利用已建堤防減壓井解決長江沿岸農村飲水問題初探

孫 慧，龔壁衛，朱國勝

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

利用已建堤防減壓井解決長江沿岸農村飲水問題初探

孫 慧，龔壁衛，朱國勝

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

通過對荊南長江干堤李家花園堤段減壓井基礎砂礦化和井水水質進行分析，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致減壓井化學淤堵的主要原因。國際國內生活飲用水水質標準規定飲用水中鐵含量不能超過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村飲用水問題和減少減壓井化學淤堵保障堤防安全的關鍵。針對減壓井井水中鐵含量過高的問題，在前人研究成果的基礎上，提出了利用物理法、生物法等方法對李家花園堤段減壓井井水進行凈化處理。此研究對解決沿堤農村飲用水問題及保障堤防安全具有重要意義。

減壓井；飲用水；水質標準；化學淤堵

1 研究背景

長江干流決堤，90%以上是由堤基管涌造成的。堤基管涌往往發生于地質結構為雙層結構的堤防，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。上層結構為弱透水層，下層為強透水層的雙層結構堤基，洪水期在弱透水的表土層底面容易產生較高的承壓水頭，一旦承壓水頭超過表土層的抵抗能力，表土層就會被頂穿，其下部砂層顆粒容易被水流帶出形成管涌。有時也發生于堤基的薄弱環節，如開鑿在堤防一定范圍內的農村機井、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，并對反濾層不合要求的農村水井采取封堵，以保障大堤安全；另一方面，由于沿堤農村，包括部分村鎮缺乏清潔的自來水凈化和管網系統，導致沿堤村鎮農民飲水困難。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。目前一些學者［1－8］主要研究減壓井排水減壓的功能及淤堵機理，還沒有關于減壓井作為農村飲用水水井研究的報道。

本文通過對荊南長江干堤李家花園堤段減壓井的水文地質條件和地下水水質進行分析研究，得出了減壓井化學淤堵的物質基礎，同時參考國際飲用水標準，得出減壓井井水作為飲用水存在的主要問題，為改善減壓井井水水質提出了較合理的處理措施，對解決沿堤農村飲水問題及減少減壓井淤堵具有重要意義。

2 減壓井基礎砂礦化和地下水水質分析結果

荊南長江干堤李家花園段堤段的水文地質條件表明荊南長江干堤李家花園段堤基是二元結構地層［9－10］。其上部為壤土或黏土等黏性土，透水較弱；下部為粉細砂、細砂和砂礫石等砂性土，透水性較強。為了研究堤段內減壓井的淤堵機理，分別選取荊南長江干堤李家花園堤段1＃和2＃減壓井地基土主要化學成分、基礎砂主要礦物組成、水文地質條件以及地下水水質進行試驗分析研究，試驗結果分別如表1至表4所示。從表中可以看出基礎砂中含有鐵礦和氧化鐵等含鐵物質，為地下水中鐵離子提供了物質基礎。通過水質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生化學淤堵的主要因素。

其作用過程可表述為：首先基礎砂中的含鐵物質被地下水溶解，然后Fe2＋通過滲透達到井內，經過一段時間，Fe2＋被氧化生成沉淀物和絡合物，吸附沉淀于井壁四周，為鐵細菌等微生物的生長提供了有利條件，使減壓井淤堵。表4給出了國內外生活飲用水水質標準［11］。將表3和表4進行比較可以得出減壓井井水不滿足現行的生活飲用水水質標準，必須改善減壓井井水水質才能滿足農村飲用水衛生的要求。

