专利名称：水力自控初期雨水弃流方法及装置的制作方法
技术领域：
水力自控初期雨水弃流方法及装置，涉及初期雨水自动弃流方法和装置，属于市政排水或环境保护中的雨水收集利用领域。
背景技术：
国外对雨水收集和利用已开展多年。我国部分缺水严重的城市也已开展了这方面的研究工作，如北京、青岛等。由于大气中含有大量的污染物质，并且产生雨水径流的地面、道路、屋顶等也有各种污染物，因此根据国内外的研究，降雨初期形成的径流中含有大量的污染物，其水质条件比较差，往往不符合雨水收集利用的要求；或者造成后续处理工艺复杂，不符合雨水处理工艺简单、便于维护管理的要求。因此，在雨水利用时，一般倾向于将初期雨水弃流。初期雨水弃流往往涉及到弃流池规模和运行方式两个问题一，如果雨水收集范围较广，那么弃流量会相应地较大，弃流池容积较大；二，由于降雨的随机性，弃流池的放空工作存在一定的困难，尤其是在人员不便到达的地方。目前，北京建筑工程学院车伍等人研究发明了具有分流功能的初期雨水弃流装置与方法(分流式雨水自动弃流方法和装置，ZL专利号02155637.7)，该发明利用一个只需要弃流初期雨水总体积几分之一甚至几十分之一的分流室解决了弃流池容积大的问题，这种分流室确实减小了初期雨水弃流池规模，做到自动分流初期雨水(一部分收集在弃流池内，一部分直接排放掉)，然后将收集在弃流池内的初期雨水弃流排放。但是该发明在弃流池的运行上仍依赖人工操作，每一场降雨后的弃流室内积存的雨水需要人工放空，才能作为下一场雨水利用的初期雨水弃流收集。因此在人员不便到达的地方，例如对高速公路排水沟的雨水收集利用，或者无法设定专人管理的雨水收集利用设施等还是无法进行初期雨水弃流。
发明内容
本发明的目的是提供一种初期雨水自动弃流方法，用这种方法进行初期雨水弃流能在人员不便到达的地方进行，而且运行管理成本低廉。
本发明的另一目的在于设计一种结构简单可靠，制作和运行成本低廉的初期雨水自动弃流用的装置。
为了达到上述目的，本发明将简单的水力机械原理进行实际应用，在完成初期雨水弃流后，能自动为下一场雨水收集做好初期雨水弃流准备，使降雨过程中能自动弃流不能直接使用的污染重的初期雨水，将中后期能直接应用的雨水收集利用。与现有的每场降雨结束后靠人工排放放空弃流装置内的雨水，才能作为下一场雨水收集相比，具有无需人工作业，自动化程度高的优点。具体工艺如下包括确定和建设初期雨水弃流量与弃流装置的规模根据当地的多场降雨雨水水质分析和降雨量统计，选定初期雨水弃流量，然后按照初期雨水弃流量，确定弃流装置的规模，并构筑弃流装置；其特点是初期雨水采用自动弃流根据当地的多年降雨资料分析，选定两场降雨之间的间隔时间，确定弃流装置完成收集和排放所需要的总的时间，并将弃流装置的排放放空和恢复原状过程设计成自动进行，以此达到在完成初期雨水弃流后，能自动为下一场雨水的收集做好初期雨水弃流准备的目的。
实现水力自控初期雨水弃流的装置，其特点是该装置包括计时集水室和主集水室。计时集水室内的顶板上固结一磁铁，底板开设计时排放管。计时排放管内径通过水力学原理进行计算确定，满足排空计时集水室内收集的雨水时间等于两场降雨之间的时间间隔。计时排放管顶部端口设有计时排放盖板，通过计时排放控制绳将计时排放盖板与计时浮筒连结，其长度等于磁铁到计时排放盖板完全打开后的距离。磁铁的吸力大于计时浮筒加计时排放盖板的重量，以便计时集水室内的水位上升到磁铁能吸住计时浮筒时，将计时排放盖板打开，实现自动弃流的目的。