基于水質(zhì)自動監(jiān)測中的重要指標關(guān)聯(lián)性分析

李丹丹

(廣東省廣州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 廣州 510000)

近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展進入了快車道。人民消費水平得到了快速提升，生活質(zhì)量越來越高。水是生命之源，對日常生活、經(jīng)濟發(fā)展有著至關(guān)重要的作用，水質(zhì)的好壞更是影響著社會的方方面面。確保水質(zhì)達標是政府部門的重要工作使命[1]，這就需要在水環(huán)境監(jiān)測中及時跟蹤水質(zhì)變化，及時發(fā)現(xiàn)異常監(jiān)測指標，及早采取應(yīng)對措施，避免發(fā)生重大水質(zhì)污染問題[2]。

1 研究目的及意義

水環(huán)境監(jiān)測實踐工作中，經(jīng)常會遇到一些影響水體質(zhì)量的問題。如：地表水環(huán)境質(zhì)量達標情況不理想；某個監(jiān)測指標持續(xù)超標但無法找到直接引起其污染變化的外部因素、某個時間段內(nèi)某些監(jiān)測指標短時超標后又能自行恢復正常等。水環(huán)境監(jiān)測指標的變化是由多個因素綜合作用導致的，不僅僅可能由外部條件引起(如農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)排污、生活排污等)[3]，還應(yīng)該考慮是否由其余某個監(jiān)測指標的異常而引起。因此，了解某些監(jiān)測指標之間的關(guān)聯(lián)性，摸清彼此間的相互影響程度，有助于在更多元化的角度和途徑去改善水質(zhì)狀況[4]。對于有效進行水質(zhì)超標預(yù)警，提前作出應(yīng)對措施，提高水環(huán)境治理效果具有積極意義。本文通過對流溪河流域上、中、下游斷面的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，不同監(jiān)測斷面中的部分監(jiān)測指標之間(主要為溫度、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷)數(shù)值存在不同程度不同形式的關(guān)聯(lián)性。

2 監(jiān)測斷面選取原因

流溪河流域面積共2290 km2，其中2256.72 km2位于廣州市境內(nèi)(從化區(qū))。從化區(qū)位于廣州市北部，以綠色生態(tài)型、資源保護型發(fā)展方式為主[5]。流溪河流域源頭區(qū)域于從化區(qū)呂田鎮(zhèn)羅水樓村以上區(qū)域，含黃嶺水和羅水，源頭區(qū)域面積共 25.5 km2。現(xiàn)狀植被良好，人類活動影響程度低。另外，流溪河流域由于涉及城市飲用水源保護區(qū)，故水環(huán)境治理及保護措施到位。

為了能夠更好地從監(jiān)測指標之間的相互影響這個角度去分析數(shù)據(jù)，故本文選取了水質(zhì)較少受到人類活動或其余外部因素影響的流溪河流域作為研究對象，采用運行狀態(tài)穩(wěn)定且監(jiān)測頻次較高的廣州市水質(zhì)自動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)進行分析，分別選取流溪河流域的上、中、下游各一個代表性斷面。

對其水質(zhì)自動站2022年1-5月日均值監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，在同一時間段內(nèi)，溶解氧濃度在同一流域不同空間上與溫度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮存在不同程度的關(guān)聯(lián)性。

3 溫度、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷之間的關(guān)聯(lián)性

3.1 流溪河流域上游斷面

利用流溪河流域上游某斷面水質(zhì)自動站2022年1-5月的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制折線圖發(fā)現(xiàn)，溫度-溶解氧曲線呈現(xiàn)高度對稱性，溫度先上升后下降，溶解氧先下降后上升，同一時間段內(nèi)兩者趨勢相反，如圖1所示，總磷-溶解氧曲線存在線性關(guān)系，在大部分之間段內(nèi)趨勢變化一致，總磷濃度上升溶解氧濃度也隨之上升，總磷濃度下降溶解氧濃度也隨之下降，如圖2所示。

