气象因素作用下于桥水库悬浮物对总磷的影响

果有娜，张 晨

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222； 2.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350)

悬浮物(SS)是衡量水污染程度的重要指标，它的存在会影响湖泊水色，降低水体透明度和溶解氧含量，降低水生植物、无脊椎动物以及鱼群数量，从而使水质变差[1-2]。SS由水体中无生命颗粒物及浮游生物组成，其中无生命颗粒物主要为颗粒有机碎屑[3]。已有的研究表明，SS的种类和浓度同时受内部过程(如沉降、再悬浮、微生物生长、生物过滤等)及外部过程(如大气沉降、岸坡侵蚀、陆地径流等)所影响[4-5]。SS还可能随着生活用水、工农业用水以及城市面积的增加而增加[6]。同时，SS也会对水质产生一定的直接影响，如SS会增加细菌与氮的接触机会，加速硝化与反硝化过程[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质的来源[9]。张海威等[10]利用遥感技术探究艾比湖流域地表水水体SS及营养物的空间分布特征，发现SS与总氮、总磷(TP)均存在着显著的相关关系。周舟等[11]利用MODIS卫星遥感数据探究渤海SS浓度的长期变化趋势及其影响机制，发现SS浓度的变化可能与风速有关。

于桥水库是天津市饮用水供水水源地，探究其水质变化的影响因素和机制十分必要。气象因素通过对SS的影响，进而对水质有着间接的影响[5]，利用于桥水库2000—2011的气象数据和水质数据，通过广义可加模型(generalized additive model，GAM)探究气象要素对SS的影响以及SS与TP浓度的相关性。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

表1 于桥水库气象要素、SS和TP质量浓度统计情况

于桥水库又名翠屏湖，位于天津市蓟州区(117°34′E，40°02′N)，属温带季风气候，最大水深12.16 m，平均水深4.74 m。水库流域面积为2 060 km2，总库容为15.59亿m3，正常蓄水位时水域面积86.8 km2。沙河、淋河、黎河为流域内的三大支流，汇流入于桥水库，出流至州河。于桥水库为引滦入津工程中的重要调蓄水库，南水北调通水前是天津市唯一水源地，长期向天津市区供水，通水后主要向天津市滨海新区等地供水。农业用地占地面积721.8 km2，约占整个流域面积的35%。流域年平均水资源量为1.9亿m3，蒸发量6 000万m3。已有研究成果表明，于桥水库氮磷比较高，为磷限环境，且处于沉水植物占优的清水状态[12-13]。

1.2 数据来源

采用于桥水库库中心站的监测数据，该测站自2000年以来每半月对水质进行一次监测，依据《水和废水监测分析方法》[14]采集、保存、分析水质。采用2000—2011年的TP和SS的质量浓度数据进行分析。

气象数据通过中国气象科学数据共享服务系统(http://data.cma.cn/)获取，选取水库流域内气象站(117°57′E, 40°12′N)的降水量、平均风速、太阳辐射日值数据进行研究。月累积降水量、月最大风速及太阳辐射的月均值由每日监测值计算得出。

1.3 研究方法

GAM模型是广义线性模型的半参数扩展模型，其假设函数是相加的，函数的组成成分是光滑函数[15]。基本模型为

G[E(Y)]=b0+s1(X1)+…+sm(Xm)

(1)

式中：E(Y)为因变量的数学期望值；G为连接函数；b0为截距；s1、s2、…、sm为自变量X1、X2、…、Xm的平滑函数。

GAM模型既可进行参数回归拟合，也可进行半参数及非参数回归拟合，因此其拟合方式更为自由灵活[16]，具体应用R语言软件实现统计分析[17]。

将数据按照季节划分，即12月、1月、2月为冬季；3月、4月、5月为春季；6月、7月、8月为夏季，9月、10月、11月为秋季。针对每个季节，利用广义可加模型分别拟合SS与气象因素及TP与SS质量浓度的相关关系，利用交叉验证方法来确定平滑参数。

