海河流域污染状况与常规污染指标数据分析

doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01098

摘要：海河流域是我国重要流域之一，对其污染及治理的研究显得尤为重要。由2004年-2010年7年的连续数据进行统计和分析，在对海河污染程度现状分析的基础上，发现了溶解氧的浓度与整个水质等级的对应情况。在全部的统计分析数据中，对天津三岔口监测点2010年全年的监测数据进行了进一步分析，其中详细分析了溶解氧、高锰酸盐指数和氨氮三者间的相关性，计算得到回归方程：CODMn=7.308-0.246DO±2.714；NH3-N=2.345-0173DO±118。由相关性分析结果表明，溶解氧浓度与高猛酸盐指数及氨氮浓度呈现显著的负相关性。经过分析得到了在溶解氧分别在3 mg/L以下、3～5 mg/L、5 mg/L以上3种条件下的水质特征。

关键词：海河； 溶解氧； 相关性； 统计分析； 回归方程； 水质特征

中图分类号：X826 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2012）01-0098-04

Analysis of Pollution in Haihe River and Its Conventional Indicators

SONG Xiao-xiao1，2,YAN Hao-wen1,TIAN Bing-hui2,ZHANG Dong-ju2

(1.LanZhou JiaoTong University,LanZhou 730070,China；2.Research Center for Eco-Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China)

Abstract:The Haihe river basin is an important basin in China,thus the study on controlling the pollution in it is critical.Based on the analysis of the current pollution status in the Haihe river,this paper conducted the statistical analysis of the continuous observed data from 2004 to 2010 and investigated the relationship between the concentration of dissolved oxygen and the water quality grade.Furthermore,this paper analyzed the observed data in 2010 at the Sanchakou monitoring station of Tianjin,especially the relationships among the dissolved oxygen,permanganate index,and ammonia nitrogen.Two regression equations were obtained:CODMn=7308－0246DO±2714 and NH3-N=2345－0173DO±118.The results showed a negative correlation between the dissolved oxygen and permanganate and between dissolved oxygen and ammonia nitrogen,and the water quality was characterized for the concentration of dissolved oxygen at 3,3-5,and 5 mg/L,respectively.

Key words:Haihe;dissolved oxygen;correlation;statistical analysis;regression equation;water quality characteristics

海河流域是我国七大流域之一，它东临渤海,西倚太行，南界黄河，北接蒙古高原。流域总面积3182万km2，占全国总面积的3.3%。由于环境基础建设薄弱，人为活动影响剧烈，使得海河流域“有河皆干，有水皆污”，因此，海河流域水环境的问题已成为学术界关注和研究的焦点，并日益收到政府部门的重视［1］。

在海河流域水质的调查研究中，因为污染指标间的相关性研究对水体的监测有极其重要的指导作用，所以许多学者对河流中溶解氧与高锰酸盐指数以及氨氮三者间的相关性进行了相应研究［2-4］，但其中的数据都是有所选取的，本文则根据2004年-2010年7年的连续监测数据［5］，进行统计与分析，并选取了天津三岔口监测点2010年全年的连续监测数据进行了相关性分析和回归方程计算，所得结果对于水质污染情况预测更具实际意义。

1 材料与分析方法

1.1 监测数据来源

2004年第1周至2010年第52周的海河流域断面监测数据来源于中华人民共和国环境保护部所公布的监测数据，该监测数据包含了海河流域8个监测点的溶解氧浓度，高锰酸盐指数，氨氮浓度及所对应的水质等级和重点污染物等数据。

1.2 溶解氧限值下比例均值分析方法

由于研究内容是围绕溶解氧，高锰酸盐指数和氨氮三项常规污染指标进行，在此取溶解氧为研究核心数据，根据溶解氧所对应的国家水质标准中不同的水质等级进行限值划分，所涉及到的统计计算，都是在溶解氧不同限值下进行的。

首先对全部污染指标数据进行比值计算，借助污染指标间的比值计算来研究河流水体的污染状况，由于是对三项常规指标进行，所以计算它们两两之间的比例关系，得出比值按不同溶解氧限值下取平均值。对三项污染指标间相关比值的计算，计算公式为：

A1i=Ci/Di(1)

A2i=Ci/Ni(2)

式中：A1i-在溶解氧限值i条件下，高锰酸盐指数与溶解氧两项指标所有比值的平均值；A2i-溶解氧限值i 条件下，高锰酸盐指数与氨氮两项指标所有比值的平均值；C-高锰酸盐指数；D-溶解氧浓度；N-氨氮浓度。

1.3 数据分布结构分析方法

在分析溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮三项污染数据的数值分布情况时，所用统计方法：

B=CiDi(3)

