淺析涪江流域遂寧段氨氮和總氮的相關(guān)性

許肖云，張 凱，楊永安，余全智，張海柱

(遂寧市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 遂寧 629000)

·水環(huán)境·

淺析涪江流域遂寧段氨氮和總氮的相關(guān)性

許肖云，張 凱，楊永安，余全智，張海柱

(遂寧市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 遂寧 629000)

根據(jù)2015年涪江流域遂寧段桂花、老池兩個(gè)斷面氨氮和總氮的每月例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了遂寧市城區(qū)、大氣降水對(duì)氨氮和總氮濃度的影響，分析了在污染程度不同的水體中氨氮所占總氮的比例，并考察了氨氮和總氮兩者的相關(guān)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)涪江流經(jīng)遂寧市城區(qū)后，氨氮和總氮的濃度均有所升高，且總氮的升高幅度較?。贿@兩個(gè)斷面的氨氮和總氮濃度隨時(shí)間均呈現(xiàn)出先升高、后下降，再升高的變化趨勢(shì)；降水具有削減氨氮和總氮濃度的作用，且對(duì)氨氮的削減幅度較大；污染較重水體中，氨氮所占總氮的比例較大；兩個(gè)斷面的氨氮和總氮均具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別是0.984 3和0.925 5，并分別建立了線性回歸方程。

涪江；氨氮；總氮；相關(guān)性

1 前 言

近年來(lái)，特別是上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)保持著快速發(fā)展勢(shì)頭，在提高人們物質(zhì)生活水平的同時(shí)，由于管理欠缺和人們非理性活動(dòng)，導(dǎo)致水環(huán)境污染呈現(xiàn)出愈加嚴(yán)重的態(tài)勢(shì)[1～3]，已發(fā)生多起水污染事件[4]，造成重大財(cái)產(chǎn)損失，因此及時(shí)了解水污染程度顯得尤為緊迫。

氨氮和總氮是地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)的必測(cè)項(xiàng)目，是反映水體污染程度的兩個(gè)重要指標(biāo)。一般來(lái)講，總氮包括了氨氮，硝氮，亞硝氮和有機(jī)態(tài)的氮，氨氮和總氮呈正相關(guān)性，并保持一定范圍的比例。研究表明[5-6]，由于水質(zhì)的不同，氨氮和總氮的關(guān)系會(huì)出現(xiàn)一定差異，而且在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，還出現(xiàn)總氮低于氨氮或硝酸鹽氮的現(xiàn)象[7-8]，所以研究不同水質(zhì)中總氮和氨氮的比例關(guān)系有一定的必要性。

涪江是長(zhǎng)江支流嘉陵江右岸最大支流，污染源主要來(lái)自流域兩岸及其支流排放的生活污水和工業(yè)廢水。在現(xiàn)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中，僅規(guī)定了河流、湖庫(kù)中氨氮的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和湖庫(kù)中總氮的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，尚未對(duì)河流總氮環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)做出規(guī)定。遂寧市位于涪江中游，涪江是其市城區(qū)的生活飲用水水源地。近年來(lái)，涪江流域遂寧段發(fā)生早春富營(yíng)養(yǎng)化已逐漸形成新常態(tài)，而氮是水體中非常重要的營(yíng)養(yǎng)元素，是浮游植物大量繁殖的前提條件，因此及時(shí)了解和掌握該流域中總氮的主要成分，以及與氨氮之間的關(guān)系，為該流域的早春富營(yíng)養(yǎng)化治理提供理論依據(jù)。本文通過(guò)2015年涪江流域遂寧段兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面桂花和老池的每月例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了氨氮和總氮之間的相關(guān)性，總結(jié)了兩者數(shù)據(jù)間的潛在規(guī)律，不僅能反映涪江水環(huán)境質(zhì)量狀況，也為有效控制氨氮排放量、減少涪江中總氮的容量以及改善涪江出川水質(zhì)提供技術(shù)支撐，為及時(shí)掌握涪江流域遂寧段水污染動(dòng)態(tài)情況奠定基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 水樣采集和監(jiān)測(cè)方法

