CN111945818B - 一种埋藏式回灌井及适用于海绵城市的回灌系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋藏式回灌井及适用于海绵城市的回灌系统，属于地下水人工回灌及城市水利设施技术领域。本发明包括回灌井管道、细砂层和砂砾层，回灌井管道与含水层相连，回灌井管道的顶部设置有滤网，该回灌井管道由上至下依次设置有渗流上段、导水段和渗流下段；所述回灌井管道的外部设置有细砂层，细砂层的外侧设置有砂砾层，细砂层孔隙率小于砂砾层的孔隙率。本发明的一种适用于海绵城市的雨水就地存储的装置，通过将雨水滞留下渗来补充地下水并持续降低暴雨地表径流的洪峰，可以有效截留地面雨水径流汇集的悬浮物，降低回灌井堵塞的风险，是一种生态可持续的雨洪控制与雨水利用设施。

Description

一种埋藏式回灌井及适用于海绵城市的回灌系统

技术领域

本发明涉及地下水人工回灌及城市水利设施技术领域，更具体地说，涉及一种埋藏式回灌井及适用于海绵城市的回灌系统。

背景技术

近年来，洪涝灾害已经成为困扰中国各大城市的新城市病，北京、武汉、上海、广州等大城市在夏日暴雨后总会伴随着积水成河、交通瘫痪的窘境，与此同时，我国有400余座城市供水不足。造成水资源短缺和洪涝灾害并发的重要原因之一就是水资源没有得到充分利用，而是通过排水系统排出，而我国城市排水设施设计标准较低，没有完善的城市排涝标准体系，由此导致了暴雨时节出现严重积水及内涝问题，加剧了城市水污染及生态环境恶化等问题。因此传统的城市雨水快速收集与排放、“未端”雨水处理措施已经不再适用，新一代的城市雨洪管理概念——“海绵城市”应运而生。

海绵城市，是生态文明建设背景下，基于城市水文循环，重塑城市、人、水新型关系的新型城市发展理念，具体是指通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。其建设能有效缓解快速城市化过程中的各种水问题，有效改善城市热岛效应等生态问题；目的即是变工程治水为生态治水，降雨时能够通过土壤对雨水的天然渗透和滞留，促进城市水流迁移更“自然"。海绵城市的低影响开发需要根据不同区域的大气降雨特征、水文地质条件、地形特征等因素进行因地制宜的改造，实现雨水的储存、过滤和净化。

经检索，发明创造的名称为：一种海绵城市生态广场道路路基结构(申请号：201711223191.8，申请日：2017-17-29)，包括道路面层和道路基层，所述道路基层包括上下间隔的透水基层、不透水基层，在所述透水基层与不透水基层之间间隔设有多个竖向排水集水井并回填形成有路基土层，相邻所述竖向排水集水井之间通过横向排水管道相连接，处于最外两侧的所述竖向排水集水井通过横向排水管道与外部排水设施相连接，通过透水基层与竖向排水集水井组成立体排水体系，能快速将积水迅速排出，避免积水积聚，但是本申请案的使用场地有限，无法应对暴雨期的雨水流量，且增加了雨水管网的负担。

此外，发明创造的名称为：一种海绵城市雨水收集系统的施工方法(申请号：201611097668.8申请日：2016-12-02)，包括如下步骤：(a)基坑开挖；(b)基底处理；(c)蓄水净化池砌筑；(d)蓄水罐就位；(e)深水基层铺设；(f)浇水养护，收集到的雨水净化后，能投入二次使用，大大提高了雨水的资源化利用效率，缓解了水资源匮乏的问题，本申请案的不足之处在于：对地质结构改动大，需要开挖且工程量大，对生态环境影响大。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中，无法快速储存雨水且对地质改动较大的不足，提供了一种埋藏式回灌井及适用于海绵城市的回灌系统；通过结合水文地质条件，将雨水通过生态处理后，安全存储到含水层，本发明的方法对地质的改动较小，进一步地，存储的雨水可以为生活、生产和农业再利用。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种埋藏式回灌井，包括回灌井管道、细砂层和砂砾层，回灌井管道与含水层相连，回灌井管道的顶部设置有滤网，该回灌井管道由上至下依次设置有渗流上段、导水段和渗流下段，且渗流上段和渗流下段上设置有渗流孔；所述回灌井管道的外部设置有细砂层，细砂层的外侧设置有砂砾层，细砂层孔隙率小于砂砾层的孔隙率。

