一种土壤仿生增渗装置及其实现方法与流程

1.本发明属于雨水排渗设施技术领域，具体是一种模仿植物根系吸水机制的土壤仿生增渗装置及其实现方法。


背景技术：

2.在干旱地区城市雨水收集可以涵养补充地下水，改善微气候。由于绿地具有消纳自身及周边场地雨水径流的作用，多数海绵城市设计措施构建下沉式绿地，使绿地具有渗透、滞留双重作用。也有在绿地内设置渗井，或采用渗排一体化措施，增加对雨水径流的控制能力。由于土壤的毛细作用对孔隙水流动产生显著影响，通过优化渗水井结构是提高土壤储水性能的有效途径。比如在渗水井的垂直方向或水平方向上延伸管道以增加过水面积，从而加速雨水渗入井内。然而，地面水渗入土壤过程是非饱和渗流过程，水流会驱使土壤孔隙气体流动，在不连通孔隙内形成气体高压区域，进而产生“贾敏效应”，阻碍水分的继续入渗。因此，破解土壤颗粒间隙内水-气流动相互制约问题是提高土层蓄水能力的关键。有研究表明影响“贾敏效应”的主要因素有孔渗性与界面张力。由于土壤颗粒的非均质导致其湿润特性的有显著差异，很难确定采用何种活性剂改变土壤颗粒的界面张力。通过扩大土壤颗粒间隙，增大曲液面的曲率半径是降低毛管阻力的潜在途径。
3.众所周知，植被根系对保持水土流失，净化雨水，减缓雨水流速有重要作用。根端的根毛区是根系吸收土壤水分的最活跃部位，吸收土壤中水分与无机盐有两种方式：一种是利用不断生长的新根系增大与土壤的接触面积，主动截获养分；另一种是植物生长与代谢活动（如蒸腾、吸收）形成物质浓度势场，驱动养分向根系迁移。
4.本发明根据植物根系的形态特点，提出一种土壤仿生增渗装置，改善土层对地表积水的储蓄能力。该增渗装置由引流管与分支管组成。引流管是作为地面积水下渗的主要通道，而分支管充填树脂材料。利用树脂吸水后体积膨胀特性，扩张土壤颗粒间隙，降低毛管阻力，增强土的透水性。该增渗装置应用于市政公园绿化、工业园区等，提高草坪含水量，补充地下水，减少了市政管道的排水压力，避免地面积水。维护成本低，维护简单，且可再回收利用。
5.当前有关增渗的技术大部分都集中在采矿与油气开发领域，通过注入高压气体或液体压裂岩层或用炸药爆破岩层实现提高渗透性的目的。比如中国专利申请号cn202011519236.8中公开的有关铀矿的地浸开采爆破增渗法。但对于如何实现渗水井增渗的相关技术研究相对较少，查询检索到以下文献作为参考。
6.中国专利申请号202210582695.3公开了一种新型海绵城市雨水处理系统，主要包括地面层，渗水井，储水腔和复用腔，渗水经与储水腔通过粗滤组件与若干单向阀相互联通，可以根据不同的降雨量实现不同的渗水量。
7.中国专利申请号202022012795.1公开了一种阶梯型辐射渗井。该渗井通过设置多级阶梯式渗井孔连接水平出水管，同时在每个渗井孔上设置升降台，对于不同的水量可以高效地调控流出的水量。该渗井的增渗方法是通过增加水平出水管的方式增加渗水面积，
同时通过渗水孔口设置的滤网过滤大颗粒杂质以增加水的流动性。
8.中国专利申请号202211160133.6公开了一种环形海绵渗井及其施工方法。其原理是通过在主井周围等距设置若干与之连通的副井，利用副井的高低位依序投入使用，从而实现对不同降雨量的快速消纳，提高渗透能力。
9.中国专利申请号201621330305 .x公开了一种海绵城市道路排水蓄水结构，增设蓄水池、植物种植带以及吸水材料层等实现多级储水。
10.从上述公开技术资料可看出，提高渗井蓄水能力的方法都是通过增加过渗流通道的横截面积来提高渗水量，或通过提高填充料的密度来提高毛细作用以增加渗水能力，这些方式虽然在一定程度上提高了渗水能力，但实际上采用低效的方式解决问题。


