關于含鐵地下水取水構筑物一些問題-分析和商討

1、關于含鐵地下水取水構筑物一些問題-分析和商討            摘要：地下水取水構筑物早期報廢的原因錯綜復雜。如地下水水質，取水構筑物的型式、材料構造、施工、運行管理等都可能產生不同程度的影響，這些因素常常又互相作用、互為因果。因此，對不同情況下的早期報廢問題應作具體分析，而從予防角度則當綜合考慮各種因素的影響。由于含鐵地下水取水構筑物的早期報廢問題常常比一般情況更為突出，本文擬對含鐵地下水構筑物的有關問題提出一些初步看法，供分析研究。 關鍵詞：含鐵地下水 取水構筑物 &

2、#160;一、地下水取水構筑物進水面上的腐蝕與沉積凡是由金屬濾管（如管井的濾管、輻射井的水平集水管等）在地下水中都存在著不同程度的腐蝕。而沉積則存在于所有地下水取水構筑物的進水面上，如大口井井底。腐蝕與沉積常互相聯(lián)系，密不可分。1.腐蝕問題腐蝕分電化學腐蝕與化學腐蝕兩種情況，金屬濾管的腐蝕幾乎都是電化學腐蝕。由于具有不同的電極電位，組成原電池。例如，由穿孔鋼管外包銅網組成的濾管即相當于原電池，電子將通過金屬支撐線導線由鋼管（負極）流向銅網（正極）。這時在溶液中發(fā)生的反應如下；在負極FeFe2+2e-(1)離子Fe2+進入溶液，即發(fā)生氧化反應，因而對溶液來說又是陽極。在陽極Fe2+將發(fā)生各種二級

3、反應，例如：Fe2+2OH-Fe(OH)2(2)當水中有溶解氧時，則4 Fe(OH)2+O2+2H2O4 Fe(OH)3(3)在正極2H+2e-2HH2(4)即發(fā)生還原反應，因而對溶液來說又是陰極。實際上，只有當溶液中沒有溶解氧時，電極反應生成的H才結合為H2。如果溶液中存在溶解氧且在酸性條件下，陰極反應為：4H+ O22H2O(5)如果在溶液中有溶解氧且在中性或堿性條件下，陰極反應為：O2+2H2O +4e-4OH-(6)下面分別討論濾管腐蝕過程中的各種影響因素。(1)pH值的影響由(4)、(5)式可知，H+在陰極放電，不斷地從陽極接受電子是使反應得以繼續(xù)進行。因此水的pH值越低，即H+濃度

4、越高越易使陽極的腐蝕作用加劇。當H+濃度很高時腐蝕作用可變?yōu)榻饘偃苡谒嶂械淖饔谩？梢姡蚿H值是濾管電化學腐蝕的重要因素之一。PH值低的地下水一般具有硬度低，游離碳酸等含量多的特點。地下水中的鐵質含量雖然與pH值沒有直接的關系，但據不完全統(tǒng)計，我國大多數(>80%)含鐵地下水的pH值小于7.0，僅少數(10-20%)pH=7.0-7.5，個別pH>7.5。這就是含鐵地下水中濾管腐蝕的主要原因之一。(2)溶解氧的影響當溶液中沒有溶解氧時，陰極反應按(4)式進行，生成的原子態(tài)H和氫氣將復蓋在陰極表面，產生超電壓的極化作用，只有在Ph<4時，電極作用才能持續(xù)進行。當pH>5時

5、，腐蝕將會停止下來。當水中有溶解氧時，反應按(5)或(6)式進行，此時氧化為去極劑使腐蝕作用加劇。實際上，當pH6時溶解氧是決定腐蝕的主要因素。實踐證明，這時腐蝕速度與溶解氧含量成正比。由于含鐵地下水中鐵質為F2+e形式存在，一般不含溶解氧。這時參與腐蝕、沉積的溶解氧的來源是一個值得探討的問題。我們認為形成的水位降落漏斗以及間斷抽水時的水位波動是造成井周圍地下水充氣溶氧的條件，這一因素的影響對埋藏淺的潛水層尤為突出。由于溶氧范圍只限于地下水的表層和濾管上部，但是由于地下水流在濾管外圍一般都有濾流重分布現(xiàn)象，從而使表層含氧較多的地下水向沿濾管的深層分布，是含鐵地下水取水構筑物同樣遭受腐蝕沉積的原

