一种城市高架桥雨水综合回收利用系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种城市高架桥雨水综合回收利用系统及其方法，本发明包括泵站、雨水收集装置、桥面喷淋装置、植被灌溉装置、路面状态传感器、雨雪传感器和土壤湿度传感器，本发明城市高架桥雨水综合回收利用方法，采用前述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，PLC控制器接受来自雨雪传感器的信号，若判定为下雨时，PLC控制器控制打开集水电磁阀和排水电磁阀，本发明各组成部分通过物联网组成整体，所收集的雨水能够根据外界环境的实际需要通过PLC控制系统进行调配，既满足了夏季高温天气对高架桥路面的喷水降温，还满足了对高架桥下植被的自动灌溉，同时在冬季下雪时，PLC控制系统能够根据外界温度需要，向路面喷洒除冰液避免路面结冰。
【专利说明】
一种城市高架桥雨水综合回收利用系统及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种城市高架桥雨水综合回收利用系统及其方法。
【背景技术】
[0002]随着我国城市人口密度的快速增长，城市交通拥堵问题也越来越严重。为了达到提高市区交通通行能力，同时节约占地空间和降低建造成本的目的，越来越多的城市开始在市区修建高架桥。高架桥的修建改善了交通环境，但是也面临着雨季时大量雨水的排放和夏天高温季节路面温度过高，以及冬天时路面容易出现冰雪等问题。此类问题很容易给高架桥造成损坏，并引发严重的交通事故，继而给人民的生命财产安全带来巨大损失。
[0003]为了解决上述问题，简单实用的做法是在高架桥面上安装雨水收集排放管路，使得雨水能够直接通过排放管路排放到高架桥下面的下水道中。但是这种方法不利于水资源的循环利用，特别是在雨季造成大量雨水的浪费。特别是夏天，高架桥面温度过高，常常还需要用洒水车进行洒水降温，并且高架桥下面的植被也需要洒水车进行人工浇灌。冬天时，为了防止高架桥路面结冰，往往也需要人工撒盐。这些方式都没有很好的循环利用雨水，导致一方面水资源不足，另一方面却在致使大量的水资源流失，不利于经济社会的可持续发展。因此开发一套集雨水收集与循环利用的智能化系统迫在眉睫。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:提供了一种安装在城市高架桥上的运用物联网技术的高架桥雨水综合回收利用系统，还提供一种高架桥雨水综合回收利用方法。
[0005]为了解决上述问题，本发明包括栗站、雨水收集装置、桥面喷淋装置、植被灌溉装置、路面状态传感器、雨雪传感器和土壤湿度传感器，栗站包括PLC控制器和抽水栗，抽水栗通过变频器与PLC控制器连接，雨水收集装置包括雨水收集器、集水管路、设置在集水管路上的集水电磁阀、清水储存器和集水水栗，雨水收集器和清水储存器通过集水水栗连接;桥面喷淋装置包括喷淋管路和设置在桥面上方的喷嘴，灌溉装置包括灌溉管路和喷头，所述的喷淋管路和灌溉管路通过电磁换向阀与栗站连接，喷淋管路上还设置有喷淋电磁阀，路面状态传感器设置在高架桥的路面上，雨雪传感器设置在高架桥上，土壤湿度传感器设置在植被土壤中，所述的集水水栗、集水电磁阀、喷淋电磁阀、电磁换向阀、路面状态传感器、雨雪传感器和土壤湿度传感器均与PLC控制器连接。