圖1 流溪河流域上游某斷面水站溫度-溶解氧折線圖

圖2 流溪河流域上游某斷面水站總磷-溶解氧折線圖

利用Pearson相關(guān)系數(shù)法研究溶解氧分別和高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溫度、總磷之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明溶解氧和溫度之間的相關(guān)系數(shù)值為-0.900，并且呈現(xiàn)出0.01水平的顯著性，因而說明溶解氧和溫度之間有著顯著的負相關(guān)關(guān)系；溶解氧和總磷之間的相關(guān)系數(shù)值為0.669，并且呈現(xiàn)出0.01水平的顯著性，因而明溶解氧和總磷之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，如表1所示，溶解氧和高錳酸鹽指數(shù)之間的p值大于0.05，兩者相關(guān)性不顯著；溶解氧與氨氮之間呈現(xiàn)出0.01水平的顯著性，但相關(guān)系數(shù)較小，相關(guān)性不明顯。

表1 流溪河流域上游某斷面水站

將溫度作為自變量，溶解氧作為因變量進行線性回歸分析，一元線性回歸方程為溶解氧=13.292-0.231*溫度，R2值為0.834，意味著溫度可以解釋溶解氧的83.4%變化原因。對該一元線性回歸方程進行F檢驗時通過(F=661.362，p=0.000<0.05)，也即說明溫度一定會對溶解氧產(chǎn)生影響關(guān)系。溫度的回歸系數(shù)值為-0.231(t=-25.717，p=0.000<0.01)，意味著溫度會對溶解氧產(chǎn)生顯著的負向影響關(guān)系，如表2所示。

表2 流溪河流域上游某斷面水站溫度-溶解氧線性回歸分析及F檢驗結(jié)果

將總磷作為自變量，溶解氧作為因變量進行線性回歸分析，一元線性回歸方程為：溶解氧=8.301+29.692×總磷，R2值為0.448，意味著總磷可以解釋溶解氧的44.8%變化原因。對該一元線性回歸方程進行F檢驗時通過(F=107.039， p=0.000<0.05)，也即說明總磷一定會對溶解氧產(chǎn)生影響關(guān)系?？偭椎幕貧w系數(shù)值為29.692(t=10.346，p=0.000<0.01)，意味著總磷會對溶解氧產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系，如表3所示。

表3 流溪河流域上游某斷面水站

3.2 流溪河流域中游斷面

利用流溪河流域中游某斷面水質(zhì)自動站2022年1-5月的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制折線圖發(fā)現(xiàn)，高錳酸鹽指數(shù)-總磷曲線趨勢高度吻合，總磷濃度上升，高錳酸鹽指數(shù)濃度也上升，總磷濃度下降，高錳酸鹽指數(shù)濃度也下降，如圖3所示。

圖3 流溪河流域中游某斷面水站總磷-高錳酸鹽指數(shù)折線圖

同理，利用Pearson相關(guān)系數(shù)法研究發(fā)現(xiàn)，高錳酸鹽指數(shù)和總磷之間的相關(guān)系數(shù)值為0.865，并且呈現(xiàn)出0.01水平的顯著性，因而說明高錳酸鹽指數(shù)和總磷之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系，如表4所示，高錳酸鹽指數(shù)與溫度、氨氮、溶解氧之間的P 值均大于0.05，相關(guān)性不顯著。

表4 流溪河流域中游某斷面水站Pearson相關(guān)系數(shù)法分析結(jié)果

將總磷作為自變量，高錳酸鹽指數(shù)作為因變量進行線性回歸分析，一元線性回歸方程為：高錳酸鹽指數(shù)=0.448+21.414×總磷，R2值為0.748，意味著總磷可以解釋高錳酸鹽指數(shù)的74.8%變化原因。對該一元線性回歸方程進行F檢驗時通過F(F=441.451，p=0.000<0.05)，也即說明總磷一定會對高錳酸鹽指數(shù)產(chǎn)生影響關(guān)系?？偭椎幕貧w系數(shù)值為21.414(t=21.011，p=0.000<0.01)，意味著總磷會對高錳酸鹽指數(shù)產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系，如表5所示。