6、因。(3)水流速度的影響在濾管及取水井設備的腐蝕過程中，水流速度影響甚大。大致有以下幾方面。首先是水流的機械沖刷作用。實際上可以觀察到，濾管或深井設備腐蝕嚴重的部位往往是水流集中、流速較大的部位。因此，減少濾管進水面的流速、使濾流均勻分布可以減緩濾管的腐蝕。其次是水流作用造成的濃差影響。水流速度大時，水中的溶解氧易于向濾管的陰極擴散，從而形成一種氧濃差電池，使腐蝕過程加劇。實際上影響電化學腐蝕過程的因素還很多。如組成濾管的材料與構造形式，金屬結構、表面加工處理與各種應力的不均勻性，地下水與濾管周圍含水層的物理化學性質，生成物的物理化學性質，微生物作用與施工運行條件等。隨著這些因素的變化，濾管的

7、腐蝕情況往往表現(xiàn)出不同的形式。例如，我們通常采用的纏絲濾管一穿孔鋼（或鑄鐵管）外纏鍍鋅鐵絲，由于鋅的電極電位(-0.76v)比鐵的(-0.44v)還要低，因此濾管原電池的極性與前述濾管的相反，這時首先是鍍鋅鐵絲遭到腐蝕，由此可見不同的材料與構造形式決定了電化學腐蝕過程。又如由于金屬結構等因素的影響引起的局部原電池作用，使濾管骨架表面呈現(xiàn)麻坑狀腐蝕，再如，腐蝕生成物較堅實時會影響氧向陽極擴散，產生氧濃差電池作用，還可能在堅實的沉積物下面造成一種厭氧條件有利于硫酸還原菌的生存繁殖，會使腐蝕過程加劇，這些情況在實際工作中都應加以區(qū)別。(4)沉積問題按(3)式生成的Fe(OH)3沉淀物就是造成濾管沉積

8、堵塞的主要成份之一。可見，對金屬濾管而言腐蝕與沉積是伴生的。對由銅網與穿孔鋼管組成的濾管而言，在鋼管發(fā)生電化腐蝕的同時即伴隨著Fe(OH)3在銅網里側面的沉積與堵塞。水流速度較大時，因沖刷作用銅網被堵塞的速度較慢；反之，銅網即被迅速堵塞。這就是一些管井在長時間停用以后出水量明顯下降甚至不出水的原因。此外，由(6)式可知，由電化學反應而產生的OH將在濾管附近造成一種特殊的pH濃差變化，其分布情況與濾管的材料結構及水流狀況有關，結果將產生不同部位的沉積堵塞。例如，對上述網式濾管而言，作為陰極的銅網上形成的OH在水流的影響上，常常在銅網和穿孔鋼管骨架的間隙內形成pH值較高的“隔層”。地下水中的Fe2

9、+    2007-05-17        通過濾網后與這一“隔層”相遇，即迅速生成Fe(OH)3沉淀，結果使間隙和骨架孔眼被堵塞。PH值較高的“隔層”照理應偏向骨架的里側。濾管的堵塞同時還伴隨著Ca、Mg及其他金屬鹽類的沉積。后一情況主要是因為地下水流向取水構筑物時水頭損失增加破壞了地下水中的氣相平衡與化學平衡，引起各種金屬鹽類的沉積。同樣的情況也產生于大口井等取水構筑物的進水面上。由此可見，地下水流向取水構筑物的水頭損失越大，越易產生金屬鹽類的沉積。這是所有地下水取水構

