CN1540112A - 用于集成水路的地下水转换器 - Google Patents

Abstract

集成水路包括地下水转换器，即由埋在控制流体流动方向和留量的半导水基质(34、36)中的地下水导体(42)形成，所述的基质(34、36)由在垂直于流向有大的截面积的半导水介质形成。

Description

用于集成水路的地下水转换器

技术领域

本发明为建造提高或降低地下流动流体的流量以便达到富有机岩石的地下燃烧、溶浸采矿、提高石油采收率、用于供水和灌溉的雨水收集和地下水补给、防洪、地下水水电、防止地下水污染等实用目的的设施的一系列发明的一个最新发明。迄今已批准的专利包括US5868202、US6030048和US6158517。

在多孔介质中流体分子(水、油、空气等)流动已与电子流动进行了比较，因此所述的设施称为集成水路或水文单元，这两个术语在本文可互换。所有这些发明的关键是提高地下流体流量的特殊设备。本发明涉及这些设备范畴，它们可安装在地下，以便控制流体在多孔介质中流动的方向和速度。这些设备的作用类似电子工业中的晶体管，所以将改变地下水流量的发明称为地下水转换器或简称为水转换器。本申请还涉及大型过滤器的发明，从而允许很高的洪水或污水的过滤量。

背景技术

地下水占地壳水的95％，但现在的供水大部分来自地表水体：河流、湖泊、堤坝后的水库等。因为地表水能迅速流入和流出地表水库，所以使用地表水。通常，地下水未被充分开发，不仅是因为流出留量受限，还限制了例如水电生产的应用，而且还因为低的流入留量使消耗掉的地下水的补给困难而且费钱。

地表水体是用于雨水收集和地下水补给设施的最常见形式。对于收集降雨的地表流量来说，堤坝后水库是最有效的。建造高堤坝后的大型水库的人力和经济费用太高以致现在堤坝的建设和规划越来越少。

目前的地下水补给的方法是洞穴中的泉水或往钻进已消耗地下水层的井中注水。由于环境和经济考虑，这些实践受到限制。

本发明涉及建造地下水转换器和地下水过滤器的基础计划，以便可使地表水迅速过滤、贮存或补给消耗的地下水，或可将地下水迅速泵出，用于城市和陆地供水、灌溉或水电生产。

发明内容

地下水转换器由埋在半导水基质中的导水设备组成。导水设备通常由直径有限的多孔管组成。半导水基质由一层或多层砾石、砂、碎石和/或其他粗岩屑组成，垂直于流向有大的截面直径。

在多孔管以水平方式埋在多层沉积层或碎石层的场合下，水横向流入或流出管的留量(根据伯努利定律)可等于水竖直流入或流出半导水基质的留量(根据达尔赛定律，因此可在自然或人工建立的水力势下达到水迅速流入或流出地下的稳态。

附图简介

在附图中，图1(a，b，c，d)为有一个地下水转换器作为发射器和另一个地下水转换器作为收集器的水文单元。

图1a为用于在多孔介质中短时贮存地表水的水文单元的示意图，说明用于预期项目的各种地下水转换器的配置。四个直线型地下水转换器2形成四个封闭的排水道。将水连续地从地表水源4送入地下水转换器，以便维持不变的正水力势。长方形的地下水转换器6为连续泵出水的收集器，它构成水文单元的负水力势。势差导致水流从排水道2通过多孔介质进入收集器6。该图的比例为1∶2000。根据本发明，可建造更大或更小的水文单元。

图1b为排水道的剖面图，说明水送入直线型的地下水转换器的多孔管10，水从此渗入半导水基质12，后者由填在沟槽中的砾石或碎石组成。在水力势差下流动的水然后渗入多孔介质14到收集器6(图1a中)。该图的比例为1∶2000。根据本发明，可建造更大或更小的水文单元。

图1c为收集器部分的剖面图，说明收集器由一层在坑槽中的砾石或碎石作为半导水基质16组成，它再用泥浆或其他不渗透的材料18充填。收集器壁的上部20为不渗水的，但下部22为多孔且可渗透的，以致水可从多孔介质14横向通过这部分壁渗入基质16。水通过地下水转换器的底部进入，因为垂直于流向有更大的截面积而水量大于横向流。多孔管24埋在半导水基质中。它们以能在管与基质之间有最大的表面接触的方式排列。该图的比例为1∶100。根据本发明，可建造更大或更小的收集器。