计时集水室下部还设有控制浮筒，控制浮筒的重量大于磁铁对计时浮筒的吸力，其底部通过纵向限位绳和计时集水室底板连接，一侧通过横向限位绳与隔板连接。控制浮筒顶端设有两根绳，一根是与计时浮筒连接的连接绳，其长度满足控制浮筒回落到计时集水室底板时能将计时浮筒拉离磁铁。另一根是主排放控制绳，主排放控制绳通过滑轮与主集水室底板的主排放管端口上设有的主排放盖板连接，其长度满足控制浮筒回落到计时集水室底板时能将主排放盖板完全打开，实现主集水室自动排放目的。滑轮安装在计时集水室和主集水室之间的隔墙顶部。隔墙低于计时浮筒被磁铁吸牢后的底部位置。计时集水室上方有筛网，其孔径小于计时排放管的内径。
本发明的优点是1.由于本发明的自动弃流是根据当地的多场降雨雨水水质分析和降雨量统计，选定初期雨水弃流量，因此能使降雨过程自动弃流不能直接使用的污染重的初期雨水，将中后期能直接应用的雨水收集利用。
2.由于本发明的自动弃流是根据当地的多年的两场降雨之间的间隔时间，确定完成收集和排放所需要的总的时间，并将弃流装置的放空和恢复原状设计成能够自动进行的过程，因此本发明的方法的运行不依赖人工操作，在完成初期雨水弃流后，自动为下一场初期雨水弃流做好准备。
3.由于本发明的装置的计时集水室内设有一块磁石和两个浮筒，通过三根长度设定的绳索将浮筒和两个集水室内的两块盖板连接，以及计算合理的排放管内径，实现计时功能，使初期雨水弃流自动化。
4.由于本发明的装置的计时集水室上方设置一个网孔直径小于计时排放管内径的筛网，因此能够保证计时排放管正常工作。
5.由于本发明的装置的计时集水室上方设置一个筛网，并延伸至主集水室上方，因此在自动弃流过程中，计时集水室上方筛网上截留的颗粒性污染物质在雨水径流量比较大时，会被自动冲刷进主集水室，保证通过自动弃流可以将这类颗粒性物质排除。
图1为本发明的水力自控初期雨水弃流装置的结构示意2为降雨前本发明的装置空置的状态3为本发明的装置中控制浮筒上升到I-I时，两个盖板均关闭的状态4为计时浮筒被磁石吸引后，计时排放盖板打开的瞬间状态5为计时集水室水位下降，主集水室满载的排放状态6为控制浮筒下降到位置I-I以下时，主集水室排放状态中标号1-雨水进水管，2-可利用雨水收集管，3-弃流雨水进口管，4-筛网，5-定滑轮，6-主排放控制绳，7-计时浮筒，8-控制浮筒，9-横向限位绳，10-主排放盖板，11-主集水室，12-主排放管，13-纵向限位绳，14-计时排放管，15-计时排放盖板，16-计时排放控制绳，17-连接绳，18-计时集水室，19-磁铁。
具体实施例方式
本发明的初期雨水自动弃流实施过程为(1)根据该地区的多场降雨雨水水质分析和降雨量分析来合理选定初期雨水量(一般以mm表示)，再结合工程实际中雨水收集面积，确定初期雨水体积，即初期雨水弃流量，从而确定整个自动弃流装置规模。
(2)根据当地的多年降雨资料分析，选定两场降雨之间的间隔时间T1，确定弃流装置完成收集和排放所需要的总的时间T2，T2应等于或略小于T1。然后将弃流装置的放空和恢复原状过程设计成自动进行，以此达到在完成初期雨水弃流后，能自动为下一场雨水收集做好初期雨水弃流准备的目的。
