气温对地表水中参数变化产生作用分析以及在水处理行业中的应用前景

摘要:文章以镇江的饮用水源为研究对象,从气温的拟合关系入手,根据镇江市环境监测中心站提供的水质数据,得到当地的气温与水体各参数之间的关系。其中以作为水质指标之一的溶解氧与气温的拟合关系最为紧密,表现为线性相关,并且以此为基础,研究两者关系推断得到了发展方向及前景。

关键词:气温;地表水;参数变化;水处理;溶解氧

中图分类号:X703

文献标识码:A

文章编号:1009-2374(2009)19-0125-03

一、概述

(一)镇江城市水源环境概况

镇江位于南京东南方,是京杭大运河和长江十字交叉口。长江流经镇江市,在市区北部长江形成一个牛扼湖,即内江,面积为8.8km2,是制约城市几条河流水文、水质条件的主要水体。虽然长江水流经南京等大、中城市和上游许多地区,受到不同程度的污染,然后到达镇江段,但由于长江流量大,稀释性强;流速快,紊流扩散作用强,自净能力强,仍然是理想的饮用水水源。以此,我们作为研究镇江饮用水源水质受气温影响的变化及其相关性。

(二)溶解氧在水体质量中的意义

溶解氧值(DO)是研究水自净能力的一种依据。水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度都有密切关系。溶解氧越高,好氧生物生命活动越活跃,生物处理效果就越好,水质被净化的程度就越理想。

通过镇江市环境监测中心站提供的数据,在我们整理这些提供的数据时发现,溶解氧的变化在与水温有紧密关系的同时,与气温也有着相仿的关系,如图1所示。五年温度呈现明显的相关变化,且变化幅度紧密相关。

(三)镇江2005年至2008年气温与水温变化

采集的四年镇江市气象局公布的温度数据,并计算每周的周平均温度,对四年的温度进行统计,并拟合得到温度变化曲线,如图2所示:

由数据统计得到:4年平均周气温:16.60℃;4年最高周平均温度:31℃;4年最低周平均温度:-0.714℃。

季节周平均温度及大致时间跨度如下:春季,在三月至五月间周平均温度为15.99℃;夏季,在五月下旬至10月上旬周平均温度为26.41℃;秋季,在十月中下旬至十一月周平均气温为15.94℃;冬季,在十二月至来年二月周平均气温为4.74℃。

综合以上统计数据,可以得到气温变化呈稳定的季节变化。因而着手以气温为依据研究气温与水中溶解氧的变化是有统计学上的意义的。

总体上看,一年的温度变化呈二次函数关系,途中虚线为拟合得到的曲线,曲线方程如果用Y = A + B1*X + B2*X^2 来表示,则其中A、B1、B2的参数值经近似计算后分别为-8.8917,2.47355,-0.0438。其函数校正相关系数为0.9012,标准偏差为3.1074,显著性水平P

Y=-8.8917+2.47355×X-0.0438×X2 (1)

其中,Y代表气温(℃),X是周数(一年有52周,闰年有53周)。

二、气温对溶解氧的影响

(一)两者关系的初步定论

经采集选取2005至2008年四年的镇江饮用水水源情况,作为分析对象。

经过Origin7.5软件的模拟建模,我们以时间为横坐标,得到气温与溶解氧的变化关系。

如图3所示,温度指示在左y轴上,并且由图可明显看出一年内气温整体成倒钟状分布,中间高两边低形态分布。其中第5周是4年中最冷的一周,平均温度在-0.71℃,相对应的平均温度最高的是2007年的第31周,温度高达31℃。

对应右y轴的曲线是溶解氧随时间变化的曲线。其变化的大致范围在5.78～11.1之间,单位是mg/L。图中可见其变化呈开口向上的弧状,中间低,两边高,中间略有波动。

把两者的变化图结合后,得温度较低时,溶解氧值偏大,温度升高时溶解氧会有下降的趋势。表现了两者间相互制约,相互影响的内在联系。

在水处理的研究中,我们的要求是保持水体有较高的溶解氧含量,以保证水体自净的能力。因此在水温比较低的情况下溶解氧的含量较高,可以保证其效果,而在天气炎热,水温平均比较高的情况下,水体中溶解氧的含量必定低于必要的水平,这对于我们的水处理工作是不利的。

