本發(fā)明涉及城市面源污染控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種無動力雨水分流裝置。

背景技術(shù)：

國內(nèi)外調(diào)查資料均表明，降雨形成的初期雨水因攜帶管道沉積物、道路粉塵等污染物，其濃度與城市污水廠進(jìn)水水質(zhì)相近甚至高于污水廠進(jìn)水水質(zhì)。因此，在那些已經(jīng)實施雨污分流的城市，如沒有妥善收集并處理初期雨水的措施，仍會出現(xiàn)暴雨期城市河道污染現(xiàn)狀明顯，水體發(fā)黑發(fā)臭的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響居民的生活質(zhì)量。當(dāng)前，在國家大力推廣海綿城市應(yīng)用，保護(hù)城市水體環(huán)境，為居民創(chuàng)建良好生態(tài)環(huán)境的背景下，控制城市面源污染，尤其是控制初期雨水污染愈發(fā)成為人們關(guān)注的重點。

由于降雨的不確定性、隨機性、以及范圍大等特點，使得降雨污染的控制仍然存在一些不足，無法滿足國家建設(shè)環(huán)境友好城市的需要。目前應(yīng)用較多的初期雨水控制方法為源頭截污處理，即通過構(gòu)建綠色基礎(chǔ)設(shè)施，如雨水花園、綠色屋頂，植草溝等類似具有截留、過濾、吸附處理污染物功能的設(shè)施，來減少初期雨水污染程度。除了上述源頭截污處理方法外，應(yīng)用較多的就是采用專有裝置對初期雨水進(jìn)行截留收集，分流初期雨水與后期雨水，然后將高污染的初期雨水通過污水管網(wǎng)輸送到城市污水處理廠進(jìn)行處理，后期雨水直接排放或者經(jīng)簡單處理后利用。

目前在初期雨水收集、分離領(lǐng)域已有一些專利。丁志強發(fā)明的“一種初期雨水收集系統(tǒng)”(ZL201310672725.0)，利用集水室收集污染物濃度較高的初期雨水，集水室充滿雨水后無法容納再多的雨水，雨水井內(nèi)積水逐漸升高，自雨水連接管排放，初期雨水經(jīng)取水管排放，解決了初期雨水的污染問題，但是該方法存在著集水室容積較大，初期雨水的排放需要人工控制，且需要水泵等耗能組件等問題，自動化程度不夠高。車伍等發(fā)明的“分流式雨水自動棄流方法和裝置”(ZL02155637.7)，利用一個只需要棄流總體積幾分之一的分流池實現(xiàn)了自動分流初期雨水，控制了初期雨水的污染，雖然方法減少了初雨棄流池的規(guī)模，但是方法在運行上依然存在對人工的依賴，需要在每一場降雨后人工放空積存的雨水，才能開始下一場雨水初期雨水的棄流收集。上述兩種方法都存在自動化程度不夠高，對人工依賴性強等缺點，對一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或是人工不容易到達(dá)的地方適應(yīng)性差，無法實現(xiàn)對初期雨水的有效控制。針對初期雨水污染控制技術(shù)自動化程度低，張海平發(fā)明了“一種水力自控初期雨水棄流方法及裝置”(ZL200610027956.6)，通過水力學(xué)原理進(jìn)行水力計時，利用磁鐵、浮筒及繩索控制閥門開關(guān)實現(xiàn)雨水的收集以及自動放空，對控制初期雨水具有不錯的效果，但是系統(tǒng)內(nèi)輔助系統(tǒng)較多，且繩索較多容易纏繞、磁鐵要求高等問題，都會影響系統(tǒng)的控制能力，影響對雨水污染的控制管理。

查找相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)目前針對初期雨水的污染控制技術(shù)大都是初期雨水的截留收集技術(shù)，這些技術(shù)方案或是存在自動化程度低或是存在建造成本高，或需要額外動力，維護(hù)運營費用大等缺點，需要探索結(jié)構(gòu)簡單，建造成本低，動力消耗少甚至無動力消耗、運營成本低等有效收集初期雨水的技術(shù)方法和裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種無動力雨水分流裝置。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種無動力雨水分流裝置，用于實現(xiàn)初期雨水與后期雨水的自動分流，包括：

雨水井，頂部開口，用于接收并容納雨水；

初期雨水收集模塊，設(shè)置于雨水井內(nèi)并與污水管道連接，用于在降雨的初期根據(jù)雨水產(chǎn)生的重力自動控制初期雨水排放至污水管道進(jìn)行處理；

