利用已建堤防減壓井解決長(zhǎng)江沿岸農(nóng)村飲水問(wèn)題初探

孫 慧，龔壁衛(wèi)，朱國(guó)勝

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

利用已建堤防減壓井解決長(zhǎng)江沿岸農(nóng)村飲水問(wèn)題初探

孫 慧，龔壁衛(wèi)，朱國(guó)勝

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

通過(guò)對(duì)荊南長(zhǎng)江干堤李家花園堤段減壓井基礎(chǔ)砂礦化和井水水質(zhì)進(jìn)行分析，得出李家花園堤段減壓井井水中含有較高的鐵及鐵化合物是導(dǎo)致減壓井化學(xué)淤堵的主要原因。國(guó)際國(guó)內(nèi)生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定飲用水中鐵含量不能超過(guò)0.3mg／L，降低減壓井井水中鐵含量是利用已建堤防減壓井解決沿岸農(nóng)村飲用水問(wèn)題和減少減壓井化學(xué)淤堵保障堤防安全的關(guān)鍵。針對(duì)減壓井井水中鐵含量過(guò)高的問(wèn)題，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了利用物理法、生物法等方法對(duì)李家花園堤段減壓井井水進(jìn)行凈化處理。此研究對(duì)解決沿堤農(nóng)村飲用水問(wèn)題及保障堤防安全具有重要意義。

減壓井；飲用水；水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；化學(xué)淤堵

1 研究背景

長(zhǎng)江干流決堤，90%以上是由堤基管涌造成的。堤基管涌往往發(fā)生于地質(zhì)結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)的堤防，其中一層為弱透水層，另一層為透水層。弱透水層一般為黏土層，透水層一般為砂層、砂礫石層。上層結(jié)構(gòu)為弱透水層，下層為強(qiáng)透水層的雙層結(jié)構(gòu)堤基，洪水期在弱透水的表土層底面容易產(chǎn)生較高的承壓水頭，一旦承壓水頭超過(guò)表土層的抵抗能力，表土層就會(huì)被頂穿，其下部砂層顆粒容易被水流帶出形成管涌。有時(shí)也發(fā)生于堤基的薄弱環(huán)節(jié)，如開(kāi)鑿在堤防一定范圍內(nèi)的農(nóng)村機(jī)井、水塘、取土坑等。汛期堤基防滲通常采取填塘（坑）固堤的加固措施，并對(duì)反濾層不合要求的農(nóng)村水井采取封堵，以保障大堤安全；另一方面，由于沿堤農(nóng)村，包括部分村鎮(zhèn)缺乏清潔的自來(lái)水凈化和管網(wǎng)系統(tǒng)，導(dǎo)致沿堤村鎮(zhèn)農(nóng)民飲水困難。減壓井是降低堤基滲透力，保障堤防安全的有效措施之一，但減壓井易淤堵，縮短了減壓井的使用壽命。目前一些學(xué)者［1－8］主要研究減壓井排水減壓的功能及淤堵機(jī)理，還沒(méi)有關(guān)于減壓井作為農(nóng)村飲用水水井研究的報(bào)道。

本文通過(guò)對(duì)荊南長(zhǎng)江干堤李家花園堤段減壓井的水文地質(zhì)條件和地下水水質(zhì)進(jìn)行分析研究，得出了減壓井化學(xué)淤堵的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)參考國(guó)際飲用水標(biāo)準(zhǔn)，得出減壓井井水作為飲用水存在的主要問(wèn)題，為改善減壓井井水水質(zhì)提出了較合理的處理措施，對(duì)解決沿堤農(nóng)村飲水問(wèn)題及減少減壓井淤堵具有重要意義。

2 減壓井基礎(chǔ)砂礦化和地下水水質(zhì)分析結(jié)果

荊南長(zhǎng)江干堤李家花園段堤段的水文地質(zhì)條件表明荊南長(zhǎng)江干堤李家花園段堤基是二元結(jié)構(gòu)地層［9－10］。其上部為壤土或黏土等黏性土，透水較弱；下部為粉細(xì)砂、細(xì)砂和砂礫石等砂性土，透水性較強(qiáng)。為了研究堤段內(nèi)減壓井的淤堵機(jī)理，分別選取荊南長(zhǎng)江干堤李家花園堤段1＃和2＃減壓井地基土主要化學(xué)成分、基礎(chǔ)砂主要礦物組成、水文地質(zhì)條件以及地下水水質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)分析研究，試驗(yàn)結(jié)果分別如表1至表4所示。從表中可以看出基礎(chǔ)砂中含有鐵礦和氧化鐵等含鐵物質(zhì)，為地下水中鐵離子提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。通過(guò)水質(zhì)分析可以看出減壓井中鐵離子含量較高，地下水中含有鐵離子是減壓井發(fā)生化學(xué)淤堵的主要因素。

