TWI596257B - 地下水位平衡系統之技術結構 - Google Patents

Description

地下水位平衡系統之技術結構

本發明為地下水位平衡系統之技術結構，包括使地面水用滲透井方式與地下水層(地下儲水層)直接連結，讓地面水能快速滲入各地下水層，也就是儲水層，將雨季過剩之地面水直接由滲透井大量滲透儲存於各地下水層儲水，藉以補充地下儲水層被抽取的地下水，提升地下水之水位，預防地層下陷，並備乾季時能被適量抽取使用，而不致有地層下陷之問題，又可解決乾旱之窘境。

原始水生態循環是地面的水部分蒸發到天空構成雲，雲轉為雨滴落到地面而成對流雨，另一部分由土壤吸收，經過泥土層滲入，緩慢滲入地下水層(地下儲水層)，成為地下水，早期人類掘井取水使用，又成為地面水。海平面的水蒸發到天空，同樣構成雲，雲轉為雨滴落到海面而成對流雨，不論地面或海面被蒸發的水到天空成為雲，隨氣流鋒面漂移到其他地區落下，成為氣流雨，雨水若落在山上，被山上的林木土壤吸收後再緩慢釋放構成泉水，泉水匯集成溪或河，流至平地被人取用，剩餘下至大海，成為非常自然的水生態循環。

為解決澇旱問題，就應將雨季過多的水量，盡量保留，以備乾旱時使用，以往均以建築水庫儲水解決，但目前築水庫，不僅選址困難，又經常遭受人民抗爭，無法建築，再以水庫容易淤積，清除不易，儲水量日減，造成今日難以解決的問題，更因地球環境改變，氣候異常，澇旱嚴重，災害頻傳，此為目前各國政府最頭疼的問題。

目前既然無法建水庫，只好另尋能儲水的地方，目前未被人類 想到的地方就是地下水庫，地下水庫就是地下儲水層，也就是地下水層，自古以來缺水地區都鑿開口井，以人力取水使用，後來是鑿井埋管，以人力抽取地下水使用，現在是以馬達抽取使用，都是自地下水層抽取的水，卻可以連續不斷的抽取，而不致斷水，可見其儲水量之多，雖有一小部份抽久會沒水，這就表示水層不夠厚，不夠大。地下水儲水之空間非常大，目前大家知道抽取使用，也知道地下水必須由地面水經土壤層的回滲，但未想到以人力改變滲透的方式，使地面水直接滲入地下水層，提高滲透速度，快速補充地下水，因此若能攫取雨季過多的乾淨水儲存於地下水層，提高地下水位，作為地下水來源，乾季時就可適度抽取使用。地下水層是由上往下多層分布，分為淺層與深層，數十公尺深的叫淺層，淺層又有許多層，數百公尺深的叫深層，深層也有許多層。為什麼抽取深層地下水層的地下水會對地層下陷影響較嚴重，抽取淺層地下水層的地下水影響比較輕，因為目前之地下水是由地表的地面水經土壤回滲進入地下，深層地下水層因為比較深，補充較慢，且經土壤之回滲速度緩慢，再加上人口聚集，透水面積一直減少，抽水速度又一直增加，所以地下水無法充分補足，使地下水層產生空隙，該空隙在水無法即時補充的情況下，便會逐漸被壓縮，導致地層緩慢下沈。深層地下水層之地下水被抽取後，便由淺層之地下水層的地下水往下滲透補充，但補充速度有限，且深層水井口徑大，抽水量多，需要快速大量的補充，但不易補足，且在補充過程又導致淺層地下水流失，淺層流失之地下水再由地表水回滲補充，在這補充過程，深層地下水之補充比淺層慢，所以其影響地層下陷較大。又在回滲之過程，土壤含水層的水也會因乾季，地表水回滲少而流失，含水層之土壤也會壓縮，且乾季抽水量也較大，在這種惡性循環下，地層下陷會更快速嚴重。當地下水被抽取後，儲水的地下水之砂石會產生空隙，土壤含水層之水位下降也會產生空隙，當空隙產生後，如果沒 有水補充，該等空隙便會逐漸被壓縮，當空隙被壓縮後，有水補充也無法再恢復，這樣不僅地層下陷，儲水空間被壓縮，儲水量便會減少，以後再補充，便不會產生作用。依據監察院99年9月調查報告及工研院彰雲地區長期地層監測資料，該地區地層下陷主要來自深層(200公尺以下)地層的壓縮，主要為深水井之抽用，一般農業用水只抽取淺層地下水(30公尺以上)，農民灌溉水井抽水對地層下陷影響相對輕微，政府為解決地層下陷，研擬「雲彰黃金廊道農業新方案」做為「黃金十年-樂活農業」的旗艦示範區，以三新二節新動能-「新技術、新農民、新產業」為策略目標，於102至109年期間將投資33億元打造「節水、節能」的農業黃金廊道，但地層下陷不僅只有雲彰地區。

