朱生亮，張建利，吳克華，李安定，車家驤

（貴州科學(xué)院貴州省山地資源研究所，貴陽 550001）

巖溶工程性缺水區(qū)農(nóng)村飲用儲存水凈化方法

朱生亮，張建利，吳克華，李安定，車家驤

（貴州科學(xué)院貴州省山地資源研究所，貴陽 550001）

我國西南地區(qū)降雨豐富，由于分布廣泛的巖溶地貌卻存在著嚴(yán)重的工程性缺水問題，大量居民飲水得不到保障。為了適應(yīng)偏遠(yuǎn)山區(qū)分散供水緩解工程性缺水問題的需要，結(jié)合水資源利用實際情況，設(shè)計了利用簡單、耗費小的水質(zhì)凈化簡易設(shè)施，采用了物理凈化處理和消毒的方法減少儲蓄水中的有機(jī)質(zhì)。實驗結(jié)果表明：儲蓄水凈化微生物大幅度減少，水中有機(jī)質(zhì)含量明顯降低，微生物指標(biāo)達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)。水質(zhì)凈化設(shè)施運行成本較低，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

工程性缺水；飲水安全；水質(zhì)凈化

我國西南巖溶區(qū)是世界三大連片巖溶發(fā)育區(qū)之一，裸露巖溶區(qū)面積約為5．4×105km2［1］，主要分布在以貴州為核心的云貴高原地區(qū)，包括黔、桂、滇、川、渝及湘部分區(qū)域。氣候溫濕、降雨豐沛，受強烈的水動力條件以及早期的地質(zhì)構(gòu)造運動影響，形成了巖溶區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)地貌，地形延綿起伏，地勢陡峭，地域景觀垂直差異明顯［2］。由于特殊的地質(zhì)環(huán)境條件，致使地表持水蓄水能力差，雨水滯留時間較短，易滲入地下水系統(tǒng)中而流失，同時地下水開發(fā)利用難度大，巖溶區(qū)居民用水困難，顯現(xiàn)為工程性缺水問題。

由于特殊的地理環(huán)境，巖溶山區(qū)儲水的利用越來越多，飲用水在儲存過程中，受環(huán)境因素的影響，水質(zhì)發(fā)生較大的變化，其結(jié)果往往是對使用者造成負(fù)面影響。為緩解巖溶山區(qū)工程性缺水問題，在保障水量供應(yīng)方面修建了大量小型蓄水設(shè)施，而滯留了水質(zhì)保護(hù)問題的解決。

1 水質(zhì)凈化實驗區(qū)的背景

實驗區(qū)位于貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)劉家灣村，離我國最大天文射電望遠(yuǎn)鏡站點大窩凼約2．5 km，處于大小井地下暗河的核心地段。地處平塘西部連片分布約200 km2的峰叢洼地群之內(nèi)，這里主要以峰叢與巖溶漏斗、落水洞、天坑正負(fù)地形組合，巨型錐狀洼地密集分布，平均1 km2有3～4個洼地，直徑為300～600 m，呈圓形或長條形，底部常有落水洞、天坑發(fā)育，與山頂高差為200～400 m，并伴有規(guī)律性的沿某一裂隙或地層走向呈串珠狀組合或延伸分布，基本上無蓄水層帶。

由于巖溶脆弱的生態(tài)環(huán)境，地下巖溶裂隙較為發(fā)育，土壤植被蓄水能力差，從而地表水資源流失快，峰叢洼地區(qū)基本上無地表水系，地表水資源匱乏，地下水受地質(zhì)構(gòu)造以及巖溶作用的影響埋藏較深，且匯集流通管道復(fù)雜，定位開發(fā)利用難度大。加之地質(zhì)條件復(fù)雜，水利工程造價及供水成本高，工程受益區(qū)分散，并缺乏經(jīng)濟(jì)條件來建造、支撐取水工程而形成了區(qū)域性工程性缺水。該峰叢洼地區(qū)就是典型工程性缺水區(qū)，分散供水現(xiàn)狀及問題如下。

1．1 居住分散，難以集中供水

工程性缺水區(qū)居民點相對分散，峰叢洼地單個溶蝕洼地居戶在20戶以下，居民點之間被峰叢隔離，交通不便。在此條件下，利用集中攔蓄和集中供水開發(fā)利用水資源模式難以實現(xiàn)，而且區(qū)域沒有經(jīng)濟(jì)條件提供足夠資金修建大量的大中型儲水工程和高額的供水工程，在此大中型水利工程很難發(fā)揮作用，因而滯緩了水利設(shè)施的建設(shè)。

