基于海綿城市理念的屋面雨水源頭潔凈蓄滲裝置及運行方法與流程

本發明涉及雨水源頭減排和水資源保護領域，特別涉及一種基于海綿城市理念的屋面雨水源頭潔凈蓄滲裝置及運行方法。

背景技術：

城鎮化是保持經濟持續健康發展的強大引擎，然而，隨著快速城鎮化的發展，原本具有涵養水源功能的綠地、濕地、溝渠等區域大部分演化為硬化地面，致使城市在面臨強降雨時僅能依靠市政管網排水。目前，城市傳統的市政排水系統主要存在以下缺點：

(1)遇到暴雨時，會造成城市地表徑流量大幅提高，市政管網泄洪能力遠遠不足，引發道路洪澇積水；

(2)雨水浸泡攜帶地面上的大量生活垃圾與污染物，會堵塞市政管路，水體排放到自然環境中，會加劇自然水體的污染程度；

(3)大量雨水通過市政管網排放到自然水體中，會加重河流水系負荷，甚至引發生態環境破壞；

(4)造成雨水資源大量流失，不能充分循環利用。

近幾年，每逢雨季，各地城市輪番上演“城市看海”的景象，造成嚴重的洪澇災害和人員傷亡及財產損失，而暴雨過后卻又陷入干燥缺水的窘境，熱島效應顯著。城市內澇與水資源短缺的矛盾折射出城鎮化與自然的不和諧，因此，必須樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念，建設具有自然積存、自然滲透、自然凈化功能的“海綿城市”，實現城鎮化和環境資源的可持續發展。2015年4月，我國首批“海綿城市”建設試點城市名單正式公布，標志著我國在城市建設過程中將更加注重人水和諧，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境保護。構建低影響開發雨水系統，將自然途徑與人工措施相結合是實現雨水分選與分流、雨水蓄滯與潔凈涵養地下水的重要途徑，城市“彈性適應”自然環境變化，對減少洪澇災害、緩解城市水資源短缺和促進人與自然和諧發展具有重要意義。

技術實現要素：

發明目的：鑒于上述城市內澇與水資源短缺的矛盾以及傳統排水系統存在的不足，本發明的目的在于提供一種基于海綿城市理念的屋面雨水源頭潔凈蓄滲裝置及運行方法，克服現有城市開發建設過程中雨水減排措施未能發揮源頭“滲、滯、蓄、凈、用”等缺陷，緩解城市內澇與水資源短缺的矛盾，保護和改善城市生態環境。

技術方案：本發明解決其技術問題所采用的一種基于海綿城市理念的屋面雨水源頭潔凈蓄滲裝置，包括雨水分流箱、雨水棄流箱、蓄水箱、涵養地下水系統、控制系統、雨滴傳感器和太陽能電池板。

所述的雨水分流箱頂部設有進水口I₁，進水口I₁與建筑物的落水管下端相連；雨水分流箱內部固定著密封室、水質傳感器和電動三通控制閥，水質傳感器的信號線接頭、電動三通控制閥的閥門及電路接頭均設在密封室內；電動三通控制閥的進水口I₂設在雨水分流箱內，電動三通控制閥的出水口E₁與雨水棄流箱的進水口I₃相連，電動三通控制閥的出水口E₂通過雨水棄流箱內部的圓形通道與雨水收集管相連通。

所述的雨水棄流箱形狀為長方體，右側面上部設有通氣孔、下部設有棄流孔，棄流孔上設有電動閥門，雨水棄流箱的背面和底部設有加強肋。

所述的蓄水箱頂部左端設有圓形進水口I₄、蓄水箱頂部右端設有矩形溢水口、底部設有取水口，圓形進水口I₄與雨水收集管下端相連。

所述的涵養地下水系統包括雨水調控箱、下水槽、地下水庫、涵管管網和滲水孔，雨水調控箱頂部設有壓力表和氣壓調節閥，雨水調控箱底部設有矩形上水口U₁、頂部右側設有矩形下水口U₂，矩形上水口U₁與蓄水箱的矩形溢水口相連，矩形下水口U₂與下水槽的上端相連，地下水庫的進口與下水槽的下端相連。

所述的控制系統包括多源監測模塊、信息處理模塊和調控模塊，多源監測模塊用于實時采集雨滴傳感器、水質傳感器和壓力表的數字信號；信息處理模塊用于接收多源監測模塊的采集信號并經過內部程序處理后傳輸給調控模塊；調控模塊用于向電動三通控制閥的閥門、棄流孔的電動閥門和氣壓調節閥發送執行指令。

