雨污分流管道系统及初期雨水弃流的方法与流程

1.本发明涉及城市雨污水分流技术领域，尤其涉及一种可弃流初期雨水的雨污分流管道系统及初期雨水弃流的方法。


背景技术：

2.我国以前由于在城市基础设施建设方面比较落后，城市污水管道的修建没有采用专管专用的修建方式，而是采用的雨水和各类污水合用一条排污管道的形式，即合流制的排水系统。近年来，随着我国社会经济发展，人民群众对美好生活的向往与日俱增，加上水资源的污染越来越严重，水资源短缺问题越发凸显。
3.建立城市雨污分流排水体制是保护环境、节约能源、促进经济社会可持续发展的重要举措，但城镇雨污分流改造是一项浩大的工程,牵涉到城市生活的各个方面。既要充分利用已建的市政排水设施,避免财政投资上的浪费,又要降低工程实施对城市交通、市民生活的干抗。特别是在中、西部地区，由于历史原因在排水设施建设方面严重滞后于东部沿海发达地区，导致城镇水体污染问题严重，水资源短缺问题日益凸显。我国高度重视生态文明建设，越来越严格的环保政策、法规相继出台，守卫碧水蓝天已成为共识。
4.目前解决老城区雨污分流方法按照效果可分为完全式雨污分流和截留式雨污分流，前者需要在现状排水系统基础上在新建一套或者两套管网系统，建设难度较大、造价高，且不能解决初期雨水污染的问题，但会从源头上对雨污水进行分流，效果较好。初期雨水是指降雨初期的降雨。这部分水量水质较差，直接排放会产生面源污染，恶化城市水环境。截留式分流法主要是在排水管渠的末端增设截流井，该方法造价较低，易于操作，旱季时污水会进入污水厂，但在雨季时一则进入污水厂的水量会增大，增加污水厂处理负荷，二则部分合流污水会溢流至地表水体，造成污染。上述两种方案都存在一定问题，如何有效，高质量推进广大中西部地区雨污分流改造工作，已成为政府和企业共同面临的难题。
5.因此，亟需开发一种可弃流初期雨水的雨污分流管道系统，既能够实现雨水和污水的分流，又能够解决初期雨水污染的问题。


技术实现要素：

6.本发明的技术目的就在于解决雨水和污水分流、初期雨水弃流的问题，提供一种可弃流初期雨水的雨污分流管道系统，结构简单，既能够实现雨水和污水分流，又能够解决初期雨水污染的问题，还能够降低造价。
7.作为本发明的第一个方面，本发明提供一种可弃流初期雨水的雨污分流管道系统，包括：
8.一根或多根雨水支管、一根或多根污水支管、雨污水主管道和初期雨水判定系统；
9.所述雨污水主管道包括位于上部的雨水通道和位于下部的污水流槽，所述雨水通道将雨水引入地表水体，所述污水流槽将污水排入污水处理厂；
10.所述污水支管与污水流槽连接，向污水流槽排放污水；
11.每根雨水支管包括支管本体、第一出口、第二出口以及设置在第二出口上的阀门，支管本体的末端与第一出口和第二出口连接，所述第一出口与雨水通道连接，第二出口与污水流槽连接；所述阀门关闭时，雨水支管内的雨水流入雨水通道，所述阀门打开时，雨水支管内的雨水流入污水流槽；
12.初期雨水判定系统用于判定是否为初期雨水，如果判定为初期雨水则打开阀门，如果判定为不是初期雨水则关闭阀门；所述初期雨水判定系统包括控制装置、时间计算装置、压力检测装置和水质检测装置，所述控制装置与时间计算装置、压力检测装置、水质检测装置和阀门连接，根据时间计算装置的时间、压力检测装置的压力和水质检测装置的水质情况判定是否为初期雨水，控制阀门的打开和关闭。
13.初期雨水，顾名思义就是降雨初期时的雨水。一般是指地面10
‑
15mm厚已形成地表径流的降水。由于降雨初期，雨水溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体，降落地面后，又由于冲刷屋面、沥青混凝土道路等，使得前期雨水中含有大量的污染物质，前期雨水的污染程度较高，通常超过了普通的城市污水的污染程度。