1．2 就近取水，用水前無處理

巖溶區(qū)居民利用村寨附近出露部分的裂隙水，通過聯(lián)通管道在重力作用下，將裂隙泉水直接引入家中。這樣只需要引水管道等簡單的設(shè)施，利用方便、費用少，技術(shù)簡單。用軟塑膠管直接引水的方法，很大程度上解決了農(nóng)村人畜飲水和生產(chǎn)用水困難的問題，但取水水質(zhì)受環(huán)境影響較大，很難得到清潔的飲水。

1．3 儲存利用水質(zhì)待改善

巖溶山區(qū)居民用水主要是裂隙水和地表集水，兩者自然供水量受季節(jié)變化影響分布不均，豐水期水量較多而枯水期水量較少甚至干涸。為此修建了一些微型儲水工程（小水窖、水池、水柜等）蓄水協(xié)調(diào)利用。但這類儲水設(shè)施一般建造成本低，構(gòu)筑簡單，且儲蓄時間較長、更新慢，水質(zhì)容易惡化。

在峰叢洼地區(qū)平塘縣劉家灣選擇了4個水樣點，于2012年6月26日按水樣監(jiān)測實驗要求進(jìn)行采樣，并于4 h內(nèi)送往實驗室化驗分析，分析水質(zhì)指標(biāo)見表1，參照標(biāo)準(zhǔn)為生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749—2006［3］。

檢測結(jié)果顯示：水質(zhì)略微偏堿，pH值在8左右，這是由于碳酸鹽巖區(qū)偏堿性環(huán)境所致。檢測水質(zhì)指標(biāo)大多數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)限值，感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)及毒理學(xué)指標(biāo)基本上都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而微生物指標(biāo)全部超標(biāo)，尤其是屋面集水嚴(yán)重超標(biāo)。屋面集水可以作為生活用水，一般不建議作為飲用水使用。

2 水質(zhì)凈化工藝的設(shè)計

研究表明：引起飲用水微生物污染的主要原因是飲用水中存在有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)［4］。在凈化過程中，可以通過過濾、吸附等方法減少儲存水中有機(jī)物質(zhì)，消減水中微生物的生存空間，并截留部分水中微生物，接著進(jìn)行殺毒，消滅水中病原菌等有害微生物。實驗蓄水凈化處理流程：預(yù)存→過濾→吸附→消毒→存儲（見圖1）。蓄水分別通過物理過濾、截留和分子吸附及消毒等處理裝置，利用地勢產(chǎn)生的重力作用通過各裝置間的導(dǎo)水管，進(jìn)行分步凈化處理。

2．1 處理裝置的結(jié)構(gòu)

為了便于填料的沖洗、更換，凈化裝置設(shè)計為分離式的，裝置間有導(dǎo)管相連，裝置中水流自下而上。實驗裝置的填料如下：過濾池下層為河砂，裝填厚度為20 cm，上層為珍珠巖（也可采用石英砂），裝填厚度為20 cm；截留池為陶瓷環(huán)，裝填厚度為40 cm；吸附池為活性炭，裝填厚度為40cm，上述各實驗裝置內(nèi)徑為25 cm。蓄水凈化速率受各凈化裝置過水速率限制，可以通過預(yù)存水池調(diào)節(jié)水閥控制凈化水流速度，為獲得較好的凈水效果，需要慢速凈化，較低的水力負(fù)荷有助于水中雜質(zhì)的附著去除［5］。通過實驗測定本裝置凈化處理儲蓄水的采用的最大濾速為15．36 m3／（m2·d）。

表1 劉家灣儲存水主要水質(zhì)指標(biāo)Tab le 1 M ajor indexes of storage water quality in Liu jiawan

