石亭江水质化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量分析

陈思洁，杨贤，冉秀华，傅德瑜，高倩倩

(四川省德阳生态环境监测中心站，四川 德阳 618000)

0 引言

化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量是生态环境水质监测中非常重要的表征水质中有机物含量的三个指标。这三个指标之间既有一定的共性，又有一定程度的差异，并且三者之间在理论上也存在着定性的大小关系。文章采用了2019—2022年石亭江流域4个地表水点位的监测数据，用SPSS软件来探讨石亭江流域水质中化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量之间的相关性。

1 化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量概述

1.1 化学需氧量、高锰酸盐指数定义

COD(Chemical Oxygen Demand)也就是化学需氧量，是指在一定的条件下，采用强氧化剂处理水样，计算出待测水样消耗氧化剂的量。COD是表示水质中还原性物质多少的指标，用mg/L来表示。亚硝酸盐、硫酸盐、有机物、亚铁盐等物质都是水质中的还原性物质，其中最主要的还原性物质是有机物，因此，COD又经常被当作衡量水中含有多少有机物质的重要指标。待测水样中测定的COD值越大，则间接说明该水体受到有机物污染越严重。按照使用的氧化剂的不同，又将COD 分为以重铬酸盐作为氧化剂的化学需氧量和以高锰酸钾作为氧化剂的高锰酸盐指数[1]。

1.1.1 化学需氧量定义

按照HJ 828—2017 《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》中的定义，当用重铬酸钾对水样进行氧化处理时，水样中的悬浮物和溶解性物质所消耗的重铬酸盐所对应的氧的质量浓度，即为化学需氧量。

如果化学需氧量的值过高，就会造成水中的溶解氧含量降低，导致水中需氧量较大的生物(如鱼、虾等)的死亡，同时让厌氧微生物泛滥生长，“活水”将变成“死水”。因此化学需氧量的值越大，则说明水体污染越严重。

1.1.2 高锰酸盐指数定义

高锰酸盐指数，也被称为化学需氧量的高锰酸钾法，是指在一定的条件下，将高锰酸钾作为氧化剂来氧化待测水样中的某些有机物和无机还原性物质，然后通过计算水样消耗的高锰酸钾的量再得出相应的氧量。高锰酸盐指数不能作为理论的需氧量或者是代表总有机物含量的指标，因为在规定条件下，大多数的有机物质只可以被部分氧化，测定值的范围内也不包括易挥发的有机物。

由于水质中高锰酸盐指数的大小可以在一定程度上反映出地表水、饮用水和水源水的水质污染状况，因此在生态环境管理部门掌握区域河流水质污染和饮用水水质质量、保障区域人民用水安全以及调整区域宏观政策等方面，都具有十分重要的理论和科学依据。

1.2 五日生化需氧量定义

五日生化需氧量是指在规定条件下，通过微生物分解水中的某些能被氧化的物质，尤其是分解有机物质的生物化学过程所消耗的溶解氧。通常情况下是指将待测水样充满在完全密闭的溶解氧瓶中，在20±1 ℃的暗处培养5 d±4 h或(2+5) d±4 h，然后分别测定培养前后待测水样中溶解氧的浓度，由培养前后溶解氧的浓度之差得出每升样品所消耗的溶解氧的量，用五日生化需氧量(BOD5)来表示。

五日生化需氧量是间接表示水中有机物污染程度的综合性指标，一般来说，五日生化需氧量是生态环境质量保护、环境科学、水质分析监测工作中最广泛采用的测定方法之一，五日生化需氧量与化学需氧量的比值在环境工程中具有非常重要的现实意义。

1.3 化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量的关系

从定义可以看出，化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量都是采用定量的数值来表示水样中有机物质含量多少的水质指标，这三项指标之间存在着一定共性，但又具备一定差异，一般情况下，三个指标从大到小的排列顺序为：化学需氧量、五日生化需氧量、高锰酸盐指数[2]。生活污水水质中的五日生化需氧量(20 ℃)通常大约为高锰酸盐指数浓度的2～4倍，而对于不易被微生物降解的水样，化学需氧量将比五日生化需氧量大得多[3-6]。

化学需氧量和五日生化需氧量的比值也具备着重要的意义。化学需氧量是表示有机污染物含量的综合性指标，它是指用重铬酸钾作为氧化剂，在一定的条件下，计算得出的水样消耗的氧的量。五日生化需氧量则是指利用微生物在氧较为充足的环境下，进行生物降解时所消耗的氧的量，也是表示水质中有机污染物含量的综合性指标。因此，五日生化需氧量可以看作是能被生物降解的有机污染物的量。通过计算五日生化需氧量与化学需氧量的比值可以在一定程度上判断出水质的生物可降解性，一般情况下认为：五日生化需氧量/化学需氧量>0.58，为完全可生物降解水质；五日生化需氧量/化学需氧量=0.45～0.58，为生物降解性良好；五日生化需氧量/化学需氧量=0.30～0.45，为可生物降解水质；五日生化需氧量/化学需氧量<0.30，为难生物降解水质。

2 研究对象及方法

2.1 研究对象概况

石亭江为沱江水体北河支流的主要二级支流之一，发源于什邡市红白镇西北部，从西偏北向东偏南流至广汉和兴村，在秦家渡附近汇入湔江。石亭江是德阳市所辖4个区市的界河，江北是绵竹市、旌阳区，江南为什邡市、广汉市。石亭江全长114.6 km，在什邡境内86.7 km、广汉境内27.9 km。石亭江是北河的重要补给水源，更是德阳市地表水补充的主要河流之一。

