鐘　佳　王景云　王風(fēng)賀

摘要:文章以鎮(zhèn)江的飲用水源為研究對象,從氣溫的擬合關(guān)系入手,根據(jù)鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測中心站提供的水質(zhì)數(shù)據(jù),得到當(dāng)?shù)氐臍鉁嘏c水體各參數(shù)之間的關(guān)系。其中以作為水質(zhì)指標(biāo)之一的溶解氧與氣溫的擬合關(guān)系最為緊密,表現(xiàn)為線性相關(guān),并且以此為基礎(chǔ),研究兩者關(guān)系推斷得到了發(fā)展方向及前景。

關(guān)鍵詞:氣溫;地表水;參數(shù)變化;水處理;溶解氧

中圖分類號:X703

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-2374(2009)19-0125-03

一、概述

(一)鎮(zhèn)江城市水源環(huán)境概況

鎮(zhèn)江位于南京東南方,是京杭大運(yùn)河和長江十字交叉口。長江流經(jīng)鎮(zhèn)江市,在市區(qū)北部長江形成一個牛扼湖,即內(nèi)江,面積為8.8km2,是制約城市幾條河流水文、水質(zhì)條件的主要水體。雖然長江水流經(jīng)南京等大、中城市和上游許多地區(qū),受到不同程度的污染,然后到達(dá)鎮(zhèn)江段,但由于長江流量大,稀釋性強(qiáng);流速快,紊流擴(kuò)散作用強(qiáng),自凈能力強(qiáng),仍然是理想的飲用水水源。以此,我們作為研究鎮(zhèn)江飲用水源水質(zhì)受氣溫影響的變化及其相關(guān)性。

(二)溶解氧在水體質(zhì)量中的意義

溶解氧值(DO)是研究水自凈能力的一種依據(jù)。水中的溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度都有密切關(guān)系。溶解氧越高,好氧生物生命活動越活躍,生物處理效果就越好,水質(zhì)被凈化的程度就越理想。

通過鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測中心站提供的數(shù)據(jù),在我們整理這些提供的數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn),溶解氧的變化在與水溫有緊密關(guān)系的同時,與氣溫也有著相仿的關(guān)系,如圖1所示。五年溫度呈現(xiàn)明顯的相關(guān)變化,且變化幅度緊密相關(guān)。

(三)鎮(zhèn)江2005年至2008年氣溫與水溫變化

采集的四年鎮(zhèn)江市氣象局公布的溫度數(shù)據(jù),并計算每周的周平均溫度,對四年的溫度進(jìn)行統(tǒng)計,并擬合得到溫度變化曲線,如圖2所示:

由數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到:4年平均周氣溫:16.60℃;4年最高周平均溫度:31℃;4年最低周平均溫度:-0.714℃。

季節(jié)周平均溫度及大致時間跨度如下:春季,在三月至五月間周平均溫度為15.99℃;夏季,在五月下旬至10月上旬周平均溫度為26.41℃;秋季,在十月中下旬至十一月周平均氣溫為15.94℃;冬季,在十二月至來年二月周平均氣溫為4.74℃。

綜合以上統(tǒng)計數(shù)據(jù),可以得到氣溫變化呈穩(wěn)定的季節(jié)變化。因而著手以氣溫為依據(jù)研究氣溫與水中溶解氧的變化是有統(tǒng)計學(xué)上的意義的。

總體上看,一年的溫度變化呈二次函數(shù)關(guān)系,途中虛線為擬合得到的曲線,曲線方程如果用Y = A + B1*X + B2*X^2 來表示,則其中A、B1、B2的參數(shù)值經(jīng)近似計算后分別為-8.8917,2.47355,-0.0438。其函數(shù)校正相關(guān)系數(shù)為0.9012,標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.1074,顯著性水平P<0.001,大致符合二次函數(shù)關(guān)系。因而可以得到結(jié)論其變化關(guān)系基本上滿足:

Y=-8.8917+2.47355×X-0.0438×X²(1)