14.进一步地，所述雨污水主管道包括u型管道和水平设置在u型管道内的分隔板，所述分隔板分隔上部的雨水通道和下部的污水流槽。
15.进一步地，所述可弃流初期雨水的雨污分流管道系统还包括连接管，所述连接管竖直地穿过分隔板，连接管的上端与雨水支管的第二出口连接，下端伸向污水流槽的下部。
16.进一步地，所述污水支管与连接管的下部连接。
17.进一步地，所述雨水支管为t型结构，支管本体和第一出口水平设置，第二出口竖直设置，第二出口的下端与连接管的上端连接。
18.进一步地，所述污水流槽的过水断面面积根据污水流量计算得到；所述污水流槽的过水断面面积的计算公式为公式一：
19.a1＝q1/v1公式一；
20.其中，q1表示污水流量，根据当地的污水排放情况得到，单位为l/s；v1表示污水流速，单位为m/s；a1表示污水流槽的过水断面面积，单位为m2；
21.污水流速的计算公式为公式二：
[0022][0023]
其中，v1表示污水流速，单位为m/s；r1表示水力半径，单位为m；i1表示水力坡度，为无量纲参数；n1表示粗糙系数，为常数。
[0024]
进一步地，所述雨水通道的过水断面面积根据雨水流量计算得到；所述雨水通道的过水断面面积的计算公式为公式三：
[0025]
a2＝q2/v2公式三；
[0026]
其中，q2表示雨水流量，根据当地的暴雨强度及管道服务地块的面积得到，单位为l/s；v2表示雨水流速，单位为m/s；a2表示雨水通道的过水断面面积，单位为m2；
[0027]
雨水流速的计算公式为公式四：
[0028][0029]
其中，v2表示雨水流速，单位为m/s；r2表示水力半径，单位为m；i2表示水力坡度，为
无量纲参数；n2表示粗糙系数，为常数。
[0030]
进一步地，所述雨水流量通过公式五计算得到：
[0031]
q2＝q
×
ψ
×
f公式五；
[0032]
其中，q2表示雨水流量，单位为l/s；ψ表示径流系数，为常数；f表示汇水面积，单位为ha；q表示暴雨强度，单位为l/(s
×
ha)。
[0033]
进一步地，所述暴雨强度通过公式六计算得到：
[0034]
q＝167
×
b
×
(1 clogp)/(t b)
n
公式六；
[0035]
其中，q表示暴雨强度，单位为l/(s
×
ha)；b为常数；c为常数；p表示暴雨重现期，单位为年；b为管道内流水时间，单位为min；n为常数；t表示降雨历时，单位为min，t＝t1 t2；t1表示地面集水时间，单位为min；t2表示管内雨水流行时间，单位为min。
[0036]
进一步地，所述可弃流初期雨水的雨污分流管道系统还包括设置在u型管道两侧和下方的固定层。
[0037]
进一步地，所述固定层采用中粗砂填充；或所述固定层包括排水渠和固定槽，所述排水渠为长方形或正方形结构；贴合u型管道两侧竖直结构的外壁，所述固定槽设置在u型管道的下方，填充u型管道外壁和排水渠之间的空隙。
[0038]
进一步地，所述排水渠常采用石砌结构，所述固定槽为混凝土结构。
[0039]
进一步地，所述可弃流初期雨水的雨污分流管道系统还包括设置在固定层和u型管道顶部的封闭层。
[0040]
进一步地，所述时间计算装置、压力检测装置和水质检测装置均设置在雨水支管内的阀门附近，所述时间计算装置用于检测雨水径流并计算雨水径流的时间；所述压力检测装置用于检测雨水支管内的水流压力；所述水质检测装置用于检测雨水支管内的水质。
[0041]
作为本发明的第二个方面，本发明提供一种初期雨水弃流的方法，采用所述的可弃流初期雨水的雨污分流管道系统进行初期雨水弃流，方法包括：