[0006]为了使喷嘴适合在高架桥上安装使用，本发明所述的喷嘴包括连接头、喷嘴体和喷孔防护装置，连接头和喷嘴体均为筒体，筒体均竖向设置，连接头与喷嘴体的上端固定连接，连接头与喷嘴体内部连通，喷嘴体的半侧筒壁上设置有喷孔，喷孔的内径从内端到外端逐渐增大，喷孔的最上端母线在水平方向上，喷孔内口的中心和外口的中心的连线与最上端母线的夹角为10° _20°，喷孔外口的中心低于喷孔内口的中心，喷孔防护装置包括防护盖、连接轴、齿轮、齿条、活塞和弹簧，防护盖为半筒体，半筒体的上边缘开有凹槽，连接轴转动插接到喷嘴体的筒壁上，连接轴一端与位于喷嘴体内的齿轮固定连接，连接轴的另一端与防护盖的上部固定连接，活塞滑动设置在喷嘴体内，弹簧一端与喷嘴体的底部固定连接，弹簧的另一端固定连接在活塞的下侧面上，齿条的一端固定在活塞的上侧面上，齿条与齿轮啮合，当弹簧处于自然状态时，活塞位于喷孔的上端，防护盖紧贴在喷嘴体的外筒壁上并覆盖在喷嘴体筒壁的喷孔上，当弹簧被压缩到一定程度时，活塞位于喷孔的下方，防护盖的轴线与喷嘴体的轴线夹角为90°，所述的凹槽的边缘贴在喷嘴体的筒壁上。喷嘴体的表面设置有喷孔防护盖，可以避免高架桥上的石灰、砂粒等阻塞喷孔，当喷嘴在使用时，水流作用于活塞上，让活塞向下运动，将通过齿轮齿条啮合，将活塞的直线运动转化成齿轮的转动，齿轮带动防护盖向上转动露出喷嘴，防护盖还可以阻挡喷孔喷出的过高的水珠，避免将水喷洒到行驶的车辆上，当活塞不使用时，弹簧依靠弹力伸展，防护盖重新覆盖住喷孔。
[0007]为了方便栗站、雨水收集和清水储存器的布置，本发明所述的栗站、雨水收集器和清水储存器均设置在高架桥下方的地面上。
[0008]为了收集比较干净的雨水和对喷淋管路进行监控，本发明所述的雨水收集器的底部还连接有排水电磁阀，排水电磁阀与PLC控制器连接，所述的喷淋管路上设置有压力传感器和流量传感器，压力传感器和流量传感器均与PLC控制器连接，由于开始的雨水较脏，开始时集水电磁阀和排水电磁阀同时打开，较脏的雨水直接流入下水道，在清洗雨水收集器时，清洗的脏水通过排水电磁阀流入下水道。
[0009]为了达到对植被较好的灌溉效果，本发明所述的集水水栗为潜水栗，所述的灌溉管路和喷头埋藏在地下，喷头为地埋喷头。
[0010]为了方便对雨水收集器和清水储存器进行水位监控，本发明所述的雨水收集器和清水储存器中均设置有液位传感器，液位传感器均与PLC控制器连接。
[0011]为了让管理人员及时了解整个系统运转信息，本发明所述的PLC控制系统还分别连接有上位机和GPRS无线模块。
[0012]为了能够检测路面温度、环境温度、水膜厚度和路面摩擦系数，本发明所述的路面状态传感器包括路面温度传感器、环境温度传感器、水膜厚度传感器和路面摩擦系数检测器。
[0013]本发明城市高架桥雨水综合回收利用方法，采用前述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，其步骤为:PLC控制器接收来自雨雪传感器的信号，若判定为下雨时，PLC控制器控制打开集水电磁阀和排水电磁阀，15分钟后关闭排水电磁阀，当雨雪传感器的下雨信号停止时，关闭集水电磁阀；集水电磁阀关闭24小时过后，PLC控制器控制打开潜水栗，当PLC控制器接收到雨水收集器中的液位传感器低于设定值时，PLC控制器关闭潜水栗；当PLC控制器接收路面状态传感器的路面温度信号高于设定值时，PLC控制器控制打开抽水栗和喷淋电磁阀以及电磁换向阀切换至喷淋管路，当PLC控制器接收路面状态传感器的路面温度低于设定值的信号时，PLC控制器关闭抽水栗和喷淋电磁阀以及电磁换向阀切换至中位;当PLC控制器接收土壤湿度传感器的湿度信号低于设定值时，PLC控制器控制打开抽水栗以及电磁换向阀切换至灌溉管路，当PLC控制器接收土壤湿度传感器的湿度信号高于设定值时，PLC控制器关闭抽水栗以及切换电磁换向阀至中位;当PLC控制器接收清水储存器中的液位传感器的感应信号低于设定值时，PLC控制器控制上位机以及通过GPRS无线模块发出警报。