表5 流溪河流域中游某斷面水站總磷-高錳酸鹽指數(shù)線性回歸分析及F檢驗結(jié)果

3.3 流溪河流域下游斷面

利用李溪壩水質(zhì)自動站2022年1-5月的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制折線圖發(fā)現(xiàn)，氨氮-溶解氧曲線存在線性關(guān)系，在大部分之間段內(nèi)趨勢變化相反，氨氮濃度上升，溶解氧濃度下降，氨氮濃度下降，溶解氧濃度上升，如圖4所示。

圖4 流溪河流域下游某斷面水站氨氮-溶解氧折線圖

同理，利用Pearson相關(guān)系數(shù)法研究發(fā)現(xiàn)，溶解氧和氨氮之間的相關(guān)系數(shù)值為-0.553，并且呈現(xiàn)出0.01水平的顯著性，因而說明溶解氧和氨氮之間有著顯著的負相關(guān)關(guān)系，如表6所示，溶解氧和高錳酸鹽指數(shù)、溫度之間的P值均小于0.05，相關(guān)性不顯著；溶解氧和總磷之間的相關(guān)系數(shù)接近0，相關(guān)性較小。

將氨氮作為自變量，溶解氧作為因變量進行線性回歸分析，一元線性回歸方程為為：溶解氧=9.247-7.216×氨氮，R2值為0.298，意味著氨氮可以解釋溶解氧的29.8%變化原因。對模型進行F檢驗時通過(F=63.105，p=0.000<0.05)，也即說明氨氮一定會對溶解氧產(chǎn)生影響關(guān)系。氨氮的回歸系數(shù)值為-7.216(t=-7.944，p=0.000<0.01)，意味著氨氮會對溶解氧產(chǎn)生顯著的負向影響關(guān)系，如表7所示。

表6 流溪河流域下游某斷面水站Pearson相關(guān)系數(shù)法分析結(jié)果

表7 流溪河流域下游某斷面水站氨氮-溶解氧線性回歸分析及F檢驗結(jié)果

4 研究結(jié)果分析與建議

4.1 分 析

通過分析流溪河流域上、中、下游監(jiān)測斷面的水質(zhì)自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其溫度、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)指數(shù)、氨氮、總磷之間存在關(guān)聯(lián)性。

(1)處于同一流域的不同斷面，各監(jiān)測指標之間的關(guān)聯(lián)性大小存在差異，兩兩之間的線性關(guān)系也不完全相同，因此不能用某個斷面上某兩個監(jiān)測指標之間的線性關(guān)系來代表整條流域的情況，更不能用來代表附近或者其他流域的情況。

(2)同一流域不同監(jiān)測斷面之間地質(zhì)條件、水文條件、生物本底條件等存在差異，污染情況也不同，因此各監(jiān)測指標數(shù)值受到復雜因素的疊加影響，彼此之間的相互關(guān)聯(lián)性無法統(tǒng)一而論。必須在對同一流域相近斷面的大量有效數(shù)據(jù)進行全面分析的基礎(chǔ)上，才能得出一個相對可靠的預(yù)測性信息。

4.2 建 議

(1)在進行水質(zhì)預(yù)判預(yù)警時，可以采用合適的統(tǒng)計分析方法對同一斷面的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行演算，得出各主要監(jiān)測指標(如溫度、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷)之間的相關(guān)性，從而獲得其相對合理的線性規(guī)律，根據(jù)日常監(jiān)測的數(shù)據(jù)推算出其余相關(guān)指標的數(shù)值，來推測出未來一段時間內(nèi)可能出現(xiàn)的變化情況，結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)的標準限值和各斷面水質(zhì)目標，可預(yù)測該水體污染狀況；通過分析影響水質(zhì)的因子，找出關(guān)鍵控制因素，并制定相應(yīng)措施；對于不能達到預(yù)期要求或超出目標值的監(jiān)測點，采取應(yīng)急處置預(yù)案；對可能存在超標的監(jiān)測指標提前關(guān)注。

(2)為提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性和可比性，在已驗證某個斷面各監(jiān)測指標之間的相關(guān)性后，將其按照一定的方法建立線性回歸方程，然后再用某個指標數(shù)據(jù)，結(jié)合回歸方程計算與之相關(guān)性密切的監(jiān)測指標的數(shù)值范圍，從而達到及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的目的，對異常數(shù)據(jù)進行申訴，以便于使監(jiān)測數(shù)據(jù)更加科學、真實地反應(yīng)水質(zhì)狀況。