圖1 凈水工藝流程圖Fig．1 Process flow of water purification

過濾池采用珍珠巖和河砂阻隔、吸附水中懸浮物質(zhì)，包含有機(jī)質(zhì)和微生物，消減出水雜質(zhì)。經(jīng)過試驗并參照相關(guān)凈化水質(zhì)過濾研究，發(fā)現(xiàn)凈化效果受濾料粒徑、厚度影響較大。粒徑大小關(guān)聯(lián)著填料的孔隙度，影響著過水速率，并同填料厚度共同影響水流滯留時間。在一定的范圍內(nèi)采用更小粒徑的濾料，短期內(nèi)可以提高凈化效果，但粒徑過小，不僅降低了凈化速率，而且限制濾料的截污能力。同樣填料厚度也不宜過高，為降低成本，定期進(jìn)行淘洗、更新就可以獲得較好的凈化效果。過濾池填料：河砂、珍珠巖，粒徑確定為0．5～5 mm。

截留池利用粒徑10 mm的陶瓷環(huán)中空粗糙的表面截留藻類等微生物。在水質(zhì)凈化過濾中，濾料表面的粗糙度作用很大，濾料的表面越粗糙，濾層的截污能力也越大，過濾效率越高。利用瓷環(huán)就是使水中的雜質(zhì)在瓷環(huán)表層不斷地被截留，并在表面逐漸形成一層附著層，該層不僅截留消減水中懸浮物、膠體雜質(zhì)，還可以附著水中藻類、細(xì)菌等微生物，去除有機(jī)物質(zhì)。

吸附池運用活性炭的多孔性，具有高度發(fā)達(dá)的孔隙構(gòu)造，吸附一些可溶性的膠體和大分子有機(jī)物。

2．2 消毒劑的選擇與使用

凈化試驗結(jié)果表明：通過凈水裝置過濾、吸附之后，水體中的菌落等微生物的數(shù)量有大幅度的減少，但不能滿足生活飲用水衛(wèi)生安全的標(biāo)準(zhǔn)的要求。而且凈化處理后飲水的繼續(xù)儲存還要求對水中的微生物進(jìn)行處理。參考對比現(xiàn)行飲用水殺毒工藝，認(rèn)為處理巖溶蓄水二氧化氯是最合適的消毒劑［6］。二氧化氯安全、無毒，凈化飲用水十分有效，且具有除臭與脫色能力、低濃度下高效殺菌和殺病毒能力。

資料顯示：二氧化氯殺菌速度快，不受水硬度和鹽份多少的影響，能維持長時間的殺菌作用，能高效率地消滅原生動物、孢子、霉菌、水藻和生物膜，不生成氯代酚和三鹵甲烷，能將許多有機(jī)化合物氧化，從而降低水的毒性和誘變性質(zhì)［7］。這些都是二氧化氯作為巖溶山區(qū)飲用水消毒劑所具有的優(yōu)勢。

消毒劑使用時為配置濃度為4 750～5 000 mg／L的二氧化氯溶液，經(jīng)過稀釋，按與待凈化水流量形成一定的比例，通過裝置勻速滴加在消毒池混合，混合水中消毒液含量為0．4 mg／L。消毒池設(shè)計為槽型溝，通過水流在此可以自然攪拌，充分混合。

2．3 凈化費用與效果

經(jīng)過反復(fù)試驗檢驗，經(jīng)核算最終確定的實驗裝置（含填料）的費用在450元以下，設(shè)計使用3 a。水質(zhì)凈化裝置淘洗頻率確定為2月一次，活性碳更新頻率6月一次（單次更新費用100元左右）。水質(zhì)凈化實驗裝置日處理量為1．5 t，年處理量為545 t（除每次更新用時8 h），經(jīng)折算儲存飲用水處理費用為1．05元／t，其中水消毒費用為0．6元／t。

對比檢驗過濾效果見表2。

表2 凈水過濾微生物檢測表Table 2 Detected m icroorganisms before and after the purification

實驗使用0．4 mg／L二氧化氯對微生物指標(biāo)超標(biāo)的蓄存水水樣進(jìn)行消毒，大腸桿菌全部被殺滅，菌落總數(shù)小于4 CFU／mL，凈化處理后蓄水經(jīng)7 d后再次監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)微生物指標(biāo)超出飲用水衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)。