[0014]为了在冬季对路面进行除冰，当PLC控制器接收来自环境温度传感器的环境温度低于设定值时，潜水栗不再开启，清水储存器中加入除冰液，当PLC控制器接收路面状态传感器的路面摩擦系数低于设定值时，PLC控制器控制打开抽水栗和喷淋电磁阀以及电磁换向阀切换至喷淋管路，当PLC控制器接收路面状态传感器的路面摩擦系数高于设定值的信号时，PLC控制器关闭抽水栗和喷淋电磁阀以及电磁换向阀切换至中位。
[0015]本发明的有益效果是:本发明各组成部分通过物联网组成整体，所收集的雨水能够根据外界环境的实际需要通过PLC控制系统进行调配，不需要人工去操作，既满足了夏季高温天气对高架桥路面的喷水降温，还满足了对高架桥下植被的自动灌溉，同时在冬季下雪时，PLC控制系统能够根据外界温度需要，向路面喷洒除冰液避免路面结冰，本发明实现了对高架桥雨水的收集以及对收集雨水的多功能利用，大大提高了对自然资源的利用率。
【附图说明】
[0016]图1为城市高架桥雨水综合回收利用系统的结构示意图；
图2为城市高架桥雨水综合回收利用系统的控制原理图；
图3为城市高架桥雨水综合回收利用系统的喷嘴的主视图；
图4为城市高架桥雨水综合回收利用系统的喷嘴的侧视图；
图5为城市高架桥雨水综合回收利用系统的喷嘴的主剖视图；
图6为城市高架桥雨水综合回收利用系统的喷嘴的侧剖视图。
[0017]其中:1、喷嘴，2、路面状态传感器，3、栗站，4、喷淋电磁阀，5、清水储存器，6、集水电磁阀，7、雨水收集器，8、土壤湿度传感器，9、地埋喷头，10、潜水栗，11、电磁换向阀，12、排水电磁阀，13、雨雪传感器，1-1、连接头，1-2、连接轴，1-3、防护盖，1-4、喷嘴体，1-5、喷孔，1_6、弹貪，1_7、活塞，1_8、活塞环，1-9、齿条，1-1 O、齿轮。
【具体实施方式】
[0018]如图1和图2所示的城市高架桥雨水综合回收利用系统，包括栗站3、雨水收集装置、桥面喷淋装置、植被灌溉装置、路面状态传感器2、雨雪传感器13和土壤湿度传感器8，路面状态传感器2、雨雪传感器13和土壤湿度传感器8均为现有的传感器装置，栗站3包括PLC控制器和抽水栗，抽水栗通过变频器与PLC控制器连接，雨水收集装置包括雨水收集器7、集水管路、设置在集水管路上的集水电磁阀6、清水储存器5和集水水栗，集水水栗为现有技术中的潜水栗10，雨水收集器7和清水储存器5通过潜水栗10连接，雨水收集器7的底部还连接有排水电磁阀12，雨水收集器7和清水储存器5中均设置有液位传感器;桥面喷淋装置包括喷淋管路和设置在桥面上方的喷嘴I，所述的喷淋管路上设置有压力传感器和流量传感器，用于检测喷淋管路中的水压和流量，在喷淋管路发生故障时，及时通过上位机和无线模块发出警报，灌溉装置包括灌溉管路和喷头，灌溉管路和喷头埋藏在地下，喷头为现有技术已经存在的地埋喷头9，所述的喷淋管路和灌溉管路通过电磁换向阀11与栗站3连接，喷淋管路上还设置有喷淋电磁阀4，路面状态传感器2包括路面温度传感器、环境温度传感器、水膜厚度传感器和路面摩擦系数检测器，路面状态传感器2设置在高架桥的路面上，雨雪传感器13设置在高架桥上，土壤湿度传感器8设置在植被土壤中，所述的潜水栗10、集水电磁阀6、排水电磁阀12、喷淋电磁阀4、电磁换向阀11、压力传感器、流量传感器、路面状态传感器2、雨雪传感器13和土壤湿度传感器8均与PLC控制器连接，PLC控制系统还分别连接有上位机和GPRS无线模块，所述的栗站3、雨水收集器7和清水储存器5均设置在高架桥下方的地面上。
