某河流入海段氨氮、总磷和总氮浓度变化特征及相关性分析

时间：2024-07-28

左跃

(沧州市渤海新区环境监控中心，河北沧州 061000)

陆源氮、磷污染物随河流排海是近岸海域污染物的主要来源[1]，河流入海段水质是影响近岸海域水质的关键因素。氨氮、总磷和总氮是《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中主要检测项目，是反映氮、磷污染程度的重要指标。氨氮指游离氨或铵盐形式存在的氮，总磷指溶解磷、颗粒磷、有机磷和无机磷的总和，总氮指氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和有机氮的总和。氮、磷元素含量过高是引起水体富营养化，进而导致淡水水域水华和海水水域赤潮的主要原因。因此，了解河流入海段氨氮、总磷和总氮的污染现状、变化趋势及相互关系具有重要意义。

本研究基于某河流入海段入境、出境断面氨氮、总磷和总氮的月度水质监测数据，分析了水体污染程度及变化特征，研究了各因子间相关性。旨在为科学开展入海河流水环境保护工作提供数据支撑和决策支持。

1 数据来源

数据来源于沧州市某河流渤海新区段跨区县入境断面（简称：入境断面）和出境入海断面（简称：出境断面）2020年10月至2021年10月氨氮、总磷和总氮的月度水质自动监测结果。其中，2020年12月至2021年2月因河水结冰，无有效月度监测数据。

2 分析方法

2.1 污染程度分析

按照水质指数评价方法[2]，水质指数公式为：（X1.X2（X3）），其中：X1为水质类别，为参评因子水质类别最大值；X2为水质类别最大值参评因子在相应水质类别中所处位置的最大值，计算公式为：X2=（实测浓度值-相应水质类别浓度下限值）/（相应水质类别浓度上限值-相应水质类别浓度下限值）；X3为首要污染因子，为（X1.X2）最大值对应的污染因子。结合氨氮、总磷的监测结果和《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中氨氮和总磷的分类标准限值，综合分析水体污染程度。因《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中无河流总氮的分类标准限值，故总氮未参与污染程度分析。

2.2 相关性分析

用Excel软件处理监测数据，生成线性回归方程和相关系数 r。查询相关系数临界值表，根据自由度f和显著水平a，得到相关系数临界值ra。当｜r｜≥ra时，线性回归方程有意义，可以用此方程描述两个变量之间的关系；当｜r｜≤ra时，线性回归方程没有意义，两个变量间不呈线性关系。

3 结果与讨论

3.1 氨氮、总磷的污染程度分析

基于氨氮、总磷的监测数据，入境、出境断面水质指数（X1.X2（X3））评价结果如表1所示，入境断面月度水质类别为Ⅱ、Ⅲ类，月度首要污染因子以氨氮居多，占比90%。出境断面月度水质类别为Ⅰ、Ⅱ类，月度首要污染因子仍以氨氮居多，但占比有所减少，为70%。入境、出境断面水质指数（X1.X2）变化趋势图如图1所示，除2021年8月份基本持平外，出境断面其他月份水质指数均明显低于入境断面，且整体随入境断面波动而波动。据此，除2021年8月份基本持平外，该河流段出境断面水质均显著优于入境断面。

图1 水质指数（X1.X2）月度变化趋势

表1 水质指数评价结果

出境断面水质受入境断面水质、污染物汇入量、水体自身净化能力、河水治理设施运行情况等多重因素共同影响。磷含量较高的生产生活用水汇入、河流段对氨氮的净化能力高于总磷等都可能是造成出境断面月度首要污染因子中总磷占比较入境断面有所增加的主要原因。水体自身净化能力和河水治理设施运行带来的污染治理能力共同形成的综合截污能力相对稳定，且大于河流段内污染物汇入量，可能是造成各月份出境断面水质指数均不高于入境断面的主要原因。

3.2 氨氮、总氮的比值分析

取K=氨氮/总氮，表示氨氮在总氮中所占的比例。基于氨氮、总氮监测数据，入境、出境断面各月份K值情况如图2所示。除2021年8月份基本持平外，出境断面K值均明显低于入境断面，且整体随入境断面波动而波动。有研究表明，在污染较重的水体中，K值相对较大[3]。据此，除2021年8月份基本持平外，其他月份入境断面水体污染程度均相对重于出境断面。

基于氨氮、总氮监测结果得出的K值变化趋势（图2）与基于氨氮、总磷监测结果得出的水质指数变化趋势（图1）具有很高的相似性。说明两种水质评价方法对该河流段的评价结果高度一致。

图2 K值月度变化趋势

3.3 氨氮、总磷和总氮的浓度变化特征

入境、出境断面氨氮浓度月度变化趋势如图3所示，除2020年8月份基本持平外，其他月份出境断面氨氮浓度均明显低于入境断面。出境断面氨氮浓度月均值为0.23 mg/L，入境断面氨氮浓度月均值为0.38 mg/L，出境断面较入境断面减少39%。

图3 氨氮浓度月度变化趋势

入境、出境断面总磷浓度月度变化趋势如图4所示，除2020年11月份和2021年4月份基本持平外，其他月份出境断面总磷浓度均明显低于入境断面。出境断面总磷浓度月均值为0.025 mg/ L，入境断面总磷浓度月均值为0.053 mg/L，出境断面较入境断面减少53%。

图4 总磷浓度月度变化趋势

入境、出境断面总氮浓度月度变化趋势如图5所示，除2020年10月份和2021年7、8月份基本持平外，其他月份出境断面总氮浓度均明显低于入境断面。出境断面总氮浓度月均值为1.59 mg/L，入境断面总氮浓度月均值为1.88 mg/L，出境断面较入境断面减少15%。

图5 总氮浓度月度变化趋势

据此，该河流段出境断面各月份氨氮、总磷和总氮浓度均不高于入境断面，其中总磷浓度月均减少率最高。

3.4 总磷、总氮的富营养化评价

总磷、总氮是河流富营养化的重要指标，发生水体富营养化的临界浓度为总氮0.20 mg/L、总磷0.020 mg/L[4]。入境断面各月份总磷、总氮浓度均超过临界浓度，氮、磷营养盐均能满足藻类快速生长与繁殖的基础条件，富营养化程度相对较重，存在一定条件下爆发水华的风险。出境断面各月份总氮监测结果均超过临界浓度，总磷监测结果中有4个月份未超过临界浓度，富营养化程度相对较轻，爆发水华的概率相对更低。据此，由于总磷浓度降低，出境断面富营养化程度显著低于入境断面，爆发水华的风险更低。

3.5 氨氮、总磷和总氮的相关性分析

用线性函数y=ax+b的形式对入境、出境断面氨氮、总磷和总氮浓度两两进行一元线性回归，其相关性由相关系数r判断，结果如表2所示。

表2 线性回归结果

查询相关系数临界值表，当n=10时，自由度f=n-2=8，取显著性水平a=0.05，则ra=0.6319。入境断面总磷与氨氮、出境断面总氮与总磷的相关系数r大于ra，其他变量组合的相关系数r均小于ra。据此，仅入境断面总磷与氨氮、出境断面总氮与总磷的相关关系显著，线性回归方程有意义，可以用此方程描述两个变量之间的关系。