基于三維熒光光譜和水質(zhì)特征因子檢測(cè)技術(shù)的排水管網(wǎng)地下水入滲分析研究

　　摘要:針對(duì)目前常規(guī)管道檢測(cè)技術(shù)在地下水入滲探查過程中存在的問題,將三維熒光光譜檢測(cè)技術(shù)和水質(zhì)特征因子檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合,選取上海某大型污水干線,進(jìn)行了地下水入滲情況的定性、定量分析,并對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明三維熒光光譜技術(shù)能夠快速、高效地定性判斷地下水入滲情況,水質(zhì)特征因子檢測(cè)技術(shù)能夠定量解析來水成分及其比例,進(jìn)而聚焦重點(diǎn)區(qū)域。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合常規(guī)物探調(diào)查方法,獲取導(dǎo)致來水變化異常的原因,對(duì)解析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于較大范圍內(nèi)的來水溯源和排查,具有較好的實(shí)用性,可將兩種技術(shù)與常規(guī)管道檢測(cè)技術(shù)結(jié)合,以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞:三維熒光光譜;水質(zhì)特征因子;地下水;入滲

　　0 引言

　　地下水入滲是城市雨污水管道的“常見病”,在常規(guī)檢測(cè)手段上,一般通過CCTV等管道物探調(diào)查的“管賬”技術(shù)發(fā)現(xiàn)管道滲漏點(diǎn),過程中有時(shí)會(huì)輔以常規(guī)水質(zhì)檢測(cè)。這一方法雖然有效,但往往存在耗時(shí)長、成本高、效率低的問題,同時(shí)無法定性或定量解析管道來水情況。基于上述問題,本文將三維熒光光譜檢測(cè)和水質(zhì)特征因子檢測(cè)的“水賬”技術(shù)相結(jié)合,選取上海某大型污水干線實(shí)施了地下水入滲的定性、定量診斷分析且取得了實(shí)際效果為案例進(jìn)行討論。

　　1 三維熒光光譜和水質(zhì)特征因子檢測(cè)技術(shù)

　　1.1 三維熒光光譜檢測(cè)技術(shù)

　　城市排水系統(tǒng)中存在著大量有機(jī)物污染,而溶解性有機(jī)物(DOM)是有機(jī)污染的最主要成分,占據(jù)80%~90%,因此利用 DOM 表征城市排水系統(tǒng)污染具有代表性和普遍意義。DOM 中含有大量具有各種官能團(tuán)的芳香結(jié)構(gòu)與不飽和脂肪鏈等熒光基團(tuán),不同的DOM 組分具有不同的結(jié)構(gòu)特征,通常認(rèn)為不同類型的有機(jī)物具有特定的熒光基團(tuán)。通過三維熒光掃描檢測(cè),可以獲取反映 DOM 中大多數(shù)有機(jī)結(jié)構(gòu)體的復(fù)雜指紋矩陣圖譜,再通過PARAFAC模型分解為若干個(gè)典型組分的單一指紋矩陣圖譜。由于DOM 的組分性質(zhì)及其對(duì)應(yīng)的指紋圖譜特征,主要是由其來源和傳輸過程中所受到的生物、地理、化學(xué)作用決定,因此根據(jù)熒光峰強(qiáng)度和波長位置的解析結(jié)果,能夠反映DOM 組分的濃度和結(jié)構(gòu)變化,包括腐殖酸、類蛋白(苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸)等不同熒光組分,實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染特征的分析和污染來源的指示。

　　1.2 水質(zhì)特征因子檢測(cè)技術(shù)

　　美國環(huán)保署1993年頒布的雨污混接調(diào)查技術(shù)指南中,提出采用水質(zhì)特征因子法診斷管道中水體來源,主要根據(jù)各來源水體(包括生活污水、工業(yè)廢水、地下水等)的水質(zhì)特征不同,選取能夠表征不同來水的水質(zhì)特征因子,通過檢測(cè)管道旱天出流水質(zhì),利用流程圖法或化學(xué)質(zhì)量平衡模型法定性、定量判定雨水管網(wǎng)旱天水量來源及不同比例[1-2],近年來,國內(nèi)已經(jīng)有實(shí)踐案例,表明了該方法的適用性。根據(jù)已有研究[3-4],對(duì)于地下水來說,硬度是表征淺層地下水的水質(zhì)特征因子指標(biāo)。對(duì)于生活污水來說,傳統(tǒng)的水質(zhì)特征因子主要包括微生物、總氮、氨氮、表面活性劑等,近年來又開始出現(xiàn)了一些新型水質(zhì)特征因子,如檸檬酸、安賽蜜等。對(duì)于工業(yè)廢水,主要根據(jù)不同工業(yè)類型的特點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)特征因子選取。

