一种用于雨水存储和监测的回灌系统及该系统的建设方法与流程

本发明涉及城市水利设施技术领域，更具体地说，涉及一种用于雨水存储和监测的回灌系统及该系统的建设方法。

背景技术：

因洪涝灾害而引发的积水成河、交通瘫痪等问题严重制约了城市建设，同时我国还有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。

而目前公知的地下水人工回灌地面渗灌法主要是利用天然洼地、河床、沟道、较平整的草场或耕地，以及水库、坑塘、渠道或开挖水池等地面集、输水工程设施，常年定期引、蓄地表水，借助地表水和地下水之间的天然水头差，使之自然渗漏补给含水层，以增加含水层的储量，但这种方法入渗速率较低。

经检索，发明创造的名称为：地下水回灌循环利用方法(申请号：2008100552340，申请日：2008-06-18)，该发明根据当地水文地质情况，确定抽水井的深度，并在抽水井的降水影响半径内钻与抽水井的深度相同的回灌井井孔。按沉淀管、滤水管和井壁管的顺序将井管固定在井孔内，然后依次填充滤料、封井、洗井，最后安装抽水设备和回灌设备。使得在抽水和回灌过程中，形成一个循环的回路，同时确保地下水不与外界接触，回灌后不会对地下水造成污染。本申请案的不足之处在于：依照该方法建设的回灌井不能对雨水进行污染物降解，同时容易造成井管堵塞。

此外，发明创造的名称为：一种地下水回灌促渗方法(申请号：201210003853.1申请日：2012-01-08)，通过在高渗透性土层上人工挖掘修建回灌池，在回灌池内充填粗砂作为反滤回填料，在回灌池内及回灌池周围加设能将包气带中气体排出的排气管，并通过真空泵对回灌池周围的排气管进行抽气作业，但是本申请案需要借助抽水井对包气带进行排气，增大了施工难度。

技术实现要素：

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，提供了一种用于雨水存储和监测的回灌系统及该系统的建设方法；

其中提供的一种用于雨水存储和监测的回灌系统，通过结合天然地质水文条件，对雨水进行生态处理的同时加快雨水入渗速度；

其中提供的一种回灌系统的建设方法，通过对雨水花园的包气带和天然含水层进行微小改造，简化系统建造的施工难度，并加快雨水的下渗速度。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种用于雨水存储和监测的回灌系统，包括埋藏式回灌井和监测井，埋藏式回灌井环绕设置在监测井的周围，且埋藏式回灌井的数量大于监测井的数量，埋藏式回灌井和监测井的圆心距为d，1m≤d≤r/2，且r为监测井的影响半径。

优选地，埋藏式回灌井包括回灌井管道、细砂层和砂砾层，回灌井管道和含水层相连，回灌井管道的顶部设置有过滤装置，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；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。

优选地，监测井的底部延伸至含水层，且监测井的井口高于地面。

优选地，埋藏式回灌井的顶部设置有砂毯，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。

优选地，监测井的下部设置有监测滤水段，监测滤水段与埋藏式回灌井的渗流下段埋设于同一含水层。

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，砂砾层的孔隙率为p1，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，相邻埋藏式回灌井之间的圆心距为d2，d2＞2m。

本发明的一种回灌系统的建设方法，包括：

s100、进行抽水试验，钻孔并建造监测井，对监测井进行抽水试验，采用水表计量出水量为q1，读数精确为0.1m³；

s200、计算影响半径r，半径r根据公式进行计算，其中s抽水时的水位降深，m；h承压水和潜水含水层厚度，m；k渗透系数，m/d；s300、建造埋藏式回灌井，在监测井的周围建造埋藏式回灌井，且埋藏式回灌井和监测井的圆心距为d，1m≤d≤r/2，r为监测井的影响半径。

优选地，埋藏式回灌井的具体建设步骤为：步骤一：钻孔形成阶梯孔，阶梯孔包括阶梯孔下部和阶梯孔上部，向阶梯孔中埋入回灌井管道，并且将回灌井管道的底部埋至含水层中；步骤二：在阶梯孔下部的回灌井管道的外部填埋细砂形成细砂层下段，细砂层下段填埋完成后，套管再在阶梯孔上部安装套管，向套管的套管内侧填埋细砂，在套管和回灌井管道之间形成细砂层上段；且向套管的套管外侧填埋砂砾，在套管和阶梯孔上部的内壁之间形成砂砾层；步骤三：完成填埋后将阶梯孔上部的套管抽出，即得到埋藏式回灌井。