所述的雨滴傳感器固定于雨水棄流箱的頂部，用于獲取降雨信號。

所述的太陽能電池板也固定于雨水棄流箱的頂部，用于將太陽能轉化為電能，為整套裝置運行提供電能。

在本發明中，所述的雨水分流箱內部設有密封室、水質傳感器和電動三通控制閥，水質傳感器的信號線接頭、電動三通控制閥的閥門及電路接頭均設在密封室內。

在本發明中，所述的地下水庫為長方體鋼筋混凝土結構，頂部的鋼筋混凝土面積大于地下水庫自身的頂部面積。

在本發明中，隨著雨水收集管中的雨水水位快速上升，水壓迅速增加，所述的涵管管網內的雨水下滲速度加快，雨水快速涵養地下水源。

在本發明中，所述的雨水收集管正好能夠插入圓形通道的雙層結構。

在本發明中，所述的雨水調控箱為水平圓柱形狀，雨水調控箱位于所述的蓄水箱頂部的右側。

作為優選，電動三通控制閥為分流旋塞閥，旋塞閥的閥芯按120°旋轉實現分流或關閉功能，電動三通控制閥的閥門旋轉通過外部的微型電機控制。

作為優選，雨水棄流箱頂部設有凹槽、內部設有圓形通道，凹槽的槽底與圓形通道相通，凹槽內正好能夠嵌入雨水分流箱，圓形通道的出口端為雙層結構。

作為優選，雨水調控箱的長度等于蓄水箱的寬度。

作為優選，下水槽為四棱柱形狀，下水槽的頂部為斜面進口、底部為平面出口。

作為優選，地下水庫底部設有若干個連接涵管管網出口。

作為優選，涵管管網向建筑物地基和地下水庫地基的外部周圍彎曲延伸，涵管管網側壁開有若干的漏水小孔。

作為優選，涵管管網的出水末端逐漸變細形成滲水孔。

本發明提供的技術方案還包括基于海綿城市理念的屋面雨水源頭潔凈蓄滲裝置的運行方法，包括如下步驟：

①無降雨時，裝置處于初始狀態，棄流孔的電動閥門處于開啟狀態，電動三通控制閥處于關閉狀態，氣壓調節閥處于關閉狀態，雨滴傳感器不向控制系統的多源監測模塊傳輸信號，控制系統處于休眠模式；

②降雨發生后，雨滴傳感器感應到雨滴后發出信號，多源監測模塊接受到信號后傳輸給信息處理模塊，信息處理模塊通過內部程序判斷降雨強度和時間并向調控模塊發送指令，調控模塊啟動棄流孔的電動閥門將棄流孔關閉，同時，初期屋面雨水通過落水管進入雨水分流箱的進水口I₁；

③雨水分流箱內的水質傳感器開始獲得雨水的水質多參數檢測數據，并將測量數據傳輸給控制系統的多源監測模塊，信息處理模塊根據多源監測模塊傳輸的數字信號通過內部程序判別水質的優劣；當水質不滿足預設的收集標準時，控制系統向電動三通控制閥的微型電機發出指令，微型電機啟動并旋轉閥芯120°，將雨水引入雨水棄流箱；當水質滿足預設的收集標準后，控制系統向電動三通控制閥的微型電機發出轉換指令，微型電機驅動電動三通控制閥的閥芯旋轉120°，將雨水導入雨水收集管；

④潔凈的雨水通過雨水收集管進入蓄水箱開始蓄積雨水，當雨水量超過蓄水箱容積時，雨水自動上升通過矩形溢水口進入雨水調控箱；當雨水水位上升至雨水調控箱的矩形下水口U₂位置時，雨水通過下水槽流入地下水庫；當地下水庫中的雨水淌入涵管管網的進口時，雨水沿著涵管管網向建筑物和地下水庫的地基外部遠處流去，并通過涵管管網側壁漏水小孔和末端的滲水孔滲入地下；

⑤當雨水收集管的來雨量超過所有涵管管網的排水下滲量時，地下水庫的水位開始上漲，逐漸上升至下水槽；當雨水從下水槽上升至雨水調控箱頂部時，蓄水箱、雨水調控箱、下水槽、地下水庫和雨水收集管逐漸由無壓流變為有壓流，在此過程中，信息處理模塊實時判斷多源監測模塊接收的壓力表數字信號，當雨水調控箱的氣壓高于預計壓強標準最大值時，信息處理模塊將信息傳輸給調控模塊，調控模塊向氣壓調節閥發送執行指令開始排氣，當雨水調控箱的氣壓恢復到預計標準最小值時排氣過程中止；