10、筑物進水面沉積堵塞的另一個主要原因。實際情況表明，在同樣條件下，兩個出水流量不同的取水構筑物，出水流量大的使用期短，出水流量小的使用期長；如就使用期的總出水量而論，前者的總出水量往往遠低于后者的總出水量。為此，需要對井的出水流量和進口流速加以限制。除上述沉積之外，還存在著硅酸、有機物（包括各類菌體，如鐵細菌和硫酸還原菌）及泥沙的沉積與膠結。因此，如果不去追究各種沉積堵塞的原因，單就地下水取水構筑物進水面上沉積物的沉積過程、組成情況、沉積形態(tài)而言就有很多不同的情況。為了便于解釋某些實踐問題，大致可作如下說明：(1)進水面上的沉積過程因為在濾管電化學腐蝕過程中形成的特殊pH值濃差環(huán)境的影響，以及F

11、e(OH)3的溶度積比其它金屬鹽低，所以在地下水中特別是含鐵地下水中將主要產生Fe(OH)3的沉積。而最先沉積的部位是穿孔骨架的未穿孔部分，最初形成的疏松沉積物，很容易沿進水孔的周圍吸著Fe(OH)3、硅酸膠體及其它化合物，從而使進水孔逐漸縮小。沉積物的結構將隨時間，逐漸密實。過水面積越小或流速越大，上述沉積過程越快。此外，沉積過程還與濾管孔眼尺寸、形狀有關，例如濾管的有效進水面積相同，流速相同，孔眼多而小的濾管及縫隙濾管堵塞較快。上述現(xiàn)象不僅限于進水孔和井的有關部位，也存在于取水構筑物的填料層和含水層的顆粒間隙。實際證明，顆粒越粗、越均勻（即間隙大、透水性強、含污量大）越不易堵塞；反之，堵塞

12、甚快。從這個角度出發(fā)，也需對取水物構筑物的出水流量和水流速度加以限制。(2)沉積物的組成與地下水的化學成分密切相關。含鐵地下水取水構筑物沉積物的化學組成，以鐵質最多（以氧化鐵計，含量一般在60%以上），此外有硅酸、其它金屬（鋁、鈣、鎂、錳）及硫化物、有機物及水份，鐵細菌及硫酸還原菌。必須指出，即使在同一取水構筑物上沉積物的化學組成也是不一樣的。例如，濾網與骨架間隙沉積物的鐵質含量一般較多，而濾管周圍的填料層與含水層中沉積物的鐵質相對較少（硅酸較多），這可能與腐蝕生成物的沉積，pH值環(huán)境變化有關；濾管上部沉積物中鐵質含量較多，下部鐵質含量相對減少，這可能與上部地下水溶解氧含量較多有關。(3)沉積

13、物形態(tài)濾管上沉積物的堆積一般上部多下部少，沉積物的外觀形態(tài)不一，大致有下列幾種情況：砂礫巖狀沉積沉積物中硅酸含量相對較高，其它金屬鹽類含量也較多，鐵質含量較少，沉積物中伴有相當數量的砂、礫石膠結，故強度較大。這類沉積一般難于清洗去除。疏松的層狀與海棉狀沉積含鐵地下水中多見。層狀沉積有時伴有少量砂粒膠結，強度稍大；海棉狀沉積結構疏松，這類沉積物中鐵質含量越大，硅酸與其它金屬鹽類沉積相對減少。一般較易清洗。軟糊狀沉積沉積物中有機物較多。有時可以在濾管上看到瘤狀結節(jié)。金屬濾管的腐蝕與沉積某些情況下即為同一過程的兩種表現(xiàn)形式。因而同一取水構筑物經常是既受腐蝕又遭沉積，其結果不是大量漏砂就是嚴重堵塞，最

14、終報廢。除了與水質有關外，與取水構筑物的設計、構造、施工、運行管理也都有關。    二、有關含鐵地下水取水構筑物的幾個問題 1、取水構筑物的型式水文地質條件是決定構筑物型式的基本因素。但是在含鐵質過多的地下水中不能不考慮水質的影響。通常在同一水文地質條件下，如果進水面的平均單位負荷（取水量）相同，則大口井的出水量比管井要穩(wěn)定，或者說大口井的使用期限比管井的長。這主要是因為大口井的實際進水面積比管井大，反濾層的透水性強，化學沉積速度較慢，此外不存在電化學腐蝕的影響。從經濟上分析，兩者的單位造價不分上下。目前因大口井的施工比較麻煩、工期長、特別是采用排水下沉

