特征因子法如何高效檢測(cè)污水管道地下水入滲？
由于服務(wù)年限較久和日常養(yǎng)護(hù)不到位等原因，我國(guó)的污水管道存在一定程度的結(jié)構(gòu)性缺陷，在地下水水位較高的地區(qū)就可能發(fā)生地下水入滲進(jìn)入污水管道的情況。進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)行情況檢測(cè)的傳統(tǒng)方法是使用CCTV對(duì)全管段進(jìn)行檢測(cè)，但這種方法成本較高，需花費(fèi)大量人力和時(shí)間，效率較低。在對(duì)九江市某片區(qū)進(jìn)行管網(wǎng)診斷時(shí)采用了特征因子法，并對(duì)比了使用常規(guī)指標(biāo)COD、NH3-N、TN、TP和特征因子錳離子計(jì)算的地下水入滲量，發(fā)現(xiàn)基于特征因子的污水管道地下水入滲判斷準(zhǔn)確率較高，達(dá)到88.9%，能減少83%的CCTV檢測(cè)工作量。
由于污水腐蝕、侵蝕、沖刷、沉積及地面荷載等影響，我國(guó)的污水管道存在一定程度的破裂、腐蝕、變形等結(jié)構(gòu)性缺陷。在高地下水位地區(qū)，污水管道破損會(huì)造成地下水入滲進(jìn)入污水管道，擠占污水管道的輸送容量，還會(huì)造成污水處理廠進(jìn)水量增加甚至導(dǎo)致溢流，降低污水處理廠的進(jìn)水濃度，降低污水處理效率，增加污水處理廠和泵站的運(yùn)行費(fèi)用。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019—2021年）》，要求按照設(shè)施權(quán)屬及運(yùn)行維護(hù)職責(zé)分工，全面排查污水管網(wǎng)等設(shè)施功能狀況、錯(cuò)接混接等基本情況及用戶接入情況。
此前對(duì)污水管道進(jìn)行地下水入滲檢測(cè)的傳統(tǒng)方法主要是使用CCTV對(duì)全管段進(jìn)行排查，但這種方法的人力財(cái)力耗費(fèi)較大，水位超過(guò)機(jī)器人允許范圍時(shí)還需封堵管段停水作業(yè)，效率較低也影響管網(wǎng)和泵站的正常運(yùn)行。因此有必要使用高效準(zhǔn)確的污水管道地下水入滲檢測(cè)方法來(lái)提高效率降低成本。有一些學(xué)者已經(jīng)嘗試了其他方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，按照檢測(cè)原理可以分為水量平衡法、示蹤法和模擬法等。
一類是水量平衡法，其原理是測(cè)量上下游的流量，根據(jù)水量平衡計(jì)算外水入滲量。例如盛政等通過(guò)對(duì)基本入流量、地下水滲透量和下雨導(dǎo)致的入滲量進(jìn)行估算和變化過(guò)程分析，來(lái)估計(jì)管道的老化程度和缺陷類型，并通過(guò)雨天的流量監(jiān)測(cè)對(duì)管道入滲位置定位。KACZOR等通過(guò)分析15年間波蘭某污水處理廠日污水量，計(jì)算了排水管網(wǎng)中外水的入滲入流量隨時(shí)間的變化情況。但基于水量平衡的管道流量檢測(cè)需要在管網(wǎng)中安裝大量的流量計(jì)來(lái)獲取各調(diào)查管段的污水接入量，精度不高且工作量大。
另一類是示蹤法，即使用物理或化學(xué)指標(biāo)指示外水，根據(jù)化學(xué)質(zhì)量平衡或物理模型計(jì)算外水入滲量，示蹤劑可以是化學(xué)物質(zhì)，也可以是電導(dǎo)率等物理指標(biāo)或藻類等生物指標(biāo)。如劉旭輝等采用測(cè)量污水總流量和電導(dǎo)率的方法得出了深圳市福田區(qū)某片區(qū)的污水系統(tǒng)地下水入滲量及入滲比例。
除以上兩類方法外，還有部分方法使用物理或數(shù)學(xué)建模來(lái)計(jì)算管道中的外水入滲量，如王學(xué)淵等利用自動(dòng)抽樣技術(shù)和節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分裂技術(shù)，利用不同傳感器的信息進(jìn)行管道的工況判斷；TANG等通過(guò)估算進(jìn)入管道的外水流量及預(yù)測(cè)周圍土壤中的孔隙水壓力分布來(lái)估算管道的滲漏量，但這類方法對(duì)傳感器精度、數(shù)據(jù)量和計(jì)算方法的要求較高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。