⑥當降雨結束后，雨滴傳感器的信號中斷，信息處理模塊通過內部程序中的計時語句開始計時，當連續超過8小時沒有雨滴傳感器信號后，向調控模塊發送指令，調控模塊啟動棄流孔的電動閥門將棄流孔打開，雨水棄流箱中的初期雨水開始排出，實現與降雨錯開洪峰排放，排放完畢后，整個裝置恢復到初始狀態；

按照上述相應步驟，即可實現屋頂雨水潔凈蓄滲的過程。

有益效果：本發明的基于海綿城市理念的屋面雨水源頭潔凈蓄滲裝置及運行方法，具有以下有益效果：

(1)本發明中的棄流初期雨水、收集潔凈雨水和涵養地下水以及控制棄流雨水的時間等過程，充分實現了自動化和智能化。

(2)本發明中雨水分流箱內的水質傳感器用于獲得雨水的水質多參數檢測數據，并將測量數據傳輸給控制系統的多源監測模塊，信息處理模塊根據多源監測模塊傳輸的數字信號通過內部程序判別水質的優劣，能夠實現初期水質較差雨水的分流與潔凈雨水的收集與利用，為潔凈收集雨水和涵養地下水系統提供了保證，減少了涵養地下水時對地下水的污染。

(3)本發明中的電動三通控制閥為分流旋塞閥，旋塞閥的閥芯按120°旋轉實現分流或關閉功能，當水質不滿足預設的收集標準時，控制系統向電動三通控制閥的微型電機發出指令，微型電機啟動并旋轉閥芯120°，將雨水引入雨水棄流箱；當水質滿足預設的收集標準后，控制系統向電動三通控制閥的微型電機發出轉換指令，微型電機驅動電動三通控制閥的閥芯旋轉120°，將雨水導入雨水收集管；當雨水棄流箱中的初期雨水排放完畢后，控制系統向電動三通控制閥的微型電機發出轉換指令，微型電機驅動電動三通控制閥的閥芯旋轉120°，電動三通控制閥關閉，恢復到初始狀態，控制過程智能化程度高，閥芯等角度旋轉有利于克服電動三通控制閥的系統誤差。

(4)本發明中的雨水收集管的來雨量超過所有涵管管網的排水下滲量時，地下水庫的水位開始上漲，當雨水從下水槽上升至雨水調控箱頂部時，蓄水箱、雨水調控箱、下水槽、地下水庫和雨水收集管逐漸由無壓流變為有壓流，在此過程中，信息處理模塊實時判斷多源監測模塊接收的壓力表數字信號，當雨水調控箱的氣壓高于預計壓強標準最大值時，信息處理模塊將信息傳輸給調控模塊，調控模塊向氣壓調節閥發送執行指令開始排氣，當雨水調控箱的氣壓恢復到預計標準最小值時排氣過程中止，該措施能夠避免裝置內產生高壓，損壞儀器設備和管路系統，有利于保障裝置安全，延長裝置使用壽命。

(5)本發明中的雨滴傳感器用于接受雨水信號，當連續超過8小時沒有雨滴傳感器信號后，向調控模塊發送指令，調控模塊啟動棄流孔的電動閥門將棄流孔打開，雨水棄流箱中的初期雨水才開始排出，實現與降雨錯開洪峰排放，避免雨水攜帶屋面上的污染物直接隨地面徑流排放到自然水體而加劇水體污染負荷。

(6)本發明中的蓄水箱具有儲存潔凈雨水的效果，側面左下端設有取水口，可以從取水口引出潔凈的雨水，用于澆灌草坪、樹木或者用于洗車等，實現雨水資源化，提高雨水利用率。

