劉翠，靳曉穎，羅霖

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2.湖北省宜昌市鼎誠工程技術(shù)服務(wù)有限公司，湖北宜昌443002）

城市雨水收集及地下補(bǔ)水樁設(shè)計

劉翠1，靳曉穎1，羅霖2

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2.湖北省宜昌市鼎誠工程技術(shù)服務(wù)有限公司，湖北宜昌443002）

盲目超采地下水可導(dǎo)致地面沉降、地裂縫等災(zāi)害頻繁發(fā)生。城市雨水收集及地下補(bǔ)水裝置既可以有效緩解城市內(nèi)澇，又可以補(bǔ)充地下水資源，避免地面沉降等災(zāi)害發(fā)生。分析了設(shè)計城市雨水收集及地下補(bǔ)水裝置的現(xiàn)有技術(shù)方案和擬解決的技術(shù)問題，探討了其設(shè)計思路，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

城市；雨水收集；地下補(bǔ)水樁；現(xiàn)有技術(shù)方案；設(shè)計思路；結(jié)構(gòu)分析

0 引言

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基［1］。我國是一個水資源匱乏的國家，水資源人均占有量只相當(dāng)于世界的1／4，被列為世界上人均水資源貧乏的13個國家之一［2］。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)、人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市水資源短缺狀況比較明顯，一些城市和地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的缺水問題。為了滿足日益增長的供水需求，一些城市盲目開采地下水，導(dǎo)致區(qū)域性地下水位下降。在沿海地區(qū)，地下水位的大幅度下降可能引發(fā)海水入侵；而在干旱半干旱地區(qū)，地下水位的下降還可能導(dǎo)致樹死草枯和土地荒漠化［3～4］。另外，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城區(qū)不透水面積逐年增加，雨水徑流量增大，流出時間縮短。這不僅造成水資源的巨大浪費(fèi)，加大了城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，還對城市的生產(chǎn)、生活造成極大的影響，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失［5］。因此，研發(fā)一種適用于城市雨水收集及補(bǔ)充地下水的裝置，可減緩城市缺水、地面沉降、地裂縫以及城市雨季內(nèi)澇等災(zāi)害。

1 現(xiàn)有的技術(shù)方案和擬解決的技術(shù)問題

1.1 現(xiàn)有的技術(shù)方案

（1）城市雨水滲透利用技術(shù)。城市雨水滲透利用技術(shù)主要包括透水性路面、滲透井、滲透池、滲透渠和下凹式綠地等［6］。滲透設(shè)施通常是挖掘土壤后，填上特殊滲濾介質(zhì)（如碎石、沙礫等）。有時，為防止侵蝕周邊土壤，用土工布包裹。雨水滲透利用早在我國一些古城的建筑中就有體現(xiàn)。如，南方老城區(qū)庭院中間的天井溝和矩形滲坑，用于儲蓄雨水；蘇州園林宅內(nèi)和后花園均有雨水滲井。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，能補(bǔ)充涵養(yǎng)地下水、緩解地面沉降、減少水澇和海水倒灌、減少地表徑流、減少雨污管道負(fù)荷等，具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益［7］。缺點(diǎn)是，雨水滲透利用效益投資比相對較高，運(yùn)行中也存在一些問題。如，雨水徑流中的懸浮污染物對滲透利用設(shè)施以及土壤層的堵塞，下滲雨水中的重金屬和難降解有機(jī)物對土壤及地下水的潛在威脅等。由于我國雨水徑流污染嚴(yán)重［8］，這些問題尤為突出。目前，各種人工滲透設(shè)施未能根據(jù)其適用條件進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化組合，也未針對場地特點(diǎn)，對雨水利用的目的進(jìn)行詳盡分析，從而確定對應(yīng)的雨水人工滲透設(shè)施規(guī)模。

（2）加壓式人工回灌。加壓式人工回灌井通常用于補(bǔ)給深層地下水。加壓回灌井占地面積小，回灌速度快，既可用于回灌，又能用于抽水，實現(xiàn)水量的季節(jié)調(diào)節(jié)。因此，該技術(shù)適用于城市中地價昂貴或空地少的地區(qū)。但是，加壓式人工回灌井需要專人管理。這是因為，在回灌過程中，若進(jìn)入空氣會形成空氣阻塞，并降低回灌速度。在長期運(yùn)行過程中，回灌水中的固體物質(zhì)會阻塞透水層，降低滲透系數(shù)。

