基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統的製作方法

2023-09-23 13:48:45 6

專利名稱：基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用多層含水層結構和疏幹型地下水庫的雨水回灌地下水的系統以及方法，屬於水利技術領域。
背景技術：
近年來隨著全國範圍內的地下水嚴重超採，形成了大面積地下水降水漏鬥，造成了一系列環境地質問題。據統計，全國地下水超採區300餘個，面積達到了 19萬平方公裡，形成大型地下水漏鬥100多個，面積達15萬平方千米。由於長期超採地下水，華北平原範圍內包括淺層漏鬥和深層漏鬥在內的複合地下水漏鬥面積總計達73288平方千米，形成了世界最大「漏鬥區」。而另一方面，隨著城市化進程的加快，城市不透水面積急劇增加，阻礙了雨水由地表正常下滲，而且許多城市存在排水設施老化等問題，由此造成了嚴重的內澇災害，大量的雨水得不到充分利用。但是，與以上現狀相矛盾的是，許多城市面臨著嚴重缺水的問題。如何充分利用雨水解決城市的缺水問題，成為近年來的研究焦點。目前雨水回灌技術已經日趨成熟，但尚存在部分問題。其缺點主要集中在三個方面:首先是回灌雨水水質問題。如果要實現雨水回灌，回灌雨水的水質是關鍵問題。目前水質淨化多應用利用物理、化學方法進行水質處理，但因處理成本問題，水質處理不徹底，處理後的回灌雨水中尚存在部分汙染物質，直接回灌至地下水深層含水層就會造成汙染，長期回灌後汙染程度不斷加劇且難以修復。其次是過量雨水存儲的問題。因現有回灌技術限制，不能實現雨水實時直接回灌，過量雨水必須建立臨時蓄水設施進行存儲，這就增加了雨水回灌的成本，並且須定時維護和保養，造成了人力、物力的浪費。再次是回灌速率的問題。現有的回灌技術在長期進行回灌後，含水層多孔介質會被回灌雨水中的汙染物質堵塞，降低了回灌速率，使回灌效率降低。回灌速率過慢也會對雨水實時直接回灌含水層的實現造成阻礙。

發明內容
本發明提供了一種基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統，解決了上述背景技術中的不足，該方法能夠實現雨水的快速回灌存儲，並且能夠利用地質條件通過自然過濾作用實現水質淨化，並且能夠加快雨水進入深層含水層的速率。本發明能夠緩解城市內澇及因地下水降水漏鬥所產生的環境地質問題。實現本發明上述目的所採用的技術方案為:一種基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統，多層含水層結構位於回灌區域的地面下方，由上至下依次為地下水庫、弱透水層A、淺層含水層、弱透水層B以及深層含水層，多層含水層結構中設有雨水回灌單元，雨水回灌單元位於地下水庫內，至少包括泵房、主管A、外套管A、透水管以及水平輻射管，其中泵房A設於地面上，外套管A由泵房A內的地面處向下延伸，主管A和透水管均位於外套管A內，主管A位於透水管的上方且主管A的底端與透水管的頂端固定連接，主管A與外套管A之間填充有粘土保護密封層，透水管與外套管A之間填充有砂礫慮管，且粘土保護密封層與砂礫慮管之間設有膨潤土隔水層將兩者之間隔離，水平輻射管為管壁上均勻密布有孔眼的管道且設有兩根以上，所有水平輻射管均以外套管A的底端為中心呈水平向外發射狀分布，且與透水管連通，水平輻射管的外部套裝有砂礫慮管。
外套管A的頂部與地面之間設有混凝土固井層，所述透水管的內部設有潛水泵，透水管的底端設有朝下的沉澱管，所述的砂礫慮管中埋設有排氣管，排氣管沿著外套管A向上延伸至地面上並與抽氣機連接。