[0019]图3和图4所示的喷嘴，包括连接头1-1、喷嘴体1-4和喷孔防护装置，连接头1-1和喷嘴体1-4均为筒体，筒体均竖向设置，连接头1-1的外壁开有用于连接管路的螺纹，连接头1-1与喷嘴体1-4的上端固定连接，连接头1-1与喷嘴体1-4内部连通，喷嘴体1-4的半侧筒壁上设置有喷孔1-5，喷孔1-5设置有三排，每排均有6个喷孔1-5，每排的相邻喷孔1-5的夹角为30°，喷孔1-5的内径从内端到外端逐渐增大，喷孔1-5的最上端母线在水平方向上，喷孔1-5内口的中心和外口的中心的连线与最上端母线的夹角为10°-20°，优选为15°，喷孔1-5外口的中心低于喷孔1-5内口的中心，如图5和图6所示，喷孔防护装置包括防护盖1-3、两个连接轴1-2、两个齿轮1-10、两个齿条1-9、活塞1-7和弹簧1-6，防护盖1-3为从筒体中心经过的一分为二的半筒体，半筒体的上边缘开有凹槽，两个连接轴1-2分别与半筒体的凹槽的两侧固定连接，连接轴1-2—端与位于喷嘴体1-4内的齿轮1-10固定连接，连接轴1-2的另一端与防护盖1-3的上部固定连接，活塞1-7通过活塞环1-8滑动设置在喷嘴体1-4的内腔，活塞环1-8固定在活塞1-7上，主要用于活塞1-7的密封和防止活塞1-7过渡磨损，弹簧1-6—端与喷嘴体1-4的底部固定连接，弹簧1-6的另一端固定连接在活塞1-7的下侧面上，齿条1-9的一端固定在活塞1-7的上侧面上，齿条1-9的上端为了减少水压冲击做成圆锥状，齿条1-9与齿轮1-10啮合，两个齿轮1-10和齿条1-9关于喷嘴体1-4的中心轴线对称，当弹簧1-6处于自然状态时，活塞1-7位于喷孔1-5的上端，防护盖1-3紧贴在喷嘴体1-4的外筒壁上并覆盖在喷嘴体1-4的筒壁的喷孔1-5上，当弹簧1-6被压缩到一定程度时，活塞1-7位于喷孔1-5的下方，防护盖1-3的轴线与喷嘴体1-4的轴线夹角为90°，防护盖1-3凹槽的边缘贴在喷嘴体1-4的筒壁上。
[0020]采用如图1所示的城市高架桥雨水综合利用回收装置的城市高架桥雨水综合回收利用方法，步骤如下:PLC控制器接收来自雨雪传感器13的信号，若判定为下雨时，PLC控制器控制打开集水电磁阀6和排水电磁阀12，15分钟后关闭排水电磁阀12，当雨雪传感器13的下雨信号停止时，关闭集水电磁阀6;集水电磁阀6关闭24小时过后，PLC控制器控制打开潜水栗10，当PLC控制器接收到雨水收集器7中的液位传感器低于设定值时，PLC控制器关闭潜水栗10;当PLC控制器接收路面状态传感器2的路面温度信号高于设定值时，PLC控制器控制打开抽水栗和喷淋电磁阀4以及电磁换向阀11切换至喷淋管路，当PLC控制器接收路面状态传感器2的路面温度低于设定值的信号时，PLC控制器关闭抽水栗和喷淋电磁阀4以及电磁换向阀11切换至中位；当PLC控制器接收土壤湿度传感器8的湿度信号低于设定值时，PLC控制器控制打开抽水栗以及电磁换向阀11切换至灌溉管路，当PLC控制器接收土壤湿度传感器8的湿度信号高于设定值时，PLC控制器关闭抽水栗以及切换电磁换向阀11至中位；当PLC控制器接收清水储存器5中的液位传感器的感应信号低于设定值时，PLC控制器控制上位机以及通过GPRS无线模块发出警报；当PLC控制器接收来自路面状态传感器2的测得环境温度低于设定值时，潜水栗10不再开启，清水储存器5中加入除冰液，当PLC控制器接收路面状态传感器2的路面摩擦系数低于设定值时，PLC控制器控制打开抽水栗和喷淋电磁阀4以及电磁换向阀11切换至喷淋管路，当PLC控制器接收路面状态传感器2的路面摩擦系数高于设定值的信号时，PLC控制器关闭抽水栗和喷淋电磁阀4以及电磁换向阀11切换至中位。
[0021]上述除冰的方法只适用于冬季，上述城市高架桥雨水综合利用回收方法在夏季能够降温除尘，在冬季能够防冰除雪。
