城市排水管网外水诊断中特征因子的选择.pdf
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1、2023 年 26 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application城市排水管网外水诊断中特征因子的选择姚俊1,王庆1,2(1.中电建生态环境集团有限公司,广东 深圳 518101;2.中电建水环境科技有限公司,广东 深圳 518102)城市排水管网的外水诊断是当前城市排水系统提质增效项目中重点工作之一,主要包括污水管网中地下水等入渗和雨水管网混错接诊断。污水管网中地下水等外水入流入渗会引起污水厂进厂水量增加和水质浓度下降,进厂水量超过污水厂处理量时会产生污水溢流污染,进厂水质浓度下降会降低污水厂处理效率1。雨水管网中混错接会导致污水直排或溢流
2、进入河道2。外水量评估是排水管网外水诊断的核心内容之一。目前,排水管网外水量评估方法主要分为物理探测、水量平衡法、化学质量平衡法 3 类,其中物理探测主要是利用潜望镜(QV)、管道内窥检测(CCTV)等检测设备定位到管网外水入流入渗点3-5,然后进行水质水量检测,该方法成本较高;水量平衡法6-7是通过对比上下游流量变化,判断进入该段管道的外水量,该方法无法判断外水种类和比例;化学质量平衡法则是通过上下游水质指标浓度判断该段管道的外水类型和比例,如特征因子法8-9和同位素法10等,其检测成本低,能评估各种外水的来水量。特征因子法等化学质量平衡法应用的关键是要合理选择特征因子。不同外水中水质指标差
3、异较大,通常选择氨氮、表面活性剂、安赛蜜和大肠杆菌等指标作为生活污水的特征因子,如徐祖信等2选择安赛蜜来诊断上海市某雨水管网;尹海龙等11选择一种微生物指示菌作为特征因子;Field 等12推荐氨氮、表面活性剂等作为特征因子。地下水通常选择总硬度作为特征因子13-14。由于工厂生产工艺形式多样,需结合具体情况选择特征因子,通常电子企业的工业污水选择氟化物作为特征因子15-16,食品加工企业则选择钠、钾、氯化物作为特摘要:为减少城市排水管网外水诊断中选择特征因子时对人为经验的依赖性,需建立特征因子选择的判别准则。解释特征因子需满足显著性差异、独立性、较小方差等要求的本质原因。利用 Mann-Wh
4、itneyU 检验、Pearson 相关性检验等统计方法,给出特征因子显著性差异和独立性判断的定量标准,以及通过水质数据标准差与误差之间的关系确定特征因子标准差上限的方法,并提供相应的例子。结果表明,当显著性差异水平和相关系数水平小于 0.05 的水质指标才能作为特征因子,同时当水质样本为 3060 个,相对误差控制在 5%10%时,特征因子的变异系数应小于 0.3。关键词:排水管网;外水;特征因子;化学质量平衡;水质指标中图分类号院TU992文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤26-0116-04Abstract:In order to reduce the human e
5、xperience dependency in the selection of marker species in the diagnosis ofextraneous water of urban drainage network,it is necessary to establish a criterion for the selection of marker species.The reasonswhy the marker species need to meet the requirements of significant difference,independence an
6、d small variance are explained.Byusing statistical methods such as Mann-WhitneyU test and Pearson correlation test,the quantitative criteria for judging thesignificance difference and independence of characteristic factors are given,and the method of determining the upper limit ofstandard deviation
7、of characteristic factors through the relationship between standard deviation and error of water quality data isgiven,and corresponding examples are provided.The results show that only the water quality index with significant difference leveland correlation coefficient level less than 0.05 can be us
8、ed as characteristic factor,and when the number of water quality samplesis 3060 and the relative error is controlled at 5%-10%,the coefficient of variation of characteristic factor should be less than 0.3.Keywords:drainage network;external water;characteristic factor;chemical quality balance;water q
9、uality index第一作者简介:姚俊(1990-),男,硕士,工程师,高级经理。研究方向为水环境治理。DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.26.026116-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期征因子17。选择不同外水的特征因子时,通常是根据某种水质指标在不同外水中的浓度具有显著性差异来判别的,是否具有显著性差异往往需靠经验来判断。本文利用统计方法给出特征因子的定量判别准则,可作为城市排水管网外水诊断时选择特征因子的依据。1化学质量平衡模型排水管网某检查井或泵站等节点中来水满足
10、以下水质水量平衡方程组,(1)式中:qi为第 i 种来水的流量,i=1,2n,n 为来水种类的数量;cij为第 i 种来水的第 j 种水质指标浓度,j=1,2m,m 为水质指标的数量;Q 为该节点的总来水量;Cj为该节点中第 j 种水质指标的混合浓度。将式(1)等号两边同时除以 Q,得到以下化学质量平衡方程组,(2)式中:xi为第 i 种来水的流量占比。式(2)是一个(m,n)阶非齐次线性方程组,附加一个流量平衡的约束条件,为了使方程组有唯一解,通常选择的化学指标个数等于来水种类的个数,即 m=n。当 cij为随机数时,式(2)不能通过矩阵分解、最小二乘法等线性方程组的解法进行求解,需借助蒙特
11、卡罗等随机方法求解2,求解基本步骤如图 1 所示。从节点检测数据初步判断上游来水的种类,从已建立的特征因子库中挑选并随机生成特征因子,代入式(2)中求解,循环此过程 1 万次,即可得到每种来水占比的后验分布。图 1化学质量平衡方程的蒙特卡罗计算流程2特征因子的特性为了保证式(2)的方程组有唯一解,选择的水质指标需满足以下条件18,方可作为特征因子:淤同一种水质指标在不同外水中浓度应具有显著性差异;于同一种外水中不同的水质指标应相互独立,即线性无关;盂水质指标浓度的变化范围应足够小,即较小的方差;榆水质指标应具有稳定的性质,在管网中流动时不发生物理、化学变化。第榆点要求是为了防止水质指标浓度从上
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