关于含铁地下水取水构筑物一些问题的分析与商讨

董辅祥（沈阳建筑工程学院）
　庞马平（佳木斯市自来水公司）

　　地下水取水构筑物早期报废的原因错综复杂。如地下水水质，取水构筑物的型式、材料构造、施工、运行管理等都可能产生不同程度的影响，这些因素常常又互相作用、互为因果。因此，对不同情况下的早期报废问题应作具体分析，而从予防角度则当综合考虑各种因素的影响。由于含铁地下水取水构筑物的早期报废问题常常比一般情况更为突出，本文拟对含铁地下水构筑物的有关问题提出一些初步看法，供分析研究。

一、地下水取水构筑物进水面上的腐蚀与沉积

　　凡是由金属滤管（如管井的滤管、辐射井的水平集水管等）在地下水中都存在着不同程度的腐蚀。而沉积则存在于所有地下水取水构筑物的进水面上，如大口井井底。腐蚀与沉积常互相联系，密不可分。
　　1.腐蚀问题
　　腐蚀分电化学腐蚀与化学腐蚀两种情况，金属滤管的腐蚀几乎都是电化学腐蚀。由于具有不同的电极电位，组成原电池。例如，由穿孔钢管外包铜网组成的滤管即相当于原电池，电子将通过金属支撑线——导线由钢管（负极）流向铜网（正极）。这时在溶液中发生的反应如下；
　　在负极　　Fe→Fe²⁺+2e^-　　　　　　　　　　(1)
　　离子Fe²⁺进入溶液，即发生氧化反应，因而对溶液来说又是阳极。在阳极Fe²⁺将发生各种二级反应，例如：
　　Fe²⁺+2OH^-→Fe(OH)₂　　　　　　　　　　　(2)
　　当水中有溶解氧时，则
　　4 Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4 Fe(OH)3↓　　　　　(3)
　　在正极　　2H⁺+2e^-→2H→H₂　　　　　　　　(4)
　　即发生还原反应，因而对溶液来说又是阴极。
　　实际上，只有当溶液中没有溶解氧时，电极反应生成的H才结合为H2。如果溶液中存在溶解氧且在酸性条件下，阴极反应为：
　　4H+ O₂→2H₂O　　　　　　　　　　　　　　(5)
　　如果在溶液中有溶解氧且在中性或碱性条件下，阴极反应为：
　　O₂+2H₂O +4e^-→4OH^-　　　　　　　　　　　　(6)
　　下面分别讨论滤管腐蚀过程中的各种影响因素。
　　(1)pH值的影响
　　由(4)、(5)式可知，H+在阴极放电，不断地从阳极接受电子是使反应得以继续进行。因此水的pH值越低，即H+浓度越高越易使阳极的腐蚀作用加剧。当H+浓度很高时腐蚀作用可变为金属溶于酸中的作用。
　　可见，低pH值是滤管电化学腐蚀的重要因素之一。PH值低的地下水一般具有硬度低，游离碳酸等含量多的特点。地下水中的铁质含量虽然与pH值没有直接的关系，但据不完全统计，我国大多数(>80%)含铁地下水的pH值小于7.0，仅少数(～10-20%)pH=7.0-7.5，个别pH>7.5。这就是含铁地下水中滤管腐蚀的主要原因之一。
　　(2)溶解氧的影响
　　当溶液中没有溶解氧时，阴极反应按(4)式进行，生成的原子态H和氢气将复盖在阴极表面，产生超电压的极化作用，只有在Ph<4时，电极作用才能持续进行。当pH>5时，腐蚀将会停止下来。当水中有溶解氧时，反应按(5)或(6)式进行，此时氧化为去极剂使腐蚀作用加剧。实际上，当pH≌6时溶解氧是决定腐蚀的主要因素。实践证明，这时腐蚀速度与溶解氧含量成正比。由于含铁地下水中铁质为F2+e形式存在，一般不含溶解氧。这时参与腐蚀、沉积的溶解氧的来源是一个值得探讨的问题。我们认为形成的水位降落漏斗以及间断抽水时的水位波动是造成井周围地下水充气溶氧的条件，这一因素的影响对埋藏浅的潜水层尤为突出。由于溶氧范围只限于地下水的表层和滤管上部，但是由于地下水流在滤管外围一般都有滤流重分布现象，从而使表层含氧较多的地下水向沿滤管的深层分布，是含铁地下水取水构筑物同样遭受腐蚀沉积的原因。
