地表水水質間各參數相關性分析

楊豐源，張琪，和慶

（1.上海浦公節能環保科技有限公司，上海 201203；2.上海天漢環境資源有限公司，上海 201100）

據《2018上海市河道（湖泊）報告》，上海河網密集，河道數量過大。由于水質狀態不穩定，把控河道水質實時現狀是一大難點，故提出可利于河道長效監管、智能化監測的模式來幫助河道管理中心進行集中監管，通過大數據可了解河道的實時現狀并對重點區域進行嚴格監管，從而提高水質。

目前，水質在線監測方式得到廣泛認可及應用[1-2]，但由于價格因素，普遍選用價格便宜的監測五參數[溫度、pH值、濁度、溶解氧（DO）、電導率（EC）]，但這并不能準確指出河道水質類別及污染程度。目前，了解河道污染狀況的主要參數為DO、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）及高錳酸鹽指數，但監測這些指標的傳感器具有價格高、體積大和耗時長等特點[3]，故難以大規模使用。

本研究通過五參數與化學需氧量（COD）、TP、TN、NH3-N和葉綠素a（chl-a）參數間的顯著相關性，以“一河一策”制[4]來模擬各河道的水質參數相關性，從而更準確地推算出不同河道的水質狀況。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

分別選農業、工業、生活及混合源的4條河道作為研究對象，于2019年10月—2020年8月，對河道水質進行逐月取樣分析。

1.2 儀器

多參數水質分析儀，美國YSI；VIS-7220型可見光分光光度計，北京北分瑞利分析儀器（集團）公司。

1.3 水質常規指標分析

水溫（WT）、DO、EC使用多參數水質分析儀現場測定；chl-a采用熱乙醇分光光度法進行測定（ISO 10260-1992）；TP采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-1989）；總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894-89）；氨氮測定采用納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）；COD采用高錳酸鉀法（GB 11892-89）。

1.4 數據處理及分析

每項水質指標測定結果為2個平行樣，分析結果取其平均值，相對標準誤差（RSD）控制在10%以內。

2 結果與討論

2.1 不同污染源的影響參數分析

相同條件下，分別于上海不同污染源的河道取樣，根據“1.3”中各項方法進行檢測，結果見表1。根據結果分析，得出各參數不同污染源河道的COD和NH3-N污染程度均為工業＞農業＞生活，TN為生活＞農業＞工業，TP為農業＞工業＞生活，說明工業源污染較重，其次是農業源，生活源污染較輕。

表1 工業、農業、生活及混合源河道的污染水平

續表1

2.2 推算模型及相關性

根據污染現狀取氨氮、總氮、總磷、溶解氧和化學需氧量建立模型。相關研究表明，溶解氧與水溫呈極顯著負相關[5]，與pH顯著正相關；電導率分別與溫度、pH、葉綠素a均呈顯著正相關[6]；葉綠素a與水溫、總磷、氨氮呈極顯著正相關[7-8]，且與水溫和pH極顯著負相關；化學需氧量與溶解氧呈負相關，與電導率、總磷、總氮和氨氮呈正相關[9-10]。故本研究以溶解氧和電導率為監測對象，葉綠素a為介質參數，從而推算出總磷、總氮、氨氮及化學需氧量的數值（見圖1）。

圖1 顯著相關性關系圖

以不同污染源河道為研究對象，推算其溶解氧、電導率、總磷、總氮、氨氮、葉綠素a和COD參數間的相關性，水質各指標的Pearson值與擬合系數R2值見表2。工業、農業及混合源的河道中各參數間的P值幾乎均小于0.05，均呈顯著相關性；生活源污染的河道水，R2值幾乎均大于0.7，故各類污染源的河道均可適用上述模型，均能通過參數間的相關性來推算總磷、總氮、氨氮及化學需氧量值。

表2 水質各指標的Pearson值與擬合系數R2值相關性驗證

2.3 結果推算

為了驗證模型實用性，通過溶解氧與電導率參數作為實時監測數據，葉綠素a作為推算介質參數，得出實時總磷、總氮、氨氮及COD的推算數值，對于有多種途徑推算的參數，去掉偏差較大的數值，取平均值作為最終值。如表3所示，對各類型河道已測數據進行對比，其偏差大多控制在±10%內，可以達到估算水質類別效果，與理想預期達到一致。

表3 模型推算與實測比對值

2.4 模型修正——實際環境應用

實際河道環境復雜，影響因素較多，其中水溫的變化會對數值造成一定的影響，隨著季節不同，各參數數值也不同。理論環境下，隨著溫度的升高，溶解氧降低，電導率升高；但在實際環境中，上海夏季的降雨量增加，起到稀釋作用，導致地表水的電導率和pH降低，且由于夏季溫度升高，溶解氧降低，過量有機物得不到分解，水中的有機物也容易腐敗變質，導致氨氮含量升高。因此，需用水溫、降雨等參數來校正模型，提高推算數據的準確性。

3 結論

在低成本前提下，對河道水質狀況進一步了解，適用于多河道的實時監測，更適合廣泛應用，可以控制劣Ⅴ類河道水發展并控制河道水質不降標，利于牢固青山綠水就是金山銀山的發展理念。