后期雨水收集模塊，設(shè)置于雨水井內(nèi)并與雨水管道連接，用于在降雨的后期根據(jù)雨水產(chǎn)生的重力自動控制后期雨水通過雨水管道排放至水體。

所述初期雨水收集模塊包括：

初期雨水排出口，與污水管道連接，用于作為初期雨水的排出通道；

初期出水管閥門，設(shè)置于雨水井內(nèi)并與初期雨水排出口連接，用于初期雨水的排出；

初期出水管閥門控制組件，與初期出水管閥門連接，用于根據(jù)隨降雨時間變化的雨水重力，控制初期出水管閥門的開關(guān)。

所述初期出水管閥門控制組件包括：

初期控制桶，用于根據(jù)雨水產(chǎn)生的重力帶動初期出水管閥門運動；

虹吸管，設(shè)置于雨水井內(nèi)并與初期控制桶連接，用于將雨水井內(nèi)的雨水通過虹吸作用傳遞至初期控制桶；

第一滑輪組，分別與初期控制桶和初期出水管閥門連接，用于實現(xiàn)初期控制桶對初期出水管閥門的控制。

所述初期控制桶的底部設(shè)有初期控制桶出水管，用于初期控制桶內(nèi)雨水的排出，實現(xiàn)初期出水管閥門的關(guān)閉。

所述虹吸管上還設(shè)有虹吸過濾頭，所述虹吸過濾頭的孔徑小于初期控制桶出水管直徑的0.8倍。

所述后期雨水收集模塊包括：

后期雨水排放室，與雨水井連接，用于容納后期雨水；

雨水連接管，分別與雨水井和后期雨水排放室連接，用于將雨水井內(nèi)的后期雨水傳輸至后期雨水排放室；

后期出水管閥門，設(shè)置于雨水井內(nèi)并與雨水連接管連接，用于后期雨水從雨水井至后期雨水排放室的傳輸；

后期出水管閥門控制組件，與后期出水管閥門連接，用于根據(jù)隨降雨時間變化的雨水重力，控制后期出水管閥門的開關(guān)；

后期雨水排出口，設(shè)置于后期雨水排放室內(nèi)，用于作為后期雨水從后期雨水排放室的排出通道。

所述后期出水管閥門控制組件包括：

后期控制桶，用于根據(jù)初期雨水排出模塊排出至桶內(nèi)的雨水產(chǎn)生的重力以及雨水連接管排出的雨水產(chǎn)生的重力帶動后期出水管閥門運動；

第二滑輪組，分別與后期控制桶和后期出水管閥門連接，用于實現(xiàn)后期控制桶對后期出水管閥門的控制。

所述后期控制桶的底部設(shè)有后期控制桶出水管，用于控制后期控制桶內(nèi)雨水的排出，實現(xiàn)后期出水管閥門的關(guān)閉。

所述雨水井頂端還設(shè)有雨水篦，用于攔截地表的大顆粒污染物。

所述雨水井內(nèi)還設(shè)有橡膠密封墊，用于實現(xiàn)初期雨水收集模塊和后期雨水收集模塊的密封。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，只需要雨水井和設(shè)置在雨水井內(nèi)的初期雨水收集模塊和后期雨水收集模塊，且初期雨水收集模塊和后期雨水收集模塊均是根據(jù)雨水產(chǎn)生的重力自動控制雨水的流向，無需額外動力和人工操作，只需定期檢查裝置是否完好以及是否發(fā)生堵塞即可，大大節(jié)省了能源。

(2)初期雨水收集模塊僅需排出口、閥門和閥門控制組件即可實現(xiàn)，實現(xiàn)方式簡單，且排出口和閥門的建造成本很低，閥門控制組件也是通過常見的控制桶、滑輪組和虹吸管實現(xiàn)，大大節(jié)省了整體裝置的成本。

(3)初期控制桶的底部設(shè)有初期控制桶出水管，使得在初期雨水排出完全后，初期控制桶可以自動排空，進(jìn)而自動關(guān)閉初期出水管閥門從而進(jìn)行后續(xù)的后期雨水的排水工作，實現(xiàn)方式簡單的同時效果顯著，無需人工控制即可全自動實現(xiàn)初期雨水和后期雨水的分流。