　　(3)水流速度的影响
　　在滤管及取水井设备的腐蚀过程中，水流速度影响甚大。大致有以下几方面。首先是水流的机械冲刷作用。实际上可以观察到，滤管或深井设备腐蚀严重的部位往往是水流集中、流速较大的部位。因此，减少滤管进水面的流速、使滤流均匀分布可以减缓滤管的腐蚀。其次是水流作用造成的浓差影响。水流速度大时，水中的溶解氧易于向滤管的阴极扩散，从而形成一种氧浓差电池，使腐蚀过程加剧。
　　实际上影响电化学腐蚀过程的因素还很多。如组成滤管的材料与构造形式，金属结构、表面加工处理与各种应力的不均匀性，地下水与滤管周围含水层的物理化学性质，生成物的物理化学性质，微生物作用与施工运行条件等。随着这些因素的变化，滤管的腐蚀情况往往表现出不同的形式。例如，我们通常采用的缠丝滤管一穿孔钢（或铸铁管）外缠镀锌铁丝，由于锌的电极电位(-0.76v)比铁的(-0.44v)还要低，因此滤管原电池的极性与前述滤管的相反，这时首先是镀锌铁丝遭到腐蚀，由此可见不同的材料与构造形式决定了电化学腐蚀过程。又如由于金属结构等因素的影响引起的局部原电池作用，使滤管骨架表面呈现麻坑状腐蚀，再如，腐蚀生成物较坚实时会影响氧向阳极扩散，产生氧浓差电池作用，还可能在坚实的沉积物下面造成一种厌氧条件有利于硫酸还原菌的生存繁殖，会使腐蚀过程加剧，这些情况在实际工作中都应加以区别。
　　(4)沉积问题
　　按(3)式生成的Fe(OH)3沉淀物就是造成滤管沉积堵塞的主要成份之一。可见，对金属滤管而言腐蚀与沉积是伴生的。对由铜网与穿孔钢管组成的滤管而言，在钢管发生电化腐蚀的同时即伴随着Fe(OH)3在铜网里侧面的沉积与堵塞。水流速度较大时，因冲刷作用铜网被堵塞的速度较慢；反之，铜网即被迅速堵塞。这就是一些管井在长时间停用以后出水量明显下降甚至不出水的原因。
　　此外，由(6)式可知，由电化学反应而产生的OH’将在滤管附近造成一种特殊的pH浓差变化，其分布情况与滤管的材料结构及水流状况有关，结果将产生不同部位的沉积堵塞。例如，对上述网式滤管而言，作为阴极的铜网上形成的OH’在水流的影响上，常常在铜网和穿孔钢管骨架的间隙内形成pH值较高的“隔层”。地下水中的Fe²⁺通过滤网后与这一“隔层”相遇，即迅速生成Fe(OH)3沉淀，结果使间隙和骨架孔眼被堵塞。PH值较高的“隔层”照理应偏向骨架的里侧。
　　滤管的堵塞同时还伴随着Ca、Mg及其他金属盐类的沉积。后一情况主要是因为地下水流向取水构筑物时水头损失增加破坏了地下水中的气相平衡与化学平衡，引起各种金属盐类的沉积。同样的情况也产生于大口井等取水构筑物的进水面上。
　　由此可见，地下水流向取水构筑物的水头损失越大，越易产生金属盐类的沉积。这是所有地下水取水构筑物进水面沉积堵塞的另一个主要原因。实际情况表明，在同样条件下，两个出水流量不同的取水构筑物，出水流量大的使用期短，出水流量小的使用期长；如就使用期的总出水量而论，前者的总出水量往往远低于后者的总出水量。为此，需要对井的出水流量和进口流速加以限制。
　　除上述沉积之外，还存在着硅酸、有机物（包括各类菌体，如铁细菌和硫酸还原菌）及泥沙的沉积与胶结。
　　因此，如果不去追究各种沉积堵塞的原因，单就地下水取水构筑物进水面上沉积物的沉积过程、组成情况、沉积形态而言就有很多不同的情况。为了便于解释某些实践问题，大致可作如下说明：
　　(1)进水面上的沉积过程