图1d为收集器部分的剖面图，说明来自多孔管24的水聚集并流入井眼26，后者的渗入深度深于半导水基质28的底部。将水泵出井眼，以保持收集器的水力势，即足够低的水文单元的负极性，为输送每日的消耗所需的规定量的水提供足够大的水力梯度。该图的比例为1∶100。根据本发明，可建造更大或更小的井眼。

图2为水文单元中地下水运动的方向，其中由流出地下水转换器-收集器的水流引起水力运动；在未来项目的设计中进行了计算机模拟研究。注意，水运动的方向主要垂直向上进入收集器30，而从河流32下的区域到收集器30下的区域大部分是横向运动。因为在项目的现场，砾石沉积层为300～600米厚，所以垂直于横向流的截面积也是很大的。计算机模拟程序可根据水由河流的向下渗流、它的横向流动和它的最终上升到收集器，来计算在维持稳定态的同时，水流出收集器的最大泵速。

图3(a，b，c)为用于其他项目的地下水转换器的实验水文单元。

图3a为地下水转换器-补给器的横截面剖面图，它由地下水转换器34与成层的砾石地下水过滤器36组成。地表水源的水(收集雨水或河流洪水)进入“水塔”38，并流入贮水器40。然后洪水通过以砾石的梯粒床层来表征的地下水过滤器36向下渗透，过滤并进入地下水转换器的半导水基质34、多孔管42，并泵出用于消费。

图3b为图3a的地下水转换器-补给器的纵向剖面图，它由地下水转换器34和地下水过滤器36组成。地表水源的水(收集雨水或河流洪水)进入“水塔”38(见图3a)，并流入贮水器40(见图3a)。然后水通过以梯粒床层来表征的分层床层36向下渗出，过滤并进入基质34和多孔管42。然后水向下进入井眼46，再泵出46。在井眼46中的水位为负极性，并控制着导致水由地下水过滤器36渗滤的水力势差。

图3c为地下水转换器-补给器的示意图。它由埋在半导水基质34中的多孔管42组成。水在泵出之前先由贮水器和过滤器渗入基质和地下水转换器的多孔管。

图4与提供绿化用水的项目有关，用于收集雨水贮存的实验地下水转换器。代替多孔管，用于这样的地下水转换器的导水设备由埋在半导水的砂中的渗透性高的砾石直线型排列组成。贮存在贮水层48或50中的水被土壤52或泥浆54的毛细管作用吸收，以滋养草根和/或其他植物根。在地表下的地下水面可通过泵入或泵出井眼(或通过井眼)的水来调节。当水位高于58时，上层砂层48为贮水层。当水位低于60时，较低的砂层50为贮水层，而上层砂层48为水毛细管作用上升到土壤52的隔水层，从而使水的蒸发损失最少。

具体实施方式

地下水转换器在用于供水的集成水路中的应用

城市供水的现在水源主要为地表水库。在许多地方建造堤坝，并很容易由水库提供灌溉和/或城市用水。在雨季收集水以便在旱季使用；例如在季风气侯区域的大都市高雄，在美浓乡附近本来要建造一座142米高的堤坝。该计划预计耗资25亿美元以上，由于各种安全和环境考虑，这一计划必需放弃。世界水坝委员会的最新研究清楚地指出，建造高堤坝的人力、环境和经济费用极高。迫切需要高堤坝的替代方案。

我们已研究了开发用于大量日常供水的地下水的各种替代方案的可行性，例如美浓堤坝的替代方案，以便为高雄市供水。按照预算，大城市地区每天另外的水耗量为1.6百万米³/日，即差不多600百万米³/年。老浓溪水系统的每年降雨量为17亿米³，而在高坪溪口的每年流量为85亿米³。因此，由老浓流域的水量足以提供高雄市的需要。问题是，在5至10月的雨季，在季风区域降雨量很大，而在11至4月的旱季降雨量则很小。关键的问题有两方面：a)在地下贮水层收集和贮存雨季降下的雨水，以及b)在旱季以足够快的留量再泵出贮存在地下的水，用于城市消费。