　　2 研究結(jié)果

　　本文開展研究的對(duì)象是上海某大型污水輸送干線,建成至今約十余年,干線總長約25.3km,共有29條市政支線直接接入干線總管。在服務(wù)區(qū)域內(nèi),居住小區(qū)的建設(shè)年代差異較大,品質(zhì)不一;存在大量規(guī)模不等、生產(chǎn)活動(dòng)各異的工廠企業(yè);區(qū)域內(nèi)水系相對(duì)豐富,其中主要河道就有3條。近年來,該區(qū)域未實(shí)施過系統(tǒng)性的管道探查,對(duì)干(支)線地下水入滲情況也缺乏全面診斷。

　　2.1 三維熒光光譜檢測(cè)結(jié)果

　　2.1.1 本底物質(zhì)組分檢測(cè)三維熒光光譜檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需要對(duì)各來源水體進(jìn)行水樣采集,獲取不同來水的三維熒光本底物質(zhì)組分。本研究選取了干線服務(wù)區(qū)域內(nèi)不同建設(shè)年代、品質(zhì)和入住率的6個(gè)居住小區(qū),17家不同的工業(yè)企業(yè)、3條河道以及9個(gè)不同地下水點(diǎn)位,分別進(jìn)行生活污水、工廠企業(yè)、河水以及地下水水樣的采集,進(jìn)行三維熒光的本底物質(zhì)組分檢測(cè)。由此可知,微生物源腐殖酸 C2組分是地下水和河水中的特有物質(zhì),色氨酸 C4組分是生活污水和產(chǎn)業(yè)廢水中的特有物質(zhì),酪氨酸 C5組分是河水中的特有物質(zhì),因此可以根據(jù)來水中的不同物質(zhì)組分,解析和指示不同的來水情況。

　　2.1.2 支線檢測(cè)結(jié)果在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)干線的各支線接入井水樣進(jìn)行三維熒光檢測(cè)及組分分析,共分解出4個(gè)組分,包括陸源腐殖酸 C1組分、微生物源腐殖酸C2組分、難降解腐殖酸 C3組分和色氨酸 C4組分。由于各支線三維熒光檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)酪氨酸 C5組分,基本表明不存在河水倒灌現(xiàn)象,進(jìn)一步結(jié)合表1中微生物源腐殖酸 C2組分是地下水和河水中的特有物質(zhì),因此微生物源腐殖酸 C2組分可以表征地下水。由于色氨酸C4組分表征生活污水和產(chǎn)業(yè)污水,可以將組分2和組分4的最大熒光強(qiáng)度進(jìn)行比較,以得到地下水與生活污水和產(chǎn)業(yè)污水的相對(duì)比例,結(jié)果如表2所示,部分支線組分2和組分4的最大熒光強(qiáng)度比值較大,表明其地下水滲入比例相對(duì)較高。

　　2.2 水質(zhì)特征因子檢測(cè)結(jié)果

　　2.2.1 水質(zhì)特征因子篩選和本底值建立與三維熒光光譜技術(shù)類似,水質(zhì)特征因子技術(shù)同樣需要對(duì)不同來水的水質(zhì)特征因子進(jìn)行篩選并建立本底值,主要通過對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè),同時(shí)參考已有的一些研究成果和數(shù)據(jù)。對(duì)服務(wù)范圍內(nèi)6個(gè)居住小區(qū)進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè),結(jié)果如表3所示,其生活污水中 NH3-N 和 TN濃度均值分別為59.2mg/L和81.3mg/L,與本區(qū)域內(nèi)的地下水、工廠企業(yè)等的差異較大,其數(shù)值也與以往研究結(jié)果相近,由此確定 NH3-N、TN 指標(biāo)作為表征生活污水的水質(zhì)特征因子。同時(shí)將總硬度和電導(dǎo)率作為地下水的特征因子。經(jīng)過對(duì)服務(wù)范圍內(nèi)的9個(gè)地下水點(diǎn)位進(jìn)行水質(zhì)特征因子指標(biāo)檢測(cè),剔除異常數(shù)據(jù)后,其數(shù)值和其他類型水質(zhì)呈現(xiàn)明顯差異,由此確定總硬度指標(biāo)為表征地下水的水質(zhì)特征因子,符合典型南方地區(qū)Ca-Mg離子型性水文地質(zhì)的特性。

