CN103215937A - 基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统，多层含水层结构位于回灌区域的地面下方，由上至下依次为地下水库、弱透水层A、浅层含水层、弱透水层B以及深层含水层，多层含水层结构中设有雨水回灌单元，雨水回灌单元位于地下水库内，至少包括泵房、主管A、外套管A、透水管以及水平辐射管，其中泵房A设于地面上，外套管A由泵房A内的地面处向下延伸，主管A和透水管均位于外套管A内，主管A位于透水管的上方且主管A的底端与透水管的顶端固定连接。本发明所提供的雨水回灌地下水系统能够实现雨水的快速回灌存储，并且能够利用地质条件通过自然过滤作用实现水质净化，并且能够加快雨水进入深层含水层的速率。

Description

基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统

技术领域

本发明涉及一种利用多层含水层结构和疏干型地下水库的雨水回灌地下水的系统以及方法，属于水利技术领域。

背景技术

近年来随着全国范围内的地下水严重超采，形成了大面积地下水降水漏斗，造成了一系列环境地质问题。据统计，全国地下水超采区300余个，面积达到了19万平方公里，形成大型地下水漏斗100多个，面积达15万平方千米。由于长期超采地下水，华北平原范围内包括浅层漏斗和深层漏斗在内的复合地下水漏斗面积总计达73288平方千米，形成了世界最大“漏斗区”。

而另一方面，随着城市化进程的加快，城市不透水面积急剧增加，阻碍了雨水由地表正常下渗，而且许多城市存在排水设施老化等问题，由此造成了严重的内涝灾害，大量的雨水得不到充分利用。但是，与以上现状相矛盾的是，许多城市面临着严重缺水的问题。如何充分利用雨水解决城市的缺水问题，成为近年来的研究焦点。

目前雨水回灌技术已经日趋成熟，但尚存在部分问题。其缺点主要集中在三个方面：首先是回灌雨水水质问题。如果要实现雨水回灌，回灌雨水的水质是关键问题。目前水质净化多应用利用物理、化学方法进行水质处理，但因处理成本问题，水质处理不彻底，处理后的回灌雨水中尚存在部分污染物质，直接回灌至地下水深层含水层就会造成污染，长期回灌后污染程度不断加剧且难以修复。

其次是过量雨水存储的问题。因现有回灌技术限制，不能实现雨水实时直接回灌，过量雨水必须建立临时蓄水设施进行存储，这就增加了雨水回灌的成本，并且须定时维护和保养，造成了人力、物力的浪费。

再次是回灌速率的问题。现有的回灌技术在长期进行回灌后，含水层多孔介质会被回灌雨水中的污染物质堵塞，降低了回灌速率，使回灌效率降低。回灌速率过慢也会对雨水实时直接回灌含水层的实现造成阻碍。

发明内容

本发明提供了一种基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统，解决了上述背景技术中的不足，该方法能够实现雨水的快速回灌存储，并且能够利用地质条件通过自然过滤作用实现水质净化，并且能够加快雨水进入深层含水层的速率。本发明能够缓解城市内涝及因地下水降水漏斗所产生的环境地质问题。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统，多层含水层结构位于回灌区域的地面下方，由上至下依次为地下水库、弱透水层A、浅层含水层、弱透水层B以及深层含水层，多层含水层结构中设有雨水回灌单元，雨水回灌单元位于地下水库内，至少包括泵房、主管A、外套管A、透水管以及水平辐射管，其中泵房A设于地面上，外套管A由泵房A内的地面处向下延伸，主管A和透水管均位于外套管A内，主管A位于透水管的上方且主管A的底端与透水管的顶端固定连接，主管A与外套管A之间填充有粘土保护密封层，透水管与外套管A之间填充有砂砾虑管，且粘土保护密封层与砂砾虑管之间设有膨润土隔水层将两者之间隔离，水平辐射管为管壁上均匀密布有孔眼的管道且设有两根以上，所有水平辐射管均以外套管A的底端为中心呈水平向外发射状分布，且与透水管连通，水平辐射管的外部套装有砂砾虑管。

外套管A的顶部与地面之间设有混凝土固井层，所述透水管的内部设有潜水泵，透水管的底端设有朝下的沉淀管，所述的砂砾虑管中埋设有排气管，排气管沿着外套管A向上延伸至地面上并与抽气机连接。

多层含水层结构中设有水利联系单元，所述的水利联系单元至少包括加压泵、主管B、外套管B、三通管、浅层含水层透水管以及深层含水层透水管，其中加压泵位于地面上，主管B与加压泵连通并由地面处向下延伸至浅层含水层，浅层含水层透水管位于主管B的下方且其顶端与主管B的底端固定连接，浅层含水层透水管的外部套装有能够起到保护和过滤作用的砂滤外管，其底端设有用来密封的止水密封圈和膨润土隔水层，浅层含水层透水管的内部设有潜水泵，外套管B套在主管B上，两者之间所形成的腔室的下部由上至下依次填充有膨润土隔水层和粘土保护层，所述的腔室的上部为注水腔，注水腔与加压泵连通，三通管设置于注水腔与主管B之间，所述的三通管为T型管，其上部的两个开口穿过主管B的管壁进入注水腔中，与注水腔连通，三通管的下部开口位于主管B内，且该开口上连接有注水管，所述的注水管沿着主管B以及浅层含水层透水管的内部向下延伸至深层含水层，深层含水层透水管固定连接于注水管的底端。

