利用已建堤防减压井解决长江沿岸农村饮水问题初探

孙 慧，龚壁卫，朱国胜

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

利用已建堤防减压井解决长江沿岸农村饮水问题初探

孙 慧，龚壁卫，朱国胜

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

通过对荆南长江干堤李家花园堤段减压井基础砂矿化和井水水质进行分析，得出李家花园堤段减压井井水中含有较高的铁及铁化合物是导致减压井化学淤堵的主要原因。国际国内生活饮用水水质标准规定饮用水中铁含量不能超过0.3mg／L，降低减压井井水中铁含量是利用已建堤防减压井解决沿岸农村饮用水问题和减少减压井化学淤堵保障堤防安全的关键。针对减压井井水中铁含量过高的问题，在前人研究成果的基础上，提出了利用物理法、生物法等方法对李家花园堤段减压井井水进行净化处理。此研究对解决沿堤农村饮用水问题及保障堤防安全具有重要意义。

减压井；饮用水；水质标准；化学淤堵

1 研究背景

长江干流决堤，90%以上是由堤基管涌造成的。堤基管涌往往发生于地质结构为双层结构的堤防，其中一层为弱透水层，另一层为透水层。弱透水层一般为黏土层，透水层一般为砂层、砂砾石层。上层结构为弱透水层，下层为强透水层的双层结构堤基，洪水期在弱透水的表土层底面容易产生较高的承压水头，一旦承压水头超过表土层的抵抗能力，表土层就会被顶穿，其下部砂层颗粒容易被水流带出形成管涌。有时也发生于堤基的薄弱环节，如开凿在堤防一定范围内的农村机井、水塘、取土坑等。汛期堤基防渗通常采取填塘（坑）固堤的加固措施，并对反滤层不合要求的农村水井采取封堵，以保障大堤安全；另一方面，由于沿堤农村，包括部分村镇缺乏清洁的自来水净化和管网系统，导致沿堤村镇农民饮水困难。减压井是降低堤基渗透力，保障堤防安全的有效措施之一，但减压井易淤堵，缩短了减压井的使用寿命。目前一些学者［1－8］主要研究减压井排水减压的功能及淤堵机理，还没有关于减压井作为农村饮用水水井研究的报道。

本文通过对荆南长江干堤李家花园堤段减压井的水文地质条件和地下水水质进行分析研究，得出了减压井化学淤堵的物质基础，同时参考国际饮用水标准，得出减压井井水作为饮用水存在的主要问题，为改善减压井井水水质提出了较合理的处理措施，对解决沿堤农村饮水问题及减少减压井淤堵具有重要意义。

2 减压井基础砂矿化和地下水水质分析结果

荆南长江干堤李家花园段堤段的水文地质条件表明荆南长江干堤李家花园段堤基是二元结构地层［9－10］。其上部为壤土或黏土等黏性土，透水较弱；下部为粉细砂、细砂和砂砾石等砂性土，透水性较强。为了研究堤段内减压井的淤堵机理，分别选取荆南长江干堤李家花园堤段1＃和2＃减压井地基土主要化学成分、基础砂主要矿物组成、水文地质条件以及地下水水质进行试验分析研究，试验结果分别如表1至表4所示。从表中可以看出基础砂中含有铁矿和氧化铁等含铁物质，为地下水中铁离子提供了物质基础。通过水质分析可以看出减压井中铁离子含量较高，地下水中含有铁离子是减压井发生化学淤堵的主要因素。

其作用过程可表述为：首先基础砂中的含铁物质被地下水溶解，然后Fe2＋通过渗透达到井内，经过一段时间，Fe2＋被氧化生成沉淀物和络合物，吸附沉淀于井壁四周，为铁细菌等微生物的生长提供了有利条件，使减压井淤堵。表4给出了国内外生活饮用水水质标准［11］。将表3和表4进行比较可以得出减压井井水不满足现行的生活饮用水水质标准，必须改善减压井井水水质才能满足农村饮用水卫生的要求。

表1 荆南长江干堤李家花园段堤基土主要化学成份分析Table 1 M ain chem ical com ponents of foundation soil at Lijia garden segment of Yangtze River main dike

表2 荆南长江干堤李家花园段基础砂主要矿物组成Table 2 M ineral com position of foundation sand at Lijia garden segment of Yangtze River main dike

表3 荆南长江干堤李家花园段部分减压井自流井水水质分析结果Tab le 3 Results of water quality analysis for the relief well at Lijia garden segment of Yangtze River m ain dike

表4 国内外生活饮用水水质标准Table 4 Domestic and international drinking water quality standards

3 减压井井水作为生活饮用水存在的主要问题及危害

通过对李家花园堤段减压井井水水质进行分析研究，得出减压井中铁离子含量过高是影响减压井井水水质的主要因素。国内外生活饮用水水质标准规定铁的含量不能超过0.3 mg／L，而荆南长江干堤李家花园堤段地下水中含铁量高达37.00 mg／L。

