CN111255010A - 一种基于复合型lid设施的城市雨水径流地下水回补*** - Google Patents
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Abstract
一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***属于雨水资源高效利用及地下水回补领域，屋面和不透水地面分别通过落水管和雨水管连通雨水拦污装置，雨水截污装置通过集水管与污水处理装置连接，透水地面通过LID设施、集水管与污水处理装置连接，污水处理装置通过输水管I和输水管II分别连接分层蓄水池的第一层和第二层，其中，第二层通过回水管连通回灌井，所述回灌井分别通过溢流管和回补管与分层蓄水池的第三层连通，其中，在第三层的回补管安装有翻板。本发明结构简单，可自动满足多种降水情形下实现以较小能量消耗将较多的雨水净化后回补入地下的功能，整套***建设成本低、适用性强，可以带来可观的环境收益及经济收益。
Description
技术领域
本发明创造属于雨水资源高效利用及地下水回补领域，主要涉及一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***。
背景技术
在全球气候变化的大环境下，近些年来我国极端天气频发，这使南北分配不均的水资源矛盾越发突出，地表水缺乏地区因过度开采地下水而引起地面沉降、造成局部地区地下水资源衰竭并伴随其污染风险加重，对于沿海地区还会造成海水入侵从而加重土壤盐渍化。此外，部分城市地下水因无法得到及时补给而出现持续的水位下降，严重影响植被的生态用水量，并且还会带来一定程度的环境地质问题。
城市雨洪管理以及因此引起的区域生态问题已成为困扰和制约人们生活、生产和经济可持续发展的瓶颈之一，在处理这个问题的过程中，“海绵城市”的概念应运而生。“海绵城市”是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，能够在雨水降落时吸收、滞留、储存、净化雨水，需要时将蓄存的水释放并加以利用。但是，海绵城市建设的规划、建设思路并不能一概而论，需要一城一策。滨海地区具有高地下水位、高土壤含盐量、高不透水性、低包气带渗透性、浅层地下水含盐量高、不可资源化利用等特点，这些特点决定了传统意义上海绵城市建设的指导方针“渗、滞、蓄、净、用、排”已经失效。以往针对城市雨洪资源的管理与利用所提出的海绵城市的理念，其提倡使用常规LID(Low Impact Development，低影响开发)设施让雨水就地入渗的方式不再适用于滨海地区。首先，滨海地区地下水位高，初期雨水带来的高盐径流污染物更易于对地下水造成污染，因此在选择天然海绵体时要格外慎重；随着地下水位抬高，土壤水的毛细上升高度也会增加，超过植被根系的生态需水量后就会发生根系被淹甚至湿地化、沼泽化的现象；滨海区域地下水矿化度较大，地下水位抬升后蒸发作用也随之增强，水中盐分在蒸发过程中在地表析出、结晶，从而造成次生土地盐碱化。此外，滨海地区往往经济更为发达，不透水面比例更高，汽车尾气、工厂废气、雾霾等污染物被雨水携带后在海绵体中下渗现象更明显，随之会造成海绵体阻塞，继而微生物、有机质、污染物会在水体存在过程中不断富集，影响水质条件。因此，雨水资源在回收再利用、尤其在回补地下水的过程中存在着一定的技术难题。
发明内容
本发明创造的目的就是针对上述现有技术存在的问题，设计了一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***。
