西涼湖、黃蓋湖和陸水水庫(kù)高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的相關(guān)性分析

夏麗星，李大慶，吳雅琴

(1.湖北省生態(tài)環(huán)境廳咸寧環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖北 咸寧 437100; 2.湖南省長(zhǎng)沙生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 引言

高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)是指在酸性或堿性介質(zhì)中，以高錳酸鉀為氧化劑，處理水樣時(shí)所消耗的量，以氧的 mg/L來(lái)表示[1]。水中的化學(xué)需氧量(CODCr)是指在強(qiáng)酸和加熱條件下，用重鉻酸鉀作為氧化劑處理水樣時(shí)所消耗氧化劑的量，以氧的 mg/L來(lái)表示[1]。對(duì)于一般的水體有一部分有機(jī)物質(zhì)不能在高錳酸鉀法中被氧化而在重鉻酸鉀法中可以被氧化，重鉻酸鉀法對(duì)大多數(shù)的有機(jī)物氧化率理論上可達(dá)90%以上，而高錳酸鉀法的氧化率僅為50%左右，所以化學(xué)需氧量的數(shù)值高于高錳酸鹽指數(shù)[2,3]。高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量都常被作為地表水體受有機(jī)污染物和還原性無(wú)機(jī)物質(zhì)污染程度的綜合指標(biāo)，但化學(xué)需氧量更能說(shuō)明水體受有機(jī)物和還原性物質(zhì)污染的程度；就分析方法而言，高錳酸鹽指數(shù)測(cè)試簡(jiǎn)單快速[3]且成本低較，所以有必要研究地表水中高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量的相關(guān)性并建立關(guān)系式，用高錳酸鹽指數(shù)直接估算化學(xué)需氧量，達(dá)到較直觀(guān)準(zhǔn)確地反映水體受有機(jī)物污染的狀況。本文采用湖北省生態(tài)環(huán)境廳咸寧生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 2020年1月份至2021 年12月份每月一次的西涼湖、黃蓋湖和陸水水庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討其地表水中高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量之間的相關(guān)性。

2 研究對(duì)象和方法

2.1 研究對(duì)象概況

西涼湖是咸寧市最大的湖泊，位于湖北省南部，長(zhǎng)江中游，東連咸安，西通嘉魚(yú)，南接赤壁，形如一個(gè)巨大的“人”字，湖區(qū)面積有12萬(wàn)畝[4]。西涼湖具有生活用水、調(diào)蓄、抗旱防洪和漁業(yè)養(yǎng)殖等多種功能[5]。

黃蓋湖地處長(zhǎng)江中游南岸，是湖南省臨湘市、湖北省赤壁市的界湖[6，7]。西、南岸近2/3區(qū)域?qū)俸显狸?yáng)臨湘市管轄，是湖南省第二大內(nèi)湖。北、東岸1/3區(qū)域?qū)俸毕虒幊啾谑泄茌?，黃蓋湖瀕臨長(zhǎng)江，屬洞庭湖水系，是洞庭湖區(qū)的一部分。流域面積1538 km2，其中湖南省臨湘市境內(nèi)1106 km2，湖北省赤壁市境內(nèi)432 km2[6,7]。

陸水水庫(kù)位于湖北省赤壁市，處于長(zhǎng)江中游南岸一級(jí)支流——陸水干流山谷出口處，是以防洪、發(fā)電、灌溉、供水為主，兼有養(yǎng)殖、旅游等功能的大型水庫(kù)，水庫(kù)匯水面積3400 km2，總庫(kù)容7.42億m3[8,9]。陸水水庫(kù)是三峽工程和葛洲壩的試驗(yàn)壩，2002年5月份以陸水風(fēng)景名勝區(qū)的名義被列為國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)。

2.2 水樣采集和分析方法

在西涼湖赤壁湖心、嘉魚(yú)湖心和咸安湖心、黃蓋湖、陸水水庫(kù)主壩、豬婆湖和蒲紡共7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面每月采樣監(jiān)測(cè)1次，每月均在上旬采樣，連續(xù)監(jiān)測(cè)2年。水樣采集和保存方法分別為《水質(zhì) 采樣技術(shù)導(dǎo)則》(HJ494-2009)和《水質(zhì) 樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ493-2009)。高錳酸鹽指數(shù)的分析方法為《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定》(GB 11892-89)(酸性法)，化學(xué)需氧量的分析方法為《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》(HJ 828-2017)。高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量相關(guān)關(guān)系研究主要采用了指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果比值法和線(xiàn)性回歸分析法，利用 Excel軟件完成回歸分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的相關(guān)性分析

整理西涼湖、黃蓋湖和陸水水庫(kù)2020年1月份至2021年12月份水中高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用 Excel將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的回歸方程，得到一元線(xiàn)性回歸方程y和相關(guān)系數(shù)R。取顯著水平α=0.05，f=n-2,查得對(duì)應(yīng)的臨界值R0.05。若相關(guān)系數(shù)R≥臨界值R0.05，則說(shuō)明高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量呈線(xiàn)性相關(guān)，若相關(guān)系數(shù)R<臨界值R0.05，則說(shuō)明高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量不存在線(xiàn)性相關(guān)性，再對(duì)回歸方程的顯著性進(jìn)行F檢驗(yàn)[10，11]，若F>F1-a(1，n-2)，則說(shuō)明高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的線(xiàn)性關(guān)系是顯著的，若F