减压井井水中溶解的铁离子主要是以Fe2＋形式存在，需要将其氧化为Fe3＋，并在pH＞6条件下形成絮状物，通过沉淀和过滤去除。相关资料［11］指出地下水中含铁过高引起的危害主要有以下几点：①在生活方面，可使水散发刺鼻的铁锈味，在白色织物及用具上留下黄斑、染黄卫生用具，大量铁化合物会使透明水变成红水；②在管道方面会在管壁上积累铁沉淀物而造成管道淤堵，降低输水能力，沉淀物会使水在短期内变成黑水或者红水，堵塞生活用水设备，当水中铁细菌大量繁殖时，情况会变的更严重；③饮用水含铁量过高会影响人的身体健康。因此，为了解决沿堤农村饮水问题，使减压井井水达到国家生活饮用水水质标准，需要对地下水进行除铁处理。

4 改善减压井井水水质的几种方法

长江科学院在1999年申请注册了可拆卸式新型减压井专利，通过工程实际运行表明效果良好。采用可拆换式新型减压井结构，拆换层泡沫能除去部分铁离子沉淀物。因长江沿堤附近减压井井水中含铁离子丰富，需要结合物理、化学及生物方法深度除铁后才能满足饮用水标准。地下水除铁主要有微滤膜法、曝气法及生物酶法等几种方法。工程上除铁时可将几种方法联合应用。

4.1 微滤膜法

微滤膜是膜分离法的一种，膜分离法［12－13］是利用特殊的膜材料，在不改变组分化学形态的基础上，将溶质与溶剂进行分离或浓缩。微滤膜法就是以微滤或超滤代替砂滤等传统过滤工艺，将Fe2＋化合物过滤后氧化生成絮状物分离。微滤膜法是一种物理净化铁污染地下水的方法，不会生成有害化学衍生物。该方法除铁效果较好，但过滤速度慢，由于含铁沉淀物的聚集容易造成膜的污染，膜技术含量较高，价格比较高，不经济。

4.2 曝气法

曝气法［11］主要分为射流曝气、跃水曝气、压缩空气曝气、穿孔管曝气及莲蓬头曝气等几种。其中穿孔管曝气和压缩空气曝气2种方法可以一起使用。

曝气需提供的氧气量可按下式计算，

式中：［O2］为氧化所需的氧气浓度（mg／L）；［Fe2＋］为铁的浓度（mg／L）；0.141为氧化化学计量所需的氧气倍数；a为过剩倍数，一般取值2～4。

氧化过程所需的空气流量与水流量之比，即气水比可表述为

式中：ρu为空气的密度（g／L）；η为空气中氧的利用率。

从地下水中除去铁一般采用曝气与过滤相结合的方法。在这种工艺中，输入到水中的氧气发生氧化反应生成难溶性铁沉积物，再通过过滤达到改善地下水水质的目的。该方法除铁效果比较好，工艺简单，投资少，可是过滤池占地面积要求比较大。

4.3 生物酶法

微生物通过对无机化合物的氧化和还原的催化，对元素的地球化学再循环起到一定的作用。铁的转化受氧化还原电位的影响，在低pH值条件下可以区分铁氧化的化学作用和生物学作用。微生物通过对金属有机络合物的代谢作用来影响金属的沉淀和释放，参与金属成矿。生物酶法［14］利用选择性培养基，通过平板初筛和摇瓶复筛，分离得到高效氧化铁细菌，用铁氧化酶对铁污染的地下水进行净化。铁氧化酶是一种胞外酶，铁的生物学氧化属于酶学催化过程，并遵守酶的动力学特征。铁氧化酶是细菌氧化铁离子的主要活性因子，生物除铁的主要氧化活性是生活在滤层中的微生物群系。筛选出除铁菌，可应用到后期建立的除铁生物滤池中。生物滤层的厚度是除铁效果关键影响因素之一，主要决定于地下水受铁污染的程度。生物酶法具有效果较好、操作简单等优点，但对细菌培养基和产酶条件有一定的要求。

李家花园堤段减压井井水中铁离子含量过高是影响地下水水质的主要因素。以上3种方法除了微滤膜法外，地下水除铁原理都是将二价铁离子氧化为三价铁的沉淀物，然后经过不同的过滤层滤掉沉淀物。这3种方法除铁效果较好，且各有优缺点。李家花园堤段地下水作为饮用水必须降低其含铁量，理论上3种方法均适合于李家花园堤段地下水净化系统，但需要根据实际情况选择合理实用的除铁净水方法。可以在可拆卸减压井结构中加膜、生物滤层或曝气过滤层等除铁措施，达到除铁的目的，从而改善减压井井水水质，为沿堤村民提供健康卫生安全的饮用水。

