西凉湖、黄盖湖和陆水水库高锰酸盐指数与化学需氧量的相关性分析

夏丽星，李大庆，吴雅琴

(1.湖北省生态环境厅咸宁环境监测中心，湖北 咸宁 437100; 2.湖南省长沙生态环境监测中心,湖南 长沙 410000)

1 引言

高锰酸盐指数(CODMn)是指在酸性或碱性介质中，以高锰酸钾为氧化剂，处理水样时所消耗的量，以氧的 mg/L来表示[1]。水中的化学需氧量(CODCr)是指在强酸和加热条件下，用重铬酸钾作为氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量，以氧的 mg/L来表示[1]。对于一般的水体有一部分有机物质不能在高锰酸钾法中被氧化而在重铬酸钾法中可以被氧化，重铬酸钾法对大多数的有机物氧化率理论上可达90%以上，而高锰酸钾法的氧化率仅为50%左右，所以化学需氧量的数值高于高锰酸盐指数[2,3]。高锰酸盐指数和化学需氧量都常被作为地表水体受有机污染物和还原性无机物质污染程度的综合指标，但化学需氧量更能说明水体受有机物和还原性物质污染的程度；就分析方法而言，高锰酸盐指数测试简单快速[3]且成本低较，所以有必要研究地表水中高锰酸盐指数和化学需氧量的相关性并建立关系式，用高锰酸盐指数直接估算化学需氧量，达到较直观准确地反映水体受有机物污染的状况。本文采用湖北省生态环境厅咸宁生态环境监测中心 2020年1月份至2021 年12月份每月一次的西凉湖、黄盖湖和陆水水库监测数据，探讨其地表水中高锰酸盐指数和化学需氧量之间的相关性。

2 研究对象和方法

2.1 研究对象概况

西凉湖是咸宁市最大的湖泊，位于湖北省南部，长江中游，东连咸安，西通嘉鱼，南接赤壁，形如一个巨大的“人”字，湖区面积有12万亩[4]。西凉湖具有生活用水、调蓄、抗旱防洪和渔业养殖等多种功能[5]。

黄盖湖地处长江中游南岸，是湖南省临湘市、湖北省赤壁市的界湖[6，7]。西、南岸近2/3区域属湖南岳阳临湘市管辖，是湖南省第二大内湖。北、东岸1/3区域属湖北咸宁赤壁市管辖，黄盖湖濒临长江，属洞庭湖水系，是洞庭湖区的一部分。流域面积1538 km2，其中湖南省临湘市境内1106 km2，湖北省赤壁市境内432 km2[6,7]。

陆水水库位于湖北省赤壁市，处于长江中游南岸一级支流——陆水干流山谷出口处，是以防洪、发电、灌溉、供水为主，兼有养殖、旅游等功能的大型水库，水库汇水面积3400 km2，总库容7.42亿m3[8,9]。陆水水库是三峡工程和葛洲坝的试验坝，2002年5月份以陆水风景名胜区的名义被列为国家重点风景名胜区。

2.2 水样采集和分析方法

在西凉湖赤壁湖心、嘉鱼湖心和咸安湖心、黄盖湖、陆水水库主坝、猪婆湖和蒲纺共7个监测断面每月采样监测1次，每月均在上旬采样，连续监测2年。水样采集和保存方法分别为《水质 采样技术导则》(HJ494-2009)和《水质 样品的保存和管理技术规定》(HJ493-2009)。高锰酸盐指数的分析方法为《水质 高锰酸盐指数的测定》(GB 11892-89)(酸性法)，化学需氧量的分析方法为《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》(HJ 828-2017)。高锰酸盐指数与化学需氧量相关关系研究主要采用了指标监测结果比值法和线性回归分析法，利用 Excel软件完成回归分析。

3 实验结果

3.1 高锰酸盐指数与化学需氧量的相关性分析

整理西凉湖、黄盖湖和陆水水库2020年1月份至2021年12月份水中高锰酸盐指数与化学需氧量的监测数据，用 Excel将数据进行拟合，建立高锰酸盐指数与化学需氧量的回归方程，得到一元线性回归方程y和相关系数R。取显著水平α=0.05，f=n-2,查得对应的临界值R0.05。若相关系数R≥临界值R0.05，则说明高锰酸盐指数与化学需氧量呈线性相关，若相关系数R<临界值R0.05，则说明高锰酸盐指数与化学需氧量不存在线性相关性，再对回归方程的显著性进行F检验[10，11]，若F>F1-a(1，n-2)，则说明高锰酸盐指数与化学需氧量的线性关系是显著的，若F