(4)虹吸管上設(shè)有孔徑小于初期控制桶出水管直徑0.8倍的虹吸過濾頭，可以防止雨水中的顆粒物對虹吸管進(jìn)行堵塞，保證了裝置穩(wěn)定且自動化的運行。

(5)后期雨水收集模塊通過后期雨水排放室、雨水連接管、后期出水管閥門、后期出水管閥門控制組件和后期雨水排出口實現(xiàn)，各個實現(xiàn)設(shè)備均常見且性價比高，而且后期出水管閥門控制組件通過后期控制桶和第二滑輪組即可實現(xiàn)，實現(xiàn)方式簡單且便于組裝，進(jìn)一步降低了整個裝置的成本。

(6)后期雨水收集模塊設(shè)有后期雨水排放室，先將雨水通過雨水連接管傳送至后期雨水排放室再進(jìn)行進(jìn)一步的排放，保證了初期和后期雨水的分離完全，避免二者發(fā)生混淆，同時在后期雨水的排出過程中，雨水連接管除了將雨水傳輸至后期雨水排放室外，還有一部分進(jìn)入了后期控制桶，可以保持后期控制桶的重力符合要求，從而保證后期出水管閥門保持打開狀態(tài)，避免后期雨水有所殘留。

(7)后期控制桶的底部設(shè)有后期控制桶出水管，可以實現(xiàn)整個裝置的復(fù)位，在后期雨水也完全排出的情況下，后期控制桶的質(zhì)量漸漸減輕，帶動后期出水管閥門關(guān)閉，使得整個裝置回復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一次的雨水分流，實現(xiàn)了裝置的完全自動控制。

(8)雨水井頂端還設(shè)有雨水篦，能夠攔截地表上的各種大顆粒污染物，防止裝置堵塞，保證了裝置的穩(wěn)定性。

(9)雨水井內(nèi)還設(shè)有用于實現(xiàn)初期雨水收集模塊和后期雨水收集模塊的密封的橡膠密封墊，保證了裝置的密封性，避免初期雨水因為密封不嚴(yán)而流出裝置造成污染。

附圖說明

圖1為無動力雨水分流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為無動力雨水分流裝置的平面示意圖；

圖3為初期雨水進(jìn)入污水管道時裝置的示意圖；

圖4為后期雨水進(jìn)入雨水管道時裝置的示意圖；

其中，1為雨水篦，2為雨水井，3為虹吸過濾頭，4為虹吸管，5為初期出水管閥門，6為后期出水管閥門，7為橡膠密封墊，8為初期雨水排出口，9為雨水連接管，10為第一繩索，11為第二繩索，12為初期控制桶，13為初期控制桶出水管，14為后期控制桶，15為后期控制桶出水管，16為后期雨水排出口，17為后期雨水排放室。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。

如圖1～2所示為本實施例中提供的無動力雨水分流裝置，包括：雨水井2，頂部開口，用于接收并容納雨水；初期雨水收集模塊，設(shè)置于雨水井2內(nèi)并與污水管道連接，用于在降雨的初期根據(jù)雨水產(chǎn)生的重力自動控制初期雨水排放至污水管道進(jìn)行處理；后期雨水收集模塊，設(shè)置于雨水井2內(nèi)并與雨水管道連接，用于在降雨的后期根據(jù)雨水產(chǎn)生的重力自動控制后期雨水通過雨水管道排放至水體。