其作用過(guò)程可表述為：首先基礎(chǔ)砂中的含鐵物質(zhì)被地下水溶解，然后Fe2＋通過(guò)滲透達(dá)到井內(nèi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，F(xiàn)e2＋被氧化生成沉淀物和絡(luò)合物，吸附沉淀于井壁四周，為鐵細(xì)菌等微生物的生長(zhǎng)提供了有利條件，使減壓井淤堵。表4給出了國(guó)內(nèi)外生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［11］。將表3和表4進(jìn)行比較可以得出減壓井井水不滿(mǎn)足現(xiàn)行的生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，必須改善減壓井井水水質(zhì)才能滿(mǎn)足農(nóng)村飲用水衛(wèi)生的要求。

表1 荊南長(zhǎng)江干堤李家花園段堤基土主要化學(xué)成份分析Table 1 M ain chem ical com ponents of foundation soil at Lijia garden segment of Yangtze River main dike

表2 荊南長(zhǎng)江干堤李家花園段基礎(chǔ)砂主要礦物組成Table 2 M ineral com position of foundation sand at Lijia garden segment of Yangtze River main dike

表3 荊南長(zhǎng)江干堤李家花園段部分減壓井自流井水水質(zhì)分析結(jié)果Tab le 3 Results of water quality analysis for the relief well at Lijia garden segment of Yangtze River m ain dike

表4 國(guó)內(nèi)外生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Domestic and international drinking water quality standards

3 減壓井井水作為生活飲用水存在的主要問(wèn)題及危害

通過(guò)對(duì)李家花園堤段減壓井井水水質(zhì)進(jìn)行分析研究，得出減壓井中鐵離子含量過(guò)高是影響減壓井井水水質(zhì)的主要因素。國(guó)內(nèi)外生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鐵的含量不能超過(guò)0.3 mg／L，而荊南長(zhǎng)江干堤李家花園堤段地下水中含鐵量高達(dá)37.00 mg／L。

減壓井井水中溶解的鐵離子主要是以Fe2＋形式存在，需要將其氧化為Fe3＋，并在pH＞6條件下形成絮狀物，通過(guò)沉淀和過(guò)濾去除。相關(guān)資料［11］指出地下水中含鐵過(guò)高引起的危害主要有以下幾點(diǎn)：①在生活方面，可使水散發(fā)刺鼻的鐵銹味，在白色織物及用具上留下黃斑、染黃衛(wèi)生用具，大量鐵化合物會(huì)使透明水變成紅水；②在管道方面會(huì)在管壁上積累鐵沉淀物而造成管道淤堵，降低輸水能力，沉淀物會(huì)使水在短期內(nèi)變成黑水或者紅水，堵塞生活用水設(shè)備，當(dāng)水中鐵細(xì)菌大量繁殖時(shí)，情況會(huì)變的更嚴(yán)重；③飲用水含鐵量過(guò)高會(huì)影響人的身體健康。因此，為了解決沿堤農(nóng)村飲水問(wèn)題，使減壓井井水達(dá)到國(guó)家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)地下水進(jìn)行除鐵處理。

4 改善減壓井井水水質(zhì)的幾種方法

長(zhǎng)江科學(xué)院在1999年申請(qǐng)注冊(cè)了可拆卸式新型減壓井專(zhuān)利，通過(guò)工程實(shí)際運(yùn)行表明效果良好。采用可拆換式新型減壓井結(jié)構(gòu)，拆換層泡沫能除去部分鐵離子沉淀物。因長(zhǎng)江沿堤附近減壓井井水中含鐵離子豐富，需要結(jié)合物理、化學(xué)及生物方法深度除鐵后才能滿(mǎn)足飲用水標(biāo)準(zhǔn)。地下水除鐵主要有微濾膜法、曝氣法及生物酶法等幾種方法。工程上除鐵時(shí)可將幾種方法聯(lián)合應(yīng)用。

