給水排水 |特征因子法如何高效檢測污水管道地下水入滲？
由于服務年限較久和日常養(yǎng)護不到位等原因，我國的污水管道存在一定程度的結構性缺陷，在地下水水位較高的地區(qū)就可能發(fā)生地下水入滲進入污水管道的情況。進行管網(wǎng)運行情況檢測的傳統(tǒng)方法是使用CCTV對全管段進行檢測，但這種方法成本較高，需花費大量人力和時間，效率較低。在對九江市某片區(qū)進行管網(wǎng)診斷時采用了特征因子法，并對比了使用常規(guī)指標COD、NH3-N、TN、TP和特征因子錳離子計算的地下水入滲量，發(fā)現(xiàn)基于特征因子的污水管道地下水入滲判斷準確率較高，達到88.9%，能減少83%的CCTV檢測工作量。
關鍵詞: 污水管道；地下水入滲；水質特征因子；CCTV檢測
引用本文：劉希希,崔諾,胡馨月，等. 特征因子法提高污水管道地下水入滲檢測效率的研究［J］. 給水排水，2022，48（2）：122-128.
由于污水腐蝕、侵蝕、沖刷、沉積及地面荷載等影響，我國的污水管道存在一定程度的破裂、腐蝕、變形等結構性缺陷。在高地下水位地區(qū)，污水管道破損會造成地下水入滲進入污水管道，擠占污水管道的輸送容量，還會造成污水處理廠進水量增加甚至導致溢流，降低污水處理廠的進水濃度，降低污水處理效率，增加污水處理廠和泵站的運行費用。住房和城鄉(xiāng)建設部、生態(tài)環(huán)境部和國家發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021年）》，要求按照設施權屬及運行維護職責分工，全面排查污水管網(wǎng)等設施功能狀況、錯接混接等基本情況及用戶接入情況。
此前對污水管道進行地下水入滲檢測的傳統(tǒng)方法主要是使用CCTV對全管段進行排查，但這種方法的人力財力耗費較大，水位超過機器人允許范圍時還需封堵管段停水作業(yè)，效率較低也影響管網(wǎng)和泵站的正常運行。因此有必要使用高效準確的污水管道地下水入滲檢測方法來提高效率降低成本。有一些學者已經(jīng)嘗試了其他方法來進行檢測，按照檢測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，其原理是測量上下游的流量，根據(jù)水量平衡計算外水入滲量。例如盛政等通過對基本入流量、地下水滲透量和下雨導致的入滲量進行估算和變化過程分析，來估計管道的老化程度和缺陷類型，并通過雨天的流量監(jiān)測對管道入滲位置定位。KACZOR等通過分析15年間波蘭某污水處理廠日污水量，計算了排水管網(wǎng)中外水的入滲入流量隨時間的變化情況。但基于水量平衡的管道流量檢測需要在管網(wǎng)中安裝大量的流量計來獲取各調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，即使用物理或化學指標指示外水，根據(jù)化學質量平衡或物理模型計算外水入滲量，示蹤劑可以是化學物質，也可以是電導率等物理指標或藻類等生物指標。如劉旭輝等采用測量污水總流量和電導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)學建模來計算管道中的外水入滲量，如王學淵等利用自動抽樣技術和節(jié)點隨機分裂技術，利用不同傳感器的信息進行管道的工況判斷；TANG等通過估算進入管道的外水流量及預測周圍土壤中的孔隙水壓力分布來估算管道的滲漏量，但這類方法對傳感器精度、數(shù)據(jù)量和計算方法的要求較高，實現(xiàn)起來較為困難。
在示蹤法的基礎上，基于化學質量平衡理論的使用水質指標的地下水入滲檢測是一個更為高效可行的方法，相對于僅依靠流量的檢測而言，減少了對流量監(jiān)測的要求，并且不對管網(wǎng)運行造成干擾，同時又可以避免建模計算所需的巨大數(shù)據(jù)量。水質指標既可以是常規(guī)指標如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。目前常見做法是先使用常規(guī)指標定位入滲管段，再使用CCTV精確定位入滲點，以此減少CCTV檢測的工作量提高檢測效率。
