果有娜，張 晨

(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222； 2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350)

懸浮物(SS)是衡量水污染程度的重要指標，它的存在會影響湖泊水色，降低水體透明度和溶解氧含量，降低水生植物、無脊椎動物以及魚群數(shù)量，從而使水質(zhì)變差[1-2]。SS由水體中無生命顆粒物及浮游生物組成，其中無生命顆粒物主要為顆粒有機碎屑[3]。已有的研究表明，SS的種類和濃度同時受內(nèi)部過程(如沉降、再懸浮、微生物生長、生物過濾等)及外部過程(如大氣沉降、岸坡侵蝕、陸地徑流等)所影響[4-5]。SS還可能隨著生活用水、工農(nóng)業(yè)用水以及城市面積的增加而增加[6]。同時，SS也會對水質(zhì)產(chǎn)生一定的直接影響，如SS會增加細菌與氮的接觸機會，加速硝化與反硝化過程[7-8]。SS具有一定的吸附能力，因此常常是水生生物污染物及毒性物質(zhì)的來源[9]。張海威等[10]利用遙感技術(shù)探究艾比湖流域地表水水體SS及營養(yǎng)物的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)SS與總氮、總磷(TP)均存在著顯著的相關(guān)關(guān)系。周舟等[11]利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)探究渤海SS濃度的長期變化趨勢及其影響機制，發(fā)現(xiàn)SS濃度的變化可能與風(fēng)速有關(guān)。

于橋水庫是天津市飲用水供水水源地，探究其水質(zhì)變化的影響因素和機制十分必要。氣象因素通過對SS的影響，進而對水質(zhì)有著間接的影響[5]，利用于橋水庫2000—2011的氣象數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過廣義可加模型(generalized additive model，GAM)探究氣象要素對SS的影響以及SS與TP濃度的相關(guān)性。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

表1 于橋水庫氣象要素、SS和TP質(zhì)量濃度統(tǒng)計情況

于橋水庫又名翠屏湖，位于天津市薊州區(qū)(117°34′E，40°02′N)，屬溫帶季風(fēng)氣候，最大水深12.16 m，平均水深4.74 m。水庫流域面積為2 060 km2，總庫容為15.59億m3，正常蓄水位時水域面積86.8 km2。沙河、淋河、黎河為流域內(nèi)的三大支流，匯流入于橋水庫，出流至州河。于橋水庫為引灤入津工程中的重要調(diào)蓄水庫，南水北調(diào)通水前是天津市唯一水源地，長期向天津市區(qū)供水，通水后主要向天津市濱海新區(qū)等地供水。農(nóng)業(yè)用地占地面積721.8 km2，約占整個流域面積的35%。流域年平均水資源量為1.9億m3，蒸發(fā)量6 000萬m3。已有研究成果表明，于橋水庫氮磷比較高，為磷限環(huán)境，且處于沉水植物占優(yōu)的清水狀態(tài)[12-13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用于橋水庫庫中心站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，該測站自2000年以來每半月對水質(zhì)進行一次監(jiān)測，依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》[14]采集、保存、分析水質(zhì)。采用2000—2011年的TP和SS的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進行分析。

氣象數(shù)據(jù)通過中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)(http://data.cma.cn/)獲取，選取水庫流域內(nèi)氣象站(117°57′E, 40°12′N)的降水量、平均風(fēng)速、太陽輻射日值數(shù)據(jù)進行研究。月累積降水量、月最大風(fēng)速及太陽輻射的月均值由每日監(jiān)測值計算得出。

1.3 研究方法

GAM模型是廣義線性模型的半?yún)?shù)擴展模型，其假設(shè)函數(shù)是相加的，函數(shù)的組成成分是光滑函數(shù)[15]?；灸Ｐ蜑?/p>

G[E(Y)]=b0+s1(X1)+…+sm(Xm)

(1)

式中：E(Y)為因變量的數(shù)學(xué)期望值；G為連接函數(shù)；b0為截距；s1、s2、…、sm為自變量X1、X2、…、Xm的平滑函數(shù)。

GAM模型既可進行參數(shù)回歸擬合，也可進行半?yún)?shù)及非參數(shù)回歸擬合，因此其擬合方式更為自由靈活[16]，具體應(yīng)用R語言軟件實現(xiàn)統(tǒng)計分析[17]。

將數(shù)據(jù)按照季節(jié)劃分，即12月、1月、2月為冬季；3月、4月、5月為春季；6月、7月、8月為夏季，9月、10月、11月為秋季。針對每個季節(jié)，利用廣義可加模型分別擬合SS與氣象因素及TP與SS質(zhì)量濃度的相關(guān)關(guān)系，利用交叉驗證方法來確定平滑參數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 氣象要素、SS和TP質(zhì)量濃度的季節(jié)分布

