地表水電導率與水質指標相關性分析與建模

楊群峰

(廣州市生態環境局海珠環境監測站，廣東 廣州 510000)

城市水系作為城市重要的一部分，提供了諸如環境改善、水資源與水能、物種生境、景觀與文化以及其氣候調節等生態服務功能[1]。城市水系作為空間上的呈網狀分布的復雜系統，為其水質的監測帶來了很大的難度，若缺少有效的監管，就無法及時掌握水系水質的情況，無法及時對突發的情況進行處理。傳統的人工監管模式費時費力且效率低下，在線監測不僅能降低人力成本，還能保證時效性實現區域性統籌管理[2]。現在遠程水質在線監測無論在采購和運維成本上都很高昂，若城市河涌多難以實現全面的在線監測。在固定溫度下，電導率主要由水溶液中所含離子的總量決定，電導率能在一定程度上反映水中總氮、氨氮、總磷、化學需氧量等指標的含量[3]。且電導率相對其他水質指標來說，在線監測成本較低[4]。本研究利用珠江某斷面的水質數據，建立各水質因子與電導率之間的數學模型，以期通過電導率實現對其他水質指標的估測。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

選取珠江某斷面為采樣點，水樣采集和保存方法參考《污水監測技術規范(HJ91.1-2019)，于2020年1月-2021年12月開展該斷面水質指標與電導率的調研和檢測工作，每個月對斷面進行采樣分析，監測指標高錳酸鹽指數CODMn、氨氮NH3-N、總氮TN、化學需氧量COD、總磷TP、氟化物、五日生化需氧量BOD5和其他的指標的具體采樣和分析方法參考地表水和污水監測技術(HJ/T 91-2002)和地表水環境質量標準(GB3838-2002)。水質的電導率EC值采用上海儀電科學DDS-307A型電導率儀測定。

1.2 數據分析

選取24個月228組數據進行統計分析，利用SPSS22.0軟件對各組數據進行描述性統計并做多元線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 調查結果

利用SPSS22.0軟件對調查結果進行運算和分析，描述統計分析結果如表1所示。

表1 調查結果描述統計分析Table 1 Descriptive statistical analysis of survey results

2.2 水質指標間相關性分析

首先對7個指標進行Pearson相關性分析，分析結果如表2所示。

表2的相關性分析結果表明，電導率與高錳酸鹽指數、氨氮、氟化物和總氮之間存在極強的顯著相關關系(P<0.01)，與總磷存在顯著相關關系(P<0.05)。其中電導率與總氮之間的Pearson相關系數高達0.909，電導率與氟化物的相關系數達0.784，證明電導率與總氮、氟化物之間的正相關關系很明顯。而電導率與化學需氧量和五日生化需氧量之間并不顯著相關，表明他們對電導率的直接作用很小。同時，氟化物和總氮的相關系數較高，證明在珠江水體的污染物中，含氮的有機物與含氟的有機物有一定的同源性。

2.3 模型的構建

由2.2的分析可得，電導率與總氮、氟化物兩個水質指標之間存在著較高的顯著相關性，基于這點，本研究構建電導率與總氮和氟化物之間的具體回歸模型。由圖1散點圖所示，可見電導率與總氮和氟化物有一定的線性回歸關系。

表2 各水質指標間的相關系數Table 2 Correlation coefficients between various water quality indicators

圖1 電導率與總氮散點圖(a)和電導率與氟化物散點圖(b)Fig.1 Scatterplot of electrical conductivity with total nitrogen(a) and electrical conductivity with fluoride scatterplot(b)

將總氮和氟化物作為自變量，電導率作為因變量進行回歸分析，設置三種類型的模型進行擬合，擬合結果如表3所示。

表3 電導率與總氮、氟化物的擬合結果比較Table 3 Comparison of fitting results between conductivity and total nitrogen and fluoride

可見在總氮和電導率的擬合中，二次項的擬合結果較好，R2值達0.832，也得出在珠江水質中，電導率隨著總氮的升高而升高，呈正相關關系。而氟化物與電導率的擬合結果中也是二次項的擬合效果較好，但是擬合程度沒有總氮的高，R2值只有0.626，但也看得出來是正相關關系。

2.4 模型驗證

為了驗證模型的準確性，本研究將采用2022年測得的實際數據，分別對總氮、氟化物和電導率的三組模型進行精度檢驗。將實測的總氮和氟化物的值代入到不同的模型中，得出電導率的估算值，然后采用估算值和實測值的進行線性擬合，通過樣點距離1∶1標準參考線的離散程度、擬合線以及R2值的大小來綜合判斷模型的準確性[5]。

2.4.1 針對電導率和總氮的模型驗證

電導率與總氮的三組模型的估算值和實測值的線性擬合結果如圖2所示，結果顯示，電導率和總氮的擬合模型中，R2值的大小排序為二次項最大，線性次之，冪次式最小，而與1∶1線的離散程度來說，二次項的偏離程度最小，綜合來說以二次項擬合精度最高，無論從距離1∶1標準參考線的離散程度、擬合線以及R2值的大小來說二次項的擬合效果都是最好的。

圖2 電導率與總氮模型驗證線性式(a)、二次項(b)、冪次式(c)Fig.2 Model verification of electrical conductivity and total nitrogen： linear formula(a)， quadratic term(b)， power formula(c)

2.4.2 針對電導率和氟化物的模型驗證

電導率與氟化物的三組模型的估算值和實測值的線性擬合結果如圖3所示，結果顯示，電導率和氟化物的擬合方程中以冪次式擬合精度最高，線性式次之，二次項最低，但是二次項相比較而言，距離1∶1標準參考線的離散程度最低，綜合考慮表3中R2值的大小而言，還是二次項模型最能表述電導率與氟化物之間的關系。

圖3 電導率與總氮模型驗證線性式(a)、二次項(b)、冪次式(c)Fig.3 Model verification of electrical conductivity and fluoride： linear formula(a)， quadratic term(b)， power formula(c)

2.5 高效低成本在線監測總氮和氟化物可行性分析

目前針對地表水的監控，尤其是廣州這樣城市水系發達、河涌密集的城市來說，較為普遍的監測手段為常規檢測，準確性和可靠性有保障，而想要完全依靠在線自動監測不僅采購成本高昂，而且后期維護費用也是相當高。在針對15個國家地表水水質自動監測站中的水質指標進行3個月的常規監測和自動監測追蹤分析，得到常規監測和自動監測之間誤差較小，屬于隨機誤差，表明可以基于自動監測數據對水質指標建立相應的回歸模型，實現快速準確的水質指標的監測[6]。相比安裝在線檢測難度大、成本高的總氮在線監測儀，采用電導率在線監測來估算相應的總氮和氟化物值的大小更容易達到我們實時監測城市地表水中含氮和含氟污染物的含量和變化趨勢的目的，相比定期的常規采樣和常規檢測手段來說大大提高了效率和降低了監測成本。

3 結 論

以珠江某斷面水質指標為代表的數據分析結果顯示，電導率與總氮和氟化物之間存在著顯著正相關性，基于電導率與總氮和氟化物的相關性建立出回歸模型，分析結果顯示電導率與總氮和氟化物之間二次項擬合結果最佳。本研究為在城市水系在線監測中提供一種利用電導率這個容易實現在線監測且成本較低的水質指標來估算難在線監測、成本高昂的總氮和氟化物的可行性方案，使得監測總體難度下降、監測效率提高。