APP下载

气象因素作用下于桥水库悬浮物对总磷的影响

2018-11-22果有娜

水资源保护 2018年6期
关键词:气象要素太阳辐射风速

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。

猜你喜欢

气象要素太阳辐射风速
成都电网夏季最大电力负荷变化特征及其与气象要素的关系
邯郸太阳辐射时空分布特征
基于最优TS评分和频率匹配的江苏近海风速订正
沈阳市1951—2013年气候变化特征及其区域蒸发的响应分析
北京市朝阳区大气污染物时空分布特征及与气象要素的关系研究
基于PCA 的太阳辐射观测算法研究
探测环境变化对临沭站气象要素的影响
太阳辐射作用下钢筒仓结构温度场分析研究
基于GARCH的短时风速预测方法
考虑风切和塔影效应的风力机风速模型