內政部建築研究所力推養生池、透水鋪面等滲透方法，也是原始水生態循環的一環，只是現在建築，除建築面積被鋪上不透水鋪面外，其法定空地也被鋪上不透水鋪面，如水泥等，所以在建築技術規則規定法定空地必須是透水鋪面，以增加透水鋪面的面積，增加雨天地面之透水量，但在台灣人民之土地使用觀念，寸土寸金，哪有可能讓土地閒置，因此當建築物驗收完成後，立即被鋪上不透水鋪面，作為其他用途，因此該規定毫無效果。養生池如同目前政府所建立的蓄洪池，蓄洪池僅作為防洪功能，晴天就恢復為一般透水鋪面，成為市民活動空間，回滲效果有限，也失去養生池應有的功能，因為市區土地昂貴，空間不足，沒有多餘土地可做為養生池。

貴局提供之檢索資料「滲透井保水系統設計施工」，仍然脫離不了自然的水生態循環的基本原理，它雖然設有滲透井，井深也不過在1米內，並未穿透土壤層到達地下水層，且因土壤性質不同，滲透率有非常大之差異，仍然須透過土壤層往下滲透，其滲透管，只是增加其滲透面積，滲透速度仍然受土壤之 滲透速度所束縛，其設計是要增加雨水之留置量及滲透時間與滲透面積，雖有其某種程度之效果，較建築研究所之透水鋪面進步，但速度仍不足以完全補足地下水層之水位，又易受環境之影響，也會促使有土壤液化地區之液化情況加重。

貴局提供之檢索申請案號096213083號塑膠陰井創新組合結構，沒有說明書，由申請專利範圍可確認為一種種植所需之排水系統，目的是在預防植物因土壤排水性不佳，以致會被過剩之水浸泡而使根部腐爛，技術功能結構與本案之地面水回滲地下水層之技術功能結構，毫無關聯。

貴局提供之檢索申請案號094112762號「軟弱地層壓密沈陷集水管及其使用方法」，同樣沒有說明書，只可判定是建築基礎技術，無法判定是為防止建築地基崩塌或是建築地基土壤之穩固，但由其名稱應是建築地基土壤之穩固，此技術在應用上，防止建築地基崩塌，應用較廣，該技術功能不僅沒有本案之技術功能概念，更與本案之技術功能完全背道而馳。

目前拜科技之賜，都市聚集，工業林立，地表透水面積大量減少，又因科技發達，需水量大量增加，天然循環之供水量嚴重不足，於是大量抽取地下水補充，再加上地球環境改變，導致氣候異常，因此造成地層下陷，暴雨襲擊，以致澇旱頻傳，災害不斷，因此才發明「一種水之生態系統整治結構」，申請案號為100104172號，希能徹底解決澇旱問題，無奈溪流整治與地下水位平衡被 貴局認為是兩個無關之技術，因而分割出「地下水位平衡系統之技術結構」。

名詞解釋：地下水層，也可稱之為地下儲水層，又可稱之為水脈，水脈猶如礦脈，有深，有淺，有大，有小，但其儲量及空間都很大，宜蘭雪隧隧道開挖時遇上破碎層，湧出大量泉水，那就是水脈，也就是地下水層，因為是在山上，便被稱之為泉水，溪底的儲水層叫伏流水，如果被埋入地底下，就是水脈， 就是地下水層。

若要徹底解決上述問題，唯一方法就是使用本發明之地下水位平衡系統之技術結構，以人為力量，使地面水不經過土壤層滲透，能快速直接滲透補充地下各水層，使地下水位快速升高，才能有效防止或減緩地層下陷，也就是在有水之地面，鑿滲透井使地面水與地下各水層直接連結，讓地面水能快速補充地下水，使地下水位快速升高；若高處之淺層地下水層與低處之淺層地下水層為同一水層，則在高處使地面水與地下水層連結，低處之地面可能恢復以往由地面冒出的泉水。