圖1 涪江流域遂寧段桂花斷面(1)和老池?cái)嗝?2)Fig.1 Guihua section (1) and Laochi section (2) of Fujiang river in Suining

地表水樣品采集時(shí)確保采樣點(diǎn)位的準(zhǔn)確(見(jiàn)圖1)。水樣采集后，加入硫酸，使pH≤2，以保存[9]，兩個(gè)斷面氨氮和總氮每月采集水樣各1次。氨氮測(cè)定采用水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法 HJ 535-2009；總氮測(cè)定采用水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法 HJ 636-2012。分析時(shí)均采取空白樣、平行樣和加標(biāo)樣的質(zhì)量控制措施，分析結(jié)果為平行樣(扣除空白后)的均值。

2.2 相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式

Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式[10]：

式中：x和y是一組數(shù)據(jù)的兩個(gè)變量；

S(xx)=∑x2-(∑x)2/n；

S(yy)=∑y2-(∑y)2/n；

S(xy)=∑xy-(∑x∑y)/n

本文中x和y分別代表氨氮和總氮；r為相關(guān)系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本文采用2015年涪江流域遂寧段桂花、老池兩個(gè)斷面氨氮和總氮的每月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，桂花斷面12個(gè)水樣測(cè)得的氨氮和總氮濃度變化范圍分別為0.041～0.209mg/L和1.55～2.88mg/L；老池?cái)嗝?2個(gè)水樣測(cè)得的氨氮和總氮濃度變化范圍分別為0.136～0.377mg/L和1.83～3.73mg/L。為了更直觀地研究桂花、老池兩個(gè)斷面中氨氮和總氮濃度變化情況，分析了這兩個(gè)斷面中氨氮和總氮濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

如圖2所示，桂花斷面氨氮和總氮的濃度分別小于老池?cái)嗝姘钡涂偟臐舛?，這說(shuō)明涪江流經(jīng)遂寧市城區(qū)后，氨氮和總氮的濃度均有不同程度的升高。桂花和老池兩個(gè)斷面的總氮濃度隨時(shí)間變化幅度并不太顯著，其中桂花斷面總氮最大值是最小值的1.26倍，老池?cái)嗝婵偟畲笾凳亲钚≈档?.55倍，而且兩個(gè)斷面總氮的差值較小，差值的總和是桂花斷面總氮均值的0.53倍。然而，桂花和老池兩個(gè)斷面的氨氮濃度隨時(shí)間變化幅度比較顯著，其中桂花斷面氨氮最大值是最小值的4.29倍，老池?cái)嗝姘钡畲笾凳亲钚≈档?.77倍，而且兩個(gè)斷面總氮的差值相對(duì)較大，差值的總和是桂花斷面均值的8.86倍，這表明涪江流經(jīng)遂寧市城區(qū)后，盡管氨氮和總氮的濃度均有所升高，但是氨氮的升高幅度明顯大于總氮的升高幅度。

同時(shí)，通過(guò)圖2還可以發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)斷面的氨氮和總氮濃度隨時(shí)間整體呈現(xiàn)出先升高、后下降，接著再升高的變化趨勢(shì)，下降時(shí)間段主要集中在4～9月，而遂寧市屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，降水主要集中在5～9月(見(jiàn)圖3)，該時(shí)段的降水量之和占全年總降水量的90%以上。這說(shuō)明充沛的降水不僅能降低地表水中氨氮和總氮的濃度，而且其削減氨氮濃度的幅度顯著大于削減總氮濃度的幅度。

圖2 桂花、老池兩個(gè)斷面中氨氮和總氮濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.2 Tendency of ammonia nitrogen and total nitrogen concentration with time in the Guihua and Laochi

圖3 遂寧市近5年來(lái)月均降雨量隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.3 Tendency of monthly mean atmospheric precipitation with time in Suining in recent five years

