石亭江水質化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量分析

陳思潔，楊賢，冉秀華，傅德瑜，高倩倩

(四川省德陽生態環境監測中心站，四川 德陽 618000)

0 引言

化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量是生態環境水質監測中非常重要的表征水質中有機物含量的三個指標。這三個指標之間既有一定的共性，又有一定程度的差異，并且三者之間在理論上也存在著定性的大小關系。文章采用了2019—2022年石亭江流域4個地表水點位的監測數據，用SPSS軟件來探討石亭江流域水質中化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量之間的相關性。

1 化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量概述

1.1 化學需氧量、高錳酸鹽指數定義

COD(Chemical Oxygen Demand)也就是化學需氧量，是指在一定的條件下，采用強氧化劑處理水樣，計算出待測水樣消耗氧化劑的量。COD是表示水質中還原性物質多少的指標，用mg/L來表示。亞硝酸鹽、硫酸鹽、有機物、亞鐵鹽等物質都是水質中的還原性物質，其中最主要的還原性物質是有機物，因此，COD又經常被當作衡量水中含有多少有機物質的重要指標。待測水樣中測定的COD值越大，則間接說明該水體受到有機物污染越嚴重。按照使用的氧化劑的不同，又將COD 分為以重鉻酸鹽作為氧化劑的化學需氧量和以高錳酸鉀作為氧化劑的高錳酸鹽指數[1]。

1.1.1 化學需氧量定義

按照HJ 828—2017 《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》中的定義，當用重鉻酸鉀對水樣進行氧化處理時，水樣中的懸浮物和溶解性物質所消耗的重鉻酸鹽所對應的氧的質量濃度，即為化學需氧量。

如果化學需氧量的值過高，就會造成水中的溶解氧含量降低，導致水中需氧量較大的生物(如魚、蝦等)的死亡，同時讓厭氧微生物泛濫生長，“活水”將變成“死水”。因此化學需氧量的值越大，則說明水體污染越嚴重。

1.1.2 高錳酸鹽指數定義

高錳酸鹽指數，也被稱為化學需氧量的高錳酸鉀法，是指在一定的條件下，將高錳酸鉀作為氧化劑來氧化待測水樣中的某些有機物和無機還原性物質，然后通過計算水樣消耗的高錳酸鉀的量再得出相應的氧量。高錳酸鹽指數不能作為理論的需氧量或者是代表總有機物含量的指標，因為在規定條件下，大多數的有機物質只可以被部分氧化，測定值的范圍內也不包括易揮發的有機物。

由于水質中高錳酸鹽指數的大小可以在一定程度上反映出地表水、飲用水和水源水的水質污染狀況，因此在生態環境管理部門掌握區域河流水質污染和飲用水水質質量、保障區域人民用水安全以及調整區域宏觀政策等方面，都具有十分重要的理論和科學依據。

1.2 五日生化需氧量定義

五日生化需氧量是指在規定條件下，通過微生物分解水中的某些能被氧化的物質，尤其是分解有機物質的生物化學過程所消耗的溶解氧。通常情況下是指將待測水樣充滿在完全密閉的溶解氧瓶中，在20±1 ℃的暗處培養5 d±4 h或(2+5) d±4 h，然后分別測定培養前后待測水樣中溶解氧的濃度，由培養前后溶解氧的濃度之差得出每升樣品所消耗的溶解氧的量，用五日生化需氧量(BOD5)來表示。

五日生化需氧量是間接表示水中有機物污染程度的綜合性指標，一般來說，五日生化需氧量是生態環境質量保護、環境科學、水質分析監測工作中最廣泛采用的測定方法之一，五日生化需氧量與化學需氧量的比值在環境工程中具有非常重要的現實意義。

1.3 化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量的關系

從定義可以看出，化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量都是采用定量的數值來表示水樣中有機物質含量多少的水質指標，這三項指標之間存在著一定共性，但又具備一定差異，一般情況下，三個指標從大到小的排列順序為：化學需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數[2]。生活污水水質中的五日生化需氧量(20 ℃)通常大約為高錳酸鹽指數濃度的2～4倍，而對于不易被微生物降解的水樣，化學需氧量將比五日生化需氧量大得多[3-6]。

化學需氧量和五日生化需氧量的比值也具備著重要的意義。化學需氧量是表示有機污染物含量的綜合性指標，它是指用重鉻酸鉀作為氧化劑，在一定的條件下，計算得出的水樣消耗的氧的量。五日生化需氧量則是指利用微生物在氧較為充足的環境下，進行生物降解時所消耗的氧的量，也是表示水質中有機污染物含量的綜合性指標。因此，五日生化需氧量可以看作是能被生物降解的有機污染物的量。通過計算五日生化需氧量與化學需氧量的比值可以在一定程度上判斷出水質的生物可降解性，一般情況下認為：五日生化需氧量/化學需氧量>0.58，為完全可生物降解水質；五日生化需氧量/化學需氧量=0.45～0.58，為生物降解性良好；五日生化需氧量/化學需氧量=0.30～0.45，為可生物降解水質；五日生化需氧量/化學需氧量<0.30，為難生物降解水質。

2 研究對象及方法

2.1 研究對象概況

石亭江為沱江水體北河支流的主要二級支流之一，發源于什邡市紅白鎮西北部，從西偏北向東偏南流至廣漢和興村，在秦家渡附近匯入湔江。石亭江是德陽市所轄4個區市的界河，江北是綿竹市、旌陽區，江南為什邡市、廣漢市。石亭江全長114.6 km，在什邡境內86.7 km、廣漢境內27.9 km。石亭江是北河的重要補給水源，更是德陽市地表水補充的主要河流之一。

