丹江商州段径流浊度和总溶解固体变化特征分析

2019-01-15杨甜

绿色科技 2018年22期

杨甜

(重庆师范大学地理与旅游学院，重庆401331)

1 引言

浊度是指水中悬浮物体当光线透过所发生的阻挡程度。水中的悬浮物一般是泥砂、微小的有机物和无机物、浮游生物、微生物等。水的浑浊度不只和水中悬浮物体的含量有关联，并且还和它们的大小、形态以及折射系数等有关系。由于含悬浮颗粒和胶体状态的水，使原本无色透明的水变浑浊现象，被称为浊度。现代仪器显示出的浊度是散射浊度单位NTU，1NTU＝1JTU。浑浊度是一种光学效应，是光线透过水层时受到阻碍的程度表示了水层对于光线散射和吸收的能力。

总溶解固体(缩写TDS)，又称溶解性固体总量，测量单位为毫克/升(mg/L)，它表明1 L水中溶有多少毫克溶解性固体。TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多。总溶解固体指水中全部溶质的总量，包括无机物和有机物两者的含量。本文利用仪器检测法，分析浊度和TDS变化特点进而分析水质的变化特征，旨在通过对河流浊度的变化的预测分析提出减少河流污染及防治的意见建议，并且对生态环境的保护提出建议，因此本课题的研究具有重要理论价值和实用意义。

随着我国人口的不断增长，以及经济的迅速发展，水资源的短缺及污染问题已经日益严重并且严重影响到了水生生物的生长，河流污染处理程度未达标甚至是没有经过处理就直接排进江河或者补充地下水的现象，造成水污染日益加深。根据水利部1997年的统计，全国河流中，污染河长已占总河长65405 km。2008年中国环境质量公报公布的数据显示，不适合做饮用水河段已接近40%，城市河段中78%的河段不适合做饮用水源。浑浊度作为衡量水质良好程度的重要指标，就目前研究来看，国内外学者对其他地区河流研究活越，但对丹江研究欠缺，迫切需要进一步系统的研究，从而为丹江水污染治理提供建议。

2 国内外研究现状

浊度指标是反映河流水质状况的主要指标，所以对于河流浊度的监测是河流水质研究的重点。英国某水源监察机构曾经在2007年对英国境内的用户有关饮用水投诉调查中发现其中有80%都是有关于浊度超标的。在我国的北方，由于植被覆盖率相对较低，土粒较为松散，降水时会冲散松散土壤使之进入河流中，造成河流浑浊度增大。国内外的研究主要是集中于河流下游浊度的监测以及预算，以及悬沙与浊度之间的相关性的研究。

TDS指标的研究一般是与其他指标结合在一起分析，它是检测水污染程度的重要指标。国内外的研究主要集中于河流TDS空间变化分异的研究上，及其对径流量的影响上进行研究。

对于河流内浊度的监测预测数据比较少，而且对于河流浊度和TDS的分析通常是综合其他水质监测的参数进行综合分析进而分析其浊度发展变化态势，本文也是从河流浊度和TDS随时间的变化入手，本课题具有很大的研究价值。

3 研究区概况

3.1 区域概述

商州位于陕西东南部，地处秦岭腹地，气候温和，雨量充沛，属暖温带半湿润季风山地气候，年平均降水量约758 mm，年平均气温13.5℃，商州地跨长江、黄河两大流域，同时丹江流经该区，是全国生态环境建设重点试点示范区，又是国家南水北调重要水源涵养区。该区以山地地貌为主，以农业为主导产业，经济发展水平总体较低，区内部分基础设施不够完善。

3.2 研究区污染现状

丹江发源于陕西省商洛西北部的秦岭南麓，流经陕西省、河南省、湖北省，在湖北省丹江口市与汉江交汇。干流全长390 km，是汉江最长的干流，流域面积17300 km2，占汉江流域总面积的10%。多年平均流量174 m3/s，自然落差1401 m。历史上丹江航运发达，明清两朝是丹江航运的黄金时代。丹江径流量小、年际变化大，洪水灾害严重而频繁，含沙量较多。流域内的水利工程有古代著名的沟通丹江与灞水的通道工程丹霸道。20世纪50年代后，沿江建设了二龙山、龙潭等水利水电工程，发挥了蓄水灌溉、发电和调洪作用。丹江水系径流量变化显著，本区又为土石山区，河谷两侧有土状堆积物分布，人类经济活动影响较大，使丹江成为含沙量较多的河流。丹江在陕西境内植被发育良好，有原始森林，受河流切割的影响，地貌起伏较大。近年来为认真贯彻《国务院水污染防治行动计划》，确保“一江清水”永续北供，从2013年开始，商洛市率先在陕南三市启动实施《商洛市丹江等流域污染防治工作三年行动计划(2013－2016年)》，丹江流域水环境质量得到了明显改善。