本发明创造的目的是这样实现的：屋面(22)和不透水地面(16)分别通过落水管(13)和雨水管(14)连通雨水拦污装置(15)，雨水拦污装置(15)可以拦截枯枝落叶及大颗粒泥沙等，所述雨水拦污装置(15)通过集水管(19)与污水处理装置(1)连接；透水地面(17)通过LID设施(18)、集水管(19)与污水处理装置(1)连接，所述污水处理装置(1)内安装有水质检测装置，污水处理装置(1)通过输水管I(2)和输水管II(3)分别连接分层蓄水池(4)的第一层和第二层，所述分层蓄水池(4)的第二层通过回水管(7)连通回灌井(9)，所述回灌井(9)分别通过溢流管(5)和回补管(6)与分层蓄水池(4)的第三层连通，在分层蓄水池(4)第三层的回补管(6)安装有翻板(12)，所述翻板(12)可绕固定轴单向转动一定角度。所述回灌井(9)安装有水位监控装置I(8)，在距离回灌井(9)r处设置有观测井(10)，观测井(10)内安装有水位监控装置II(11)可测得实时水位H(r)，水位信息传输到上位机(21)，经过下式计算后可显示在与上位机(21)相连接的显示器(20)上作为回灌井(9)的回灌能力Qw：
若回灌井(9)为潜水井，则
若回灌井(9)为承压井，则
式中，k为渗透系数，B为承压含水层厚度，H(r)为回灌影响范围内距离回灌井(9)r处的水位。H(R)为回灌前含水层中的稳定水位；R为影响半径，rw为回灌井(9)半径，r为计算点到回灌井(9)的距离。
一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***，其设计方法如下：分层蓄水池(4)的设计容量EI总＝Qr+Qg1+Qg2-Qw，***造价TC总＝C分层+C机电+C回灌井，其中Qr为屋面(22)雨水汇流流量，Qg1为不透水地面(16)雨水汇流流量，Qg2为透水地面(17)雨水汇流流量，C分层为分层蓄水池(4)的造价，是有关分层蓄水池(4)容积的函数；C机电为***机电的总造价；C回灌井为回灌井(9)的总造价，是有关回灌井(9)深度及半径的函数；设计时综合考虑EI总和TC总即可得到分层蓄水池(4)容积及回灌井(9)深度及半径的优化解。屋面(22)雨水汇流流量Qr＝Pr*Ar，式中，Pr为屋面(22)净雨深，Ar为屋面(22)汇流面积；不透水地面(16)雨水汇流流量
式中，W为子流域宽度，Pg1为不透水地面(16)净雨深，n为糙率，S为子流域坡度；透水地面(17)雨水汇流流量
式中，W为子流域宽度，Pg2为透水地面(17)净雨深，n为糙率，S为子流域坡度。
本发明创造能够将屋面(22)、不可透水地面(16)、透水地面(17)的雨水经过净化处理后通过分层蓄水池(4)和回灌井(9)的配合回补地下水，分层蓄水池(4)能够调配自身与回灌井(9)内的水量，可以自动满足多种降水情形下实现以较小的能量消耗将较多的雨水净化后回补入地下。整套***建设成本低、适用性强，可以带来可观的环境收益及经济收益。以天津市为例，雨水通过回灌井(9)回灌到承压含水层中，每平方米汇水区可有约0.4m3水得到有效回渗，每年约增加地下水补给量819.4×104m3，可有效缓解地下水降落漏斗的持续性下降，提高雨水资源化利用效率，若将补给的地下水资源作为居民用水进行使用，按照每立方米3.9元的价格计算，可带来直接财政收入约3千万元
附图说明
图1是一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***结构示意图；
图2是翻板局部轴侧图；
图中件号说明：
1、污水处理装置；2、输水管I；3、输水管II；4、分层蓄水池；5、溢流管；6、回补管；7、回水管；8、水位监控装置I；9、回灌井；10、观测井；11、水位监控装置II；12、翻板；13、落水管；14、雨水管；15、雨水拦污装置；16、不透水地面；17、透水地面；18、LID设施；19、集水管；20、显示器；21、上位机；22、屋面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造实施方案进行详细描述。一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***，屋面(22)和不透水地面(16)分别通过落水管(13)和雨水管(14)连通雨水拦污装置(15)，雨水拦污装置(15)可以拦截枯枝落叶及大颗粒泥沙等，所述雨水拦污装置(15)通过集水管(19)与污水处理装置(1)连接；透水地面(17)通过LID设施(18)、集水管(19)与污水处理装置(1)连接，所述污水处理装置(1)内安装有水质检测装置，污水处理装置(1)通过输水管I(2)和输水管II(3)分别连接分层蓄水池(4)的第一层和第二层，所述分层蓄水池(4)的第二层通过回水管(7)连通回灌井(9)，所述回灌井(9)分别通过溢流管(5)和回补管(6)与分层蓄水池(4)的第三层连通，在分层蓄水池(4)第三层的回补管(6)安装有翻板(12)，所述翻板(12)可绕固定轴单向转动一定角度。