技术实现要素：

11.为了提高土壤的渗水能力，本发明根据植物根系吸水机制，提供一种土壤仿生增渗装置。
12.本发明同时提供该土壤仿生增渗装置的实现方法。
13.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种土壤仿生增渗装置，其特征在于，它包括一个模仿植物主根的底端封闭的引流管，引流管中心安装一根带盖的冲洗管，在引流管与冲洗管之间的环形空腔从上到下依次充填粗石英砂和细石英砂；在引流管细石英砂段插入模仿植物侧根的多个分支管，分支管末端封闭，在相邻的分支管之间的引流管壁设置有多个出水孔；分支管内充填吸水膨胀材料，在分支管壁上均匀布设有多个孔洞。
14.进一步的，所述的分支管沿引流管轴线对称分布。
15.进一步的，所述的吸水膨胀材料为高吸水树脂，优选聚丙烯酰胺。
16.进一步的，所述引流管为200mm直径的聚乙烯塑料管材，引流管壁的出水孔直径5mm；分支管为40mm聚乙烯塑料管材，管壁孔洞直径5mm。
17.进一步的，所述粗石英砂的粒径介于5mm到20mm之间，细石英砂的粒径介于2mm到9mm之间。
18.上述土壤仿生增渗装置的实现方法为：第一步：土壤仿生增渗装置安装利用自然地形，在易积水位置处打竖直钻孔，钻孔深度在地下水位线之上，然后将土壤仿生增渗装置安装到钻孔内，再使用钻屑回填掩埋土壤仿生增渗装置，压实回填土，使土壤仿生增渗装置汇水口略低于地面，在汇水口上设置水篦子；第二步：土壤仿生增渗装置蓄水当地表积水流入引流管后，水流首先经过粗石英砂段，然后流入细石英砂段，一部分水流从引流管壁的出水孔进入土壤，另一部分水流进入分支管；分支管内充填的高吸水树脂颗粒吸水后朝向管腔末端膨胀，将尚未吸水的高吸水树脂从管壁孔洞挤入管壁外的土壤，被挤出的高吸水树脂吸水后也发生体积膨胀使土颗粒间隙变大，增加土壤孔隙度，提升土壤渗透性；第三步：清洗土壤仿生增渗装置当地面积水中杂质阻塞土壤仿生增渗装置时，使用高压水枪向引流管内的冲洗管
注入清洗液，清洗液的液面从引流管内底端升至顶端汇水口，携带细石英砂段与粗石英砂段内杂质排出引流管。
19.本发明的积极效果为：1.可以改善土壤透水性能本发明所述增渗装置内充填了可高吸水树脂颗粒，高吸水树脂吸水后会快速体积膨胀，在管腔内产生膨胀力将尚未吸水的高吸水树脂材料推挤进入土壤空隙，使土壤颗粒间隙变大，可显著扩大渗水范围；同时进入土壤的高吸水树脂具有高保水特性有利于土壤储水。而现有方法仅将吸水树脂作为保水剂使用，与本发明所述增渗装置的作用机理不同。
20.2.蓄水体积大常用的雨水收集模块设施只能利用限定空间收集存储雨水，未能充分利用土壤的蓄水特性，并且辅助设备多，降低了系统运行的可靠性，增加维护成本。本发明提出的土壤仿生增渗装置安装在回填土体内，充分利用回填土压实度低，渗水性较高的优势，又利用回填土体可向周边原状土层的渗水，扩大了土层的渗水边界。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明土壤仿生增渗装置实施例的三维结构图，图1中示出了增渗装置安装在土层构成雨水下渗系统。
23.图2是本发明土壤仿生增渗装置在渗水前的状态图。
24.图3是图2中a处的放大图。
25.图4是本发明土壤仿生增渗装置在渗水后的状态图。
26.图5是图4中b处的放大图。
27.图6-9是本发明土壤仿生增渗装置的实现过程图，其中图6示出的是土层钻孔开始开挖状态，图7示出的是渗水井开挖完成状态；图8示出的是土壤仿生增渗装置安装完成状态；图9示出的是回填完成状态。
28.图10-11是分支管的截图面，其中图10示出的是分支管充填干燥高吸水树脂颗粒的状态，图11示出的是高吸水树脂吸水膨胀后的状态。
