环境科学  2016, Vol. 37 Issue (8): 2932-2939   PDF    
引用本文
张晨, 刘汉安, 高学平, 张文娜 . 气候变化对于桥水库总磷与溶解氧的潜在影响分析[J]. 环境科学,2016, 37(8): 2932-2939.
ZHANG Chen, LIU Han-an, GAO Xue-ping, ZHANG Wen-na . Potential Impacts of Climate Change on Phosphorus and DO in Yuqiao Reservoir[J]. Environmental Science,2016, 37(8): 2932-2939.
气候变化对于桥水库总磷与溶解氧的潜在影响分析
张晨 , 刘汉安 , 高学平 , 张文娜     
天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津 300072
收稿日期: 2015-12-02; 修订日期: 2016-03-14
基金项目: 国家自然科学基金项目（50909070）；国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目（51321065）；天津市自然科学基金项目（13JCQNJC09200）
作者简介: 张晨(1981~), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为环境水力学、生态水力学, E-mail:emil@tju.edu.cn
摘要: 对于桥水库1992~2011年20年间的气候要素和水质指标进行数理分析，探求气候变化对该库总磷与溶解氧的潜在影响.首先，根据气温MK突变检验和距平分析，将研究期划分为1992~2001低温低风速年和2002~2011高温高风速年两个时段；其次，在应用上改进非参数回归分析法，图示比较两个时段各要素非线性趋势，获取气候要素在两个时段间的季节性变化规律；最后，通过比较两个时段气候要素对水质指标潜在影响的可能性，利用双k值潜在影响判别法揭示潜在影响规律.结果表明，气候要素在各季节的变化有可能对水库总磷和溶解氧浓度造成潜在影响.通过探讨入库负荷和库总磷浓度的年际变化差异，以及观测高温年、低温年水生植物春季物候和总磷浓度，证实春季气温升高降低了水库总磷浓度.该研究为探究气候变化对于桥水库水质的影响机制和规律提供参考依据.
关键词: 气候变化      水质      潜在影响      非参数回归分析      于桥水库     
Potential Impacts of Climate Change on Phosphorus and DO in Yuqiao Reservoir
ZHANG Chen , LIU Han-an , GAO Xue-ping , ZHANG Wen-na     
State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Abstract: The climate indicators and water quality parameters, e.g. total phosphorus (TP) and dissolved oxygen (DO) in a period of 20 years (1992-2011) were analyzed to explore potential impacts of climate change on nutrients and DO. Firstly, the study period was divided into two decades: 1992-2001 cool decade and 2002-2011 warm decade for the Mann Kendall statistical test and the accumulative anomaly test. Secondly, the significance of climate parameters in seasonal variations was analyzed by comparing the nonlinear trends of parameters using non-parametric regression in two decades respectively. Finally, comparing the relationship between climate indicators and water quality parameters for two decades, the potential impacts were investigated by double-k method. The results showed that the higher temperature potentially decreased TP concentrations in winter and spring and DO concentration in autumn. However, the increases in air temperature in winter and spring increased DO concentration. The increase in wind speed was most likely to increase TP and DO concentrations in all four seasons. A positive correlation between precipitation and TP concentration was found in all four seasons. The DO concentration declined when rainfall decreased in summer. The difference in temporal trends between inflow P loading and concentrations in reservoir indicated the potential impacts of climate change on TP concentration. The field data in TP and macrophytes biomass in spring was the evidence supporting that TP in spring was likely to decline when the air temperature increased. The study provides a reference for the impacts and mechanisms of climate change on water quality in Yuqiao reservoir.
Key words: climate change      water quality      potential impacts      non-parametric regression      Yuqiao Reservoir     

全球气候变暖已是不争的事实，政府间气候变化专门委员会(IPCC)第5份评估报告(AR5)指出，20世纪初至今(1901~2012年)的百余年，地球表面气温平均上升了0.89℃[1].人类活动不可避免地引起了气候变化[2]，而湖库作为淡水生态系统的载体，对气候变化有着指示、记录和调节作用[3].国际上较早研究气候变化对水循环的影响可追溯到1970年初[4]，如气候变化引起流域径流变化，改变湖库水位和面积[5, 6].直到20世纪末，人们对水域生态环境的关注不断提高，学者们亦将研究气候变化的影响从水量延伸至水质[7, 8].