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)本发明的一种用于雨水存储和监测的回灌系统，包括埋藏式回灌井和监测井，埋藏式回灌井环绕设置在监测井的周围，通过结合雨水花园的天然水文地质条件，利用回灌系统对土壤中的包气带和天然含水层进行改造，将雨水快速就地储存；进一步地，还能对降雨进行天然的水质过滤和生物降解，避免雨水渗入土壤对地下水造成二度污染，回灌系统还能对水质进行监测并对雨水进行回用；

(2)本发明的一种用于雨水存储和监测的回灌系统的建设方法，先进行进行抽水试验，然后根据监测井的影响半径建造埋藏式回灌井，最终建造得到回灌系统，降低了回灌系统施工建设的难度，同时对雨水花园处的包气带和天然含水层进行改造，促进地表水和地下水之间的循环，并促进地下水向地表水排泄，同时对雨水进行自然净化。

附图说明

图1为本发明的一种用于雨水存储和监测的回灌系统的整体结构示意图；

图2为本发明的一种用于雨水存储和监测的回灌系统的剖面图；

图3为实施例1的埋藏式回灌井和监测井之间的位置关系示意图；

图4为实施例1的埋藏式回灌井的整体结构示意图；

图5为本发明用于雨水存储和监测的回灌系统的建设方法的流程图；

图6为实施例3的阶梯孔的整体结构示意图；

图7为工作原理示意图。

示意图中的标号说明：

100、埋藏式回灌井；101、过滤装置；102、阶梯面；110、回灌井管道；111、渗流上段；112、导水段；113、渗流下段；120、细砂层；121、细砂层上段；122、细砂层下段；130、砂砾层；

200、监测井；210、井盖；211、监测滤水段

300、砂毯；

400、杂填土层；

500、阶梯孔；510、阶梯孔下部；520、阶梯孔上部；530、套管；531、套管内侧；532、套管外侧。

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，本发明的一种用于雨水存储和监测的回灌系统(以下简称回灌系统)建设于在雨水花园中，前述的雨水花园是指人工挖掘的浅凹绿地，主要用于汇聚并吸收来自地面的雨水，通过植物、沙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，可作为一种生态可持续的雨洪控制与雨水利用设施。本发明的回灌系统通过结合雨水花园的天然水文地质条件，对土壤中的包气带和天然含水层进行改造，将雨水快速就地储存；进一步地，还能对降雨进行天然的水质过滤和生物降解，避免雨水渗入土壤对地下水造成二度污染，回灌系统还能对回灌至含水层的水质进行监测并对雨水进行回用。

回灌系统包括埋藏式回灌井100和监测井200，其中埋藏式回灌井100设置在雨水花园的底部，埋藏式回灌井100的井体由上至下贯穿至含水层，可用于将雨水净化后存储到含水层，大面积补给地下水，增加了天然排泄量；非雨水季节时，在地下水和地表水互为补排关系的地带，埋藏式回灌井100又能促进地下水向地表水排泄，对水质进行自然净化。埋藏式回灌井100环绕设置在监测井200的周围，且埋藏式回灌井100和监测井200之间的圆心距为d，1m≤d≤r/2(如图3所示)，r为监测井200的影响半径。监测井200的井口高于地面且监测井200设置在雨水花园上，便于抽取并检测经埋藏式回灌井100处理后的雨水水质，监测井200上还设置有井盖210，避免大颗粒污染物流入监测井200内。

需要注意的是，监测井200的底部延伸至含水层，本实施例的回灌系统所述的地质环境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，具有较好的透水性和蓄水性，且埋藏式回灌井100和监测井200处在同一含水层区域中。