所述回灌井(9)安装有水位监控装置I(8)，在距离回灌井(9)r处设置有观测井(10)，观测井(10)内安装有水位监控装置II(11)可测得实时水位H(r)，水位信息传输到上位机(21)，经过下式计算后可显示在与上位机(21)相连接的显示器(20)上作为回灌井(9)的回灌能力Qw：
若回灌井(9)为潜水井，则
若回灌井(9)为承压井，则
式中，k为渗透系数，B为承压含水层厚度，H(r)为回灌影响范围内距离回灌井(9)r处的水位。H(R)为回灌前含水层中的稳定水位；R为影响半径，rw为回灌井(9)半径，r为计算点到回灌井(9)的距离。
一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***，其设计方法如下：分层蓄水池(4)的设计容量EI总＝Qr+Qg1+Qg2-Qw，***造价TC总＝C分层+C机电+C回灌井，其中Qr为屋面(22)雨水汇流流量，Qg1为不透水地面(16)雨水汇流流量，Qg2为透水地面(17)雨水汇流流量，C分层为分层蓄水池(4)的造价，是有关分层蓄水池(4)容积的函数；C机电为***机电的总造价；C回灌井为回灌井(9)的总造价，是有关回灌井(9)深度及半径的函数；设计时综合考虑EI总和TC总即可得到分层蓄水池(4)容积及回灌井(9)深度及半径的优化解。屋面(22)雨水汇流流量Qr＝Pr*Ar，式中，Pr为屋面(22)净雨深，Ar为屋面(22)汇流面积；不透水地面(16)雨水汇流流量
式中，W为子流域宽度，Pg1为不透水地面(16)净雨深，n为糙率，S为子流域坡度；透水地面(17)雨水汇流流量
式中，W为子流域宽度，Pg2为透水地面(17)净雨深，n为糙率，S为子流域坡度。
一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***作业使用时，水位监控装置I(8)与水位监控装置II(11)开始工作分别测定回灌井(9)和观测井(10)的水位，经过下式计算后显示在与上位机(21)相连接的显示器(20)上作为回灌井(9)此刻实时的回灌能力Qw：
若回灌井(9)为潜水井，则
若回灌井(9)为承压井，则
式中，k为渗透系数，B为承压含水层厚度，H(r)为回灌影响范围内距离回灌井(9)r处的水位。H(R)为回灌前含水层中的稳定水位；R为影响半径，rw为回灌井(9)半径，r为计算点到回灌井(9)的距离。
当有降水发生时，落在屋面(22)和不透水地面(16)的雨水分别经过落水管(13)和雨水管(14)汇集入雨水拦污装置(15)，雨水拦污装置(15)过滤掉枯枝落叶及大颗粒泥沙，经过初步过滤的雨水通过集水管(19)进入污水处理装置(1)。落在透水地面(17)的雨水经过LID设施(18)和集水管(19)最后也进入污水处理装置(1)。在污水处理装置(1)集中净化雨水，水质检测合格的雨水通过输水管II(3)进入分层蓄水池(4)的第二层，继而通过回水管(7)流入回灌井(9)；水质检测不合格的雨水继续净化，此时继续流入污水处理装置(1)的雨水通过输水管I(2)进入分层蓄水池(4)的第一层暂存，当污水处理装置(1)可以处理多余雨水时，暂存在分层蓄水池(4)的第一层的雨水抽回到污水处理装置(1)内，经过处理合格后通过输水管II(3)进入分层蓄水池(4)的第二层，继而通过回水管(7)流入回灌井(9)；当雨水进入回灌井(9)中的流量大于雨水渗入地下的流量时，回灌井(9)的水位会相对上涨，当超过回补管(6)高程时，翻板(12)受分层蓄水池(4)结构的支撑不可向分层蓄水池(4)内侧翻转，此时，回灌井(9)内的雨水无法进入分层蓄水池(4)，当水位超