一种可变初期雨水弃流控制系统、控制方法及构建方法
【专利摘要】本发明涉及一种可变初期雨水弃流控制系统、控制方法及构建方法，控制系统包括气象接收系统、控制器和弃流装置；所述气象接收系统将接收的天气预报和实时的气象数据传输至所述控制器；所述控制器根据本次降雨与上次降雨的间隔天数、所述天气预报所获取的降雨强度、降雨初期污染物浓度变化情况和雨水径流过程中t时刻相应污染物浓度之间的相互关系，确定满足各所述相应污染物浓度要求的弃流时间点，并控制所述弃流装置在所述弃流时间点停止弃流，开始收集雨水径流。
【专利说明】
一种可变初期雨水弃流控制系统、控制方法及构建方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种可变初期雨水弃流控制系统、控制方法及构建方法。
【背景技术】
[0002] 进入21世纪来，随着工农业社会的不断发展，水资源问题逐渐成为制约人类社会 发展的主要因素。
[0003] 由于降雨初期，雨水溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性 气体，降落地面后，又由于冲刷屋面、沥青混凝土道路等，使得前期雨水中含有大量的污染 物质，前期雨水的污染程度较高，甚至超出普通城市污水的污染程度，该结论称为初期淋洗 效应。因此雨水收集利用中一般利用雨水弃流装置对初期雨水进行弃流，后期雨水经过简 单处理进入蓄水设施，以便利用。
[0004] 现有的初期雨水弃流装置主要有弃流雨水池、切换式或小管弃流井、自动翻板式 初雨分离器和跳跃堰式雨水分流井等不同形式。
[0005] 弃流雨水池是将初期雨水先流入相应容积的池体内并储存，当存储的初期雨水达 到一定体积后，雨水开始流入回收雨水收集系统。切换式或小管弃流井是在雨水检查井中 同时埋设连接下游雨水井和下游污水井的两根排水管，两根排水管之间的切换需设置简易 手动闸阀或自动闸阀完成。自动翻板式初雨分离器是利用自动翻转的翻板进行弃流。没有 雨水时，翻板处于弃流管位置，降雨开始后，初雨沿翻板经过弃流管排走。随着降雨的增多， 翻板依靠重力会自动反转，雨水沿翻板经过雨水收集管进入蓄水池。当停止降雨一定时间 后翻板依靠重力作用自动恢复原位，等待下一次降雨。跳跃堰式雨水分流井是依靠堰板将 初期雨水分离的装置。降雨初期，雨水通过排水管流出的抛物线射流被堰板阻隔，从弃流管 流出；随着降雨过程径流量的加大，抛物线射流越过堰板，从出水管流中被收集起来，从而 达到初期雨水弃流的目的。跳跃堰式雨水分流井不能收集降雨后期小雨量的雨水，且降雨 初期雨量较大时初期雨水将越过堰板而无法弃流。
[0006] 中国专利CN104594492A公开了一种雨水弃流系统及控制方法，该系统包括水质在 线检测仪、弃流控制器、弃流池、排出装置、水质型弃流装置和蓄水池:水质在线检测仪设置 在弃流池内或其与雨水收集管网连接的进水管路上;排出装置和水质型弃流装置均设置在 弃流池上；蓄水池通过水质型弃流装置与弃流池连接;弃流控制器根据水质在线检测仪的 检测结果控制排出装置和水质型弃流装置的开闭。其缺点一是水质在线检测仪器设备及运 行成本费用较高;二是所能检测的水质指标受检测仪器的局限，一种水质在线检测仪器只 能检测为数不多的几种固定的污染物指标，对于其他污染物指标的情况则无法在线检测， 不能适应对所收集的雨水水质有较高要求的情况。
[0007] 目前的弃流装置普遍存在以下缺点：
[0008] 1、一次降雨的弃流量应该取决于弃流时间所对应的污染物浓度情况，而污染物浓 度情况与该次降雨所处的季节、降雨强度、持续时间以及与上一次降雨的间隔天数均有一 定的相关性，即所需的弃流量或弃流时间是随以上各因素的变化而变化，是一个变化的量。 目前的弃流控制装置在决定弃流量或弃流时间时，无法全面反映以上各因素的影响，导致 雨水初期的弃流量不尽科学。