式中：B-相应数据的分布比率；Di-溶解氧限值内的数据数量;Ci-溶解氧限值内所对应的高锰酸盐指数不高于6 mg/L（或氨氮浓度不高于1 mg/L）即水质等级在Ⅲ级以内所对应的数据数量。

1.4 相关性分析方法

对两组数据X和Y进行一元线性回归分析，并对他们的相关关系进行检验，求得回归方程：

Y=bX+a

式中：a=Y-bX b=SxySxx

相关系数r=SxySxx•Syy(4)

式中：Sxy=∑xy-(∑x)(∑y)/n

Sxx=∑x2-(∑x)2/n

Syy=∑y2-(∑y)2/n

r值可与由样本n及所确定的显著性水平α查表所得值进行比较来检验回归方程的线性化是否有意义。

回归方程的显著性检验可以通过比较T值与t(α/2,n-2)的大小来确定，当T>t(α/2,n-2)时，认为效果是显著的。

其中T=|b|(n-1)SxxSyy-b2Sxx(5)

2 结果与讨论

2.1 海河流域污染现状

对中国环境保护部公布的主要流域重点断面水质监测周报中海河流域相关数据进行统计，其中溶解氧，高锰酸盐指数和氨氮的污染程度趋势见图1。

由图1可以看出，海河流域的污染程度主体趋势是越来越轻。其中可以明显的看到，高锰酸盐指数从2005年的年均20 mg/L以上的浓度下降到了2010年的10 mg/L以下，氨氮浓度也呈下降趋势，溶解氧浓度有小幅上升。为了研究其中污染状况，特别对溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮三者在溶解氧不同限值下的比值进行计算，另外，由于在溶解氧限值0到1情况下，高锰酸盐指数与溶解氧比例由于数值倍数差距较大，导致比例关系异常，所以在高锰酸盐指数与溶解氧比例计算中没有考虑。比例计算结果见图2和图3。

从比值关系所绘制的折线图可以看出，在溶解氧浓度的升高过程中，比例曲线与溶解氧都是有关系的。其中，高锰酸盐指数与溶解氧的比例呈现明显的下降趋势，而高锰酸盐指数与氨氮的比例则呈现上升趋势。

2.2 海河流域溶解氧、高锰酸盐指数及氨氮三项数 据分布结构分析

由国家水质标准(GB 3838-2002)可以得出，高锰酸盐指数在6 mg/L以下，以及氨氮浓度在1 mg/L以下时，水质等级在III级以上，此时，可以理解为较健康的水环境。那么，相应数据中，以溶解氧每1 mg/L为单位，所对应的高锰酸盐指数在6 mg/L以下，以及对应氨氮浓度在1 mg/L以下时的数据比率进行统计。统计结果见图4和图5。

从图4和图5可以看出，当溶解氧浓度限值达到5 mg/L时，高锰酸盐指数浓度数据在0~6 mg/L的分布以及氨氮浓度数据在0~1 mg/L的分布超过或接近50%，并比溶解氧4 mg/L时有较大提升。由此，对应水质标准中，溶解氧不高于3 mg/L水质等级低于IV级属于较污染水质，和溶解氧不低于5 mg/L水质等级高于III级属于较健康水质，对溶解氧为0~3 mg/L，3~5 mg/L以及5 mg/L以上的三种情况下做同样分析，结果见图6。

由以上分析情况可以看出，在溶解氧达到5 mg/L浓度及以上时，水质等级在III级以上的水质监测数据占到绝大多比例，所以可知，当溶解氧浓度升高时，其它污染指标在下降。同时，从此分析数据中还可以看到，在溶解氧浓度很低时，依然有部分水体中的污染指标如：高锰酸盐指数和氨氮浓度存在较低水平的情况，同样，在溶解氧浓度较高时，也存在这两种污染指标数值较高的情况。

2.3 三项水质指标间的相关性分析

选取中国环境保护部公布的2010年海河流域断面监测数据中天津三岔口监测点的监测数据进行溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮三项污染指标间的相关性分析。

首先，对溶解氧对高锰酸盐指数和溶解氧对氨氮的监测数据绘制回归曲线，结果见图7。

图7 三岔口溶解氧对高锰酸盐和溶解氧对氨氮的回归曲线

Fig.7 The regression curves between CODMn and DO and between NH3-N and DO at the Sanchakou monitoring station

根据相关关系确定方法［7］，对溶解氧对高锰酸盐指数和溶解氧对氨氮进行线性回归，检验是否存在线性关系。求得以下回归方程：

CODMn=7.308－0.246DO， γ1=-0.647

NH3-N=2.345－0.173DO ， γ2=-0.709

查表γ0.01=0.354 1，|γ1|>γ0.01，|γ2|>γ0.01 故两个污染指标与溶解氧呈线性负相关。

根据公式t=γ/ 1-r2n-2，对溶解氧与高锰酸盐指数的线性回归效果进行显著性检验。计算得到t1=5.88。取显著性水平α=0.05，查t表结果为2.02，t1>2.02，因此溶解氧对高锰酸盐指数回归效果是显著的。

