基于三维荧光光谱和水质特征因子检测技术的排水管网地下水入渗分析研究

　　摘要:针对目前常规管道检测技术在地下水入渗探查过程中存在的问题,将三维荧光光谱检测技术和水质特征因子检测技术相结合,选取上海某大型污水干线,进行了地下水入渗情况的定性、定量分析,并对两种方法进行对比。结果表明三维荧光光谱技术能够快速、高效地定性判断地下水入渗情况,水质特征因子检测技术能够定量解析来水成分及其比例,进而聚焦重点区域。在此基础上,结合常规物探调查方法,获取导致来水变化异常的原因,对解析结果进行验证。在实际应用中,对于较大范围内的来水溯源和排查,具有较好的实用性,可将两种技术与常规管道检测技术结合,以充分发挥各自优势。

　　关键词:三维荧光光谱;水质特征因子;地下水;入渗

　　0 引言

　　地下水入渗是城市雨污水管道的“常见病”,在常规检测手段上,一般通过CCTV等管道物探调查的“管账”技术发现管道渗漏点,过程中有时会辅以常规水质检测。这一方法虽然有效,但往往存在耗时长、成本高、效率低的问题,同时无法定性或定量解析管道来水情况。基于上述问题,本文将三维荧光光谱检测和水质特征因子检测的“水账”技术相结合,选取上海某大型污水干线实施了地下水入渗的定性、定量诊断分析且取得了实际效果为案例进行讨论。

　　1 三维荧光光谱和水质特征因子检测技术

　　1.1 三维荧光光谱检测技术

　　城市排水系统中存在着大量有机物污染,而溶解性有机物(DOM)是有机污染的最主要成分,占据80%~90%,因此利用 DOM 表征城市排水系统污染具有代表性和普遍意义。DOM 中含有大量具有各种官能团的芳香结构与不饱和脂肪链等荧光基团,不同的DOM 组分具有不同的结构特征,通常认为不同类型的有机物具有特定的荧光基团。通过三维荧光扫描检测,可以获取反映 DOM 中大多数有机结构体的复杂指纹矩阵图谱,再通过PARAFAC模型分解为若干个典型组分的单一指纹矩阵图谱。由于DOM 的组分性质及其对应的指纹图谱特征,主要是由其来源和传输过程中所受到的生物、地理、化学作用决定,因此根据荧光峰强度和波长位置的解析结果,能够反映DOM 组分的浓度和结构变化,包括腐殖酸、类蛋白(苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸)等不同荧光组分,实现有机污染特征的分析和污染来源的指示。

　　1.2 水质特征因子检测技术

　　美国环保署1993年颁布的雨污混接调查技术指南中,提出采用水质特征因子法诊断管道中水体来源,主要根据各来源水体(包括生活污水、工业废水、地下水等)的水质特征不同,选取能够表征不同来水的水质特征因子,通过检测管道旱天出流水质,利用流程图法或化学质量平衡模型法定性、定量判定雨水管网旱天水量来源及不同比例[1-2],近年来,国内已经有实践案例,表明了该方法的适用性。根据已有研究[3-4],对于地下水来说,硬度是表征浅层地下水的水质特征因子指标。对于生活污水来说,传统的水质特征因子主要包括微生物、总氮、氨氮、表面活性剂等,近年来又开始出现了一些新型水质特征因子,如柠檬酸、安赛蜜等。对于工业废水,主要根据不同工业类型的特点进行水质特征因子选取。

　　2 研究结果

　　本文开展研究的对象是上海某大型污水输送干线,建成至今约十余年,干线总长约25.3km,共有29条市政支线直接接入干线总管。在服务区域内,居住小区的建设年代差异较大,品质不一;存在大量规模不等、生产活动各异的工厂企业;区域内水系相对丰富,其中主要河道就有3条。近年来,该区域未实施过系统性的管道探查,对干(支)线地下水入渗情况也缺乏全面诊断。

　　2.1 三维荧光光谱检测结果

　　2.1.1 本底物质组分检测三维荧光光谱检测技术的应用需要对各来源水体进行水样采集,获取不同来水的三维荧光本底物质组分。本研究选取了干线服务区域内不同建设年代、品质和入住率的6个居住小区,17家不同的工业企业、3条河道以及9个不同地下水点位,分别进行生活污水、工厂企业、河水以及地下水水样的采集,进行三维荧光的本底物质组分检测。由此可知,微生物源腐殖酸 C2组分是地下水和河水中的特有物质,色氨酸 C4组分是生活污水和产业废水中的特有物质,酪氨酸 C5组分是河水中的特有物质,因此可以根据来水中的不同物质组分,解析和指示不同的来水情况。