优选地，细砂层由上至下依次设置有细砂层上段和细砂层下段，细砂层上段的横向宽度为w1，细砂层下段的横向宽度为w2，且2w2＞w1＞1.5w2。

优选地，回灌井管道的渗流上段的径向深度为L1，细砂层的细砂层上段的径向深度为L2，L1＜L2。

优选地，回灌井管道的渗流上段的径向深度为L1，渗流段Ⅱ的径向深度为L4，导水段的径向深度为L3，其中L3＝2L1，L4＞L3。

优选地，砂砾层的孔隙率为P1，细砂层中细砂层上段的孔隙率为P2，细砂层下段的孔隙率为P3，且P1＞P2＞P3。

优选地，细砂层上段的外部设置有砂砾层，砂砾层的径向深度和细砂层上段的径向深度等深。

优选地，细砂层下段位于细砂层上段的下部，细砂层下段的外侧直接与井体内壁相接触。

优选地，回灌井管道的渗流下段设置于含水层中，且渗流下段的底部不穿透含水层。

本发明的一种适用于海绵城市的回灌系统，包括砂毯和埋藏式回灌井，埋藏式回灌井井体与含水层相连，砂毯设置在回灌井的顶部，所述的埋藏式回灌井为上述的埋藏式回灌井。

优选地，砂毯的层数至少为两层，上层砂毯的孔隙率大于下层砂毯的孔隙率。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种埋藏式回灌井，包括回灌井管道、细砂层和砂砾层，且回灌井管道的底部与含水层相连，通过将埋藏式回灌井设置在雨水花园的底部，有效阻止雨水进入溢流口，直接沿砂毯汇集后通过埋藏式回灌井渗入含水层中，减少雨水的地面径流量；同时将回灌井管道的外部设置有细砂层，在细砂层的外侧设置砂砾层，还能避免雨水中的杂质进入管道，使得管道内壁生成生物膜而导致管道阻塞；

(2)本发明的一种适用于海绵城市的回灌系统，促进了地表水和地下水之间的循环，地下水补给地表水，当雨水补给到含水层，含水层的地下水位抬升，在地下水和地表水互为补排关系的地带，促进地下水向地表水排泄，并且进行自然净化；进一步地，可以用于“黑臭河”治理。

附图说明

图1为本发明的一种埋藏式回灌井的整体结构示意图；

图2a为实施例1的一种埋藏式回灌井的剖面图；

图2b为实施例3的一种埋藏式回灌井的剖面图；

图3为本发明的一种适用于海绵城市的回灌系统的俯视图；

图4为本发明的一种适用于海绵城市的回灌系统的剖视图；

图5为实施例2的一种适用于海绵城市的回灌系统的俯视图。

示意图中的标号说明：

100、回灌井管道；101、阶梯面；110、渗流上段；111、滤网；120、渗流下段；130、导水段；

200、细砂层；210、细砂层上段；220、细砂层下段；

300、砂砾层；

400、杂填土层；

500、砂毯。

具体实施方式

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴；除此之外，本发明的各个实施例之间并不是相互独立的，而是可以进行组合的。

实施例1

如图1和图2所示，本发明的一种埋藏式回灌井，埋藏式回灌井的外部为杂填土层400，埋藏式回灌井包括回灌井管道100、细砂层200和砂砾层300，回灌井管道100设置于含水层中，回灌井管道100的直径为d1，通过取样测试表层土壤的渗透性，根据要解决雨水就地存储量并结合天然含水层地质结构，灵活选址和设计，以便符合当地的地质条件，既可以进行雨水储存，又能避免对道路的破环。本实施例的埋藏式回灌井所处的水文地质条件自上而下主要存在两个含水层，分别为潜水含水层和第Ⅰ承压含水层，本实施例所称的含水层为潜水含水层和承压含水层，具有较好的透水性和蓄水性。本实施例的埋藏式回灌井设置在雨水花园的底部，通过结合天然水文地质条件，对土壤中的包气带和天然含水层进行局部改造，将雨水快速就地储存；进一步地，还能对雨水进行天然的水质过滤和生物降解，保证雨水进入含水层的水质安全性。