[0009] 2、对于一些能够实现自动弃流的控制装置，需要较多的用以监控、检测的电气元 件或自动水质检测仪器对降雨情况、水质状况进行信息采集及检测，通过监测元件的反馈 情况来决定弃流量。这种方式一方面会大大增加雨水搜集设施的费用及运行成本，另一方 面存在电气元件容易损坏、寿命较短以致整套雨水搜集设施的稳定性变弱的缺点。
[0010] 3、一般的弃流控制系统不能从本次降雨所处时间、降雨雨强、降雨持续时间、本次 降雨与上次降雨时间间隔等反映降雨径流对水质的影响，而且不能确定所收集雨水的各项 更加精细化的水质指标。
[0011]此外，一般的气象站能够实时监测到当前的气象情况，能够及时获取相关的气象 数据。但是目前的弃流装置均没有考虑到应用气象站所获取的数据这一资源，不能做到资 源共享。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可变初期雨水弃流控制系 统、控制方法及构建方法。
[0013] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0014] -种可变初期雨水弃流控制系统，包括气象接收系统、控制器和弃流装置;所述气 象接收系统将接收的天气预报和实时的气象数据传输至所述控制器;所述控制器根据所述 天气预报和所述气象数据，确定所收集雨水的各相应污染物浓度均满足要求的弃流时间 点，并控制所述弃流装置在所述弃流时间点停止弃流，开始收集雨水。
[0015] 利用气象接收系统可以将天气预报和实时的气象数据直接传输给控制器，减少了 弃流装置单独配备雨量监测装置的成本，有利于数据资源的共享。控制器根据影响污染物 浓度的各因素之间的相关关系确定弃流时间，可以全面反应影响雨水污染物浓度的各相关 因素，既能保证所收集雨水的水质，又能实现雨水的充分收集，使得弃流量或弃流时间点的 确定更加科学。
[0016] 所述控制器为PLC可编程控制器或者单片机或者微程序控制器。
[0017] 所述气象接收系统是从气象数据管理中心接收所述天气预报和气象实时数据的 气象接收系统。
[0018] 所述气象接收系统，包括客户端、GPRS猫。客户端内有气象数据接收软件，该气象 接收系统可从气象部门或水文部门购买。
[0019] 所述气象数据包括实时监测的降雨量、降雨强度和持续的降雨时间、两场降雨的 时间间隔等。由于是专业设备获取的气象数据，因此所获取的气象数据更加及时和准确，且 成本低廉。
[0020] 所述控制器根据拟合经验公式确定弃流时间点，所述拟合经验公式体现本次降雨 所处的时段、降雨间隔天数、降雨强度、降雨持续时间、降雨初期雨水径流中污染物浓度变 化情况和t时刻相应污染物浓度之间的相互关系，所述拟合经验公式是根据在该地的多场 次降雨各要素(降雨所处的时段、降雨间隔天数、降雨强度、降雨持续时间等)及对应的所采 集的降雨径流水样经检测、数据统计等分析，通过数学方法拟合得出。
[0021] 所述拟合经验公式为C；=Cwe+，其中，CtlS雨水径流中第i种污染物指标t时刻 的浓度为表征某污染物指标随降雨强度、汇水下垫面性质变化而变化的综合因素系数， 是根据已有的实验资料经统计分析得出的经验系数，不同的降雨强度及不同的汇水下垫面 对应不同的匕值大小;t为形成径流后的降雨持续时间;C Ql是雨水径流中的某种污染物指标 的初始浓度，而，可通过多次实测的降雨径流污染物初始浓度与对应的降雨间 隔天数建立相关分析，得出线性回归方程，x为两场降雨间隔天数， ai为统计所得的该时段 雨水径流中某种污染物指标平均单日浓度变化值，在一个时段的&值不变，不同时段的 &1值 不同，为上次单场降雨后记录浓度值。使用时，这些拟合经验公式及相关参数需要输入 到可编程控制器，通过编程使控制器实现根据气象接收系统从气象站接收所述天气预报和 气象实时数据进行对公式及经验系数的选择。
