磨盘山水库叶绿素a多元线性回归预测研究

张 怡，吕 军，李 聪，郑国臣，赵博文

(1.松辽水资源保护科学研究所，吉林 长春 130021；2.吉林大学植物科学学院，吉林 长春 130062；3.松辽水利委员会水文局嫩江水文水资源中心，黑龙江 齐齐哈尔 161005；4.东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

湖库富营养化已经成为世界范围内最严重的水质问题，严重限制水资源的持续开发和利用[1- 2]。国内学者针对湖库富营养化的评价、预测等开展了大量研究工作[3- 9]。水体中叶绿素a含量是反应浮游植物现存量的重要指标，是评价湖泊富营养状况的主要参数[10]。水环境理化因子对叶绿素a有着直接或间接的影响。

目前水质评价的方法有很多[11]，其中多元逐步回归分析方法简单易行，能较好地反映特定水体中叶绿素a与环境因子的相关性，并能够筛选出相对重要的影响因子。本研究应用多元逐步回归方法，对磨盘山水库叶绿素a浓度与水环境因子的相关性进行研究，并在此基础上建立多元线性回归预测模型，以期为磨盘山水库富营养化的科学防治提供依据。

1 研究内容及方法

1.1 研究区概况

磨盘山水库是拉林河流域上游一级控制性工程，坝址位于黑龙江省五常市沙河子镇沈家营村上游1.8km，距哈尔滨市区约180km，总库容5.23亿m3，2008年正式为哈尔滨市供水，是哈尔滨市百万居民的主要饮用水源地[12]。由于水库一、二级保护区和准保护区内仍存在着来自农业、居民等方面的非点源污染，磨盘山水库近年为Ⅲ类水质，处于中营养状态，富营养化倾向不容忽视，其中氮和磷被认为是影响磨盘山水库水质最主要的污染物。目前关于磨盘山水库富营养化的研究多集中在富营养化现状和趋势的分析以及防治对策上[13]，尚缺少针对富营养化程度与水环境因子间的相关性研究，也没有建立预测模型。

1.2 采样和分析

磨盘山水库属于狭长形深水水库，上游为浅滩或淤积区域，水库的坝上和库中具有较好的代表性。因此，于2011—2015年的2—11月(汛期：6—9月；非汛期：2—5月，10—11月)在磨盘山水库坝前(北纬44°23′46″，东经127°41′36″)和库中(北纬44°24′12″，东经127°42′47″)的2个断面采样监测(如图1所示)。采样方法和水质理化性质的测定均按照规范和标准方法进行。选取的理化指标为pH、透明度(SD)；营养盐及有机污染综合指标为总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、硝酸盐氮(NO3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)；生物学指标为叶绿素a(Chl-a)，共10项指标。

1.3 数据处理

数据统计分析使用SPSS20.0软件，以Chl-a为因变量，pH、SD、TN、TP、NH3-N、NO3-N、CODMn、DO、COD为自变量，并按照如下原则选择用于回归的水环境因子：①方程方差分析F值显著水平P<0.05；②自变量与因变量之间因果关系明确，自变量之间独立性较强，不存在多重共线性。在此基础上，建立反映Chl-a变化趋势的多元线性回归方程，并对得到的参数及线性关系的显著性进行检验。

图1 磨盘山水库水质监测布点位置

2 结果与讨论

2.1 磨盘山水库Chl-a浓度的时空分布特点

2011—2015年(2—11月)磨盘山水库库中、坝前Chl-a浓度值的变化如图2所示，库中和坝前处Chl-a浓度值的变化趋势基本相同，夏季达到峰值。库中Chl-a浓度高于坝前，汛期(6—9月)Chl-a浓度明显高于非汛期(2—5月，10—11月)。Chl-a浓度最高值(8.4μg/L)位于2015年8月库中处；最低值(0.5μg/L)分别位于2013年3月库中、坝前以及2013年5月坝前处。其中，库中汛期(6—9月)Chl-a浓度值在2.3～8.4μg/L之间，平均值为5.8μg/L；非汛期(2—5月，10—11月)Chl-a浓度值为0.5～7.0μg/L，平均值为2.7μg/L。坝前汛期(6—9月)Chl-a浓度值在1.7～3.7μg/L之间，平均值为2.7μg/L；非汛期(2—5月，10—11月)Chl-a浓度值为0.5～3.7μg/L，平均值为1.4μg/L。磨盘山水库Chl-a浓度整体表现库中高、坝前低，汛期高、非汛期低以及月份间变化大等特点，其原因可能是受到光照、气温等气象条件以及流量、营养物质等水环境因子的影响。非汛期时处于春、秋和冬季，水温较低，不利于藻类的生长；汛期时的6—9月不仅水温升高，也是农业种植和灌溉季节，施肥等农业活动产生的非点源污染使水体中氮磷等营养物质浓度升高，为藻类生长提供了适宜的环境。