本发明涉及一种收集雨水、在多孔介质中短时贮存水和为城市消费和灌溉迅速生产地下水的方法。我们提出建设由水文单元网组成的集成水路，如图1a～1d所示。为每一单元建造排水道2(图1a中)，从地表水源流入直线型地下水转换器10和12(图1b中)的水主要用于保持单元高的正极性。建设地下水转换器-收集器，其中一个在每一单元的中心6(图1a中)。多孔管的水进入井眼26(图1d中)，在那里将水泵出，用于消费；从地下水转换器有孔管24连续抽出水(图1c中)，使集成水路保持恒定的负极性。

可在河流旁边建造水文单元(图2)，例如在河流32旁边安装地下水转换器收集器30。计算机模拟研究表明，水主要从下面的砾石沉积层竖直向上流入地下水转换器(图2)，由于垂直于地下水流方向地下水转换器的截面积大，大量的水被收集。砾石沉积层消耗的地下水被河流的横向流补充(图2)。适当的设计可确保稳态流动，从而在水被泵出地下水转换器时，地表下的地下水面不下降，因为地下水总会立即由从河流32向下渗透的水通过地下水补给器来补充(图2)。

在更干旱的区域，河流并不能全年流动，可横过支流床建造一系列地下水流的低坝或阻挡层。然后阻挡层或低坝后的河流沉积层可蓄满地下水。在每年地下水面的最低水位以下填埋地下水过滤器-收集器。从河流沉积层流入收集器的地下水可用浅水库的水和/或从上游沉积层中的地下水替代。

地下水过滤器在用于地下水补给的集成水路中的应用

由于在最近20年地下水的过量开发，有些地区的地下水面现低于地表20米以上。为了进行地下水补给，必需挖掘水坑，将洪水从水渠引流到水坑，在那里从沉积层渗出，以补给消耗的地下水。现在使用砾石坑中的水作为地下水补给的发射器的实践有几个缺点。水的污染和不渗透层在坑底的沉积需要经常的修正措施。当边远地区的水坑变成城市的一部分时，陆地应用的损失是更严重的。

在水坑中地下水转换器和过滤器的安装(图3)可起到地下水补给的相同作用，而陆地的再填可使陆地表面用于建设或其他目的。

地下水转换器-补给器被设计成可填埋在地下，而不是露天水坑。使用这样的替代设备有许多优点，至少其中一个优点是获得了原来是露天水坑的陆地表面的再利用(例如用于城市建设)。

正如图3a、3b和3c所示，补给器由地下水转换器34和地下水过滤器36组成。地表水源的水(收集雨水或河流洪水)进入“水塔”38，并流入贮水器40。然后洪水通过以梯粒床层36来表征的分层的地下水过滤器渗透，过滤，并进入基质34，并从那里进入多孔管42。管中的水横向流动，并向下流到井眼44，然后泵出46。井眼46中的水位为负极性，并控制水力势差，从而使水通过地下水过滤器36渗透(图3b中)。

地下水转换器在用于污水过滤的集成水路中的应用

世界上许多浅湖泊已被污染。原因有两方面：水被污染和水不流动。在湖水原来适合作为城市供水的地方，污染使湖中的绿色藻类生长，以致水不再适合消费。新的水源必需供给城市应用，而未经充分处理的污水排入湖泊进一步造成污染。

最突出的例子之一是中国云南省昆明市滇池的污染。面积32平方公里的浅湖泊的水量为12亿立方米。其中差不多一半来自昆明市经处理的污水。提出使用如图3所示的地下水转换器的工程，以过滤湖水使它再次适用于人类消费。

湖周围被堤坝包围以防洪。在所提出的方案中，将湖水送入堤坝的另一侧，进入由地下水过滤器36和地下水转换器34组成的过滤设备。该设备与图3所示的类似，用于地下水补给。用于过滤污染的湖水，不需要水塔38(图3a和3b)，直接流入露天水坑中的湖水形成水池(代替图3a和3b中的贮水器40)。水池中的水通过以梯粒床层表征的分层36组成的地下水过滤器渗透。如此过滤后，水进入半导水基质34和多孔管42的地下水转换器。水从管横流入井眼44，然后泵出46。湖中的水位为正极性，而井眼46中的水位为负极性，势差使水通过过滤器36渗出。

