量子點(diǎn)光譜監(jiān)測(cè)在長(zhǎng)江流域排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

王嘉薇 周田碩 霍旭佳 曹啟明

摘要：近年來(lái)，水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)被越來(lái)越多用于輔助管網(wǎng)健康診斷。為研究水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在排水系統(tǒng)中的應(yīng)用，采用基于新型量子點(diǎn)光譜傳感技術(shù)的水質(zhì)原位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，在長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶蕪湖市D污水處理廠上游管網(wǎng)系統(tǒng)，開(kāi)展了外水入滲、管網(wǎng)錯(cuò)混接、雨污混接等方面的應(yīng)用研究。研究工作共識(shí)別出導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)廠水質(zhì)低的2個(gè)重點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的污水管網(wǎng)精細(xì)化監(jiān)測(cè)，定位并現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)了外水入滲來(lái)源和雨污混接位置。研究表明：通過(guò)管網(wǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)或水質(zhì)與流量、降雨等數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，該新型原位水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠在管網(wǎng)排查以及本底濃度特征監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，有利于廠網(wǎng)提質(zhì)增效和減少溢流污染排放。

摘要：水質(zhì)； 管網(wǎng)健康診斷； 在線監(jiān)測(cè)； 外水入滲； 雨污混接； 量子點(diǎn)光譜； 蕪湖市

中圖法分類(lèi)號(hào)： TU992

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.006

0 引 言

2021年中國(guó)城市污水處理率達(dá)到97.9%，縣城污水處理率達(dá)到96.1%，然而城市污水收集率僅有68.6%［1］。國(guó)家《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》提出2025年城市污水收集率力爭(zhēng)達(dá)到70%以上，2035年污水收集系統(tǒng)全覆蓋［2］。此外，管網(wǎng)破損導(dǎo)致的外水入流入滲、漏損和道路塌陷，以及雨污混接導(dǎo)致的管網(wǎng)傳輸能力下降和污水排入環(huán)境，進(jìn)而造成黑臭水體和廠網(wǎng)低效運(yùn)營(yíng)。因此，除了提高管網(wǎng)密度，通過(guò)管網(wǎng)排查診斷，為管網(wǎng)改造工程定位問(wèn)題嚴(yán)重區(qū)域和具體管段位置，也是提高污水收集率和提質(zhì)增效的重要途徑［3］。比較常見(jiàn)的管網(wǎng)排查手段包括物理檢測(cè)技術(shù)比如CCTV和QV、流量監(jiān)測(cè)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)。其中CCTV檢測(cè)技術(shù)耗時(shí)耗力，不僅需要?dú)饽曳舛?、停水等工序，且停水時(shí)間長(zhǎng)，成本也高［4-5］。此外由于管網(wǎng)是動(dòng)態(tài)運(yùn)行的，CCTV和QV只能檢測(cè)某一時(shí)間的狀態(tài)，無(wú)法反映其他時(shí)間的問(wèn)題。而單靠流量監(jiān)測(cè)，如果在雨天定量污水管道中雨水來(lái)源，需在污水管網(wǎng)中同步安裝很多管道流量計(jì)，極其費(fèi)時(shí)費(fèi)力且難以做到。而且污水管網(wǎng)內(nèi)流態(tài)比較復(fù)雜，存在大量渦流、湍流等情況，測(cè)量精度無(wú)法保證。

近年來(lái)，使用水質(zhì)特征因子在線監(jiān)測(cè)來(lái)輔助管網(wǎng)健康診斷已經(jīng)越來(lái)越受到重視［4-7］。傳統(tǒng)人工采樣用實(shí)驗(yàn)室化學(xué)法檢測(cè)污水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)，是判斷污水管網(wǎng)外水入滲的傳統(tǒng)方法。然而污水水質(zhì)存在規(guī)律性變動(dòng)，人工采樣時(shí)效性差，非連續(xù)單次數(shù)據(jù)易造成誤判。而污水管網(wǎng)內(nèi)部空間狹窄，基于化學(xué)法的自動(dòng)化設(shè)備不易安裝，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。而基于全波段的微型光譜原位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，體積小、安裝簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)。其數(shù)據(jù)量更大，可以識(shí)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的排水特征和水質(zhì)波動(dòng)，并且可以關(guān)聯(lián)分析不同點(diǎn)位的水質(zhì)數(shù)據(jù)，有效識(shí)別入流入滲和混接問(wèn)題［8-9］。