2.1 研究內容及方法

2.1.1 化學需氧量、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量的數據來源

從石亭江流域中由北至南選擇了4個地表水點位進行研究，分別為高景關、金輪大橋、柳林村和雙江橋點位，采用2019年1月至2022年12月這4個監測斷面水質中化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量的每月例行監測數據，通過SPSS軟件分析三者的相關性[7-8]。其中化學需氧量的測定采用的方法是HJ 828—2017 《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》；高錳酸鹽指數測定采用的方法是GB 11892—1989 《水質 高錳酸鹽指數的測定》；五日生化需氧量的測定采用的方法是HJ 505—2009 《水質五日生化需氧量的測定 稀釋與接種法》。

2.1.2 SPSS軟件相關性分析的原理

相關是指一個變量與另一個變量之間的變化關系，相關性分析是考察兩個變量之間線性關系的一種統計分析方法，更精確地說，當一個變量發生變化的時候，另一個變量會怎樣變化，這時就需要通過計算相關系數來做深入的定量考察。一般來說，變量之間的相關關系主要是由于以下三個因素帶來：(1)相關是偶然的；(2)兩個變量相關可能直接受到其他潛在因素的影響；(3)一個變量是另一個變量的原因，即兩個變量存在因果關系。

所以，在進行相關性分析時，考察的主要是兩個變量是否一起變化，而不考慮兩個變量變化的時間順序。基于以上原理，可以采用SPSS軟件對化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量之間的相關性進行分析。

3 結果與討論

3.1 SPSS軟件的分析步驟

SPSS中Pearson(皮爾遜相關系數)包括r值和P值，其中r值是指樣本中變量之間的相關系數，用來表示相關性的大小；P值指的是檢驗值，用來檢驗兩個變量在樣本的總體中是否存在和樣本一樣的相關性。

判斷監測項目之間是否存在相關性以及相關性的程度時，一般采用的參考步驟如下：

(1)首先看顯著性，也就是sig值或稱P值，判定標準一般為0.05，如果P值<0.05，那么就表明兩者之間有相關性，如果P值>0.05，那么表明相關性系數沒有統計學意義；

(2)如果P值<0.05，表明兩者之間有相關性，然后再判定r值，r的絕對值越大，說明變量之間的相關性越好，正數表示變量之間呈正相關，負數則表示負相關；

(3)一般情況下認為：r的絕對值≥ 0.8，說明兩個變量之間高度相關；0.5≤r的絕對值< 0.8，說明兩個變量之間中度相關；0.3≤r的絕對值< 0.5，說明兩個變量之間低度相關或弱相關；r的絕對值< 0.3，說明兩個變量之間相關程度為極弱相關或無相關。

綜上所述，采用SPSS中Pearson(皮爾遜相關系數)進行相關性判斷時，首先判定P值，確定是否有相關性，再判定r值，確定相關性的強弱。

3.2 化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量的相關性

首先對石亭江流域中高景關、金輪大橋、柳林村和雙江橋4個地表水點位2019年1月至2022年12月化學需氧量、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量的每月例行監測數據進行了整理，在排除有明顯異常和沒有達到檢出限的非統計值后，利用SPSS軟件中的Pearson相關系數對數據進行了統計和分析，得出了三項指標之間的相關性。

分析結果顯示，石亭江流域高景關、金輪大橋、柳林村和雙江橋4個地表水點位水質中的化學需氧量和高錳酸鹽指數之間均呈顯著正相關(r=0.556～0.619，P<0.05)，金輪大橋點位水質中三項指標之間(化學需氧量和高錳酸鹽指數、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量、化學需氧量和五日生化需氧量)均呈顯著正相關(r=0.442～0.601，P<0.05)，雙江橋點位水質中的高錳酸鹽指數和五日生化需氧量之間呈顯著正相關(r=0.500，P<0.05)，各點位三項指標之間的P值和r值如表1所示。

表1 石亭江流域高景關、金輪大橋、柳林村和雙江橋點位三項指標的相關性系數

從表1具體數據可以看出，化學需氧量和高錳酸鹽指數的r值范圍在0.5～0.8之間，說明石亭江流域4個地表水點位水質中的化學需氧量和高錳酸鹽指數呈中度相關；金輪大橋點位水質中的高錳酸鹽指數和五日生化需氧量之間呈中度相關，化學需氧量和五日生化需氧量之間為弱相關；雙江橋點位高錳酸鹽指數和五日生化需氧量之間的r值為0.500，說明兩者也呈中度相關。

4 結語

根據2019—2022年石亭江流域4個地表水點位三項指標監測數據的統計與分析，利用SPSS軟件得出各點位水質中三項指標之間的相關性系數Pearson(皮爾遜相關系數)的r值和P值，以判斷三項指標之間的相關性，得出以下結論：(1)石亭江流域水質中的化學需氧量和高錳酸鹽指數相關性較好，隨著一項指標濃度的升高，另一項指標的濃度大概率會隨著升高；(2)化學需氧量和五日生化需氧量之間的相關性較弱，4個地表水點位中僅金輪大橋點位水質中的這兩項指標之間呈弱相關；(3)高錳酸鹽指數和五日生化需氧量之間存在一定的相關性，但相關程度較化學需氧量和高錳酸鹽指數更弱一些。