1.2 擬解決的技術(shù)問題

研究一種適用于城市雨水收集及補(bǔ)充地下水的補(bǔ)水樁，需要解決的技術(shù)問題主要有以下3個。

（1）收集雨水，補(bǔ)給地下水。一些城市因盲目超采地下水而產(chǎn)生嚴(yán)重缺水或發(fā)生地面沉降等問題時，如果不能及時利用城市雨水補(bǔ)充地下水資源，將會引起地下水資源的日益匱乏，也會使災(zāi)害加劇。因此，需要解決如何能夠利用城市雨水補(bǔ)給地下水，減輕因超采地下水造成的水資源短缺和地質(zhì)災(zāi)害等問題。

（2）由于不透水面積的逐漸增加，在雨季，不僅加大城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，也易出現(xiàn)城市內(nèi)澇等災(zāi)害。因此，如何在雨季快速的分流部分雨水，減輕洪澇災(zāi)害、減輕城市雨水管道和泵站的負(fù)荷。

（3）雨季尤其是暴雨時水量大，需要匯集雨水的裝置能夠快速滲透水流，并減少水流攜帶的雜質(zhì)堵塞滲透通道，使更多的雨水滲入地下。需要解決如何能夠快速反應(yīng)，使?jié)B透箱中的過濾裝置具有方便組合、可拆卸的特點(diǎn)，針對雨情，快速實施，使險情能盡快有效控制，不造成更嚴(yán)重的后果。

2 雨水收集箱及地下補(bǔ)水樁的設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

為了使設(shè)計的城市雨水快速補(bǔ)給地下水的裝置操作簡單、可拆卸、方便組合，將城市雨水收集箱及地下補(bǔ)水樁設(shè)計為組合式，可埋置在城市樓房集水管下部的土體中或城市路面下水道集雨點(diǎn)位置的土體中。

雨水收集箱及地下補(bǔ)水樁的組合關(guān)系如圖1～3所示。為了能夠?qū)崿F(xiàn)快速收集雨水和方便操作的要求，達(dá)到減輕城市內(nèi)澇，減輕城市雨水管道系統(tǒng)和泵站的負(fù)荷的目的，在雨水收集箱的一側(cè)設(shè)有溢水口。如果汛期雨水量較大，超過了雨水收集箱的貯水能力，多余的雨水可通過溢水口排入城市排水系統(tǒng)中。溢水口設(shè)置在收集箱一側(cè)頂部，溢水口格柵設(shè)置在替換箱的一側(cè)頂部，溢水口和溢水口格柵位置相同，設(shè)置的一側(cè)為外側(cè)，方便與市政管理設(shè)施連接。

為了解決雨水滲透裝置的堵塞問題，實現(xiàn)雨水滲透裝置快速拆裝，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用方便的功能，雨水收集箱中所有的組成構(gòu)件都可以靈活拆裝。當(dāng)某處的雨水收集箱被水流攜帶的雜質(zhì)堵塞時，可用替換箱替代。

2.2 整體結(jié)構(gòu)說明

如圖1～圖2所示，雨水收集箱及地下補(bǔ)水樁每個單元主要由兩部分組成。第1部分為收集箱（尺寸為4m×2m×1.5m），由替換箱、收集箱頂部格柵、溢水口組成，其中替換箱由固定吊環(huán)、替換箱底部格柵、溢水口格柵、粗沙、碎石、塊石組成。第2部分為補(bǔ)水樁（可布置6～8根，每根長度不小于5m，管徑600～800mm）由實管段、花管段、沉沙段、補(bǔ)水孔4部分組成。

收集箱頂部格柵為活動裝置，可以方便地進(jìn)行打開或關(guān)閉。當(dāng)替換箱需要更換時，打開格柵。平時，收集雨水并進(jìn)行地下補(bǔ)水時格柵關(guān)閉。