本發明之地下水位平衡系統之技術結構，在有水之地面，鑿滲透井使地面水與地下各水層直接連結，滲透井填滿滲透材料，如砂石、透水陶瓷顆粒等，並在地面水之底，鋪一層砂石等滲透材料，讓地面水能由滲透材料之過濾成為乾淨之地面水快速滲到地下水層，因滲透材料有淨化水質作用，使滲入地下水層的水得到淨化效果；滲透井開鑿在河(溪)床上時，滲透井填滿之滲透材料，如砂石、透水陶瓷顆粒等，應填滿至伏流層，與伏流層之砂石密接，這樣溪(河)水就會自然滲入地下水層。在雨季水量多時，為讓地面水回歸地下水層之量增多，速度增快，以減少排入海裡的水量，可以在滲透井中裝入滲透管，滲透管四周同樣填滿滲透材料，如砂石、陶瓷顆粒等，平時是以自然滲透方式，讓地面水經滲透材料滲入地下水層。滲透井之中間放置之滲透管，滲透管因為是中空，可讓乾淨的水直接快速進入井之底部，能快速滲入地下各水層，若要加快速度，則可用人工加壓方式，讓地面水藉壓力大量快速滲入地下水層，大量滲入地下水層的結果，滲入深層地下水層時，深層地下水位上升，地層可能就不致繼續下陷，滲入淺層的地下水層時，淺層的地下水位上升，則往昔的湧泉，可能就會再度出現。

本發明之地下水位平衡系統之技術結構，再溪(河)床上鑿井，由於地層有許多地下水源層，地下水源層的水是靠地表的 雨水滲透地層，及樹根在下雨時，樹木枝葉吸飽水分後，從樹根的釋出，由於地表環境被破壞，樹木遭砍伐，地表不透水層增加，再加上人類無限制的抽取，致使地下水位下降，水源逐漸枯竭，地層下陷，以往到處可見之泉水已不再復見，目前人類科技發達，為求科技發展及舒適生活，需水孔急，破壞變本加厲，將造成生態浩劫，演變成人類災難，最近氣候異常，如美國全國50州有49州的冰天雪地，澳洲昆士蘭省的水災，中國大陸東南的大雪，台灣88風災小林村的滅村，去年至今，泰國、越南、印度、委內瑞拉的大乾旱，稻田土穰龜裂，農作欠收，委內瑞拉甚至還引發糧食配給，為省電，公務員一週上班兩天，有多嚴重，今年(105年)年初的超級寒流，養殖漁業與農作的損失嚴重，該等天災頻傳，這是生態破壞的結果，因此必須盡速想出對策，避免生態浩劫，不讓天然災害一再繼續發生，又要有足夠之水資源，唯一方法就是將雨季過剩的水資源保留，不讓其快速奔入大海，不泛濫成災，好讓人類利用與生態發展，並防阻地層下陷。所以本發明在築有蓄水壩堤截流河(溪)水，貯存雨水的河(溪)床上鑿滲透井，利用伏流層之天然砂石資源作為過濾材料，並利用乾淨的伏流水大量回歸滲入地下水層，使雨季的溪(河)水大量補充伏流水而留置，當雨季水量充沛時，可用人工加壓方式，藉壓力讓更大量的水能快速滲入地下水層，使地下水位升高，以防阻地層下陷，當缺水時，因地下水位高，也必須適度抽取使用，以達平衡，方便日後的回滲，所以目前使用的水井便可適度抽取井水使用，就不怕抽取而造成地層下陷，這樣就可提供乾旱時之用水，解決水源不足的問題。在都市裡，建築物林立，透水之面積極少，所以建築研究所規定(建築技術規則規定)空地比之空地必須透水鋪面，讓土壤透水，但要滲入到地下水層，非常緩慢，因為建築需要穩固，土壤必須壓實，所以透水不易，否則便易助長土壤液化，況且在建築完成驗收後，大部分被水泥封閉作為其他用途，政府也未徹底執 行，形同虛設，毫無作用，若要用滲透井將雨水直接引入地下水層，由於都市地面水易受汙染，控制不易，若貿然引入地下，地下水易受汙染，反而造成更大災害，但有屋頂之雨水可供利用，由於屋頂之雨水未受汙染，只要簡單過濾塵土，便可得乾淨水源，再直接用滲透井引入地下水層，況且可藉屋頂高度之壓力，讓雨水能更快速滲入地下水層，大量的屋頂雨水未排入排水溝，因此可降低都市水災，並降低改建下水道之財務負擔，且滲透井林立，只要做技術性巧妙之設計，滲透井也可改為取水井與滲透井共用，並於井口設置開關，作為管制，避免超抽。當地下水受汙染時，又可作為監控與復原之設備使用。