在示蹤法的基礎(chǔ)上，基于化學(xué)質(zhì)量平衡理論的使用水質(zhì)指標(biāo)的地下水入滲檢測(cè)是一個(gè)更為高效可行的方法，相對(duì)于僅依靠流量的檢測(cè)而言，減少了對(duì)流量監(jiān)測(cè)的要求，并且不對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行造成干擾，同時(shí)又可以避免建模計(jì)算所需的巨大數(shù)據(jù)量。水質(zhì)指標(biāo)既可以是常規(guī)指標(biāo)如COD、氨氮、總氮、總磷等，也可以采用指示水源特征的特征因子，如一些金屬離子、安賽蜜、糖精、乙?；前彼峄蚬I(yè)化合物等。目前常見(jiàn)做法是先使用常規(guī)指標(biāo)定位入滲管段，再使用CCTV精確定位入滲點(diǎn)，以此減少CCTV檢測(cè)的工作量提高檢測(cè)效率。
本文以中國(guó)江西省九江市某區(qū)的污水管道診斷項(xiàng)目為例，先使用CCTV檢測(cè)該片區(qū)的全部污水管道并進(jìn)行評(píng)級(jí)，尋找到適合當(dāng)?shù)厍闆r的水質(zhì)特征因子并分別使用常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)和特征因子計(jì)算了地下水入滲量，對(duì)比計(jì)算結(jié)果并與CCTV檢測(cè)的結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)基于水質(zhì)特征因子的污水管道地下水入滲檢測(cè)準(zhǔn)確率較高，有助于顯著減少CCTV檢測(cè)的工作量，提高檢測(cè)效率。
1 項(xiàng)目背景
項(xiàng)目區(qū)域?yàn)榻魇【沤心称瑓^(qū)，該項(xiàng)目區(qū)域?yàn)槔铣菂^(qū)、新城區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部并存，老城區(qū)早期建設(shè)的排水管網(wǎng)采用合流制，新城區(qū)隨道路建設(shè)已按分流制要求埋設(shè)雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)。區(qū)域總面積19.5 km2，存在新建的分流制污水管道32.8 km和待修復(fù)的合流制排水管道17.3 km。城區(qū)大部分現(xiàn)狀合流管通過(guò)截流干管進(jìn)入污水處理廠，但老城區(qū)還有部分地區(qū)的合流管未進(jìn)入截流干管。管道入滲入流嚴(yán)重，案例區(qū)內(nèi)的污水處理廠全年平均進(jìn)水COD濃度不足100 mg/L，晴天COD平均濃度也只有100~120 mg/L，遠(yuǎn)低于200 mg/L左右的設(shè)計(jì)進(jìn)水濃度，說(shuō)明管道內(nèi)存在入滲流量。
2 檢測(cè)方法
2.1 CCTV檢測(cè)
對(duì)項(xiàng)目區(qū)所有干管、主干管和支管進(jìn)行檢測(cè)并記錄所有破損點(diǎn)。根據(jù)檢測(cè)影像判斷管道中實(shí)際是否存在破損入滲，并對(duì)破損程度進(jìn)行評(píng)級(jí)。評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:1級(jí)——最少量，破損處僅有少量滴水或水跡；2級(jí)——少量，滴水速度較快，但未形成水流；3級(jí)——破損處形成水流，但水流很細(xì)；4級(jí)——較多量，形成較粗水流，水從破損處涌出；5級(jí)——多量，水流較大，大量涌出或是監(jiān)測(cè)點(diǎn)上游存在多處3級(jí)、4級(jí)入滲。
2.2 特征因子法原理介紹
由于不同來(lái)源水的水質(zhì)不同，可以用水質(zhì)指標(biāo)來(lái)區(qū)分生活污水和地下水，因此可以采用表征不同水源類型的水質(zhì)指標(biāo)來(lái)定性、定量地判斷管網(wǎng)旱天水量來(lái)源及不同源水的比例。選取何種水質(zhì)指標(biāo)是判斷結(jié)果準(zhǔn)確性的重要影響因素，常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)包括COD、NH3-N、TN和TP，除此之外還有需根據(jù)當(dāng)?shù)厮|(zhì)特征進(jìn)行選取的水質(zhì)特征因子。
