磨盤山水庫葉綠素a多元線性回歸預測研究

張 怡，呂 軍，李 聰，鄭國臣，趙博文

(1.松遼水資源保護科學研究所，吉林 長春 130021；2.吉林大學植物科學學院，吉林 長春 130062；3.松遼水利委員會水文局嫩江水文水資源中心，黑龍江 齊齊哈爾 161005；4.東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

湖庫富營養化已經成為世界范圍內最嚴重的水質問題，嚴重限制水資源的持續開發和利用[1- 2]。國內學者針對湖庫富營養化的評價、預測等開展了大量研究工作[3- 9]。水體中葉綠素a含量是反應浮游植物現存量的重要指標，是評價湖泊富營養狀況的主要參數[10]。水環境理化因子對葉綠素a有著直接或間接的影響。

目前水質評價的方法有很多[11]，其中多元逐步回歸分析方法簡單易行，能較好地反映特定水體中葉綠素a與環境因子的相關性，并能夠篩選出相對重要的影響因子。本研究應用多元逐步回歸方法，對磨盤山水庫葉綠素a濃度與水環境因子的相關性進行研究，并在此基礎上建立多元線性回歸預測模型，以期為磨盤山水庫富營養化的科學防治提供依據。

1 研究內容及方法

1.1 研究區概況

磨盤山水庫是拉林河流域上游一級控制性工程，壩址位于黑龍江省五常市沙河子鎮沈家營村上游1.8km，距哈爾濱市區約180km，總庫容5.23億m3，2008年正式為哈爾濱市供水，是哈爾濱市百萬居民的主要飲用水源地[12]。由于水庫一、二級保護區和準保護區內仍存在著來自農業、居民等方面的非點源污染，磨盤山水庫近年為Ⅲ類水質，處于中營養狀態，富營養化傾向不容忽視，其中氮和磷被認為是影響磨盤山水庫水質最主要的污染物。目前關于磨盤山水庫富營養化的研究多集中在富營養化現狀和趨勢的分析以及防治對策上[13]，尚缺少針對富營養化程度與水環境因子間的相關性研究，也沒有建立預測模型。

1.2 采樣和分析

磨盤山水庫屬于狹長形深水水庫，上游為淺灘或淤積區域，水庫的壩上和庫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)在磨盤山水庫壩前(北緯44°23′46″，東經127°41′36″)和庫中(北緯44°24′12″，東經127°42′47″)的2個斷面采樣監測(如圖1所示)。采樣方法和水質理化性質的測定均按照規范和標準方法進行。選取的理化指標為pH、透明度(SD)；營養鹽及有機污染綜合指標為總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)；生物學指標為葉綠素a(Chl-a)，共10項指標。

1.3 數據處理

數據統計分析使用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系明確，自變量之間獨立性較強，不存在多重共線性。在此基礎上，建立反映Chl-a變化趨勢的多元線性回歸方程，并對得到的參數及線性關系的顯著性進行檢驗。

圖1 磨盤山水庫水質監測布點位置

2 結果與討論

2.1 磨盤山水庫Chl-a濃度的時空分布特點

2011—2015年(2—11月)磨盤山水庫庫中、壩前Chl-a濃度值的變化如圖2所示，庫中和壩前處Chl-a濃度值的變化趨勢基本相同，夏季達到峰值。庫中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月庫中處；最低值(0.5μg/L)分別位于2013年3月庫中、壩前以及2013年5月壩前處。其中，庫中汛期(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Chl-a濃度整體表現庫中高、壩前低，汛期高、非汛期低以及月份間變化大等特點，其原因可能是受到光照、氣溫等氣象條件以及流量、營養物質等水環境因子的影響。非汛期時處于春、秋和冬季，水溫較低，不利于藻類的生長；汛期時的6—9月不僅水溫升高，也是農業種植和灌溉季節，施肥等農業活動產生的非點源污染使水體中氮磷等營養物質濃度升高，為藻類生長提供了適宜的環境。