3 水質(zhì)凈化利用的推廣

我國西南地區(qū)巖溶廣泛分布，特別是處于中心地帶的貴州省，巖溶石山區(qū)面積為12．96萬km2，占全省總面積的73．1%，是我國農(nóng)村貧困面積最大、貧困人口最多的省份之一，同時也是工程性缺水問題最為突出的省份。2011年貴州省農(nóng)村人口2 256．24萬人，占總?cè)丝诘?5%，其中農(nóng)村貧困人口為1 149萬人，農(nóng)村人均純收入4 145元，僅為全國平均水平的59．4%。農(nóng)村供水方式落后，農(nóng)村居民飲用高氟水、高砷水、苦咸水、污染水，局部地區(qū)飲用水嚴(yán)重不足等問題十分突出。2005年，貴州省開展農(nóng)村飲水安全人口的現(xiàn)狀調(diào)查評估，結(jié)果顯示：全省農(nóng)村飲水不安全人口共有1 658．56萬人，占農(nóng)村人口的51．4%。其中：飲水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的537．11萬人（包括：氟、砷超標(biāo)和苦咸水的共92．11萬人，受污染水及其它水質(zhì)影響的農(nóng)村人口445．0萬人），占不安全人口的32．4%。

為解決農(nóng)村飲水安全問題，國家及地方政府加大了農(nóng)村飲水安全的投入，并出臺了一系列的政策措施。一方面推廣鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水覆蓋周邊農(nóng)村的供水模式，并發(fā)展長距離集中式輸水工程。期間全省修建長距離集中式輸水工程1 025處。另一方面加強地下水的勘探，鉆井開采利用地下水。同時也加強了農(nóng)村安全飲水工程維護(hù)管理。2006—2009年，共投入修建了6 391處農(nóng)村飲水安全工程，集中解決了695萬人的飲水安全問題。然而大部分偏遠(yuǎn)山區(qū)受條件限制，需要分散供水的沒有得到投入和重視。

由于地處偏遠(yuǎn)的工程性缺水區(qū)不能實施集中供水，要解決飲水安全問題，并且利用分散的供水模式適應(yīng)山區(qū)居民的需要，就需要靈活有實效的水質(zhì)凈化改善方式。對蓄水凈化的措施要求：一方面要成本低，易運行維護(hù)；另一方面要有良好的凈化效果，而且要保持穩(wěn)定的凈化性能。前期項目檢驗結(jié)果表明裂隙水微生物指標(biāo)受季節(jié)變化影響不大（見表3），由此可知蓄水凈化作用結(jié)果相對穩(wěn)定。

表3 裂隙水微生物指標(biāo)Tab le 3 Indexes ofm icroorganism s in fracture water

作為偏遠(yuǎn)山區(qū)居民的主要飲用水源之一，裂隙水本身是一種比較清潔的水源，但在儲存過程中受微生物孳生影響，水質(zhì)惡化。利用水質(zhì)凈化措施，一方面過濾減少微生物的營養(yǎng)源－有機(jī)質(zhì)，另一方面，消毒劑二氧化氯可以快速殺滅微生物，并在儲存過程中抑制微生物的生長。蓄水凈化措施的這些特點都有利于該方法在巖溶山區(qū)推廣應(yīng)用。

為進(jìn)一步減輕山區(qū)居民對凈水利用的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，建議地方政府推進(jìn)分散式飲水凈化處理試點建設(shè)，加強對山區(qū)農(nóng)村飲水安全的關(guān)注和資金投入，資助居住分散的偏遠(yuǎn)山區(qū)居民，引導(dǎo)居民處理不安全飲用水水質(zhì)，使飲水安全水質(zhì)方面得到保障。飲水安全問題的解決，可以使山區(qū)居民與水有關(guān)的疾病發(fā)病率大幅度降低，同時還能緩解了農(nóng)業(yè)用水的壓力，促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而提高農(nóng)副產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。

4 結(jié) 語

根據(jù)巖溶山區(qū)的水資源轉(zhuǎn)化規(guī)律和實地條件，結(jié)合分散型的小、微型水利工程，利用區(qū)域有限的水資源加以凈化處理，使用方便且費用低的水質(zhì)凈化設(shè)施，是緩解飲水安全問題的重要措施。本套凈水裝置運行操作簡單，可以反復(fù)使用，成本低，容易構(gòu)建，并且可以有效地改善水體的感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)，另外還設(shè)計了消毒殺菌裝置，可以一戶或幾戶共同使用，容易推廣應(yīng)用，適合工程性缺水區(qū)分散的居民點使用的需要。

