孔；所述渗流收集管与蓄水池相连通；

所述雨水导流管还与蓄水池相连通，蓄水池内设置有水泵，水泵通过喷淋管道与设置在地表的喷淋头相连接，所述喷淋管道上设置有电磁阀；

在蓄水池内设置有污染物实时监测子系统，所述污染物监测子系统包括：微处理器、污染物监测传感器模块、水位传感器和GPRS模块；所述水位传感器通过UART转CAN模块与微处理器连接；所述GPRS模块和微处理器电连接；所述污染物监测传感器模块主要由电导率传感器、pH值检测传感器、浊度传感器和叶绿素传感器组成；所述污染物监测传感器模块中的各个传感器与微处理器电连接；所述种植用土壤层上还设置有雨量传感器，雨量传感器与微处理器电连接；

所述雨水导流管还与备用蓄水池相连接，雨水导流管和备用蓄水池之间设置有电磁阀；所述蓄水池与备用蓄水池相连通，蓄水池与备用蓄水池之间设置有电磁阀；

所述蓄水池还分别与第1、2、3…N分类蓄水池相连通；蓄水池与第1、2、 3…N分类蓄水池之间均设置有电磁阀；

各个电磁阀均受微处理器控制。

进一步的：所述蓄水池还通过输水管向高速公路服务区供水，所述输水管上设置有电磁阀。

所述高速公路路面下铺设有土工织物，所述边坡的表面下铺设有土工织物。

所述积水收集管的上端口设置有过滤罩，所述坡面雨水收集管的上端口均设置有过滤网。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型中，高速公路路面采用非透水材料铺装并且在高速公路边坡内设置若干根雨水收集管，雨水收集管的设置方向与高速公路路面方向相垂直，因此当雨水水流流经边坡时便能被密集设置的雨水收集管所收集，并通过雨水导流管进入蓄水池，蓄水池内收集的雨水可以用于旱季绿地的喷淋灌溉，也可以用于高速公路服务区的各类清洗用途。综上，本实用新型避免了雨水渗入高速公路路基，防止北方寒冷天气下，过度渗入导致的路基冻胀问题导致的路基损坏，在保证公路安全的前提下有效进行雨水收集和资源化再利用。

(2)本实用新型中，高速公路边坡的坡体表面铺装采用非透水材料，并且边坡的坡体表面呈梯坎状，减缓了雨水径流的水流速度，使得坡面雨水收集管的雨水收集功能得到提高，大量的雨水能够被最终收集至蓄水池。

(3)高速公路路面雨水径流污染物众多，来源分散.不易管控，本实用新型采用设置在高速公路边坡坡体内的收集管道将雨水收集至蓄水池，当雨量较大的情况下，坡体内收集管道无法全部收集的雨水将进入设置在高速公路边坡的坡体下的污染物预处理器区，污染物预处理器实质上一个绿地，但该绿地集成了雨水污染物部分吸收、地表积水收集、渗流进入地表以下雨水再收集以及防止污染化雨水进入原土土壤及自然水流的功能，因此本实用新型还具有能够多层面吸收、收集污染化雨水的优点。

(4)本实用新型的蓄水池内设置有污染物综合监测模块，可以对所收集的雨水的污染物情况进行检测，根据污染物种类、污染程度等因素对收集雨水进行分类再利用，因此本实用新型还具有雨水资源化利用安全、高效的优点，为科学利用回收雨水提供新的模式。

(5)本实用新型增设多个分类蓄水池，不同分类蓄水池收集不同污染度 (或者污染物)的雨水，实时的分类存储使得分类利用具有更高的效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构图；

图中：1-坡面雨水收集管；2-雨水导流管；3-蓄水池；4-水泵；5-喷淋管道；6-喷淋头；7-污染物实时监测子系统；8-污染物预处理器区；81-种植用土壤层；82-细沙层；83-砾石层；84-防渗漏层；9-渗流收集管；91-渗流孔；10- 积水收集管；11-备用蓄水池。