　　2.1.2 支线检测结果在上述研究结果的基础上,对干线的各支线接入井水样进行三维荧光检测及组分分析,共分解出4个组分,包括陆源腐殖酸 C1组分、微生物源腐殖酸C2组分、难降解腐殖酸 C3组分和色氨酸 C4组分。由于各支线三维荧光检测均未发现酪氨酸 C5组分,基本表明不存在河水倒灌现象,进一步结合表1中微生物源腐殖酸 C2组分是地下水和河水中的特有物质,因此微生物源腐殖酸 C2组分可以表征地下水。由于色氨酸C4组分表征生活污水和产业污水,可以将组分2和组分4的最大荧光强度进行比较,以得到地下水与生活污水和产业污水的相对比例,结果如表2所示,部分支线组分2和组分4的最大荧光强度比值较大,表明其地下水渗入比例相对较高。

　　2.2 水质特征因子检测结果

　　2.2.1 水质特征因子筛选和本底值建立与三维荧光光谱技术类似,水质特征因子技术同样需要对不同来水的水质特征因子进行筛选并建立本底值,主要通过对研究区域进行水质检测,同时参考已有的一些研究成果和数据。对服务范围内6个居住小区进行水质指标检测,结果如表3所示,其生活污水中 NH3-N 和 TN浓度均值分别为59.2mg/L和81.3mg/L,与本区域内的地下水、工厂企业等的差异较大,其数值也与以往研究结果相近,由此确定 NH3-N、TN 指标作为表征生活污水的水质特征因子。同时将总硬度和电导率作为地下水的特征因子。经过对服务范围内的9个地下水点位进行水质特征因子指标检测,剔除异常数据后,其数值和其他类型水质呈现明显差异,由此确定总硬度指标为表征地下水的水质特征因子,符合典型南方地区Ca-Mg离子型性水文地质的特性。

　　选取服务区域内的17个工业企业进行水样采集和水质检测,发现其中4家企业的 NH3-N和 TN浓度明显低于生活污水,但 Na+ 平均浓度为346.5mg/L,明显高于生活污水,为其7.6倍,经与企业的生产活动进行核对,这4家企业存在经常性的生产活动,同时与地下水中 Na+ 平均值55.2mg/L、生活污水Na+ 平均值45.7mg/L、以及其他13家单位污水 Na+ 平均值36.8mg/L相比,差异较为显著,因此将 Na+ 作为表征高无机离子浓度产业污水的水质特征因子。而其他13家企业未发现明显表征的特征因子,其 Na+ 浓度与生活污水较为接近,NH3-N、TN、TP、K+ 、BOD5 等的检测值均低于本区域生活污水的数值,可认为属于一般企事业单位污水。

　　2.2.2 解析结果根据上述特征因子的筛选结果,将 NH3-N、TN、总硬度、Na+ 作为研究区域不同来水的水质特征因子,采用化学质量平衡法,对各支线来水进行定量溯源,其中地下水在各支线中的比例见表4。总体上看,干线服务区域内的地下水渗入情况尚可,局部偏高,其中有6条支线地下水渗入比例达到20%以上,包括支线23、支线28、支线24、支线21、支线20和支线29。

　　2.3 与物探调查方法

　　结合为了验证以上分析结果是否真实反映了实际管道情况,本研究选取了地下水入渗比例最高的支线23,进一步进行管道排查。通过将支线23分为5段,在每段末端测定水质,对来水情况进行解析,结果表明在支线23-3至支线23-2点位之间,地下水比例增幅明显,由7.19%增加至21.83%。进而将该段管道作为重点区域,结合物探调查方法,进行管道探查,结果表明该管段内存在中度脱节的结构性缺陷,是地下水入渗比例偏高的原因之一。同时,对该段沿线共6家排水户进行了出流水水质检测,结果显示,排水户 E出流水的总硬度均值达到248mg/L,远高于污水的总硬度范围,排水户 A 和D出水的总硬度值也较高,表明其内部存在较为突出的地下水入渗问题。因此,采用水质特征因子技术进行管道调查,通过“水帐”引领“管账”,具有较好的实用性、可靠性及高效性。