表1為于橋水庫不同季節(jié)氣象要素、SS和TP質(zhì)量濃度統(tǒng)計情況。由表1可見，于橋水庫所在區(qū)域全年降水量主要集中在夏季，最大值達278.70 mm，均值123.47 mm，秋季其次，春季較少，冬季干燥，冬季降雨量均值僅2.51 mm。最大風(fēng)速春季高于其他季節(jié)，均值達到8.53 m/s，其次夏季，秋冬季較低。太陽輻射春夏季遠高于秋冬季，且夏季分布較為集中，冬季輻射最低。SS質(zhì)量濃度夏秋季較高，春冬季較低，夏季平均值高達7.57 mg/L，冬季平均值僅為3.70 mg/L。TP質(zhì)量濃度最大值也出現(xiàn)在夏季，為0.065 mg/L，且夏季TP質(zhì)量濃度平均值高于其他季節(jié)，其次為秋季，春冬季較小。可見，由于夏季雨量充沛，徑流量較大，沖刷作用增強，增加了將顆粒物帶入湖泊的可能，因此夏季出現(xiàn)了較高的SS濃度。此外，較大的徑流易將營養(yǎng)物帶入湖泊，且SS具有一定的吸附性，二者為夏季較高的TP濃度提供了可能。

(a)最大風(fēng)速全年樣本

(b)最大風(fēng)速春季樣本

(c)降水量冬秋樣本

(d)太陽輻射全年樣本圖1 不同季節(jié)SS質(zhì)量濃度與氣象要素相關(guān)性分析回歸曲線

2.2 氣象要素、SS及TP之間的相關(guān)關(guān)系

利用GAM模型對2000—2011年不同季節(jié)SS質(zhì)量濃度與各氣象要素的相關(guān)性進行分析(表2)。由表2可見，SS質(zhì)量濃度與各氣象要素間均在某季節(jié)或全年樣本中存在相關(guān)關(guān)系。其中，具有顯著相關(guān)性且有明顯正負趨勢的關(guān)系有SS質(zhì)量濃度與最大風(fēng)速全年樣本、最大風(fēng)速春季樣本、降雨量冬季樣本和太陽輻射全年樣本。利用GAM模型對這些關(guān)

表2 不同季節(jié)SS質(zhì)量濃度與各氣象要素的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。

系進行分析，得到不同季節(jié)SS質(zhì)量濃度與氣象要素相關(guān)性分析回歸曲線見圖1，圖中橫坐標為各氣象因素實測值，縱坐標為自變量的平滑函數(shù)sss，陰影部分代表95%置信區(qū)間。由圖1可見，春季SS隨最大風(fēng)速的增加而增加(p=0.012)，在全年樣本中，當(dāng)最大風(fēng)速較高時，也出現(xiàn)了相同的趨勢(p=0.000)，該現(xiàn)象說明了風(fēng)的擾動對SS具有很大的影響。風(fēng)會造成沉積物再懸浮，從而導(dǎo)致SS濃度增大。于橋水庫中SS質(zhì)量濃度與最大風(fēng)速之間表現(xiàn)出的正相關(guān)與Tammeorg等[18]的觀點一致。冬季SS質(zhì)量濃度與降水量之間表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系，在降雨量較高時，二者表現(xiàn)為正相關(guān)，造成該正相關(guān)現(xiàn)象的可能原因有兩點：①降水沖刷顆粒物并將其帶入湖泊；②水流增大引起再懸浮。竇月芹等[19]研究表明降雨徑流會將SS帶入巢湖水體；邊博等[20]在對鎮(zhèn)江城市降雨徑流中懸浮物濃度的研究中也得出了相似的結(jié)論。此外，在全年樣本中，SS質(zhì)量濃度與太陽輻射之間也表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。正如Lagomarsino等[21]所述，太陽輻射通過控制供給浮游生物群落的輻射能從而影響SS。光照在限制浮游植物初級生產(chǎn)力中起到了重要的作用，而SS很可能受藻類光合作用的影響[18]。

對不同季節(jié)TP與SS質(zhì)量濃度進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，除冬季外，二者均呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性(p<0.050)，但僅在夏季呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)趨勢。圖2為夏季TP與SS質(zhì)量濃度相關(guān)性分析回歸曲線。由圖2可見，夏季雨量充沛，徑流量大，河道及湖泊中的沖刷作用加大，再懸浮進一步將富含磷元素的沉積顆粒卷入水體，從而導(dǎo)致磷源釋放，加之SS自身的吸附性，二者表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，Tammeorg等[18]在研究中得出了同樣的結(jié)論。因此降低SS質(zhì)量濃度可能會有效降低顆粒態(tài)磷含量，從而有助于水質(zhì)的改善。

圖2 夏季TP與SS質(zhì)量濃度相關(guān)性分析回歸曲線

從上述氣象要素、SS及TP質(zhì)量濃度間的相關(guān)性分析可以看出，在一定程度上，氣象要素通過影響湖泊中SS質(zhì)量濃度間接地影響著TP質(zhì)量濃度。降水量大時，增加徑流引起的沖刷作用將更多的顆粒物帶入水體，增加水體中SS質(zhì)量濃度；而SS具有吸附性，這也可能導(dǎo)致水體中TP質(zhì)量濃度的升高。此外，風(fēng)擾動及較大的徑流均會造成再懸浮，不僅增加了水體中的SS濃度，也會促進沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的釋放。

3 結(jié) 語

通過廣義可加模型分析氣象因素作用下于橋水庫SS對TP質(zhì)量濃度的影響，結(jié)果表明SS質(zhì)量濃度與最大風(fēng)速、降水量、及太陽輻射之間存在著顯著的相關(guān)性，TP與SS質(zhì)量濃度之間也存在顯著的相關(guān)性。春季風(fēng)擾動、冬季降水及全年太陽輻射均會導(dǎo)致SS質(zhì)量濃度升高，而由于SS的吸附性及再懸浮作用，又會導(dǎo)致TP質(zhì)量濃度的升高。