基于海绵城市理念的屋面雨水源头调控装置及运行方法与流程

本发明涉及雨水源头减排和水资源保护技术领域，特别涉及一种基于海绵城市理念的屋面雨水源头调控装置及运行方法。

背景技术：

全球性水资源短缺关系到粮食安全、生态安全、环境安全和经济安全，甚至生命安全，是当前亟待解决的重大问题。根据水利部官方统计，我国当前水资源短缺情况十分突出，淡水资源量人均只有2200立方米，仅为世界人均水平的四分之一，在世界上名列第121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。近几年，每逢雨季，各地城市轮番上演“城市看海”的景象，造成严重的洪涝灾害和人员伤亡及财产损失。2015年4月，我国首批“海绵城市”建设试点城市名单正式公布，标志着我国在城市建设过程中更加注重人水和谐，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护。海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。海绵城市理念注重加大城市径流雨水源头减排的刚性约束，通过源头减排、中途转输和末端调蓄等措施实现城市良性水文循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力。雨水收集利用则是源头减排最直接的手段，是实现雨水高效“蓄、滞、用”的重要措施。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于海绵城市理念的屋面雨水源头调控装置及运行方法，克服现有屋面雨水源头减排技术设备智能化程度低、涵养地下水技术中对雨水污染考虑不足等缺陷，提高雨水收集利用效率，减轻城市洪涝和排水系统压力，削减城市径流污染负荷，改善和修复城市水环境。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的一种基于海绵城市理念的屋面雨水源头调控装置，包括控制系统、弃流系统、蓄水系统和涵养地下水系统。

所述的控制系统包括闸室、弧形闸门、铰座、启闭机和控制单元，闸室竖直布置并固定在建筑物外墙面，闸室的上下壁面分别设有圆形进水口和圆形出水口、右侧壁面设有矩形出水口，弧形闸门的下端与铰座相连、上端通过钢丝绳与启闭机相连。

所述的弃流系统包括初期雨水弃流箱、浮球液位开关、光照传感器和弃流孔，初期雨水弃流箱竖直布置并固定在建筑物外墙面，初期雨水弃流箱侧面的上端设有矩形进水口、下端设有弃流孔，矩形进水口与闸室侧壁面的矩形出水口相连通，浮球液位开关悬挂在初期雨水弃流箱内壁右上侧，光照传感器固定在初期雨水弃流箱外壁面。

所述的蓄水系统包括雨水收集管道、储水箱、取水口、溢流管和通气管，储水箱的顶部设有圆形的进水口和溢流口、侧面右下端设有圆形的取水口，雨水收集管道上端与闸室的圆形出水口相连、下端与储水箱的进水口相连，取水口装有控制阀门，溢流管由竖直段和水平段组成，竖直段下端与储水箱的溢流口相连，水平段的侧面设有竖直向上的通气管。

所述的涵养地下水系统包括雨水调控箱、涵养地下水管道、承台、涵管和渗水孔，雨水调控箱通过管道与蓄水系统的溢流管对接，涵养地下水管道竖直固定在承台上，涵养地下水管道的上端、下端分别与雨水调控箱和涵管相连通，涵管的末端设有渗水孔。

所述控制单元中设有单片机和信号转化器，控制单元能够通过微程序接收、读取浮球液位开关和光照传感器传输的信号，并向启闭机和弃流孔的电动阀门发出控制信号。

在本发明中，所述闸室的形状为倒立、竖直的1/4空心圆柱体，闸室的上壁面、右侧壁面均为矩形，闸室的前、后侧面为1/4的圆，左侧壁面和下壁面为曲率相同的曲面且连接为一体。