本发明的回灌井管道100纵向插设于埋藏式回灌井的中心，其中回灌井管道100的顶部设置有滤网111，滤网111用于过滤雨水中的杂质，避免杂质和砂砾直接进入回灌井管道100而导致回灌井管道100的内部发生阻塞；该回灌井管道100由上至下依次设置有渗流上段110、导水段130和渗流下段120，导水段130由实心管道组成，导水段130对雨水进行导流。其中渗流上段110和渗流下段120上设置有渗流孔，雨水既可以从渗流孔流入回灌井管道100内，也能沿渗流孔流出回灌井管道100外。需要注意的是，本实施例的渗流上段110径向深度为L1，导水段130的径向深度为L3，L3＝2L1，导水段130的径向深度高于渗流上段110的高度，既可以确保渗流上段110贯穿于土壤的包气带(此处的包气带为地面以下潜水面以上的地带，该带内的土和岩石的空隙中没有被水充满，包含有空气)中而不与含水层接触，又能使导水段130保持一定的径向深度；渗流段Ⅱ120的径向深度为L4，L4＞L3，且导水段130和渗流下段120设置于含水层中，渗流下段120的底部不穿透含水层，避免雨水混合地下水后在上下含水层之间互相串层。

进一步地，回灌井管道100的外部设置有细砂层200，细砂层200由上至下依次设置有细砂层上段210和细砂层下段220，细砂层下段220位于细砂层上段210的下部，且细砂层下段220的外侧直接与井体内壁相接触，细砂层上段210的径向深度为L2，回灌井管道100的渗流上段110径向深度为L1，L1<<L2，细砂层上段210设置在渗流上段110的外部，细砂层200的外侧设置有砂砾层300。

值得说明的是，回灌系统通过设置渗流上段110、细砂层上段210和砂砾层300对包气带进行局部改造，随着雨水期和非雨水期的变化，埋藏式回灌井改造后与包气带结构存在落干与淹水的交替过程，即干湿交替过程，会形成一个水位波动带，形成氧化还原环境，能够降低雨水中的部分污染物。落干时期包气带结构有良好的好氧环境，淹水时期包气带结构再次受到雨水淋洗，即包气带结构具有良好的好氧、兼氧和厌氧环境，从而使得土壤中的微生物的活性提升，进而提高微生物对水土环境中的部分污染物的降解作用，这种结构设计不仅增加了进水断面，提高了雨水入渗率，长期的水流冲刷井口，形成优先流，还不易堵塞埋藏井。

雨水时期，雨水经细砂层上段210向渗流上段110运动，经渗流孔进入回灌井管道100内。此处需要说明的是，细砂层上段210的径向深度为L2深于渗流上段110的径向深度，即渗流上段110的底部高于细砂层上段210的底部，使得经细砂过滤沉淀后的雨水经渗流孔进入渗流上段110，而经雨水花园天然过滤的悬浮物在细砂的带动下，继续垂直下渗，逐渐聚集在回灌井管道100的阶梯面101周围，由于渗流上段110底部的高度，位于细砂层上段210的底部(也即阶梯面101的上方)，用于将悬浮物阻隔在回灌井管道100的导水段130外部，避免悬浮物在雨水的冲击下进入渗流上段110内，对回灌井管道100造成阻塞。而现有技术中，本领域的技术人员为了解决雨水泄水储存的问题，通常选择直径均匀的排水管，先使用溢流管将雨水从道路表面引流至排水管，同时为了使得回灌井具有很好的渗透速度，都在不断扩大透水的表面积(即选择管径较大的排水管)，刚开始进行雨水回灌时，回灌速率较快，但随着雨水渗入量加大，该技术方案会导致雨水夹杂大量杂质进入管道，造成管道阻塞，使得雨水的储存量下降和雨水回灌速率急速下降。

进一步地，细砂层200的细砂层上段210横向宽度为w1，砂砾层300的横向宽度为w3，w1＝w3，且砂砾层300的径向深度和细砂层上段210的径向深度等深，使得砂砾和细砂层上段210的底部处于同一水平高度；细砂层上段210的横向宽度为w1，细砂层下段220的横向宽度为w2，2w2＞w1＞1.5w2，使得细砂层上段210和砂砾层300之间的接触面位于回灌井管道100的阶梯面101上，可以避免砂砾层300和细砂层下段220之间直接接触，防止雨水下渗时对砂砾层300冲击，导致砂砾层300的砂砾向细砂层下段220运动，避免砂砾层300的砂砾混入细砂层下段220。

