城市雨水收集及地下补水桩设计

刘翠，靳晓颖，罗霖

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2.湖北省宜昌市鼎诚工程技术服务有限公司，湖北宜昌443002）

城市雨水收集及地下补水桩设计

刘翠1，靳晓颖1，罗霖2

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2.湖北省宜昌市鼎诚工程技术服务有限公司，湖北宜昌443002）

盲目超采地下水可导致地面沉降、地裂缝等灾害频繁发生。城市雨水收集及地下补水装置既可以有效缓解城市内涝，又可以补充地下水资源，避免地面沉降等灾害发生。分析了设计城市雨水收集及地下补水装置的现有技术方案和拟解决的技术问题，探讨了其设计思路，并对其结构进行了分析。

城市；雨水收集；地下补水桩；现有技术方案；设计思路；结构分析

0 引言

水是生命之源、生产之要、生态之基［1］。我国是一个水资源匮乏的国家，水资源人均占有量只相当于世界的1／4，被列为世界上人均水资源贫乏的13个国家之一［2］。随着城市化进程的推进、人口的增加和经济的发展，城市水资源短缺状况比较明显，一些城市和地区出现了严重的缺水问题。为了满足日益增长的供水需求，一些城市盲目开采地下水，导致区域性地下水位下降。在沿海地区，地下水位的大幅度下降可能引发海水入侵；而在干旱半干旱地区，地下水位的下降还可能导致树死草枯和土地荒漠化［3～4］。另外，随着城市建设的不断发展，城区不透水面积逐年增加，雨水径流量增大，流出时间缩短。这不仅造成水资源的巨大浪费，加大了城市排水系统的负担，还对城市的生产、生活造成极大的影响，并带来巨大的经济损失［5］。因此，研发一种适用于城市雨水收集及补充地下水的装置，可减缓城市缺水、地面沉降、地裂缝以及城市雨季内涝等灾害。

1 现有的技术方案和拟解决的技术问题

1.1 现有的技术方案

（1）城市雨水渗透利用技术。城市雨水渗透利用技术主要包括透水性路面、渗透井、渗透池、渗透渠和下凹式绿地等［6］。渗透设施通常是挖掘土壤后，填上特殊渗滤介质（如碎石、沙砾等）。有时，为防止侵蚀周边土壤，用土工布包裹。雨水渗透利用早在我国一些古城的建筑中就有体现。如，南方老城区庭院中间的天井沟和矩形渗坑，用于储蓄雨水；苏州园林宅内和后花园均有雨水渗井。这种技术的优点是，能补充涵养地下水、缓解地面沉降、减少水涝和海水倒灌、减少地表径流、减少雨污管道负荷等，具有良好的经济、环境和社会效益［7］。缺点是，雨水渗透利用效益投资比相对较高，运行中也存在一些问题。如，雨水径流中的悬浮污染物对渗透利用设施以及土壤层的堵塞，下渗雨水中的重金属和难降解有机物对土壤及地下水的潜在威胁等。由于我国雨水径流污染严重［8］，这些问题尤为突出。目前，各种人工渗透设施未能根据其适用条件进行科学优化组合，也未针对场地特点，对雨水利用的目的进行详尽分析，从而确定对应的雨水人工渗透设施规模。

（2）加压式人工回灌。加压式人工回灌井通常用于补给深层地下水。加压回灌井占地面积小，回灌速度快，既可用于回灌，又能用于抽水，实现水量的季节调节。因此，该技术适用于城市中地价昂贵或空地少的地区。但是，加压式人工回灌井需要专人管理。这是因为，在回灌过程中，若进入空气会形成空气阻塞，并降低回灌速度。在长期运行过程中，回灌水中的固体物质会阻塞透水层，降低渗透系数。

1.2 拟解决的技术问题

研究一种适用于城市雨水收集及补充地下水的补水桩，需要解决的技术问题主要有以下3个。

（1）收集雨水，补给地下水。一些城市因盲目超采地下水而产生严重缺水或发生地面沉降等问题时，如果不能及时利用城市雨水补充地下水资源，将会引起地下水资源的日益匮乏，也会使灾害加剧。因此，需要解决如何能够利用城市雨水补给地下水，减轻因超采地下水造成的水资源短缺和地质灾害等问题。

（2）由于不透水面积的逐渐增加，在雨季，不仅加大城市排水系统的负担，也易出现城市内涝等灾害。因此，如何在雨季快速的分流部分雨水，减轻洪涝灾害、减轻城市雨水管道和泵站的负荷。

（3）雨季尤其是暴雨时水量大，需要汇集雨水的装置能够快速渗透水流，并减少水流携带的杂质堵塞渗透通道，使更多的雨水渗入地下。需要解决如何能够快速反应，使渗透箱中的过滤装置具有方便组合、可拆卸的特点，针对雨情，快速实施，使险情能尽快有效控制，不造成更严重的后果。

2 雨水收集箱及地下补水桩的设计

2.1 设计思路

为了使设计的城市雨水快速补给地下水的装置操作简单、可拆卸、方便组合，将城市雨水收集箱及地下补水桩设计为组合式，可埋置在城市楼房集水管下部的土体中或城市路面下水道集雨点位置的土体中。