随着气候变化对水环境影响研究的逐渐深入，各国学者开始探求气候变化对湖库水环境的影响机制并开展实例研究.气候变暖影响湖库热力特性，主要表现为延长分层期、减小混合层和温跃层深度、增加热稳定性、减弱对流混合，如千岛湖[9]、Lake Tanganyika[10, 11]和Lake Zurich[12]等; 气候变化影响溶解氧分层[13]，滞温层更易形成厌氧条件[14]，可能引起溶解氧浓度下降，如Lake Müggelsee[15]和Sau Reservoir[6]; 气候变化促进沉积物中营养盐释放[15]，表层水体营养水平提高，加速水体富营养趋势[16]，如Lake Müggelsee、流溪河水库[17]和石头口门水库[18]等; 气候变化还改变浮游植物春季物候，更易导致浮游植物繁生，如太湖[19]和Lake of the Woods[20].显然，气候变化已经且持续影响着湖库水环境，湖泊物理、化学和生物特性对气候变化亦能做出迅速地反应[21].

因此，本研究针对于桥水库20年的气候要素和水质指标数据，利用数理统计方法尝试分析气候变化对该库总磷和溶解氧的潜在影响，以期为探究气候变化对湖库水环境的影响机制和规律提供参考依据.

1 材料与方法

气候变化的内涵很丰富，包括气候长期缓慢的变化、极端气候事件、季节交替的年际差异等.虽然人类活动诸如土地利用、运行调度、物质负荷变化对湖库水质起主要作用，但是气候变暖、降雨和风速等气候要素变化对湖库物理、化学和生物过程产生直接和间接的影响.本研究所讨论的气候变化对水质潜在影响是指，在不割分人类活动影响的前提下，尝试通过数理分析方法探讨气候变化对水质的间接影响.本方法强调的是一种由气候因子长期缓慢变化引起的可能发生和潜在的影响.

1.1 研究区域

于桥水库位于天津市蓟县城东4 km、蓟运河左支流州河上游出山口处，北纬40°02′，东经117°25′，库区由东向西倾斜.总库容15.59亿m3，兴利库容为3.85亿m3，正常蓄水位21.16 m(大沽)，正常蓄水位水面面积86.8 km2，平均水深4.5 m.于桥水库作为天津市水源地，从滦河水系经黎河年均调水5.39亿m3(1983~2011年)，每日经放水洞向天津市区县供水，其水质状况较好，总磷浓度为(43±3)μg·L-1(1989~2011年)且呈下降趋势[22]，营养状况处于贫-中营养水平，水生态系统处于沉水植物占优的清水稳态[23, 24]，优势种为菹草Potamogeton crispus Linn.等.

1.2 水质监测成果与气象数据

于桥水库自1989年设站对水质进行常规监测，监测点从最初的3个(库上游、库心、放水洞)增加至13个，其中本研究选用最具代表性的库心监测数据作为分析数据.常规监测每半月一次，监测项目包括水温、透明度、pH、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数、生化需氧量、溶解氧、叶绿素等基本项目22项.采样及监测方法均依据文献[25]及相关标准.本研究选用总磷和溶解氧作为分析指标.

气象数据采用国家气象站遵化站(水库流域内)的气象成果，包括气温、降水、风速日值数据，数据来源于中国气象数据网.沉水植物菹草生物量源于文献[24]，采用刈割法收割测定.

本研究中春季为每年3月、4月和5月，夏季为6月、7月和8月，秋季为9月、10月和11月，冬季为12月、1月和2月.水质和气象数据的年均值、季均值和月均值均由日值计算而得，降水量以累积降水量计.

1.3 非参数回归分析

传统的水质趋势分析方法如Mann Kendall(MK)检验[26]和季节性Kendall检验[27]，这些检验只能在假定单调趋势的前提下才能实现.非参数回归分析法(non-parametric regression)是由Hastie等[28]提出的一种非线性回归趋势分析法，后经Bowman等[29]改进，并由Ferguson等[30]在水质及降水影响因素的趋势分析中得以实践应用.随后，该方法成功地应用于检验气候变化对水质要素的影响[31, 32].

非参数回归分析法通过扩大自由度来获得更多的信息，根据提供的数据画出一条与指定自由度相适应的非参数回归曲线和参考域.参考域表示如果非参数影响不显著(没有证据表明有变化)时，期望平均水平的范围.生成非参数回归图形时，对于水质要素，考虑到消弱模型的共线性、异方差性和使数据更加平稳，对因变量进行对数化处理.该方法在季节性趋势分析中有明显优势，可通过统计分析工具R软件(RStudio-0.98.501)实现.

较以往的非参数回归分析法，本研究在应用上加以改进，图示比较两个时段的非线性趋势结果，获取气候要素的在两个时段间的差异变化.

1.4 双k值潜在影响判别法

基于气候要素和水质指标的季节性趋势分析，利用两个时段数据，分别建立气候要素(自变量)和水质指标(因变量)的线性相关关系，得到相关线的斜率k值; 根据两组k值的差Δk=k2－k1判别自变量对因变量的影响.若Δk > 0表示有增大的潜在影响，Δk < 0则表示有减小的潜在影响.此外，需要注意自变量的先决变化，如气温是否升高，具体分析过程如图 1所示.本研究中k2指第二个时段(LD)，k1指第一个时段(FD).该相关关系是为了获取潜在影响的可能性(Δk值)，并非表示因果关系(相关系数).