本发明打破了现有技术的偏见，提供了一种不同构思的技术方案，对现有的井体进行改造，创造性的在回灌井管道100的外侧分别设置细砂层200和砂砾层300，进而形成特殊的包气带结构。其中砂砾层300的孔隙率为P1，细砂层200中细砂层上段210的孔隙率为P2，细砂层下段220的孔隙率为P3，且P1＞P2＞P3，由于细砂和砂砾粒径较小，具有很大的表面积，与雨水中的污染物接触时，二者在界面处会发生复杂的界面效应，能吸附更多的微生物形成生物膜，促进降解微生物的活性，从而可以对进行生物降解，同时还能减缓雨水的下渗速率，加大雨水中污染物的生物降解速率。此外，雨水渗入砂砾层300的过程中，会逐渐形成生物膜，生物膜的形成需要较长时间，雨水携带的悬浮物向细砂层200方向运动，由于细砂层200的孔隙率小于砂砾层300的孔隙率，雨水中的悬浮物从砂砾层300运动至细砂层200的速率会急速减缓，在阶梯面101周围产生堆积，在这个过程中形成的生物膜能将部分污染物充分降解，充分降解后的污染物在雨水的冲击下进入含水层，避免了含水层的水质造成污染，还能避免雨水因为回灌井管道100发生堵塞而下渗速率减缓，使得雨水能快速就地储存。

如图3和图4所示，本发明的一种适用于海绵城市的回灌系统，该装置设置在雨水花园的底部，本实施例所提到的雨水花园是自然形成的或人工挖掘的生物滞留池，被用于汇聚并吸收来自屋顶或地面的雨水，通过植物、改良营养土的综合作用使雨水得到净化，并使之逐渐渗入土壤，涵养地下水，或使之补给景观用水、厕所用水等城市用水，是一种生态可持续的雨洪控制与雨水利用设施。回灌系统包括砂毯500和埋藏式回灌井，其中埋藏式回灌井的井体由上至下贯穿至含水层，埋藏式回灌井包括回灌井管道100，其中回灌井管道100的直径为d1，埋藏式回灌井的井体底部的直径为d2，d1<3d2，且0.5w2≤d1≤w2，能提高雨水的下渗速率和雨水进入埋藏井后通过侧流补给进入含水层的速率，砂毯500设置在埋藏式回灌井的顶部，砂毯500的层数至少为两层，上层砂毯500的孔隙率大于下层砂毯500的孔隙率，形成上粗下细的结构，可用于减缓雨水的下渗速率，并对雨水携带的悬浮物进行过滤、沉淀。

如图5所示，本发明的适用于海绵城市的回灌系统，不仅增加了含水层的储水量，解决了北方水资源紧缺的问题，还可以将雨水净化后存储到含水层，大面积补给地下水，起到了水资源涵养和保护生态环境的作用，增加了天然排泄量，改善水质。雨水季节时，在地下水和地表水互为补排关系的地带，又可以促进地下水向地表水排泄，并且进行自然净化，促进水文循环，促进包气带水对地面植物、农作物的涵养。

实施例2

本实施例的内容基本同实施例1，不同之处在于：本发明的一种埋藏式回灌井，包括回灌井管道100、细砂层200和砂砾层300，回灌井管道100与含水层相连，回灌井管道100的直径d1为1.1m，该回灌井管道100由上至下依次设置有渗流上段110、导水段130和渗流下段120，其中回灌井管道100的渗流上段110径向深度L1为0.5m，导水段130的径向深度L3为1m，渗流下段120的径向深度深于导水段130的径向深度，本实施例中渗流下段120的径向深度L4为1.5m。

回灌井管道100的外部设置有细砂层200，细砂层200由上至下依次设置有细砂层上段210和细砂层下段220，细砂层上段210的横向宽度w1为100mm，细砂层下段220的横向宽度w2为95mm，砂砾层300的横向宽度w3和细砂层上段210等宽，砂砾层300的横向宽度w3为95mm，细砂层上段210的径向深度L2为450mm，回灌井管道100的渗流上段110的径向深度L1为50mm，L1＜L2，细砂层上段210设置在渗流上段110的外部。降雨量较大时，雨水经细砂层上段210向渗流上段110运动，经渗流孔进入回灌井管道100内。本发明的一种埋藏式回灌井，将雨水通过生态处理后，安全存储到含水层，可以为生活、生产、农业再利用。