本研究以長(zhǎng)江下游蕪湖市為例。蕪湖市地處安徽省東南部，是長(zhǎng)江大保護(hù)的先行試點(diǎn)城市之一。蕪湖市內(nèi)水資源豐富，年均降水量約為1 200 mm，主要集中于春季、梅雨季和初冬。該市水網(wǎng)密布，主要有青弋江等4條主要河流和竹絲湖等4個(gè)湖泊。蕪湖市區(qū)地處長(zhǎng)江東岸，土壤以人為土為主，土壤含沙量高，地下水位高。城區(qū)的老舊管網(wǎng)建成期早，維護(hù)力度不足導(dǎo)致污水管網(wǎng)存在顯著低濃度地下水入滲問(wèn)題，最終導(dǎo)致污水處理廠收集率不足且污水處理廠入水濃度偏低等問(wèn)題。

自2021年《長(zhǎng)江保護(hù)法》實(shí)施以來(lái)，各地積極響應(yīng)促進(jìn)《長(zhǎng)江保護(hù)法》落地，加大整治和監(jiān)管力度。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶新建和改造污水管網(wǎng)超過(guò)1.69萬(wàn)km，新建污水處理廠規(guī)模超600萬(wàn)m3/d［10］。蕪湖市近些年狠抓長(zhǎng)江保護(hù)，2019年同三峽集團(tuán)共同推進(jìn)城區(qū)污水提質(zhì)增效項(xiàng)目，包括污水處理廠擴(kuò)建，管網(wǎng)系統(tǒng)排查和修復(fù)，打造廠網(wǎng)河一體化運(yùn)管模式；解決污水收集率低，污水進(jìn)廠濃度低，污水直排入自然水體等問(wèn)題，進(jìn)而改善受納水體水質(zhì)，為長(zhǎng)江大保護(hù)提供案例經(jīng)驗(yàn)。在蕪湖市城區(qū)污水提質(zhì)增效項(xiàng)目中，三峽集團(tuán)采用了原位水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)終端，用于管網(wǎng)排放特征和水質(zhì)分析，輔助管網(wǎng)排查診斷。

本文聚焦蕪湖市D污水處理廠提質(zhì)增效項(xiàng)目，運(yùn)用創(chuàng)新型量子點(diǎn)光譜傳感水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，以大范圍水質(zhì)水量快速篩查監(jiān)測(cè)結(jié)合重點(diǎn)區(qū)域水質(zhì)水量精細(xì)化監(jiān)測(cè)，摸清蕪湖市D污水處理廠集水區(qū)排水特征，識(shí)別重點(diǎn)問(wèn)題區(qū)域，鎖定問(wèn)題管段。研究成果可為管網(wǎng)排查工程靶向定位問(wèn)題位置，為后續(xù)“長(zhǎng)江大保護(hù)”污水提質(zhì)增效項(xiàng)目提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

蕪湖市D污水處理廠主要收集南部約53.25 km2地塊的污水，其集水區(qū)主要分為4部分，分別是12.99 km2的自流區(qū)，20.71 km2的W泵站集水區(qū)，13.46 km2的Q泵站集水區(qū)和6.09 km2的T泵站集水區(qū)。W泵站集水區(qū)北部片區(qū)為產(chǎn)業(yè)園區(qū)，排放以工業(yè)污水為主，南部片區(qū)主要為未開(kāi)發(fā)用地和娛樂(lè)用地。T泵站集水區(qū)以未開(kāi)發(fā)用地、公園綠地為主。Q泵站北部以工業(yè)用地為主，南部為M泵站集水區(qū)。M泵站集水區(qū)以西部工業(yè)用地和南部居民用地為主。自流區(qū)以工業(yè)用地和居民區(qū)為主。

目標(biāo)污水處理廠集水區(qū)水網(wǎng)密布，地下水水位高，集水區(qū)分布如圖1所示。該污水處理廠2018年污水收集量為1萬(wàn)t/d，同時(shí)進(jìn)廠化學(xué)需氧量（COD）不足60 mg/L。目標(biāo)污水處理廠的集水區(qū)土地為流沙地質(zhì)，集水區(qū)內(nèi)污水管網(wǎng)在早期設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有針對(duì)地形做特殊施工處理，導(dǎo)致老舊管網(wǎng)滲沙滲水嚴(yán)重。2018年以來(lái)，當(dāng)?shù)厥姓c三峽集團(tuán)合作開(kāi)展了管網(wǎng)排查和整治工作，污水處理廠集水區(qū)的管網(wǎng)全線貫通，279處雨污混接點(diǎn)已全部整治完成。污水收集量提升到4.5萬(wàn)t/d，進(jìn)廠COD日均值升高至110 mg/L。工程改造效果顯著，但是進(jìn)廠COD仍然偏低，污水處理廠集水區(qū)內(nèi)仍然存在顯著的地下水入滲問(wèn)題。