圖1 赤壁湖心高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的關(guān)系

圖2 嘉魚(yú)湖心高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的關(guān)系

圖3 咸安湖心高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的關(guān)系

圖4 黃蓋湖高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的關(guān)系

圖5 主壩高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的關(guān)系

圖6 豬婆湖高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的關(guān)系

圖7 蒲紡高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的關(guān)系

表1 湖庫(kù)斷面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(取顯著水平a=0.05)

表1可知7個(gè)斷面F均大于F1-a(1，n-2)，則說(shuō)明地表水中高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的線(xiàn)性關(guān)系是顯著的。西涼湖赤壁湖心、嘉魚(yú)湖心和咸安湖心高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量一次擬合回歸系數(shù)分別為2.1625、1.6975和2.853，截距分別為6.833、9.5873和4.5611，說(shuō)明同一湖泊中不同斷面的線(xiàn)性關(guān)系不完全相同；黃蓋湖高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量一元回歸方程為y=3.8308x+0.4447，和西涼湖的擬合方程差別較大。陸水水庫(kù)主壩、豬婆湖和蒲紡高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量一元回歸方程斜率分別為3.7774、4.3481和2.9733，截距分別為1.5587、0.0319和2.9709，方程的斜率和截距差別均較大，說(shuō)明同一水庫(kù)中不同斷面的線(xiàn)性關(guān)系也不相同。

3.2 高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的比值分析

整理西涼湖、黃蓋湖和陸水水庫(kù)共7個(gè)斷面2020年1月份至2021年12月份水中高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的月均值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)出高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的比值最小值、最大值和均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，7個(gè)斷面高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的比值最小值均在0.1～0.2之間，最大值在0.35～0.55之間，均值都在0.2～0.3之間，西涼湖及陸水水庫(kù)不同斷面之間高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的比值也不相同。

3.3 高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量線(xiàn)性關(guān)系誤差檢驗(yàn)

將西涼湖、黃蓋湖和陸水水庫(kù)7個(gè)斷面3個(gè)月的化學(xué)需氧量監(jiān)測(cè)值與利用自變量高錳酸鹽指數(shù)代入本文得出的一元線(xiàn)性回歸方程計(jì)算的化學(xué)需氧量進(jìn)行比較，得出2個(gè)結(jié)果的相對(duì)偏差見(jiàn)表3。

表2 湖庫(kù)斷面高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的比值結(jié)果

表3 測(cè)得的化學(xué)需氧量與方程計(jì)算的化學(xué)需氧量比較

從表3可以看出，西涼湖、黃蓋湖和陸水水庫(kù)等7個(gè)斷面的相對(duì)誤差均小于等于20%,符合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析的相對(duì)偏差要求(20%)[12]，其中嘉魚(yú)湖心和主壩斷面3個(gè)月的相對(duì)偏差均低于10%，說(shuō)明可以用該斷面的高錳酸鹽指數(shù)來(lái)預(yù)估該斷面的化學(xué)需氧量數(shù)值。

4 討論與建議

4.1 結(jié)論

通過(guò)線(xiàn)性回歸分析及F檢驗(yàn)，西涼湖赤壁湖心、咸安湖心和嘉魚(yú)湖心、黃蓋湖及陸水水庫(kù)主壩、豬婆湖和蒲紡7個(gè)斷面高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量之間均存在顯著的相關(guān)性，且西涼湖和陸水水庫(kù)內(nèi)各斷面高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量的一元線(xiàn)性回歸方程均不相同。

4.2 討論

通過(guò)以上西涼湖、黃蓋湖和陸水水庫(kù)共7個(gè)斷面高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量的相關(guān)性分析可以看出：①地表水的高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量之間存在著顯著的相關(guān)性關(guān)系;②雖然處于同一湖泊或者水庫(kù)，但是不同斷面的高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量之間的線(xiàn)性關(guān)系并不完全相同，因此不能用某個(gè)斷面的高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量之間的線(xiàn)性關(guān)系代表整個(gè)湖泊或者水庫(kù)，更不能代表其他水系。不同斷面因?yàn)楸镜缀臀廴境潭炔煌?，高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量之間的關(guān)系也不一定相同。

4.3 建議

(1)對(duì)同一監(jiān)測(cè)斷面大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證的基礎(chǔ)上得出這一斷面高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量的相關(guān)關(guān)系，在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中由于化學(xué)需氧量耗時(shí)長(zhǎng)且用到的試劑有毒，對(duì)人和環(huán)境造成嚴(yán)重污染，可以根據(jù)高錳酸鹽指數(shù)的值大致判斷出化學(xué)需氧量的范圍，從而減少化學(xué)需氧量的監(jiān)測(cè)頻次，既節(jié)省了時(shí)間，又降低了化學(xué)需氧量分析時(shí)產(chǎn)生的重金屬污染[12,13]。

(2)在已知某個(gè)斷面高錳酸鹽指數(shù)與化學(xué)需氧量的相關(guān)關(guān)系的前提下，在進(jìn)行該斷面的數(shù)據(jù)審核時(shí)，基本上可以利用其中一個(gè)指標(biāo)的值來(lái)估算另一個(gè)指標(biāo)的范圍，也可以用來(lái)判斷這2個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的合理性[14]，從而提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的代表性和可比性，進(jìn)一步提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量[15]。