地下水过滤器/地下水转换器设备的另一应用是在地下水被例如含砷毒物污染的地方，过滤地表水用于饮用。在所提出的方案中，将地表水源的水送入地下水过滤器和地下水转换器设备，它与用于过滤污染湖水的设备类似。水流入水池，并通过以梯粒床层表征的分层组成的地下水过滤器渗出。如此过滤后，水进入地下水转换器的半导水基质和多孔管。管中的水横向流入井眼。通过地下水过滤器/地下水转换器泵出的水将适用于饮用，地表水中的微生物和细菌被过滤掉。

经过滤的水因碱性太高，还是可以生长绿藻。此外或作为过滤的替代，本发明还涉及化学处理。我们已确定，自然的湖水生长硅藻，其pH小于7.0，而污染后的湖水pH增加到8.0或9.0。我们试验发现可将湖水pH从碱性变化到酸性以阻止绿藻的生长。这种改变可通过二氧化碳泵入污染湖水来实现，二氧化碳源可用工业废气，特别是由纯石灰石制造水泥生产。湖水酸性化后可又长硅藻，养鱼消耗硅藻，从而使湖水清洁。

过滤器/地下水转换器设备的其他应用包括在游泳池边的设备，使游泳池水稳定地循环和过滤。

地下水转换器在用于水电生产的集成水路中的应用

建造堤坝不仅用于在水库中贮水，而且还用于发电。由于需要在这样的堤坝后的水库有使用寿命较长，所以希望建造高的堤坝，但是人力和经济费用使高堤坝的建设不再是具有吸引力的选择。在低堤坝后的浅水库存在较少的问题，但是它们容易淤塞。在充满淤泥的河流例如黄河上地堤坝后建造水库有相同的问题。水库被沉积物填满以后，贮存地表水的能力下降。供水量和水力发电的能力减少。

如果安装足够数量的地下水转换器，就可以高的留量从水库沉积层的多孔空间抽出水，用于水力发电。在所提出的从柔软的沉积层抽水的方案中，提出建造类似用于污染湖水过滤的过滤器36/地下水转换器34设备(图3c)。水库或河流的水流入挖掘的坑中形成水池。水池的水通过地下水过滤器渗出。水如此过滤后，进入地下水转换器。然后，水流入井眼并泵出。水库的水位为正极性，而井眼46中的水位为负极性，它调整通过地下水过滤器/地下水转换器渗出的水泵出井眼的留量。可从许多这样的地下水过滤器/地下水转换器泵出很大量的水，汇集进入水道，流下陡坡用于水力发电。

地下水转换器在用于防洪的集成水路中的应用

许多河流在高洪水期，由于堤坝缺口或由于洪水冲入下面河道沉积物(或孔穴状基岩)上，洪水再从那里作为涌潮冲向堤坝的另一侧引起洪泛。防洪的传统方法是加宽河道和/或增高防洪堤坝。在洪泛河流通过城市的地方，如果必需购买不动产用于这样的防洪措施，那么这样的实践费用就太高。如果洪水通过多孔的河流沉积层或孔穴状的底层渗漏，那么问题甚至更加困难，例如中国广东省的北江洪泛的情况。

在所提出的方案中，例如将用于地下水补给的过滤器/地下水转换器安装在河流堤坝的外侧。在有障碍物使河道流量下降的地方，它们可能是特别必要的。在高洪泛期，将河流的水引入地下水过滤器/地下水转换器设备36和34(在图3a和3b中)。水流到水塔38，并流入贮水器40。从那里，水通过以梯粒床层表征的分层沉积层的地下水过滤器36渗出。在水如此过滤后，它进入地下水转换器的基质34和多孔管42。管中的水横向流入井眼44，并泵出46。来自这样的防洪水文单元的水可并到日常供水的系统中。这些单元在洪泛时将输送更多的水，同时减少由其他来源生产的水(例如来自水井)。