图1 赤壁湖心高锰酸盐指数与化学需氧量的关系

图2 嘉鱼湖心高锰酸盐指数与化学需氧量的关系

图3 咸安湖心高锰酸盐指数与化学需氧量的关系

图4 黄盖湖高锰酸盐指数与化学需氧量的关系

图5 主坝高锰酸盐指数与化学需氧量的关系

图6 猪婆湖高锰酸盐指数与化学需氧量的关系

图7 蒲纺高锰酸盐指数与化学需氧量的关系

表1 湖库断面数据统计(取显著水平a=0.05)

表1可知7个断面F均大于F1-a(1，n-2)，则说明地表水中高锰酸盐指数与化学需氧量的线性关系是显著的。西凉湖赤壁湖心、嘉鱼湖心和咸安湖心高锰酸盐指数与化学需氧量一次拟合回归系数分别为2.1625、1.6975和2.853，截距分别为6.833、9.5873和4.5611，说明同一湖泊中不同断面的线性关系不完全相同；黄盖湖高锰酸盐指数与化学需氧量一元回归方程为y=3.8308x+0.4447，和西凉湖的拟合方程差别较大。陆水水库主坝、猪婆湖和蒲纺高锰酸盐指数与化学需氧量一元回归方程斜率分别为3.7774、4.3481和2.9733，截距分别为1.5587、0.0319和2.9709，方程的斜率和截距差别均较大，说明同一水库中不同断面的线性关系也不相同。

3.2 高锰酸盐指数与化学需氧量的比值分析

整理西凉湖、黄盖湖和陆水水库共7个断面2020年1月份至2021年12月份水中高锰酸盐指数与化学需氧量的月均值监测数据，分别统计出高锰酸盐指数与化学需氧量的比值最小值、最大值和均值，统计结果如表2所示。

从表2可以看出，7个断面高锰酸盐指数与化学需氧量的比值最小值均在0.1～0.2之间，最大值在0.35～0.55之间，均值都在0.2～0.3之间，西凉湖及陆水水库不同断面之间高锰酸盐指数与化学需氧量的比值也不相同。

3.3 高锰酸盐指数与化学需氧量线性关系误差检验

将西凉湖、黄盖湖和陆水水库7个断面3个月的化学需氧量监测值与利用自变量高锰酸盐指数代入本文得出的一元线性回归方程计算的化学需氧量进行比较，得出2个结果的相对偏差见表3。

表2 湖库断面高锰酸盐指数与化学需氧量的比值结果

表3 测得的化学需氧量与方程计算的化学需氧量比较

从表3可以看出，西凉湖、黄盖湖和陆水水库等7个断面的相对误差均小于等于20%,符合实验室内分析的相对偏差要求(20%)[12]，其中嘉鱼湖心和主坝断面3个月的相对偏差均低于10%，说明可以用该断面的高锰酸盐指数来预估该断面的化学需氧量数值。

4 讨论与建议

4.1 结论

通过线性回归分析及F检验，西凉湖赤壁湖心、咸安湖心和嘉鱼湖心、黄盖湖及陆水水库主坝、猪婆湖和蒲纺7个断面高锰酸盐指数和化学需氧量之间均存在显著的相关性，且西凉湖和陆水水库内各断面高锰酸盐指数和化学需氧量的一元线性回归方程均不相同。

4.2 讨论

通过以上西凉湖、黄盖湖和陆水水库共7个断面高锰酸盐指数和化学需氧量的相关性分析可以看出：①地表水的高锰酸盐指数和化学需氧量之间存在着显著的相关性关系;②虽然处于同一湖泊或者水库，但是不同断面的高锰酸盐指数和化学需氧量之间的线性关系并不完全相同，因此不能用某个断面的高锰酸盐指数和化学需氧量之间的线性关系代表整个湖泊或者水库，更不能代表其他水系。不同断面因为本底和污染程度不同，高锰酸盐指数和化学需氧量之间的关系也不一定相同。

4.3 建议

(1)对同一监测断面大量监测数据分析验证的基础上得出这一断面高锰酸盐指数和化学需氧量的相关关系，在实际监测工作中由于化学需氧量耗时长且用到的试剂有毒，对人和环境造成严重污染，可以根据高锰酸盐指数的值大致判断出化学需氧量的范围，从而减少化学需氧量的监测频次，既节省了时间，又降低了化学需氧量分析时产生的重金属污染[12,13]。

(2)在已知某个断面高锰酸盐指数与化学需氧量的相关关系的前提下，在进行该断面的数据审核时，基本上可以利用其中一个指标的值来估算另一个指标的范围，也可以用来判断这2个监测指标数据的合理性[14]，从而提高监测数据的代表性和可比性，进一步提高水环境监测质量[15]。