29.图中：1-引流管，2-分支管，3-高吸水树脂材料，4-粗骨料，5-细骨料，6-渗流区域，7-土壤颗粒，8-回填区域，9-排水孔，10-孔洞，11-汇水口，12-冲洗管。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
31.如图1所示，本发明土壤仿生增渗装置整体包括底端封闭的引流管1、带盖的冲洗管12和多个分支管2，冲洗管12布置在引流管1内部；在引流管1和冲洗管12之间的环腔内从上到下充填有粒径介于5mm到20mm之间的粗骨料4和粒径介于2mm到9mm之间的细骨料5，对雨水进行分级过滤；在引流管1充填细骨料5的区段的管壁上设有两组三路末端封闭的分支
管2，每组三路分支管2均通过一个四通管件与引流管1热熔连接；分支管2内腔充填有高吸水树脂材料3（见图10），在分支管2管壁上设有若干个孔洞10，在两个相邻分支管2之间的引流管1管壁上开设有若干个排水孔9；实施例中，高吸水树脂材料3优选聚丙烯酰胺，引流管1和分支管2分别为直径200mm和40mm的聚乙烯塑料管材，出水孔（也就是排水孔9）以及孔洞10直径均为5mm；粗石英砂的粒径介于5mm到20mm之间，细石英砂的粒径介于2mm到9mm之间。
32.需要说明的是，上述实施例中分布在引流管1管壁上的多组分支管2，每组有三路等夹角的分支管2，且分支管2轴向与引流管1轴向垂直，这只是一种特殊情况，在实际中分支管2可以以任意形式排布在引流管1的管壁上，这样引流管1和多个分支管2共同组成类似植物根系系统的结构。其中的引流管1作用是将一部分地面积水引入土层，同时将其余积水引入分支管2，分支管2的作用是将进入引流管1内的水被高吸水树脂材料3吸收，使高吸水树脂材料3膨胀后侵入土层，改善渗流区域6的土壤孔隙度，增强其透水性。
33.下面结合图6-9详述本发明土壤仿生增渗装置的实现方法。
34.第一步： 首先在地势低洼处易积水的土层打孔（见图6 ），钻孔深度在含水层之上，钻孔直径不小于增渗装置外围直径，钻孔完成后形成图7所示的渗水井；然后将本发明土壤仿生增渗装置安装在钻孔内（见图8），再将土渣回填钻孔内形成回填区域8（见图9），并压实回填土，形成图2所示的渗水系统，在渗水井的井口设有水篦子（图中未画出）；第二步：参照图2和图4，地面积水从汇水口11进入引流管1内，首先经过粗骨料4过滤较大的杂质，然后经过细骨料5过滤较小的杂质，一部分水通过引流管1的排水孔9导入土壤，形成渗流区域6，另一部分水被导入分支管2，分支管2内高吸水树脂材料3遇水膨胀，同时推挤管内远端高吸水树脂材料3从孔洞10侵入管外的渗流区域6的土壤颗粒7间隙（见图5和图11）；随着后续水流被高吸水树脂材料3吸收，土壤中的高吸水树脂材料3继续膨胀，扩张土壤颗粒7间隙，上述变化过程如图3和图5所示；土壤颗粒7间隙增大明显可以提升土壤的渗透性，达到增渗目的，同时高吸水树脂材料3有高保水特性有利于土壤储水。
35.第三步：在土壤仿生增渗装置引流管1被杂质阻塞的情况下，开启冲洗管12的盖子，使用高压水枪向冲洗管12注入清洗液，清洗液从引流管1内底端流向顶端汇水口11，细骨料5与粗骨料4内杂质被携带至地面，达到清洗装置目的。
36.本发明的创新点是利用在限定空间内高吸水树脂材料3吸水快速膨胀后产生的膨胀力，将高吸水树脂材料3挤入土壤，不仅增大土壤孔隙度，提高渗水性能，而且还凭借高吸水树脂材料3吸水特性提高土壤的含水量。有关分支管的设置形式以及分支管和引流管之间的连接结构等不是本发明的重点，上述实施例也不做为对本发明技术方案的限制，因此具体保护范围以权利要求书记载的为准。