［1］ 鄒勝章，朱明秋，唐建生，等．西南巖溶區(qū)水資源安全與對策［J］．地質(zhì)學(xué)報，2006，80（10）：1637－1642．（ZOU Sheng-zhang，ZHU Ming-qiu，TANG Jian-sheng，et al．Water Resources Security in Karst Area of Southwest China：Problems and Countermeasures［J］．Acta Geologica Sinica，2006，80（10）：1637－1642．（in Chinese））

［2］ 朱文孝，李 坡，賀 衛(wèi)，等．貴州喀斯特山區(qū)工程性缺水解決的出路與關(guān)鍵科技問題［J］．貴州科學(xué)，2006，24（1）：1－7．（ZHU Wen-xiao，LIPo，HEWei，et al．Solutions and Major Scientific Problem on Engineering Water Shortage in Karst Mountain Area of Guizhou［J］．Guizhou Science，2006，24（1）：1－7．（in Chinese））

［3］ GB5749—2006，生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］．（GB5749—2006，Standard for Drinking Water Quality［S］．（in Chinese））

［4］ 張 燕．喀斯特峰叢山區(qū)飲用水開發(fā)及其水質(zhì)保護(hù)——以普定哪叭巖地區(qū)為例［D］．貴陽：貴州大學(xué)，2006．（ZHANG Yan．Exploitation and Protection of Drinking Water for People and Live-stock in Karst Areas：Case Study of Nabayan，Puding County［D］．Guiyang：Guizhou University，2006．（in Chinese））

［5］ 王永勝，李培紅，姜玉剛，等．農(nóng)村地窖水處理方法［J］．水處理技術(shù)，1999，25（4）：223－225．（WANG Yongsheng，LIPei-hong，JIANG Yu-gang，et al．The Treatment of Cistern Water in Countryside［J］．Technology of Water Treatment，1999，25（4）：223－225．（in Chinese））

［6］ 孫治榮，王寶貞．飲用水處理中的幾種消毒劑［J］．環(huán)境保護(hù)科學(xué)，1999，25（1）：10－12．（SUN Zhi-rong，WANG Bao-zhen．Some Disinfectants Used in Drinking-water Treatment［J］．Environmental Protection Science，1999，25（1）：10－12．（in Chinese））

［7］ 代園園，員 建，苑宏英，等．二氧化氯作為消毒劑在飲用水處理中的應(yīng)用［J］．凈水技術(shù)．2011，30（1）：4－7．（DAIYuan-yuan，YUAN Jian，YUAN Hong-ying，et al．Application of Chlorine Dioxide Disinfectant in Drinking Water Treatment［J］．Water Purification Technology，2011，30（1）：4－7．（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Device of Purifying Storage Drinking Water in Rural Karst Engineering Water Shortage Area

ZHU Sheng-liang，ZHANG Jian-li，WU Ke-hua，LIAn-ding，CHE Jia-xiang
（Institute of Mountain Resources Research，Guizhou Academy of Sciences，Guiyang 550001，China）

In spite of abundant precipitation，the engineeringwater shortage is severe and resident’s drinkingwater cannot be guaranteed in southwest China because ofwidely distributed karst landform．To alleviate the water shortage，and tomeet the requirements of dispersed water supply in remote mountain areas，a simple and easy-to-use water purification device with small consumption is designed．The organic matters in the storage water are reduced by physical purification and disinfection．Test results show that themicrobes in the storagewater are remarkably reduced，the contents of organic matter decreased，and themicrobial indicatorsmeet drinking water sanitary standards．The water purification device has low running cost and broad application prospect．

engineering water shortage；drinking water safety；water purification

TV213．4

A

1001－5485（2013）11－0020－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．005

2013－06－20；

2013－07－02

貴州省社會發(fā)展科技攻關(guān)項目（黔科合SY［2011］3075）；貴州省重大專項項目（黔科合重大專項［2012］6015號）；貴州科學(xué)院青年基金項目（黔科院J合字［2012］05號）；貴州省科技基礎(chǔ)條件平臺課題（黔科合院所創(chuàng)能［2010］4001）

朱生亮（1984－），男，河南信陽人，助理研究員，主要從事水資源與水環(huán)境，（電話）0851－6824329（電子信箱）shengliang8419＠163．com。

車家驤（1963－），男，貴州貴陽人，高級工程師，現(xiàn)主要從事環(huán)境工程研究，（電話）13908513915（電子信箱）che79＠163．com。