　　選取服務(wù)區(qū)域內(nèi)的17個(gè)工業(yè)企業(yè)進(jìn)行水樣采集和水質(zhì)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)其中4家企業(yè)的 NH3-N和 TN濃度明顯低于生活污水,但 Na+ 平均濃度為346.5mg/L,明顯高于生活污水,為其7.6倍,經(jīng)與企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行核對(duì),這4家企業(yè)存在經(jīng)常性的生產(chǎn)活動(dòng),同時(shí)與地下水中 Na+ 平均值55.2mg/L、生活污水Na+ 平均值45.7mg/L、以及其他13家單位污水 Na+ 平均值36.8mg/L相比,差異較為顯著,因此將 Na+ 作為表征高無機(jī)離子濃度產(chǎn)業(yè)污水的水質(zhì)特征因子。而其他13家企業(yè)未發(fā)現(xiàn)明顯表征的特征因子,其 Na+ 濃度與生活污水較為接近,NH3-N、TN、TP、K+ 、BOD5 等的檢測(cè)值均低于本區(qū)域生活污水的數(shù)值,可認(rèn)為屬于一般企事業(yè)單位污水。

　　2.2.2 解析結(jié)果根據(jù)上述特征因子的篩選結(jié)果,將 NH3-N、TN、總硬度、Na+ 作為研究區(qū)域不同來水的水質(zhì)特征因子,采用化學(xué)質(zhì)量平衡法,對(duì)各支線來水進(jìn)行定量溯源,其中地下水在各支線中的比例見表4�？傮w上看,干線服務(wù)區(qū)域內(nèi)的地下水滲入情況尚可,局部偏高,其中有6條支線地下水滲入比例達(dá)到20%以上,包括支線23、支線28、支線24、支線21、支線20和支線29。

　　2.3 與物探調(diào)查方法

　　結(jié)合為了驗(yàn)證以上分析結(jié)果是否真實(shí)反映了實(shí)際管道情況,本研究選取了地下水入滲比例最高的支線23,進(jìn)一步進(jìn)行管道排查。通過將支線23分為5段,在每段末端測(cè)定水質(zhì),對(duì)來水情況進(jìn)行解析,結(jié)果表明在支線23-3至支線23-2點(diǎn)位之間,地下水比例增幅明顯,由7.19%增加至21.83%。進(jìn)而將該段管道作為重點(diǎn)區(qū)域,結(jié)合物探調(diào)查方法,進(jìn)行管道探查,結(jié)果表明該管段內(nèi)存在中度脫節(jié)的結(jié)構(gòu)性缺陷,是地下水入滲比例偏高的原因之一。同時(shí),對(duì)該段沿線共6家排水戶進(jìn)行了出流水水質(zhì)檢測(cè),結(jié)果顯示,排水戶 E出流水的總硬度均值達(dá)到248mg/L,遠(yuǎn)高于污水的總硬度范圍,排水戶 A 和D出水的總硬度值也較高,表明其內(nèi)部存在較為突出的地下水入滲問題。因此,采用水質(zhì)特征因子技術(shù)進(jìn)行管道調(diào)查,通過“水帳”引領(lǐng)“管賬”,具有較好的實(shí)用性、可靠性及高效性。

　　3 討論

　　3.1 兩種方法的結(jié)果對(duì)比對(duì)以上兩種技術(shù)獲取的地下水解析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,可以得知,兩者具有較好的匹配度。以水質(zhì)特征因子解析結(jié)果中地下水比例大于20%進(jìn)行衡量,Fc2max/Fc4max 也均為相對(duì)較高值,因此兩種方法所指示的地下水比例較高的對(duì)象具有較好的一致性,兩種方法之間得到了相互驗(yàn)證和補(bǔ)充,反映了方法的有效性。對(duì)于兩種方法,連續(xù)采樣都是獲取理想解析結(jié)果的基礎(chǔ),其中三維熒光光譜法的優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)方法較為簡便、快捷,且需要的樣品量少,適用于快速判斷排水管道突發(fā)性外水進(jìn)入的情況以及定性解析排水系統(tǒng)中的來水性質(zhì)。然而,三維熒光光譜法僅限于對(duì)樣品中有機(jī)成分的熒光物質(zhì)較靈敏,而對(duì)于無機(jī)離子的濃度變化無響應(yīng),所以在應(yīng)用情境上也存在局限性。此外,三維熒光光譜法在定量解析來水比例與水量方面的能力稍顯不足。水質(zhì)特征因子的選擇和不同來水成分本底值數(shù)據(jù)庫的建立,對(duì)于水質(zhì)特征因子方法的應(yīng)用起到關(guān)鍵的作用,選擇穩(wěn)定性好、指征性強(qiáng)的特征因子,建立適用于研究對(duì)象的特征因子本底值數(shù)據(jù)庫,能夠提高解析結(jié)果的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中可以將兩種方法結(jié)合使用。