1.2 監(jiān)測(cè)方法及設(shè)備

針對(duì)該市污水處理廠提質(zhì)增效及管網(wǎng)改造工程，采用水質(zhì)水量分析相結(jié)合的方法對(duì)目標(biāo)污水處理廠集水區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估，為具體管網(wǎng)排查工作識(shí)別重點(diǎn)區(qū)域和重點(diǎn)管段。

水量分析主要采用流量計(jì)和液位計(jì)對(duì)排水系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)完成在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)行旱天和雨天的水量評(píng)估、不同支線貢獻(xiàn)度評(píng)估、管線間破損淤堵分析等。

水質(zhì)分析主要采用水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀對(duì)排水系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)完成在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)行雨污合流評(píng)估、異常濃度管段識(shí)別、集水區(qū)水質(zhì)特征識(shí)別等。水質(zhì)監(jiān)測(cè)在管網(wǎng)診斷工程中具有重要作用。針對(duì)管道錯(cuò)混接排查，通過(guò)污水水質(zhì)特征因子可對(duì)雨水管道存在污水錯(cuò)接、污水管道存在雨水錯(cuò)接、外水入滲、水體倒灌等問(wèn)題進(jìn)行診斷［11］。

目前，利用水質(zhì)來(lái)開(kāi)展管網(wǎng)排查的手段主要有人工采樣實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析和原位光譜法監(jiān)測(cè)?；瘜W(xué)法一般只能人工采樣實(shí)驗(yàn)室分析，時(shí)間一致性差、數(shù)據(jù)頻次低。而光學(xué)法水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備以其體積小、重量輕、無(wú)化學(xué)試劑消耗等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測(cè)。

目前市面上應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測(cè)的光譜儀主要分為單波長(zhǎng)/雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)，以及計(jì)算光譜儀等。 單波長(zhǎng)設(shè)備如UV-254分光光度計(jì)無(wú)法消除濁度、色度等因素的影響；雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)通過(guò)使用濁度補(bǔ)償和色度補(bǔ)償算法，準(zhǔn)確性有所提高，但同一波長(zhǎng)組合建?？赡苤贿m用于特定應(yīng)用場(chǎng)景，不具普適性；紫外-可見(jiàn)全光譜法能更好地克服上述問(wèn)題，極大提升了設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力。本研究采用計(jì)算光譜儀量子點(diǎn)光譜傳感設(shè)備進(jìn)行管網(wǎng)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)水質(zhì)的全光譜原位監(jiān)測(cè)，具備微型化、功耗低、無(wú)需化學(xué)試劑、無(wú)需市政用地、安裝部署和移動(dòng)快捷等特點(diǎn)。其核心部件為量子點(diǎn)光譜傳感芯片，量子點(diǎn)光譜傳感芯片是將成百上千種不同粒徑的量子點(diǎn)材料集成在一張薄膜上，再將薄膜和感光元件一起封裝形成［12］。該傳感芯片的監(jiān)測(cè)范圍包含紫外-可見(jiàn)光-近紅外的全波段，同時(shí)量子點(diǎn)光譜傳感終端不需要傳統(tǒng)的狹縫分光設(shè)備，其光利用率可達(dá)到50%，可以應(yīng)用于復(fù)雜排水管網(wǎng)環(huán)境。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)需要綜合考慮集水區(qū)的管網(wǎng)基礎(chǔ)信息（管徑管材、安裝坡度、拓?fù)潢P(guān)系等），以及集水區(qū)分區(qū)用地、重點(diǎn)排水戶(hù)、地下水位、氣象數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，形成初步可選點(diǎn)位集。然后結(jié)合踏勘實(shí)際情況，從可選點(diǎn)位選取易于安裝、取樣、流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)位完成布點(diǎn)方案。排水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)以達(dá)成業(yè)務(wù)目標(biāo)為導(dǎo)向，主要參考以下原則：

（1） 點(diǎn)位優(yōu)先選擇，包括排水管網(wǎng)體系中重要節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位（主要泵站，子集水區(qū)匯入干線節(jié)點(diǎn)）、排水系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)施（泵站，截流井，調(diào)蓄池）、重要支線接入點(diǎn)、重點(diǎn)排水戶(hù)、排口。

（2） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位應(yīng)具有明確的因果關(guān)系，避免布設(shè)在三通井或四通井。

