一种双层耦合结构的排水系统及方法与流程

本发明涉及一种排水系统及方法，特别涉及一种高效应对短时强降雨带来的城市内涝事件的排水系统及方法，属于市政供排水领域。

背景技术：

近年来短时强降雨极端气象事件频频发生，短时强降雨往往超过城市雨水排水管网排水能力造成城市内涝积水，给城市正常生产生活造成不便，甚至造成生命财产损失。雨水排水管网的提标改造成为市政排水领域设计、运行维护面临的重要问题。由于城市雨水(排水)管网管道埋设较深，上下游标高衔接紧密，地下管道种类多空间小，改造现有雨水(排水)管网存在较大技术困难，现有的技术方案主要通过路面开挖更换更大口径的管道，增设调蓄池，或者在城市地下深层开挖大口径隧道获得更大的排放能力，这些技术方案主要缺陷在于：(1)造价昂贵；(2)施工周期长；(3)对地面交通影响较大；(4)施工过程中容易影响居民正常的生产生活，甚至发生由于施工现场管理不善导致居民落入下水道，或者地下施工导致路面塌陷引发人身伤亡等事故；(5)由于地下管线密集，容易对现有城市地下空间其他管线造成损坏；(6)投资资金利用效率低，由于强降雨事件发生概率小，危害大，而大口径的管道利用效率很低，大部分降雨过程中大口径管道中过流流量低于设计标准，不能充分发挥其性能；(7)按照已有专利技术方案，初期降雨靠调蓄池调蓄的做法弊端明显，由于水质较差，淤泥容易沉积到底部导致底部的排空管堵塞，而且容易污染后期的雨水水质，本专利申请中考虑到初期降雨水质较差，容易导致末端受纳水体黑臭问题。

技术实现要素：

本发明一种双层耦合结构的排水系统及方法，解决技术问题如下：(1)避免对现有城市地下其他管线的破坏；(2)充分有效的利用管线改造资金使用效率；(3)避免施工过程中带来的对社会正常生产生活和地面交通影响，以及施工现场管理不善导致的二次损害；(4)造价低，施工周期短；(5)有效提升现有城市雨水(排水)管网的排放能力，高效应对短时强降雨事件带来的城市内涝事件。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种双层耦合结构的排水系统，包括若干个雨水检查井，所述若干个雨水检查井通过雨水排水管线相连通，所述雨水检查井中设置有潜水泵，在雨水检查井外部上方的道路地表浅层设置有雨水压力管线，通过止回阀将所述潜水泵的出水管线连接到所述雨水压力管线中，形成和现有市政雨水排水管线耦合的双层排水系统。

更进一步的，所述雨水压力管线的出口按照实际需要接入河道直接排放，或者接入雨水污染快速处理及回收利用设施进行处理回收利用，或者接入污水管道送至污水处理厂统一处理排放。

更进一步的，所述雨水检查井内还设置有传感器、控制器，所述传感器包括水位传感器、水质传感器、井盖开合状态监测传感器、内部空气质量检测传感器，将所述传感器与所述控制器的状态监测输入端相连，所述潜水泵的动力输入控制端与控制器的开关量输出端相连，所述检查井外安装有无线数据传送rtu，所述无线数据传送rtu和控制器的信号输出端相连。

更进一步的，所述控制器采用嵌入式微处理器arm作为中央处理器，所述控制器具有传感器信号采集输入端、开关量输出端、数据无线传送输出端、内部数据状态存储模块，所述传感器信号采集输入端的输入信号包括模拟量和开关量，所述开关量输出端连接潜水泵的动力控制端。

本发明还提供一种双层耦合结构的排水方法，所述双层排水系统之间通过智能雨水节点控制器进行切换，包括原位自主智能化判断和远程人工干预两种工作模式；其中，原位自主智能化判断根据运行需要设置，采用的参数包括雨水排水检查井中水位、水位变化率、水质，远程人工干预模式用于满足日常管线检修维护需要和应急状态下强制运行需要。

更进一步的，采用雨水对压力管线进行反冲洗，包括两种反冲洗模式：(a)远程人工干预模式开启潜水井中水泵进行反冲洗；(b)自动反冲洗模式，控制器设定持续工作预定时间间隔后，延迟关泵时间进行反冲洗。