其中，初期雨水收集模塊包括：初期雨水排出口8，與污水管道連接，用于作為初期雨水的排出通道；初期出水管閥門5，設(shè)置于雨水井2內(nèi)并與初期雨水排出口8連接，用于控制初期雨水的排出；初期出水管閥門控制組件，與初期出水管閥門5連接，用于根據(jù)隨降雨時間變化的雨水重力，控制初期出水管閥門5的開關(guān)。初期出水管閥門控制組件包括：初期控制桶12，用于根據(jù)雨水產(chǎn)生的重力帶動初期出水管閥門5運動；虹吸管4，設(shè)置于雨水井2內(nèi)并與初期控制桶12連接，用于將雨水井2內(nèi)的雨水通過虹吸作用傳遞至初期控制桶12；第一滑輪組，分別與初期控制桶12和初期出水管閥門5連接，用于實現(xiàn)初期控制桶12對初期出水管閥門5的控制。初期控制桶12的底部設(shè)有初期控制桶出水管13，用于控制初期控制桶12內(nèi)雨水的排出，實現(xiàn)初期出水管閥門5的關(guān)閉。虹吸管4上還設(shè)有虹吸過濾頭3，虹吸過濾頭3的孔徑小于初期控制桶出水管13直徑的0.8倍。后期雨水收集模塊包括：后期雨水排放室17，與雨水井2連接，用于容納后期雨水；雨水連接管9，分別與雨水井2和后期雨水排放室17連接，用于將雨水井2內(nèi)的后期雨水傳輸至后期雨水排放室17；后期出水管閥門6，設(shè)置于雨水井2內(nèi)并與雨水連接管9連接，用于控制后期雨水從雨水井2至后期雨水排放室17的傳輸；后期出水管閥門控制組件，與后期出水管閥門6連接，用于根據(jù)隨降雨時間變化的雨水重力，控制后期出水管閥門6的開關(guān)；后期雨水排出口16，設(shè)置于后期雨水排放室17內(nèi)，用于作為后期雨水從后期雨水排放室17的排出通道。后期出水管閥門控制組件包括：后期控制桶14，用于根據(jù)初期雨水排出模塊排出至桶內(nèi)的雨水產(chǎn)生的重力以及雨水連接管9排出的雨水產(chǎn)生的重力帶動后期出水管閥門6運動；第二滑輪組，分別與后期控制桶14和后期出水管閥門6連接，用于實現(xiàn)后期控制桶14對后期出水管閥門6的控制。后期控制桶14的底部設(shè)有后期控制桶出水管15，用于控制后期控制桶14內(nèi)雨水的排出，實現(xiàn)后期出水管閥門6的關(guān)閉。雨水井2頂端還設(shè)有雨水篦1，用于攔截地表的大顆粒污染物。雨水井2內(nèi)還設(shè)有橡膠密封墊7，用于實現(xiàn)初期雨水收集模塊和后期雨水收集模塊的密封。

依據(jù)上述模塊，建立具體裝置，具體的實施方法如下：

1)根據(jù)工程實施地區(qū)多年降雨徑流水量、水質(zhì)等資料，來確定合理的初期雨水量R(累積降雨深度；mm)。

2)結(jié)合裝置服務(wù)的區(qū)域A(m²)、區(qū)域的綜合徑流系數(shù)φ，確定初期雨水徑流量V＝φRA，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計裝置雨水井2規(guī)模。一般要求雨水井2體積為(1.1-2.0)V；而虹吸管4高度h＝0.9*V/雨水井截面積。

3)雨水井2內(nèi)的初期雨水和后期雨水出水管閥門開始處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)初期雨水從雨水口進(jìn)入的雨水井2內(nèi)達(dá)到并超過虹吸管4，發(fā)生虹吸作用，雨水進(jìn)入到初期控制桶12，初期控制桶12滿載后，要保證通過初期控制桶12本身重量加上水的重力和第一繩索10拉動初期出水管閥門5，初期雨水排入污水管道，如圖3所示。

4)初期雨水排放時間T(min)根據(jù)流體力學(xué)貝努利方程計算，在此期間，虹吸仍然進(jìn)行，直至虹吸管頭漏出水面，虹吸過程結(jié)束。在該段時間T結(jié)束時，初期控制桶12內(nèi)的雨水通過初期控制桶出水管13慢慢流出，初期控制桶12的重量減輕難以拉動初期出水管閥門5，使得初期出水管閥門5關(guān)閉；同時為避免后期出水管閥門6提前打開，初期雨水混入后期雨水，該段時間T也要等于初期控制桶出水管13的出水注滿后期控制桶14的時間，以便利用后期控制桶14的重力(含后期控制桶14本身重量)和第二繩索11打開后期出水管閥門6，后期雨水排入到后期雨水排放室17中，然后通過后期雨水排出口16排入雨水管道最終進(jìn)入水體，如圖4所示；

5)為了保證后期雨水排放過程中后期出水管閥門6長開，在排放過程中雨水連接管9中的雨水也部分進(jìn)入后期控制桶14中，保持后期控制桶14處于滿載狀態(tài)。