　　因为在滤管电化学腐蚀过程中形成的特殊pH值浓差环境的影响，以及Fe(OH)3的溶度积比其它金属盐低，所以在地下水中特别是含铁地下水中将主要产生Fe(OH)3的沉积。而最先沉积的部位是穿孔骨架的未穿孔部分，最初形成的疏松沉积物，很容易沿进水孔的周围吸着Fe(OH)3、硅酸胶体及其它化合物，从而使进水孔逐渐缩小。沉积物的结构将随时间，逐渐密实。过水面积越小或流速越大，上述沉积过程越快。此外，沉积过程还与滤管孔眼尺寸、形状有关，例如滤管的有效进水面积相同，流速相同，孔眼多而小的滤管及缝隙滤管堵塞较快。
　　上述现象不仅限于进水孔和井的有关部位，也存在于取水构筑物的填料层和含水层的颗粒间隙。实际证明，颗粒越粗、越均匀（即间隙大、透水性强、含污量大）越不易堵塞；反之，堵塞甚快。
　　从这个角度出发，也需对取水物构筑物的出水流量和水流速度加以限制。
　　(2)沉积物的组成与地下水的化学成分密切相关。
　　含铁地下水取水构筑物沉积物的化学组成，以铁质最多（以氧化铁计，含量一般在60%以上），此外有硅酸、其它金属（铝、钙、镁、锰）及硫化物、有机物及水份，铁细菌及硫酸还原菌。
　　必须指出，即使在同一取水构筑物上沉积物的化学组成也是不一样的。例如，滤网与骨架间隙沉积物的铁质含量一般较多，而滤管周围的填料层与含水层中沉积物的铁质相对较少（硅酸较多），这可能与腐蚀生成物的沉积，pH值环境变化有关；滤管上部沉积物中铁质含量较多，下部铁质含量相对减少，这可能与上部地下水溶解氧含量较多有关。
　　(3)沉积物形态
　　滤管上沉积物的堆积一般上部多下部少，沉积物的外观形态不一，大致有下列几种情况：
　　①砂砾岩状沉积——沉积物中硅酸含量相对较高，其它金属盐类含量也较多，铁质含量较少，沉积物中伴有相当数量的砂、砾石胶结，故强度较大。这类沉积一般难于清洗去除。
　　②疏松的层状与海棉状沉积——含铁地下水中多见。层状沉积有时伴有少量砂粒胶结，强度稍大；海棉状沉积结构疏松，这类沉积物中铁质含量越大，硅酸与其它金属盐类沉积相对减少。一般较易清洗。
　　③软糊状沉积——沉积物中有机物较多。有时可以在滤管上看到瘤状结节。金属滤管的腐蚀与沉积某些情况下即为同一过程的两种表现形式。因而同一取水构筑物经常是既受腐蚀又遭沉积，其结果不是大量漏砂就是严重堵塞，最终报废。除了与水质有关外，与取水构筑物的设计、构造、施工、运行管理也都有关。

二、有关含铁地下水取水构筑物的几个问题

　　1、取水构筑物的型式
　　水文地质条件是决定构筑物型式的基本因素。但是在含铁质过多的地下水中不能不考虑水质的影响。通常在同一水文地质条件下，如果进水面的平均单位负荷（取水量）相同，则大口井的出水量比管井要稳定，或者说大口井的使用期限比管井的长。这主要是因为大口井的实际进水面积比管井大，反滤层的透水性强，化学沉积速度较慢，此外不存在电化学腐蚀的影响。从经济上分析，两者的单位造价不分上下。目前因大口井的施工比较麻烦、工期长、特别是采用排水下沉法施工成井质量较差，往往影响大口井的使用效果。以佳木斯自来水公司四水源的一个大井口为例，地下水含铁量12-13mg/l，井径10m、井深16m，采用排水下沉法施工，历年井的出水量变化情况见表2：

　　由上述情况可知，该井施工排水与建成后扬水的单位出水量相差很大，使用五年后出水量又进一步下降。其原因是施工排水量过大，刃脚处的渗流速度超过极限，刃脚处形成大范围流土破坏了含水层的渗透稳定性。施工时，含水层及沉井外围土层严重坍塌，连土筐都可以从沉井外壁与塌方土被水流带进入井内。结果，在井未建成时已使含水层被泥土淤塞。该井反滤层的敷设也是在类似情况下进行的，很可能在“流土”部位边投填料边产生混杂。其结果不但没有形成透水性强的稳定的支撑层，反使进水面的透水性下降。从而使建成前后的单位出水量相差3.5倍之多。这样井的使用效果显然受到影响，使用过程中也更可能产生沉积和胶结。