[0042]
开始降雨时，雨水流入雨水支管的支管本体，所述初期雨水判定系统判定为初期雨水，控制阀门为打开状态，初期雨水通过第二出口流入污水流槽；
[0043]
降雨过程中，所述初期雨水判定系统根据降雨情况持续判定雨水是否为初期雨水，如果判定为不是初期雨水，则控制阀门关闭，雨水通过第一出口流入雨水通道。
[0044]
进一步地，发生以下情况，初期雨水判定系统判定为不是初期雨水：
[0045]
从雨水支管内形成雨水径流开始，超过预定时间；或
[0046]
雨水支管内的水流压力超过预定压力；或
[0047]
雨水支管内的水质在预定良好水质范围内。
[0048]
本发明的有益效果是：
[0049]
本方案设置上下两层雨水和污水的主管道，能够将雨水和污水分流，造价低，具体通过以下几个方面对本方案的优越性进行阐述。
[0050]
1、在现有的排水渠或现状管道的基础上，采用分隔板分流雨水和污水，不需要重新分别铺设雨水和污水的管网，降低成本。同时可以解决原有排水渠渗漏问题，避免污水对地下水体的污染。
[0051]
2、通过设置两个出口和阀门，初期雨水较脏时可以选择地排放雨水至污水流槽，不会污染地表水体，也减小污水处理厂的负荷。
[0052]
3、通过形成雨水径流的时间、水压和水质判断是否为初期雨水，不需要人为判断，判断精度高，自动控制阀门，将雨水有选择性地排入污水流槽或者雨水通道，实现无人值守。
[0053]
4、污水流槽和雨水通道根据当地的污水排放量和暴雨情况设置，可以防止管道系统的压力过大而产生超负荷甚至损坏。
[0054]
5、u型管道下部的截面较小，平时污水量少，可以保证提高污水的流速，尽快排走污水。
附图说明
[0055]
图1给出了第一个实施方式的可弃流初期雨水的雨污分流管道系统的结构图。
[0056]
图2给出了第二个实施方式的可弃流初期雨水的雨污分流管道系统的结构图。
[0057]
其中，1—雨水支管，11—支管本体，12—第一出口，13—第二出口，14—阀门，2—污水支管，3—雨污水主管道，31—u型管道，32—分隔板，33—雨水通道，34—污水流槽，4—固定层，41—排水渠，42—固定槽，5—封闭层， 6—连接管，7—初期雨水判定系统，71—控制装置，72—时间计算装置，73—压力检测装置，74—水质检测装置。
具体实施方式
[0058]
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0059]
根据本发明的第一个实施方式，提供了一种可弃流初期雨水的雨污分流管道系统，如图1所示，包括：雨水支管1、污水支管2、雨污水主管道3、固定层4、封闭层5、连接管6和初期雨水判定系统7。
[0060]
虽然图中只示出了一根雨水支管1，但实际上雨水支管1为多根，多根雨水支管1的雨水汇入雨污水主管道3。每根雨水支管1包括支管本体11、第一出口12、第二出口13以及设置在第二出口13上的阀门14，支管本体11水平设置，首端收集地表面上的雨水，末端与第一出口12和第二出口13连接，雨水流入支管本体11并经第一出口12或第二出口13流入雨污水主管道3。
[0061]
虽然图中只示出了一根污水支管2，但实际上污水支管2为多根，多根污水支管2的污水汇入雨污水主管道3。污水支管2水平设置。
[0062]
雨污水主管道3包括u型管道31、分隔板32、雨水通道33和污水流槽34。分隔板32水平设置在u型管道31内。分隔板32分隔上部的雨水通道33和下部的污水流槽34。雨水通道33将雨水引入地表水体，污水流槽34将污水排入污水处理厂。通过分隔板32将雨水通道33和污水流槽34分离，可以在现有的设施的基础上实现污水和雨水的分离，不需要重新建立不同的管网系统，降低了成本。污水流槽34设置在下部，由于是u型结构，越往底部污水流槽34的截面积越小。根据发明人观察，通常污水流槽34内排放的污水量不大，当截面积越小时，污水的流动速度会更快，不仅可以快速地将污水排入污水处理厂进行处理，还可以防止污泥淤积。