（3） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的污水流態(tài)應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，避免布設(shè)在跌水井和坡降顯著的點(diǎn)位。

（4） 針對(duì)排水管網(wǎng)臺(tái)賬沒(méi)有及時(shí)更新的區(qū)域，建議選擇距干線交匯點(diǎn)近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，降低未知支線或來(lái)水匯入的概率。

在本項(xiàng)目中，先在D污水處理廠上游集水區(qū)做重點(diǎn)區(qū)域識(shí)別的篩查性監(jiān)測(cè)，設(shè)備布點(diǎn)如圖2所示，然后根據(jù)篩查監(jiān)測(cè)結(jié)果，再進(jìn)行局部精細(xì)化排查監(jiān)測(cè)。

1.4 分析方法

根據(jù)目標(biāo)污水處理廠的集水區(qū)土地利用、管網(wǎng)拓?fù)溥B接、污水提升泵站等因素，將集水區(qū)分成多個(gè)子集水區(qū)。針對(duì)各個(gè)子集水區(qū)完成水質(zhì)和流量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，用

于捕捉各個(gè)子集水區(qū)的排水特征，評(píng)估各個(gè)子集水區(qū)的貢獻(xiàn)度，識(shí)別重點(diǎn)子集水區(qū)優(yōu)先進(jìn)行排查工程。針對(duì)無(wú)法直接監(jiān)測(cè)的片區(qū)根據(jù)物料守恒評(píng)估其區(qū)域的水質(zhì)水量，計(jì)算方法如下：

Qc=QT-ni=1Qi（1）

Cc=QTCT-ni=1QiCiQc（2）

式中：Qc為無(wú)法直接監(jiān)測(cè)區(qū)域的流量數(shù)據(jù)，m3/d；Cc為無(wú)法直接監(jiān)測(cè)區(qū)域的水質(zhì)數(shù)據(jù)，mg/L；QT為無(wú)法監(jiān)測(cè)區(qū)域的下游節(jié)點(diǎn)流量數(shù)據(jù)，m3/d；CT為無(wú)法直接監(jiān)測(cè)區(qū)域的下游節(jié)點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)，mg/L；

Qi和Ci分別為下游匯入點(diǎn)的其他集水區(qū)和無(wú)法監(jiān)測(cè)區(qū)域上游集水區(qū)的水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)，單位分別為m3/d和mg/L

Qi為上游n個(gè)集水區(qū)中第i個(gè)集水區(qū)的水量數(shù)據(jù)，m3/d；

Ci為上游n個(gè)集水區(qū)中第i個(gè)集水區(qū)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，mg/L。

針對(duì)重點(diǎn)子集水區(qū)進(jìn)行加密布設(shè)，通過(guò)采集的管網(wǎng)水質(zhì)水量數(shù)據(jù)完成管網(wǎng)的診斷分析。管網(wǎng)診斷目的主要為排查排水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，識(shí)別外水入滲區(qū)域，評(píng)估雨污混接。其中針對(duì)排水管網(wǎng)的外水入滲問(wèn)題，主要以其相對(duì)應(yīng)區(qū)域的水質(zhì)水量特征評(píng)估影響程度，通過(guò)質(zhì)量守恒初步評(píng)估外水入滲量。

Qinfiltration=QcCc-QcCwtCinfiltration-Cwt+

ni=1Qi（Ci-Cwi）Cinfiltration-Cwi（3）

式中：Qinfiltration為外水入滲量，m3/d；Cinfiltration為入滲水典型水質(zhì)濃度，mg/L；

Qc為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間的自流區(qū)流量數(shù)據(jù)，m3/d；Cc為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間的自流區(qū)水質(zhì)數(shù)據(jù)，mg/L；

Qc為無(wú)法直接監(jiān)測(cè)區(qū)域的流量數(shù)據(jù)，m3/d；Cc為無(wú)法直接監(jiān)測(cè)區(qū)域的水質(zhì)數(shù)據(jù)，mg/L；

Cwt為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間的自流區(qū)典型用地污水水質(zhì)濃度，mg/L；

Qi為上游n個(gè)集水區(qū)中第i個(gè)集水區(qū)的水量數(shù)據(jù)，m3/d；

Ci為上游n個(gè)集水區(qū)中第i個(gè)集水區(qū)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，mg/L；

Cwi為上游n個(gè)集水區(qū)中第i個(gè)集水區(qū)的典型用地污水水質(zhì)濃度，mg/L。

雨污混接是污水管道和雨水管道間的錯(cuò)誤連接，主要有以下兩種類(lèi)型：

（1） 對(duì)于污水管道錯(cuò)接至雨水管道，針對(duì)雨水管道監(jiān)測(cè)水質(zhì)和水量，如果晴天持續(xù)有流動(dòng)污水存在，則存在錯(cuò)接。