4.1 微濾膜法

微濾膜是膜分離法的一種，膜分離法［12－13］是利用特殊的膜材料，在不改變組分化學(xué)形態(tài)的基礎(chǔ)上，將溶質(zhì)與溶劑進(jìn)行分離或濃縮。微濾膜法就是以微濾或超濾代替砂濾等傳統(tǒng)過(guò)濾工藝，將Fe2＋化合物過(guò)濾后氧化生成絮狀物分離。微濾膜法是一種物理凈化鐵污染地下水的方法，不會(huì)生成有害化學(xué)衍生物。該方法除鐵效果較好，但過(guò)濾速度慢，由于含鐵沉淀物的聚集容易造成膜的污染，膜技術(shù)含量較高，價(jià)格比較高，不經(jīng)濟(jì)。

4.2 曝氣法

曝氣法［11］主要分為射流曝氣、躍水曝氣、壓縮空氣曝氣、穿孔管曝氣及蓮蓬頭曝氣等幾種。其中穿孔管曝氣和壓縮空氣曝氣2種方法可以一起使用。

曝氣需提供的氧氣量可按下式計(jì)算，

式中：［O2］為氧化所需的氧氣濃度（mg／L）；［Fe2＋］為鐵的濃度（mg／L）；0.141為氧化化學(xué)計(jì)量所需的氧氣倍數(shù)；a為過(guò)剩倍數(shù)，一般取值2～4。

氧化過(guò)程所需的空氣流量與水流量之比，即氣水比可表述為

式中：ρu為空氣的密度（g／L）；η為空氣中氧的利用率。

從地下水中除去鐵一般采用曝氣與過(guò)濾相結(jié)合的方法。在這種工藝中，輸入到水中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成難溶性鐵沉積物，再通過(guò)過(guò)濾達(dá)到改善地下水水質(zhì)的目的。該方法除鐵效果比較好，工藝簡(jiǎn)單，投資少，可是過(guò)濾池占地面積要求比較大。

4.3 生物酶法

微生物通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)化合物的氧化和還原的催化，對(duì)元素的地球化學(xué)再循環(huán)起到一定的作用。鐵的轉(zhuǎn)化受氧化還原電位的影響，在低pH值條件下可以區(qū)分鐵氧化的化學(xué)作用和生物學(xué)作用。微生物通過(guò)對(duì)金屬有機(jī)絡(luò)合物的代謝作用來(lái)影響金屬的沉淀和釋放，參與金屬成礦。生物酶法［14］利用選擇性培養(yǎng)基，通過(guò)平板初篩和搖瓶復(fù)篩，分離得到高效氧化鐵細(xì)菌，用鐵氧化酶對(duì)鐵污染的地下水進(jìn)行凈化。鐵氧化酶是一種胞外酶，鐵的生物學(xué)氧化屬于酶學(xué)催化過(guò)程，并遵守酶的動(dòng)力學(xué)特征。鐵氧化酶是細(xì)菌氧化鐵離子的主要活性因子，生物除鐵的主要氧化活性是生活在濾層中的微生物群系。篩選出除鐵菌，可應(yīng)用到后期建立的除鐵生物濾池中。生物濾層的厚度是除鐵效果關(guān)鍵影響因素之一，主要決定于地下水受鐵污染的程度。生物酶法具有效果較好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)細(xì)菌培養(yǎng)基和產(chǎn)酶條件有一定的要求。

李家花園堤段減壓井井水中鐵離子含量過(guò)高是影響地下水水質(zhì)的主要因素。以上3種方法除了微濾膜法外，地下水除鐵原理都是將二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)鐵的沉淀物，然后經(jīng)過(guò)不同的過(guò)濾層濾掉沉淀物。這3種方法除鐵效果較好，且各有優(yōu)缺點(diǎn)。李家花園堤段地下水作為飲用水必須降低其含鐵量，理論上3種方法均適合于李家花園堤段地下水凈化系統(tǒng)，但需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合理實(shí)用的除鐵凈水方法。可以在可拆卸減壓井結(jié)構(gòu)中加膜、生物濾層或曝氣過(guò)濾層等除鐵措施，達(dá)到除鐵的目的，從而改善減壓井井水水質(zhì)，為沿堤村民提供健康衛(wèi)生安全的飲用水。