图 1 气候变化对水质潜在影响的分析过程 Fig. 1 Process of analysis for potential impact of climate change on water quality

2 结果与分析 2.1 气候要素和水质指标年际变化

对1992~2011年20年间气温、风速、降水、总磷、溶解氧年际变化分别进行线性回归分析，如图 2所示.其中，气温、风速和总磷表现出显著的趋势变化(P < 0.05)，其余3种指标未有显著变化.

图 2 各要素年均值和线性回归趋势线 Fig. 2 Annual means and linear regression trend lines of climate indicators and water quality parameters

气温呈上升趋势，20年间的年均气温11.9℃，年均最低气温11.0℃，最高气温12.7℃.值得注意的是，1992~2001前10年年均气温11.6℃，年均最低气温11.0℃，最高气温12.3℃; 2002~2011后10年年均气温12.1℃，年均、最低、最高气温后10年较前10年分别上升0.5、0.5和0.4℃.最低气温出现在前10年的1992、1993、1996年，最高气温出现在2007年.

风速呈上升趋势，20年间的年均风速1.4 m·s-1，年均最小风速1.0 m·s-1，最大风速1.7 m·s-1.年均、最小、最大风速后10年较前10年分别增大0.4、0.2和0.4 m·s-1.

总磷浓度呈下降趋势，20年间的年均浓度39.8μg·L-1，年均最小浓度25.0μg·L-1，最大浓度90.0μg·L-1.其中，最小浓度出现在2008年，最大浓度出现在1994年.

对1992~2011年的气温进行MK突变检验和距平分析，如图 3所示，以判定气候变化的分界点. UF曲线呈波动上升趋势，在置信区间内与UB曲线有3个交点，即突变点，分别为1997、1999和2001年，说明气温有可能在此3年发生了较大变化.年均气温的累计距平分析结果表明，1992~2001年呈下降趋势，2001~2011年呈上升趋势，说明年均气温经历了下降-上升的过程，气温突变可能发生在2001年.由此，结合气温和风速的前后10年的差异变化，将研究期划分为1992~2001低温低风速年(前10年)和2002~2011高温高风速年(后10年)两个时段.对两时段分别进行季节性变化分析，进一步探究气候要素变化对水质指标的潜在影响.

图 3 气温MK突变检验和距平分析 Fig. 3 Air temperature for the Mann Kendall statistical test and the accumulative anomaly test

2.2 气候要素和水质指标季节性变化

采用非参数回归法分别对1992~2001前10年和2002~2011后10年的气候要素和水质指标进行季节性变化分析，如图 4所示，P值列于表 1.

表 1 季节性非参数回归分析P值1) Table 1 Non-parametric regression test results for seasonal trends

图 4 各要素季节性非参数回归分析 Fig. 4 Trends in seasonal non-parametric regression analysis for two decades

气温趋势线前、后10年呈波动变化，其中后10年的秋季表现出显著的升高趋势(P=0.086).前

后10年相比，春、秋、冬三季中，气温普遍升高，平均升高0.43、0.61、0.56℃，后10年的参考域均位于前10年之上; 夏季气温未有升高趋势，后10年参考域较窄位于前10年参考域之内，表明后10年气温波动较小.

风速趋势线后10年四季风速均呈升高趋势，其中春(P=0.094)、夏(P=0.095)、冬(P=0.079)表现出显著的升高趋势.前后10年相比，四季风速均提高，平均增大0.3、0.37、0.38、0.51 m·s-1，且后10年风速波动小.

降水趋势线四季均呈波动变化，春冬季有上升趋势，而夏季略显下降.前后10年相比，春冬两季降水量有所增加，分别增加22.0 mm和1.2 mm; 夏季降水量较明显降低，减少134.9 mm; 秋季降水波动较大，略有增加趋势.

总磷趋势线四季呈交替式下降趋势.前后10年相比，总磷浓度四季分别下降21.0、17.0、2.0和12.0μg·L-1，且后10年波动较小.溶解氧趋势线前10年春季和后10年秋季呈下降趋势.前后10年相比，春秋冬季溶解氧浓度分别升高1.13 mg·L-1和降低0.39 mg·L-1、0.88 mg·L-1，且冬季波动较大; 夏季无明显变化.