其中,Y代表氣溫(℃),X是周數(shù)(一年有52周,閏年有53周)。

二、氣溫對溶解氧的影響

(一)兩者關(guān)系的初步定論

經(jīng)采集選取2005至2008年四年的鎮(zhèn)江飲用水水源情況,作為分析對象。

經(jīng)過Origin7.5軟件的模擬建模,我們以時間為橫坐標(biāo),得到氣溫與溶解氧的變化關(guān)系。

如圖3所示,溫度指示在左y軸上,并且由圖可明顯看出一年內(nèi)氣溫整體成倒鐘狀分布,中間高兩邊低形態(tài)分布。其中第5周是4年中最冷的一周,平均溫度在-0.71℃,相對應(yīng)的平均溫度最高的是2007年的第31周,溫度高達(dá)31℃。

對應(yīng)右y軸的曲線是溶解氧隨時間變化的曲線。其變化的大致范圍在5.78～11.1之間,單位是mg/L。圖中可見其變化呈開口向上的弧狀,中間低,兩邊高,中間略有波動。

把兩者的變化圖結(jié)合后,得溫度較低時,溶解氧值偏大,溫度升高時溶解氧會有下降的趨勢。表現(xiàn)了兩者間相互制約,相互影響的內(nèi)在聯(lián)系。

在水處理的研究中,我們的要求是保持水體有較高的溶解氧含量,以保證水體自凈的能力。因此在水溫比較低的情況下溶解氧的含量較高,可以保證其效果,而在天氣炎熱,水溫平均比較高的情況下,水體中溶解氧的含量必定低于必要的水平,這對于我們的水處理工作是不利的。

(二)建立相關(guān)性

排除其他可能影響因素,若以氣溫為橫坐標(biāo),以溶解氧的大小為縱坐標(biāo),標(biāo)注每個點來研究之間的函數(shù)關(guān)系,可得到圖4:

其變化大致成負(fù)相關(guān),即隨氣溫升高,溶解氧呈減少趨勢。如圖4,直線為擬合所得直線,其波動情況如圖4中的折線。將兩者關(guān)系擬合線性關(guān)系,得函數(shù)關(guān)系式可以表示為:

Y=9.17573-0.06659×X(2)

其中Y代表飲用水水源溶解氧的含量(mg/L),X為氣溫(℃)。其中相關(guān)系數(shù)R為-0.59627,為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且顯著性水平<0.001,較其他函數(shù)關(guān)系有較高的相關(guān)性,因而可以初步判斷兩個指標(biāo)間有一次線性關(guān)系。

(三)溫度對其他參數(shù)的影響

1.溫度對pH值的影響。利用實測數(shù)據(jù)用溫度作為衡坐標(biāo),以水的pH作為縱坐標(biāo),繪制出了如上所示的pH-T相關(guān)圖,如圖5?？梢缘贸?水的pH呈現(xiàn)出一種上下波動的變化趨勢,最高大小變化可達(dá)到2,與氣溫沒有明顯關(guān)系。

2.溫度對電導(dǎo)率的影響。根據(jù)實測數(shù)據(jù)以溫度為橫坐標(biāo),電導(dǎo)率為縱坐標(biāo)做出了如圖6的關(guān)系曲線?？梢缘玫?隨著溫度的升高,水中電導(dǎo)率呈現(xiàn)出一種緩慢減小的趨勢,但總體上與溫度沒有明顯的直接關(guān)聯(lián)。

3.溫度對濁度的影響。通過對數(shù)據(jù)的整理分析,得到圖7,以溫度為橫坐標(biāo),濁度為縱坐標(biāo)的關(guān)系圖?？傻?隨著溫度的變化,濁度基本上不顯示出什么變化的趨勢,與溫度的相關(guān)性也比較小。但是在溫度為4℃的時候,濁度的值有突變。此突點可視為受其他外界因素共同作用影響而產(chǎn)生。濁度與溫度的變化沒有必然的聯(lián)系,而濁度在一定的范圍內(nèi)是有規(guī)律的波動。