图2为本实用新型污染物实时监测子系统电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，基于污染物实时监测的黄土高原地区公路雨水处理系统，主要包括雨水收集子系统和污染物实时监测子系统(系统电路结构示意图如图2所示)。

一、雨水收集子系统

主要实现雨水快速排放与收集，具体设计如下：

高速公路路面铺装采用非透水材料，高速公路边坡的坡体表面铺装采用非透水材料；边坡的坡体表面呈梯坎状，在高速公路边坡的坡体内设置若干根坡面雨水收集管1，坡面雨水收集管1的设置方向与高速公路路面方向相垂直；每根坡面雨水收集管1的上端口不高于边坡的坡体表面，每根坡面雨水收集管1的下端口与雨水导流管2相连通；雨水导流管2的设置方向与高速公路路面方向相平行；

在高速公路边坡的坡体下设置污染物预处理器区8，污染物预处理器区8 自上而下依次设置有：种植用土壤层81、细沙层82、砾石层83和防渗漏层 84；种植土壤层81上栽种有用于吸收污染物的植物；

污染物预处理器区8内还设置有若干根积水收集管10，积水收集管9的设置方向与地面方向相垂直；每根积水收集管10的上端口不低于种植用土壤层81的上表面；每根积水收集管10的下端口与雨水导流管2相连通；

在砾石层83和防渗漏层84之间还设置有渗流收集管9，渗流收集管9设置方向与地面方向平行，在渗流收集管9的管体上侧面设置有若干个用于收集渗流雨水的渗流孔91；所述渗流收集管9与蓄水池3相连通；

雨水导流管2还与蓄水池3相连通，蓄水池3内设置有水泵4，水泵4通过喷淋管道5与设置在地表的喷淋头6相连接，喷淋管道5上设置有电磁阀；

蓄水池3还通过输水管向高速公路服务区供水，输水管上设置有电磁阀。

此外，作为辅助设施，本实用新型在高速公路路面下铺设有土工织物，在边坡的表面下铺设有土工织物(防止微量渗漏)。在积水收集管10的上端口设置有过滤罩，在坡面雨水收集管1的上端口均设置有过滤网(防止渣土堵塞管道)。

雨水收集子系统实现雨水快速排放与收集的主要工作原理阐述如下：

由于高速公路路面铺装和坡的坡体表面铺装均采用非透水材料，因此雨水不会渗漏进入路基，这一是便于雨水的收集，二是为了防止雨水渗入路基后对路基产生损坏(例如背景技术部分提到的北方寒冷天气下，过度渗入导致的路基冻胀问题导致的路基损坏)。边坡的坡体表面呈梯坎状则减缓了雨水在边坡上的流动速度(相比平面的边坡，雨水在梯坎状的边坡表面停留时间延长)便于雨水被坡面雨水收集管所收集，雨水被坡面雨水收集管收集后流入雨水导流管，随后进入蓄水池。从上述过程可以看出雨水将难以进入公路路基，从而避免了损坏路基的情况发生，并且部分雨水也得到了收集。

雨水流经高速公路边坡后，在雨量比较大的情况下尚有部分雨水难以被设置在边坡内部的坡面雨水收集管所收集，这部分雨水将流入设置在边坡坡体下方的污染物预处理器区，雨水依次通过污染物预处理区的种植用土壤层、细沙层和砾石层后污染物和杂质均可以得到一定程度的吸附和过滤，到达砾石层的雨水则将被渗流收集管所收集(渗流收集管的管体上侧面设置有若干个用于收集渗流雨水的渗流孔)，从而进入蓄水池。当然为了提高水处理效率，这部分经由污染物预处理器区处理过后的雨水污染程度必然降低，因此可以引流入一个单独的蓄水池，便于分类利用。

当雨量较大时，雨水必然会在污染物预处理区内蓄积难以实现有效及时排放造成污染物预处理区内涝，为解决这一问题，本实用新型在污染物预处理器区内还设置有若干根积水收集管，积水收集管的设置方向与地面方向相垂直；每根积水收集管的上端口不低于种植用土壤层的上表面，因此在出现积水时则可实现有效排放收集。可见在本实用新型中，雨水收集子系统是一个实现雨水排放与收集的基础设施。