[0022] 所述拟合经验公式根据降雨在一年中所处的不同的时段，分别统计、拟合采样检 测所得各污染物指标数据而得出。
[0023] 所述拟合经验公式对于某污染物指标所在阶段降雨分不同降雨强度及持续时间 对经验系数ki进行归纳总结，建立ki随降雨强度及持续时间变化而变化的对应经验公式，采 用内插的方法确定某一污染物指标在某一时段的lu值。
[0024]所述相应污染物指标为根据所收集雨水的水质需求所设定的一种或多种污染物 指标。
[0025] 所述弃流时间点为所有所述相应污染物指标浓度均满足相关浓度要求的最短时 间。
[0026] 所述相应污染物指标的相关浓度要求根据后期雨水资源利用对水质需求的不同 而调整。
[0027] 所述弃流时间点可根据后期集雨及降雨污染物变化情况通过所述控制器进行实 时调整。
[0028] 所述弃流装置主要为可控制的机械弃流装置，通过控制器驱动弃流管道阀门关 闭，所述控制器在所述弃流时间点控制弃流装置进行相应的开闭动作。
[0029]所述弃流装置的供电装置包括太阳能板、蓄电池供电、110V-220V交流电源。
[0030] -种可变初期雨水弃流控制方法，包括以下步骤：
[0031] 步骤1:气象接收系统将接收的天气降雨预报和气象降雨数据传输至控制器；
[0032] 步骤2:所述控制器根据本次降雨所处的时段、与上次降雨的间隔天数、以及所述 天气降雨预报的降雨历时和气象降雨数据反映的实时降雨强度，结合反映上述各因素与不 同时刻雨水径流中污染物浓度变化情况的拟合经验公式，确定满足相应污染物浓度要求的 弃流时间点；
[0033] 步骤3:当所述气象数据表明降雨持续时间到达所述弃流时间点时，所述控制器控 制弃流装置进行相应的闭合动作，停止弃流，开始收集雨水。
[0034] -种可变初期雨水弃流控制系统的构造方法，包括以下步骤：
[0035] 步骤1:在集雨场地所在区域，利用区域性多年日降雨量规律对降雨进行时段划 分；
[0036] 步骤2:对所述集雨场地的每个时段的降雨进行水样采集，每个时段采集的降雨场 次不低于设定场次，每场所采集的水样不少于设定值；
[0037] 步骤3:根据实验室测定，确定所述区域雨水中的主要污染物，建立径流过程中t时 刻各污染物指标浓度Ctl与其降雨初始时径流中该污染物指标浓度(^的拟合经验公式。建 立初始径流中该污染物浓度(^与降雨间隔天数X、平均单日浓度变化值&1为统计及阶段单 场降雨后统计浓度值bH的经验公式。建立拟合经验公式C,, = ，其中C〇i = aix+bi-i，并 确保各所述拟合经验公式的拟合度满足相应要求为表征某污染物指标随降雨强度、汇 水下垫面性质变化而变化的综合因素系数，是根据已有的实测资料经统计分析得出的经验 系数，不同的降雨强度及不同的汇水下垫面对应不同的匕值大小。t为形成径流后的降雨持 续时间。
[0038] 步骤4:将各个时段的各污染物的拟合经验公式及相关参数输入PLC等可编程控制 器；
[0039] 步骤5:针对所述主要污染物，在满足后期不同水质基本要求的条件下，设定弃流 时间点为各所述各相应污染物浓度均满足要求的弃流时间点，同时可根据后期雨水资源利 用情况及污染物冲刷规律校正总结，并通过所述PLC可编程控制器对弃流时间进行实时调 整；