15、法施工成井質量較差，往往影響大口井的使用效果。以佳木斯自來水公司四水源的一個大井口為例，地下水含鐵量12-13mg/l，井徑10m、井深16m，采用排水下沉法施工，歷年井的出水量變化情況見表2：表2時間 Q(m3/h) S(m) G(m3/h·m) R(m) 施工期（施工排水） 2000 9.5 210 數百 68年建成后揚水5008.559.0 73年3207.542.6<15由上述情況可知，該井施工排水與建成后揚水的單位出水量相差很大，使用五年后出水量又進一步下降。其原因是施工排水量過大，刃腳處的滲流速度超過極限，刃腳處形成大范圍流土破壞了含水層的滲透穩(wěn)定性。施工

16、時，含水層及沉井外圍土層嚴重坍塌，連土筐都可以從沉井外壁與塌方土被水流帶進入井內。結果，在井未建成時已使含水層被泥土淤塞。該井反濾層的敷設也是在類似情況下進行的，很可能在“流土”部位邊投填料邊產生混雜。其結果不但沒有形成透水性強的穩(wěn)定的支撐層，反使進水面的透水性下降。從而使建成前后的單位出水量相差3.5倍之多。這樣井的使用效果顯然受到影響，使用過程中也更可能產生沉積和膠結。據觀測，該井刃腳附近有中細砂堆積的砂包，砂包附近砂礫混雜，表明這些地方有流土現(xiàn)象。另外，有一次在該井的井底掏砂時，當挖深至2m左右偶然發(fā)生井底坍方，引起井底濾層松動，結果動水位陡升2m，持續(xù)2-3天之后又恢復原狀，這說明該井

17、井底有淤塞膠結現(xiàn)象。佳木斯紡織廠的一個大口井，地下水含鐵量8-15mg/l，井徑6.0m。井深12m，井的出水量逐年減少。于是采取掏井辦法增加出水量，據估計每掏一次（井平均下降20-30cm）可使出水量增加30-40 m3/h，每次掏井可維持3-4年，掏出砂粒呈紅色，也可見流土現(xiàn)象。再如，佳木斯造紙廠的大口井，采取排水下沉，直徑6m、井深13m，56年投產時每口井平均出水量達10000 m3/d，兩年后下降到5000 m3/d，73年下降到3000 m3/d。對于管井，也因施工方法的影響成井質量不高，普遍存在前述各方面問題，影響其使用效果。此外，其它型式的取水構筑物也有類似情況。 &

18、#160;  2007-05-17        2、施工方法大口井施工質量是大口井成敗的關鍵。有些施工單位往往把大口井沉降到設計標高作為施工的主要目標，致于成井質量則很少考慮，因此在選擇下沉施工方法時很少考慮沉井結構的大口井的特點集水。如上所述，目前常用的排水下沉法用于大口井是值得研究的。我們認為對大口井必須采用不排水下沉施工法，否則很難解決施工排水引起的一系列問題。而用抓斗法不排水下沉又有許多局限性，不便于采用。我們推薦采用“套管抽砂下沉法”。“套管抽砂下沉法“的要點是把管井的套管鉆進法用于

19、提取大口井井底泥砂，以使大口井不排水下沉。在沉井中心固定一套管，套管下端伸入刃腳下的距離約相當于井底半徑，使套管下端與刃腳聯(lián)線和水平面交角約為45°，即相當于砂在水中的內摩擦角。提砂工具是抽筒。隨井中心泥砂被取出，刃腳附近泥砂即向中心聚集井身隨即下沉。這種下沉方法的優(yōu)點是設備簡單、適應各種地層、進度快、節(jié)省人工。新建大口井的填料層也建議采用不排水敷設，以保證井的施工質量。管井多采用泥漿封閉鑿井法施工（以下簡稱泥漿法）與套管封閉法（簡稱套管法也稱“清水鉆”）相比，這種方法的優(yōu)點是節(jié)省套管管材，施工操作比較簡單，進度快。但是對于供水管井而言，泥漿法的最大缺點是膠結加固井孔的泥壁很難用一般