首先需在項(xiàng)目區(qū)選取本底水質(zhì)檢測(cè)點(diǎn)，得到能夠代表該區(qū)域生活污水和地下水的水質(zhì)，并且選取合適的離子作為特征因子。特征因子要求在污水和地下水中濃度差異較大且性質(zhì)穩(wěn)定不易變化。
2.3 水質(zhì)檢測(cè)及水量監(jiān)測(cè)
水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)：COD、NH3-N、TN、TP、特征因子（錳離子）。
使用流量計(jì)監(jiān)測(cè)瞬時(shí)流量，使用自動(dòng)取樣器獲得水樣，將水樣預(yù)處理后使用離子色譜儀檢測(cè)陰離子濃度，使用重鉻酸鹽法獲得COD濃度，使用納氏試劑光度法獲得NH3-N濃度，使用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法獲得總氮濃度，使用鉬銻銨分光光度法獲得TP濃度。
在污水主干管、干管交匯節(jié)點(diǎn)前后及主干管上下游設(shè)置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)行流量和水質(zhì)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布位置如圖1所示。
圖1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布
2.4 本底水質(zhì)指標(biāo)選取
在案例區(qū)內(nèi)采取均勻分布的原則分別布設(shè)地下水本底水質(zhì)取樣點(diǎn)和生活污水本底水質(zhì)預(yù)實(shí)驗(yàn)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)布設(shè)位置如圖2所示。
圖2 本底水質(zhì)預(yù)實(shí)驗(yàn)取樣點(diǎn)
在選擇特征因子時(shí)，需要滿足以下要求: 物質(zhì)的穩(wěn)定性較好，不同水源的水質(zhì)濃度差異顯著，具有較好的可重復(fù)性、靈敏度和檢出限。
由表1數(shù)據(jù)可以看出，由于生活污水中的錳離子濃度與地下水中的錳離子濃度相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且錳離子穩(wěn)定性較好，在生活污水中不常見(jiàn)，因此選擇錳離子作為表征地下水的特征因子。地下水的本底水質(zhì)選取預(yù)實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果，特征因子濃度為0.31 mg/L。
對(duì)診斷范圍內(nèi)的干管與主干管進(jìn)行CCTV檢測(cè)后，找到所有CCTV檢測(cè)視頻顯示存在入滲的點(diǎn)位并記錄。為解決生活污水本底取樣點(diǎn)數(shù)量不足問(wèn)題，選取CCTV檢測(cè)顯示無(wú)地下水入滲的點(diǎn)作為補(bǔ)充的生活污水本底取樣點(diǎn)。
CCTV檢測(cè)顯示無(wú)地下水入滲的點(diǎn)位有：2D8、D22、DG1、D16、D8、2D12，分析這些點(diǎn)位的特征因子、COD、NH3-N、TN、TP濃度，找到這些指標(biāo)濃度的合適范圍，確定生活污水本底水質(zhì)指標(biāo)值，見(jiàn)表2。
分析以上圖表中的數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)2D8點(diǎn)位的特征因子濃度過(guò)高，大大超出生活污水中錳離子的正常濃度，因此將2D8號(hào)點(diǎn)位的特征因子濃度視作異常值并剔除，對(duì)特征因子濃度重新求平均值，新的特征因子平均濃度為：C=(0.135 0+0.101 0+0.110 9+0.021 0+0.003 4)÷5=0.070 0(mg/L)。
由以上計(jì)算結(jié)果，確定生活污水本底水質(zhì)各個(gè)指標(biāo)的取值見(jiàn)表3。
2.5 地下水入滲情況計(jì)算方法
將生活污水的水質(zhì)指標(biāo)視為判斷地下水入滲的指標(biāo)，將地下水中水質(zhì)指標(biāo)濃度視為0，計(jì)算方法見(jiàn)式（1）：
3 結(jié)果與討論
3.1 不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)地下水入滲情況