[0063]
为了防止使用时雨污水主管道3时雨水或污水超负荷造成管道的损坏，需要提前预判当地的雨水量和污水量，并根据当地的情况设计污水流槽34和雨水通道33的尺寸。污
水流槽34的尺寸由过水断面面积决定，过水断面面积根据当地的污水流量计算得到。具体地，污水流槽34底部形状类似圆形污水管道，故污水流槽底34部过水断面面积按照圆形管道进行水力计算。污水流槽34上部形状为矩形，故污水流槽34上部过水断面面积按照矩形管道进行水力计算。先将污水流槽34的整体过水断面面积计算出来，再以此计算污水流槽34的尺寸。污水流槽34的过水断面面积的计算公式为公式一：
[0064]
a1＝q1/v1公式一；
[0065]
其中，q1表示污水流量，根据当地的污水排放情况得到，单位为l/s；v1表示污水流速，单位为m/s；a1表示污水流槽34的过水断面面积，单位为m2。
[0066]
污水流速的计算公式为公式二：
[0067][0068]
其中，v1表示污水流速，单位为m/s；r1表示水力半径，单位为m；i1表示水力坡度，为无量纲参数，用千分比表示；n1表示粗糙系数，为常数。粗糙系数与管道材质有关，本方案采用hdpe管材，粗糙系数取0.009。
[0069]
雨水通道33的尺寸由过水断面面积决定，过水断面面积根据雨水流量计算得到。具体地，雨水通道33的过水断面面积的计算公式为公式三：
[0070]
a2＝q2/v2公式三；
[0071]
其中，q2表示雨水流量，根据当地的暴雨强度及管道服务地块的面积得到，单位为l/s；v2表示雨水流速，单位为m/s；a2表示雨水通道33的过水断面面积，单位为m2；
[0072]
雨水流速的计算公式为公式四：
[0073][0074]
其中，v2表示雨水流速，单位为m/s；r2表示水力半径，单位为m；i2表示水力坡度，单位为无量纲参数，用千分比表示；n2表示粗糙系数，为常数。粗糙系数与管道材质有关，本方案采用hdpe管材，粗糙系数取0.009。
[0075]
雨水流量通过公式五计算得到：
[0076]
q2＝q
×
ψ
×
f公式五；
[0077]
其中，q2表示雨水流量，单位为l/s；ψ表示径流系数，为常数，根据下垫面不同类型选取；f表示汇水面积，单位为ha；q表示暴雨强度，单位为l/(s
×
ha)。本公式中下垫面指汇水范围内由各种类型地面的组成的集水区域，如各种屋面、沥青路面、草地、透水铺装等，下垫面性质影响雨水的径流产生，一般情况下径流系数由各种下垫面类型加权平均得出。汇水面积根据雨水通道33的实际服务地块(即为汇入雨水通道33的雨水的面积)的面积计算出来。
[0078]
暴雨强度通过公式六计算得到：
[0079]
q＝167
×
b
×
(1 clogp)/(t b)
n
公式六；
[0080]
其中，q表示暴雨强度，单位为l/(s
×
ha)；b为常数；c为常数；p表示暴雨重现期，单位为年；b为管道内流水时间，单位为min；n为常数；t表示降雨历时，单位为min，t＝t1 t2；t1表示地面集水时间，单位为min；t2表示管内雨水流行时间，单位为min。b、c、n根据当地的暴雨情况而定。地面集水时间表示雨水落地到进入管道的时间。管内雨水流行时间表示雨
水在管道中流行的时间，通常在管道的下游设置一截面，计算雨水流到该截面的时间。
[0081]