在浅水库或浅河底安装过滤器/地下水转换器，为塞满淤泥的河流防洪提供另一途径。使用在沉积层中填埋的收集器，当悬浮的沉积颗粒物在覆盖或包围地下水转换器的天然过滤器上或其中时，水在进入地下水转换器之前已经过滤。在水库新沉积的底的顶部，可建造第二层过滤器/地下水转换器，起相同的供水、发电和防洪作用。几十年后，这第二层集成水路也会被填埋。在新沉积的底的顶部，建造第三层过滤器/地下水转换器，再次起相同的作用。数百年后，河道将被完全填平，但不会有洪水，因为经过滤的洪水可流过蜂窝状地下水转换器，而沉积物继续填充冲积的河道以形成冲积平原。

地下水转换器在通过毛细灌溉用于园林绿化的集成水路中的应用

用润湿地表的水灌溉植物；甚至常常提到的滴灌采用相同的基本技术，从石器时代以来它就没有改变。将多孔管填埋用于滴灌的尝试已被放弃，因为滴水管易受植物根的生长破坏。所以提出使用很容易渗透的粗砾石代替多孔管，作为地下水转换器的导水设备。

图4为用于收集雨水的实验性地下水转换器的设计项目与提供用于园林绿化的水的项目相结合。平行安装几排导水的粗砾石，类似图3c所示的多孔管的排列。在这种情况下，地下水转换器的半导水基质由砂组成。将地表水源例如附近建筑物屋顶收集的水送入井眼56或通过井眼56。从那里水在重力势作用下流动，并进入粗砾石和砂中。在砂质贮水层48或50中，贮存的水通过土壤52的毛细管作用或泥浆54的毛细管作用被吸收，以营养草根或其他植物根。由于埋在某一深度，水的蒸发损失大大低于土壤润湿的蒸发损失。

在地表下的地下水面可通过将水泵入或泵出井眼56或让水通过井眼56来调节。当水位高于58时，上层砂层48为贮水层。当水位低于60时，下层砂层50为贮水层，而上层砂层48为隔水层，以防止水毛细上升到土壤52中，从而使水的蒸发损失减到最小。

Claims (9)

1.一种具有用于收集、贮存和输送水的水文单元的集成水路，所述的集成水路包括一个或多个由埋在控制流体流动方向和流量的半导水基质中的地下水导体形成的地下水转换器，其中由半导水介质形成的所述的基质垂直于流向有大的截面积。

2.根据权利要求1的集成水路，还包括用于过滤水流的地下水过滤器。

3.根据权利要求1或2的集成水路，基于水可通过垂直于流向有大的截面积的半导水介质的流动象它的管子或水道一样流量的原理，建造这样的设备，使地表水和地下水有效交换，以用于城市供水、灌溉、水力发电、污水过滤、防洪和其他目的。

4.根据权利要求1-3中任一项的集成水路，其中地下水转换器由埋在可渗透水流的砾石、砂或其他碎石的半导水基质中作为地下水导体的多孔管或其他导水管组成，所述的地下水导体按几何排列安装，使地下水导体和包围的半导水基质之间有最大的接触面积，最有利于流体从半导水基质到地下水导体或从地下水导体到半导水基质的流动。

5.根据权利要求2的集成水路，其中地下水过滤器由以梯粒床层表征的分层组成，细碎石层在地下水过滤器的上部，而粗碎石层在地下水过滤器的下部，所述过滤器用于在水流进入地下水转换器以前过滤洪水和污水。

6.根据权利要求1-5中任一项的集成水路，其中将一些部件放在水坝内，水从地表体送入水坝，以维持水文单元的正极性，而其他部件构成取出水例如泵出水的收集器，以维持水文单元的负极性。

7.根据权利要求1-6中任一项的集成水路，其中除地下水导体和半导水基质外，地下水转换器还包括一井眼，以便调节通过地下水转换器的水流的水力势。

8.根据权利要求2的集成水路，其中地下水过滤器包括有水塔或没有水塔的贮水系统，从而可调节通过地下水过滤器的水流的水力势。

9.根据权利要求5的集成水路，其中将二氧化碳送入，以改变过碱性湖水河水的pH值，到一程度以阻止绿藻生长，促进硅藻生长将湖水河水清洁化。

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