2.3 气候要素变化对总磷与溶解氧的潜在影响

采用双k值潜在影响判别法分别对总磷与溶解氧的气候要素变化潜在影响进行分析，如图 5所示.比较前后10年气候要素对各水质指标的潜在影响的可能性，统计结果可知，春季总磷受气温、风速和降水影响，气温升高有可能降低总磷浓度，其原因可能是温度升高使水生植物的春季物候提前[33]、增强了水生植物光合作用[34, 35]，从而加速了对营养物的摄取; 风速增大可能加强水体垂向的物质交换，一定程度上促进了底泥营养盐的释放[36]，提高总磷浓度; 降水增大可能致使入库负荷增加进而提高总磷浓度.夏季总磷受风速和降水影响，风速增大提高总磷浓度; 降水减少可能致使入库负荷减少进而降低总磷浓度.秋季总磷主要受降水影响，后10年降水与总磷浓度之间存在正相关，降水增大有提高总磷浓度的趋势.冬季与春季相似，总磷受气温、风速和降水的影响.

图 5 前后10年气候要素对水质指标潜在影响Δk值 Fig. 5 Correlations between climate indicators and water quality parameters in two decades

春季溶解氧受气温、风速和降水影响，气温升高略显提高溶解氧浓度; 风速增大促进水气交换，提高溶解氧浓度[37]; 降水增大提高水体流动性，从而提高溶解氧浓度.夏季溶解氧受风速和降水的影响，风速增大提高溶解氧浓度，而降水减少降低溶解氧浓度.秋、冬季溶解氧主要受风速的影响，风速增大提高溶解氧浓度; 气温升高可能改变溶氧层厚度，进而降低秋季溶解氧浓度[13, 38]; 而冬季气温升高延缓了冰冻期，有可能提高溶解氧浓度.

综上，气温升高有可能降低冬春季总磷浓度; 风速增大有可能提高四季的总磷浓度; 各季节降水变化对总磷浓度呈正向影响.对于溶解氧而言，气温升高有可能提高冬春季溶解氧浓度，降低秋季浓度; 风速增大有可能提高四季溶解氧浓度; 夏季降水减少使溶解氧浓度降低.

3 讨论 3.1 入库负荷和气候变化对总磷的综合影响

于桥水库入库负荷和库总磷浓度变化趋势如图 2(d)所示.入库负荷在1992~1995年呈上升趋势，1995年达到最大值471.7 t; 而后逐年下降，1999~2002年又出现第二次升幅，其中2002年达到次大值375.4 t.虽然库总磷浓度主要受入库负荷的影响，但存在两点显著差异.首先，出现极值年份不同.库总磷浓度1994年达到最大值90μg·L-1，先于入库负荷极值，故有其他因素影响使得1995年库总磷浓度下降.而图 2(a)中1994年气温出现极大值12.1℃和1995年较高值11.5℃，说明气温升高可能是使总磷降低的原因之一.其次，1999~2002年，库总磷浓度未呈上升趋势，期间气温恰处于突变期(2001年突变点)，亦表明气温升高对库总磷造成影响.

3.2 春季总磷对气候变化的响应

于桥水库2008年和2009年春季气温、菹草生物量、总磷和溶解氧变化如图 6所示. 2008年3月平均气温为7.7℃，较2009年同期气温高1.9℃. 3月正是菹草生长关键时期返青期[23]，而气温升高使菹草春季物候提前，2008年4月1日菹草生物量(以DM计，下同)为109.7 g·m-2，较2009年4月8日的生物量为95.0 g·m-2高，且较早监测到.菹草物候提前从而加速了对营养物的摄取，2008年春季总磷浓度均较2009年低，但溶解氧未有明显差别.由于水库生态系统处于沉水植物占优的清水稳态，春季气温升高并未引起藻类提前繁殖(叶绿素浓度均小于5μg·L-1).通过上述现象和实测数据可以证实气温升高有可能降低库总磷浓度.另有研究表明，夏季气温升高和延长可能提高湖泊生产力[16]，影响总磷浓度.

图 6 于桥水库菹草生物量和磷氧浓度对气温变化的响应 Fig. 6 Responses of P.crispus biomass, TP and DO concentrations to air temperature increase

4 结论

(1)根据于桥水库前后10年两个时段(1992~2001年和2002~2011年)非参数回归季节性对比分析表明，各季节气候要素和水质指标主要呈波动变化，气温和风速有升高趋势，总磷、溶解氧浓度均有下降趋势.其中，气温后10年秋季表现出显著升高趋势，风速后10年春夏冬季表现出显著升高趋势，溶解氧后10年秋季显著下降.

(2)通过入库负荷和库总磷浓度比较表明，总磷年际变化受气候变化的影响与入库负荷不一致，如突变点2001年附近.

(3)采用双k值潜在影响判别法揭示了气候要素在各季节的变化有可能对水库总磷和溶解氧浓度造成潜在影响.其中，通过观测现象和实测数据证实，春季气温升高降低了水库总磷浓度.其原因可能是温度升高使水生植物的春季物候提前，加速了对营养物的摄取.

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