计算出雨水通道33的过水断面面积后，由于雨水通道33为矩形，通过公式七计算出雨水通道33的长度和宽度。
[0082]
a2＝b2
×
h2公式七；
[0083]
其中，b2为雨水通道33宽度，单位为m；h2为雨水通道33高度，单位为m。污水流槽34的矩形部分的尺寸可以参照雨水通道33的计算公式进行计算。
[0084]
如图1所示，雨水支管1为t型结构，支管本体11和第一出口12水平设置，第二出口13竖直设置，第一出口12与雨水通道33连接，第二出口13与污水流槽34连接。当雨水从支管本体11流向第一出口12和第二出口13时，由于雨水支管1为t型结构，雨水会先选择流向第二出口13，如果第二出口13上的阀门14关闭时，第二出口13内逐渐往上积水，雨水自然地从第一出口12流出。连接管6竖直地穿过分隔板32，连接管6的上端与雨水支管1的第二出口13的下端连接，连接管6的下端伸向污水流槽34的下部。污水支管2与连接管6的下部连接。连接管6将雨水支管1的第二出口13和污水支管2的水引入污水流槽34，用于将污染较大的、需要处理的水排入污水流槽34的下部。设置在第二出口13上的阀门14关闭时，雨水支管1内的雨水流入雨水通道33。阀门14打开时，雨水支管1内的雨水流入污水流槽34。
[0085]
初期雨水判定系统7用于判定是否为初期雨水，如果判定为初期雨水则打开阀门14，让初期雨水流入污水流槽34；如果判定为不是初期雨水则关闭阀门14，让雨水流入雨水通道33。初期雨水判定系统7包括控制装置71、时间计算装置72、压力检测装置73和水质检测装置74。控制装置71与时间计算装置72、压力检测装置73、水质检测装置74和阀门14连接，根据时间计算装置72的时间、压力检测装置73压力和水质检测装置74的水质情况判定是否为初期雨水，控制阀门14的打开和关闭。如图1所示，时间计算装置72、压力检测装置73和水质检测装置74均设置在雨水支管1内的阀门14附近。时间计算装置用72于检测雨水支管1内形成的雨水径流并计算开始产生雨水径流后经过的时间，通过产生雨水径流后经过的时间可以判定是否为初期雨水。产生初期雨水的时间一般可选10分钟或15分钟，但是由于单位时间内雨水量的不确定性，如果只根据时间判定初期雨水是不准确的，因此还需要压力监测装置73和水质检测装置74配合进行初期雨水的判定。压力检测装置73用于检测雨水支管1内的水流压力，通过水流的压力可知单位时间内雨量的大小，根据雨量可以判定是否为初期雨水。水质检测装置74用于检测雨水支管1内的水质，通过水质也可以判定是否为初期雨水。只有通过时间、水压和水质三个方面的结合，才能够准确判断是否为初期雨水，判定错误，可能会给污水处理厂带来处理压力，也有可能会造成地面水体的污染。初期雨水就是降雨初期时的雨水。一般是指地面10
‑
15mm厚已形成地表径流的降水。由于降雨初期，雨水溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体，降落地面后，又由于冲刷屋面、沥青混凝土道路等，使得前期雨水中含有大量的污染物质，前期雨水的污染程度较高，通常超过了普通的城市污水的污染程度。由于初期雨水较脏，通过形成雨水径流的时间、水压和水质判断是否为初期雨水，不需要人为判断，判断精度高，自动控制阀门，将雨水有选择性地排入污水流槽或者雨水通道，实现无人值守，减小污水处理厂的负荷，不会污染地表水体。
[0086]
整个可弃流初期雨水的雨污分流管道系统是在现有的排水渠上建立的，不仅可以有效推进项目区雨污分流工作，还具有显著的经济效益和生态效益。为了固定u型管道31，