更进一步的，所述潜水泵的设备选型参数包括扬程和流量；所述流量参数选取基于检查井中上游雨水入流管线的最大过流能力和《城镇内涝防治技术规范》规定的防涝设计流量差值，同时兼顾运行负荷均分；所述扬程参数选取基于城镇内涝防治标准规定的当地设计降雨雨型，建立管网水力恒定流和非恒定流状态模型。

本发明的有益效果如下：

(1)避免对现有地下其他管线的破坏，避免对现有雨水(排水)管网的结构破坏；

(2)前期投资及后期运维成本低，资金使用效率比同类改造方案高，维护工作量小；

(3)有效提升应对短时强降雨能力，减轻积水内涝带来的社会经济生活损失；

(4)运行过程中无需人工干预，智慧化程度高，运行参数实施全过程监测，为实现排水管网数字化管理提供无缝接入接口；

(5)不但可以对现有雨水(排水)管网的运行状态(水位、水质、内部空气环境)进行检测，避免内部有毒气体聚集，还可以根据需要对雨水(排水)管网内部状态进行改善，自动提升系统运行性能。

(6)不但可以按照水位对雨水管网进行分流，还可以按照水质污染程度对雨水管网进行分流，特别是降雨初期污染程度较重，可以按水质污染程度对现有雨水管网中雨水进行分流处理。

附图说明

图1是本发明双层耦合结构的排水系统的系统结构图；

图2是雨水检查井结构示意图；

图3是控制器的控制原理图。

图中标记：1、雨水压力管线；2、雨水检查井；3、雨水排水管线；3-1、上游雨水排水管线；3-2、下游雨水排水管线；4、河道；5、雨水污染快速处理及回收利用设施；6、污水管道；7、潜水泵；8、雨水检查井井盖；9、内部空气质量检测传感器；10、排风扇；11、控制器；12、无线rtu传送模块；13、接入压力管线端；14、井盖开合状态监测传感器；15、水位传感器；16、水质传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种双层耦合结构的排水系统如图1所示，包括若干个雨水检查井2，所述若干个雨水检查井通过雨水排水管线3相连通，所述雨水检查井中设置有潜水泵7，在雨水检查井外部上方的道路地表浅层设置有雨水压力管线1，采用止回阀将所述潜水泵的出水管线通过接入压力管线端13连接到所述雨水压力管线中，形成和现有市政雨水排水管线耦合的双层排水系统。

如图1所示，所述雨水压力管线的出口按照实际需要接入河道4直接排放，或者接入雨水污染快速处理及回收利用设施5进行处理回收利用，或者接入污水管道6送至污水处理厂统一处理排放。

如图2所示，所述雨水检查井的一侧与上游雨水排水管线3-1相连，另一侧与下游雨水排水管线3-2相连，其上部设有雨水检查井井盖8，所述雨水检查井内还设置有排风扇10、传感器、控制器11，所述传感器包括水位传感器15、水质传感器16、井盖开合状态监测传感器14、内部空气质量检测传感器9，将所述传感器与所述控制器的状态监测输入端相连，所述潜水泵的动力输入控制端与控制器的开关量输出端相连，所述检查井外安装有无线rtu传送模块12，所述无线数据传送rtu和控制器的信号输出端相连。

如图3所示，所述控制器采用嵌入式微处理器arm作为中央处理器，所述控制器具有传感器信号采集输入端、开关量输出端、数据无线传送输出端、内部数据状态存储模块，所述传感器信号采集输入端的输入信号包括模拟量和开关量，所述开关量输出端连接潜水泵的动力控制端。

本发明最终和原有市政雨水排水系统构成双层耦合结构的排水系统，双层排水系统之间通过智能雨水节点控制器形成切换。系统方案如图3所示。切换的方法有两种：原位自主智能化判断和远程人工干预两种工作模式，原位自主智能化判断根据运行需要设置，采取的参数有雨水排水检查井中水位，水位变化率，水质三种，远程人工干预模式主要满足日常管线检修维护需要和应急状态下强制运行需要。

本发明可以采用雨水对压力管线进行反冲洗，防止管线堵塞，通过两种方式进入反冲洗模式：(a)远程人工干预模式开启潜水井中水泵进行反冲洗；(b)自动反冲洗模式，控制器设定持续工作一定时间间隔后，延迟关泵时间进行反冲洗。

