河流中氨氮、總氮和總磷污染情況及相關(guān)性分析

黃麗霞，李 偉，郭效瑛，馬 理

（1.桂西區(qū)域生態(tài)環(huán)境分析和污染控制廣西高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（百色學(xué)院），廣西 百色 533000；2.百色學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 百色 533000）

地表水資源是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的資源，隨著社會(huì)的發(fā)展和水資源的開(kāi)發(fā)利用，水資源污染日趨惡化，水資源供需矛盾日益加劇，嚴(yán)重影響人類(lèi)的生產(chǎn)生活，威脅人類(lèi)的生存發(fā)展[1-2]。水體富營(yíng)養(yǎng)化是由于水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量較高所致的一種常見(jiàn)的水體污染現(xiàn)象[3-4]，是當(dāng)今全球性的水環(huán)境問(wèn)題[5-6]，水體富營(yíng)養(yǎng)化的成因和治理技術(shù)研究也成為環(huán)境領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[7-9]。氮、磷污染不僅與全球氣候變化有關(guān)，而且還與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。人類(lèi)活動(dòng)加速了氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流向江河湖泊，例如，工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢水中含有大量的氮、磷等物質(zhì)，未經(jīng)處理而排入河流，會(huì)使水中氮、磷含量增加，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，浮游生物得以迅速繁衍，破壞水環(huán)境的生態(tài)平衡系統(tǒng)并使水質(zhì)惡化，導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)及其他生物大量死亡。

氨氮、總氮和總磷污染既是反映地表水質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)水質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)[10-11]。監(jiān)測(cè)地表水中氨氮、總氮和總磷濃度，分析其相互關(guān)系，找出潛在規(guī)律，對(duì)評(píng)估水質(zhì)污染以及如何控制污染至關(guān)重要[12-17]。本文分析了某一河流的上中下游的3個(gè)斷面（河段1～河段3）的21個(gè)水樣的氨氮、總氮和總磷的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，探討了氨氮、總氮和總磷的相關(guān)性和其對(duì)水質(zhì)的影響，能為預(yù)防和治理地表水中氮、磷污染提供一定的技術(shù)支持。

1 樣品的采集與分析

地表水采樣時(shí)間為2020年7～10月。采樣的河流的上、中、下游的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別命名為河段1、河段2和河段3，河段1與河段2間距為815 m，河段2與河段3間距為990 m。河段1周邊居住著大量居民，河段2周邊有大面積蔬菜種植、魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖，河段3周邊有大面積蔬菜種植。

依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 91-2002）的相關(guān)規(guī)定[18]，對(duì)河段1～河段3進(jìn)行采樣，共獲得21個(gè)水樣。水樣用硫酸酸化至pH≤1，酸化后的水樣可在常溫下保存24 h，在20℃下保存1周。使用全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀（BDFIA-8000，北京寶德儀器有限公司），依據(jù)《水質(zhì)氨氮的測(cè)定流動(dòng)注射-水楊酸分光光度法》（HJ 666-2013）[19]，《水質(zhì)總氮的測(cè)定流動(dòng)注射-鹽酸萘乙二胺分光光度法》（HJ 668-2013）[20]，《水質(zhì)總磷的測(cè)定流動(dòng)注射-鉬酸銨分光光度法》（HJ 671-2013）[21]對(duì)水樣進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨氮、總氮和總磷的監(jiān)測(cè)

圖1～圖3為2020年7～10月間監(jiān)測(cè)的河段1～河段3斷面水樣的氨氮、總氮和總磷濃度時(shí)間變化趨勢(shì)圖。河段1～河段3的氨氮、總氮和總磷濃度隨時(shí)間變化明顯，分別為1.48～18.81 mg/L，3.21～25.00 mg/L和0.09～2.77 mg/L。河段2僅在7月14日氨氮濃度小于2.0 mg/L，其余的氨氮和總氮濃度大于2.0 mg/L。河段1～河段3共有4個(gè)水樣的總磷濃度小于0.4 mg/L。對(duì)照地表水水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[11]，Ⅴ類(lèi)水氨氮、總氮和總磷的標(biāo)準(zhǔn)分別不大于2.0 mg/L，2.0 mg/L，0.4 mg/L，因此，測(cè)得的河段1-河段3的氨氮、總氮和總磷含量超過(guò)地表水Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)狀況極差，氮磷污染嚴(yán)重，而且水體中的氨氮、總氮和總磷含量遠(yuǎn)大于水體富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)應(yīng)的臨界濃度0.2 mg/L，0.2 mg/L，0.02 mg/L[14]，水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。