多層含水層結構中設有水利聯繫單元，所述的水利聯繫單元至少包括加壓泵、主管B、外套管B、三通管、淺層含水層透水管以及深層含水層透水管，其中加壓泵位於地面上，主管B與加壓泵連通並由地面處向下延伸至淺層含水層，淺層含水層透水管位於主管B的下方且其頂端與主管B的底端固定連接，淺層含水層透水管的外部套裝有能夠起到保護和過濾作用的砂濾外管，其底端設有用來密封的止水密封圈和膨潤土隔水層，淺層含水層透水管的內部設有潛水泵，外套管B套在主管B上，兩者之間所形成的腔室的下部由上至下依次填充有膨潤土隔水層和粘土保護層，所述的腔室的上部為注水腔，注水腔與加壓泵連通，三通管設置於注水腔與主管B之間，所述的三通管為T型管，其上部的兩個開口穿過主管B的管壁進入注水腔中，與注水腔連通，三通管的下部開口位於主管B內，且該開口上連接有注水管，所述的注水管沿著主管B以及淺層含水層透水管的內部向下延伸至深層含水層，深層含水層透水管固定連接於注水管的底端。
深層含水層透水管的底端設有沉澱管。
多層含水層結構中設有水質監測井，所述的水質監測井由地面處向下深入至深層含水層，用於監測地下水庫、淺層含水層以及深層含水層中的水質。
在本發明中設計了地下水庫，利用地下水庫進行雨水的存儲和淨化，並進一步應用地質條件通過雨水的自然下滲進行水質淨化，與現有技術相比，1、本發明中利用地下水庫的疏乾性以及設計的快速回灌單元，實現了雨水的快速回灌和存儲，不必建設地面雨水存儲設施，節約成本，同時減輕了城市雨洪管網系統的壓力。2、本發明中充分利用地下水庫、淺層含水層及弱透水層的淨化作用對水質進行自然過程處理，最大程度上避免了因水質處理不徹底造成的汙染問題，並且節約了處理成本。3、通過雨水回灌地下水庫這一措施，解決了因地下水超採產生的地下水降水漏鬥問題及由此產生的地面沉降等一系列環境地質問題。4、通過水利聯繫單元加強了不同含水層的水利聯繫，在保證水質合格的情況下直接將淺層含水層地下水注入深層含水層，加速了自然下滲的過程，提高了回灌效率。


圖1為本發明所提供的雨水回灌地下水系統的整體結構示意圖2為雨水回灌單元的結構示意圖3為水利聯繫單元的結構示意圖中:1_水利聯繫單元，2-雨水回灌單元，3-水質監測井，4-地下水庫，5-弱透水層A，6-淺層含水層，7-弱透水層B，8-深層含水層，9-排氣管，10-外套管A，11-透水管，12-泵房，13-潛水泵，14-混凝土固井層，15-主管A，16-粘土保護密封層，17-膨潤土隔水層，18-砂礫濾管，19-沉澱管，20-水平輻射管，21-加壓泵，22-深層含水層透水管，23-止水密封圈，24-砂濾外管，25-主管B，26-注水腔，27-外套管B，28-三通管，29-淺層含水層透水管，30-注水管。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施例對本發明做詳細具體的說明。在本實施例中，首先應確定回灌地點。回灌地點應選擇在疏幹型地下水漏鬥區,地下水庫的庫區四周邊界也應相對封閉或通過工程措施使之封閉，同時庫區內不存在無法控制的斷裂構造，具備形成有效庫容量大於IO5Hi3的地下水庫的條件。多層含水層結構位於回灌區域的地面下方，由上至下依次為地下水庫4、弱透水層A5、淺層含水層6、弱透水層B7以及深層含水層8，如圖1所示，各個含水層與隔水層均需要具備較好的互層性，且含水層、隔水層應有良好的連續性，地下水庫及含水層為具有較好的滲透係數的砂礫石或砂卵石等第四系鬆散介質，弱透水層應為滲透係數較小的粘土或亞粘土。多層含水層結構中設有雨水回灌單元2，其結構如圖2所示，雨水回灌單元2位於地下水庫4內，至少包括泵房12、主管A15、外套管A10、透水管11以及水平輻射管20，其中泵房A12設於地面上，外套管AlO由泵房A12內的地面處向下延伸，外套管AlO的頂部與地面之間設有混凝土固井層14，用於固定外套管A10。