基于GAM模型的氣候因素下水庫懸浮物對水質(zhì)的動態(tài)影響分析

張 磊

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

水庫懸浮物是評價水體污染程度的重要指數(shù)，水庫懸浮物會降低水體的透明程度，并具有較強的吸附作用，因此會對水體其他水質(zhì)產(chǎn)生不同程度的影響。水庫懸浮物除了受到水體內(nèi)部因素的影響，還受到外部因素比如氣象因素的影響。對于水庫懸浮物影響因素分析有助于加強水庫的水環(huán)境保護和治理，當(dāng)前對于水庫懸浮物影響因素分析及其對其他水質(zhì)指標(biāo)的影響逐步成為研究熱點，其中GAM模型由于具有較強的數(shù)量統(tǒng)計及非參數(shù)回歸功能，在分析水庫懸浮物對水質(zhì)影響的研究中得到廣泛應(yīng)用，但是定量分析氣候因素對水庫懸浮物影響的研究還較少，多項研究表明氣候因素對水庫懸浮物產(chǎn)生不同程度的影響。為此本文結(jié)合GAM模型，以遼寧北部某水庫為研究實例，結(jié)合區(qū)域?qū)崪y氣象和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，定量分析氣候因素對水庫懸浮物的影響以及懸浮物和總氮及總磷的相關(guān)性。研究成果對于水庫水環(huán)境保護和治理具有重要的參考價值。

1 GAM模型計算原理

GAM模型為非參數(shù)自回歸模型，該模型假設(shè)回歸函數(shù)變量非線性疊加，函數(shù)變量組成為光滑函數(shù)，其計算方程為：

G[E(Y)]=b0+s1(X1)+…+sm(Xm)

(1)

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

GAM模型可以實現(xiàn)參數(shù)以及非參數(shù)自回歸計算，采用GAM模型對各個季節(jié)下氣象因素和水庫懸浮物(SS)以及懸浮物與總氮(TN)、總磷(TP)的相關(guān)性進行回歸分析。

2 研究結(jié)果

2.1 水庫概況

本文以遼寧北部地區(qū)某水庫為研究實例，該水庫為大型水庫，設(shè)計洪水位112.25m，相應(yīng)庫容為4.62億m3，水庫主要為防洪和供水，是區(qū)域重要的供水水源水庫。水庫常規(guī)水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)中包括SS、TP、TN，系列數(shù)據(jù)長度為40年，水庫水質(zhì)指標(biāo)總體在II—III類上下浮動，為定量分析氣象因素和水庫懸浮物以及懸浮物對庫區(qū)總氮和總磷的影響，結(jié)合GAM模型，采用水質(zhì)監(jiān)測的連續(xù)樣本數(shù)據(jù)，定量分析氣象因素和懸浮物的相關(guān)性，并針對主要監(jiān)測指標(biāo)，定量分析懸浮物對總氮以及總磷的影響。

2.2 各季節(jié)氣象因素與水質(zhì)統(tǒng)計結(jié)果

結(jié)合水庫氣象要素和各水質(zhì)監(jiān)測樣本數(shù)據(jù)系列，對GAM模型各樣本指標(biāo)進行統(tǒng)計，各季節(jié)樣本統(tǒng)計結(jié)果見表1—4。

從表中可以看出，水庫懸浮物濃度呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)性變化，在春季和夏季，水庫懸浮物濃度

表1 春季各氣象因素和水質(zhì)動態(tài)統(tǒng)計結(jié)果

表2 夏季各氣象因素和水質(zhì)動態(tài)統(tǒng)計結(jié)果

表3 秋季各氣象因素和水質(zhì)動態(tài)統(tǒng)計結(jié)果

表4 冬季各氣象因素和水質(zhì)動態(tài)統(tǒng)計結(jié)果

總體大于秋季和冬季，在春季，雖然降水影響不大，但是最大風(fēng)速較大，加之太陽輻射和相對濕度的共同影響，在春季水庫懸浮物的濃度也較大。而在夏季，由于降水量多于其他季節(jié)，流域內(nèi)的面源污染負(fù)荷增多，進入庫區(qū)的懸浮物濃度也增大，冬季由于降水量銳減，進入庫區(qū)的面源污染負(fù)荷減少，使得庫區(qū)的懸浮物濃度也逐步減少。從各季節(jié)太陽輻射可看出，各季節(jié)太陽輻射總體變化不大，