2 结果分析

2.1 气象要素、SS和TP质量浓度的季节分布

表1为于桥水库不同季节气象要素、SS和TP质量浓度统计情况。由表1可见，于桥水库所在区域全年降水量主要集中在夏季，最大值达278.70 mm，均值123.47 mm，秋季其次，春季较少，冬季干燥，冬季降雨量均值仅2.51 mm。最大风速春季高于其他季节，均值达到8.53 m/s，其次夏季，秋冬季较低。太阳辐射春夏季远高于秋冬季，且夏季分布较为集中，冬季辐射最低。SS质量浓度夏秋季较高，春冬季较低，夏季平均值高达7.57 mg/L，冬季平均值仅为3.70 mg/L。TP质量浓度最大值也出现在夏季，为0.065 mg/L，且夏季TP质量浓度平均值高于其他季节，其次为秋季，春冬季较小。可见，由于夏季雨量充沛，径流量较大，冲刷作用增强，增加了将颗粒物带入湖泊的可能，因此夏季出现了较高的SS浓度。此外，较大的径流易将营养物带入湖泊，且SS具有一定的吸附性，二者为夏季较高的TP浓度提供了可能。

(a)最大风速全年样本

(b)最大风速春季样本

(c)降水量冬秋样本

(d)太阳辐射全年样本图1 不同季节SS质量浓度与气象要素相关性分析回归曲线

2.2 气象要素、SS及TP之间的相关关系

利用GAM模型对2000—2011年不同季节SS质量浓度与各气象要素的相关性进行分析(表2)。由表2可见，SS质量浓度与各气象要素间均在某季节或全年样本中存在相关关系。其中，具有显著相关性且有明显正负趋势的关系有SS质量浓度与最大风速全年样本、最大风速春季样本、降雨量冬季样本和太阳辐射全年样本。利用GAM模型对这些关

表2 不同季节SS质量浓度与各气象要素的相关性

注：*表示在0.05水平上显著相关。

系进行分析，得到不同季节SS质量浓度与气象要素相关性分析回归曲线见图1，图中横坐标为各气象因素实测值，纵坐标为自变量的平滑函数sss，阴影部分代表95%置信区间。由图1可见，春季SS随最大风速的增加而增加(p=0.012)，在全年样本中，当最大风速较高时，也出现了相同的趋势(p=0.000)，该现象说明了风的扰动对SS具有很大的影响。风会造成沉积物再悬浮，从而导致SS浓度增大。于桥水库中SS质量浓度与最大风速之间表现出的正相关与Tammeorg等[18]的观点一致。冬季SS质量浓度与降水量之间表现出显著的相关关系，在降雨量较高时，二者表现为正相关，造成该正相关现象的可能原因有两点：①降水冲刷颗粒物并将其带入湖泊；②水流增大引起再悬浮。窦月芹等[19]研究表明降雨径流会将SS带入巢湖水体；边博等[20]在对镇江城市降雨径流中悬浮物浓度的研究中也得出了相似的结论。此外，在全年样本中，SS质量浓度与太阳辐射之间也表现为显著正相关。正如Lagomarsino等[21]所述，太阳辐射通过控制供给浮游生物群落的辐射能从而影响SS。光照在限制浮游植物初级生产力中起到了重要的作用，而SS很可能受藻类光合作用的影响[18]。

对不同季节TP与SS质量浓度进行相关性分析，结果表明，除冬季外，二者均呈现出显著相关性(p<0.050)，但仅在夏季呈现出显著的正相关趋势。图2为夏季TP与SS质量浓度相关性分析回归曲线。由图2可见，夏季雨量充沛，径流量大，河道及湖泊中的冲刷作用加大，再悬浮进一步将富含磷元素的沉积颗粒卷入水体，从而导致磷源释放，加之SS自身的吸附性，二者表现出显著的正相关关系，Tammeorg等[18]在研究中得出了同样的结论。因此降低SS质量浓度可能会有效降低颗粒态磷含量，从而有助于水质的改善。

图2 夏季TP与SS质量浓度相关性分析回归曲线

从上述气象要素、SS及TP质量浓度间的相关性分析可以看出，在一定程度上，气象要素通过影响湖泊中SS质量浓度间接地影响着TP质量浓度。降水量大时，增加径流引起的冲刷作用将更多的颗粒物带入水体，增加水体中SS质量浓度；而SS具有吸附性，这也可能导致水体中TP质量浓度的升高。此外，风扰动及较大的径流均会造成再悬浮，不仅增加了水体中的SS浓度，也会促进沉积物中营养物质的释放。

3 结 语

通过广义可加模型分析气象因素作用下于桥水库SS对TP质量浓度的影响，结果表明SS质量浓度与最大风速、降水量、及太阳辐射之间存在着显著的相关性，TP与SS质量浓度之间也存在显著的相关性。春季风扰动、冬季降水及全年太阳辐射均会导致SS质量浓度升高，而由于SS的吸附性及再悬浮作用，又会导致TP质量浓度的升高。