[0040] 步骤6:PLC可编程控制器利用气象接收系统接收的雨量、雨强、降雨持续时间等信 息，在所述弃流时间点控制弃流装置停止弃流，开始雨水收集。
[0041] 本发明的有益效果是：
[0042] 1)对多年日降雨量进行统计，并进行时段划分，克服了不同季节、时段对初期雨水 弃流采用单一弃水量的缺点，本发明能充分考虑对雨水径流收集时初期弃水量是随降雨场 次时间间隔、降雨强度、降雨时间、不同下垫面变化而变化的特点，更能反映所需初期雨水 弃流的实际情况。
[0043] 2)对集雨场先期的降雨径流进行水质分析，可有效降低后期雨水的处理流程及费 用，同时降低整体运行费用。
[0044] 3)结合集雨场实时降雨径流污染物浓度采样及后期弃流后水质测定，可对拟合经 验公式进行实时调整，以达到对初期弃水量实现更准确的动态控制。
【具体实施方式】
[0045] 下面对本发明进行详细说明。
[0046] 实施例：
[0047] -种可变初期雨水弃流控制系统，包括气象接收系统、控制器和弃流装置;所述气 象接收系统将接收的天气预报和实时的气象降雨数据传输至所述控制器;所述控制器根据 本次降雨与上次降雨的间隔天数，所述天气预报所获取的降雨强度、降雨初期污染物浓度 变化情况和雨水径流过程中t时刻相应污染物浓度之间的相互关系，确定满足各所述相应 污染物指标浓度要求的弃流时间点，并控制所述弃流装置在所述弃流时间点停止弃流，开 始收集雨水。
[0048]弃流装置主要为可控制的机械弃流装置，通过控制装置驱动弃流管道阀门关闭， 所述控制器在所述弃流时间点控制弃流装置进行相应的开闭动作。
[0049] -种初期雨水弃流系统构建方法，其特征在于：
[0050] 1)通过可编程设备设定时间段，根据降雨强度的不同设定单次降雨所处时间段；
[0051] 2)根据汇水面性质、雨水径流中污染物情况、气象接收系统接收的降雨数据等，可 编程的控制设备自动设定拟定经验公式中的参数取值；
[0052] 3)针对试验确定收集雨水径流场地初期雨水主要污染物，在满足后期不同水质基 本要求的条件下，设定弃流时间点为所有相应污染物浓度均满足相应浓度要求的最短时间 值，同时可根据后期降雨径流各主要污染物指标浓度的变化或雨水径流资源利用情况的变 化通过可编程的控制设备对弃流时间进行实时调整，以达到对初期弃水量实现更准确的动 态控制；
[0053] 4)通过拟定经验公式体现降雨间隔天数、降雨强度、持续时间与雨水径流中污染 物浓度变化的相关性，其中降雨强度及降雨持续时间通过气象接收装置对其进行确定，利 用PLC等控制器通过控制弃流设备对降雨间隔天数进行自动判定，对弃流时间进行协同控 制。与现有技术相比，本发明能够充分考虑雨水径流收集时初期弃水量是随降雨场次时间 间隔、降雨强度、降雨时间、不同下垫面变化而变化的特点，更能反映所需初期雨水径流弃 流的实际情况，并能因地、因时、降雨情况或水中污染物浓度的变化实时设定弃流时间，更 加准确地保证水质满足更多条件的需求，实现雨水径流资源的清洁利用。
[0054] 对降雨径流中污染物浓度变化情况进行研究，根据下垫面条件的不同，将汇水区 域划分为绿地、屋面和道路(包括人行道和广场等）。在实验室确定所在区域初期雨水中的 主要污染物，例如总悬浮固体颗粒(TSS)，化学需氧量(C0D)，总磷(TP)，总有机碳(TC)等。
[0055] 对清洁型流域降雨径流集蓄场进行水样采集，并在实验室测定主要污染物浓度， 利用多场次大量检测数据统计分析可得出雨水中污染物浓度随时间变化的规律。
[0056] 所述确定时间段及参数确定方法如下：