由于部分計(jì)算得出的地下水入滲量超過(guò)了當(dāng)時(shí)監(jiān)測(cè)的瞬時(shí)流量或出現(xiàn)負(fù)值，不符合實(shí)際情況，因此對(duì)計(jì)算值進(jìn)行修正，將瞬時(shí)流量設(shè)為入滲量上限，計(jì)算結(jié)果超出瞬時(shí)流量的修正為瞬時(shí)流量，計(jì)算結(jié)果為負(fù)的可能是由于該監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在排水區(qū)域的生活污水濃度較高或取樣時(shí)恰好濃度較高，將計(jì)算結(jié)果修正為0。
由2.5節(jié)中介紹的方法得到不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)的地下水入滲量見(jiàn)表4。
表4 不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)的地下水入滲量
3.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與CCTV檢測(cè)結(jié)果對(duì)比
根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，將以上監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中CCTV檢測(cè)顯示有入滲的節(jié)點(diǎn)單獨(dú)篩選出來(lái)，觀察該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上游管段全部的CCTV檢測(cè)結(jié)果。按照結(jié)果，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位按照對(duì)應(yīng)入滲量由大到小排序，順序?yàn)椋?D2，2D13，2D16，2D15，D9，D25，D13，2D11，D12，D20，D15。
將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算出的入滲量按照CCTV監(jiān)測(cè)入滲量由大到小的順序排列，見(jiàn)表5。
依照以上數(shù)據(jù)對(duì)不同指標(biāo)判斷地下水入滲量準(zhǔn)確率進(jìn)行計(jì)算，準(zhǔn)確率計(jì)算方法為符合CCTV檢測(cè)結(jié)果顯示入滲量大小順序的取樣點(diǎn)個(gè)數(shù)除以總?cè)狱c(diǎn)個(gè)數(shù)。
由以上結(jié)果可以看出，不同指標(biāo)計(jì)算地下水入滲量的準(zhǔn)確率如下：同時(shí)考慮地下水與污水中的特征因子＞僅考慮地下水中的特征因子=NH3-N＞COD=TN＞TP。
本文所涉及管道總長(zhǎng)度50.1 km，流域面積19.5 km2，通過(guò)特征因子檢測(cè)定位入滲管段后能大大縮小檢測(cè)范圍，僅需對(duì)8 495 m的管段進(jìn)行CCTV檢測(cè)，為總長(zhǎng)度的17.0%，能夠有效節(jié)約成本。
4 結(jié)論與建議
（1）對(duì)比特征因子與常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的入滲量計(jì)算結(jié)果，依據(jù)特征因子得出的地下水入滲情況更為可靠準(zhǔn)確，選取恰當(dāng)?shù)闹笜?biāo)作為特征因子，則基于特征因子的地下水入滲檢測(cè)方法是可行且具有更高可信度的。
（2）基于水質(zhì)特征因子的檢測(cè)方法可以有效減少CCTV檢測(cè)的工作量，在本項(xiàng)目中能夠減少83%的CCTV檢測(cè)量。
（3）特征因子并不是固定的，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，通過(guò)本底水質(zhì)檢測(cè)確定。
（4）布設(shè)本底水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)遵循均勻分布的原則，在診斷范圍內(nèi)均勻布設(shè)適當(dāng)個(gè)數(shù)的取樣點(diǎn)位，應(yīng)考慮到當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)特征和地質(zhì)特征。