监测井200抽水前，含水层中的水处于水动力平衡状态，也即该含水层区域中的流入水量等于流出水量。监测井200的影响半径r为监测井200的井壁到观测不到水位下降的点之间的水平距离，根据该回灌系统所处的水质环境进而将埋藏式回灌井100设置在距离监测井200圆心处1m～r/2的位置，监测井和回灌井井距的设计是为了在该系统使用时，对回灌井进行反冲洗，提高回灌系统孔隙度，避免回灌井物理、生物堵塞。同时由于埋藏式回灌井100的补给量和监测井200的抽水量不同，该回灌系统的埋藏式回灌井100数量大于监测井200数量，使得监测井200的开采量等于埋藏式回灌井100的补给增量与排泄减量之和，形成含水层的稳定流，进而达到生态可持续的雨洪控制与雨水利用的目的。此外埋藏式回灌井100和埋藏式回灌井100之间的圆心距为d2，d2＞2m，避免埋藏式回灌井100之间设置过于密集而造成的土壤塌陷。

本实施例的埋藏式回灌井100的外部为杂填土层400，顶部设置有砂毯300，砂毯300的层数至少为两层，上层砂毯300的孔隙率大于下层砂毯300的孔隙率，形成上粗下细的结构，可用于减缓雨水花园所吸收的雨水下渗速率，便于对雨水杂质进行沉淀。

进一步地，埋藏式回灌井100内设置有回灌井管道110、细砂层120和砂砾层130(如图4所示)，且回灌井管道110纵向插设于埋藏式回灌井100的中心，其中回灌井管道110的顶部设置有过滤装置101，本实施例的过滤装置101不局限为活性炭或纤维球，过滤装置101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110而导致回灌井管道110的内部发生阻塞。回灌井管道110由上至下依次设置有渗流上段111、导水段112和渗流下段113，导水段112由实心管道组成，导水段112对雨水进行导流，渗流上段111和渗流下段113上设置有渗流孔，雨水既可以从渗流孔流入回灌井管道110内，也能沿渗流孔流出回灌井管道110外。需要注意的是，本实施例的渗流上段111径向深度为l1，导水段112的径向深度为l3，l3＝2l1，导水段112的径向深度高于渗流上段111的高度，既可以确保渗流上段111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112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112和渗流下段113设置于含水层中，渗流下段113的底部不穿透含水层，避免隔水层和含水层之间互相串层。

另外，监测井200的下部设置有监测滤水段211，监测滤水段211与埋藏式回灌井100的渗流下段113埋设于同一含水层。

进一步地，回灌井管道110的外部设置有细砂层120，细砂层120由上至下依次设置有细砂层上段121和细砂层下段122，细砂层下段122位于细砂层上段121的下部，且细砂层下段122的外侧直接与埋藏式回灌井100的井体内壁相接触，细砂层上段121的径向深度为l2，回灌井管道110的渗流上段111径向深度为l1，l1<<l2，细砂层上段121设置在渗流上段111的外部，细砂层120的外侧设置有砂砾层130。

值得说明的是，通过在埋藏式回灌井100内设置渗流上段111、细砂层上段121和砂砾层130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100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，降低雨水中的部分悬浮物质。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，还不易堵塞埋藏井。

雨水时期，雨水经细砂层上段121向渗流上段111运动，经渗流孔进入回灌井管道110内。此处需要说明的是，细砂层上段121的径向深度为l2深于渗流上段111的径向深度，即渗流上段111的底部高于细砂层上段121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111，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110的阶梯面102周围，由于渗流上段111底部的高度，位于细砂层上段121的底部(也即阶梯面102的上方)，用于将悬浮物阻隔在回灌井管道110的导水段112外部，避免悬浮物在雨水的冲击下进入渗流上段111内，并在回灌井管道110内生成生物膜而对回灌井管道110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，细砂层上段121横向宽度为w1，砂砾层130的横向宽度为w3，w1＝w3，且砂砾层130的径向深度和细砂层上段121的径向深度等深，使得砂砾和细砂层上段121的底部处于同一水平高度；细砂层上段121的横向宽度为w1，细砂层下段122的横向宽度为w2，2w2＞w1＞1.5w2，使得细砂层上段121和砂砾层130之间的接触面位于回灌井管道110的阶梯面102上，可以避免砂砾层130和细砂层下段122之间直接接触，防止雨水下渗时对砂砾层130冲击，导致砂砾层130的砂砾向细砂层下段122运动，避免砂砾层130的砂砾混入细砂层下段122。