6)由于地表污染物的累積需要一定的時間，因此以降雨停止t(h)后，產(chǎn)生的降雨才考慮作為初期雨水。根據(jù)時間t確定裝置復(fù)位的系統(tǒng)設(shè)計，即后期雨水排放室17內(nèi)的雨水排空后，后期雨控制桶內(nèi)的雨水在后期控制桶出水管15控制下排空，其排空時間為t(h)，此時間也采用貝努利方程計算得到。當(dāng)后期控制桶14重量不足以拉動后期出水管閥門6后，后期出水管閥門6關(guān)閉，恢復(fù)到初始狀態(tài)，即初期出水管閥門5和后期出水管閥門6關(guān)閉，雨水井2排空，等待下一次初期雨水的收集。

雨水篦1能夠攔截地表上的各種大顆粒污染物，為了防止堵塞虹吸管4，同時為進(jìn)一步防止堵塞情況的出現(xiàn)，在虹吸管4上安裝孔徑更為細(xì)密的虹吸過濾頭3，虹吸過濾頭3的孔徑要小于0.8倍初期控制桶出水管13的直徑，且距離池底約5cm。此外為了密封，初期出水管閥門5和后期出水管閥門6之間要設(shè)有橡膠密封墊7。對于裝置涉及到的具體參數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐亩鄨鼋涤暧晁|(zhì)分析和降雨量統(tǒng)計，確定初期雨水棄流量，根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄杲涤曩Y料確定兩場降雨之間的間隔時間，作為系統(tǒng)復(fù)位所需時間。

以A＝600m²的道路區(qū)域，徑流系數(shù)φ＝0.85，需截留初期雨水的深度R＝8mm深度雨水，降雨強度選擇一年一遇的60min降雨，q＝42mm/h，前后兩場降雨間隔時間取8h(有資料選擇6h，具體根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄杲涤曩Y料確定)為例：

初期雨水體積V＝φAR＝0.85×0.008×600＝4.08m³，雨水井2水平截面2*2m，高度h＝1.2m，構(gòu)筑雨水井2體積V_實＝2×2×1.2＝4.8m³＞4m³。后期雨水排放室17需保證初期控制桶12、后期控制桶14有足夠的活動空間(拉開閥門桶下降的空間，保證兩桶不發(fā)生碰撞，并且保證檢修人員下去活動的空間)，設(shè)雨水排放室2m×0.7m×2m(長×寬×深)。虹吸管4管徑50mm，初期控制桶12重量為初期出水管閥門5重量的1/4～1/3,后期控制桶14重量為后期出水管閥門6重量的1/4～1/3。在雨水井2內(nèi)水面高度達(dá)到虹吸管4吸水高度時，通過虹吸作用，初期控制桶12內(nèi)開始存水，同時出水進(jìn)入后期控制桶14，在這一過程，后期控制桶14雨水流量增加：

后期控制桶14內(nèi)雨水增加的體積：

式中，Q為流量，m³/s；u_c為水的黏度系數(shù)，pa·s；A為初期控制桶出水管13截面積，m²；H為初期控制桶12內(nèi)液位深度，m；V為雨水體積，m³；t為初期控制桶12出水到后期控制桶14的時間，s；

當(dāng)初期控制桶12及內(nèi)部水重量高于初期出水管閥門5重力及其上受水壓力時，拉開初期出水管閥門5，初期雨水流出，雨水井2內(nèi)液位逐漸低于虹吸管4吸水深度，雨水直接通過初期雨水排出口8流出，初期控制桶12內(nèi)水位逐漸降低，后期控制桶14重量逐漸增加，到初期出水管閥門5關(guān)閉，后期出水管閥門6被拉開，雨水從雨水連接管9流進(jìn)后期雨水排放室17并進(jìn)入到后期控制桶14(后期出水管閥門6完全拉開時，后期控制桶14剛好到達(dá)后期雨水排放室17底部)，當(dāng)降雨停止，不再有雨水進(jìn)入雨水井2，后期控制桶14內(nèi)的水逐漸排出，并在Th時關(guān)閉后期出水管閥門6，

在這一過程，后期控制桶14雨水流量減少：

后期控制桶14內(nèi)雨水排出的體積

式中，Q為流量，m³/s；u_c為水的黏度系數(shù)，pa·s；A為后期控制桶出水管15的截面積，m²；H為水桶內(nèi)液位深度，m；V為雨水排出體積(排出到后期出水管閥門關(guān)閉體積)，m³；T為閥門完全關(guān)閉所需時間，h。上述過程完成后，為下一次系統(tǒng)啟動做好準(zhǔn)備。