本發明實施方式以下列實施利說明。

1‧‧‧地面水

2‧‧‧滲透井

3‧‧‧地下水層

4‧‧‧滲透材料

5‧‧‧滲透井地滲透管

6‧‧‧井壁

7‧‧‧伏流層

8‧‧‧滲透管之滲透孔

圖1為低窪有地面水處滲透井之剖面示意圖。

圖2為低窪有地面水處滲透井內有滲透管之剖面示意圖。

圖3為溪床上有一層很厚之伏流層7的砂石層之滲透井之剖面示意圖。

圖4為溪床上有一層很厚之伏流層7的砂石層之滲透井內有滲透管之剖面示意圖。

本發明地下水位平衡系統之技術結構，實施方式以實例說明，如圖1所示，要保留夏季過剩之水資源的方法是於低窪有地面水處1或溪床上有地面水處1鑿滲透井2，深入各地下水層3，滲透井中填滿如砂石或透水陶粒等滲透材料4，使地面水1與地下水層3連結，地面水1由滲透材料4過濾滲透進入地下水層3，將下雨的地面水儲存於地下水層中，這樣可以讓地下水位升高，防阻地層下陷，乾季缺水時可適度抽取使用。滲透井也可連接各種不同來源的水源，如屋頂乾淨的雨水或泉水等，一樣可達成相同之效果；又雨季時雨水變成大量地面水，為使地面水能大量儲存於地下水層，如圖2所示，滲透井中可放入 滲透管5，滲透管5與滲透井2之井壁6間同樣填滿如砂石、透水陶粒等滲透材料4，平常是以自然滲透方式，讓地面水1以自然滲透方式經滲透材料4，滲入地下水層3，若地面水乾淨時，亦可直接進入滲透管5，由滲透管5底部直接經滲透材料4，快速滲入各地下水層3，若要更快速大量使地面水1滲入地下水層3儲存，可藉由人工加壓方式將地面水1經滲透管5，再直接由底部高壓經滲透材料4滲入地下水層3。

本發明地下水位平衡系統之技術結構，實施方式中於溪床上鑿滲透井2深入地下水層3時，如圖3所示，溪床上有一層很厚的伏流層7的砂石層，伏流層7的砂石層中有很豐富的水流，就是俗稱的伏流水，該伏流水是最為乾淨的水源，以此伏流水作為滲入地下水層3是最佳之水源，所以滲透井之滲透材料4應填滿與伏流層7的砂石層密接，也可使伏流層7的水能直接滲入滲透管5快速進入地下水層3，伏流水是經過伏流層的砂石過濾，所以滲入地下水層3的水是乾淨的水，雨季水多，則可在未下雨，溪水澄清乾淨時，利用人工加壓，以加速溪水滲入地下水層，將溪(河)水藉由滲透井2之滲透管5滲入到各地下水層儲存，往昔地上湧泉的景象有可能復見，同時可調查該地下水層之分布，在其分布區之範圍內，也可鑿井抽取使用，抽取時注意滲透水量與地下水位，也就不至於有地下水位下降與地層下陷的問題。

本發明地下水位平衡系統之技術結構，在市區地面不是柏油、水泥地面，就是建築物，透水面積有限，雨水難以滲入地下，因建築抽水或鑿井取水，容易造成地下水位下降，導致地層下陷。在市區地面水易受汙染，不能引入地下，所以能利用的地面水，就是屋頂之雨水，該雨水經簡單過濾成為乾淨的水，直接連結進入滲透管5，滲入各地下水層，因屋頂離地面有相當之高度，自然形成壓力，能促使雨水加速滲入各地下水層儲存，因此雨季強降雨時，由於屋頂雨水排入地下水層，大量減 輕排水溝及下水道之排水負擔，有降低市區之水災發生，甚至消除水災之功能，因有地面水之補注，地下水位上升，乾季缺水時，便可適度抽取使用，同時可作為市區地下水有無受汙染之監控，由於滲透井遍布，同時也可做為汙染之清除或改善之用途。

1‧‧‧地面水

2‧‧‧滲透井

3‧‧‧地下水層

4‧‧‧滲透材料

5‧‧‧滲透井地滲透管

6‧‧‧井壁

7‧‧‧伏流層

8‧‧‧滲透管之滲透孔

Claims (3)

1. 地下水平衡系統之技術結構，其特徵在於有地面水處之地面鑽滲透井深入各地下儲水層，滲透井中填滿滲透材料，使地面水與地下儲水層直接連結，產生快速滲透作用進入各地下儲水層，將地面水儲存於地下儲水層，達到地下水位上升，防阻地層下陷，乾季又可適當抽取使用。
2. 如申請專利範圍第1項所述地下水平衡系統之技術結構，滲透井中裝入滲透管，使大量地面水，能直接到達各地下儲水層位置，縮短滲透距離，經滲透材料滲入各地下儲水層儲存，使地下水位快速上升，防阻地層下陷。
3. 地下水平衡系統之技術結構，該地面水來源為屋頂之雨水時，直接與滲透管連結，讓屋頂雨水可以不經土壤，直接到達地下各儲水層位置後，經滲透材料滲入各地下儲水層，使地下水位達到平衡狀態，防阻地層下陷，大幅降低排入排水溝，減輕排水系統負擔，防阻或降低都市水災發生，乾季時又方便取地下水使用，並作為地下水污染監控，及地下水汙染排除。