在本发明中，所述承台设有竖直的洞，洞的数量与间距等于所述涵养地下水管道的数量与间距。

在本发明中，所述涵管位于所述承台之下并延伸到建筑物地基之外的四面八方，涵管的管壁上设有若干个渗水的小孔，涵管的末端也设有若干个渗水孔。

作为优选，所述弧形闸门与闸室的前、后侧面衔接的侧边上设有侧板，弧形闸门关闭时，侧板正好插入所述的初期雨水弃流箱的矩形进水口中。

作为优选，所述涵养地下水管道各根管道上端的进水口从周围向中心依次升高，在雨水调控箱内部的涵养地下水管道侧面设有若干个小孔。

作为优选，所述涵管采用耐腐蚀、耐生锈且抗压性能好的材料。

作为优选，所述通气管与溢流管以及雨水调控箱顶部连通。

作为优选，所述涵养地下水管道穿过承台的洞与涵管相连。

作为优选，所述承台顶部高于地面20cm～30cm。

作为优选，所述涵管的管壁上设有若干个渗水的小孔。

本发明提供的技术方案还包括基于海绵城市理念的屋面雨水源头调控装置的运行方法，包括如下步骤：

①在未降雨前，整个装置处于初始状态，弧形闸门处于开启状态，弃流孔和取水口处于关闭状态；

②在降雨初期，屋面雨水通过落水管进入闸室的进水口，受到弧形闸门阻挡后通过矩形出水口进入初期雨水弃流箱的矩形进水口，初期雨水弃流箱中的雨水开始上升，浮球液位开关的浮球随着雨水逐渐上升，当浮球上升至预计水位时，接通内部线路并将信号发送给控制单元，控制单元接收到信号后，接通启闭机电源关闭弧形闸门，此时雨水通过闸室的圆形出水口进入雨水收集管道；

③蓄水系统开始蓄水，雨水自动收集到储水箱中，当雨水充沛时，随着雨量的增加，储水箱水位持续上升，储水箱蓄满后，雨水开始进入溢流管，溢流管和雨水收集管道中的水位同步上升，当水位上升至溢流管的水平段时，雨水开始进入雨水调控箱，接着先通过周围涵养地下水管道的低位进水口流入涵管，输向远离建筑物的地下；

④在雨量较大的情况下，雨水调控箱的水位逐渐上升淹没涵养地下水管道的低位进水口，雨水开始流入次高位进水口继续将洁净的雨水渗入地下，当雨水调控箱的水位逐渐上升淹没涵养地下水管道的次高位进水口后，雨水开始流入更高位进水口并继续将洁净的雨水渗入地下，依此逐级淹没各级进水口，持续补给地下水；

⑤当雨过天晴，太阳出来后，光照传感器接收到太阳光的照射，将光强信号传输给控制单元，控制单元接受信号后通过内部计时器开始计时，当光强信号超过8个小时时，控制单元向弃流孔电动阀门发出控制信号开启弃流孔，初期雨水弃流箱的雨水开始排放，此时排放的雨水已经错开降雨时的路面径流洪峰；

⑥当初期雨水弃流箱中的雨水排放完毕后，浮球液位开关的浮球恢复到原始最低位，内部线路断开并将信号发送给控制单元，控制单元接通启闭机电源打开弧形闸门，同时关闭弃流孔的阀门，使整个装置恢复到初始状态；

按照上述相应步骤，即可实现屋顶雨水源头调控和涵养地下水的过程。

有益效果：本发明的基于海绵城市理念的屋面雨水源头调控装置及运行方法，具有以下有益效果：

(1)本发明中的弃流系统、蓄水系统和涵养地下水系统能够有效降低雨污合流，减轻城市排洪压力和城市污水处理压力。

(2)本发明中的储水箱收集的雨水能够作为优质水源用于绿化、洗涤和景观水体，极大地减轻城市供水压力；能够作为优质水源补给地下水，不仅避免地下水污染，而且避免地下水过度开采造成的地面塌陷危害。

(3)本发明中的光照传感器接收到太阳光的照射时能够持续将光强信号传输给控制单元，控制单元接受信号后通过内部计时器开始计时，当光强信号累计超过8小时，控制单元开始向弃流孔电动阀门发出控制信号开启弃流孔，初期雨水弃流箱的雨水开始排放，此时排放的雨水已经错开降雨径流洪峰，实现了雨水径流总量和径流峰值的有效控制。

(4)本发明中的雨水调控箱能够提高涵养地下水管道中的雨水水头，提高涵管中雨水下渗速率；在雨水调控箱内部的涵养地下水管道从周围向中心依次升高，侧面设有若干个小孔，能够避免雨水对地下土壤的冲刷。

(5)本发明中的通气管能够排出蓄水系统和涵养地下水系统中滞留的空气，避免装置内产生高压，损坏管道或其他部件。

(6)本发明中的涵管上开有若干个渗流孔，便于雨水及时高效渗入地下土壤中。

(7)本发明中的承台能够保护建筑物地基，同时能够固定涵养地下水管道。

(8)本发明中的控制单元中设有单片机和信号转化器，控制单元能够通过微程序接收、读取浮球液位开关和光照传感器传输的信号，并向启闭机和弃流孔的电动阀门发出控制信号，实现了装置运行过程的自动化。