固定层4设置在u型管道31的两侧和下方。固定层4包括排水渠41和固定槽42。排水渠41为现有的排水渠，为长方形或正方形结构。排水渠41的两个竖直的侧面贴合u型管道两侧竖直结构的外壁。由于排水渠 41的下部和u型管道31的不契合，因此在排水渠41和u型管道31之间设置固定槽42，固定曾42位于u型管道31的下方，填充u型管道31外壁和排水渠41之间的空隙。排水渠41常采用石砌结构，固定槽42为现浇的混凝土。本方案由于是在现有的排水渠14的基础上改造的，将u型管道31内嵌于排水渠 14中，实施过程不对现状排水渠14进行拆除，可以大幅减小施工工作量和难度。排水渠14多为石砌结构，底部具备一定承载力，可以保证管道敷设地基承载力要求，避免额外管道地基处理费用，经济效益显著。管道系统敷设完成后，可以有效减解决原排水渠14渗漏问题，避免污水渗入地下对地下水造成污染，同时也可完全实现雨污分流以及初期雨水截留目的，生态效益显著。
[0087]
封闭层5设置在固定层4和u型管道31顶部，防止雨水溢出整个系统。
[0088]
根据本发明的第二个实施方式，提供一种可弃流初期雨水的雨污分流管道系统，如图2所示，第二个实施方式的可弃流初期雨水的雨污分流管道系统和第一个实施方式的基本相同，不同的地方在于，第二个是实施方式的可弃流初期雨水的雨污分流管道系统用于现状道路的雨污分流改造，固定层4用中粗砂填充，待管道施工完毕后，用封闭层5封闭，对道路进行恢复。
[0089]
根据本发明的第三个实施方式，提供一种初期雨水分流的方法，采用第一个或第二个实施方式的可弃流初期雨水的雨污分流管道系统进行初期雨水分流。具体的方法包括：
[0090]
晴天时，阀门14处于常闭状态，污水支管2连接用户污水排出口，污水经污水支管2进入污水流槽34，污水通过污水流槽34进入污水处理厂，经处理达标后排放。
[0091]
开始降雨时，雨水流入雨水支管1的支管本体11，初期雨水判定系统7的控制装置71根据时间计算装置72的时间、压力监测装置73的压力和水质监测装置74的水质情况判定为初期雨水，初期雨水较脏，控制阀门14为打开状态，初期雨水通过第二出口14流入污水流槽34，避免初期雨水进入雨水通道33而对地表水体产生污染。
[0092]
降雨过程中，初期雨水判定系统7的控制装置71根据降雨情况持续判定雨水是否为初期雨水。判定方法为：
[0093]
发生以下情况，初期雨水判定系统7的控制装置71判定为不是初期雨水：
[0094]
时间计算装置72检测雨水支管1内的雨水径流，从雨水支管1内形成雨水径流开始计时，超过预定时间；或
[0095]
压力检测装置73检测雨水支管1内的水流压力，雨水支管1内的水流压力超过预定压力；或
[0096]
水质检测装置74检测雨水支管1内的水质情况，雨水支管1内的水质在预定良好水质范围内。
[0097]
否则，初期雨水判定系统7的控制装置判定为初期雨水。
[0098]
降雨过程是一个完全无法确定的过程，单位时间雨量特别大的时候，未到预定时间雨水就已经很干净了，因此只通过时间判定初期雨水是不准确的。本方案结合时间、压力和水质三个方面判定是否为初期雨水，判定精度高，这也是人为无法做到的。
[0099]
如果控制装置71判定为不是初期雨水，则控制阀门14关闭，雨水通过第一出口12
流入雨水通道33，经过雨水通道33收集后就近排入地表水体。
[0100]
由此可见，无论是在晴天还是雨天，本方案通过阀门14和初期雨水判定系统7控制雨水流向，均可实现雨污水分流及初期雨水的弃流，避免污水及初期雨水进入地表水体同时也可防止干净的雨水进入污水流槽34进而对污水处理厂造成负荷冲击。
[0101]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。