一种智慧山体初雨调蓄除污系统及其原位自驱动利用方法与流程

本发明属于面源污染控制控制领域。

背景技术：

随着城市化进程的加快，单纯的追求城市规模的弊端逐渐凸现出来，部分城市的山体景观植被受到不同程度的破坏，水土流失严重，影响到了城市的可持续发展。现行的城市排水系统是基于快速排放的理念，即利用排水管网将地表径流快速排到附近受纳河道或水体中，虽然能在短时间内将山体坡面附近的积水排走，但是在其运行过程中也存在了一些实际问题。

首先，排水管网基础设施落后，信息化水平较低。尤其是由强降雨带来的地表径流的进水水质和水量波动较大时，往往会造成排水管网系统在运行、维护等方面处于不稳定的状态。专利申请号为cn201520361486.1的文件提出了一种收集山体表面径流的储水装置，基本思路是将储水器设置在山腰附近，并用弧形槽聚拢来集水。虽然能够收集山体坡面产生的地表径流，但是水质质量不明确，极度影响收集雨水的再利用。

其次，城市雨水排水管道系统的维护管理困难。渗漏和堵塞是给排水管道容易出现的运营问题。排水管道一旦发生堵塞很难识别堵塞的具体位置，因此，往往需要投入较大的人力和成本进行梳通。专利申请号为cn201510772160.2的文件提出了一种对山体进行排水的方法，基本思路是在山体的顶部及坡面挖槽，放入虹吸导流管后回填覆盖；山体坡面处向山体内部打孔，插入虹吸导流管。虽然能够将山体坡面产生的地表径流排走，但是工程量大，极易发生导流管堵塞现象。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有技术存在工程量大、导流管堵塞和水质质量不明确等问题，本发明提出了一种智慧山体初雨调蓄除污系统及其原位自驱动利用方法。

技术方案：本发明提供了一种智慧山体初雨调蓄除污系统，包括：第一、二人工洼地、雨量计、尖斗排砂池、生物滤池、储水段、陶粒池、水泵、数据监控处理系统、基站、移动终端、排水管、第一、二反冲洗排泥管、第一管道和喷灌管；所述生物滤池由上往下依次包括草本植被、过滤层、第二布水板和沉淀池；所述沉淀池通过第一管道与储水段连接；所述储水段为长方体结构；所述陶粒池设置在储水段内，包括高度为h、长为s、宽为w的长方体结构的容器、第一布水板、填料压紧板和陶粒过滤层，所述容器体积小于储水段的体积，固定设置在储水段的与第一管道连接的内壁上，且容器的底部与储水段的底部的垂直距离为d；第一布水板和填料压紧板设置在容器的开口处，第一布水板和填料压紧板的宽均等于w，长均等于1/2s；所述第一布水板和填料压紧板之间设有防水隔离片，且该防水隔离片的顶部与第一布水板的表面齐平，底部延伸至容器内，与容器底部之间的距离为d，d＞0；所述陶粒过滤层包括陶粒，所述陶粒均匀的填充在容器内；

所述第一、二人工洼地均设置在山体斜坡上，第一人工洼地与山体底端的直线距离占整个山体斜坡的长度的2/3，第二人工洼地与山体底端的直线距离占整个山体斜坡的长度的1/3：所述雨量计设置在平地上，且与山体底端的水平距离为x，降雨时，雨水径流依次流过第一、二人工洼地和雨量计后，流入尖斗排砂池内，所述雨量计实时采集雨水径流流速，并上传至数据监控处理系统；所述尖斗排砂池的内壁上设有第一、二自动化阀门，且第一自动化阀门与尖斗排砂池底端的垂直距离大于第二自动化阀门与尖斗排砂池底端的垂直距离，若雨量计测得到的雨水径流流速≥1m/s，则数据监控处理系统控制第一自动化阀门打开，否则控制第二自动化阀门打开；所述雨水径流通过第一自动化阀门或第二自化阀门流入生物滤池；在生物滤池内雨水依次经过草本植被和过滤层过滤后，通过第二布水板流入沉淀池；所述沉淀池的内壁上设有第一水质传感器，当沉淀池中的水位达到第一水质传感器的位置时，第一水质传感器分析沉淀池中水的水质指标，并上传至数据监控处理系统；所述第一管道与储水段的连接处设有开启状态的第三自动化阀门，当沉淀池中的水位达到第三自动化阀门时，沉淀池中的水通过第三自动化阀门流入陶粒池，再经过第一布水板流入陶粒过滤层，并在陶粒过滤层中经过循环往复式运动后通过填料压紧板流入储水段；所述储水段的底端连接排水管，连接处设有第四自动化阀门；所述储水段的内壁上设有第二水质传感器和水位分析仪，且水位分析仪与储水段底部的垂直距离大于第二水质传感器与储水段底部的垂直距离；当储水段中的水位达到第二水质传感器的高度时，第二水质传感器检测储水段中水的水质指标，并上传至数据监控处理系统；当储水段中的水位达到水位分析仪的高度时，数据监控处理系统控制第四自动化阀门打开，储水段的中的水经由排水管排放至城市景观用水；

