城市污染物溯源及解析關鍵方法研究*

三峽智慧水務科技有限公司 陳江海

一、引言

城市的發展，伴隨著水環境的改變和水生態的重塑。自改革開放以來，由于城市高速發展和人口聚集，高強度的生產、生活活動給城市水環境帶來了高通量的污染負荷，而城市環境基礎設施的建設速度及建設水平卻尚未達到需求標準。大量城市河道成為行洪和排污通道，當水體中的有機質、氮、磷等污染物濃度超過水體自凈能力，河流水環境會遭到嚴重污染和破壞，因此城市水環境中河水滯留、河道淤積、水體渾濁黑臭等問題十分普遍，與人民日益增強的環保意識及美好生活向往存在較大差異。

水環境高效精準治污的前提是摸清污染物狀況及來源，通過對污染物的來源進行定性或定量研究，識別水環境污染物及其來源的因果對應關系是制定經濟合理、技術可行及效果達標的工程實施方案關鍵環節。傳統的污染源調查工作僅能初步判斷污染源類型及產污負荷，較難反映污染源對水環境的具體貢獻率；另外，城市水環境的點源污染通常數以千計甚至更多，而非點源污染的排水規律通常不夠清晰，這會導致污染源調查工作需要很高的成本。因此，通過對水環境污染源的位置、源強及排放過程進行精準識別，開發低成本、快速、廣譜性污染物溯源技術是非常必要及和緊迫的。

城市水環境污染物溯源通常需要基于水體及污染源的水質及水量監測數據，而不同的溯源技術對監測布點方案、監測指標、監測頻率及監測方法的要求也不盡相同。因此，開展涵蓋污染全因素、反映技術優缺點、契合工程實際的監測體系研究也迫在眉睫。通過對城市水環境溯源技術、各污染源溯源技術方案適配性等系統整理分析，最終形成基于污染源特性、滿足各溯源技術需求的監測方案，對指導城市河道綜合治理工程精準治污方案編制有極其重要的理論及現實意義。

二、城市水環境污染物溯源技術現狀

排水系統的缺陷普遍被認為是城市河流污染的主要成因，對經歷快速城市化的城市尤甚。城市排水系統的問題主要反映在管網上，主要表現在兩個方面，一是新建污水管系統與現存的雨水排水系統關聯性差導致雨污管混錯接，二是管材及管建質量差導致地下水滲入。因此，管網問題主要由三種管網缺陷組成：污水納管系統不完善、管網損壞及雨污管非法混接等。

目前，針對排污口污染物溯源的方法可以分為管網排查法、物理檢查法、多元統計法、特征因子耦合化學質量平衡法、數學模擬法，不同的溯源方法適用于不同污染源的鑒別。

（一）管網排查法

在進行管網探查前，首先需要對入河排污口進行全面的調查與監測。入河排污口的調查內容包括：入河排污口的類型、數量和位置分布、排放方式、污水入河方式、入河排污口的管理單位、排污單位以及水域信息。入河排污口的監測主要涉及監測頻率、水量及水質監測三方面。

為確定黑臭河流的污染源，吳可[1]等人對河流旱季入河污水的源頭進行了排查，并結合沿河排口和河道斷面的水質水量的監測數據進行分析。李正雄[2]等人通過利用人工探查結合管道內窺攝像檢查技術、管道潛望鏡等儀器設備對盤溪河流域的市政排水管網進行了內窺檢測，探索出了最優的內窺檢測方案。（見圖1）

圖1 溯源路徑、CCTV、QV示意圖

管網排查法可以探清覆蓋市政管網的所有問題，能部分回答地表水的主要污染來源。但由于地表水質與污染排放源之間關系復雜，源與受體之間并不是簡單的線性關系，因此管網排查法不能作為地表水污染物溯源的唯一措施。

（二）物理檢查法

CCTV技術可用于判定管網的破損位置，但對于大范圍的污水收集系統，全面CCTV檢測需要大量的人力、物力投入。因此需要首先確定污水管網系統的重點破損區域，在此基礎上采用CCTV進行針對性檢測。目前，Almeida[3]等人以葡萄牙埃斯托里爾海岸為研究對象，探討了截流系統覆蓋較大流域、市政管網資料缺乏的情況下，采用流量計數據結合水的使用信息來分析各污染源分布的可行性。除流量監測外，也可通過包括煙霧測試（smoke testing）、視覺檢查（visual inspection）、染 料測試（dye testing）、視頻識別（video reconnaissance）、光纖分布式溫度傳感（fiberoptic distributed temperature sensing）等物理檢查的方法確定旱天管網錯混接的問題。

物理檢查法可以作為管網排查法的輔助檢查法，僅能適用于拓撲關系較簡單的管網，需要投入較大的人力及物力。（見圖2，圖3）

圖2 （A）煙霧測試系統；（B）煙霧蠟燭；（C）排煙風機

圖3 （A）管道染料測試；（B）垂直井內投入網袋染料；（C）雨水中染料路徑

（三）多元統計法

多元統計法可以用來探索樣本之間、變量之間的相關性，評價水樣間的相似程度，識別不同污染物的輸入途徑，可被廣泛用于分析污染的來源。目前，常用的多元統計分析方法包括聚類分析（Cluster analysis）、變異分析（Discri minant analysis）、主成分分析（Principal component analysis）、t檢驗法和重復性限法等，已被逐漸用于河水水質及點源污染風險的評估。