深层含水层透水管的底端设有沉淀管。

多层含水层结构中设有水质监测井，所述的水质监测井由地面处向下深入至深层含水层，用于监测地下水库、浅层含水层以及深层含水层中的水质。

在本发明中设计了地下水库，利用地下水库进行雨水的存储和净化，并进一步应用地质条件通过雨水的自然下渗进行水质净化，与现有技术相比，1、本发明中利用地下水库的疏干性以及设计的快速回灌单元，实现了雨水的快速回灌和存储，不必建设地面雨水存储设施，节约成本，同时减轻了城市雨洪管网系统的压力。2、本发明中充分利用地下水库、浅层含水层及弱透水层的净化作用对水质进行自然过程处理，最大程度上避免了因水质处理不彻底造成的污染问题，并且节约了处理成本。3、通过雨水回灌地下水库这一措施，解决了因地下水超采产生的地下水降水漏斗问题及由此产生的地面沉降等一系列环境地质问题。4、通过水利联系单元加强了不同含水层的水利联系，在保证水质合格的情况下直接将浅层含水层地下水注入深层含水层，加速了自然下渗的过程，提高了回灌效率。

附图说明

图1为本发明所提供的雨水回灌地下水系统的整体结构示意图；

图2为雨水回灌单元的结构示意图；

图3为水利联系单元的结构示意图；

图中：1-水利联系单元，2-雨水回灌单元，3-水质监测井，4-地下水库，5-弱透水层A，6-浅层含水层，7-弱透水层B，8-深层含水层，9-排气管，10-外套管A，11-透水管，12-泵房，13-潜水泵，14-混凝土固井层，15-主管A，16-粘土保护密封层，17-膨润土隔水层，18-砂砾滤管，19-沉淀管，20-水平辐射管，21-加压泵，22-深层含水层透水管，23-止水密封圈，24-砂滤外管，25-主管B，26-注水腔，27-外套管B，28-三通管，29-浅层含水层透水管，30-注水管。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明。

在本实施例中，首先应确定回灌地点。回灌地点应选择在疏干型地下水漏斗区，地下水库的库区四周边界也应相对封闭或通过工程措施使之封闭，同时库区内不存在无法控制的断裂构造，具备形成有效库容量大于10⁵m³的地下水库的条件。多层含水层结构位于回灌区域的地面下方，由上至下依次为地下水库4、弱透水层A5、浅层含水层6、弱透水层B7以及深层含水层8，如图1所示，各个含水层与隔水层均需要具备较好的互层性，且含水层、隔水层应有良好的连续性，地下水库及含水层为具有较好的渗透系数的砂砾石或砂卵石等第四系松散介质，弱透水层应为渗透系数较小的粘土或亚粘土。

多层含水层结构中设有雨水回灌单元2，其结构如图2所示，雨水回灌单元2位于地下水库4内，至少包括泵房12、主管A15、外套管A10、透水管11以及水平辐射管20，其中泵房A12设于地面上，外套管A10由泵房A12内的地面处向下延伸，外套管A10的顶部与地面之间设有混凝土固井层14，用于固定外套管A10。主管A15和透水管11均位于外套管A10内，主管A15位于透水管11的上方且主管A15的底端与透水管11的顶端固定连接，主管A15与外套管A10之间填充有粘土保护密封层16，透水管11与外套管A10之间填充有砂砾虑管18，且粘土保护密封层16与砂砾虑管18之间设有膨润土隔水层17将两者之间隔离，水平辐射管20为管壁上密布有孔眼的管道且设有两根以上，所有水平辐射管20均以外套管A的底端为中心呈水平向外发射状分布，且与透水管11连通，水平辐射管20的外部套装有砂砾虑管18，所述的砂砾虑管18中埋设有排气管9，排气管9沿着外套管A10向上延伸至地面上并与抽气机连接。透水管11的内部设有潜水泵13，透水管11的底端设有朝下的沉淀管19。