圖1 年最大氣象因素樣本與懸浮物濃度相關(guān)性分析結(jié)果

這主要和北方地區(qū)氣候特點有關(guān)，四季日照實數(shù)都較多，因此太陽輻射影響對懸浮物影響應(yīng)該較小。從各個季節(jié)的TP、TN變化可看出，其濃度季節(jié)變化和水庫懸浮物濃度變化較為一致，這主要是因為水庫懸浮物吸附作用，其對總氮和總磷有一定程度的吸附性，因此其季節(jié)濃度變化和懸浮物濃度變化較為一致。

2.3 各季節(jié)氣象因素與懸浮物回歸分析結(jié)果

采用GAM模型，結(jié)合區(qū)域近40年氣象要素和懸浮物的樣本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析各季節(jié)水庫懸浮物濃度和各氣象因素之間的相關(guān)性，結(jié)果見表5，并結(jié)合年最大值選樣方法，統(tǒng)計分析年最大氣象因素樣本和懸浮物濃度的相關(guān)性，如圖1所示。

表5 各季節(jié)水庫懸浮物濃度和氣象因素相關(guān)性分析結(jié)果

從各季節(jié)水庫懸浮物濃度和氣象因素之間的相關(guān)性分析結(jié)果可看出，在春季，降水量和懸浮物濃度的相關(guān)性最大，達到0.384，最大風(fēng)速和太陽輻射對懸浮物濃度影響較小。在夏季，降水量及最大風(fēng)速和懸浮物濃度的相關(guān)系數(shù)最大，分別為0.567和0.748，最大風(fēng)速和懸浮物濃度最高的原因在于夏季風(fēng)速較大時，進入水庫的懸浮物增多。在夏季各氣象要素和懸浮物濃度的相關(guān)性均高于其他季節(jié)。而在秋季，由于降水量的減少，其和懸浮物濃度的相關(guān)性減弱，風(fēng)速成為影響水庫懸浮物濃度的主要因素，其和懸浮物濃度的相關(guān)性高于其他氣象因素。在冬季，各氣象因素相關(guān)性都低于其他季節(jié)，最大風(fēng)速和懸浮物濃度的相關(guān)系數(shù)最大。從年最大氣象因素樣本與懸浮物濃度相關(guān)性分析結(jié)果可看出，降水量和懸浮物濃度相關(guān)系數(shù)最大，為0.485，水庫主要的污染物主要為降水沖刷后進入庫區(qū)水體，因此其和懸浮物污染物的濃度相關(guān)性較大，其次為風(fēng)速，按照相關(guān)系數(shù)排序，其相關(guān)性總體排序為：降水量>最大風(fēng)速>太陽輻射>相對濕度。

2.4 各季節(jié)懸浮物與總氮及總磷回歸分析結(jié)果

結(jié)合GAM模型，對各季節(jié)懸浮物SS與TP及TN的相關(guān)性進行分析，分析結(jié)果見表6。

表6 各季節(jié)懸浮物SS與TP及TN的相關(guān)性分析結(jié)果

從表6中可看出，在夏季，總磷、總氮和懸浮物的相關(guān)性最高，懸浮物的吸附性能最高，因此其相關(guān)性最大；冬季兩種污染物濃度和懸浮物的相關(guān)性最低，冬季由于水庫水體封凍影響，懸浮物對水體TP、TN影響逐漸減弱，因此其相關(guān)性較低。而在春季和秋季，受到降水和風(fēng)速等氣象因素的共同的影響，懸浮物和TP、TN的相關(guān)性較高。從懸浮物年最大樣本數(shù)據(jù)系列和TP、TN的相關(guān)性分析結(jié)果可看出，在年尺度上，總氮和懸浮物濃度相關(guān)性高于總磷的相關(guān)性，這主要是因為懸浮物對TN的吸附性要強于TP，因此其對TN的影響程度要高于TP。

3 研究結(jié)論

(1)各氣象因素和水庫懸浮物濃度呈現(xiàn)較為明顯的相關(guān)性，不同季節(jié)其相關(guān)系數(shù)差異性較大，夏季受降水沖刷影響，水庫懸浮物濃度較大，而春季受風(fēng)速擾動變化影響，進入水庫的懸浮物濃度也相應(yīng)增加。

(2)在一定程度上，氣象因素對水庫懸浮物濃度產(chǎn)生直接影響，受到懸浮物吸附和再懸浮的共同作用，其對TP、TN也將產(chǎn)生間接影響，降低水庫懸浮物的濃度，可有效降低固態(tài)氮、磷含量，從而對水庫水質(zhì)進行相應(yīng)的改善。