二、污染物实时监测子系统

污染物实时监测子系统7主要用于对雨水中含有的有害物质进行实时监测，进而能够实现对于收集得到的雨水进行分类利用。该子系统是本实用新型进一步提升雨水收集处理效率和效果的的智能化设施。

在蓄水池3内设置有污染物实时监测子系统7，污染物监测子系统包括：微处理器、污染物监测传感器模块、水位传感器和GPRS模块；水位传感器通过UART转CAN模块与微处理器连接；GPRS模块和微处理器电连接；污染物监测传感器模块主要由电导率传感器、pH值检测传感器、浊度传感器和叶绿素传感器组成；污染物监测传感器模块中的各个传感器与微处理器电连接；种植土壤层上还设置有雨量传感器，雨量传感器与微处理器电连接；

雨水导流管2还与备用蓄水池11相连接，雨水导流管2和备用蓄水池之间设置有电磁阀；蓄水池3与备用蓄水池11相连通，蓄水池3与备用蓄水池 11之间设置有电磁阀；

所述蓄水池3还分别与第1、2、3…N分类蓄水池相连通；蓄水池与第1、2、3…N分类蓄水池之间均设置有电磁阀；N的数量视情况选择2至15之间的自然数。

各个电磁阀均受微处理器控制。

对雨水监测的最重要两点就是监测点和传感器的合理选取。暴雨过后与正常情况下，不同监测点采集得到的数据通常具有较大差异，当然本实用新型主要是监测蓄水池中的雨水污染情况。

本实用新型中，种植土壤层上还设置有雨量传感器，降雨使得在特点时间段内种植土壤层上水位上升，雨量传感器便可对雨量进行持续监测以便灵活收集存储雨水。当雨量过大时可以打开蓄水池3与备用蓄水池之间的电磁阀，使二者连通为一体，增加蓄水能力。同时雨量传感器采集到的雨量信息直接上传至微处理器，微处理器通过GPRS网络发送至城市道路监测控制中心作为特点地点的雨量参考数据。总之雨量传感器作为雨水量的预测装置，为本实用新型工作过程中的各项操作提供参考数据。

水质检测包括温度、pH、电导率、溶解氧、浊度、深度、叶绿素及诸如盐度等其他参数。检测得到数据同样可以通过GPRS网络发送至监测部门，经科学分析后决定雨水的用途。具体的，根据污染物监测传感器模块实时动态监测到的水质情况，根据污染程度和污染类型对存储在蓄水池3内的雨水进行分类存储，例如可以设定数个污染等级，根据污染等级对存储在蓄水池3 内的雨水进行持续监测，在固定时段结束时决定分流入第1、2、3…N分类蓄水池中的哪一个蓄水池，这样便可以对污染化雨水进行大致的分类，便于后续处理。当然这都需要微处理控制两个主蓄水池与各个分类蓄水池之间的电磁阀的开启或者关闭、以及开启或者关闭的时长来实现。

总之为了解决将不同时段的雨水统统收集到一个蓄水池内，则造成分类利用上的不便的技术问题，本实用新型增设多个分类蓄水池，并利用智能化手段进行精确预测和控制，最终实现不同分类蓄水池收集不同污染度(或者污染物)的雨水。当然，根据需要还可以进一步在管道、蓄水池内加装各类流量计、液位计、以控制各类雨水的流向和流量。具体可以采用现有技术中常规手段即可，此处不赘述展开。

蓄水池可以是在同一地理位置修建，然后分割为多个分池，也可以在分散在不同地理位置修建，便于利用。

值得提出的是，黄土高原地区场次降雨通常在一天的几个小时内甚至更短时间完成，高分辨率(例如小时)的降雨资料有助于准确地揭示降雨特性的基本物理过程。例如，稳定的中雨入渗可维持土壤水分有利于植被生长，同样的雨量如果在较短的时间内发生则可能导致洪涝、泥石流和水土流失等问题；同样的雨量如果降雨持续时间长，在某些以超渗流为主的区域则可能难以形成地表径流，从而影响水资源分布格局，因对小区域内的降雨情况以及雨水成分进行有效监测对于雨水分类处理以及长期的科学数据采集都是有必要的。