(3)在水環(huán)境監(jiān)測的實際工作中，對于某些需要重點關(guān)注的考核斷面，可以通過大量有效數(shù)據(jù)來分析各監(jiān)測指標之間的關(guān)聯(lián)性，進而得出針對該重點關(guān)注斷面的線性回歸模型和預(yù)測公式，從而對斷面水質(zhì)進行預(yù)判，并結(jié)合當前水環(huán)境監(jiān)測的具體情況提出一些改進措施，提高水環(huán)境監(jiān)測結(jié)果的準確性。

5 監(jiān)測指標間關(guān)聯(lián)性分析帶來的水環(huán)境治理思路

(1)改變水體中氨氮、總磷濃度，間接使溶解氧濃度發(fā)生變化。在水質(zhì)監(jiān)測實際工作中可知，溶解氧較容易發(fā)生波動，且容易受到外部不同因素的影響外，也是水質(zhì)治理中較難攻克的重要指標。改善溶解氧超標問題，最直接的方法是往水體中曝氣，但這一方法只能在小面積水域中操作，對于江河湖庫而言，不具有操作的可行性。經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)部分斷面中氨氮、總磷對溶解氧有顯著負向影響，故我們還可以嘗試通過降低水體中氨氮、總磷的濃度，來達到一定程度上使水體溶解氧濃度上升的目的。具體操作為可以通過控制水域周邊的生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)用水等排入水體，來減少水中有機物污染狀況，降低氮磷污染發(fā)生概率，從而間接提高溶解氧濃度。此外，由于溫度升高也可能引起水中溶解氧濃度降低，若在排除其他可能的因素后，溶解氧溶度依舊超標，則可考慮是否由氣溫造成短時間內(nèi)的溶解氧超標現(xiàn)象。

(2)遏制使總磷濃度升高的因素，一定程度上降低高錳酸鹽指數(shù)濃度。由于總磷與高錳酸鹽指數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)性，面對部分斷面高錳酸鹽指數(shù)超標現(xiàn)象，可考慮是否由河流兩岸及周邊農(nóng)田隨地表徑流形成的面源污染造成總磷超標，造成水體受到大面積有機污染，造成水體中高錳酸鹽指數(shù)劇升高。因此可通過在水域中投放生物菌種加以曝氣增氧等措施，或者通過種植水生植物來吸收總磷，從而在一定程度上減少有機污染，降低高錳酸鹽指數(shù)，達到生態(tài)治理的目的。

(3)完善自動監(jiān)測能力建設(shè)，為水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析提供保障。環(huán)境監(jiān)測的質(zhì)量取決于數(shù)據(jù)測取的代表性、準確性與精密性，監(jiān)測指標之間的關(guān)聯(lián)性分析需要建立在大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)上，考慮到人力物力的限制因素，利用自動監(jiān)測設(shè)備獲取各監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)是最高效的監(jiān)測方式。因此，需要提高自動監(jiān)測能力建設(shè)，保障各類典型監(jiān)測斷面水質(zhì)自動站數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、持續(xù)性和有效性，需要在自動監(jiān)測方面加強能力培訓和投入相關(guān)經(jīng)費，建立并不斷完善自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，才能有效開展水環(huán)境質(zhì)量評價及管理，為打贏水污染治理這場硬仗奠定堅實的基礎(chǔ)。

6 結(jié) 語

研究地表水各監(jiān)測指標之間的相關(guān)性，對了解水質(zhì)變化趨勢具有重要意義。通過pearson相關(guān)系數(shù)法，并建立線性回歸模型分析了影響地表水主要污染因子間的相關(guān)關(guān)系及趨勢變化情況，得出相關(guān)數(shù)據(jù)的大致范圍，可作為指導決策的參考依據(jù)，檢查相關(guān)數(shù)據(jù)的合理性，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，找出存在問題或原因所在，從而提出有針對性的治理對策和措施，為進一步加強水環(huán)境管理提供科學依據(jù)。