本发明的初期雨水自动弃流装置为请参阅图1。本发明的装置由计时集水室18和主集水室11构成。按照某一场降雨中弃流的初期雨水量V＝V1+V2，其中V1是计时集水室18体积，V2是主集水室11体积。V1＝S×H，S是计时集水室18的断面面积，H是计时集水室18在计时开始时的有效水深；在V首先确定的情况下，以T2≤T1为控制条件，通过合理选择S和H，可以确定V1，最后确定V2，再根据高程布置和平面布置情况，确定本发明的自动弃流装置的具体尺寸，并根据装置几何尺寸选定绳索长度；根据当地雨水中颗粒物质粒径分布特点，确定计时排放管14的内径大小和计时集水室18上方筛网4孔径尺寸大小；设计时选定主集水室11的主排放管12管径一般在400mm以上。根据两个浮筒质量和磁铁磁力(吸力)之间的约束条件来确定浮筒重量及磁铁吸力。为防止控制浮筒8自由移动，用横向限位绳9和纵向限位绳13来限制和控制浮筒8在一定范围内移动。计时浮筒7的外壳需要弹性材料保护，防止其在脱离磁铁19瞬间，冲击计时集水室18底部，造成损坏。本发明的装置各部件必须满足强度和防腐要求。
目前，本发明的装置已经设计成功。物理模型通过了验证，并成功应用于上海浦东某快速干道雨水收集利用系统中。物理模型与实际工程平面比例为1∶10，高度方向上比例为1∶2。
以下通过该工程实例设计参数来说明本发明的装置实际应用情况根据多年降雨资料和水质分析，上海浦东某地的初期雨水量确定为5mm，某雨水示范工程收集面积为12000m2，路面雨水径流系数为0.90，确定初雨弃流量为54m3，即该装置的有效容积为54m3，根据当地雨水颗粒物粒径分布分析，选定计时排放管14的管径为10mm，主排放管12的管径为400mm，计时集水室18的上方筛网4孔径尺寸为5mm。根据当地多年降雨资料，选定两场降雨之间的时间间隔在24h，即T1为24h。结合实际工程中的高程和平面布置，确定计时集水室18有效水深H为1.6m，平面尺寸为5m×1.1m，主集水室有效容积尺寸为5m×5.6m×1.6m，实际计算该装置初期雨水排放历时为18.5h，即T2为18.5h，满足T2≤T1的要求。计时浮筒7的重力为20N，控制浮筒8的重力为100N。装置的自动排放功能是通过两个浮筒随着水位和受力的不同对主排放盖板10和计时排放盖板15自动启闭而实现的。
本发明的装置的运行原理如下请参阅图2，降雨前该装置空置。计时集水室18与主集水室11内均为空置状态，计时排放盖板15关闭，主排放盖板10打开，计时浮筒7、控制浮筒8均处于计时集水室18的底板上，主排放控制绳6拉紧，其它所有的控制绳索均处于松弛状态。
请参阅图3，降雨开始后，由于本发明的初期雨水弃流装置在高程上比雨水进水管1和可利用雨水收集管2低，所以初期雨水会先将该装置填满。初期雨水进入计时集水室18和主集水室11前，通过筛网4上将初期雨水中挟带的粗大颗粒性物质截留。计时集水室18内水位升高，计时浮筒7和控制浮筒8均随着水位升高而上升，主排放控制绳6逐渐松弛，主排放盖板10逐渐闭合。当控制浮筒8上升到临界位置I-I后，主排放管控制绳6完全松弛，主排放盖板10完全闭合，而计时排放盖板15一直处于闭合状态。
请参阅图4，随着降雨的进行，计时集水室18内水位继续上升。当水位超过隔墙顶部时，雨水同时也进入主集水室11。当计时浮筒7刚上升到临界位置II-II瞬间，计时浮筒7在磁力作用下，与磁铁19吸引在一起。由于计时排放控制绳16长度固定，刚好小于磁铁19到计时集水室18底部的长度，所以计时排放盖板15被打开，计时集水室18水力计时排放开始，此刻也是初期雨水收集结束，同时，此后降雨形成的径流可以认为已经不属于初期雨水范畴，可以进入可利用雨水收集管2被收集利用了。
请参阅图5，当降雨停止后，计时集水室18内水位开始不断下降，主集水室11内水位不变，计时浮筒7和控制浮筒8的位置保持不变。