圖2 磨盤山水庫Chl-a濃度的時空變化

2.2 Chl-a與水環境因子多元逐步回歸分析

各自變量偏回歸系數的顯著性檢驗結果見表1。由表1可知，篩選出的自變量對因變量的影響均顯著，并具有統計學意義。由此建立的多元線性逐步回歸方程見表2。

庫中汛期時，對Chl-a濃度有顯著影響的是SD和NH3-N，其中SD的貢獻度最大，Chl-a濃度與SD呈負相關，與NH3-N呈正相關，即SD的降低和NH3-N濃度的升高會導致Chl-a濃度的提高。庫中非汛期時，TP、NO3-N、COD依次對Chl-a濃度的影響顯著，Chl-a濃度與TP、NO3-N呈正相關，與COD呈負相關，即TP、NO3-N濃度提高和COD濃度降低都會增加Chl-a濃度。壩前汛期時，對Chl-a濃度影響顯著的僅有TN，二者呈正相關。壩前非汛期時，TP、TN、SD對Chl-a濃度的影響顯著，其中貢獻度最大的是TP，其次為TN，二者均與Chl-a濃度呈正相關，SD與Chl-a濃度呈負相關。磨盤山水庫Chl-a濃度主要受到氮(N)、磷(P)等營養鹽指標的影響。

研究表明，Chl-a濃度受水位、水溫、pH、溶解氧、CODMn、總有機碳、氮磷化合物和硅酸鹽等多個水環境因子影響[3- 4]。由于不同水體具有各自的特性，因此得到的結果不盡相同，但基本上與營養鹽指標具有一定的相關性，這與本研究的回歸分析結果較吻合。另外，藻類生長或者大規模爆發也會影響pH、DO、SD等理化因子，難以作為自變量預測藻類生長。由于Chl-a是反應浮游植物(藻類)現存量的重要指標，因此pH、DO、SD等理化因子也難以成為顯著影響Chl-a的水環境因子。本研究中，pH、DO等自變量均被剔除，對磨盤山水庫Chl-a濃度無顯著影響。除庫中汛期時SD的貢獻度最大，庫中非汛期、壩前汛期和非汛期條件下，SD的影響均不顯著。

2.3 Chl-a濃度的預測與分析

以Chl-a濃度與水環境因子的回歸方程作為簡單預測模型，計算2011—2015年庫中汛期、庫中非汛期、壩前汛期和壩前非汛期Chl-a濃度，結果如圖3所示。Chl-a濃度預測值的變化趨勢與實測值較為近似。庫中汛期和非汛期Chl-a濃度的預測值偏高，壩前Chl-a濃度與實測值基本一致。庫中藻類的生長不僅受水質理化因子的影響，還受到水文等其他因素影響，水量大、水流流速快時，藻類不易生長。研究表明，流量對河段藻類密度和質量凈增量有顯著影響；流速對水體富營養化，即藻類的生長也有一定的影響[14- 15]。因此，有關流量、流速等水文因子將是進一步研究磨盤山富營養化問題的一項重要內容。

表1 各自變量偏回歸系數的顯著性檢驗

表2 Chl-a濃度與水環境因子的回歸方程

3 結語

2011—2015年磨盤山水庫Chl-a濃度為0.5～8.4μg/L，汛期(6—9月)達到峰值。Chl-a濃度整體表現庫中高、壩前低，汛期高、非汛期低等特點。多元逐步回歸分析結果表明，Chl-a濃度與SD、TN、TP等水環境理化因子有明顯相關性，其中TN、TP的影響最顯著。依據回歸分析建立的預測模型在模擬Chl-a濃度變化上基本符合實測情況，庫中汛期和非汛期Chl-a濃度的預測值偏高，壩前Chl-a濃度與實測值基本一致。模型能夠為Chl-a濃度及富營養化程度的預測和預警提供一定的技術支持。但由于藻類還受水文、氣象及其自身因素的影響，模型預測的準確度有待提高。

圖3 2011—2015年磨盤山水庫Chl-a預測值與實測值比較