同理，对溶解氧与氨氮的线性回归效果进行显著性检验，计算得到t2=7.109。取显著性水平α=0.05，查t表结果为2.02，t2>2.02，因此溶解氧对氨氮回归效果是显著的。

在置信度95%的情况下，一元线性回归中，可以用剩余标准差S来描述回归直线的精密度［7］。

所以，最终的回归方程应该表示为：

CODMn=7.308－0.246DO±t（n-2,0.05,双侧）×S1

NH3-N=2.345－0.173DO±t（n-2,0.05,双侧）×S2

其中：Si=(1-γi2)［∑yi2-(∑yi)2/n］n-2

由公式计算得到：S1=1.357，S2=0.590

故，最终的回归方程为：

CODMn=7.308－0.246DO±2714

NH3-N=2.345－0.173DO±1.18。

3 结论

在前人的一些研究中，并没有根据大量的连续监测数据进行相关性分析［2-5］，所以尽管得到的污染指标间的相关关系性强，但是对河流的水质等级判断，或者是对河流的各污染指标间的相关关系对河流的水质判断没有帮助。而本文在通过对一系列数据进行统计和相关性的分析中发现，溶解氧的状况与水环境污染程度是息息相关的。数据表明，溶解氧浓度在3 mg/L以下时，水环境大多呈污染状态，并且水环境健康状况很不稳定。溶解氧浓度在3~5 mg/L之间时，水环境就有较多情况呈现健康状态，并且污染指标表现出一定的相关性。溶解氧浓度在5 mg/L以上时，半数以上的水环境呈健康状态，污染指标表现稳定。并且在溶解氧浓度较低水平的情况下，依然存在高锰酸盐指数以及氨氮等污染指标程度较低的情况；在溶解氧浓度较高的情况下，也存在高锰酸盐指数以及氨氮等污染指标同样呈现较高水平的情况，这里或许需要进一步研究，以发现更多可以用于治污防污中的规律。通过真实数据的相关性计算，得到了三者间的相关关系，并给出了相应回归方程：CODMn=7.308－0.246DO±2.714；NH3-N=2.345－0.173DO±1.18。

参考文献（References）：

［1］ 肖俊，张希三．对海河流域水污染防治的浅见［J］．水利科技与经济，2003,9(4)：62-63.(XIAO Jun,ZHANG Xi-san.The Haihe River Basin Water Pollution Prevention and Control in［J］.Water Conservancy Science and Technology and Economy,2003,9(4)：62-63.(in Chinese))

［2］ 薛健．窑河水体中DO与NH3-N、CODMn相关性［J］．黑龙江环境通报,2003,27(3):249-252.(XUE Jan.Relativity of Do with NH3-N and CODMn in Yao He Water body［J］.Heilongjiang Environmental Jouknal,2003,27(3):249-252.(in Chinese))

［3］ 李得翔．海河下游水体中DO与NH32N、CODMn相关关系探讨［J］．中国环境监测,1997,13(5):35-37.(LI De-xiang.Study on the Correlations between Do and NH32N as well as CODmn in the Tailed Water Body of Hai river［J］.Environmental Monitoring in China,1997,13(5):35-37.(in Chinese))

［4］ 贾利．淮河流域污废水中DO与NH3-N、CODMn相关关系探讨［J］．中国环境监测,1995,11(5):8-10.(JA Li.Study on the Correlations between Do and NH3-N as well as CODmn in the Huai He Basin［J］.Environmental Monitoring in China,1995,11(5):8-10.(in Chinese))

［5］ 中华人民共和国环境保护部.全国主要流域重点断面水质自动检测周报［EB/OL］.datacenter.mep.省略 (Ministry of Environmental Protection of the People′s Republic of China.1995-11-5.The main watershed water quality automatic detection of weekly Focus.1995-11-5.［EB/OL］.datacenter.mep.省略 (in Chinese))

［6］ 夏青，陈艳卿，刘宪兵．水质基准与水质标准［M］.北京：中国标准出版社，2004.(XIA Qing,CHEN Yan-qing,LIU Xian-bing.Standard for Water Quality and Water Quality Standard［M］.Beijing:Standards Press of China,2004.(in Chinese))

［7］ 四川省环境科学学会．环境监测常用数理统计方法［M］．成都：四川科技出版社,1983,(SiChuan Soclety for Environmental Sciences.Environmental Monitoring of Commonly Used Mathematical Statistics Method［M］.Chengdu:Sichuan Science Publishing House,1983.(in Chinese.省略/kcms/detail/13.1334.TV.20120228.0839.003.省略