本文以中國江西省九江市某區(qū)的污水管道診斷項目為例，先使用CCTV檢測該片區(qū)的全部污水管道并進行評級，尋找到適合當?shù)厍闆r的水質特征因子并分別使用常規(guī)水質指標和特征因子計算了地下水入滲量，對比計算結果并與CCTV檢測的結果相比較，發(fā)現(xiàn)基于水質特征因子的污水管道地下水入滲檢測準確率較高，有助于顯著減少CCTV檢測的工作量，提高檢測效率。
1 項目背景
項目區(qū)域為江西省九江市某片區(qū)，該項目區(qū)域為老城區(qū)、新城區(qū)、城鄉(xiāng)結合部并存，老城區(qū)早期建設的排水管網(wǎng)采用合流制，新城區(qū)隨道路建設已按分流制要求埋設雨污水管網(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)狀合流管通過截流干管進入污水處理廠，但老城區(qū)還有部分地區(qū)的合流管未進入截流干管。管道入滲入流嚴重，案例區(qū)內的污水處理廠全年平均進水COD濃度不足100 mg/L，晴天COD平均濃度也只有100~120 mg/L，遠低于200 mg/L左右的設計進水濃度，說明管道內存在入滲流量。
2 檢測方法
2.1 CCTV檢測
對項目區(qū)所有干管、主干管和支管進行檢測并記錄所有破損點。根據(jù)檢測影像判斷管道中實際是否存在破損入滲，并對破損程度進行評級。評級標準為:1級——最少量，破損處僅有少量滴水或水跡；2級——少量，滴水速度較快，但未形成水流；3級——破損處形成水流，但水流很細；4級——較多量，形成較粗水流，水從破損處涌出；5級——多量，水流較大，大量涌出或是監(jiān)測點上游存在多處3級、4級入滲。
2.2 特征因子法原理介紹
由于不同來源水的水質不同，可以用水質指標來區(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指標來定性、定量地判斷管網(wǎng)旱天水量來源及不同源水的比例。選取何種水質指標是判斷結果準確性的重要影響因素，常規(guī)水質指標包括COD、NH3-N、TN和TP，除此之外還有需根據(jù)當?shù)厮|特征進行選取的水質特征因子。
首先需在項目區(qū)選取本底水質檢測點，得到能夠代表該區(qū)域生活污水和地下水的水質，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穩(wěn)定不易變化。
2.3 水質檢測及水量監(jiān)測
水質監(jiān)測指標：COD、NH3-N、TN、TP、特征因子（錳離子）。
使用流量計監(jiān)測瞬時流量，使用自動取樣器獲得水樣，將水樣預處理后使用離子色譜儀檢測陰離子濃度，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)點前后及主干管上下游設置監(jiān)測節(jié)點，對監(jiān)測節(jié)點同步進行流量和水質監(jiān)測。監(jiān)測節(jié)點分布位置如圖1所示。
圖1 監(jiān)測節(jié)點分布
2.4 本底水質指標選取在案例區(qū)內采取均勻分布的原則分別布設地下水本底水質取樣點和生活污水本底水質預實驗取樣點，取樣點布設位置如圖2所示。
圖2 本底水質預實驗取樣點
在選擇特征因子時，需要滿足以下要求: 物質的穩(wěn)定性較好，不同水源的水質濃度差異顯著，具有較好的可重復性、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數(shù)量級，并且錳離子穩(wěn)定性較好，在生活污水中不常見，因
表1 本底水質預實驗檢測結果
