磨盤山水庫(kù)葉綠素a多元線性回歸預(yù)測(cè)研究

張 怡，呂 軍，李 聰，鄭國(guó)臣，趙博文

(1.松遼水資源保護(hù)科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130062；3.松遼水利委員會(huì)水文局嫩江水文水資源中心，黑龍江 齊齊哈爾 161005；4.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)最嚴(yán)重的水質(zhì)問題，嚴(yán)重限制水資源的持續(xù)開發(fā)和利用[1- 2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)等開展了大量研究工作[3- 9]。水體中葉綠素a含量是反應(yīng)浮游植物現(xiàn)存量的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)狀況的主要參數(shù)[10]。水環(huán)境理化因子對(duì)葉綠素a有著直接或間接的影響。

目前水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法有很多[11]，其中多元逐步回歸分析方法簡(jiǎn)單易行，能較好地反映特定水體中葉綠素a與環(huán)境因子的相關(guān)性，并能夠篩選出相對(duì)重要的影響因子。本研究應(yīng)用多元逐步回歸方法，對(duì)磨盤山水庫(kù)葉綠素a濃度與水環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上建立多元線性回歸預(yù)測(cè)模型，以期為磨盤山水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的科學(xué)防治提供依據(jù)。

1 研究?jī)?nèi)容及方法

1.1 研究區(qū)概況

磨盤山水庫(kù)是拉林河流域上游一級(jí)控制性工程，壩址位于黑龍江省五常市沙河子鎮(zhèn)沈家營(yíng)村上游1.8km，距哈爾濱市區(qū)約180km，總庫(kù)容5.23億m3，2008年正式為哈爾濱市供水，是哈爾濱市百萬(wàn)居民的主要飲用水源地[12]。由于水庫(kù)一、二級(jí)保護(hù)區(qū)和準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)仍存在著來(lái)自農(nóng)業(yè)、居民等方面的非點(diǎn)源污染，磨盤山水庫(kù)近年為Ⅲ類水質(zhì)，處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，富營(yíng)養(yǎng)化傾向不容忽視，其中氮和磷被認(rèn)為是影響磨盤山水庫(kù)水質(zhì)最主要的污染物。目前關(guān)于磨盤山水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的研究多集中在富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀和趨勢(shì)的分析以及防治對(duì)策上[13]，尚缺少針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化程度與水環(huán)境因子間的相關(guān)性研究，也沒有建立預(yù)測(cè)模型。

1.2 采樣和分析

磨盤山水庫(kù)屬于狹長(zhǎng)形深水水庫(kù)，上游為淺灘或淤積區(qū)域，水庫(kù)的壩上和庫(kù)中具有較好的代表性。因此，于2011—2015年的2—11月(汛期：6—9月；非汛期：2—5月，10—11月)在磨盤山水庫(kù)壩前(北緯44°23′46″，東經(jīng)127°41′36″)和庫(kù)中(北緯44°24′12″，東經(jīng)127°42′47″)的2個(gè)斷面采樣監(jiān)測(cè)(如圖1所示)。采樣方法和水質(zhì)理化性質(zhì)的測(cè)定均按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。選取的理化指標(biāo)為pH、透明度(SD)；營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)污染綜合指標(biāo)為總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)；生物學(xué)指標(biāo)為葉綠素a(Chl-a)，共10項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS20.0軟件，以Chl-a為因變量，pH、SD、TN、TP、NH3-N、NO3-N、CODMn、DO、COD為自變量，并按照如下原則選擇用于回歸的水環(huán)境因子：①方程方差分析F值顯著水平P<0.05；②自變量與因變量之間因果關(guān)系明確，自變量之間獨(dú)立性較強(qiáng)，不存在多重共線性。在此基礎(chǔ)上，建立反映Chl-a變化趨勢(shì)的多元線性回歸方程，并對(duì)得到的參數(shù)及線性關(guān)系的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖1 磨盤山水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)位置

2 結(jié)果與討論

2.1 磨盤山水庫(kù)Chl-a濃度的時(shí)空分布特點(diǎn)

2011—2015年(2—11月)磨盤山水庫(kù)庫(kù)中、壩前Chl-a濃度值的變化如圖2所示，庫(kù)中和壩前處Chl-a濃度值的變化趨勢(shì)基本相同，夏季達(dá)到峰值。庫(kù)中Chl-a濃度高于壩前，汛期(6—9月)Chl-a濃度明顯高于非汛期(2—5月，10—11月)。Chl-a濃度最高值(8.4μg/L)位于2015年8月庫(kù)中處；最低值(0.5μg/L)分別位于2013年3月庫(kù)中、壩前以及2013年5月壩前處。其中，庫(kù)中汛期(6—9月)Chl-a濃度值在2.3～8.4μg/L之間，平均值為5.8μg/L；非汛期(2—5月，10—11月)Chl-a濃度值為0.5～7.0μg/L，平均值為2.7μg/L。壩前汛期(6—9月)Chl-a濃度值在1.7～3.7μg/L之間，平均值為2.7μg/L；非汛期(2—5月，10—11月)Chl-a濃度值為0.5～3.7μg/L，平均值為1.4μg/L。磨盤山水庫(kù)Chl-a濃度整體表現(xiàn)庫(kù)中高、壩前低，汛期高、非汛期低以及月份間變化大等特點(diǎn)，其原因可能是受到光照、氣溫等氣象條件以及流量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等水環(huán)境因子的影響。非汛期時(shí)處于春、秋和冬季，水溫較低，不利于藻類的生長(zhǎng)；汛期時(shí)的6—9月不僅水溫升高，也是農(nóng)業(yè)種植和灌溉季節(jié)，施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染使水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度升高，為藻類生長(zhǎng)提供了適宜的環(huán)境。