20、洗井方法清洗干凈，結果對井的出水量影響很大。據觀察分析，通常僅局部范圍的泥壁被洗掉，使濾管局部范圍的濾流集中，實際流速增加，結果易使對應部位迅速腐蝕、沉積堵塞或者破壞含水層的滲透穩(wěn)定性形成管涌，從而使管井早期報廢。泥漿法施工形成的泥壁厚度及強度與灌注泥漿的數量及性質有關，據觀測有時泥壁厚度可達數厘米。以佳木斯四水源的兩口管井為例，其一采用泥漿法（直接投泥塊）施工，井的單位出水量為23 m3/h·m；另一用套管法施工，井的單位出水量為75 m3/h·m。兩者相差達三倍。（見表3）表3井號直徑施工方法清洗情況抽降(m)出水量(m3/h)單位出水量(m3/h·m)No1

21、400泥漿法 3.01654.90217250套管法 2.701194.90430NO2400泥漿法 3.01780.60260250套管法  2.421422.50590No3 泥漿法未徹底清洗3.281505.00  泥漿法 徹底清洗2.802207.81 可見，盡管泥漿孔直徑比套管孔大，其出水量反小。即使同為泥漿孔，因洗井效果不同出水量相差也很大。因此，從長遠效果考慮，我們認為對城市及工業(yè)水源在條件允許時還是以采用套管法施工為宜。對于含鐵地下水尤須如此。這樣可以在很大的程度上減少前述許多不良因素的影響。否則，

22、也須對使用的泥漿數量與性質嚴加控制，必要時應在其中投以附加劑使泥壁易于清洗，在洗井方法上也須考究。對于其它“清水鉆”法：如“水力反循環(huán)鉆”法、“水射鉆進法”有條件時也須試驗研究。這類施工方法的特點是操作簡單、進度快、有利于提高成井質量；但是井孔易坍塌（不適于組粉砂層），要求迅速下管，施工組織計劃工作應嚴密。構造目前關于濾管防蝕的做法大致有下列幾方面：用防腐涂料，如瀝清、油漆涂料及環(huán)氧樹脂涂抹濾管金屬面，采用非金屬材料制作濾管，一般多用塑料管和其它非金屬管取代鋼管和鑄鐵管，用尼龍絲、塑料絲等代替鍍鋅鐵絲或銅絲。近來在城市或工業(yè)給水中開始試用水泥礫石濾管。有的地方仍用一般纏絲濾管，并試用環(huán)氧水泥、

23、環(huán)氧磁粉等固定鍍鋅鐵絲以避免一般焊錫固定部位的腐蝕等等。這些在防止濾管腐蝕方面都取得一定效果。但是關于減少濾管沉積堵塞的措施尚少見。上述作法也不能從根本上解決含鐵地下水中的腐蝕特別是減少沉積堵塞的矛盾。如纏絲問題，不管用什么材料都避免不了因氣相平衡破壞而產生的沉積堵塞。為了使防止腐蝕與減少沉積堵塞都得以兼顧，我們覺得不能單從材料上著眼而須從結構上采取措施。為此我閃設想取消纏絲，用一般穿孔管代替纏絲濾管以避免因纏絲而產生的許多問題。這樣要求在穿孔管外圍填多層（均勻）反濾層或單層（混合）反濾層單層混合填料。由于施工條件的限制，我們采用了后一種反濾層。從原則上講，單層混合填料一方面可以截留含水層中的細顆粒到粗顆粒的過渡，使穿孔管的孔眼有足夠大的尺寸。采用單層混合填料可能產生的問題是：填料層較密實透水性較差，其水力條件和防止沉積的條件不如多層（均勻）反濾層。施工投料時可能產生水力分層現(xiàn)象，影響反濾層和含水層的滲透穩(wěn)定性。某地含水層情況：主要含水層為粗砂夾礫石。濾管構造：穿孔鑄鐵管，直徑4