所述喷灌管为三通管，包括一个进水口和第一出水口，所述进水口连接水泵，第一出水口与第一管道垂直连接，且连接处设有第七自动化阀门；所述尖斗排砂池的底端与第一反冲洗排泥管连接，连接处设有第五自动化阀门，所述尖斗排砂池底部的内壁上还设有第一压力传感器，实时采集尖斗排砂池内的压力数据，并上传至数据监控处理系统；所述沉淀池的底端与第二反冲洗排泥管连接，连接处设有第六自动化阀门，所述沉淀池底部的内壁上还设有第二压力传感器，实时采集沉淀池内的压力数据，并上传至数据监控处理系统；所述数据监控处理系统对降雨前第一压力传感器采集的数据p1与雨停后第一压力传感器采集的数据p2进行比较，若p2-p1≥预设的阈值，则数据监控处理系统控制第五自动化阀门打开，尖斗排砂池内的污泥从第一反冲洗排泥管排出；同时数据监控处理系统对降雨前第二压力传感器采集的数据p3与雨停后第二压力传感器采集的数据p4进行比较，若p4-p3≥预设的阈值，则数据监控处理系统控制第六、七自动化阀门打开，第三自动化阀门关闭，并控制水泵抽取储水段中的水对沉淀池进行反冲洗；

所述数据监控处理系统实时将收到的数据通过基站传送至移动终端，若沉淀池和储水段内的水质指标超过预设的阈值，数据监控处理系统通过基站向移动终端发出警报。

进一步的，所述过滤层包括由上往下设置的表层土、砾石、细沙。

进一步的，该系统还包括土壤湿度传感器和弧形坝，所述喷灌管还包括第二出水口；所述土壤湿度传感器设在表层土上，所述喷灌管的第二出水口高于生物滤池，且第二出水口和生物滤池之间通过弧形坝连接；所述土壤湿度传感器实时采集草本植被的土壤的含水率，并上传至数据监控处理系统；数据监控处理系统判断草本植被的土壤的含水率与预设的湿度下限预置点rp1的距离，以及草本植被的土壤的含水率与预设的湿度上限预置点rp2的距离；若含水率小于rp1，且未来y天内的天气均无降雨，则数据监控处理系统控制水泵抽取储水段中的水，并依次通过喷灌管的第二出口、弧形坝对草本植被进行灌溉；若储水段中的水超过x天没有达到水位分析仪的高度且未来y天内的天气均无降雨，数据监控处理系统通过基站向移动终端发出警报，负责人收到警报后通过排水管向储水段中注入自来水。

进一步的，所述表层土为煤矸石粉改性后的土壤，深度为10-15cm；砾石的直径＜12cm，厚度为2-4cm；细沙层的厚度为5-7cm。

进一步的，所述陶粒的制作方法为：将水厂的污泥自然风干后放入粉碎机中研磨成粉末，基于100目的标准筛对粉末进行筛分，将粘土、铁炭混合物以及筛分后得到的粉末按照1：0.2：3～4的质量比均匀混合得到制备原料混合物，所述铁炭混合物包括铁削和生物炭；利用成球机将制备原料混合物制备成生料球，筛选出粒径为6-8mm的生料球，并将该生料球放入到烘箱中烘干；将烘干后的生料球放入马弗炉中，先预热20-30min，其次将马弗炉的温度升至1150℃后再加热30min-40min，最后关闭马弗炉，待马弗炉中的温度降到400℃后打开炉门取出生料球，将生料球冷却至室温，则得到陶粒。