（2） 對(duì)于雨水管道錯(cuò)接至污水管道，針對(duì)污水管道監(jiān)測(cè)水質(zhì)和水量，如果降雨階段降雨的時(shí)間序列與水質(zhì)時(shí)間序列間的相關(guān)系數(shù)（r）小于-0.5（強(qiáng)負(fù)相關(guān)）；且降雨的時(shí)間序列與水量時(shí)間序列間的相關(guān)系數(shù)（r）大于0.5（強(qiáng)正相關(guān)）；同時(shí)上下游點(diǎn)位的水質(zhì)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)（r）在-0.3～0.3（弱相關(guān)）之間，則2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間存在混接點(diǎn)。

在排水管網(wǎng)系統(tǒng)中，水質(zhì)水量數(shù)據(jù)均存在周期性，在降雨過(guò)程中周期性波動(dòng)對(duì)時(shí)間序列間相關(guān)性判斷會(huì)造成誤差。在此項(xiàng)工作中，去噪后的水質(zhì)和流量的時(shí)間序列通過(guò)STL濾波法［13］，移除周期性部分和殘差部分后用于分析，分解方法如下。

Qori=Qtrend+QSeasonal+Residual（4）

式中：Qori為數(shù)據(jù)清洗后的水質(zhì)和水量時(shí)間序列；QSeasonal為時(shí)間序列中的季節(jié)部分，在排水管網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景季節(jié)部分設(shè)定為24 h；Qtrend為監(jiān)測(cè)時(shí)間序列的基線，通過(guò)24 h的移動(dòng)平均法計(jì)算；Residual為時(shí)間序列分解后的殘差項(xiàng)。

2 結(jié)果和討論

針對(duì)蕪湖市D污水處理廠進(jìn)水濃度提升的關(guān)鍵目標(biāo)，本研究通過(guò)分析D污水處理廠的主要泵站子集水區(qū)和自流區(qū)集水區(qū)的節(jié)點(diǎn)水質(zhì)和水量，評(píng)估各個(gè)子集水區(qū)的地下水入滲程度和貢獻(xiàn)強(qiáng)度，用于識(shí)別改造工程的下一步工作重點(diǎn)泵站區(qū)。并通過(guò)在重點(diǎn)泵站區(qū)的污水干線、支線和戶(hù)線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)收集水質(zhì)水量數(shù)據(jù)，耦合降水?dāng)?shù)據(jù)評(píng)估重點(diǎn)區(qū)域各個(gè)重要污水支線的地下水入滲量和重點(diǎn)排水戶(hù)的雨污混接程度。

圖3展示了各個(gè)節(jié)點(diǎn)2022年1～7月的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和泵站運(yùn)行流量數(shù)據(jù)。自流區(qū)的COD均值在240 mg/L，水量均值在24 000 m3/d，且枯水期和豐水期無(wú)顯著變化，證明自流區(qū)雨污分流顯著，且無(wú)顯著的外水入滲問(wèn)題。W泵站枯水期流量約為8 000 m3/d，豐水期流量約為9 000 m3/d；枯水期COD約為60.5 mg/L，豐水期COD約為56.7 mg/L。W泵站在豐水期存在雨污混流會(huì)造成約1 000 m3/d的額外來(lái)水，但COD不顯著下降，證明枯水期和豐水期W泵站存在顯著的外水入滲問(wèn)題。T泵站COD均值在15 mg/L，水量均值在1 500 m3/d，且枯水期和豐水期無(wú)顯著變化，證明T泵站雨污分流顯著，且無(wú)顯著的外水入滲問(wèn)題。Q泵站枯水期流量約為14 000 m3/d，豐水期流量約為18 000 m3/d；枯水期COD約為86.7 mg/L，豐水期COD約為97.4 mg/L。Q泵站上游的M泵站枯水期流量約為7 000 m3/d，豐水期流量約為9 000 m3/d；枯水期COD約為67.3 mg/L，豐水期COD約為62.9 mg/L。M泵站在豐水期存在雨污混流會(huì)造成約2 000 m3/d的額外來(lái)水，但COD不顯著下降，證明在枯水期和豐水期M泵站存在顯著的外水入滲問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)上述分析，W泵站和M泵站的集水區(qū)均存在外水入滲問(wèn)題，針對(duì)這兩個(gè)區(qū)域的管網(wǎng)改造工程是進(jìn)一步提升污水處理廠進(jìn)水濃度的關(guān)鍵。W泵站集水區(qū)存在一個(gè)水上主題公園主要排水戶(hù)，其排放污水濃度低且水量大，為W泵站的主要外源來(lái)水；相對(duì)而言，M泵站的外源低濃度來(lái)水未知。針對(duì)以上發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目運(yùn)行方在2022年8月針對(duì)M泵站集水區(qū)進(jìn)行水質(zhì)和水量監(jiān)測(cè)設(shè)備的加密布設(shè)，用于進(jìn)一步排查M泵站集水區(qū)的問(wèn)題。