3.3 污染源分析

通过采样分析，污染程度随径流量变化而变化。在排污量相同的情况下，河流的径流量越大，污染程度就越低；径流量的季节性变化，带来污染程度的时间上的差异。河流的流动性，使污染的影响范围不限于受污染的发生区，上游如果遭到污染就会影响下游，甚至是一段河流也受到污染，因此可能会波及整个河流的生态状况，污染危害大。河水是人类以及动物主要的饮用水源，污染物可以通过日常饮水直接危害人体，也可通过饮食或农田灌溉间接危害到人类的身体健康。主要的污染源包括生活污水、工业废水、农业污水。

生活污水包括人类生活过程中产生的污水，是水体的主要污染源之一。主要是粪便和洗涤污水。在调查取样的附近是居民楼以及村庄，在河流附近就可以看到大量有恶臭气味以及颜色浑浊的水通过地下管道排入河流当中。

农业污水包括各种肥料、杀虫剂、杀菌剂、除草剂及生物助长剂等化学物质，如有机氯以及超量的有机磷、氮、钾等易溶性化合物，只有很少一部分被农作物吸收利用，很大一部分经过下渗，进入到地下水中，其中一部分流入河流，对河流水体造成了严重污染，致使河流浑浊。

工业废水包括工业废水是指工业生产过程中产生的废水、污水以及废弃溶液，其中包括的有随水体流失的工业用料、中间产品和产物以及在生产过程中产生的污染物体。这些废水未经处理或者仅仅经过过滤就排入到丹江中。随着工业的迅猛发展变化，废水的类别和排放量不断增加，对水体的污染也日趋广泛和严重，威胁人类的健康和安全。

4 材料与分析方法

4.1 样品采集与处理

样品采集水样共1个采样点，在丹江公园附近的流域采样水样。时间为2016年11月到2017年5月，共计23个样品。在现场将河流温度测定将采集水样置于250m L聚乙烯塑料瓶中，置于阴凉处，将水样带回实验室，并且贴好标签。用浊度仪测定水样浑浊度。TDS的测定使用TDS水质监测笔来进行。水样浊度和TDS的测定，水样充分摇匀是关键，并充分做好记录工作(图1)。

图1 样品采集处

4.2 预测浊度及总溶解固体模型

均生函数模型是由时间序列按不同的时间间隔计算均值，生成一组同期函数，然后用原时间序列与这组函数建立回归预测方程[4]。

设样本量为的一个时间序列x(t)＝x(1)，x(2)，…，x(n)。x(t)的平均值为对时间序列x(t)定义均值生成函数为：

式(1)中，nl＝INT(n/l)，m＝INT(n/2)或INT(n/3)，根据该式可得时间序列的m个均生函数作为周期性延拓得fi(t)＝¯xl(i)，t＝1，2，…，n，这样可构造出周期为l的m列周期函数[9]。

为了建立预报效果更好的模型，除了将原序列派生的均生函数作为预报因子备选外，考虑差分是高通滤波中最简便的滤波方式，还需对原序列作差分变化并计算相应的均生函数[11]。

一阶差分序列，即对原时间序列差分，公式为：

可得到一阶差分序列：

在一阶差分基础上，再对一阶差分序列进行差分，即令：

据此可得二阶差分序列：

数延拓序将原序列x(t)的均生函数记为xl(0)，将一阶差分序列x(1)(t)和二阶差分序列x(2)(t)的均生函数分别记为(t)和(t)，利用公式fl(t)＝可得它们的延拓序列(t)(t)和(t)。

4.3 浊度分析研究方法

4.3.1 浊度的特性

浊度是水中所存在的颗粒物质比如粘土物质、淤泥物质、胶体颗粒，浮游生物和一些微生物致使水体变浑浊。它与水对光的散射程度以及吸收能力的量度和水中的颗粒的数目，大小以及入射光波长相关。水质分析中规定：1 L水中含有1 mg SiO2所构成的浊度为一个标准浊度单位，简称1度。通常浊度越高，溶液越浑浊。

