一种跌水井在线监测预警系统

本发明涉及污水监测技术领域，具体涉及一种跌水井在线监测预警系统。

背景技术：

污水管道系统由收集和输送城市污水的管道及其附属构筑物组成。污水由支管流入干管，再流入主干管，最后流入污水处理厂。管道由小到大，分布类似河流，呈树枝状。污水在管道中一般是靠管道两端的水面差从高向低处流动，即靠重力流动。目前在工程项目的设计施工中，污水排水系统常利用跌水井来解决高度差过大重力流排水的消能问题。在山地城市中，由于地形落差大，跌水井的应用尤其普遍，污水井跌高通常为1至6米，其存在的水流能量具有较大利用价值，而目前对这种能量的利用较为少见。

由于污水管道埋于地下，分布广泛且错综复杂，若不能及时有效监测排放污水的水质情况，极易出现工业企业偷排误排的行为，造成下游的管道设施无法正常运行以及环境污染的现象。根据现行规范《城镇排水管道检测与评估技术规范》，其中较关键的规定则是将检测作为排水管道管理十分重要的一环。然而，近年来的用于监测污水水体的实时监测装置结构复杂，成本高昂，且能耗较大，无法广泛普及。

污水管道内存在有毒有害气体，如甲烷、硫化氢、一氧化碳等，时常引发中毒、爆炸等现象。因此，有必要对污水管道内的气体进行实时监测，以便及时预警，从而避免下井人员中毒及爆炸情况的发生。然而，目前对污水管道内的气体能够进行在线监测，但是存在电力消耗的经济问题，在经济不发达地区无法达到有效普及。

另外，在污水排放系统中，污水井盖丢失及损坏现象仍然十分常见，因为井盖丢失或损坏造成人员受伤的事件屡见不鲜，对人们的生命安全和公共秩序产生不利影响。

因此，如何实时监测污水排放系统中污水水质情况、井内气体情况以及井盖情况，并能够及时预警，同时克服能量供给问题，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种跌水井在线监测预警系统，其能够实时监测污水水质情况、井内有害气体情况以及井盖情况，当监测到不利情况时能够及时预警，以达到保护环境、维持安全的目的。

为了实现上述目的，本发明提供一种跌水井在线监测预警系统，包括跌水井本体，在所述跌水井本体的侧壁上部设置有进水管，与所述进水管相对的侧壁下部设置有出水管；还包括：

设置于所述进水管内的用于监测污水水质情况并生成电信号的水质监测传感器；

设置于所述跌水井本体中下部的用于监测跌水井本体内有害气体情况并生成电信号的气体监测传感器；

设置于所述跌水井本体中下部的用于监测井盖情况并生成电信号的红外反射传感器；

设置于所述跌水井本体内的并与所述水质监测传感器、气体监测传感器、红外反射传感器连接的控制器，所述控制器用于根据所述三个电信号来判断污水水质是否正常、跌水井井内有害气体是否超标、跌水井井盖是否完好，并生成报警信号；

设置于所述跌水井本体内的并与所述控制器连接的报警装置，所述报警装置用于根据所述报警信号进行报警，所述报警装置包括报警信号发射单元，该报警信号发射单元将信号发送到监测终端进行报警；

设置于所述跌水井本体内的并与所述控制器连接的定位器，所述定位器用于定位跌水井位置；

设置于所述跌水井本体内的蓄电池，所述蓄电池用于为所述水质监测传感器、气体监测传感器、红外反射传感器、控制器、报警装置、定位器供电；

设置于所述跌水井本体内并靠近所述进水管的小型水力发电装置，所述水力发电装置利用污水水流能量发电并为所述蓄电池进行充电。

进一步的，所述红外反射传感器的接收口判断是否接收到反射回来的红外线，若是，则判定井盖完好；若否，则在30分钟后再次判定是否接收到反射回来的红外线，若是则判定为井盖完好，若否则判定井盖不完好。

进一步的，还包括设置于跌水井井盖与井座之间的用于检测井盖对井座压力情况并生成电信号的压力传感器；

所述控制器与该压力传感器连接，当所述红外反射传感器监测到跌水井井盖不完好后，进入该压力传感器检测；

所述控制器根据所述压力传感器生成的电信号判断压力是否小于预设阀值，若是，则判定井盖丢失并生成井盖丢失报警信号，若否，则判定井盖损坏并生成井盖损坏报警信号；

所述报警装置用于根据所述井盖丢失/损坏报警信号进行报警。

进一步的，所述水力发电装置包括两个结构相同的水轮发电机组，第一水轮发电机组平行于所述进水管布置，第二水轮发电机组垂直于所述进水管布置；

第一水轮发电机组的水轮机位于所述进水管出水口的下前方，其利用污水水流的动能进行发电；第二水轮发电机组的水轮机位于所述第一水轮机组的水轮机的下方，其利用污水跌落的重力势能进行发电。

