城市雨水收集及地下補水樁設計

劉翠，靳曉穎，羅霖

（1.黃河水利職業(yè)技術學院，河南開封475004；2.湖北省宜昌市鼎誠工程技術服務有限公司，湖北宜昌443002）

城市雨水收集及地下補水樁設計

劉翠1，靳曉穎1，羅霖2

（1.黃河水利職業(yè)技術學院，河南開封475004；2.湖北省宜昌市鼎誠工程技術服務有限公司，湖北宜昌443002）

盲目超采地下水可導致地面沉降、地裂縫等災害頻繁發(fā)生。城市雨水收集及地下補水裝置既可以有效緩解城市內澇，又可以補充地下水資源，避免地面沉降等災害發(fā)生。分析了設計城市雨水收集及地下補水裝置的現有技術方案和擬解決的技術問題，探討了其設計思路，并對其結構進行了分析。

城市；雨水收集；地下補水樁；現有技術方案；設計思路；結構分析

0 引言

水是生命之源、生產之要、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］。隨著城市化進程的推進、人口的增加和經濟的發(fā)展，城市水資源短缺狀況比較明顯，一些城市和地區(qū)出現了嚴重的缺水問題。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致樹死草枯和土地荒漠化［3～4］。另外，隨著城市建設的不斷發(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，加大了城市排水系統的負擔，還對城市的生產、生活造成極大的影響，并帶來巨大的經濟損失［5］。因此，研發(fā)一種適用于城市雨水收集及補充地下水的裝置，可減緩城市缺水、地面沉降、地裂縫以及城市雨季內澇等災害。

1 現有的技術方案和擬解決的技術問題

1.1 現有的技術方案

（1）城市雨水滲透利用技術。城市雨水滲透利用技術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］。滲透設施通常是挖掘土壤后，填上特殊滲濾介質（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。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；蘇州園林宅內和后花園均有雨水滲井。這種技術的優(yōu)點是，能補充涵養(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、減少雨污管道負荷等，具有良好的經濟、環(huán)境和社會效益［7］。缺點是，雨水滲透利用效益投資比相對較高，運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施以及土壤層的堵塞，下滲雨水中的重金屬和難降解有機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重［8］，這些問題尤為突出。目前，各種人工滲透設施未能根據其適用條件進行科學優(yōu)化組合，也未針對場地特點，對雨水利用的目的進行詳盡分析，從而確定對應的雨水人工滲透設施規(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，實現水量的季節(jié)調節(jié)。因此，該技術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，若進入空氣會形成空氣阻塞，并降低回灌速度。在長期運行過程中，回灌水中的固體物質會阻塞透水層，降低滲透系數。

1.2 擬解決的技術問題

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

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

（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的負擔，也易出現城市內澇等災害。因此，如何在雨季快速的分流部分雨水，減輕洪澇災害、減輕城市雨水管道和泵站的負荷。

（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，使?jié)B透箱中的過濾裝置具有方便組合、可拆卸的特點，針對雨情，快速實施，使險情能盡快有效控制，不造成更嚴重的后果。

2 雨水收集箱及地下補水樁的設計

2.1 設計思路

為了使設計的城市雨水快速補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水樁設計為組合式，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位置的土體中。

雨水收集箱及地下補水樁的組合關系如圖1～3所示。為了能夠實現快速收集雨水和方便操作的要求，達到減輕城市內澇，減輕城市雨水管道系統和泵站的負荷的目的，在雨水收集箱的一側設有溢水口。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中。溢水口設置在收集箱一側頂部，溢水口格柵設置在替換箱的一側頂部，溢水口和溢水口格柵位置相同，設置的一側為外側，方便與市政管理設施連接。

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

2.2 整體結構說明

如圖1～圖2所示，雨水收集箱及地下補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，可以方便地進行打開或關閉。當替換箱需要更換時，打開格柵。平時，收集雨水并進行地下補水時格柵關閉。

2.3 替換箱結構說明

如圖1和圖4所示，替換箱是一種可替換的內箱。替換箱的底部設置有反濾層，其自上而下分別有3層不同粒徑和厚度的粗沙、碎石等構成，也可以鋪設土工織物代替。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。替換箱的上側設有4個固定吊環(huán)。當降雨量較大，替換箱的內部設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水樁側視圖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 補水樁結構說明

如圖1～3所示，補水樁由實管段、花管段、沉沙段、補水孔4部分組成。補水樁呈偶數出現，根據城市的降雨量和地下水情況，可以分別設置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的浸泡，實管段的長度應不低于建筑物建基底面高程，滲透水流通過花管段上的補水孔流出補給地下水，滲透水流中攜帶的泥沙等雜質沉入沉沙段。

3 結語

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)的城市內澇等災害，設計出一種適用于收集城市雨水以及補充地下水的裝置。與現有的雨洪資源利用技術相比，該裝置具有明顯的優(yōu)點。它可以及時補充地下水，減緩災情的持續(xù)惡化。對于城市汛期出現的內澇，該裝置能夠快速收集雨水，達到減輕城市內澇和雨水管道系統負荷的目的。另外，雨水收集箱及地下補水樁所有的組成構件均拆卸方便，可重復利用，防堵塞效果好，便于檢查維護。

［1］中共中央國務院.關于加快水利改革發(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］.中國科學院院刊，2004，19（5）：347－350.

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

［4］郭小礫.基于社會經濟發(fā)展的西安市水資源優(yōu)化配置研究［D］.西安：長安大學，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］張學真.地下水人工補給研究現狀與前瞻［J］.煤田地質與勘探，2006，34（4）：41－44.

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

[責任編輯 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)技術學院科研基金資助項目：城市雨水收集及地下補水樁設計研究（2015KXJS010），基于靜力觸探法的靜壓樁沉樁阻力及擠土效應研究（2014QNKY017）。

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