[0022]本具体实施例中的喷嘴的工作原理如下:当夏天桥面温度较高，需要喷水降温时，水栗就可以将所收集到的雨水栗送到蜂窝式喷嘴体1-4内，水压P开始作用于活塞6的顶部，根据公式可以计算出活塞1-7受到的水压力为F=l/4P*3id2，其中d为活塞直径。并根据弹簧变形公式F=k*x，k为弹簧弹性系数，X为弹簧变形量。通常高架桥喷淋系统需满足水压为
0.5Mpa时，喷水距离能够覆盖两个车道，宽度能达6m。所以上述两个方程可以用来确定弹簧1-6和活塞1-7的选型和安装位置，保证水压为0.5Mpa是活塞1-7能够下移到所有喷孔1-5打开的位置。当喷嘴在使用时，活塞1-7在水流的作用下开始下移，活塞1-7的下移带动齿条1-9的下移，齿轮1-10与齿条1-9啮合，齿条1-9带动齿轮1-10转动，齿轮1_10通过连接轴1_2带动防护盖1-3向上转动，当水压为0.5MPa时，防护盖I_3正好向上转动90°，防护盖I_3还可以用于阻挡喷孔1-5喷出的过高的水珠，防止水珠喷洒到行驶的车辆上；当喷嘴停止使用时，弹簧1-6由压缩伸展为自然状态，防护盖1-3重新转动下来覆盖在喷嘴体筒壁的喷孔上，防止高架桥上的石灰、砂粒等堵塞喷孔1-5。
【主权项】
1.一种城市高架桥雨水综合回收利用系统，其特征在于:包括栗站、雨水收集装置、桥面喷淋装置、植被灌溉装置、路面状态传感器、雨雪传感器和土壤湿度传感器，栗站包括PLC控制器和抽水栗，抽水栗通过变频器与PLC控制器连接，雨水收集装置包括雨水收集器、集水管路、设置在集水管路上的集水电磁阀、清水储存器和集水水栗，雨水收集器和清水储存器通过集水水栗连接;桥面喷淋装置包括喷淋管路和设置在桥面上方的喷嘴，灌溉装置包括灌溉管路和喷头，所述的喷淋管路和灌溉管路通过电磁换向阀与栗站连接，喷淋管路上还设置有喷淋电磁阀，路面状态传感器设置在高架桥的路面上，雨雪传感器设置在高架桥上，土壤湿度传感器设置在植被土壤中，所述的集水水栗、集水电磁阀、喷淋电磁阀、电磁换向阀、路面状态传感器、雨雪传感器和土壤湿度传感器均与PLC控制器连接。2.根据权利要求1所述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，其特征在于:所述的喷嘴包括连接头、喷嘴体和喷孔防护装置，连接头和喷嘴体均为筒体，筒体均竖向设置，连接头与喷嘴体的上端固定连接，连接头与喷嘴体内部连通，喷嘴体的半侧筒壁上设置有喷孔，喷孔的内径从内端到外端逐渐增大，喷孔的最上端母线在水平方向上，喷孔内口的中心和外口的中心的连线与最上端母线的夹角为10° -20°，喷孔外口的中心低于喷孔内口的中心，喷孔防护装置包括防护盖、连接轴、齿轮、齿条、活塞和弹簧，防护盖为半筒体，半筒体的上边缘开有凹槽，连接轴转动插接到喷嘴体的筒壁上，连接轴一端与位于喷嘴体内的齿轮固定连接，连接轴的另一端与防护盖的上部固定连接，活塞滑动设置在喷嘴体内，弹簧一端与喷嘴体的底部固定连接，弹簧的另一端固定连接在活塞的下侧面上，齿条的一端固定在活塞的上侧面上，齿条与齿轮啮合，当弹簧处于自然状态时，活塞位于喷孔的上端，防护盖紧贴在喷嘴体的外筒壁上并覆盖在喷嘴体筒壁的喷孔上，当弹簧被压缩到一定程度时，活塞位于喷孔的下方，防护盖的轴线与喷嘴体的轴线夹角为90°，所述的凹槽的边缘贴在喷嘴体的筒壁上。3.根据权利要求2所述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，其特征在于:所述的栗站、雨水收集器和清水储存器均设置在高架桥下方的地面上。4.