雨水收集箱及地下补水桩的组合关系如图1～3所示。为了能够实现快速收集雨水和方便操作的要求，达到减轻城市内涝，减轻城市雨水管道系统和泵站的负荷的目的，在雨水收集箱的一侧设有溢水口。如果汛期雨水量较大，超过了雨水收集箱的贮水能力，多余的雨水可通过溢水口排入城市排水系统中。溢水口设置在收集箱一侧顶部，溢水口格栅设置在替换箱的一侧顶部，溢水口和溢水口格栅位置相同，设置的一侧为外侧，方便与市政管理设施连接。

为了解决雨水渗透装置的堵塞问题，实现雨水渗透装置快速拆装，结构稳定，使用方便的功能，雨水收集箱中所有的组成构件都可以灵活拆装。当某处的雨水收集箱被水流携带的杂质堵塞时，可用替换箱替代。

2.2 整体结构说明

如图1～图2所示，雨水收集箱及地下补水桩每个单元主要由两部分组成。第1部分为收集箱（尺寸为4m×2m×1.5m），由替换箱、收集箱顶部格栅、溢水口组成，其中替换箱由固定吊环、替换箱底部格栅、溢水口格栅、粗沙、碎石、块石组成。第2部分为补水桩（可布置6～8根，每根长度不小于5m，管径600～800mm）由实管段、花管段、沉沙段、补水孔4部分组成。

收集箱顶部格栅为活动装置，可以方便地进行打开或关闭。当替换箱需要更换时，打开格栅。平时，收集雨水并进行地下补水时格栅关闭。

2.3 替换箱结构说明

如图1和图4所示，替换箱是一种可替换的内箱。替换箱的底部设置有反滤层，其自上而下分别有3层不同粒径和厚度的粗沙、碎石等构成，也可以铺设土工织物代替。反滤层有3层，分别为：厚度10 cm的粗沙、厚度20 cm的碎石、厚度30 cm的块石。反滤层起到过滤杂质的作用，也具有净化雨水的功能，保证更多的雨水渗入地下。替换箱的上侧设有4个固定吊环。当降雨量较大，替换箱的内部设置的过滤层可能会被杂物（如树叶、泥沙等）堵塞，从而影响下一次降雨时补充地下水的效果。因此，可利用降雨的时间间隔，将替换箱取出，更新替换箱或滤料。

图1 雨水收集箱及地下补水桩工作示意图Fig.1 Rainwater collecting box and underground moisturizing pile operation process

图2 雨水收集箱及地下补水桩正视图Fig.2 The front view of r ainwater collecting box and underground moisturizing pile

图3 雨水收集箱及地下补水桩侧视图Fig.3 The side view Rainwater collecting box and underground moisturizing pile

图4 替换箱剖面图Fig.4 The cross－section of rep lace box

2.4 补水桩结构说明

如图1～3所示，补水桩由实管段、花管段、沉沙段、补水孔4部分组成。补水桩呈偶数出现，根据城市的降雨量和地下水情况，可以分别设置4、6、8或10根，均匀地布置在集水箱的底部。为了防止渗透水流对建筑物基础的浸泡，实管段的长度应不低于建筑物建基底面高程，渗透水流通过花管段上的补水孔流出补给地下水，渗透水流中携带的泥沙等杂质沉入沉沙段。

3 结语

针对一些城市因盲目超采地下水而引起的地下水资源短缺、地面沉降、地裂缝以及雨季引发的城市内涝等灾害，设计出一种适用于收集城市雨水以及补充地下水的装置。与现有的雨洪资源利用技术相比，该装置具有明显的优点。它可以及时补充地下水，减缓灾情的持续恶化。对于城市汛期出现的内涝，该装置能够快速收集雨水，达到减轻城市内涝和雨水管道系统负荷的目的。另外，雨水收集箱及地下补水桩所有的组成构件均拆卸方便，可重复利用，防堵塞效果好，便于检查维护。

［1］中共中央国务院.关于加快水利改革发展的决定［R］.北京：中共中央1号文件，2010.

［2］贾绍凤.中国水资源安全问题及对策［J］.中国科学院院刊，2004，19（5）：347－350.

［3］国务院环境保护委员会.中国21世纪议程—中国21世纪人口、环境与发展白皮书［M］.北京：中国环境科学出版社，1994：91-96.

［4］郭小砾.基于社会经济发展的西安市水资源优化配置研究［D］.西安：长安大学，2007.

［5］汪慧贞，李宪法.北京城区雨水径流的污染及控制［J］.城市环境与城市生态，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］张学真.地下水人工补给研究现状与前瞻［J］.煤田地质与勘探，2006，34（4）：41－44.

［8］车伍，李俊奇.城市雨水利用技术与管理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006：5-6.

[责任编辑 杨明庆]

TV211.1

B

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

2016-03-20

黄河水利职业技术学院科研基金资助项目：城市雨水收集及地下补水桩设计研究（2015KXJS010），基于静力触探法的静压桩沉桩阻力及挤土效应研究（2014QNKY017）。

刘翠（1983－），女，河南南阳人，硕士，助教，主要从事水文地质、工程地质方面的教学与研究工作。