圖4展示了M泵站的水質(zhì)和水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。M泵站枯水期的COD有明顯的周期性，濃度范圍在50～80 mg/L（去除極個(gè)別毛刺異常點(diǎn)數(shù)據(jù)，下同），日均值為64 mg/L?？菟贛泵站的日均流量約為6 700 m3/d?？菟诒谜舅|(zhì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期低于200 mg/L，表明M泵站集水區(qū)存在明顯的枯水期低濃度水入滲問(wèn)題。

M泵站豐水期受降雨影響顯著，以8月27日降雨事件分析，降雨峰值期間COD從65 mg/L顯著上升至79 mg/L，而后迅速降低至51 mg/L，且8月27～29日水質(zhì)濃度整體降低約10 mg/L，同時(shí)伴隨周期性波動(dòng)減弱。在此次降水事件中，M泵站日均流量為12 870 m3/d，是枯水期流量的1.92倍。以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明M泵站集水區(qū)管網(wǎng)存在顯著的雨污混接問(wèn)題，導(dǎo)致降雨過(guò)程中大量雨水匯入污水管網(wǎng)。

地下水入滲和雨污混接分析使用了2022年8月19日至9月30日的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，枯水期數(shù)據(jù)為降雨事件后5 d到下一次降雨事件前1 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，豐水期數(shù)據(jù)為降雨發(fā)生時(shí)到降雨結(jié)束后第3天之間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1 地下水入滲

針對(duì)M泵站集水區(qū)的地下水入滲評(píng)估，其集水區(qū)邊界河流的水體功能區(qū)劃為地表水Ⅱ類(lèi)，基于功能區(qū)劃假設(shè)入滲地下水的COD為15 mg/L。集水區(qū)用地主要為居民區(qū)和工業(yè)園區(qū)，居民區(qū)的典型污水濃度假設(shè)為300 mg/L，工業(yè)區(qū)的典型污水濃度假設(shè)為500 mg/L［14-15］。節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)使用在線設(shè)備監(jiān)測(cè)的COD，其監(jiān)測(cè)頻率為1次/10 min。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗后，通過(guò)分析時(shí)段?。菟凇⒇S水期）平均值。水量數(shù)據(jù)使用在線設(shè)備監(jiān)測(cè)的流量，其監(jiān)測(cè)頻率為 1 min，通過(guò)分析時(shí)段取（枯水期、豐水期）平均值。水質(zhì)和水量在豐水期和枯水期的平均值通過(guò)公式（1）～（3）計(jì)算出監(jiān)測(cè)管段的地下水入滲量。

圖5和圖6展示了枯水期和豐水期M泵站集水區(qū)主要節(jié)點(diǎn)間外水入滲程度的評(píng)估。結(jié)果顯示：枯水期A監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所屬支線入滲貢獻(xiàn)量占總量的4.2%，且A監(jiān)測(cè)點(diǎn)和B監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間存在的管網(wǎng)水外滲約占總量的-0.7%；豐水期A監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所屬支線入滲貢獻(xiàn)量占總量的8.1%。D監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在支線流量不顯著，無(wú)流量數(shù)據(jù)，主要貢獻(xiàn)來(lái)自C監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所屬支線，其枯水期入滲貢獻(xiàn)量占總量的6.41%，豐水期入滲貢獻(xiàn)量占總量的6.46%。E監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所屬支線枯水期入滲貢獻(xiàn)量占總量的9.27%，豐水期入滲貢獻(xiàn)量占總量的5.83%。F監(jiān)測(cè)點(diǎn)位流量不顯著，無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。G監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在支線在枯水期貢獻(xiàn)了74.1%的外水入滲，在豐水期貢獻(xiàn)了72.63%的外水入滲；此外在G監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和H監(jiān)測(cè)點(diǎn)位間存在顯著的外來(lái)水，且入滲量在枯水期和豐水期均占總量的50%。