实施例3

本实施例的内容基本同实施例1，不同之处在于：本发明的一种埋藏式回灌井，细砂层上段210的径向深度为L2，回灌井管道100的渗流上段110的径向深度为L1，L1＜L2，细砂层上段210设置在渗流上段110的外部，雨水经细砂层上段210向渗流上段110运动，经渗流孔进入回灌井管道100内。经雨水花园进行的天然水质过滤和生物降解的污染物在细砂的带动下，继续垂直下渗，逐渐聚集在回灌井管道100的阶梯面101周围。需要注意的是，本实施例的阶梯面101和竖直方向之间的夹角α为65～85°(如图2b所示)，即砂砾层300靠近细砂层上段210一侧的径向深度为L2，砂砾层300靠近井体侧壁一侧的径向深度为L2’，L2’＞L2。通过将阶梯面101靠近回灌井管道100一侧的高度，设置成低于渗流上段110底部高度的井体形式，可避免砂砾层300的砂砾在雨水的冲击下浮动并与细砂层200的细砂混合，进而使得砂砾层300和细砂层200更好的相互配合，对雨水携带的悬浮物进行过滤、沉淀，同时将污染物阻隔在回灌井管道100的导水段130外部，富集在细砂中的污染物在干湿交替的过程中得到生物降解，还能避免悬浮物、污染物在雨水的冲击下进入渗流上段110内，对回灌井管道100造成阻塞。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。例如，在本发明中，术语“优选地”不是排他性的，这里它的意思是“优选地，但是并不限于”。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。

Claims (9)

1.一种埋藏式回灌井，其特征在于：包括回灌井管道(100)、细砂层(200)和砂砾层(300)，回灌井管道(100)与含水层相连，回灌井管道(100)的顶部设置有滤网(111)，该回灌井管道(100)由上至下依次设置有渗流上段(110)、导水段(130)和渗流下段(120)，且渗流上段(110)和渗流下段(120)上设置有渗流孔；所述回灌井管道(100)的外部设置有细砂层(200)，细砂层(200)的外侧设置有砂砾层(300)，细砂层(200)孔隙率小于砂砾层(300)的孔隙率；细砂层(200)由上至下依次设置有细砂层上段(210)和细砂层下段(220)，细砂层上段(210)的横向宽度为w1，细砂层下段(220)的横向宽度为w2，且2w2＞w1＞1.5w2。

2.根据权利要求1所述的一种埋藏式回灌井，其特征在于：回灌井管道(100)的渗流上段(110)的径向深度为L1，细砂层(200)的细砂层上段(210)的径向深度为L2，L1＜L2。

3.根据权利要求1所述的一种埋藏式回灌井，其特征在于：回灌井管道(100)的渗流上段(110)径向深度为L1，渗流下段(120)的径向深度为L4，导水段(130)的径向深度为L3，其中L3＝2L1，L4＞L3。

4.根据权利要求1所述的一种埋藏式回灌井，其特征在于：砂砾层(300)的孔隙率为P1，细砂层(200)中细砂层上段(210)的孔隙率为P2，细砂层下段(220)的孔隙率为P3，且P1＞P2＞P3。

5.根据权利要求1所述的一种埋藏式回灌井，其特征在于：细砂层上段(210)的外部设置有砂砾层(300)，砂砾层(300)的径向深度和细砂层上段(210)的径向深度等深。

6.根据权利要求1所述的一种埋藏式回灌井，其特征在于：细砂层下段(220)位于细砂层上段(210)的下部，细砂层下段(220)的外侧直接与井体内壁相接触。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种埋藏式回灌井，其特征在于：回灌井管道(100)的渗流下段(120)设置于含水层中，且渗流下段(120)的底部不穿透含水层。

8.一种适用于海绵城市的回灌系统，其特征在于：包括砂毯(500)和埋藏式回灌井，埋藏式回灌井井体与含水层相连，砂毯(500)设置在回灌井的顶部，所述的埋藏式回灌井为权利要求1～7任一项所述的埋藏式回灌井。

9.根据权利要求8所述的一种适用于海绵城市的回灌系统，其特征在于：砂毯(500)的层数至少为两层，上层砂毯(500)的孔隙率大于下层砂毯(500)的孔隙率。

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