4.溫度對高錳酸鉀指數(shù)的影響。同樣,在通過對數(shù)據(jù)的整理分析的基礎(chǔ)上,得到圖8。以溫度為橫坐標(biāo),高錳酸鉀指數(shù)為縱坐標(biāo)。圖中,同樣可以得到,隨著溫度的變化,高錳酸鉀指數(shù)在一定的范圍內(nèi)做小范圍的波動,并沒有受溫度的很大的影響。同樣的,高錳酸鉀指數(shù)顯著突變。它是由一些環(huán)境中不確定的因素導(dǎo)致的偶然偏差。因此,可以得出結(jié)論,溫度的變化對高錳酸鉀指數(shù)的變化有極其微小的相關(guān)影響。

5.溫度對氨氮的影響。以溫度為橫坐標(biāo),氨氮為縱坐標(biāo),得到圖9?？梢钥闯?隨著溫度的增大,氨氮在小范圍內(nèi)上下波動,但與溫度的相關(guān)性不明顯。在溫度的兩處特殊點,4℃、7℃、15℃溫度下,氨氮的值有較大的波動。通過分析,我們知道,這是由于一些環(huán)境綜合因素導(dǎo)致的偶然誤差。事實上,通過上圖也可以看出,氨氮與溫度的變化沒有必然的相關(guān)聯(lián)系。

三、結(jié)論分析及利用方式預(yù)測

(一)小結(jié)

1.鎮(zhèn)江氣溫以年為單位,統(tǒng)計觀察得到溫度大致呈二次函數(shù)變化關(guān)系,呈現(xiàn)的是開口向下的拋物線關(guān)系。(1)式表現(xiàn)其數(shù)值關(guān)系。

2.鎮(zhèn)江飲用水源水質(zhì)指標(biāo)中的溶解氧與當(dāng)?shù)氐臍鉁赜兄o密的聯(lián)系。用線性相關(guān)來建立兩者的變化聯(lián)系,可以得到相關(guān)系數(shù)R為-0.79513的一次負(fù)相關(guān)。(2)式表現(xiàn)其數(shù)值關(guān)系。也就是隨著氣溫的升高,溶解氧的含量在水中呈下降趨勢。

3.根據(jù)兩個數(shù)學(xué)的建模,可以得到,在四年的最高溫度31℃下的溶解氧值達(dá)到6.68mg/L,已符合國家三級標(biāo)準(zhǔn)。在最低溫度-0.714℃時,溶解氧最高值達(dá)10.13mg/L,符合國家一級水質(zhì),且已達(dá)飽和。

4.由氣溫及其他參數(shù)間的建模比較,以及通過查閱相關(guān)文獻(xiàn),鎮(zhèn)江飲用水體的其他參數(shù)與氣溫的關(guān)系沒有明顯數(shù)學(xué)模型關(guān)系。

(二)利用意義

1.普通的污水處理工藝采用的曝氣系統(tǒng)往往需要耗大量的電能來增加水中的溶解氧含量。為響應(yīng)節(jié)能減排的號召,在優(yōu)化水處理工藝時可以結(jié)合溶解氧和氣溫以及季節(jié)之間緊密的關(guān)系,針對氣溫變化來調(diào)節(jié)曝氣的強(qiáng)度。

2.選擇在夏季溫高條件下增加曝氣強(qiáng)度,而在冬季相對減弱曝氣程度,可以起到優(yōu)化能源,調(diào)節(jié)季節(jié)變化帶來的溶解氧變化等作用。

3.可以將曝氣技術(shù)應(yīng)用在自然水體中,以應(yīng)對日趨嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化。結(jié)合鎮(zhèn)江水體的溶解氧變化規(guī)律,以利用表面水體溶解氧的變化規(guī)律,調(diào)節(jié)地表水水質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]張建軍.濱江城市水體污染的典型特征及保護(hù)對策[J].江蘇環(huán)境科技,2006,19(5).

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