2.1 研究内容及方法

2.1.1 化学需氧量、高锰酸盐指数、五日生化需氧量的数据来源

从石亭江流域中由北至南选择了4个地表水点位进行研究，分别为高景关、金轮大桥、柳林村和双江桥点位，采用2019年1月至2022年12月这4个监测断面水质中化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量的每月例行监测数据，通过SPSS软件分析三者的相关性[7-8]。其中化学需氧量的测定采用的方法是HJ 828—2017 《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》；高锰酸盐指数测定采用的方法是GB 11892—1989 《水质 高锰酸盐指数的测定》；五日生化需氧量的测定采用的方法是HJ 505—2009 《水质五日生化需氧量的测定 稀释与接种法》。

2.1.2 SPSS软件相关性分析的原理

相关是指一个变量与另一个变量之间的变化关系，相关性分析是考察两个变量之间线性关系的一种统计分析方法，更精确地说，当一个变量发生变化的时候，另一个变量会怎样变化，这时就需要通过计算相关系数来做深入的定量考察。一般来说，变量之间的相关关系主要是由于以下三个因素带来：(1)相关是偶然的；(2)两个变量相关可能直接受到其他潜在因素的影响；(3)一个变量是另一个变量的原因，即两个变量存在因果关系。

所以，在进行相关性分析时，考察的主要是两个变量是否一起变化，而不考虑两个变量变化的时间顺序。基于以上原理，可以采用SPSS软件对化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量之间的相关性进行分析。

3 结果与讨论

3.1 SPSS软件的分析步骤

SPSS中Pearson(皮尔逊相关系数)包括r值和P值，其中r值是指样本中变量之间的相关系数，用来表示相关性的大小；P值指的是检验值，用来检验两个变量在样本的总体中是否存在和样本一样的相关性。

判断监测项目之间是否存在相关性以及相关性的程度时，一般采用的参考步骤如下：

(1)首先看显著性，也就是sig值或称P值，判定标准一般为0.05，如果P值<0.05，那么就表明两者之间有相关性，如果P值>0.05，那么表明相关性系数没有统计学意义；

(2)如果P值<0.05，表明两者之间有相关性，然后再判定r值，r的绝对值越大，说明变量之间的相关性越好，正数表示变量之间呈正相关，负数则表示负相关；

(3)一般情况下认为：r的绝对值≥ 0.8，说明两个变量之间高度相关；0.5≤r的绝对值< 0.8，说明两个变量之间中度相关；0.3≤r的绝对值< 0.5，说明两个变量之间低度相关或弱相关；r的绝对值< 0.3，说明两个变量之间相关程度为极弱相关或无相关。

综上所述，采用SPSS中Pearson(皮尔逊相关系数)进行相关性判断时，首先判定P值，确定是否有相关性，再判定r值，确定相关性的强弱。

3.2 化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量的相关性

首先对石亭江流域中高景关、金轮大桥、柳林村和双江桥4个地表水点位2019年1月至2022年12月化学需氧量、高锰酸盐指数和五日生化需氧量的每月例行监测数据进行了整理，在排除有明显异常和没有达到检出限的非统计值后，利用SPSS软件中的Pearson相关系数对数据进行了统计和分析，得出了三项指标之间的相关性。

分析结果显示，石亭江流域高景关、金轮大桥、柳林村和双江桥4个地表水点位水质中的化学需氧量和高锰酸盐指数之间均呈显著正相关(r=0.556～0.619，P<0.05)，金轮大桥点位水质中三项指标之间(化学需氧量和高锰酸盐指数、高锰酸盐指数和五日生化需氧量、化学需氧量和五日生化需氧量)均呈显著正相关(r=0.442～0.601，P<0.05)，双江桥点位水质中的高锰酸盐指数和五日生化需氧量之间呈显著正相关(r=0.500，P<0.05)，各点位三项指标之间的P值和r值如表1所示。

表1 石亭江流域高景关、金轮大桥、柳林村和双江桥点位三项指标的相关性系数

从表1具体数据可以看出，化学需氧量和高锰酸盐指数的r值范围在0.5～0.8之间，说明石亭江流域4个地表水点位水质中的化学需氧量和高锰酸盐指数呈中度相关；金轮大桥点位水质中的高锰酸盐指数和五日生化需氧量之间呈中度相关，化学需氧量和五日生化需氧量之间为弱相关；双江桥点位高锰酸盐指数和五日生化需氧量之间的r值为0.500，说明两者也呈中度相关。

4 结语

根据2019—2022年石亭江流域4个地表水点位三项指标监测数据的统计与分析，利用SPSS软件得出各点位水质中三项指标之间的相关性系数Pearson(皮尔逊相关系数)的r值和P值，以判断三项指标之间的相关性，得出以下结论：(1)石亭江流域水质中的化学需氧量和高锰酸盐指数相关性较好，随着一项指标浓度的升高，另一项指标的浓度大概率会随着升高；(2)化学需氧量和五日生化需氧量之间的相关性较弱，4个地表水点位中仅金轮大桥点位水质中的这两项指标之间呈弱相关；(3)高锰酸盐指数和五日生化需氧量之间存在一定的相关性，但相关程度较化学需氧量和高锰酸盐指数更弱一些。