根据权利要求3所述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，其特征在于:所述的雨水收集器的底部还连接有排水电磁阀，排水电磁阀与PLC控制器连接，所述的喷淋管路上设置有压力传感器和流量传感器，压力传感器和流量传感器均与PLC控制器连接。5.根据权利要求4所述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，其特征在于:所述的集水水栗为潜水栗，所述的灌溉管路和喷头埋藏在地下，喷头为地埋喷头。6.根据权利要求5所述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，其特征在于:所述的雨水收集器和清水储存器中均设置有液位传感器，液位传感器均与PLC控制器连接。7.根据权利要求6所述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，其特征在于:所述的PLC控制系统还分别连接有上位机和GPRS无线模块。8.根据权利要求7所述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，其特征在于:所述的路面状态传感器包括路面温度传感器、环境温度传感器、水膜厚度传感器和路面摩擦系数检测器。9.一种城市高架桥雨水综合回收利用方法，采用如权利要求8所述的城市高架桥雨水综合回收利用系统，其特征在于:PLC控制器接收来自雨雪传感器的信号，若判定为下雨时，PLC控制器控制打开集水电磁阀和排水电磁阀，15分钟后关闭排水电磁阀，当雨雪传感器的下雨信号停止时，关闭集水电磁阀；集水电磁阀关闭24小时过后，PLC控制器控制打开潜水栗，当PLC控制器接收到雨水收集器中的液位传感器低于设定值时，PLC控制器关闭潜水栗；当PLC控制器接收路面状态传感器的路面温度信号高于设定值时，PLC控制器控制打开抽水栗和喷淋电磁阀以及电磁换向阀切换至喷淋管路，当PLC控制器接收路面状态传感器的路面温度低于设定值的信号时，PLC控制器关闭抽水栗和喷淋电磁阀以及电磁换向阀切换至中位；当PLC控制器接收土壤湿度传感器的湿度信号低于设定值时，PLC控制器控制打开抽水栗以及电磁换向阀切换至灌溉管路，当PLC控制器接收土壤湿度传感器的湿度信号高于设定值时，PLC控制器关闭抽水栗以及切换电磁换向阀至中位；当PLC控制器接收清水储存器中的液位传感器的感应信号低于设定值时，PLC控制器控制上位机以及通过GPRS无线模块发出警报。10.根据权利要求9所述的城市高架桥雨水综合回收利用方法，其特征在于:当PLC控制器接收来自环境温度传感器的环境温度低于设定值时，潜水栗不再开启，清水储存器中加入除冰液，当PLC控制器接收路面状态传感器的路面摩擦系数低于设定值时，PLC控制器控制打开抽水栗和喷淋电磁阀以及电磁换向阀切换至喷淋管路，当PLC控制器接收路面状态传感器的路面摩擦系数高于设定值的信号时，PLC控制器关闭抽水栗和喷淋电磁阀以及电磁换向阀切换至中位。
【文档编号】E01H10/00GK106049603SQ201610635902
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月5日 公开号201610635902.1, CN 106049603 A, CN 106049603A, CN 201610635902, CN-A-106049603, CN106049603 A, CN106049603A, CN201610635902, CN201610635902.1
【发明人】石庆国, 孙大志, 刘文江, 丁晓冬, 周学升, 俞涛, 陈杰
【申请人】山东交通学院