附图说明

图1是本发明的基于海绵城市理念的屋面雨水源头调控装置结构示意图；

图2是图1中的闸室内部结构示意图；

图3是图1或图2中的闸室进出水口结构示意图；

图4是图1中的涵管结构示意图。

图中：1-控制系统，10-落水管，11-闸室，111-圆形进水口，112-圆形出水口，113-矩形出水口，12-弧形闸门，121-侧板，13-铰座，14-启闭机，15-控制单元；2-弃流系统，21-初期雨水弃流箱，211-矩形进水口，22-浮球液位开关，23-光照传感器，24-弃流孔；3-蓄水系统，31-雨水收集管道，32-储水箱，321-进水口，322-溢流口，33-取水口，34-溢流管，35-通气管；4-涵养地下水系统，41-雨水调控箱，42-涵养地下水管道，43-承台，44-涵管，45-渗水孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-图4所示，本发明的基于海绵城市理念的屋面雨水源头调控装置，该装置包括控制系统1、弃流系统2、蓄水系统3和涵养地下水系统4。

其中，控制系统1包括闸室11、弧形闸门12、铰座13、启闭机14和控制单元15，闸室11竖直布置并固定在建筑物外墙面，闸室11的上下壁面分别设有圆形进水口111和圆形出水口112、右侧壁面设有矩形出水口113，弧形闸门12的下端与铰座13相连、上端与启闭机14相连。

弃流系统2包括初期雨水弃流箱21、浮球液位开关22、光照传感器23和弃流孔24，初期雨水弃流箱21竖直布置并固定在建筑物外墙面，初期雨水弃流箱21侧面的上端设有矩形进水口211、下端设有弃流孔24，矩形进水口211与闸室11侧壁面的矩形出水口113相连通，浮球液位开关22悬挂在初期雨水弃流箱21内壁右上侧，光照传感器23固定在初期雨水弃流箱21外壁面。

蓄水系统3包括雨水收集管道31、储水箱32、取水口33溢流管34和通气管35，储水箱32的顶部设有圆形的进水口321和溢流口322、侧面右下端设有圆形的取水口33，雨水收集管道31上端与闸室11的圆形出水口112相连、下端与储水箱32的进水口321相连，取水口33装有控制阀门，溢流管34由竖直段和水平段组成，竖直段下端与储水箱32的溢流口322相连，水平段的侧面设有竖直向上的通气管35。

涵养地下水系统4包括雨水调控箱41、涵养地下水管道42、承台43、涵管44和渗水孔45，雨水调控箱41通过管道与蓄水系统3的溢流管34对接，涵养地下水管道42竖直固定在承台上，涵养地下水管道42的上端、下端分别与雨水调控箱41和涵管44相连通，涵管44的末端设有渗水孔45。

在本实施例中，未降雨前，整个装置处于初始状态，弧形闸门12处于开启状态，弃流孔24和取水口33处于关闭状态。

在本实施例中，降雨初期，屋面雨水通过落水管10进入闸室11的进水口111，受弧形闸门12阻挡后通过矩形出水口113进入初期雨水弃流箱21的矩形进水口211，初期雨水弃流箱21中的雨水开始上升，浮球液位开关22的浮球随着雨水逐渐上升，当浮球上升至预计水位时，接通内部线路并将信号发送给控制单元15，控制单元15接收到信号后，接通启闭机14电源关闭弧形闸门12，此时雨水通过闸室11的圆形出水口112进入雨水收集管道31。

在本实施例中，当雨水通过闸室11的圆形出水口112进入雨水收集管道时，蓄水系统3开始蓄水，雨水自动收集到储水箱32中，当雨水充沛时，随着雨量的增加，储水箱32水位持续上升，储水箱32蓄满后，雨水开始进入溢流管34，溢流管34和雨水收集管道31中水位同步上升，当水位上升至溢流管34的水平段时，雨水开始进入雨水调控箱41中，接着先通过两端涵养地下水管道42的低位进水口流入涵管44，输向远离建筑物的地下。

在本实施例中，在雨量较大的情况下，雨水调控箱41的水位逐渐上升淹没涵养地下水管道42的低位进水口，雨水开始流入次高位进水口继续将洁净的雨水渗入地下，当雨水调控箱41的水位逐渐上升淹没涵养地下水管道42的次高位进水口，雨水开始流入更高位进水口并继续将洁净的雨水渗入地下，依此逐级淹没各级进水口，持续补给地下水。

在本实施例中，当雨过天晴，太阳出来后，光照传感器23接收到太阳光的照射，将光强信号传输给控制单元15，控制单元15接受信号后通过内部计时器开始计时，当光强信号超过8个小时时，控制单元15向弃流孔24电动阀门发出控制信号开启弃流孔24，初期雨水弃流箱21的雨水开始排放，此时排放的雨水已经错开降雨时的路面径流洪峰。

在本实施例中，当初期雨水弃流箱21中的雨水排放完毕后，浮球液位开关22的浮球恢复到原始最低位，内部线路断开并将信号发送给控制单元15，控制单元15接通启闭机14电源打开弧形闸门12，同时关闭弃流孔24的阀门，使整个装置恢复到初始状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。