某河流入海段氨氮、總磷和總氮濃度變化特征及相關性分析

左 躍

(滄州市渤海新區環境監控中心，河北 滄州 061000)

陸源氮、磷污染物隨河流排海是近岸海域污染物的主要來源[1]，河流入海段水質是影響近岸海域水質的關鍵因素。氨氮、總磷和總氮是《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中主要檢測項目，是反映氮、磷污染程度的重要指標。氨氮指游離氨或銨鹽形式存在的氮，總磷指溶解磷、顆粒磷、有機磷和無機磷的總和，總氮指氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和有機氮的總和。氮、磷元素含量過高是引起水體富營養化，進而導致淡水水域水華和海水水域赤潮的主要原因。因此，了解河流入海段氨氮、總磷和總氮的污染現狀、變化趨勢及相互關系具有重要意義。

本研究基于某河流入海段入境、出境斷面氨氮、總磷和總氮的月度水質監測數據，分析了水體污染程度及變化特征，研究了各因子間相關性。旨在為科學開展入海河流水環境保護工作提供數據支撐和決策支持。

1 數據來源

數據來源于滄州市某河流渤海新區段跨區縣入境斷面（簡稱：入境斷面）和出境入海斷面（簡稱：出境斷面）2020年10月至2021年10月氨氮、總磷和總氮的月度水質自動監測結果。其中，2020年12月至2021年2月因河水結冰，無有效月度監測數據。

2 分析方法

2.1 污染程度分析

按照水質指數評價方法[2]，水質指數公式為：（X1.X2（X3）），其中：X1為水質類別，為參評因子水質類別最大值；X2為水質類別最大值參評因子在相應水質類別中所處位置的最大值，計算公式為：X2=（實測濃度值-相應水質類別濃度下限值）/（相應水質類別濃度上限值-相應水質類別濃度下限值）；X3為首要污染因子，為（X1.X2）最大值對應的污染因子。結合氨氮、總磷的監測結果和《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中氨氮和總磷的分類標準限值，綜合分析水體污染程度。因《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中無河流總氮的分類標準限值，故總氮未參與污染程度分析。

2.2 相關性分析

用Excel軟件處理監測數據，生成線性回歸方程和相關系數 r。查詢相關系數臨界值表，根據自由度f和顯著水平a，得到相關系數臨界值ra。當｜r｜≥ra時，線性回歸方程有意義，可以用此方程描述兩個變量之間的關系；當｜r｜≤ra時，線性回歸方程沒有意義，兩個變量間不呈線性關系。

3 結果與討論

3.1 氨氮、總磷的污染程度分析

基于氨氮、總磷的監測數據，入境、出境斷面水質指數（X1.X2（X3））評價結果如表1所示，入境斷面月度水質類別為Ⅱ、Ⅲ類，月度首要污染因子以氨氮居多，占比90%。出境斷面月度水質類別為Ⅰ、Ⅱ類，月度首要污染因子仍以氨氮居多，但占比有所減少，為70%。入境、出境斷面水質指數（X1.X2）變化趨勢圖如圖1所示，除2021年8月份基本持平外，出境斷面其他月份水質指數均明顯低于入境斷面，且整體隨入境斷面波動而波動。據此，除2021年8月份基本持平外，該河流段出境斷面水質均顯著優于入境斷面。

圖1 水質指數（X1.X2）月度變化趨勢

表1 水質指數評價結果

出境斷面水質受入境斷面水質、污染物匯入量、水體自身凈化能力、河水治理設施運行情況等多重因素共同影響。磷含量較高的生產生活用水匯入、河流段對氨氮的凈化能力高于總磷等都可能是造成出境斷面月度首要污染因子中總磷占比較入境斷面有所增加的主要原因。水體自身凈化能力和河水治理設施運行帶來的污染治理能力共同形成的綜合截污能力相對穩定，且大于河流段內污染物匯入量，可能是造成各月份出境斷面水質指數均不高于入境斷面的主要原因。

3.2 氨氮、總氮的比值分析

取K=氨氮/總氮，表示氨氮在總氮中所占的比例。基于氨氮、總氮監測數據，入境、出境斷面各月份K值情況如圖2所示。除2021年8月份基本持平外，出境斷面K值均明顯低于入境斷面，且整體隨入境斷面波動而波動。有研究表明，在污染較重的水體中，K值相對較大[3]。據此，除2021年8月份基本持平外，其他月份入境斷面水體污染程度均相對重于出境斷面。