　　3 讨论

　　3.1 两种方法的结果对比对以上两种技术获取的地下水解析结果进行对比分析,可以得知,两者具有较好的匹配度。以水质特征因子解析结果中地下水比例大于20%进行衡量,Fc2max/Fc4max 也均为相对较高值,因此两种方法所指示的地下水比例较高的对象具有较好的一致性,两种方法之间得到了相互验证和补充,反映了方法的有效性。对于两种方法,连续采样都是获取理想解析结果的基础,其中三维荧光光谱法的优势在于检测方法较为简便、快捷,且需要的样品量少,适用于快速判断排水管道突发性外水进入的情况以及定性解析排水系统中的来水性质。然而,三维荧光光谱法仅限于对样品中有机成分的荧光物质较灵敏,而对于无机离子的浓度变化无响应,所以在应用情境上也存在局限性。此外,三维荧光光谱法在定量解析来水比例与水量方面的能力稍显不足。水质特征因子的选择和不同来水成分本底值数据库的建立,对于水质特征因子方法的应用起到关键的作用,选择稳定性好、指征性强的特征因子,建立适用于研究对象的特征因子本底值数据库,能够提高解析结果的可靠性。在实际应用中可以将两种方法结合使用。

　　3.2 与常规方法对比现有的管道渗漏点调查主要通过常规的物探方法,包括CCTV、声呐、QV等,能够对管道结构性和功能性状况进行准确判断。该方法已在管网调查的实践过程中应用较长时间,具有成熟的技术体系支撑,拥有大量调查数据和结果,其准确性和可靠性得到了广泛验证。但是由于排水管网错综复杂,物探调查方法耗时较长、人力物力成本较高,同时只能检测管道的结构性和功能性情况,而缺乏对于管道内来水水量、水质情况的定性或定量认识和分析。

　　因此,也会以水量调查方法和常规水质检测作为辅助手段,进行管道调查,其中,水量调查方法包括容器法、浮标法、流量计方法、用水量折算法,常规水质检测主要是通过运用常规的水质指标,如 COD、氨氮等,对管道中的水体性质进行判断。在技术指南和规程方面,以上方法主要体现在两部相关文件,包括住房和城乡建设部发布的《城市黑臭水体整治—排水口、管道及检查井治理技术指南》(试行)以及中国工程建设标准化协会《城镇排水管道混接调查及治理技术规程》(T/CECS758-2020),其中均提出将水量、水质的“水账”方法与“管账”方法结合,在一定程度上发挥了“水账”引领“管账”的作用,但是在排水系统来水成分的定量解析、聚焦重点调查区域方面还较为薄弱,在利用“管账”对来水解析结果进行相互效验方面还需进一步加强。本研究通过利用三维荧光光谱技术和水质特征因子技术,对管道来水进行定性和定量解析,获取来水异常区域作为重点研究区域,进行物探检测,获取了导致来水变化异常的原因,并对“水账”调查结果进行相互验证,充分发挥了不同方法具有的优势,提高了管道排查效率。

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　　4 结论

　　(1)三维荧光光谱检测技术能够检测水体中溶解性有机物的不同物质组分,其所需样品量较少,与传统的单一管道检查手段相比,具有快速、有效的特点,能够进行管道高效排查,聚焦主要问题及其管段。(2)水质特征因子检测技术虽然包括化学质量平衡法在内的相对复杂的算法,但和传统常规水质检测手段相比,能够进一步定量解析来水成分及其比例,特别在较大范围内来水溯源和源头排查时,能起到显著的作用。

　　(3)相对而言,三维荧光光谱检测技术侧重定性,水质特征因子检测技术侧重于定量,可以根据所具备的条件、调查目的等,有选择的采用某一技术或两者共用。这两项技术都只回答了“有什么水”的问题,对于来水源头检查起到“指示”作用,需要与常规的管道探查手段相互结合,以充分发挥“水账”对“管账”的引领作用。(4)由于这两项技术还未得到广泛的应用,当前还缺乏地域性本底值数据库,在实际工作中,应特别重视调查范围内本底数据的采集,以保证结果的可信、可靠。

　　参考文献

　　[1] 徐祖信,汪玲玲,尹海龙.基于水质特征因子和 MonteCarlo理论的雨水管网混接诊断方法[J].同济大学学报(自然科学版),2015,43(11):1715-1721,1727.

　　[2] 徐祖信,汪玲玲,尹海龙,等.基于特征因子的排水管网地下水入渗分析方法[J].同济大学学报(自然科学版),2016,44(4):593-599.

　　[3] PITTR,LALORM,ADRIANDD,etal.Investigationofinappropriatepollutantentriesintostormdrainagesystems:Auser’sguide[R].UnitedStates,1993

　　[4] XUZ,WANGL,YIN H,etal.Sourceapportionmentofnon-stormwaterentriesintostormdrainsusingmarkerspecies:Modelingapproachandverification[J].EcologicalIndicators,2015,61.

　　作者：周 骅1 智国铮2