本发明中，潜水泵的设备选型关键参数扬程和流量选取方法不同于常规设计，流量考虑到检查井中上游雨水入流管线的最大过流能力和《城镇内涝防治技术规范》规定的防涝设计流量差值，同时兼顾运行负荷均分的要求，扬程选取依据城镇内涝防治标准规定的当地设计降雨雨型，建立管网水力恒定流和非恒定流状态模型，满足不同开泵水位工况下的运行要求。

在选定的雨水管网的检查井中放置控制器，按照实际需求设置水位传感器、井盖开合状态监测传感器、水质传感器、内部空气环境质量检测传感器(例如内部甲烷气体浓度检测)，将传感器接入控制器的状态量检测输入端；在检查井中安装固定排风扇和潜水泵，将排风扇和潜水泵的供电控制端接入到控制器的开关量输出端；在检查井外安装固定无线数据传送rtu，并将rtu的信号输入端和控制器的信号输出端连接；潜水泵的出水管从检查井侧壁穿出连接到雨水浅层地表专用压力管线中，出水管上设置止回阀防止倒流。

一旦雨水检查井中水位超过设定限制水位，或者雨水检查井单位时间内水位变化率超过设定限制，控制器将启动潜水泵进行强制排水；一旦雨水检查井中水质超过雨水直排标准，控制器将启动潜水泵进行强排到污水管线中；一旦检查井中有害气体浓度超标，控制器将启动排风扇进行抽风换气；一旦控制器通过井盖开合状态监测传感器检测到井盖被打开，将启动报警信号并发送到远传监控中心。

具体实施步骤包括：

(1)按照城市内涝防治标准对现有雨水(排水)管网排水能力进行核算，确定额外需要提升的排水流量；

(2)按照现场施工条件，选取待改造雨水(排水)管线的检查井作为嵌入式改造节点；

(3)按照设计参数流量压力选取合适的潜水泵，按照压力流重力流耦合管网的水力模拟方法对短时强降雨工况进行模拟计算，使设备满足不同工况下运行要求；

(4)现场在检查井中安装潜水泵、排风扇、水质传感器、水位传感器、井盖开合传感器、内环境空气质量传感器，并连接到智慧化排水节点控制器；

(5)将潜水泵出水管线从检查井侧壁接出，连接止回阀并接入到专用的雨水浅层地表压力管线，在道路合适位置开槽并埋设雨水浅层地表压力管道，管道出口根据实际需求接入河道，雨水处理回收利用设施或者污水管道。

本发明的方法对现有排水设施和地下其他管线的破坏降低到最低，同时调度的机动灵活性更强。因为从随机性较强的降雨过程到形成地表径流，再到地下雨水排水管线的管道流动过程，中间有时间的滞后，时间滞后量受到城市下垫面的影响和城市地表构筑物和其他地面特征的影响，因此在雨水排水管道运行过程中，管道内水位和流量变化过程较为复杂，本技术方案充分考虑到实际运行特点，对运行过程中进行精准控制和调度，最大程度利用现有市政雨水排水管网的调蓄和排放能力，从而使管线提标改造投资资金利用效率最大化；

(4)已检索到的专利技术方案对于初期降雨污染没有控制能力，按照已检索的专利技术方案初期降雨靠调蓄池调蓄，由于水质较差，淤泥容易沉积到底部导致底部的排空管堵塞，而且容易污染后期的雨水水质，本专利申请中考虑到初期降雨水质较差，容易导致末端受纳水体黑臭问题，增加了按照来水水质进行调度并处理的措施。

综上所述，本发明对现有雨水(排水)管网实施嵌入式改造，运行过程中根据管网实际运行工况智能化调节运行参数，从而提升雨水(排水)管网应对复杂工况能力；本发明对雨水管网进行升级改造过程中，同时对现有雨水(排水)管网进行状态监测，为远程获取现有排水管网状态提供动态运行参数；可以根据实际需要对检查井内部状态进行远程控制；本发明对现有雨水(排水)管网检查井实施精准化节点改造技术，检查井中内置智慧化雨水(排水)管网节点控制器，不仅仅对现有管线运行状态实施实时监测、远程传送，同时根据对管线健康状态(水位、水质、内部空气环境质量)进行自主判断识别，根据需要自动运行相关设备(排风扇、水泵)改善提升现有雨水(排水)管网运行状态和性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。