据观测，该井刃脚附近有中细砂堆积的砂包，砂包附近砂砾混杂，表明这些地方有流土现象。另外，有一次在该井的井底掏砂时，当挖深至2m左右偶然发生井底坍方，引起井底滤层松动，结果动水位陡升2m，持续2-3天之后又恢复原状，这说明该井井底有淤塞胶结现象。佳木斯纺织厂的一个大口井，地下水含铁量8-15mg/l，井径6.0m。井深12m，井的出水量逐年减少。于是采取掏井办法增加出水量，据估计每掏一次（井平均下降20-30cm）可使出水量增加30-40 m3/h，每次掏井可维持3-4年，掏出砂粒呈红色，也可见流土现象。再如，佳木斯造纸厂的大口井，采取排水下沉，直径6m、井深13m，56年投产时每口井平均出水量达10000 m3/d，两年后下降到5000 m3/d，73年下降到3000 m3/d。
　　对于管井，也因施工方法的影响成井质量不高，普遍存在前述各方面问题，影响其使用效果。此外，其它型式的取水构筑物也有类似情况。
　　2、施工方法
　　①大口井
　　施工质量是大口井成败的关键。有些施工单位往往把大口井沉降到设计标高作为施工的主要目标，致于成井质量则很少考虑，因此在选择下沉施工方法时很少考虑沉井结构的大口井的特点——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。我们认为对大口井必须采用不排水下沉施工法，否则很难解决施工排水引起的一系列问题。而用抓斗法不排水下沉又有许多局限性，不便于采用。我们推荐采用“套管抽砂下沉法”。
　　“套管抽砂下沉法“的要点是把管井的套管钻进法用于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，套管下端伸入刃脚下的距离约相当于井底半径，使套管下端与刃脚联线和水平面交角约为45°，即相当于砂在水中的内摩擦角。提砂工具是抽筒。随井中心泥砂被取出，刃脚附近泥砂即向中心聚集井身随即下沉。这种下沉方法的优点是设备简单、适应各种地层、进度快、节省人工。新建大口井的填料层也建议采用不排水敷设，以保证井的施工质量。
　　②管井
　　多采用泥浆封闭凿井法施工（以下简称泥浆法）与套管封闭法（简称套管法也称“清水钻”）相比，这种方法的优点是节省套管管材，施工操作比较简单，进度快。但是对于供水管井而言，泥浆法的最大缺点是胶结加固井孔的泥壁很难用一般洗井方法清洗干净，结果对井的出水量影响很大。据观察分析，通常仅局部范围的泥壁被洗掉，使滤管局部范围的滤流集中，实际流速增加，结果易使对应部位迅速腐蚀、沉积堵塞或者破坏含水层的渗透稳定性——形成管涌，从而使管井早期报废。
　　泥浆法施工形成的泥壁厚度及强度与灌注泥浆的数量及性质有关，据观测有时泥壁厚度可达数厘米。以佳木斯四水源的两口管井为例，其一采用泥浆法（直接投泥块）施工，井的单位出水量为23 m3/h·m；另一用套管法施工，井的单位出水量为75 m3/h·m。两者相差达三倍。（见表3）

　　可见，尽管泥浆孔直径比套管孔大，其出水量反小。即使同为泥浆孔，因洗井效果不同出水量相差也很大。
　　因此，从长远效果考虑，我们认为对城市及工业水源在条件允许时还是以采用套管法施工为宜。对于含铁地下水尤须如此。这样可以在很大的程度上减少前述许多不良因素的影响。否则，也须对使用的泥浆数量与性质严加控制，必要时应在其中投以附加剂使泥壁易于清洗，在洗井方法上也须考究。
　　对于其它“清水钻”法：如“水力反循环钻”法、“水射钻进法”有条件时也须试验研究。这类施工方法的特点是操作简单、进度快、有利于提高成井质量；但是井孔易坍塌（不适于组粉砂层），要求迅速下管，施工组织计划工作应严密。
　　③构造