(7)本發明中的涵管管網側壁開有若干個小孔，涵管管網的出水末端逐漸變細形成滲水孔，便于雨水補給地下，同時避免了雨水可能對土壤的沖蝕。

(8)本發明中的太陽能電池板用于將太陽能轉化為電能，為整套裝置運行提供電能，綠色環保，節約能源。

附圖說明

圖1是基于海綿城市理念的屋面雨水源頭潔凈蓄滲裝置結構示意圖；

圖2是圖1中的雨水分流箱結構示意圖；

圖3是圖1中的雨水棄流箱結構示意圖；

圖4是圖1中的蓄水箱結構示意圖；

圖5是圖1中的涵養地下水系統立體結構示意圖；

圖6是圖1中的控制系統示意圖。

圖中：1-雨水分流箱；10-進水口I₁；11-密封室；12-水質傳感器；13-電動三通控制閥；130-進水口I₂；131-出水口E₁；132-出水口E₂；2-雨水棄流箱；20-進水口I₃；21-通氣孔；22-棄流孔；23-加強肋；3-蓄水箱；30-圓形進水口I₄；31-矩形溢水口；32-取水口；4-涵養地下水系統；41-雨水調控箱；411-壓力表；412-氣壓調節閥；413-矩形上水口U₁；414-矩形下水口U₂；42-下水槽；43-地下水庫；44-涵管管網；45-滲水孔；5-控制系統；51-多源監測模塊；52-信息處理模塊；53-調控模塊；6-落水管；7-雨水收集管；8-雨滴傳感器；9-太陽能電池板。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

實施例：

如圖1-圖6所示，本發明的基于海綿城市理念的屋面雨水源頭潔凈蓄滲裝置，包括雨水分流箱1、雨水棄流箱2、蓄水箱3、涵養地下水系統4、控制系統5、雨滴傳感器8和太陽能電池板9。

如圖1和圖2所示，本發明的雨水分流箱1頂部設有進水口I₁10，進水口I₁10與建筑物的落水管6下端相連；雨水分流箱1內部固定著密封室11、水質傳感器12和電動三通控制閥13，水質傳感器12的信號線接頭、電動三通控制閥13的閥門及電路接頭均設在密封室11內；電動三通控制閥13的進水口I₂130設在雨水分流箱1內，電動三通控制閥13的出水口E₁131與雨水棄流箱2的進水口I₃20相連，電動三通控制閥13的出水口E₂132通過雨水棄流箱2內部的圓形通道與雨水收集管7相連通。

如圖1和圖3所示，本發明的雨水棄流箱2形狀為長方體，右側面上部設有通氣孔21、下部設有棄流孔22，棄流孔22上設有電動閥門，雨水棄流箱2的背面和底部設有加強肋23。

如圖1和圖4所示，本發明的蓄水箱3頂部左端設有圓形進水口I₄30、蓄水箱3頂部右端設有矩形溢水口31、底部設有取水口32，圓形進水口I₄30與雨水收集管7下端相連。

如圖1和圖5所示，本發明的涵養地下水系統4包括雨水調控箱41、下水槽42、地下水庫43、涵管管網44和滲水孔45，雨水調控箱41頂部設有壓力表411和氣壓調節閥412，雨水調控箱41底部設有矩形上水口U₁413、頂部右側設有矩形下水口U₂414，矩形上水口U₁413與蓄水箱3的矩形溢水口31相連，矩形下水口U₂414與下水槽42的上端相連，地下水庫43的進口與下水槽42的下端相連。

如圖1和圖6所示，本發明的控制系統5包括多源監測模塊51、信息處理模塊52和調控模塊53，多源監測模塊51用于實時采集雨滴傳感器8、水質傳感器12和壓力表411的數字信號；信息處理模塊52用于接收多源監測模塊51的采集信號并經過內部程序處理后傳輸給調控模塊53；調控模塊53用于向電動三通控制閥13的閥門、棄流孔22的電動閥門和氣壓調節閥412發送執行指令。

在本實施例中，雨滴傳感器8固定于雨水棄流箱2的頂部，用于獲取降雨信號。

在本實施例中，太陽能電池板9也固定于雨水棄流箱2的頂部，用于將太陽能轉化為電能，為整套裝置運行提供電能。

在本實施例中，電動三通控制閥13采用分流旋塞閥，旋塞閥的閥芯按120°旋轉實現分流或關閉功能，電動三通控制閥13的閥門旋轉通過外部的微型電機控制。

在本實施例中，雨水棄流箱2頂部設有凹槽、內部設有圓形通道，凹槽的槽底與圓形通道相通，凹槽內正好能夠嵌入雨水分流箱1，圓形通道的出口端為雙層結構；雨水收集管7正好能夠插入圓形通道的雙層結構。

