一種城市自動化加速排水裝置研究

摘要 城市內(nèi)澇在近幾年來頻繁發(fā)生，是我國的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一，產(chǎn)生的主要原因是隨著城市的發(fā)展，城市建設(shè)的不透水鋪裝道路和混泥土建筑覆蓋面積加大，降低了雨水的下滲量和截留量，使雨水快速集聚在城市低洼處。這些地方的積水便需要使用水泵及時抽離。我國很多城市抽離積水的方式是通過電排站提升積水后排往排水管網(wǎng)，而排水泵站需要人工手動控制開啟關(guān)閉水泵，排水效率低，這就容易形成城市澇點。為了解決這個問題，本項目團(tuán)隊自主設(shè)計一個自動化加速排水裝置。該裝置可以實時感應(yīng)水位，并且自動加速排水。

關(guān)鍵詞 城市內(nèi)澇;自動化加速排水裝置;水位;電極

中圖分類號 TU823 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

0引言

城市內(nèi)澇多發(fā)的原因除了自然條件造成的雨量大，范圍集中，也有城市建設(shè)的原因。隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，城市不透水鋪裝道路和混泥土建筑覆蓋面積增加，這就降低了雨水的下滲量和截留量，當(dāng)暴雨來臨時，積水匯流速度加快，因此更容易形成澇點［1］。王震［2］在對城市內(nèi)澇成因研究中提到，隨著城市排水管網(wǎng)的不斷增加，城市澇水大多通過電排站提升后排往外河城市，但因為電排站的建設(shè)明顯滯后于城市的建設(shè)，所以電排站的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，一些排水泵就需要人工操作，而人工調(diào)節(jié)泵站排水速度較慢，內(nèi)澇就更易形成。內(nèi)澇一旦發(fā)生往往會增加城市交通負(fù)擔(dān)，甚至威脅人們的生命財產(chǎn)安全，對城市造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，影響城市的發(fā)展。

1自動化加速排水裝置實驗

1.1實驗儀器

為了說明本裝置的實用性，項目團(tuán)隊自主設(shè)計了如圖1所示的實驗設(shè)備，包含：1.立方體蓄水池，2.電源導(dǎo)線，3.電極式液位計裝置，4.可控制坡度透明玻璃水槽、水槽支撐體系，5.直尺，6.軟水管，7.水泵箱，8.水流收集池。

1.2實驗方案

在GB51222—2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》規(guī)范［3］文中明確指出道路中一條車道的積水深度不得超過15cm，當(dāng)積水達(dá)到15cm，并且超過30min，范圍大于1000m²，就會影響城市交通，造成城市交通混亂。本實驗則根據(jù)GB51222-2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)模擬設(shè)計了實際情況的水位情況，共分為3段水位高度進(jìn)行3次試驗。實驗使用設(shè)有一端開口的立方體蓄水池，通過調(diào)節(jié)開口大小來模擬暴雨蓄水速度，第一次實驗只包括第一段水位設(shè)計的情況，第一段設(shè)置水位為0.3m，模擬的是降雨初期雨水開始匯集，形成澇點階段。第二次實驗包括第一段和第二段水位設(shè)計，需要在第一段水位上繼續(xù)增加蓄水速度的實驗條件下進(jìn)行實驗，這樣水位會持續(xù)上升，模擬較大暴雨積水情況。第三次實驗，包括第一段、第二段和第三段水位設(shè)計，需要在第二次實驗的基礎(chǔ)上繼續(xù)加大立方體蓄水池開口，加大蓄水速度，模擬特大暴雨積水情況。實驗方案如圖2所示。