进一步的，所述跌水井本体内设置有将所述进水管和所述出水管隔开的竖向导流板；所述竖向导流板将跌水井本体上部分隔成两个腔室，其中竖向导流板与所述跌水井本体具有进水管的侧壁之间为第一腔室，竖向导流板与所述跌水井本体具有出水管的侧壁之间为第二腔室；

第一水轮发电机组中，第一水轮机位于所述第一腔室内，第一发电机位于所述第二腔室内，第一传动轴横向贯穿所述竖向导流板；

第二水轮发电机组中，第二发电机设置于所述进水管的上方，第二水轮机位于第一水轮机的下方，第二传动轴竖直设置于所述第一腔室内并位于所述进水管和所述第一水轮机之间。

进一步的，所述第一水轮发电机组的第一传动轴与所述竖向导流板之间通过木塞可转动密封连接。

进一步的，所述进水管在所述水质监测传感器的上游端设置有用于过滤杂物的滤网。

进一步的，所述水质监测传感器监测污水的指标包括：ph值、水温、悬浮物、do、cod、溶解性固体、总磷、氨氮、亚硝酸盐。

进一步的，所述气体监测传感器监测气体的指标包括：氧气浓度、甲烷气体浓度、一氧化碳浓度、硫化氢气体浓度。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明所提供的跌水井在线监测预警系统能够实时监测污水水质情况、井内有害气体情况以及井盖情况，并且当监测到不利情况时能够及时报警，从而达到保护环境、维持管道安全、维持井盖安全的目的。

2、本发明利用跌水井的结构特点，将污水水流能量转化成有用的电能为在线监测预警系统的各耗电元器件供能，实现能量的自产自用，不需额外能量输入，从而达到绿色节能、便于普及的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的跌水井在线监测预警系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的水力发电装置的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的红外反射传感器的检测原理示意图；

图4为本发明实施例所述的压力传感器的检测原理示意图；

图5为本发明实施例所述的监测井盖的流程图；

图6为本发明实施例所述的蓄电池供电示意图；

附图标号

1-跌水井本体；2-进水管；3-出水管；4-水质监测传感器；5-气体监测传感器；6-红外反射传感器；7-控制器；8-报警装置；9-定位器；10-蓄电池；11-水力发电装置；12-竖向导流板；13-第一腔室；14-第二腔室；15-第一水轮发电机组；16-第二水轮发电机组；17-安装台；18-井盖；19-反射片；20-压力传感器；21-井座；22-导线；23-滤网。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，一种跌水井在线监测预警系统，包括跌水井本体1，在跌水井本体的侧壁上部设置有进水管2，与进水管2相对的侧壁下部设置有出水管3。污水从进水管2流入，从出水管3流出，跌水井本体1解决高度差过大重力流排水的消能问题，避免对管道过度冲刷造成管道磨损严重。

本发明所提供的跌水井在线监测预警系统还包括：水质监测传感器4、气体监测传感器5、红外反射传感器6、控制器7、报警装置8、定位器9、蓄电池10、水力发电装置11。

请参阅图1，水质监测传感器4设置于进水管2内，用于监测污水水质情况并生成电信号。气体监测传感器5设置于跌水井本体1中下部，用于监测跌水井井内有害气体情况并生成电信号。红外反射传感器6设置于跌水井本体1中下部，用于监测井盖情况并生成电信号。为了过滤污水混入的杂物，进水管2在水质监测传感器4的上游端设置有用于过滤杂物的滤网23。

控制器7设置于跌水井本体1内并与上述水质监测传感器4、气体监测传感器5、红外反射传感器6连接，控制器7用于根据上述三个传感器的电信号来判断污水水质是否正常、跌水井井内有害气体是否超标以及跌水井井盖是否完好，并生成报警信号。

报警装置8设置于跌水井本体1内并与上述控制器7连接，用于根据控制器7的报警信号进行报警，报警装置8包括报警信号发射单元，该报警信号发射单元将信号发送到监测终端进行报警。

定位器9设置于跌水井本体内并与控制器7连接，用于定位跌水井位置。当监测终端接收到报警信号后，通过定位器9对跌水井进行定位，确认警报发生的具体位置，然后制定相应措施。

小型水力发电装置11设置于跌水井本体1内并靠近进水管2，水力发电装置11利用污水水流能量发电并为蓄电池10进行充电，蓄电池10用于为各耗电元器件供电，蓄电池10与各耗电元器件之间通过导线22连接。