多层含水层结构中设有水利联系单元1，其结构如图3所示，所述的水利联系单元1至少包括加压泵21、主管B25、外套管B27、三通管28、浅层含水层透水管29以及深层含水层透水管22，其中加压泵21位于地面上，主管B25与加压泵21连通并由地面处向下延伸至浅层含水层6，浅层含水层透水管29位于主管B25的下方且其顶端与主管B25的底端固定连接，浅层含水层透水管29的外部套装有能够起到保护和过滤作用的砂滤外管24，其底端设有用来密封的止水密封圈23和膨润土隔水层17，浅层含水层透水管29的内部设有潜水泵13，外套管B27套在主管B上，两者之间所形成的腔室的下部由上至下依次填充有膨润土隔水层17和粘土保护层16，所述的腔室的上部为注水腔26，注水腔26与加压泵21连通，三通管28设置于注水腔26与主管B25之间，所述的三通管28为T型管，其上部的两个开口穿过主管B的管壁进入注水腔26中，与注水腔26连通，三通管28的下部开口位于主管B内，且该开口上连接有注水管30，所述的注水管30沿着主管B25以及浅层含水层透水管29的内部向下延伸至深层含水层8，深层含水层透水管22固定连接于注水管30的底端，深层含水层透水管22的底端设有沉淀管19。

多层含水层结构中还设有水质监测井3，所述的水质监测井3由地面处向下深入至深层含水层8，用于监测地下水库4、浅层含水层6以及深层含水层8中的水质。

本实施例中所提供的基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统的工作原理如下：首先雨水经收集系统注入，通过地上泵房加压注入主管A内，回灌至地下水库，通过透水管和水平辐射管并经过砂砾滤管进行水质过滤，从而进入水库内。在回灌过程中可通过排气管抽取地下水库内的气体，从而加快雨水回灌速率；在长期进行回灌后地下水库的介质会发生堵塞，此时可通过潜水泵进行回扬保养，以延长回灌寿命，提高效率。

雨水快速回灌注入地下水库后进行存储，并通过地下水库的多孔介质作用进行水质净化，而后逐渐通过下部弱透水层A向下部浅层含水层渗入，经过粘土或亚粘土弱透水层和砾层含水层自然下渗，在下渗过程中逐渐净化水质最终进入深层含水层。

通过水质监测井对各个含水层进行水质监测，如水质符合回灌深层含水层要求，则通过水利联系单元直接将浅层含水层中的水注入深层含水层，从而加快了浅层含水层中地下水回灌的速度，具体的操作方法如下：开启潜水泵，将浅层含水层中的地下水通过主管B抽入加压泵房，由加压泵房进行加压注入注水腔，再经过三通管进入注水管，最后通过深层含水层透水管注入深层含水层中。

Claims (5)

1.一种基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统，其特征在于：多层含水层结构位于回灌区域的地面下方，由上至下依次为地下水库、弱透水层A、浅层含水层、弱透水层B以及深层含水层，多层含水层结构中设有雨水回灌单元，雨水回灌单元位于地下水库内，至少包括泵房、主管A、外套管A、透水管以及水平辐射管，其中泵房A设于地面上，外套管A由泵房A内的地面处向下延伸，主管A和透水管均位于外套管A内，主管A位于透水管的上方且主管A的底端与透水管的顶端固定连接，主管A与外套管A之间填充有粘土保护密封层，透水管与外套管A之间填充有砂砾虑管，且粘土保护密封层与砂砾虑管之间设有膨润土隔水层将两者之间隔离，水平辐射管为管壁上均匀密布有孔眼的管道且设有两根以上，所有水平辐射管均以外套管A的底端为中心呈水平向外发射状分布，且与透水管连通，水平辐射管的外部套装有砂砾虑管。

2.根据权利要求1所述的基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统，其特征在于：外套管A的顶部与地面之间设有混凝土固井层，所述透水管的内部设有潜水泵，透水管的底端设有朝下的沉淀管，所述的砂砾虑管中埋设有排气管，排气管沿着外套管A向上延伸至地面上并与抽气机连接。

3.根据权利要求1所述的基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统，其特征在于：多层含水层结构中设有水利联系单元，所述的水利联系单元至少包括加压泵、主管B、外套管B、三通管、浅层含水层透水管以及深层含水层透水管，其中加压泵位于地面上，主管B与加压泵连通并由地面处向下延伸至浅层含水层，浅层含水层透水管位于主管B的下方且其顶端与主管B的底端固定连接，浅层含水层透水管的外部套装有能够起到保护和过滤作用的砂滤外管，其底端设有用来密封的止水密封圈和膨润土隔水层，浅层含水层透水管的内部设有潜水泵，外套管B套在主管B上，两者之间所形成的腔室的下部由上至下依次填充有膨润土隔水层和粘土保护层，所述的腔室的上部为注水腔，注水腔与加压泵连通，三通管设置于注水腔与主管B之间，所述的三通管为T型管，其上部的两个开口穿过主管B的管壁进入注水腔中，与注水腔连通，三通管的下部开口位于主管B内，且该开口上连接有注水管，所述的注水管沿着主管B以及浅层含水层透水管的内部向下延伸至深层含水层，深层含水层透水管固定连接于注水管的底端。

4.根据权利要求3所述的基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统，其特征在于：深层含水层透水管的底端设有沉淀管。

5.根据权利要求1所述的基于多层含水层结构的雨水回灌地下水系统，其特征在于：多层含水层结构中设有水质监测井，所述的水质监测井由地面处向下深入至深层含水层，用于监测地下水库、浅层含水层以及深层含水层中的水质。

Images