從圖1～圖3看出，同一取樣點(diǎn)不同時(shí)間下，氨氮、總氮和總磷的濃度差異較大，河段1氨氮、總氮和總磷濃度明顯高于河段2和河段3，污染最為嚴(yán)重，水質(zhì)最差，嚴(yán)重影響了中下游的水質(zhì)。根據(jù)氣象資料，8月14日有大雨，25日小雨，9月12日和19日分別為陣雨和中雨，其余監(jiān)測(cè)日期無(wú)降雨，通常降雨會(huì)降低污染物的濃度。7月14日所測(cè)到的河段1的氨氮、總氮和總磷濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同天所測(cè)的其他河段的濃度，說(shuō)明河段1有更嚴(yán)重的氮、磷污染。9月19日所測(cè)值相對(duì)較小，推測(cè)受到降雨的影響。此外，水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重應(yīng)與周邊居民活動(dòng)密切相關(guān)，人為源的影響能直接影響水質(zhì)，所監(jiān)測(cè)的河段周邊居住著許多居民，同時(shí)有魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖場(chǎng)和農(nóng)業(yè)種植，且該區(qū)域的污水集中處理設(shè)施不完善，居民生活污水、魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖等的污水大多直接排入河道中，還有長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)面源污染[17]?？傊摵恿魉|(zhì)差，急需加強(qiáng)綜合治理，嚴(yán)格排查，管控污染源頭，解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，避免藻華爆發(fā)[7-8]。

圖1 河段1氨氮、總氮和總磷濃度時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.1 Temporal trend of concentrations of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus in reach 1

圖2 河段2氨氮、總氮和總磷濃度時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.2 Temporal trend of concentrations of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus in reach 2

圖3 河段3氨氮、總氮和總磷濃度時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.3 Temporal trend of concentrations of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus in reach 3

2.2 氨氮、總氮和總磷濃度比值

根據(jù)所測(cè)河段中的氨氮、總氮和總磷濃度，計(jì)算氨氮/總氮和總磷/總氮的比值。由表1可知，不同時(shí)間采集的河段1～河段3水樣的氨氮/總氮濃度比值多數(shù)為0.8～0.9，表明水體氮污染主要以氨氮污染為主[22]，這個(gè)結(jié)果與天津中心城區(qū)河網(wǎng)研究的氮污染情況一致[23]。有研究表明，通常新近被污染的水體氨氮含量較高[16]。個(gè)別水樣的氨氮/總氮濃度比值大于1，可能是所測(cè)的樣品比較渾濁，處理不當(dāng)導(dǎo)致的測(cè)試值不準(zhǔn)確。河段1～河段3水樣的總磷/總氮濃度比值多為0.1，總磷和總氮的污染程度相對(duì)穩(wěn)定。有研究結(jié)果表明，當(dāng)總磷/總氮為0.04～0.1時(shí)，藻類(lèi)生長(zhǎng)速率和氮磷濃度呈線(xiàn)性關(guān)系[24-25]，可以通過(guò)改變總磷/總氮比值，調(diào)控浮游植物生長(zhǎng)[26]。

表1 各河段中氨氮、總氮和總磷的濃度比值Tab.1 The concentration ratios of ammonia nitrogen，total nitrogen and total phosphorus in each river section

2.3 氨氮、總氮和總磷相關(guān)性

表2列出了氨氮、總氮和總磷的線(xiàn)性回歸方程及相關(guān)性系數(shù)，相關(guān)系數(shù)γ范圍為0.223 8≤γ≤0.986 9。查相關(guān)系數(shù)的臨界值表[10]，樣本容量n=7時(shí)，自由度f(wàn)=n-2=5，選定置信度為95%，即γ=0.05時(shí)，γ0.05=0.754 5；選定置信度為99%時(shí)，即γ=0.01時(shí)，γ0.01=0.874 5。河段1的氨氮與總氮、氨氮與總磷的相關(guān)系數(shù)r范圍為：γ0.05＜γ＜γ0.01，表明水樣間在γ0.05存在顯著相關(guān)性。河段1和河段2氨氮與總氮、氨氮與總磷在置信度為95%時(shí)，γ＞γ0.05，存在顯著相關(guān)性，河段2的氨氮與總磷則在置信度為99%時(shí)，γ＞γ0.01，存在顯著相關(guān)性。河段3在置信度為95%時(shí)，γ＜γ0.05，無(wú)顯著相關(guān)性。相關(guān)性分析表明，河段1和河段2在不同的時(shí)間里，水質(zhì)含氮磷的差異較小，氮磷污染有類(lèi)似的或相同的輸入污染源。河段3的氨氮、總氮和總磷均無(wú)相關(guān)性，說(shuō)明在不同時(shí)間的水質(zhì)中氮、磷含量有巨大差異，可能是受來(lái)自不同的氮磷污染源的影響[19]。

表2 河段1～河段3的氨氮、總氮和總磷線(xiàn)性回歸分析Tab.2 Linear regression analysis of ammonia nitrogen，total nitrogen and total phosphorus in river reach 1～3

3 結(jié)論

（1）該河流的氨氮、總氮和總磷超過(guò)Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)狀況極差；水體中氨氮、總氮和總磷污染嚴(yán)重，均超過(guò)水體富營(yíng)養(yǎng)化的臨界值，水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。

（2）氨氮/總氮比值多為0.8～0.9，說(shuō)明氮污染主要以氨氮污染為主?？偭?總氮的比值多為0.1，說(shuō)明水體氮污染程度比磷污染程度高。

（3）河段1和河段2水體中氨氮和總氮、氨氮和總磷之間有明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r的范圍為0.810 6～0.986 9。河段3水體中氨氮和總氮、氨氮和總磷之間無(wú)相關(guān)性。

（4）該河流的污染程度嚴(yán)重，需及時(shí)進(jìn)行富氧化治理，嚴(yán)格執(zhí)行排水許可，找出污染源，管控污染源頭，加強(qiáng)綜合治理，健全監(jiān)管機(jī)制。