圖2 磨盤山水庫(kù)Chl-a濃度的時(shí)空變化

2.2 Chl-a與水環(huán)境因子多元逐步回歸分析

各自變量偏回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，篩選出的自變量對(duì)因變量的影響均顯著，并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由此建立的多元線性逐步回歸方程見表2。

庫(kù)中汛期時(shí)，對(duì)Chl-a濃度有顯著影響的是SD和NH3-N，其中SD的貢獻(xiàn)度最大，Chl-a濃度與SD呈負(fù)相關(guān)，與NH3-N呈正相關(guān)，即SD的降低和NH3-N濃度的升高會(huì)導(dǎo)致Chl-a濃度的提高。庫(kù)中非汛期時(shí)，TP、NO3-N、COD依次對(duì)Chl-a濃度的影響顯著，Chl-a濃度與TP、NO3-N呈正相關(guān)，與COD呈負(fù)相關(guān)，即TP、NO3-N濃度提高和COD濃度降低都會(huì)增加Chl-a濃度。壩前汛期時(shí)，對(duì)Chl-a濃度影響顯著的僅有TN，二者呈正相關(guān)。壩前非汛期時(shí)，TP、TN、SD對(duì)Chl-a濃度的影響顯著，其中貢獻(xiàn)度最大的是TP，其次為TN，二者均與Chl-a濃度呈正相關(guān)，SD與Chl-a濃度呈負(fù)相關(guān)。磨盤山水庫(kù)Chl-a濃度主要受到氮(N)、磷(P)等營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)的影響。

研究表明，Chl-a濃度受水位、水溫、pH、溶解氧、CODMn、總有機(jī)碳、氮磷化合物和硅酸鹽等多個(gè)水環(huán)境因子影響[3- 4]。由于不同水體具有各自的特性，因此得到的結(jié)果不盡相同，但基本上與營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)具有一定的相關(guān)性，這與本研究的回歸分析結(jié)果較吻合。另外，藻類生長(zhǎng)或者大規(guī)模爆發(fā)也會(huì)影響pH、DO、SD等理化因子，難以作為自變量預(yù)測(cè)藻類生長(zhǎng)。由于Chl-a是反應(yīng)浮游植物(藻類)現(xiàn)存量的重要指標(biāo)，因此pH、DO、SD等理化因子也難以成為顯著影響Chl-a的水環(huán)境因子。本研究中，pH、DO等自變量均被剔除，對(duì)磨盤山水庫(kù)Chl-a濃度無(wú)顯著影響。除庫(kù)中汛期時(shí)SD的貢獻(xiàn)度最大，庫(kù)中非汛期、壩前汛期和非汛期條件下，SD的影響均不顯著。

2.3 Chl-a濃度的預(yù)測(cè)與分析

以Chl-a濃度與水環(huán)境因子的回歸方程作為簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)模型，計(jì)算2011—2015年庫(kù)中汛期、庫(kù)中非汛期、壩前汛期和壩前非汛期Chl-a濃度，結(jié)果如圖3所示。Chl-a濃度預(yù)測(cè)值的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值較為近似。庫(kù)中汛期和非汛期Chl-a濃度的預(yù)測(cè)值偏高，壩前Chl-a濃度與實(shí)測(cè)值基本一致。庫(kù)中藻類的生長(zhǎng)不僅受水質(zhì)理化因子的影響，還受到水文等其他因素影響，水量大、水流流速快時(shí)，藻類不易生長(zhǎng)。研究表明，流量對(duì)河段藻類密度和質(zhì)量?jī)粼隽坑酗@著影響；流速對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化，即藻類的生長(zhǎng)也有一定的影響[14- 15]。因此，有關(guān)流量、流速等水文因子將是進(jìn)一步研究磨盤山富營(yíng)養(yǎng)化問題的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

表1 各自變量偏回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)

表2 Chl-a濃度與水環(huán)境因子的回歸方程

3 結(jié)語(yǔ)

2011—2015年磨盤山水庫(kù)Chl-a濃度為0.5～8.4μg/L，汛期(6—9月)達(dá)到峰值。Chl-a濃度整體表現(xiàn)庫(kù)中高、壩前低，汛期高、非汛期低等特點(diǎn)。多元逐步回歸分析結(jié)果表明，Chl-a濃度與SD、TN、TP等水環(huán)境理化因子有明顯相關(guān)性，其中TN、TP的影響最顯著。依據(jù)回歸分析建立的預(yù)測(cè)模型在模擬Chl-a濃度變化上基本符合實(shí)測(cè)情況，庫(kù)中汛期和非汛期Chl-a濃度的預(yù)測(cè)值偏高，壩前Chl-a濃度與實(shí)測(cè)值基本一致。模型能夠?yàn)镃hl-a濃度及富營(yíng)養(yǎng)化程度的預(yù)測(cè)和預(yù)警提供一定的技術(shù)支持。但由于藻類還受水文、氣象及其自身因素的影響，模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度有待提高。

圖3 2011—2015年磨盤山水庫(kù)Chl-a預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較