4.3.2 水样分析方法

现有采用福尔马肼标准液的散射光浊度测定方法和透射光浊度测定方法，前者的准确度和精密程度较高。

4.3.3 国际水质指标浊度值现状

各国的水质标准对浊度的指标值都有所规定，现仅以下几个主要国家的浊度指标值列如表1。

表1 国际水质浊度指标值

表2 饮用水浊度与丹江河流浊度对比

4.3.4 河流浊度与饮用水浊度对比

利用excel将饮用水的浊度和丹江河流商州段进行对比，通过对比两组浊度值，分别分析它们的变化规律，当丹江商州段河流浊度较高时，分析丹江河流商州段浊度值高的原因以及其污染来源，分析差异巨大的原因，寻求降低河流浊度值的方法.饮用水浊度数据来源于水质检测中心(表2)。

4.3.5 对比结果分析

由图2可见丹江河流商州段河流浊度波动较大，而饮用水浊度变化较小。并且丹江河流商州段浊度值是饮用水浊度值的30倍左右(去掉峰值)，由表2可知，丹江商州段浊度值的变化在8.9～198 NTU之间变化，波动巨大，饮用水浊度在0.30～0.38 NTU之间变化，变化小，波动不大。

图2 河流浊度与饮用水浊度对比

丹江河流在商州段的浊度变化呈现出下降－上升－下降的趋势，在11月到次年2月份期间，丹江河流浊度变化较小，数值较为平稳。冬季降雪天气较多，河流流量增加，使污染物得到了稀释，因相比其他季节浊度数值较低。浊度值在15～30 NTU之间变化，此时降水量较少，河流流量较为平稳。其后波动上升，在3月份达到最大值，最高值高达198.3 NTU，原因是由于三月份极端天气频发，雨雪天气频繁，河床在雨水的冲刷下，大量泥沙进入河道，并且由于上游的开闸放水，使河流变得浑浊。此后丹江河流浊度出现下降趋势，并且在4～5月份河流浊度波动不大，说明污染物的浓度再降低。从图2可见丹江商州段河流浊度的变化受到地表径流，温度以及人类活动等的影响，波动十分明显，并且河流浊度在不同月份表现出很大的变化，表现出来非平稳，非线性的变化特征。

在采集调查中发现，沿河居民往河流中倾倒垃圾并且大量污水流入河道中，这也是造成河流浊度波动变化的一个巨大原因。

4.3.6 利用均生函数拟合预测浊度变化趋势

运用均生函数对丹江商州段的采样浊度数据进行运算，并绘制拟合模型图其曲线图如图3所示。

图3 丹江河流浊度模拟预测

根据丹江商州段浊度数据，基于均生函数拟合模型，其拟合结果可以得出：丹江商州段的河流浊度呈现出起伏不定的不定趋势，其变化程度均生函数能很好的模拟，拟合值和实况值之间的相关程度都比较显著。用均生函数模型的最优回归方程计算出的丹江河流浊度预测值如表3。

表3 浊度预测值

从图3中可以看出，丹江河流浊度波动变化较为平滑，起伏不大，但是在3月份期间剧烈上升并达到一个峰值，后面又开始持续下降，并且波动平缓。由此看来，由于夏季降水量较大，雨水冲刷河床，使的淤泥进入河道，并且城市污水大量流入河流中，在未来一段时期内丹江河流的浊度还是会保持一个下降再上升的态势，排除人为原因，总体波动不显著。(由于3月份人为开闸放水，并且遭受极端天气的影响，导致河水浑浊不堪，浊度值急剧升高，因为为了保证预测的客观性，将3个极值去掉)。

4.4 TDS分析研究方法

4.4.1 TDS特性

TDS实际上是通过测量水的电导率从而间接反映出TDS值，在物理意义上来说，水中溶解物越多，水的TDS值就越大。说明水中的溶解物含量越多，反之，含量越少。

4.4.2 TDS指标现状

中国的饮用水指标是0－50之间(表4)。

表4 TDS指标

4.4.3 丹江商州段浊度与TDS变化对比

图5 丹江商州段浊度与TDS变化对比

从图5中可以看出，丹江河流的TDS值稳定的保持在180～300之间，波动较小，峰值出现在2017年2月16日，此时数值是301×10－6此时低值最低值出现在2017年4月14日，此时数值是173×10－6。TDS数值的变化随着浊度值升高而升高。