主管A15和透水管11均位於外套管AlO內，主管A15位於透水管11的上方且主管A15的底端與透水管11的頂端固定連接，主管A15與外套管AlO之間填充有粘土保護密封層16，透水管11與外套管AlO之間填充有砂礫慮管18，且粘土保護密封層16與砂礫慮管18之間設有膨潤土隔水層17將兩者之間隔離，水平輻射管20為管壁上密布有孔眼的管道且設有兩根以上，所有水平輻射管20均以外套管A的底端為中心呈水平向外發射狀分布，且與透水管11連通，水平輻射管20的外部套裝有砂礫慮管18，所述的砂礫慮管18中埋設有排氣管9，排氣管9沿著外套管AlO向上延伸至地面上並與抽氣機連接。透水管11的內部設有潛水泵13，透水管11的底端設有朝下的沉澱管19。多層含水層結構中設有水利聯繫單元1，其結構如圖3所示，所述的水利聯繫單元I至少包括加壓泵21、主管B25、外套管B27、三通管28、淺層含水層透水管29以及深層含水層透水管22，其中加壓泵21位於地面上，主管B25與加壓泵21連通並由地面處向下延伸至淺層含水層6，淺層含水層透水管29位於主管B25的下方且其頂端與主管B25的底端固定連接，淺層含水層透水管29的外部套裝有能夠起到保護和過濾作用的砂濾外管24，其底端設有用來密封的止水密封圈23和膨潤土隔水層17，淺層含水層透水管29的內部設有潛水泵13，外套管B27套在主管B上，兩者之間所形成的腔室的下部由上至下依次填充有膨潤土隔水層17和粘土保護層16，所述的腔室的上部為注水腔26，注水腔26與加壓泵21連通，三通管28設置於注水腔26與主管B25之間，所述的三通管28為T型管，其上部的兩個開口穿過主管B的管壁進入注水腔26中，與注水腔26連通，三通管28的下部開口位於主管B內，且該開口上連接有注水管30，所述的注水管30沿著主管B25以及淺層含水層透水管29的內部向下延伸至深層含水層8，深層含水層透水管22固定連接於注水管30的底端，深層含水層透水管22的底端設有沉澱管19。
多層含水層結構中還設有水質監測井3，所述的水質監測井3由地面處向下深入至深層含水層8，用於監測地下水庫4、淺層含水層6以及深層含水層8中的水質。本實施例中所提供的基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統的工作原理如下:首先雨水經收集系統注入，通過地上泵房加壓注入主管A內，回灌至地下水庫，通過透水管和水平輻射管並經過砂礫濾管進行水質過濾，從而進入水庫內。在回灌過程中可通過排氣管抽取地下水庫內的氣體，從而加快雨水回灌速率；在長期進行回灌後地下水庫的介質會發生堵塞，此時可通過潛水泵進行回揚保養，以延長回灌壽命，提高效率。雨水快速回灌注入地下水庫後進行存儲，並通過地下水庫的多孔介質作用進行水質淨化，而後逐漸通過下部弱透水層A向下部淺層含水層滲入，經過粘土或亞粘土弱透水層和礫層含水層自然下滲，在下滲過程中逐漸淨化水質最終進入深層含水層。通過水質監測井對各個含水層進行水質監測，如水質符合回灌深層含水層要求，則通過水利聯繫單元直接將淺層含水層中的水注入深層含水層，從而加快了淺層含水層中地下水回灌的速度，具體的操作方法如下:開啟潛水泵，將淺層含水層中的地下水通過主管B抽入加壓泵房，由加壓泵房進行加壓注入注水腔，再經過三通管進入注水管，最後通過深層含水層透水管注入深層含水層中。
權利要求