3.2 桂花和老池的K值變化趨勢(shì)分析

對(duì)比這兩個(gè)斷面的氨氮和總氮的濃度大小，均未發(fā)現(xiàn)氨氮濃度大于總氮濃度的現(xiàn)象。假設(shè)氨氮=K×總氮，K表示氨氮與總氮之間的比例系數(shù)。通過(guò)兩個(gè)地表水?dāng)嗝姘钡涂偟谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)兩者之間的關(guān)系，可計(jì)算得出K值，從而可以根據(jù)氨氮(總氮)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)估算出總氮(氨氮)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)分析人員和審核人員判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性具有一定的指導(dǎo)意義。

如圖4所示，桂花和老池兩個(gè)斷面的K值隨時(shí)間的變化范圍分別為0.017～0.101和0.050～0.186，而且K(桂花)和K(老池)的變化趨勢(shì)基本保持一致，它們的最大值均出現(xiàn)在5月份，分別為0.101和0.186；最小值均發(fā)生在9月，分別為0.017和0.050，這與該地區(qū)集中降水的時(shí)段是一致的，這說(shuō)明大量的降水能夠減少總氮中氨氮的比例，同時(shí)也說(shuō)明了在水質(zhì)較好的水體，氮化合物以其它形態(tài)化合物(非氨氮)為主。

圖4 K(桂花)和K(老池)隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.4 Tendency of K values on Guihua and Laochi with time

同時(shí)，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，K平均(桂花)為0.062，K平均(老池)為0.106，這表明涪江流經(jīng)遂寧市主城區(qū)后，氨氮在總氮中的比例幾乎提高了1倍，而水環(huán)境中氨氮主要來(lái)源于生活污水中含氮有機(jī)物受微生物作用的分解產(chǎn)物、工業(yè)廢水(焦化廢水和合成氨化肥廠等)和農(nóng)田排水，通過(guò)對(duì)桂花和老池?cái)嗝嬷g的污染源調(diào)查，發(fā)現(xiàn)K平均(老池)大于K平均(桂花)的主要原因是市城區(qū)排放的廢水所致。在桂花和老池兩個(gè)斷面間，涪江流域主要接納了4家污水處理廠的廢水，這4家污水處理廠每天向涪江排放12余萬(wàn)噸廢水。

這一發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明了在污染較重水體中，氨氮在總氮中所占比例較大，氮化合物以氨氮形態(tài)為主，這與張濤等[11]報(bào)道的結(jié)論一致。在污染相對(duì)較重的河流中，通過(guò)減少氨氮排放，對(duì)有效控制河流中總氮濃度，具有實(shí)際的意義。

3.3 相關(guān)性研究

在分析兩個(gè)斷面的氨氮和總氮監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別對(duì)其進(jìn)行了線性回歸，研究其相關(guān)性。如圖5和圖6所示，涪江流域遂寧段不僅桂花斷面的氨氮和總氮具有明顯的相關(guān)性，而且老池?cái)嗝鎯烧咭簿哂忻黠@的相關(guān)性。

圖5 桂花斷面氨氮與總氮相互關(guān)系圖Fig.5 Relationship between ammonia nitrogen and total nitrogen in Guihua

圖6 老池?cái)嗝姘钡c總氮相互關(guān)系圖Fig.6 Relationship between ammonia nitrogen and total nitrogen in Laochi

本文設(shè)氨氮值為x，總氮值為y，用線性函數(shù)y=ax+b的形式對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸，其相關(guān)性由相關(guān)系數(shù)r值來(lái)衡量。把桂花和老池兩個(gè)斷面總氮(y)和氨氮(x)分別代入Pearson相關(guān)系數(shù)公式得出r(桂花)=0.984 3和r(老池)=0.925 5；此外，對(duì)這兩個(gè)斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸處理分別得出桂花斷面的a=7.823 2和b=1.238 1；老池?cái)嗝娴腶=5.836 3和b=1.043 6。這兩個(gè)斷面的回歸方程分別是總氮=7.823 2氨氮+1.238 1(桂花)和總氮=5.836 3氨氮+1.043 6(老池)。