进一步的，所述陶粒过滤层的厚度为150-200cm，长宽均为200-350cm，d＝150～200cm。

进一步的，所述尖斗排砂池包括排砂池和设置在排沙池下方的尖斗；所述尖斗排砂池的内长与有效水深之比小于3，尖斗与排砂池竖壁的夹角为45°。

进一步的，其第一、二人工洼地的边缘均用混凝土加固。

一种智慧山体初雨调蓄除污系统的原位自驱动利用方法，具体包括如下步骤：

步骤1、缓解山体斜坡上的雨水径流的冲击力后，利用尖斗排砂池和生物滤池对雨水进行水泥分离；

步骤2：对水泥分离后的水进行过滤，并将过滤后的水存储至储水段；

步骤3：当生物滤池中草本植被的土壤的含水率低于预设的阈值，且未来y天内的天气均无降雨，则抽取储水段中的水对草本植被进行灌溉；当储水段中的水超过x天均低于储水段内水位分析仪的高度，且未来y天内的天气均无降雨，则人工通过与储水段底端连接的排水管向储水段内排入自来水。

有益效果：

(1)除污效益：在智能雨水处理系统内，生物滤池和自制的陶粒对地表径流污染物均具有除污作用，可以有效的去除地表径流内的污染物质，同时将水体内沉积物过滤，有利于水体后续的利用。

(2)调蓄效益：在应对降雨强度较大或者降雨时间较长的情况时，尖斗排砂池可以提供一定容积用于缓减径流峰值，储存水资源，便于之后进行再处理与利用。

(3)水资源节约效益：所收集的雨水可用于城市绿化的浇灌或者道路的喷洒，极大的节省水资源的消耗。

(4)低影响开发效益：所建设的智能雨水处理装置以低影响为前提，在实际应用过程中，该设施对环境功能造成的破坏能降到最低，该设施建设于城市公园山体坡面附近，并且绝大部分设施采用为地埋式，因此本设施所占用的空间很小。

附图说明

图1本发明的结构图。

附图说明：1a：第一人工洼地；1b：第二人工洼地；2：雨量计；3：尖斗排砂池；4a：第一压力传感器；4b：第二压力传感器；5a：第一自动化阀门；5b：第二自动化阀门；5c：第三自动化阀门；5d：第四自动化阀门；5e：第五自动化阀门；5f：第六自动化阀门；5g：第七自动化阀门；6：过滤层；7：水位分析仪；8a：第一水质传感器；8b：第二水质传感器；9：第一布水；10：填料压紧板；11：陶粒过滤层；12：水泵；13：数据监控处理系统；14：基站；15：移动终端；16：排水管；17：灌溉管；18：土壤湿度传感器；19a：第一反冲洗排泥管；19b：第二反冲洗排泥管；20：沉淀层；21：储水段。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

如图1所示，本实施例提供一种智慧山体初雨调蓄除污系统主要包括人工修建的第一洼地1a、第二洼地1b、雨量计2、尖斗排砂池3、第一压力传感器4a、第二压力传感器4b、第一～第七自动化阀门5a、5b、5c、5d、5e、5f、生物滤池，水位分析仪7、第一水质传感器8a、第二水质传感器8b、第二布水板9、填料压紧板10、陶粒池、储水段21、水泵12、数据监控处理系统13、基站14、移动终端15、排水管16、喷灌管17、土壤湿度传感器18、第一反冲洗排泥管19a、第二反冲洗排泥管19b、沉淀池20。

智慧山体初雨调蓄除污系统可包括如下系统：

(1)降雨强度智能监测系统

当雨水径流从山体坡面流过的时候，先经过人工修建的第一、二洼地1a、1b；人工修建的两处洼地分别位于距山体底端1/3及2/3处，洼地宽度在40-70cm，深度在50cm左右。雨水从山体坡面流到过雨量计2，雨量计可以自动记录雨水径流流速并通过rtu设备上传至数据监控处理系统13，后者会根据雨量计上传的信息会自动预测本次降水所造成的地表径流量。若雨量计记录的流速≥1m/s，数据监控处理系统13则会操纵尖斗排砂池3上的第一自动化阀门5a打开；反之，操纵第二自动化阀门5b打开。避免过大的水量对生物滤池等后续设备造成损坏。