注：W表示生活污水，D表示地下水。
此選擇錳離子作為表征地下水的特征因子。地下水的本底水質選取預實驗中的結果，特征因子濃度為0.31 mg/L。對診斷范圍內的干管與主干管進行CCTV檢測后，找到所有CCTV檢測視頻顯示存在入滲的點位并記錄。為解決生活污水本底取樣點數(shù)量不足問題，選取CCTV檢測顯示無地下水入滲的點作為補充的生活污水本底取樣點。
CCTV檢測顯示無地下水入滲的點位有：2D8、D22、DG1、D16、D8、2D12，分析這些點位的特征因子、COD、NH3-N、TN、TP濃度，找到這些指標濃度的合適范圍，確定生活污水本底水質指標值，見表2。
表2 CCTV顯示無入滲點位的水質水量數(shù)據(jù)
由以上計算結果，確定生活污水本底水質各個指標的取值見表3。
表3 生活污水本底水質
2.5 地下水入滲情況計算方法
將生活污水的水質指標視為判斷地下水入滲的指標，將地下水中水質指標濃度視為0，計算方法見式（1）：
X——瞬時流量，m3/d；
A——水質監(jiān)測節(jié)點的水質指標濃度，mg/L；
B——生活污水本底水質指標濃度，mg/L。
對于特征因子的計算，除以上方法外，還采用了另一種計算方法，即同時考慮生活污水與地下水中的特征因子，計算方法見式（2）：
X——瞬時流量，m3/d；
A——水質監(jiān)測節(jié)點的特征因子濃度，mg/L；
B——生活污水本底特征因子濃度，mg/L；
C——地下水本底特征因子濃度，mg/L。
3 結果與討論
3.1 不同指標對應地下水入滲情況
由于部分計算得出的地下水入滲量超過了當時監(jiān)測的瞬時流量或出現(xiàn)負值，不符合實際情況，因此對計算值進行修正，將瞬時流量設為入滲量上限，計算結果超出瞬時流量的修正為瞬時流量，計算結果為負的可能是由于該監(jiān)測點所在排水區(qū)域的生活污水濃度較高或取樣時恰好濃度較高，將計算結果修正為0。
由2.5節(jié)中介紹的方法得到不同指標對應的地下水入滲量見表4。
表4 不同指標對應的地下水入滲量
3.2 水質監(jiān)測與CCTV檢測結果對比
根據(jù)檢測結果，將以上監(jiān)測節(jié)點中CCTV檢測顯示有入滲的節(jié)點單獨篩選出來，觀察該監(jiān)測節(jié)點上游管段全部的CCTV檢測結果。按照結果，將監(jiān)測點位按照對應入滲量由大到小排序，順序為：2D2，2D13，2D16，2D15，D9，D25，D13，2D11，D12，D20，D15。
將監(jiān)測節(jié)點根據(jù)不同水質指標計算出的入滲量按照CCTV監(jiān)測入滲量由大到小的順序排列，見表5。
表5 不同水質指標計算得出的地下水入滲量
由以上結果可以看出，不同指標計算地下水入滲量的準確率如下：同時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。
表6 各個指標計算地下水入滲量的準確率
4 結論與建議
（1）對比特征因子與常規(guī)水質指標的入滲量計算結果，依據(jù)特征因子得出的地下水入滲情況更為可靠準確，選取恰當?shù)闹笜俗鳛樘卣饕蜃?，則基于特征因子的地下水入滲檢測方法是可行且具有更高可信度的。
（2）基于水質特征因子的檢測方法可以有效減少CCTV檢測的工作量，在本項目中能夠減少83%的CCTV檢測量。
（3）特征因子并不是固定的，應根據(jù)研究區(qū)域的實際情況，通過本底水質檢測確定。
（4）布設本底水質監(jiān)測點時應遵循均勻分布的原則，在診斷范圍內均勻布設適當個數(shù)的取樣點位，應考慮到當?shù)氐乃|特征和地質特征。
對原文有修改。原文標題：特征因子法提高污水管道地下水入滲檢測效率的研究；作者：劉希希、崔諾、胡馨月、顧毅杰、劉龍志、劉緒為、柴立和、趙鵬；作者單位：天津大學環(huán)境科學與工程學院、中國市政工程華北設計研究總院有限公司?？窃凇督o水排水》2022年第2期。