[0057] 确定雨水径流集场地所在区域，利用区域性多年日降雨量规律对降雨进行时段划 分。对集雨区域每个时段的初期降雨径流进行水样采集。针对每个时段测定5场以上典型降 雨径流，针对集雨场每场降雨采样初期雨水径流10个以上，并在实验室确定所在区域初期 雨水径流中的主要污染物，例如总悬浮固体颗粒(TSS)，化学需氧量(C0D)，总磷(TP)，总有 机碳(TC)等。
[0058]建立径流过程中t时刻各污染物浓度Cti与其初始时径流中污染物浓度C〇i的指数 经验公式和其决定系数心2。
[0059] 根据建立的经验公式的决定系数心2判定雨水径流中污染物Ctl与其初始浓度(^的 关系拟合度的优劣，当心 2 2 〇. 80时，认为经验公式拟合程度较好，经验公式可用，否则应进 行更多次的水样检测，获取更多的试验资料数据对经验公式进行拟合，直到所获得的数据 满足拟合决定系数Ri 2 2 0.80要求为止。
[0060] 上述拟合经验公式为= ,其中CQl为某种污染物指标初始雨水径流中的浓 度，单位mg/L; (^为某种污染物指标在雨水径流t时刻的浓度，单位mg/L;匕为表征某污染物 指标随降雨强度、汇水下垫面性质变化而变化的综合因素系数(单位mirT 1)，是根据已有的 实验资料经统计分析得出的经验系数，不同的降雨强度及不同的汇水下垫面对应不同的1^ 值大小。t为形成径流后的降雨持续时间，单位:min。
[0061] 对单个时段多场雨水径流采样间隔时间进行确定，确定单个时段降雨间隔与初始 径流中的污染物浓度的关系，拟合一次线性回归方程CoFa^+bn，其中x为间隔天数， &1为 某种污染物指标统计平均单日浓度变化值，bH为某种污染物指标上次单场降雨后记录浓 度值。
[0062] 根据后期雨水利用对水质的要求，确定主要污染物，设定主要初期雨水弃流时主 要污染物浓度，从而可编程的控制设备将利用上述拟合经验公式确定各主要污染物合理的 弃流时间，并进行比较，选择t较大的时间自动停止弃流，开始对雨水进行集蓄。
[0063] 雨水径流采样频率为秒级或分钟级。
[0064] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般 原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明 的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施 例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种可变初期雨水弃流控制系统，其特征在于:包括气象接收系统、控制器和弃流装 置;所述气象接收系统将接收天气预报和实时的气象数据传输至所述控制器;所述控制器 根据降雨间隔天数及所述天气预报和所述气象数据确定所收集雨水的各相应污染物浓度 均满足要求的弃流时间点，并控制所述弃流装置在所述弃流时间点停止弃流，开始收集雨 水。2. 根据权利要求1所述的一种可变初期雨水弃流控制系统，其特征在于:所述气象接收 系统，可从气象站接收所述天气降雨预报和气象实时数据，所述气象实时数据包括实时监 测的降雨量、降雨强度和降雨的持续时间。3. 根据权利要求1所述的一种可变初期雨水弃流控制系统，其特征在于:所述控制器根 据拟合经验公式确定弃流时间点，所述拟合经验公式体现本次降雨所处的时段、降雨间隔 天数、降雨强度、降雨持续时间、降雨初期污染物浓度变化情况和雨水径流过程中t时刻相 应污染物浓度之间的相互关系，所述拟合经验公式是根据在该地的降雨径流采集水样经实 验室检测，统计分析检测数据通过拟合得出。4. 根据权利要求3所述的一种可变初期雨水弃流控制系统，其特征在于:所述拟合经验 公式为?, =C。