基于三維熒光光譜和水質特征因子檢測技術的排水管網地下水入滲分析研究

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2022-05-11 11:05

本文摘要：摘要:針對目前常規管道檢測技術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技術和水質特征因子檢測技術相結合,選取上海某大型污水干線,進行了地下水入滲情況的定性、定量分析,并對兩種方法進行對比。結果表明三維熒光光譜技術能夠快速、高效地定性判斷地下水

　　摘要:針對目前常規管道檢測技術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技術和水質特征因子檢測技術相結合,選取上海某大型污水干線,進行了地下水入滲情況的定性、定量分析,并對兩種方法進行對比。結果表明三維熒光光譜技術能夠快速、高效地定性判斷地下水入滲情況,水質特征因子檢測技術能夠定量解析來水成分及其比例,進而聚焦重點區域。在此基礎上,結合常規物探調查方法,獲取導致來水變化異常的原因,對解析結果進行驗證。在實際應用中,對于較大范圍內的來水溯源和排查,具有較好的實用性,可將兩種技術與常規管道檢測技術結合,以充分發揮各自優勢。

　　關鍵詞:三維熒光光譜;水質特征因子;地下水;入滲

熒光光譜

　　0 引言

　　地下水入滲是城市雨污水管道的“常見病”,在常規檢測手段上,一般通過CCTV等管道物探調查的“管賬”技術發現管道滲漏點,過程中有時會輔以常規水質檢測。這一方法雖然有效,但往往存在耗時長、成本高、效率低的問題,同時無法定性或定量解析管道來水情況�；谏鲜鰡栴},本文將三維熒光光譜檢測和水質特征因子檢測的“水賬”技術相結合,選取上海某大型污水干線實施了地下水入滲的定性、定量診斷分析且取得了實際效果為案例進行討論。

　　1 三維熒光光譜和水質特征因子檢測技術

　　1.1 三維熒光光譜檢測技術

　　城市排水系統中存在著大量有機物污染,而溶解性有機物(DOM)是有機污染的最主要成分,占據80%~90%,因此利用 DOM 表征城市排水系統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的芳香結構與不飽和脂肪鏈等熒光基團,不同的DOM 組分具有不同的結構特征,通常認為不同類型的有機物具有特定的熒光基團。通過三維熒光掃描檢測,可以獲取反映 DOM 中大多數有機結構體的復雜指紋矩陣圖譜,再通過PARAFAC模型分解為若干個典型組分的單一指紋矩陣圖譜。由于DOM 的組分性質及其對應的指紋圖譜特征,主要是由其來源和傳輸過程中所受到的生物、地理、化學作用決定,因此根據熒光峰強度和波長位置的解析結果,能夠反映DOM 組分的濃度和結構變化,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,實現有機污染特征的分析和污染來源的指示。

　　1.2 水質特征因子檢測技術

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

　　2 研究結果

　　本文開展研究的對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。在服務區域內,居住小區的建設年代差異較大,品質不一;存在大量規模不等、生產活動各異的工廠企業;區域內水系相對豐富,其中主要河道就有3條。近年來,該區域未實施過系統性的管道探查,對干(支)線地下水入滲情況也缺乏全面診斷。

　　2.1 三維熒光光譜檢測結果

　　2.1.1 本底物質組分檢測三維熒光光譜檢測技術的應用需要對各來源水體進行水樣采集,獲取不同來水的三維熒光本底物質組分。本研究選取了干線服務區域內不同建設年代、品質和入住率的6個居住小區,17家不同的工業企業、3條河道以及9個不同地下水點位,分別進行生活污水、工廠企業、河水以及地下水水樣的采集,進行三維熒光的本底物質組分檢測。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,色氨酸 C4組分是生活污水和產業廢水中的特有物質,酪氨酸 C5組分是河水中的特有物質,因此可以根據來水中的不同物質組分,解析和指示不同的來水情況。

　　2.1.2 支線檢測結果在上述研究結果的基礎上,對干線的各支線接入井水樣進行三維熒光檢測及組分分析,共分解出4個組分,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均未發現酪氨酸 C5組分,基本表明不存在河水倒灌現象,進一步結合表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,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業污水,可以將組分2和組分4的最大熒光強度進行比較,以得到地下水與生活污水和產業污水的相對比例,結果如表2所示,部分支線組分2和組分4的最大熒光強度比值較大,表明其地下水滲入比例相對較高。

　　2.2 水質特征因子檢測結果

　　2.2.1 水質特征因子篩選和本底值建立與三維熒光光譜技術類似,水質特征因子技術同樣需要對不同來水的水質特征因子進行篩選并建立本底值,主要通過對研究區域進行水質檢測,同時參考已有的一些研究成果和數據。對服務范圍內6個居住小區進行水質指標檢測,結果如表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,與本區域內的地下水、工廠企業等的差異較大,其數值也與以往研究結果相近,由此確定 NH3-N、TN 指標作為表征生活污水的水質特征因子。同時將總硬度和電導率作為地下水的特征因子。經過對服務范圍內的9個地下水點位進行水質特征因子指標檢測,剔除異常數據后,其數值和其他類型水質呈現明顯差異,由此確定總硬度指標為表征地下水的水質特征因子,符合典型南方地區Ca-Mg離子型性水文地質的特性。

　　選取服務區域內的17個工業企業進行水樣采集和水質檢測,發現其中4家企業的 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,經與企業的生產活動進行核對,這4家企業存在經常性的生產活動,同時與地下水中 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+ 作為表征高無機離子濃度產業污水的水質特征因子。而其他13家企業未發現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 等的檢測值均低于本區域生活污水的數值,可認為屬于一般企事業單位污水。