尹海龍[4]等人分析了62座城市污水處理廠的進水水質，重點分析了BOD5/COD、BOD5/TN和SS/BOD53個比值。通過對污水處理廠進水水質的分析，可以發現BOD5含量偏低，且SS與BOD5相關性差，可能原因是工業廢水的接入。（見表1）

表1 上海某排水系統糞便污染指示菌濃度對比

多元統計法可通過數據分析的方法闡明水體各指標的關系，可對水體污染物的來源提出可能的猜想。但多元統計法需要長期、大量的水質數據，難以在短期內被用于污染源的分析。

（四）特征因子法

水質特征因子溯源法可以用來確定雨水管網旱天污染的來源，通過采用不同混接類型的特征因子，利用流量圖法或化學質量平衡法（Chemical mass balance model，CMBM）定性、定量判定雨水管網旱天水量來源及不同混接來源的比例。

尹海龍[5]等人測定了上海市某排水系統各混接類型以及雨水管網旱天末端出流中糞便污染指示菌濃度分布，結果表明：生活污水中糞便污染指示菌濃度遠高于其他混接類型，可以通過糞便指示菌濃度確定生活污水的混接比例。徐祖信[6]等人通過選擇總氮和硬度分別作為生活污水和地下水的特征因子，采用化學質量平衡法分析了排水管網內地下水入滲的情況。

利用特征因子的方法進行污染物溯源雖然較成熟，但也存在明顯局限。一是無法在污染物來源復雜的情況下，準確判斷并得到結論；二是水化學參數穩定性較差，只能在特定場合使用，影響了該方法的適用范圍；三是該方法只能給出貢獻較大的污染源，缺乏對水體污染防治工作的實際指導意義。

（五）數學模擬法

除需實際監測外，污染源也可通過數學模擬法進行識別。數學模擬法可以分為直接求解法和間接求解法。直接求解法主要包括解析法和正則化方法；間接求解法則主要包括模擬優化法、概率統計法及耦合算法等。

直接法中的解析法是反問題求解最早的方法，將源項作為待求變量，針對特定的反問題用特定的數學方法直接求解，具有計算成本低、結果精確的優點。間接求解法中的模擬優化法可將污染源識別問題轉化成最優化問題，即通過尋找污染源的位置、濃度等變量或它們的組合，使模擬模型的輸出結果逼近觀測數據。該方法可將正向地表水流與污染物遷移數學模型與優化算法耦合在一起，形成模擬-優化耦合模型。

數學模擬法對模型構建的源數據要求很高，并對于不同的流域需采用不同的模型，難以快速、直接用于水體的污染源識別，因此僅能作為污染物溯源技術的支撐。

三、城市水環境污染物溯源技術體系

具體而言，為實現對城市河流污染源的精準識別，需要快速、低成本、適用范圍廣的污染物溯源技術方案，因此本研究提出了一套針對城市河流污染物的溯源技術方案。具體步驟如下：

（1）為實現城市河流污染物的快速、精準溯源，首先需構建流域的水文及水質模型；

（2）依據流域考核斷面或排水管網排污風險高排水片區對應斷面等依據判斷流域溯源重點斷面；

（3）為確定上述重點斷面的污染性質，制定河流的初步監測方案，并開展全時間、全指標的水質、水量監測工作；

（4）依據重點斷面的污染性質及各溯源技術的適用范圍，判斷各重點斷面適配的溯源技術；

（5）根據重點斷面適配技術，確定需溯源監測的指標及適配的檢測方法；

（6）根據各斷面的溯源需求，將各斷面分類為固定監測斷面、輪換監測斷面及臨時監測斷面，從而形成城市河流污染物的溯源監測方案；

（7）根據上述監測方案，開展城市河流的污染物溯源監測工作；

（8）得到溯源重點斷面各指標的監測值后，調用水文模型；

（9）自流域下游往上游反向向模型輸入下游重點斷面實測濃度，得到上游重點斷面模型計算濃度；

（10）依次比較上游重點斷面實測濃度與模型計算濃度，若實測濃度大于計算濃度，則判定該河段需要溯源；

（11）根據各污染物指標的實測濃度與模型計算濃度之間的差距判斷河段溯源等級，若任意指標實測濃度大于3倍計算濃度，則判斷溯源等級高，需要立即現場踏勘找到問題排口；若實測濃度位于2-3倍計算濃度之間，則判斷溯源等級中，可觀察其他指標監測情況，適時現場踏勘尋找問題排口；若實測濃度位于1-2倍計算濃度之間，則判斷溯源等級低，可持續觀察各指標監測濃度。但若為考核斷面出現實測濃度大于計算負荷，則判斷溯源等級高。

（12）現場踏勘問題河段，識別問題排口。

（13）對問題排口進行水質及水量的連續在線監測，基于溯源技術體系，識別污染源。

四、結語

城市水環境污染物溯源技術的發展有助于高效精準治污，結合監測體系的建設能夠掌握污染物的運移態勢，輔助工作人員精準定位污染物來源。產生的大量監測數據可使用機器學習進一步挖掘深層價值，實現數據的充分利用，并進一步為優化溯源技術方案提供依據。本文綜述了當前城市中應用成熟的溯源技術，并提供一套針對城市河流的溯源技術方案，但在應用中需重點考慮如下幾個問題：

（1）針對不同研究區域，方案是否有普適性；（2）由于管網條件惡劣，如何在缺損、失真數據條件下提高溯源準確性仍需討論；（3）如何優化當前溯源方案，以提高在不同情況下的穩定性還值得進一步研究。