需要说明的是，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110的外侧分别设置细砂层120和砂砾层130，进而形成特殊的包气带结构。其中砂砾层130的孔隙率为p1，细砂层120中细砂层上段121的孔隙率为p2，细砂层下段122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130的过程中，会逐渐形成生物膜，生物膜的形成需要较长时间，雨水不断对生物膜进行冲击使得生物膜向细砂层120方向运动，由于细砂层120的孔隙率小于砂砾层130的孔隙率，生物膜从砂砾层130运动至细砂层120的速率会急速减缓，在阶梯面102周围产生堆积，在这个过程中能对生物膜和污染物能充分降解，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110发生堵塞而下渗速率减缓，使得雨水能快速就地储存。

实施例2

本实施例的内容基本同实施例1，不同之处在于：本发明的一种用于雨水存储和监测的回灌系统，包括包括埋藏式回灌井100和监测井200，埋藏式回灌井100环绕设置在监测井200的周围，且埋藏式回灌井100和监测井200的圆心距d为2m；埋藏式回灌井100的数量大于监测井200的数量，本实施例中埋藏式回灌井100的数量为5个，监测井200的数量为1个。埋藏式回灌井100和监测井200处在同一含水层区域中。

本实施例的回灌井管道110直径d1为1.1m，该回灌井管道110由上至下依次设置有渗流上段111、导水段112和渗流下段113，其中上渗流上段111径向深度l1为0.5m，导水段112的径向深度l3为1m，渗流下段113的径向深度深于导水段112的径向深度，本实施例中渗流下段113的径向深度l4为1.5m。回灌井管道110的外部设置有细砂层120，细砂层120由上至下依次设置有细砂层上段121和细砂层下段122，细砂层上段121的横向宽度w1为100mm，细砂层下段122的横向宽度w2为95mm，砂砾层130的横向宽度w3和细砂层上段121等宽，砂砾层130的横向宽度w3为95mm，细砂层上段121的径向深度l2为450mm，回灌井管道110的渗流上段111的径向深度l1为50mm，l1＜l2，细砂层上段121设置在渗流上段111的外部。降雨量较大时，雨水经细砂层上段121向渗流上段111运动，经渗流孔进入回灌井管道110内。

实施例3

如图5所示，本发明的一种回灌系统的建设方法，其建设方法的具体步骤如下：

s100、进行抽水试验

在雨水花园中钻孔并建造监测井200，对监测井200进行抽水试验，采用水表计量出水量为q1，读数精确为0.1m³，用于收集回灌系统所建设的地质条件的地质参数；

s200、计算影响半径r

根据抽水试验的相关数据和公式，计算得到影响半径r；半径r根据公式进行计算，其中s抽水时的水位降深，m；h承压水和潜水含水层厚度，m；k渗透系数，m/d；本实施例中，当抽水井的抽水量为115.56m³/d时，水位降深s＝14.36m。含水层厚度h＝20m，渗透系数k＝3.24m/d，影响半径r＝231.19m。

s300、建造埋藏式回灌井100

在距离监测井200圆心1m≤d≤r/2的位置建造埋藏式回灌井100，r为监测井200的影响半径，埋藏式回灌井100的具体建设步骤为：

步骤一：钻孔形成阶梯孔500(如图6所示)，即阶梯孔500具有不同径深，其中阶梯孔500包括阶梯孔下部510和阶梯孔上部520，向阶梯孔500中埋入回灌井管道110，并将回灌井管道110的底部埋至含水层中，阶梯孔下部510距离回灌井管道110的距离为w2(即实施例2中细砂层下段122的横向宽度w2)；

步骤二：在阶梯孔下部510的回灌井管道110的外部填埋细砂形成细砂层下段122，细砂层下段122填埋完成后，在阶梯孔上部520的阶梯面102上安装套管530，套管530距离回灌井管道110的水平距离为w1(即实施例2中细砂层上段121的横向宽度w1)。向套管530的套管内侧531填埋细砂，使得套管530和回灌井管道110之间形成细砂层上段121；再向套管530的套管外侧532填埋砂砾，在套管530和阶梯孔上部520的内壁之间形成砂砾层130；

步骤三：完成填埋后将阶梯孔上部520的套管530抽出，即得到埋藏式回灌井100；

s400、建造回灌系统

步骤一：在监测井200的周围环绕建造多个埋藏式回灌井100，埋藏式回灌井100的建造步骤同s300，且各个埋藏式回灌井100和埋藏式回灌井100之间的圆心距为d2，d2＞2m；

步骤二：在埋藏式回灌井100上铺设砂毯300，最终建设得到回灌系统。

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。