本实用新型加装的污染物实时监测子系统，以及设置在种植土壤层上的雨量传感器能够对雨水中含有的有害物质和雨量进行实时监测，除了能够实现对于收集得到的雨水进行分类利用；还能够采集特定小区域、短时间内的高分辨率降雨资料，这将为相关科学研究和工程应用提供便利和指导。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于污染物实时监测的黄土高原地区公路雨水处理系统，其特征在于：高速公路路面铺装采用非透水材料，高速公路边坡的坡体表面铺装采用非透水材料；所述边坡的坡体表面呈梯坎状，在高速公路边坡的坡体内设置若干根坡面雨水收集管(1)，所述坡面雨水收集管(1)的设置方向与高速公路路面方向相垂直；每根坡面雨水收集管(1)的上端口不高于边坡的坡体表面，每根坡面雨水收集管(1)的下端口与雨水导流管(2)相连通；所述雨水导流管(2)的设置方向与高速公路路面方向相平行；

在高速公路边坡的坡体下设置污染物预处理器区(8)，所述污染物预处理器区(8)自上而下依次设置有：种植用土壤层(81)、细沙层(82)、砾石层(83)和防渗漏层(84)；所述种植用土壤层(81)上栽种有用于吸收污染物的植物；

所述污染物预处理器区(8)内还设置有若干根积水收集管(10)，所述积水收集管(10)的设置方向与地面方向相垂直；每根积水收集管(10)的上端口不低于所述种植用土壤层(81)的上表面；每根积水收集管(10)的下端口与雨水导流管(2)相连通；

在所述砾石层(83)和防渗漏层(84)之间还设置有渗流收集管(9)，所述渗流收集管(9)设置方向与地面方向平行，在所述渗流收集管(9)的管体上侧面设置有若干个用于收集渗流雨水的渗流孔(91)；所述渗流收集管(9)与蓄水池(3)相连通；

所述雨水导流管(2)还与蓄水池(3)相连通，蓄水池(3)内设置有水泵(4)，水泵(4)通过喷淋管道(5)与设置在地表的喷淋头(6)相连接，所述喷淋管道(5)上设置有电磁阀；

在蓄水池(3)内设置有污染物实时监测子系统(7)，所述污染物监测子系统包括：微处理器、污染物监测传感器模块、水位传感器和GPRS模块；所述水位传感器通过UART转CAN模块与微处理器连接；所述GPRS模块和微处理器电连接；所述污染物监测传感器模块主要由电导率传感器、pH值检测传感器、浊度传感器和叶绿素传感器组成；所述污染物监测传感器模块中的各个传感器与微处理器电连接；所述种植用土壤层(81)上还设置有雨量传感器，雨量传感器与微处理器电连接；

所述雨水导流管(2)还与备用蓄水池(11)相连接，雨水导流管(2)和备用蓄水池之间设置有电磁阀；所述蓄水池(3)与备用蓄水池(11)相连通，蓄水池(3)与备用蓄水池(11)之间设置有电磁阀；

所述蓄水池(3)还分别与第1、2、3…N分类蓄水池相连通；蓄水池(3)与第1、2、3…N分类蓄水池之间均设置有电磁阀；

各个电磁阀均受微处理器控制。

2.根据权利要求1所述的基于污染物实时监测的黄土高原地区公路雨水处理系统，其特征在于：所述蓄水池(3)还通过输水管向高速公路服务区供水，所述输水管上设置有电磁阀。

3.根据权利要求1或者2所述的基于污染物实时监测的黄土高原地区公路雨水处理系统，其特征在于：所述高速公路路面下铺设有土工织物，所述边坡的表面下铺设有土工织物。

4.根据权利要求1或者2所述的基于污染物实时监测的黄土高原地区公路雨水处理系统，其特征在于：所述积水收集管(10)的上端口设置有过滤罩，所述坡面雨水收集管(1)的上端口均设置有过滤网。