请同时结合参阅图1、图6，本发明中水质监测传感器4监测污水的指标包括：ph值、水温、悬浮物、do、cod、溶解性固体、总磷、氨氮、亚硝酸盐。水质监测传感器4根据水质情况生成电信号，控制器7根据该电信号判断污水水质是否正常，当监测到污水水质不正常时，控制器7生成报警信号，报警装置8根据该报警信号进行报警，报警装置的报警信号发射单元将该报警信号发送到监测终端进行报警，同时定位器9对跌水井的具体位置进行定位。通过上述方式，实现了对污水水质情况的实时监测，达到及时预警和环境保护的目的。

本发明中气体监测传感器5监测跌水井井内气体的指标包括：氧气浓度、甲烷气体浓度、一氧化碳浓度、硫化氢气体浓度。气体监测传感器5根据跌水井井内气体情况生成电信号，控制器7根据该电信号判断井内气体是否超标，当监测到井内气体超标时，控制器7生成报警信号，报警装置8根据该报警信号进行报警，报警装置的报警信号发射单元将该报警信号发送到监测终端进行报警，同时定位器9对跌水井的具体位置进行定位。通过上述方式，实现了对跌水井井内气体情况的实时监测，达到及时预警和维持管道安全的目的。

请同时结合参阅图3至图5，本发明中红外反射传感器6用于监测井盖18是否完好，具体的，红外反射传感器6发射口发出红外线射向井盖18的下表面，经井盖18下表面反射回井底，红外反射传感器6的接收口判断是否接收到反射回来的红外线。若是，则判定井盖18完好；若否，则在30分钟后再次判定是否接收到反射回来的红外线，若是则判定井盖完好，若否则判定井盖不完好。此处设定30min再次判断的原因是考虑到井盖工人检修的情况，避免出现将检修误判为井盖不完好的情况。

优选的，为了避免红外线在井盖18下表面被漫反射影响红外反射传感器6接收，在井盖18的下表面对应位置处固定附着一反射片19。

上述红外反射传感器6监测井盖是否完好的原理是当井盖丢失或者损坏变形时，使得照射在井盖下表面的红外线无法反射或者反射后的红外线偏移正常接收范围，从而导致红外反射传感器6的接收口无法接收到。

红外反射传感器6监测到井盖不完好后，井盖可能丢失或者损坏，此时进入压力传感器20检测。压力传感器20设置于井盖18和井座21之间，此时控制器7根据压力传感器生成的电信号判断压力是否小于预设阀值。若是，则判定井盖丢失并生成井盖丢失报警信号；若否，则判定井盖损坏并生成井盖损坏报警信号。报警装置8的报警信号发射单元将该报警信号发送到监测终端进行报警，同时定位器9对跌水井的具体位置进行定位。通过上述方式，实现了跌水井井盖的实时监测，达到及时预警和维持井盖安全的目的。

请参阅图1，进一步的技术方案中，为了便于水力发电装置11的安装以及各电器元件的安装，跌水井本体1内设置有将进水管2和出水管3隔开的竖向导流板12。竖向导流板12将跌水井本体1上部分隔成两个腔室，其中竖向导流板12与跌水井本体具有进水管的侧壁之间为第一腔室13，竖向导流板12与跌水井本体具有出水管的侧壁之间为第二腔室14。第一腔室13与第二腔室14的下部连通，以供污水流向出水管3。水力发电装置11安装于第一腔室13内。气体传感器5、红外反射传感器6、控制器7、报警装置8、定位器9安装于第二腔室14内。

请结合参阅图2，具体的，水力发电装置11包括两个结构相同的水轮发电机组，其中第一水轮发电机组15平行于进水管2布置，第二水轮发电机组16垂直于进水管2布置。第一水轮发电机组15利用污水水流的动能进行发电，第二水轮发电机组16利用污水水流跌落的重力势能进行发电。

第一水轮发电机组15中，第一水轮机15a位于第一腔室13内，第一发电机15c位于第二腔室14内，第一传动轴15b贯穿竖向导流板12，第一传动轴15b与竖向导流板12之间通过木塞15d密封转动连接。竖向导流板12面向出水管3的侧壁的上部对应位置处设置有发电机安装台17(见图1)。第一水轮机15a设置于进水管2出水口的下前方，即第一传动轴15b的位置偏低于进水管2的轴线。这是由于进水管2的污水流入跌水井时做斜抛运动，其路径是一条曲线，因此把第一水轮机15a位置设置在进水管2出水口的下前方有利于增大污水的冲击面积，增强发电效果。

第二发电机组16中，第二发电机设置于进水管2的上方，第二传动轴16b竖直设置并位于进水管出水口与第一水轮机15a之间，第二水轮机16a位于第一水轮机15a的下方，其利用污水跌落的重力势能发电。

更为优选的，第一水轮机15a和第二水轮机15b均为轴流转桨式水轮，其叶片可根据污水的流量、方向不同而调整角度，从而提高发电效率。

显然，本领域的技术人员可对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。