在防汛期，减压井主要用于排水减压保障堤防安全。由于减压井设置了净水系统，可以减少减压井淤堵。汛期井水含沙量较高，比较浑浊，不能饮用。可考虑设置沉砂池来降低减压井地下水中的含沙量，从而改善井水透明度达到饮用水标准。在枯水期减压井一般停止排水，间歇性排水是减压井淤堵的因素之一，将减压井经过处理作为供水井使用可以避免间歇性排水造成的淤堵，并且可以充分利用减压井的功能。减压井用于农村供水井可以节约部分资金，在一定程度上可以改善沿堤居民的生活质量。

5 结 论

（1）通过对减压井井水水质结果进行分析，得出含铁量较高是减压井化学淤堵的主要原因；与国际国内生活饮用水水质标准比较，得出减压井井水作为饮用水存在的主要问题。可为减少减压井淤堵提供一些参考。

（2）本文介绍了3种地下水除铁的方法，减压井中地下水除铁要根据其结构特点和防汛功能选择合理的除铁方法。具体方案需要现场试验和室内模拟试验论证，还需要进一步的分析研究。

［1］ 肖振舜，汪在芹.减压井灌淤机理的物理化学试验研究［J］.水利学报，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））

［2］ 张 伟，张家发，孙厚才.减压井化学淤堵试验研究［J］.长江科学院院报，2009，26（10）：13－16.（ZHANG Wei，ZHANG Jia-fa，SUN Hou-cai.Experimental Study on Chemical Clogging of Relief Well［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26（10）：13－16.（in Chinese））

［3］ 孙厚才，付礼英.荆江大堤减压井的淤堵及修复［J］.武汉水利电力大学学报，1993，26（1）：64－68.（SUN Hou-cai，FU Li-ying.On Clogging and Rehabilitation for Relief-wells of Jingjiang Dyke［J］.Journal of Wuhan U-niversity of Hydraulic and Electric Engineering，1993，26（1）：64－68.（in Chinese））

［4］ 孙厚才，伍碧秀，王幼麟.荆江大堤减压井物理化学淤堵试验研究［J］.水文地质工程地质，1990，（6）：15－17.（SUN Hou-cai，WU Bi-xiu，WANG You-lin.Experimental Study on the Physico-Chemical Clogging of Drainage Well in Jingjiang Dyke［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，1990，（6）：15－17.（in Chinese））

［5］ 张家发，张 伟，李思慎.堤防工程减压井淤堵及其应对措施研究［J］.长江科学院院报，2006，23（5）：24－28.（ZHANG Jia-fa，ZHANG Wei，LI Si-shen.Clogging Mechanism and Treatment Measures for ReliefWells in Dyke Engineering［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2006，23（5）：24－28.（in Chinese））

［6］ 张 伟，孙厚才，肖 利.减压井研究现状和现场调研与试验研究报告［R］.武汉：长江科学院，2003.（ZHANGWei，SUN Hou-cai，XIAO Li.Research Status and Field Research of ReliefWell［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2003.（in Chinese））

［7］ 张 伟，许继军，张家发，等.堤防工程减压井淤堵及其应对措施研究［R］.武汉：长江科学院，2006.（ZHANGWei，XU Ji-jun，ZHANG Jia-fa，et al.Clogging and Countermeasures of ReliefWell of Dike Projects［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2006.（in Chinese））

［8］ 吴昌瑜，张 伟，孙厚才.减压井淤堵机理研究现状［J］.长江科学院院报，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］ 张 伟，许继军，孙厚才，等.减压井淤堵及其应对措施现场试验研究报告［R］.武汉：长江科学院，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］张家发，任大春.荆南长江干堤加固工程初步设计报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究院，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］胡开林，胡昱姝，王云珊.城镇给水工程技术和设计［M］.北京：化学工业出版社，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］赵美萍，邵 敏.环境化学［M］.北京：北京大学出版社，2005.（ZHAO Mei-ping，SHAO Min.Environmental Chemistry［M］.Beijing：Peking University Press，2005.（in Chinese））

［13］李 荧，程家迪，刘 锐，等.微滤膜处理铁污染地下水的效果及膜污染控制研究［J］.中国给水排水，2010，（1）：36－39.（LIYing，CHENG Jia-di，LIU Rui，et al.Microfiltration for Treatment of Iron Contaminated Underground Water and Membrane Fouling Countermeasures［J］.China Water and Wastewater，2010，（1）：36－39.（in Chinese））

［14］姚 远.富铁锰地下水的微生物治理［D］.福州：福建师范大学，2009.（YAO Yuan.Bioremediation on Groundwater with Rich Ferromanganese［D］.Fuzhou：Fujian Normal University，2009.（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

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

水利部公益性行业科研专项经费项目（201101027）

孙 慧（1980－），女，湖北随州人，工程师，博士，从事水工结构及环境岩土工程的研究，（电话）027－82820427（电子信箱）sunhui_hust＠126.com。