过溢流管(5)高程时，回灌井(9)内的雨水会通过溢流管(5)进入分层蓄水池(4)的第三层暂存，随着回灌井(9)中雨水不断渗入地下，回灌井(9)内水位下降，当水位下降到溢流管(5)高程之下时，分层蓄水池(4)第三层与回灌井(9)的水位存在差值，此刻在翻板(12)两侧的静水压力平衡被打破，翻板(12)在一侧静水压力作用下会发生转动开启，此时，分层蓄水池(4)第三层中的雨水会通过翻板(12)和回补管(6)进入回灌井(9)，直到回灌井(9)中的水位与分层蓄水池(4)第三层的水位相同时，翻板(12)两侧静水压力再次平衡，翻板(12)受重力作用转动关闭，回灌井(9)内雨水继续入渗回补地下水，如此反复直到分层蓄水池(4)第三层内雨水全部补充到回灌井(9)内。
Claims (5)
1.一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***，其特征在于：屋面(22)和不透水地面(16)分别通过落水管(13)和雨水管(14)连通雨水拦污装置(15)，所述雨水拦污装置(15)通过集水管(19)与污水处理装置(1)连接；透水地面(17)通过LID设施(18)、集水管(19)与污水处理装置(1)连接，所述污水处理装置(1)安装有水质检测装置，污水处理装置(1)通过输水管I(2)和输水管II(3)分别连接分层蓄水池(4)的第一层和第二层，所述分层蓄水池(4)的第二层通过回水管(7)连通回灌井(9)，所述回灌井(9)分别通过溢流管(5)和回补管(6)与分层蓄水池(4)的第三层连通，所述回灌井(9)安装有水位监控装置I(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***，其特征在于：在距离回灌井(9)r处设置有观测井(10)，观测井(10)内安装有水位监控装置II(11)可测得实时水位H(r)，水位信息传输到上位机(21)，经过下式计算后可显示在与上位机(21)相连接的显示器(20)上作为回灌井(9)的回灌能力Qw：
若回灌井(9)为潜水井，则
若回灌井(9)为承压井，则
式中，k为渗透系数，B为承压含水层厚度，H(r)为回灌影响范围内距离回灌井(9)r处的水位。H(R)为回灌前含水层中的稳定水位；R为影响半径，rw为回灌井(9)半径，r为计算点到回灌井(9)的距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***，其特征在于：在分层蓄水池(4)第三层的回补管(6)安装有翻板(12)，所述翻板(12)可绕固定轴单向转动一定角度。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***，其特征在于，所述的一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***设计方法如下：分层蓄水池(4)的设计容量EI总＝Qr+Qg1+Qg2-Qw，***造价TC总＝C分层+C机电+C回灌井，其中Qr为屋面(22)雨水汇流流量，Qg1为不透水地面(16)雨水汇流流量，Qg2为透水地面(17)雨水汇流流量，C分层为分层蓄水池(4)的造价，是有关分层蓄水池(4)容积的函数；C机电为***机电的总造价；C回灌井为回灌井(9)的总造价，是有关回灌井(9)深度及半径的函数；设计时综合考虑EI总和TC总即可得到分层蓄水池(4)容积及回灌井(9)深度及半径的优化解。
5.根据权利要求4所述的一种基于复合型LID设施的城市雨水径流地下水回补***，其特征在于，所述屋面(22)雨水汇流流量Qr＝Pr*Ar，式中，Pr为屋面(22)净雨深，Ar为屋面(22)汇流面积；不透水地面(16)雨水汇流流量
式中，W为子流域宽度，Pg1为不透水地面(16)净雨深，n为糙率，S为子流域坡度；透水地面(17)雨水汇流流量
式中，W为子流域宽度，Pg2为透水地面(17)净雨深，n为糙率，S为子流域坡度。
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