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

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

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

表4 國內外生活飲用水水質標準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題及危害

通過對李家花園堤段減壓井井水水質進行分析研究，得出減壓井中鐵離子含量過高是影響減壓井井水水質的主要因素。國內外生活飲用水水質標準規定鐵的含量不能超過0.3 mg／L，而荊南長江干堤李家花園堤段地下水中含鐵量高達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，通過沉淀和過濾去除。相關資料［11］指出地下水中含鐵過高引起的危害主要有以下幾點：①在生活方面，可使水散發刺鼻的鐵銹味，在白色織物及用具上留下黃斑、染黃衛生用具，大量鐵化合物會使透明水變成紅水；②在管道方面會在管壁上積累鐵沉淀物而造成管道淤堵，降低輸水能力，沉淀物會使水在短期內變成黑水或者紅水，堵塞生活用水設備，當水中鐵細菌大量繁殖時，情況會變的更嚴重；③飲用水含鐵量過高會影響人的身體健康。因此，為了解決沿堤農村飲水問題，使減壓井井水達到國家生活飲用水水質標準，需要對地下水進行除鐵處理。

4 改善減壓井井水水質的幾種方法

長江科學院在1999年申請注冊了可拆卸式新型減壓井專利，通過工程實際運行表明效果良好。采用可拆換式新型減壓井結構，拆換層泡沫能除去部分鐵離子沉淀物。因長江沿堤附近減壓井井水中含鐵離子豐富，需要結合物理、化學及生物方法深度除鐵后才能滿足飲用水標準。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。工程上除鐵時可將幾種方法聯合應用。

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，在不改變組分化學形態的基礎上，將溶質與溶劑進行分離或濃縮。微濾膜法就是以微濾或超濾代替砂濾等傳統過濾工藝，將Fe2＋化合物過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，不會生成有害化學衍生物。該方法除鐵效果較好，但過濾速度慢，由于含鐵沉淀物的聚集容易造成膜的污染，膜技術含量較高，價格比較高，不經濟。

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為氧化化學計量所需的氧氣倍數；a為過剩倍數，一般取值2～4。

氧化過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濾相結合的方法。在這種工藝中，輸入到水中的氧氣發生氧化反應生成難溶性鐵沉積物，再通過過濾達到改善地下水水質的目的。該方法除鐵效果比較好，工藝簡單，投資少，可是過濾池占地面積要求比較大。

4.3 生物酶法

微生物通過對無機化合物的氧化和還原的催化，對元素的地球化學再循環起到一定的作用。鐵的轉化受氧化還原電位的影響，在低pH值條件下可以區分鐵氧化的化學作用和生物學作用。微生物通過對金屬有機絡合物的代謝作用來影響金屬的沉淀和釋放，參與金屬成礦。生物酶法［14］利用選擇性培養基，通過平板初篩和搖瓶復篩，分離得到高效氧化鐵細菌，用鐵氧化酶對鐵污染的地下水進行凈化。鐵氧化酶是一種胞外酶，鐵的生物學氧化屬于酶學催化過程，并遵守酶的動力學特征。鐵氧化酶是細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、操作簡單等優點，但對細菌培養基和產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高是影響地下水水質的主要因素。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鐵離子氧化為三價鐵的沉淀物，然后經過不同的過濾層濾掉沉淀物。這3種方法除鐵效果較好，且各有優缺點。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，但需要根據實際情況選擇合理實用的除鐵凈水方法。可以在可拆卸減壓井結構中加膜、生物濾層或曝氣過濾層等除鐵措施，達到除鐵的目的，從而改善減壓井井水水質，為沿堤村民提供健康衛生安全的飲用水。

在防汛期，減壓井主要用于排水減壓保障堤防安全。由于減壓井設置了凈水系統，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]設置沉砂池來降低減壓井地下水中的含沙量，從而改善井水透明度達到飲用水標準。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，將減壓井經過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。減壓井用于農村供水井可以節約部分資金，在一定程度上可以改善沿堤居民的生活質量。

5 結 論

（1）通過對減壓井井水水質結果進行分析，得出含鐵量較高是減壓井化學淤堵的主要原因；與國際國內生活飲用水水質標準比較，得出減壓井井水作為飲用水存在的主要問題。可為減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其結構特點和防汛功能選擇合理的除鐵方法。具體方案需要現場試驗和室內模擬試驗論證，還需要進一步的分析研究。

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（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

水利部公益性行業科研專項經費項目（201101027）

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