1.2.1工作原理

該裝置選用電極式液位計，閻笑虹［4］曾提出利用該液位計檢測鍋爐水位的情況，此處將其用于檢測澇點水位情況，具有使用合理性，電源采用雙電源自動切換裝置和UPS，實現(xiàn)主電源失電情況下，備用電源的無縫接入，保證PLC模塊的不間斷供電，使電路穩(wěn)定［5］。采用不銹鋼棒材作電極，共有4根，1號為高水位電極，2號為中水位電極，3號為低水位電極，4號為參考電極，1～3號電極通過導(dǎo)電線分別與1～3號3個同型號的水泵相連接，其工作原理是隨著水位的上升，水最先接觸參考電極，從而引入電源，接著水接觸到低水位電極，參考電極、水和低水位電極夠成一個導(dǎo)電通路，水泵3開始啟動工作，如果一臺水泵的排水工作效率不夠，水位將會繼續(xù)上升，上升到水體與中水位電極接觸，參考電極、水和中水位電極構(gòu)成第二條導(dǎo)電通路，水泵2開始啟動工作，此時2臺水泵同時工作，自動加快排水速度，2臺水泵同時啟動可以應(yīng)對較大暴雨天氣降雨引起的城市內(nèi)澇，如遇罕見的特大暴雨，本裝置設(shè)計了高水位電極，如積水深度過深，則第三條電路導(dǎo)通，即參考電極、水體和高水位電極電路導(dǎo)通，水泵1也開始工作，此時3臺水泵同時啟動，排水效率得到了進(jìn)一步的提高，可以及時控制隨時間上漲的水位。同時在暴雨天氣后期，降雨量開始減少，則無增加的雨水，澇點積水水位就會下降，水下降到不接觸高水位電極，則第三條導(dǎo)電線路斷路，水泵1自動停止工作，此時留下2臺泵工作處理剩下的積水。再隨著水位下降，第二條導(dǎo)電線路也斷路，剩下一臺水泵解決剩下的小部分積水。3根電極的長度差實現(xiàn)了水泵隨水位變化開啟或關(guān)閉的高效、自動排水的目的，同時還節(jié)約了能源，該裝置原理如圖3所示。

1.2.2實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2.3實驗分析

本實驗需要進(jìn)行3次，共設(shè)計了3段水位高度，對第一次實驗結(jié)果數(shù)據(jù)和第三次實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，第一段水位高0.3m，水泵3工作時間為8min，水泵2工作時間為0.5min，第三段水位高0.6m，第三段水位是第一段水位的2倍，此時3條線路都導(dǎo)通，因此3臺水泵都進(jìn)行工作，發(fā)現(xiàn)水泵3的工作時間明顯下降。并且在進(jìn)行第三次水位實驗的時候，可以根據(jù)水位下降記錄的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著水位下降，水泵1和水泵2依次自動關(guān)閉，減少了不必要的能耗，實現(xiàn)了能源、機(jī)器配置最大化利用效益。同時根據(jù)表1實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在第三段水位與第二段水位的高差等于第二段水位與第一段水位高差的情況下，排水時間從7′20″下降到6′11″，提高了排水效率，水位很快得到了控制，并逐漸下降，直至水位下降到不會影響車輛和行人行進(jìn)的高度，高效解決了城市積水的排走不及時的問題。

2結(jié)論

本文介紹了一款基于城市排水不及時造成內(nèi)澇災(zāi)害問題所研發(fā)的一款自動化加速排水裝置，該裝置集水泵、電極式液位計功能于一體，實現(xiàn)對水位的實時感應(yīng)，并且自動化開關(guān)水泵，實現(xiàn)高效節(jié)能排水。為了具體說明和驗證該自動化裝置的功能，本文從工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及電路設(shè)計出發(fā)，設(shè)計了一個具體實驗方案。通過實驗方案得出可靠數(shù)據(jù)，再對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，更清楚的闡明了該自動化加速排水裝置的實時水位感應(yīng)功能及加速排水功能。該自動化排水裝置著力于城市內(nèi)澇的痛點，有利于解決城市內(nèi)澇的問題，對于城市的發(fā)展有著重要作用。并且該裝置技術(shù)可靠性高，成本低、安裝簡單。

參考文獻(xiàn)

［1］柳發(fā)根，丘汶卉，李文鈺.基于韌性治理理論的城市內(nèi)澇治理路徑研究——以鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害為例［J］.中國西部，2022（2）：47-56.

［2］王震.城市內(nèi)澇成因與雨水管渠規(guī)劃設(shè)計［J］.市政技術(shù)，2021，39（12）：105-108.

［3］城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范：GB51222-2017［S］.

［4］閻笑虹.鍋爐水位智能控制器［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999（1）：107-109.

［5］朱敏智.某輸水泵站水泵電動機(jī)的供電設(shè)計［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2022，13（2）：56-59.

［6］白斯宇，劉辰龍，郭翔博，等.某取水泵站6kV水泵保護(hù)回路改造［J］.儀器儀表用戶，2020，27（8）：39-41.