1.一種基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統，其特徵在於:多層含水層結構位於回灌區域的地面下方，由上至下依次為地下水庫、弱透水層A、淺層含水層、弱透水層B以及深層含水層，多層含水層結構中設有雨水回灌單元，雨水回灌單元位於地下水庫內，至少包括泵房、主管A、外套管A、透水管以及水平輻射管，其中泵房A設於地面上，外套管A由泵房A內的地面處向下延伸，主管A和透水管均位於外套管A內，主管A位於透水管的上方且主管A的底端與透水管的頂端固定連接，主管A與外套管A之間填充有粘土保護密封層，透水管與外套管A之間填充有砂礫慮管，且粘土保護密封層與砂礫慮管之間設有膨潤土隔水層將兩者之間隔離，水平輻射管為管壁上均勻密布有孔眼的管道且設有兩根以上，所有水平輻射管均以外套管A的底端為中心呈水平向外發射狀分布，且與透水管連通，水平輻射管的外部套裝有砂礫慮管。
2.根據權利要求1所述的基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統，其特徵在於:外套管A的頂部與地面之間設有混凝土固井層，所述透水管的內部設有潛水泵，透水管的底端設有朝下的沉澱管，所述的砂礫慮管中埋設有排氣管，排氣管沿著外套管A向上延伸至地面上並與抽氣機連接。
3.根據權利要求1 所述的基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統，其特徵在於:多層含水層結構中設有水利聯繫單元，所述的水利聯繫單元至少包括加壓泵、主管B、外套管B、三通管、淺層含水層透水管以及深層含水層透水管，其中加壓泵位於地面上，主管B與加壓泵連通並由地面處向下延伸至淺層含水層，淺層含水層透水管位於主管B的下方且其頂端與主管B的底端固定連接，淺層含水層透水管的外部套裝有能夠起到保護和過濾作用的砂濾外管，其底端設有用來密封的止水密封圈和膨潤土隔水層，淺層含水層透水管的內部設有潛水泵，外套管B套在主管B上，兩者之間所形成的腔室的下部由上至下依次填充有膨潤土隔水層和粘土保護層，所述的腔室的上部為注水腔，注水腔與加壓泵連通，三通管設置於注水腔與主管B之間，所述的三通管為T型管，其上部的兩個開口穿過主管B的管壁進入注水腔中，與注水腔連通，三通管的下部開口位於主管B內，且該開口上連接有注水管，所述的注水管沿著主管B以及淺層含水層透水管的內部向下延伸至深層含水層，深層含水層透水管固定連接於注水管的底端。
4.根據權利要求3所述的基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統，其特徵在於:深層含水層透水管的底端設有沉澱管。
5.根據權利要求1所述的基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統，其特徵在於:多層含水層結構中設有水質監測井，所述的水質監測井由地面處向下深入至深層含水層，用於監測地下水庫、淺層含水層以及深層含水層中的水質。
全文摘要
本發明提供了一種基於多層含水層結構的雨水回灌地下水系統，多層含水層結構位於回灌區域的地面下方，由上至下依次為地下水庫、弱透水層A、淺層含水層、弱透水層B以及深層含水層，多層含水層結構中設有雨水回灌單元，雨水回灌單元位於地下水庫內，至少包括泵房、主管A、外套管A、透水管以及水平輻射管，其中泵房A設於地面上，外套管A由泵房A內的地面處向下延伸，主管A和透水管均位於外套管A內，主管A位於透水管的上方且主管A的底端與透水管的頂端固定連接。本發明所提供的雨水回灌地下水系統能夠實現雨水的快速回灌存儲，並且能夠利用地質條件通過自然過濾作用實現水質淨化，並且能夠加快雨水進入深層含水層的速率。
文檔編號E02D3/00GK103215937SQ20131006525
公開日2013年7月24日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者王志強, 彭浩, 李仲夏, 金子琪, 高延康, 裴超 申請人:中國地質大學(武漢)