4.4.4 丹江河流TDS未来变化预测模拟

运用均生函数对丹江商州段TDS数据进行拟合运算，其得到曲线模型图如图6所示。

图6 丹江河流TDS未来变化预测模拟

根据丹江商州段TDS数据，基于均生函数拟合模型，其拟合结果可以得出：丹江商州段的河流TDS呈现出小幅度波动，其变化程度均生函数能很好的模拟，用均生函数模型的最优回归方程计算出的丹江河流TDS预测值如表5。

根据商洛丹江商州段河流TDS数据，基于均生函数拟合模型，运用一阶回归方程Y＝396.341－0.52047 x1其中Y值代表TDS，X值代表时间其拟合结果可以得出；丹江商州段的TDS值呈现出波动起伏不定的趋势，未来一段时间的变化也是在200～300×10－6之间。运用均生函数模拟的TDS变化趋势较实况值来说，两者之间较为吻合，从总体上看拟合值与实况值之间的变化程度较小。

表5 TDS预测值

4.4.5 丹江河流TDS和浊度空间变化分析

为了更好地研究丹江商州段TDS和浊度的变化特征，于6月10日在空间上选取了10个采样点分别是仙鹅湖、商洛体育馆、紫薇园、丹鹤楼、鑫苑大厦、丹江公园、晨光丹江一品、嘉园国际、丹凤园、商南苑进行采样，对比丹江商州段浊度和TDS空间上的变化。结果如图7。

图7 丹江商州段浊度值与TDS空间变化

结果表明丹江商州段的河流浊度和TDS在不同河段，变化差异十分显著。上游地段河流中泥沙含量较少，河水清澈，浊度较小。采样当天由于下雨，中游地段河床遭受冲刷，泥沙含量较大，河水浑浊不堪，河水浊度开始出现明显上升。到河流下游地段浊度持续上升。TDS值出现波动上升－下降－上升的趋势。

4.5 结果分析

经过实验监测数据表明丹江商州段的浊度与TDS数值都较高，因此可以看出丹江商州段河流污染程度已经相当严重，部分时间段河流浊度甚至异常升高，是平常时间段的15倍左右，丹江商州段河流浊度是饮用水的30倍左右。TDS数值虽然较平稳但是相对于国家标准来说，大大超出了标准值。在实验采水过程中，部分时间段丹江河流商州段产生水体发黄，浑浊不堪，严重影响本地居民的生活质量和卫生安全，并且河流浊度及TDS值在空间上也有显著变化。据调查分析主要成因有：污染源的不断扩大，大量的生活污水未经处理直接排放入丹江流域；二是河岸的截污能力较弱，河流附近的污染物直接随着地表径流进入河流；三是沿岸居民往河岸处倾倒垃圾，当水位线上升时，垃圾进入河道，从而污染河流，这也对丹江河流污染控制造成困难。四是工厂排放污水进入河流。

5 讨论

5.1 结论

河流浊度和TDS指标作为对水质评价的重要指标，对河流水污染的控制具有重要意义。本文通过excel软件以及均生函数模型通过线性回归分析的统计方法，通过丹江河流的浊度与饮用水浊度之间的对比关系，分析其河流污染程度和丹江河流浊度与TDS之间的相关关系，并且对丹江河流浊度与TDS进行模拟预测未来变化。初步得到以下结论。

(1)通过对于丹江河流(商州段)河流浊度和TDS的研究分析发现，河流浊度的变化稳定的保持在一个区间范围内，但是在人为因素的影响下，河流浊度值的波动变化较大。猜测原因，河流浊度的变化受人为因素的的比重较大，河流污染严重时河流浊度值不断的升高。溶解性固体含量波动不大，并且随浊度数值的变化而变化。

(2)TDS值和浊度值之间存在相关关系，并且二者随着随季节的变化发生波动。冬季时浊度值和TDS值小幅度变化，变化较为平稳。春季前后受极端天气影响，丹江河流的浊度值及TDS值出现增长。随后又呈下降－增长－下降的小幅度波动。