(2)水质智慧分析处理系统

雨水径流流经尖斗排砂池3，在这里完成初期径流的泥水分离；然后经5a或5b中一个的流入生物滤池装置。生物滤池装置上往下依次包括过草本植被、过滤层6、第二布水板和沉淀池20；经过草本植被和过滤层过滤后的水通过第二布水板汇往沉淀池，完成雨水的第二次泥沙分离。当水位高度达到沉淀池中设置的第一水质分析仪8a的高度时，第一水质分析仪自动分析各种水质指标(如cod、tn、tp等)并将其值上传至数据监控处理系统13。

所述储水段为长方体结构；所述陶粒池设置在储水段内，包括高度为h、长为s、宽为w的长方体结构的容器、第一布水板、填料压紧板和陶粒过滤层，所述容器体积小于储水段的体积，固定设置在储水段的与第一管道连接的内壁上，且容器的底部与储水段的底部的垂直距离为d；第一布水板和填料压紧板设置在容器的开口处，第一布水板和填料压紧板的宽均等于w，长均等于1/2s；所述第一布水板和填料压紧板之间设有防水隔离片，且该防水隔离片的顶部与第一布水板的表面齐平，底部延伸至容器内，与容器底部之间的距离为d，d＞0；所述陶粒过滤层包括陶粒，所述陶粒均匀的填充在容器内；所述第一布水板的使得水均匀流淌，保证了陶粒的水是均匀流淌的，从而使得陶粒被充分利用。

沉淀池通过第一管道与储水段连接，第一管道与储水段的连接处设有开启状态的第三自动化阀门5c，当沉淀池中的水位达到第三自动化阀门5c时，沉淀池中的水通过第三自动化阀门、第二布水板流入陶粒过滤层；在陶粒过滤层中水呈循环往复式运动，这样可以保证水跟陶粒有足够的接触时间，保证污染物的去除效率，获得较高的出水水质，然后通过填料压紧板流向储水段；当水流高度达到第二水质传感器8b时，实时监测此时水质并将各种指标值(如cod、tn、tp等)输入到数据监控处理系统13；达到水位分析仪7的高度时，数据监控处理系统13控制第四自动阀门5d打开，经由排水管排放至城市景观用水。

(3)智慧排泥系统

所述喷灌管17为三通管，包括一个进水口和第一、二出水口，所述进水口连接水泵12，第一出水口与第一管道垂直连接，且连接处设有第七自动化阀门5g；所述尖斗排砂池的底端与第一反冲洗排泥管19a连接，连接处设有第五自动化阀门5e，所述尖斗排砂池底部的内壁上还设有第一压力传感器4a，实时采集尖斗排砂池内的压力数据，并上传至数据监控处理系统；所述沉淀池的底端与第二反冲洗排泥管连接19b，连接处设有第六自动化阀门5f，所述沉淀池底部的内壁上还设有第二压力传感器4b，实时采集沉淀池内的压力数据，并上传至数据监控处理系统；所述数据监控处理系统对降雨前第一压力传感器采集的数据p1与雨停后第一压力传感器采集的数据p2进行比较，若p2-p1≥预设的阈值，则数据监控处理系统控制第五自动化阀门打开，尖斗排砂池内的污泥从第一反冲洗排泥管排出；同时数据监控处理系统对降雨前第二压力传感器采集的数据p3与雨停后第二压力传感器采集的数据p4进行比较，若p4-p3≥预设的阈值，则数据监控处理系统控制第六、七自动化阀门打开，第三自动化阀门关闭，并控制水泵抽取储水段中的水对沉淀池进行反冲洗；沉淀池内的污泥从第二反冲洗排泥管19b排出；本实施例中反冲洗时间约为3-5min，冲洗强度为15l/(s·m²)。

(4)智慧预警系统

数据监控处理系统13把上述检测中的检测指标值通过基站传送至移动终端，以便该系统负责人员可在办公场所和家里通过平板或手机等移动终端15实时观察数据。当第一、二水质传感器上传的检测水质参数异常，即出水悬浮物(ss)＞20mg/l，化学需氧量(cod)＞50mg/l，总磷(tp)＞0.5mg/l，总氮(tn)大于15mg/l，相关各指标预警信息可以通过短信或者通知栏消息的方式通知场负责人员，以便现场维护和检修。