请参阅图6，当计时集水室18内水位下降到临界位置I-I以下时，计时浮筒7受控制浮筒8的拉力作用与磁铁19脱离，回落到计时集水室18的底板上，计时排放盖板15关闭。同时控制浮筒8也随水位的下降而下降，主排放控制绳6拉紧，主排放盖板10被打开，主集水室11内雨水被弃流(排放)，计时结束。计时集水室18和主集水室11均被自动放空，恢复到降雨前的状态(见图2)，为下一场降雨水力计时、自动弃流做好准备。如此循环实现了自动弃流初期雨水。
权利要求
1.水力自控初期雨水弃流方法，包括确定和建设初期雨水弃流量与弃流装置的规模根据当地的多场降雨雨水水质分析和降雨量统计，选定初期雨水弃流量，然后按照初期雨水弃流量，确定弃流装置的规模，并构筑弃流装置；其特征在于初期雨水采用自动弃流根据当地的多年降雨资料分析，选定两场降雨之间的间隔时间，确定弃流装置完成收集和排放所需要的总的时间，并将弃流装置的排放放空和恢复原状过程设计成自动进行，以此达到在完成初期雨水弃流后，能自动为下一场雨水的收集做好初期雨水弃流准备的目的。
2.实现权利要求1的水力自控初期雨水弃流装置，其特征在于该装置包括计时集水室(18)和主集水室(11)；计时集水室(18)内的顶板上固结一磁铁(19)，底板开设计时排放管(14)，计时排放管(14)内径通过水力学原理进行计算确定，满足排空计时集水室(18)内收集的雨水时间等于两场降雨之间的时间间隔；计时排放管(14)顶部端口设有计时排放盖板(15)，通过计时排放控制绳(16)将计时排放盖板(15)与计时浮筒(7)连结，其长度等于磁铁(19)到计时排放盖板(15)完全打开后的距离；磁铁(19)的吸力大于计时浮筒(7)加计时排放盖板(15)的重量，以便计时集水室(18)内的水位上升到磁铁(19)能吸住计时浮筒(7)时，将计时排放盖板(15)打开，实现自动弃流；计时集水室(18)下部还设有控制浮筒(8)，控制浮筒(8)的重量大于磁铁(19)对计时浮筒(7)的吸力，其底部通过纵向限位绳(13)和计时集水室(18)底板连接，一侧通过横向限位绳(9)与隔板连接；控制浮筒(8)顶端设有两根绳，一根是与计时浮筒(7)连接的连接绳(17)，其长度满足控制浮筒(8)回落到计时集水室(18)底板时能将计时浮筒(7)拉离磁铁(19)；另一根是主排放控制绳(6)，主排放控制绳(6)通过滑轮(5)与主集水室(11)底板的主排放管(12)端口上设有的主排放盖板(10)连接，其长度满足控制浮筒(8)回落到计时集水室(18)底板时能将主排放盖板(10)完全打开，实现主集水室(11)自动排放目的；滑轮(5)安装在计时集水室(18)和主集水室(11)之间的隔墙顶部；隔墙低于计时浮筒(7)被磁铁(19)吸牢后的底部位置；计时集水室(18)上方有筛网(4)，其孔径小于计时排放管(14)的内径。
全文摘要
水力自控初期雨水弃流方法及装置，涉及初期雨水自动弃流方法及其装置。本发明主要应用在市政排水和环保领域。初期雨水同时进入计时集水室和主集水室，计时集水室利用水力学原理进行水力计时，并利用两个浮筒的升降和不同绳索的松弛和拉紧，实现预先设定的延时自动放空，恢复下雨前的状态，进入下一个收集、水力计时、自动放空循环。本发明构造简单，维护方便，无需日常人工管理，可应用于维护人员难以经常接近的地区或场合。
文档编号E03F5/00GK1865613SQ20061002795
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者张海平, 朱宜平, 姜卫星, 赵建夫 申请人:同济大学