　　3.2 與常規(guī)方法對(duì)比現(xiàn)有的管道滲漏點(diǎn)調(diào)查主要通過常規(guī)的物探方法,包括CCTV、聲吶、QV等,能夠?qū)�管道結(jié)構(gòu)性和功能性狀況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。該方法已在管網(wǎng)調(diào)查的實(shí)踐過程中應(yīng)用較長時(shí)間,具有成熟的技術(shù)體系支撐,擁有大量調(diào)查數(shù)據(jù)和結(jié)果,其準(zhǔn)確性和可靠性得到了廣泛驗(yàn)證。但是由于排水管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜,物探調(diào)查方法耗時(shí)較長、人力物力成本較高,同時(shí)只能檢測(cè)管道的結(jié)構(gòu)性和功能性情況,而缺乏對(duì)于管道內(nèi)來水水量、水質(zhì)情況的定性或定量認(rèn)識(shí)和分析。

　　因此,也會(huì)以水量調(diào)查方法和常規(guī)水質(zhì)檢測(cè)作為輔助手段,進(jìn)行管道調(diào)查,其中,水量調(diào)查方法包括容器法、浮標(biāo)法、流量計(jì)方法、用水量折算法,常規(guī)水質(zhì)檢測(cè)主要是通過運(yùn)用常規(guī)的水質(zhì)指標(biāo),如 COD、氨氮等,對(duì)管道中的水體性質(zhì)進(jìn)行判斷。在技術(shù)指南和規(guī)程方面,以上方法主要體現(xiàn)在兩部相關(guān)文件,包括住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《城市黑臭水體整治—排水口、管道及檢查井治理技術(shù)指南》(試行)以及中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)《城鎮(zhèn)排水管道混接調(diào)查及治理技術(shù)規(guī)程》(T/CECS758-2020),其中均提出將水量、水質(zhì)的“水賬”方法與“管賬”方法結(jié)合,在一定程度上發(fā)揮了“水賬”引領(lǐng)“管賬”的作用,但是在排水系統(tǒng)來水成分的定量解析、聚焦重點(diǎn)調(diào)查區(qū)域方面還較為薄弱,在利用“管賬”對(duì)來水解析結(jié)果進(jìn)行相互效驗(yàn)方面還需進(jìn)一步加強(qiáng)。本研究通過利用三維熒光光譜技術(shù)和水質(zhì)特征因子技術(shù),對(duì)管道來水進(jìn)行定性和定量解析,獲取來水異常區(qū)域作為重點(diǎn)研究區(qū)域,進(jìn)行物探檢測(cè),獲取了導(dǎo)致來水變化異常的原因,并對(duì)“水賬”調(diào)查結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證,充分發(fā)揮了不同方法具有的優(yōu)勢(shì),提高了管道排查效率。

　　光譜學(xué)論文范例：影響X熒光光譜儀測(cè)量準(zhǔn)確度的幾個(gè)因素分析

　　4 結(jié)論

　　(1)三維熒光光譜檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)水體中溶解性有機(jī)物的不同物質(zhì)組分,其所需樣品量較少,與傳統(tǒng)的單一管道檢查手段相比,具有快速、有效的特點(diǎn),能夠進(jìn)行管道高效排查,聚焦主要問題及其管段。(2)水質(zhì)特征因子檢測(cè)技術(shù)雖然包括化學(xué)質(zhì)量平衡法在內(nèi)的相對(duì)復(fù)雜的算法,但和傳統(tǒng)常規(guī)水質(zhì)檢測(cè)手段相比,能夠進(jìn)一步定量解析來水成分及其比例,特別在較大范圍內(nèi)來水溯源和源頭排查時(shí),能起到顯著的作用。

　　(3)相對(duì)而言,三維熒光光譜檢測(cè)技術(shù)側(cè)重定性,水質(zhì)特征因子檢測(cè)技術(shù)側(cè)重于定量,可以根據(jù)所具備的條件、調(diào)查目的等,有選擇的采用某一技術(shù)或兩者共用。這兩項(xiàng)技術(shù)都只回答了“有什么水”的問題,對(duì)于來水源頭檢查起到“指示”作用,需要與常規(guī)的管道探查手段相互結(jié)合,以充分發(fā)揮“水賬”對(duì)“管賬”的引領(lǐng)作用。(4)由于這兩項(xiàng)技術(shù)還未得到廣泛的應(yīng)用,當(dāng)前還缺乏地域性本底值數(shù)據(jù)庫,在實(shí)際工作中,應(yīng)特別重視調(diào)查范圍內(nèi)本底數(shù)據(jù)的采集,以保證結(jié)果的可信、可靠。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：周 驊1 智國錚2

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