2.3 替換箱結(jié)構(gòu)說明

如圖1和圖4所示，替換箱是一種可替換的內(nèi)箱。替換箱的底部設(shè)置有反濾層，其自上而下分別有3層不同粒徑和厚度的粗沙、碎石等構(gòu)成，也可以鋪設(shè)土工織物代替。反濾層有3層，分別為：厚度10 cm的粗沙、厚度20 cm的碎石、厚度30 cm的塊石。反濾層起到過濾雜質(zhì)的作用，也具有凈化雨水的功能，保證更多的雨水滲入地下。替換箱的上側(cè)設(shè)有4個固定吊環(huán)。當(dāng)降雨量較大，替換箱的內(nèi)部設(shè)置的過濾層可能會被雜物（如樹葉、泥沙等）堵塞，從而影響下一次降雨時補(bǔ)充地下水的效果。因此，可利用降雨的時間間隔，將替換箱取出，更新替換箱或濾料。

圖1 雨水收集箱及地下補(bǔ)水樁工作示意圖Fig.1 Rainwater collecting box and underground moisturizing pile operation process

圖2 雨水收集箱及地下補(bǔ)水樁正視圖Fig.2 The front view of r ainwater collecting box and underground moisturizing pile

圖3 雨水收集箱及地下補(bǔ)水樁側(cè)視圖Fig.3 The side view Rainwater collecting box and underground moisturizing pile

圖4 替換箱剖面圖Fig.4 The cross－section of rep lace box

2.4 補(bǔ)水樁結(jié)構(gòu)說明

如圖1～3所示，補(bǔ)水樁由實管段、花管段、沉沙段、補(bǔ)水孔4部分組成。補(bǔ)水樁呈偶數(shù)出現(xiàn)，根據(jù)城市的降雨量和地下水情況，可以分別設(shè)置4、6、8或10根，均勻地布置在集水箱的底部。為了防止?jié)B透水流對建筑物基礎(chǔ)的浸泡，實管段的長度應(yīng)不低于建筑物建基底面高程，滲透水流通過花管段上的補(bǔ)水孔流出補(bǔ)給地下水，滲透水流中攜帶的泥沙等雜質(zhì)沉入沉沙段。

3 結(jié)語

針對一些城市因盲目超采地下水而引起的地下水資源短缺、地面沉降、地裂縫以及雨季引發(fā)的城市內(nèi)澇等災(zāi)害，設(shè)計出一種適用于收集城市雨水以及補(bǔ)充地下水的裝置。與現(xiàn)有的雨洪資源利用技術(shù)相比，該裝置具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。它可以及時補(bǔ)充地下水，減緩災(zāi)情的持續(xù)惡化。對于城市汛期出現(xiàn)的內(nèi)澇，該裝置能夠快速收集雨水，達(dá)到減輕城市內(nèi)澇和雨水管道系統(tǒng)負(fù)荷的目的。另外，雨水收集箱及地下補(bǔ)水樁所有的組成構(gòu)件均拆卸方便，可重復(fù)利用，防堵塞效果好，便于檢查維護(hù)。

［1］中共中央國務(wù)院.關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定［R］.北京：中共中央1號文件，2010.

［2］賈紹鳳.中國水資源安全問題及對策［J］.中國科學(xué)院院刊，2004，19（5）：347－350.

［3］國務(wù)院環(huán)境保護(hù)委員會.中國21世紀(jì)議程—中國21世紀(jì)人口、環(huán)境與發(fā)展白皮書［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1994：91-96.

［4］郭小礫.基于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的西安市水資源優(yōu)化配置研究［D］.西安：長安大學(xué)，2007.

［5］汪慧貞，李憲法.北京城區(qū)雨水徑流的污染及控制［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，2002，4（2）：16－18.

［6］Siriwardene N R，A.Deletic，T.D.Fletcher.Clogging of stormwater gravel infiltration systems and filters：insights from a laboratory study［J］.W ater Research，2007，41：1433－1440.

［7］張學(xué)真.地下水人工補(bǔ)給研究現(xiàn)狀與前瞻［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2006，34（4）：41－44.

［8］車伍，李俊奇.城市雨水利用技術(shù)與管理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：5-6.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

TV211.1

B

10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.006

2016-03-20

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助項目：城市雨水收集及地下補(bǔ)水樁設(shè)計研究（2015KXJS010），基于靜力觸探法的靜壓樁沉樁阻力及擠土效應(yīng)研究（2014QNKY017）。

劉翠（1983－），女，河南南陽人，碩士，助教，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)方面的教學(xué)與研究工作。