在防汛期，減壓井主要用于排水減壓保障堤防安全。由于減壓井設(shè)置了凈水系統(tǒng)，可以減少減壓井淤堵。汛期井水含沙量較高，比較渾濁，不能飲用?？煽紤]設(shè)置沉砂池來(lái)降低減壓井地下水中的含沙量，從而改善井水透明度達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。在枯水期減壓井一般停止排水，間歇性排水是減壓井淤堵的因素之一，將減壓井經(jīng)過(guò)處理作為供水井使用可以避免間歇性排水造成的淤堵，并且可以充分利用減壓井的功能。減壓井用于農(nóng)村供水井可以節(jié)約部分資金，在一定程度上可以改善沿堤居民的生活質(zhì)量。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)減壓井井水水質(zhì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出含鐵量較高是減壓井化學(xué)淤堵的主要原因；與國(guó)際國(guó)內(nèi)生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較，得出減壓井井水作為飲用水存在的主要問(wèn)題?？蔀闇p少減壓井淤堵提供一些參考。

（2）本文介紹了3種地下水除鐵的方法，減壓井中地下水除鐵要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和防汛功能選擇合理的除鐵方法。具體方案需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)模擬試驗(yàn)論證，還需要進(jìn)一步的分析研究。

［1］ 肖振舜，汪在芹.減壓井灌淤機(jī)理的物理化學(xué)試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1994，（1）：19－25.（XIAO Zhenshun，WANG Zai-qin.Physical Mechanism of Clogging of Relief Wells［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1994，（1）：19－25.（in Chinese））

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［8］ 吳昌瑜，張 偉，孫厚才.減壓井淤堵機(jī)理研究現(xiàn)狀［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2005，22（2）：60－62.（WU Chang-yu，ZHANGWei，SUN Hou-cai.Present Situation on Relief-well Mechanism Research［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2005，22（2）：60－62.（in Chinese））

［9］ 張 偉，許繼軍，孫厚才，等.減壓井淤堵及其應(yīng)對(duì)措施現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2003.（ZHANGWei，XU Ji-jun，SUN Hou-cai，et al.Field Test Reporton ReliefWell Clogging and Its Countermeasures［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2003.（in Chinese））

［10］張家發(fā)，任大春.荊南長(zhǎng)江干堤加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2001.（ZHANG Jia-fa，REN Da-cun.Preliminary Design Report on the Jingnan Yangtze River Dyke Strengthening Works［R］.Wuhan：The Yangtze River Survey Planning and Design Institute，2001.（in Chinese））

［11］胡開(kāi)林，胡昱姝，王云珊.城鎮(zhèn)給水工程技術(shù)和設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.（HU Kai-lin，HU Yu-shu，WANG Yun-shan.Urban Water Supply Engineering and Design［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2010.（in Chinese））

［12］趙美萍，邵 敏.環(huán)境化學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2005.（ZHAO Mei-ping，SHAO Min.Environmental Chemistry［M］.Beijing：Peking University Press，2005.（in Chinese））

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［14］姚 遠(yuǎn).富鐵錳地下水的微生物治理［D］.福州：福建師范大學(xué)，2009.（YAO Yuan.Bioremediation on Groundwater with Rich Ferromanganese［D］.Fuzhou：Fujian Normal University，2009.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Prelim inary Research on the Use of Relief W ells in Dikes to Solve Rural Drinking W ater Problem along the Yangtze River

SUN Hui，GONG Bi-wei，ZHU Guo-sheng
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

By analyzing the foundation sand and water quality of reliefwells at Lijia garden segment of Yangtze Rive main dike in the south of Jingzhou，it’s found that large content of iron and iron compounds in water is the main cause of chemical clogging of reliefwells.According to international and domestic drinkingwater quality standards，the iron content in drinking water should not exceed 0.3 mg／L.It’s crucial to reduce iron content in the water to solve rural drinkingwater problem along the dike and to reduce chemical clogging and protect dike safety.Based on previous studies，physical and biologicalmethods including microfiltration，aeration，and bioremediation are proposed to purify the water in reliefwell.This research is of great value for dike safety and rural drinkingwater along the dike.

relief well；drinking water；water quality standard；chemical clogging

TV67

A

1001－5485（2012）06－0040－04

2011－06－08

水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201101027）

孫 慧（1980－），女，湖北隨州人，工程師，博士，從事水工結(jié)構(gòu)及環(huán)境巖土工程的研究，（電話）027－82820427（電子信箱）sunhui_hust＠126.com。