基于分析得出初步結(jié)論如下：A和B節(jié)點(diǎn)之間在枯水期存在管網(wǎng)內(nèi)水外流，豐水期存在外水入滲的問(wèn)題；G監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在支線的外水入滲是影響M泵站水質(zhì)水量的關(guān)鍵支線，且G點(diǎn)位和H點(diǎn)位之間存在嚴(yán)重的外水入滲問(wèn)題。本研究使用高頻水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端的長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)完成地下水入滲評(píng)估。相較于低頻的人工采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，高頻水質(zhì)數(shù)據(jù)的代表性更強(qiáng)，可以規(guī)避人工采集中取到不具代表性的離群樣本和人工取樣不規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 雨污混接

排水戶(hù)戶(hù)線的水質(zhì)數(shù)據(jù)使用在線設(shè)備監(jiān)測(cè)的COD，其監(jiān)測(cè)頻率為1次/10 min，經(jīng)過(guò)30 min的步長(zhǎng)完成重新取樣取平均值。排水戶(hù)戶(hù)線水量數(shù)據(jù)使用在線設(shè)備監(jiān)測(cè)的流量，其監(jiān)測(cè)頻率為1次/1 min，經(jīng)過(guò)30 min的步長(zhǎng)完成重新取樣取平均值。監(jiān)測(cè)時(shí)間序列利用公式（4）描述的方法移除周期性和殘差后，通過(guò)設(shè)定滯后階數(shù)完成同降水?dāng)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)頻率和時(shí)間同步。經(jīng)分析，此集水區(qū)的降雨和排水管網(wǎng)產(chǎn)流的滯后階數(shù)為2 h。通過(guò)分析排水戶(hù)的水質(zhì)，水量和降雨數(shù)據(jù)的相關(guān)性，評(píng)估各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的雨污混接強(qiáng)度。針對(duì)檢測(cè)過(guò)程中的一次代表性降水事件的關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果如下。

針對(duì)2022年8月26～27日的降雨時(shí)間分析如圖7和圖8所示，在水質(zhì)分析中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位K和E所屬的相關(guān)支線在降水過(guò)程中水質(zhì)數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)存在強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位B和F所屬的相關(guān)支線在降水過(guò)程中水質(zhì)數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。初步推測(cè)在K和E所屬相關(guān)支線存在顯著的雨水管接入污水管網(wǎng)問(wèn)題。

由于系統(tǒng)的南部和東部集水區(qū)存在2組提升泵站和1組主泵站，在降雨過(guò)程中整體系統(tǒng)由泵站主導(dǎo)，導(dǎo)致東部和南部集水區(qū)的水量數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)無(wú)顯著關(guān)聯(lián)性。西部集水區(qū)的水量數(shù)據(jù)同降水?dāng)?shù)據(jù)存在正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)水量數(shù)據(jù)分析得出A監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在支線存在雨水管接入污水管網(wǎng)的問(wèn)題。

通過(guò)使用高頻的水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以在降水過(guò)程中獲得大量數(shù)據(jù)用于時(shí)間序列的相關(guān)性分析?；陂L(zhǎng)時(shí)間序列的相關(guān)性分析，與基于短時(shí)間序列的手采數(shù)據(jù)相比，其結(jié)論更具有代表性且可以更好地排除降雨事件中的偶發(fā)性水質(zhì)突變對(duì)于評(píng)估診斷造成的影響。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)核查結(jié)果

通過(guò)水質(zhì)、水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的排查分析結(jié)果，和當(dāng)?shù)剡\(yùn)維管理部門(mén)的實(shí)地管網(wǎng)核查結(jié)果具有很好的一致性，如圖9所示。實(shí)地核查結(jié)果證明：A和B監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間存在排水戶(hù)私接問(wèn)題，排水戶(hù)違規(guī)從排水管網(wǎng)抽水用于苗圃灌溉和混凝土生產(chǎn)；A和B監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之間存在管網(wǎng)坍塌和破損；K監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在支線存在雨污混接；E監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在支線存在雨污混接問(wèn)題；G和H監(jiān)測(cè)點(diǎn)位間存在未知來(lái)源的管道錯(cuò)接問(wèn)題，且來(lái)水量顯著；集水區(qū)南部管網(wǎng)長(zhǎng)期處于高水位運(yùn)行且在降雨過(guò)程中存在污水擁堵問(wèn)題。以上現(xiàn)場(chǎng)核查結(jié)果和水質(zhì)水量長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致，說(shuō)明水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以有效捕捉污水管網(wǎng)異常運(yùn)行情況，如地下水入滲、雨污混接等。