　　2.2.2 解析結果根據上述特征因子的篩選結果,將 NH3-N、TN、總硬度、Na+ 作為研究區域不同來水的水質特征因子,采用化學質量平衡法,對各支線來水進行定量溯源,其中地下水在各支線中的比例見表4�？傮w上看,干線服務區域內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 與物探調查方法

　　結合為了驗證以上分析結果是否真實反映了實際管道情況,本研究選取了地下水入滲比例最高的支線23,進一步進行管道排查。通過將支線23分為5段,在每段末端測定水質,對來水情況進行解析,結果表明在支線23-3至支線23-2點位之間,地下水比例增幅明顯,由7.19%增加至21.83%。進而將該段管道作為重點區域,結合物探調查方法,進行管道探查,結果表明該管段內存在中度脫節的結構性缺陷,是地下水入滲比例偏高的原因之一。同時,對該段沿線共6家排水戶進行了出流水水質檢測,結果顯示,排水戶 E出流水的總硬度均值達到248mg/L,遠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,表明其內部存在較為突出的地下水入滲問題。因此,采用水質特征因子技術進行管道調查,通過“水帳”引領“管賬”,具有較好的實用性、可靠性及高效性。

　　3 討論

　　3.1 兩種方法的結果對比對以上兩種技術獲取的地下水解析結果進行對比分析,可以得知,兩者具有較好的匹配度。以水質特征因子解析結果中地下水比例大于20%進行衡量,Fc2max/Fc4max 也均為相對較高值,因此兩種方法所指示的地下水比例較高的對象具有較好的一致性,兩種方法之間得到了相互驗證和補充,反映了方法的有效性。對于兩種方法,連續采樣都是獲取理想解析結果的基礎,其中三維熒光光譜法的優勢在于檢測方法較為簡便、快捷,且需要的樣品量少,適用于快速判斷排水管道突發性外水進入的情況以及定性解析排水系統中的來水性質。然而,三維熒光光譜法僅限于對樣品中有機成分的熒光物質較靈敏,而對于無機離子的濃度變化無響應,所以在應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。水質特征因子的選擇和不同來水成分本底值數據庫的建立,對于水質特征因子方法的應用起到關鍵的作用,選擇穩定性好、指征性強的特征因子,建立適用于研究對象的特征因子本底值數據庫,能夠提高解析結果的可靠性。在實際應用中可以將兩種方法結合使用。

　　3.2 與常規方法對比現有的管道滲漏點調查主要通過常規的物探方法,包括CCTV、聲吶、QV等,能夠對管道結構性和功能性狀況進行準確判斷。該方法已在管網調查的實踐過程中應用較長時間,具有成熟的技術體系支撐,擁有大量調查數據和結果,其準確性和可靠性得到了廣泛驗證。但是由于排水管網錯綜復雜,物探調查方法耗時較長、人力物力成本較高,同時只能檢測管道的結構性和功能性情況,而缺乏對于管道內來水水量、水質情況的定性或定量認識和分析。

　　因此,也會以水量調查方法和常規水質檢測作為輔助手段,進行管道調查,其中,水量調查方法包括容器法、浮標法、流量計方法、用水量折算法,常規水質檢測主要是通過運用常規的水質指標,如 COD、氨氮等,對管道中的水體性質進行判斷。在技術指南和規程方面,以上方法主要體現在兩部相關文件,包括住房和城鄉建設部發布的《城市黑臭水體整治—排水口、管道及檢查井治理技術指南》(試行)以及中國工程建設標準化協會《城鎮排水管道混接調查及治理技術規程》(T/CECS758-2020),其中均提出將水量、水質的“水賬”方法與“管賬”方法結合,在一定程度上發揮了“水賬”引領“管賬”的作用,但是在排水系統來水成分的定量解析、聚焦重點調查區域方面還較為薄弱,在利用“管賬”對來水解析結果進行相互效驗方面還需進一步加強。本研究通過利用三維熒光光譜技術和水質特征因子技術,對管道來水進行定性和定量解析,獲取來水異常區域作為重點研究區域,進行物探檢測,獲取了導致來水變化異常的原因,并對“水賬”調查結果進行相互驗證,充分發揮了不同方法具有的優勢,提高了管道排查效率。

　　光譜學論文范例：影響X熒光光譜儀測量準確度的幾個因素分析

　　4 結論

　　(1)三維熒光光譜檢測技術能夠檢測水體中溶解性有機物的不同物質組分,其所需樣品量較少,與傳統的單一管道檢查手段相比,具有快速、有效的特點,能夠進行管道高效排查,聚焦主要問題及其管段。(2)水質特征因子檢測技術雖然包括化學質量平衡法在內的相對復雜的算法,但和傳統常規水質檢測手段相比,能夠進一步定量解析來水成分及其比例,特別在較大范圍內來水溯源和源頭排查時,能起到顯著的作用。

　　(3)相對而言,三維熒光光譜檢測技術側重定性,水質特征因子檢測技術側重于定量,可以根據所具備的條件、調查目的等,有選擇的采用某一技術或兩者共用。這兩項技術都只回答了“有什么水”的問題,對于來水源頭檢查起到“指示”作用,需要與常規的管道探查手段相互結合,以充分發揮“水賬”對“管賬”的引領作用。(4)由于這兩項技術還未得到廣泛的應用,當前還缺乏地域性本底值數據庫,在實際工作中,應特別重視調查范圍內本底數據的采集,以保證結果的可信、可靠。

　　參考文獻

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　　[2] 徐祖信,汪玲玲,尹海龍,等.基于特征因子的排水管網地下水入滲分析方法[J].同濟大學學報(自然科學版),2016,44(4):593-599.

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　　作者：周驊1 智國錚2