,'4''，其中：Cti为雨水径流中第i种污染物指标t时刻的浓度;ki为表征某污染 物指标随降雨强度、汇水下垫面性质变化而变化的综合因素系数，是根据已有的实验资料 经统计分析得出的经验系数，不同的降雨强度及不同的汇水下垫面对应不同的ki值大小；t 为形成径流后的降雨持续时间;Coi是雨水径流中的某种污染物指标的初始浓度，而C〇i = aiX +bi-i，x为两场降雨间隔天数，ai为统计所得的该时段雨水径流中某种污染物指标平均单日 浓度变化值，在一个时段的曰1值不变，不同时段的曰1值不同，bi-i为上次单场降雨后记录浓度 值。5. 根据权利要求3或4所述的一种可变初期雨水弃流控制系统，其特征在于:所述拟合 经验公式是根据降雨在一年中所处的不同的时段，分别统计、拟合采样检测所得各污染物 指标数据而得出。6. 根据权利要求1或2或3所述的一种可变初期雨水弃流控制系统，其特征在于:所述相 应污染物指标为根据所收集雨水径流的水质需求所设定的一种或几种污染物指标，所述弃 流时间点为所有相应污染物浓度均满足相应浓度要求的最短时间。7. 根据权利要求6所述的一种可变初期雨水弃流控制系统，其特征在于:相应污染物的 相关浓度要求根据后期雨水资源利用对水质需求的不同而变化，所述弃流时间点根据后期 雨水资源利用情况通过所述控制器可进行实时调整。8. 根据权利要求1所述的一种可变初期雨水弃流控制系统，其特征在于:所述弃流装置 为机械弃流装置，通过控制器驱动弃流装置中弃流管道阀口关闭，所述控制器在所述弃流 时间点控制弃流装置进行相应的开闭动作。9. 一种可变初期雨水弃流控制方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1:气象接收系统将接收的天气预报和气象实时数据传输至控制器； 步骤2:所述控制器根据本次降雨所处的时段、与上次降雨的间隔天数、W及所述天气 降雨预报的降雨历时和气象降雨数据反映的实时降雨强度，结合反映上述各因素与径流中 不同时刻污染物浓度变化情况的拟合经验公式，确定满足相应污染物浓度要求的弃流时间 占 . 步骤3:当所述气象数据表明降雨持续时间到达所述弃流时间点时，所述控制器控制弃 流装置进行相应的闭合动作，停止弃流，开始收集雨水。10. -种可变初期雨水弃流控制系统的构建方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1:在集雨场地所在区域，利用区域性多年日降雨量规律对降雨进行时段划分； 步骤2:对所述集雨场地的每个时段的降雨径流进行水样采集，每个时段采集的降雨场 次不低于设定场次，每场所采集的水样不少于设定值； 步骤3:根据实验室实验检测，确定所述区域雨水径流中的主要污染物，建立雨水径流 过程中t时刻各污染物浓度Cti与其降雨初始时径流中该污染物浓度Coi的拟合经验公式，并 确保各所述拟合经验公式的拟合度满足相应要求； 步骤4:将各个时段的各污染物的拟合经验公式及相关参数输入控制器； 步骤5:针对所述主要污染物，在满足后期不同水质基本要求的条件下，设定弃流时间 点为各所述主要污染物浓度均满足要求的最短时间，同时根据后期雨水资源利用情况通过 所述化C可编程控制器对弃流时间可进行实时调整； 步骤6:控制器利用气象接收系统确定本次降雨的降雨量、降雨强度及降雨持续时间， 并在所述弃流时间点控制弃流装置停止弃流，开始雨水径流收集。
【文档编号】E03F1/00GK105839758SQ201610293070
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】孙秀玲, 李鹏程, 曹升乐, 孙蓉, 陈亮亮, 苗兴皓
【申请人】山东大学