在本實施例中，雨水調控箱41為水平圓柱形狀，雨水調控箱41位于所述的蓄水箱3頂部的右側，雨水調控箱41的長度等于蓄水箱3的寬度。

在本實施例中，下水槽42為四棱柱形狀，下水槽42的頂部為斜面進口、底部為平面出口。

在本實施例中，地下水庫43為長方體鋼筋混凝土結構，頂部的鋼筋混凝土面積大于地下水庫43自身的頂部面積；所述的地下水庫43底部設有若干個連接涵管管網44出口。

在本實施例中，涵管管網44向建筑物地基和地下水庫43地基的外部周圍彎曲延伸，涵管管網44側壁開有若干的漏水小孔，涵管管網44的出水末端逐漸變細形成滲水孔45。

本實施例的基于海綿城市理念的屋面雨水源頭潔凈蓄滲裝置的運行方法包括以下步驟：

①無降雨時，裝置處于初始狀態，棄流孔22的電動閥門處于開啟狀態，電動三通控制閥13處于關閉狀態，氣壓調節閥412處于關閉狀態，雨滴傳感器8不向控制系統5的多源監測模塊51傳輸信號，控制系統5處于休眠模式；

②降雨發生后，雨滴傳感器8感應到雨滴后發出信號，多源監測模塊51接受到信號后傳輸給信息處理模塊52，信息處理模塊52通過內部程序判斷降雨強度和時間并向調控模塊53發送指令，調控模塊53啟動棄流孔22的電動閥門將棄流孔22關閉，同時，初期屋面雨水通過落水管6進入雨水分流箱1的進水口I₁10；

③雨水分流箱1內的水質傳感器12開始獲得雨水的水質多參數檢測數據，并將測量數據傳輸給控制系統5的多源監測模塊51，信息處理模塊52根據多源監測模塊51傳輸的數字信號通過內部程序判別水質的優劣；當水質不滿足預設的收集標準時，控制系統5向電動三通控制閥13的微型電機發出指令，微型電機啟動并旋轉閥芯120°，將雨水引入雨水棄流箱2；當水質滿足預設的收集標準后，控制系統5向電動三通控制閥13的微型電機發出轉換指令，微型電機驅動電動三通控制閥13的閥芯旋轉120°，將雨水導入雨水收集管7；

④潔凈的雨水通過雨水收集管7進入蓄水箱3開始蓄積雨水，當雨水量超過蓄水箱3容積時，雨水自動上升通過矩形溢水口31進入雨水調控箱41；當雨水水位上升至雨水調控箱41的矩形下水口U₂414位置時，雨水通過下水槽42流入地下水庫43；當地下水庫43中的雨水淌入涵管管網44的進口時，雨水沿著涵管管網44向建筑物和地下水庫43的地基外部遠處流去，并通過涵管管網44側壁漏水小孔和末端的滲水孔45滲入地下；

⑤當雨水收集管7的來雨量超過所有涵管管網44的排水下滲量時，地下水庫43的水位開始上漲，逐漸上升至下水槽42；當雨水從下水槽42上升至雨水調控箱41頂部時，蓄水箱3、雨水調控箱41、下水槽42、地下水庫43和雨水收集管7逐漸由無壓流變為有壓流，在此過程中，信息處理模塊52實時判斷多源監測模塊51接收的壓力表411數字信號，當雨水調控箱41的氣壓高于預計壓強標準最大值時，信息處理模塊52將信息傳輸給調控模塊53，調控模塊向氣壓調節閥412發送執行指令開始排氣，當雨水調控箱41的氣壓恢復到預計標準最小值時排氣過程中止；

⑥當降雨結束后，雨滴傳感器8的信號中斷，信息處理模塊52通過內部程序中的計時語句開始計時，當連續超過8小時沒有雨滴傳感器8信號后，向調控模塊53發送指令，調控模塊53啟動棄流孔22的電動閥門將棄流孔22打開，雨水棄流箱2中的初期雨水開始排出，實現與降雨錯開洪峰排放；當雨水棄流箱2中的初期雨水排放完畢后，控制系統5向電動三通控制閥13的微型電機發出轉換指令，微型電機驅動電動三通控制閥13的閥芯旋轉120°，關閉電動三通控制閥13，裝置恢復到初始狀態，控制系統5進入休眠模式。

本實施例的技術和方法能夠極大地加大雨水源頭減排的剛性約束，降低內澇發生幾率、減少排澇系統建設工程量、減輕河道的排水壓力，也能夠緩解水資源短缺的壓力，實現雨水資源化、涵養地下水、減輕城市洪澇和排水系統壓力、削減城市徑流污染負荷、改善和修復城市水環境，促進人與自然和諧發展。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，但本發明并不限于上述實施例，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。