基于GAM模型的气候因素下水库悬浮物对水质的动态影响分析

张 磊

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

水库悬浮物是评价水体污染程度的重要指数，水库悬浮物会降低水体的透明程度，并具有较强的吸附作用，因此会对水体其他水质产生不同程度的影响。水库悬浮物除了受到水体内部因素的影响，还受到外部因素比如气象因素的影响。对于水库悬浮物影响因素分析有助于加强水库的水环境保护和治理，当前对于水库悬浮物影响因素分析及其对其他水质指标的影响逐步成为研究热点，其中GAM模型由于具有较强的数量统计及非参数回归功能，在分析水库悬浮物对水质影响的研究中得到广泛应用，但是定量分析气候因素对水库悬浮物影响的研究还较少，多项研究表明气候因素对水库悬浮物产生不同程度的影响。为此本文结合GAM模型，以辽宁北部某水库为研究实例，结合区域实测气象和水质监测数据，定量分析气候因素对水库悬浮物的影响以及悬浮物和总氮及总磷的相关性。研究成果对于水库水环境保护和治理具有重要的参考价值。

1 GAM模型计算原理

GAM模型为非参数自回归模型，该模型假设回归函数变量非线性叠加，函数变量组成为光滑函数，其计算方程为：

G[E(Y)]=b0+s1(X1)+…+sm(Xm)

(1)

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

GAM模型可以实现参数以及非参数自回归计算，采用GAM模型对各个季节下气象因素和水库悬浮物(SS)以及悬浮物与总氮(TN)、总磷(TP)的相关性进行回归分析。

2 研究结果

2.1 水库概况

本文以辽宁北部地区某水库为研究实例，该水库为大型水库，设计洪水位112.25m，相应库容为4.62亿m3，水库主要为防洪和供水，是区域重要的供水水源水库。水库常规水环境监测指标中包括SS、TP、TN，系列数据长度为40年，水库水质指标总体在II—III类上下浮动，为定量分析气象因素和水库悬浮物以及悬浮物对库区总氮和总磷的影响，结合GAM模型，采用水质监测的连续样本数据，定量分析气象因素和悬浮物的相关性，并针对主要监测指标，定量分析悬浮物对总氮以及总磷的影响。

2.2 各季节气象因素与水质统计结果

结合水库气象要素和各水质监测样本数据系列，对GAM模型各样本指标进行统计，各季节样本统计结果见表1—4。

从表中可以看出，水库悬浮物浓度呈现较为明显的季节性变化，在春季和夏季，水库悬浮物浓度

表1 春季各气象因素和水质动态统计结果

表2 夏季各气象因素和水质动态统计结果

表3 秋季各气象因素和水质动态统计结果

表4 冬季各气象因素和水质动态统计结果

总体大于秋季和冬季，在春季，虽然降水影响不大，但是最大风速较大，加之太阳辐射和相对湿度的共同影响，在春季水库悬浮物的浓度也较大。而在夏季，由于降水量多于其他季节，流域内的面源污染负荷增多，进入库区的悬浮物浓度也增大，冬季由于降水量锐减，进入库区的面源污染负荷减少，使得库区的悬浮物浓度也逐步减少。从各季节太阳辐射可看出，各季节太阳辐射总体变化不大，

图1 年最大气象因素样本与悬浮物浓度相关性分析结果

这主要和北方地区气候特点有关，四季日照实数都较多，因此太阳辐射影响对悬浮物影响应该较小。从各个季节的TP、TN变化可看出，其浓度季节变化和水库悬浮物浓度变化较为一致，这主要是因为水库悬浮物吸附作用，其对总氮和总磷有一定程度的吸附性，因此其季节浓度变化和悬浮物浓度变化较为一致。

2.3 各季节气象因素与悬浮物回归分析结果

采用GAM模型，结合区域近40年气象要素和悬浮物的样本数据，统计分析各季节水库悬浮物浓度和各气象因素之间的相关性，结果见表5，并结合年最大值选样方法，统计分析年最大气象因素样本和悬浮物浓度的相关性，如图1所示。

表5 各季节水库悬浮物浓度和气象因素相关性分析结果

从各季节水库悬浮物浓度和气象因素之间的相关性分析结果可看出，在春季，降水量和悬浮物浓度的相关性最大，达到0.384，最大风速和太阳辐射对悬浮物浓度影响较小。在夏季，降水量及最大风速和悬浮物浓度的相关系数最大，分别为0.567和0.748，最大风速和悬浮物浓度最高的原因在于夏季风速较大时，进入水库的悬浮物增多。在夏季各气象要素和悬浮物浓度的相关性均高于其他季节。而在秋季，由于降水量的减少，其和悬浮物浓度的相关性减弱，风速成为影响水库悬浮物浓度的主要因素，其和悬浮物浓度的相关性高于其他气象因素。在冬季，各气象因素相关性都低于其他季节，最大风速和悬浮物浓度的相关系数最大。从年最大气象因素样本与悬浮物浓度相关性分析结果可看出，降水量和悬浮物浓度相关系数最大，为0.485，水库主要的污染物主要为降水冲刷后进入库区水体，因此其和悬浮物污染物的浓度相关性较大，其次为风速，按照相关系数排序，其相关性总体排序为：降水量>最大风速>太阳辐射>相对湿度。

2.4 各季节悬浮物与总氮及总磷回归分析结果

结合GAM模型，对各季节悬浮物SS与TP及TN的相关性进行分析，分析结果见表6。

表6 各季节悬浮物SS与TP及TN的相关性分析结果

从表6中可看出，在夏季，总磷、总氮和悬浮物的相关性最高，悬浮物的吸附性能最高，因此其相关性最大；冬季两种污染物浓度和悬浮物的相关性最低，冬季由于水库水体封冻影响，悬浮物对水体TP、TN影响逐渐减弱，因此其相关性较低。而在春季和秋季，受到降水和风速等气象因素的共同的影响，悬浮物和TP、TN的相关性较高。从悬浮物年最大样本数据系列和TP、TN的相关性分析结果可看出，在年尺度上，总氮和悬浮物浓度相关性高于总磷的相关性，这主要是因为悬浮物对TN的吸附性要强于TP，因此其对TN的影响程度要高于TP。

3 研究结论

(1)各气象因素和水库悬浮物浓度呈现较为明显的相关性，不同季节其相关系数差异性较大，夏季受降水冲刷影响，水库悬浮物浓度较大，而春季受风速扰动变化影响，进入水库的悬浮物浓度也相应增加。

(2)在一定程度上，气象因素对水库悬浮物浓度产生直接影响，受到悬浮物吸附和再悬浮的共同作用，其对TP、TN也将产生间接影响，降低水库悬浮物的浓度，可有效降低固态氮、磷含量，从而对水库水质进行相应的改善。