3 結(jié) 論

本次研究表明，量子點(diǎn)光譜傳感水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可在管網(wǎng)水質(zhì)本底調(diào)研和管網(wǎng)問(wèn)題排查中，快速定位重點(diǎn)問(wèn)題區(qū)域，提升工程改造的效率，縮短改造時(shí)間和減少成本，并且可通過(guò)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域開(kāi)展精細(xì)化監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步精準(zhǔn)定位問(wèn)題管段，評(píng)估外水入滲和雨污混接的嚴(yán)重程度。

該新型水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以提供原位、實(shí)時(shí)、連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，無(wú)需化學(xué)試劑、功耗低維護(hù)少，能滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用的要求，可在長(zhǎng)江流域的排水系統(tǒng)推廣使用。本次研究取得了良好的應(yīng)用效果，為后續(xù)深化研究提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.2021年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒［Z］.2022.

［2］ 國(guó)家發(fā)展改革委，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃［Z］.2021.

［3］ 劉戰(zhàn)廣，譚學(xué)軍，陳嫣.基于水量分析和節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)評(píng)估診斷［J］.中國(guó)給水排水，2021，37（17）：32-37.

［4］ 徐祖信，王詩(shī)婧，尹海龍，等.基于節(jié)點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的污水管網(wǎng)破損位置判定方法［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2016，36（12）：3678-3685.

［5］ 沈小華，齊國(guó)輔，耿宏，等.管網(wǎng)異常（水質(zhì)濃度低）排查技術(shù)路線和案例分析［J］.中國(guó)給水排水，2021，37（4）：97-100.

［6］ 徐祖信，汪玲玲，尹海龍，等.基于特征因子的排水管網(wǎng)地下水入滲分析方法［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，44（4）：593-599.

［7］ 尚立珍.城市污水管網(wǎng)建設(shè)頂管施工技術(shù)［J］.水利水電快報(bào)，2021，42（增1）：36-39..

［8］ LI P H，HUR J.Utilization of UV-Vis spectroscopy and related data analyses for dissolved organic matter （DOM） studies：a review［J］.Critical Reviews in Environmental Science & Technology，2017（47）：131-154.

［9］ RIEGER L，LANGERGRABER G，THOMANN M，et al.Spectral in-situ analysis of NO2，NO3，COD，DOC and TSS in the effluent of a WWTP［J］.Water Science & Technology，2004，50（11）：143-152.

［10］ 劉詩(shī)平.長(zhǎng)江保護(hù)法實(shí)施一年多成效如何？［N］.新華每日電訊，2022-12-29（003）.

［11］ 中國(guó)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/CECS 758-2020［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2020.

［12］ BAO J，BAWENDI M G.A colloidal quantum dot spectrometer［J］.Nature，2015，523（7558）：67-70.

［13］ CLEVELAND R B，CLEVELAND W S.STL：a seasonal-trend decomposition procedure based on Loess［J］.Journal of Official Statistics，1990，6（1）：1-7.

［14］ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 8978-1996.［S］.北京：國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，1998.

［15］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50014-2021［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2021.

（編輯：劉 媛）

Application of quantum dot spectral sensing technology in sewage system of Changjiang River Basin

WANG Jiawei1，ZHOU Tianshuo2，HUO Xujia3，CAO Qiming2

（1.China Three Gorges Technology Co.，Ltd.，Beijing 100038，China； 2.QuantaEye（Beijing）Technologies Co.，Ltd.，Beijing 100083，China； 3.China Three Gorges Corporation，Wuhan 430014，China）

Abstract：

In recent years，water quality monitoring technology has been frequently used in the diagnostic inspection of sewage pipeline health.This paper aims to study the application of novel quantum dot spectral sensing technology to monitor water quality and investigate pipeline health in the upstream sewage network of a wastewater treatment plant in Wuhu City.The investigation studied illicit connections（pipe network wrong mixing and rainfall connecting to sewers）and external water infiltration.In this study，two key areas leading to low quality of inflowing water in the sewage treatment plant were identified.The source of external water infiltration was located and verified on site through the fine monitoring of the sewage pipe network in the key areas.Results show that through the joint analysis of water quality data or water quality and flow，rainfall and other data，the new in-situ water quality online monitoring technology can play an important role in the field of pipeline network investigation and background concentration characteristic monitoring，which is conducive to improving the quality and efficiency of the sewage system and reducing the overflow pollution discharge.

Key words：

water quality；pipeline health diagnosis；online monitoring；external water infiltration；rainfall connecting to sewers；spectral sensing quantum dot；Wuhu City