优选的，第一、二人工洼地边缘均用混凝土加固，一是可以缓解水流对下方的冲击力、二是可以减少山体石块土壤的流失程度

优选的，为使水在池内分布均匀，尖斗排砂池内长与有效水深之比不宜大于3、池子长宽不宜大于8m，一般采用4-7m、地表径流在池内下流流速不应超过30mm/s、尖斗与排砂池竖壁的夹角为45°。

优选的，所述过滤层包括由上往下设置的表层土、砾石、细沙。

优选的，该系统还包括灌溉系统，在表层土上设置土壤湿度传感器18和弧形坝；所述土壤湿度传感器设在表层土上，前述喷灌管的第二出水口高于生物滤池，且第二出水口和生物滤池之间通过弧形坝连接；该传感器实时自动分析生物滤池装置中草本植被的土壤的含水率，并将数据上传至数据监控处理系统13。智能监控数据系统13内含rp1(湿度下限预置点)和rp2(湿度上限预置点)，根据草本植被的土壤的含水率与rp1和rp2的距离；若含水率小于预设的湿度下限预置点rp1，且未来y天内的天气均无降雨，则数据监控处理系统控制水泵工作，水泵抽取储水段中的水，并通过喷灌管的第二出水口，以及弧形坝引流，从而对草本植被进行灌溉；若储水段中的超过x天没有达到水位分析仪的高度且未来y天内的天气均无降雨，数据监控系统通过基站向移动终端发出警报，负责人收到警报后通过排水管向储水段中注入自来水。所述弧形坝还能防止从尖斗排砂池流出的水大范围的漫灌，从而对别的地方引发地表径流污染；弧形坝使本次降雨的地表径流能够充分的得到净化。

优选的，表层土为用煤矸石粉改性后的土壤，渗透性能良好，深度为10-15cm；砾石的用直径＜12cm，厚度为2-4cm，对污染物就有较强的吸附能力；细沙层的厚度为5-7cm，不仅渗透性好并且可以吸附多种污染。

优选的，所述陶粒的制作方法为：将水厂的污泥自然风干后放入粉碎机中研磨成粉末，基于100目的标准筛对粉末进行筛分，将粘土、铁炭混合物以及筛分后得到的粉末按照1：0.2：3～4的质量比均匀混合得到制备原料混合物，所述铁炭混合物包括铁削和生物炭；利用成球机将制备原料混合物制备成生料球，筛选出粒径为6-8mm的生料球，并将该生料球放入到烘箱中烘干；将烘干后的生料球放入马弗炉中，先预热20-30min，其次将马弗炉的温度升至1150℃后再加热30min-40min，最后关闭马弗炉，待马弗炉中的温度降到400℃后打开炉门取出生料球，将生料球冷却至室温，则得到陶粒。

优选的，基于上述陶粒制备方法的陶粒过滤层，其厚度为150-200cm，长宽均为200-350cm，基于该陶粒过滤层的厚度，d＝150～200cm。

本实施例占地面积小，成本低,若某次强降水量为200mm，山体坡面接受降雨侵蚀面积为1万m²；生物滤池有效占地面积100m²；尖斗排砂池长为600cm，宽为400cm，有效水深400cm；陶粒池长宽各为300cm，有效水深400cm；以地表径流系数0.6计算，则整个系统占地面积不足150m²。

本实施例能够节约水资源，以南京市城区为例，年可收集水量：v＝1400km²(建成区面积)×41％(绿化占比)×50％(可利用下垫面比例)×500mm(可收集降雨量)×0.8(系数)＝1.2×10⁸m³，绿化喷淋用量按照1l/(m²·h)，每年洒水100次，则每平米每年用水0.1m³，则南京市每年收集的雨水可服务面积1.2×10⁹m²；若反冲洗时间为15min，反冲洗水量为15m³/(m²·h)，尖斗排砂池冲洗面积为100m²，则单次反冲洗水量375m³，采用本发明可以节约自来水375m³。

本实施例除污效率高：本实施例可以达到出水悬浮物(ss)为3-5mg/l，化学需氧量(cod)为10-20mg/l，总磷(tp)为0.2-0.3mg/l，总氮(tn)为3-5mg/l。

本实施例借助网络、大数据、云计算等技术，实现实时监控、供水趋势预测、突发事件预警及应急处置等功能，以此构建更加精细化、智能化的城市水务政务管理、业务经营、民生服务系统，有效提升了城市供水智能化管理水平。