基于氨氮、總氮監測結果得出的K值變化趨勢（圖2）與基于氨氮、總磷監測結果得出的水質指數變化趨勢（圖1）具有很高的相似性。說明兩種水質評價方法對該河流段的評價結果高度一致。

圖2 K值月度變化趨勢

3.3 氨氮、總磷和總氮的濃度變化特征

入境、出境斷面氨氮濃度月度變化趨勢如圖3所示，除2020年8月份基本持平外，其他月份出境斷面氨氮濃度均明顯低于入境斷面。出境斷面氨氮濃度月均值為0.23 mg/L，入境斷面氨氮濃度月均值為0.38 mg/L，出境斷面較入境斷面減少39%。

圖3 氨氮濃度月度變化趨勢

入境、出境斷面總磷濃度月度變化趨勢如圖4所示，除2020年11月份和2021年4月份基本持平外，其他月份出境斷面總磷濃度均明顯低于入境斷面。出境斷面總磷濃度月均值為0.025 mg/ L，入境斷面總磷濃度月均值為0.053 mg/L，出境斷面較入境斷面減少53%。

圖4 總磷濃度月度變化趨勢

入境、出境斷面總氮濃度月度變化趨勢如圖5所示，除2020年10月份和2021年7、8月份基本持平外，其他月份出境斷面總氮濃度均明顯低于入境斷面。出境斷面總氮濃度月均值為1.59 mg/L，入境斷面總氮濃度月均值為1.88 mg/L，出境斷面較入境斷面減少15%。

圖5 總氮濃度月度變化趨勢

據此，該河流段出境斷面各月份氨氮、總磷和總氮濃度均不高于入境斷面，其中總磷濃度月均減少率最高。

3.4 總磷、總氮的富營養化評價

總磷、總氮是河流富營養化的重要指標，發生水體富營養化的臨界濃度為總氮0.20 mg/L、總磷0.020 mg/L[4]。入境斷面各月份總磷、總氮濃度均超過臨界濃度，氮、磷營養鹽均能滿足藻類快速生長與繁殖的基礎條件，富營養化程度相對較重，存在一定條件下爆發水華的風險。出境斷面各月份總氮監測結果均超過臨界濃度，總磷監測結果中有4個月份未超過臨界濃度，富營養化程度相對較輕，爆發水華的概率相對更低。據此，由于總磷濃度降低，出境斷面富營養化程度顯著低于入境斷面，爆發水華的風險更低。

3.5 氨氮、總磷和總氮的相關性分析

用線性函數y=ax+b的形式對入境、出境斷面氨氮、總磷和總氮濃度兩兩進行一元線性回歸，其相關性由相關系數r判斷，結果如表2所示。

表2 線性回歸結果

查詢相關系數臨界值表，當n=10時，自由度f=n-2=8，取顯著性水平a=0.05，則ra=0.6319。入境斷面總磷與氨氮、出境斷面總氮與總磷的相關系數r大于ra，其他變量組合的相關系數r均小于ra。據此，僅入境斷面總磷與氨氮、出境斷面總氮與總磷的相關關系顯著，線性回歸方程有意義，可以用此方程描述兩個變量之間的關系。

4 結論

（1）基于氨氮、總磷的監測數據，入境斷面月度水質類別為Ⅱ、Ⅲ類，首要污染因子以氨氮居多，占比90%；出境斷面月度水質類別為Ⅰ、Ⅱ類，首要污染因子仍以氨氮居多，但占比有所減少，為70%。

（2）基于氨氮、總氮監測結果得出的比值變化趨勢與基于氨氮、總磷監測結果得出的水質指數變化趨勢高度一致，兩種水質評價方法均顯示除2021年8月份基本持平外，其他月份出境斷面水質全部顯著優于入境斷面。

（3）出境斷面各月份氨氮、總磷和總氮濃度均不高于入境斷面，出境斷面月均值較入境斷面分別減少39%、53%、15%。該河流段可穩定降低氨氮、總磷和總氮濃度，其中總磷濃度月均減少率最高。

（4）由于總磷濃度降低，出境斷面富營養化程度顯著低于入境斷面，爆發水華的風險更低。

（5）入境斷面總磷與氨氮相關關系顯著，線性回歸方程為：y=0.2012 x-0.0236，r=0.8665；出境斷面總氮與總磷相關關系顯著，線性回歸方程為：y=17.481 x+1.1502，r=0.6415。