在評(píng)價(jià)兩個(gè)變量(x，y)所做的直線是否有意義時(shí)，常用相關(guān)系數(shù)臨界值(ra)與相關(guān)系數(shù)(r)相互比較，當(dāng)∣r∣≥ra時(shí)，所做的直線才有意義，才可以用回歸方程描述這兩個(gè)變量的關(guān)系；當(dāng)∣r∣

針對(duì)當(dāng)前缺少河流中總氮環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，可基于河流中氨氮的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，利用氨氮和總氮兩者濃度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性這一結(jié)論，來(lái)推算出總氮的濃度限值并進(jìn)行控制和評(píng)價(jià)，這對(duì)有效控制河流中總氮的排放，具有一定的指導(dǎo)作用和科學(xué)意義。

4 結(jié) 論

(1)本文通過(guò)2015年涪江流域遂寧段桂花、老池兩個(gè)斷面的氨氮和總氮每月例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)涪江流經(jīng)遂寧市城區(qū)后，氨氮和總氮的濃度均有所升高，但是氨氮的升高幅度明顯大于總氮的升高幅度。這兩個(gè)斷面的氨氮和總氮濃度隨時(shí)間整體均呈現(xiàn)出先升高、后下降，接著再升高的變化趨勢(shì)，這一趨勢(shì)與遂寧市降水的趨勢(shì)相反，降水不僅能降低氨氮和總氮的濃度，而且其削減氨氮濃度的幅度顯著大于削減總氮濃度的幅度。

(2)通過(guò)研究桂花、老池?cái)嗝婵偟邪钡谋壤l(fā)現(xiàn)在污染較重水體中，氨氮在總氮中所占比例較大，氮化合物以氨氮形態(tài)為主，大量的降水能夠減少總氮中氨氮的比例。

(3)利用Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)斷面的氨氮和總氮具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別是r(桂花)=0.984 3和r(老池)=0.925 5，回歸方程分別是總氮=7.823 2氨氮+1.238 1(桂花)和總氮=5.836 3氨氮+1.043 6(老池)。

(4)得出了這兩個(gè)斷面氨氮和總氮的回歸方程僅適合于涪江流域遂寧段，是否適合于其它水體、流域或斷面還有待進(jìn)一步考證。

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Correlation Analysis on Ammonia Nitrogen and Total Nitrogen in Suining Section of Fujiang River

XU Xiao-yun, ZHANG Kai, YANG Yong-an, YU Quan-zhi, ZHANG Hai-zhu

(SuiningEnvironmentalMonitoringCenter,Suining,Sichuan629000，China)

The impact of Suining City urban area and the atmospheric precipitation on ammonia nitrogen and total nitrogen were researched based on the monthly monitoring data of Guihua section and Laochi section of Fujiang River in 2015. The ratio of ammonia nitrogen in total nitrogen was analyzed in different polluted water bodies, and the correlation between ammonia nitrogen and total nitrogen was investigated. The result showed that the concentrations of ammonia nitrogen and total nitrogen increase with the river flows through the urban area, and the increment degree of total nitrogen is relatively small. The temporal change of concentrations of ammonia nitrogen and total nitrogen in the Guihua and Laochi increase first and then decline and increase again. The concentration of ammonia nitrogen and total nitrogen could be reduced by atmospheric precipitation, and ammonia nitrogen decreases more. Ammonia nitrogen account for a larger proportion of total nitrogen in the water body which is polluted more heavily. There is linear relationship between ammonia nitrogen and total nitrogen in both two sections, the correlation coefficients are 0.9658 and 0.9605 respectively, also the linear regression equations are established too.

Fujiang river; ammonia nitrogen; total nitrogen; correlation

2016-10-22

許肖云(1981-)，女，山東萊蕪人，2010年畢業(yè)于四川大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)專業(yè)，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理方面的研究。

楊永安，yasn13@163.com。

X522

A

1001-3644(2017)01-0064-04