(二)建立相关性

排除其他可能影响因素,若以气温为横坐标,以溶解氧的大小为纵坐标,标注每个点来研究之间的函数关系,可得到图4:

其变化大致成负相关,即随气温升高,溶解氧呈减少趋势。如图4,直线为拟合所得直线,其波动情况如图4中的折线。将两者关系拟合线性关系,得函数关系式可以表示为:

Y=9.17573-0.06659×X(2)

其中Y代表饮用水水源溶解氧的含量(mg/L),X为气温(℃)。其中相关系数R为-0.59627,为明显的负相关关系,并且显著性水平

(三)温度对其他参数的影响

1.温度对pH值的影响。利用实测数据用温度作为衡坐标,以水的pH作为纵坐标,绘制出了如上所示的pH-T相关图,如图5。可以得出,水的pH呈现出一种上下波动的变化趋势,最高大小变化可达到2,与气温没有明显关系。

2.温度对电导率的影响。根据实测数据以温度为横坐标,电导率为纵坐标做出了如图6的关系曲线。可以得到,随着温度的升高,水中电导率呈现出一种缓慢减小的趋势,但总体上与温度没有明显的直接关联。

3.温度对浊度的影响。通过对数据的整理分析,得到图7,以温度为横坐标,浊度为纵坐标的关系图。可得,随着温度的变化,浊度基本上不显示出什么变化的趋势,与温度的相关性也比较小。但是在温度为4℃的时候,浊度的值有突变。此突点可视为受其他外界因素共同作用影响而产生。浊度与温度的变化没有必然的联系,而浊度在一定的范围内是有规律的波动。

4.温度对高锰酸钾指数的影响。同样,在通过对数据的整理分析的基础上,得到图8。以温度为横坐标,高锰酸钾指数为纵坐标。图中,同样可以得到,随着温度的变化,高锰酸钾指数在一定的范围内做小范围的波动,并没有受温度的很大的影响。同样的,高锰酸钾指数显著突变。它是由一些环境中不确定的因素导致的偶然偏差。因此,可以得出结论,温度的变化对高锰酸钾指数的变化有极其微小的相关影响。

5.温度对氨氮的影响。以温度为横坐标,氨氮为纵坐标,得到图9。可以看出,随着温度的增大,氨氮在小范围内上下波动,但与温度的相关性不明显。在温度的两处特殊点,4℃、7℃、15℃温度下,氨氮的值有较大的波动。通过分析,我们知道,这是由于一些环境综合因素导致的偶然误差。事实上,通过上图也可以看出,氨氮与温度的变化没有必然的相关联系。

三、结论分析及利用方式预测

(一)小结

1.镇江气温以年为单位,统计观察得到温度大致呈二次函数变化关系,呈现的是开口向下的抛物线关系。(1)式表现其数值关系。

2.镇江饮用水源水质指标中的溶解氧与当地的气温有着紧密的联系。用线性相关来建立两者的变化联系,可以得到相关系数R为-0.79513的一次负相关。(2)式表现其数值关系。也就是随着气温的升高,溶解氧的含量在水中呈下降趋势。

3.根据两个数学的建模,可以得到,在四年的最高温度31℃下的溶解氧值达到6.68mg/L,已符合国家三级标准。在最低温度-0.714℃时,溶解氧最高值达10.13mg/L,符合国家一级水质,且已达饱和。

4.由气温及其他参数间的建模比较,以及通过查阅相关文献,镇江饮用水体的其他参数与气温的关系没有明显数学模型关系。

(二)利用意义

1.普通的污水处理工艺采用的曝气系统往往需要耗大量的电能来增加水中的溶解氧含量。为响应节能减排的号召,在优化水处理工艺时可以结合溶解氧和气温以及季节之间紧密的关系,针对气温变化来调节曝气的强度。

2.选择在夏季温高条件下增加曝气强度,而在冬季相对减弱曝气程度,可以起到优化能源,调节季节变化带来的溶解氧变化等作用。

3.可以将曝气技术应用在自然水体中,以应对日趋严重的水体富营养化。结合镇江水体的溶解氧变化规律,以利用表面水体溶解氧的变化规律,调节地表水水质。

参考文献

[1]张建军.滨江城市水体污染的典型特征及保护对策[J].江苏环境科技,2006,19(5).

[2]吴徐,付金梅.镇江水厂水质十年变迁简析[N].中国建设报:中国水业,2002-05-17.