　　目前关于滤管防蚀的做法大致有下列几方面：用防腐涂料，如沥清、油漆涂料及环氧树脂涂抹滤管金属面，采用非金属材料制作滤管，一般多用塑料管和其它非金属管取代钢管和铸铁管，用尼龙丝、塑料丝等代替镀锌铁丝或铜丝。近来在城市或工业给水中开始试用水泥砾石滤管。有的地方仍用一般缠丝滤管，并试用环氧水泥、环氧磁粉等固定镀锌铁丝以避免一般焊锡固定部位的腐蚀等等。这些在防止滤管腐蚀方面都取得一定效果。但是关于减少滤管沉积堵塞的措施尚少见。上述作法也不能从根本上解决含铁地下水中的腐蚀特别是减少沉积堵塞的矛盾。如缠丝问题，不管用什么材料都避免不了因气相平衡破坏而产生的沉积堵塞。
　　为了使防止腐蚀与减少沉积堵塞都得以兼顾，我们觉得不能单从材料上着眼而须从结构上采取措施。为此我闪设想取消缠丝，用一般穿孔管代替缠丝滤管以避免因缠丝而产生的许多问题。这样要求在穿孔管外围填多层（均匀）反滤层或单层（混合）反滤层——单层混合填料。由于施工条件的限制，我们采用了后一种反滤层。从原则上讲，单层混合填料一方面可以截留含水层中的细颗粒到粗颗粒的过渡，使穿孔管的孔眼有足够大的尺寸。采用单层混合填料可能产生的问题是：填料层较密实透水性较差，其水力条件和防止沉积的条件不如多层（均匀）反滤层。施工投料时可能产生水力分层现象，影响反滤层和含水层的渗透稳定性。
　　某地含水层情况：主要含水层为粗砂夹砾石。
　　滤管构造：穿孔铸铁管，直径400mm，孔眼直径20mm，孔隙率约20%。
　　填料：按截面0.1mm以上颗粒及在孔眼（直径20mm）外保持稳定的要求考虑，
　　其组成为：
　　5-10mm(40%)，40-20mm(25%)20～30mm(15%)
　　填料层厚130mm。
　　投料情况：用土筐连续投入，每填0.5m拨一次套管。
　　填料完毕后，发现井内有部分填砾进入，厚约5m，粒径多为5-10mm，少量为10-15mm。全部掏出。
　　竣工一年后开始抽水试验。抽水前发现井内24m以下堵塞，后查明因填料在24m深度处有空洞，致使含水层砂粒进入。空洞可能由于在套管直径变化处（从780缩小至700）填料颗粒卡住造成。鉴于上述情况扬水试验是在井的上半部(0-24)进行的，抽水十天，单位出水量56 m3/h·m。抽水初期有少量砂粒进入，淤20cm，以后没有发现进砂。扬水过程中因经常停电，水泵不得不时停时开，即使这样含水层和反滤层的渗透稳定性也很好。与一般情况相比这个井的单位出水量较高。由此可见，除存在一些施工质量问题外，由穿孔管和单层混合填料组成的滤管使用情况良好。
　　④设计出水量
　　前面不止一次地提到，含铁地下水取水构筑物的出水量不宜过大。总的说，我们倾向于取较低的设计出水量。设计出水量的大小完全是相对的概念，对于不同情况下的取水构筑物，用什么指标来统一衡量和控制设计出水量即设计负荷大小，是个一值得探讨的问题。我们初步考虑用水位降作为统一的衡量控制指标比较适宜。例如规定取水井的设计水位降不宜超过某个范围，则单位出水量大的取水井的设计出水量大，反之则小。实际上单位出水量已包括了各种因素的影响，尽管设计水位降取相同标准，但单位出水量大的容许有较大的设计出水量，单位出水量小的容许较小的设计出水量。这就是说各方面条件好的取水井可以多取些水，否则应少取些水。
　　设计水位降的大小应参照水质条件确定。对于含铁地下水取水构筑物，我们认为其值应低于一般情况下取水构筑物设计水位降。对于第六水源的管井我们将设计水位降限制在2.0m左右，相应的设计出水量为120 m3/h。
　　⑤运行管理
　　原则上应取低负荷连续运行。
　　含铁地下水取水构筑物的构造应有利于酸洗。从这方面讲，取消缠丝也是有利的。
　　有条件的地方应在管井外围的不同深度予埋白铁管，以便观测和必要时注酸清洗之用。