图2 磨盘山水库Chl-a浓度的时空变化

2.2 Chl-a与水环境因子多元逐步回归分析

各自变量偏回归系数的显著性检验结果见表1。由表1可知，筛选出的自变量对因变量的影响均显著，并具有统计学意义。由此建立的多元线性逐步回归方程见表2。

库中汛期时，对Chl-a浓度有显著影响的是SD和NH3-N，其中SD的贡献度最大，Chl-a浓度与SD呈负相关，与NH3-N呈正相关，即SD的降低和NH3-N浓度的升高会导致Chl-a浓度的提高。库中非汛期时，TP、NO3-N、COD依次对Chl-a浓度的影响显著，Chl-a浓度与TP、NO3-N呈正相关，与COD呈负相关，即TP、NO3-N浓度提高和COD浓度降低都会增加Chl-a浓度。坝前汛期时，对Chl-a浓度影响显著的仅有TN，二者呈正相关。坝前非汛期时，TP、TN、SD对Chl-a浓度的影响显著，其中贡献度最大的是TP，其次为TN，二者均与Chl-a浓度呈正相关，SD与Chl-a浓度呈负相关。磨盘山水库Chl-a浓度主要受到氮(N)、磷(P)等营养盐指标的影响。

研究表明，Chl-a浓度受水位、水温、pH、溶解氧、CODMn、总有机碳、氮磷化合物和硅酸盐等多个水环境因子影响[3- 4]。由于不同水体具有各自的特性，因此得到的结果不尽相同，但基本上与营养盐指标具有一定的相关性，这与本研究的回归分析结果较吻合。另外，藻类生长或者大规模爆发也会影响pH、DO、SD等理化因子，难以作为自变量预测藻类生长。由于Chl-a是反应浮游植物(藻类)现存量的重要指标，因此pH、DO、SD等理化因子也难以成为显著影响Chl-a的水环境因子。本研究中，pH、DO等自变量均被剔除，对磨盘山水库Chl-a浓度无显著影响。除库中汛期时SD的贡献度最大，库中非汛期、坝前汛期和非汛期条件下，SD的影响均不显著。

2.3 Chl-a浓度的预测与分析

以Chl-a浓度与水环境因子的回归方程作为简单预测模型，计算2011—2015年库中汛期、库中非汛期、坝前汛期和坝前非汛期Chl-a浓度，结果如图3所示。Chl-a浓度预测值的变化趋势与实测值较为近似。库中汛期和非汛期Chl-a浓度的预测值偏高，坝前Chl-a浓度与实测值基本一致。库中藻类的生长不仅受水质理化因子的影响，还受到水文等其他因素影响，水量大、水流流速快时，藻类不易生长。研究表明，流量对河段藻类密度和质量净增量有显著影响；流速对水体富营养化，即藻类的生长也有一定的影响[14- 15]。因此，有关流量、流速等水文因子将是进一步研究磨盘山富营养化问题的一项重要内容。

表1 各自变量偏回归系数的显著性检验

表2 Chl-a浓度与水环境因子的回归方程

3 结语

2011—2015年磨盘山水库Chl-a浓度为0.5～8.4μg/L，汛期(6—9月)达到峰值。Chl-a浓度整体表现库中高、坝前低，汛期高、非汛期低等特点。多元逐步回归分析结果表明，Chl-a浓度与SD、TN、TP等水环境理化因子有明显相关性，其中TN、TP的影响最显著。依据回归分析建立的预测模型在模拟Chl-a浓度变化上基本符合实测情况，库中汛期和非汛期Chl-a浓度的预测值偏高，坝前Chl-a浓度与实测值基本一致。模型能够为Chl-a浓度及富营养化程度的预测和预警提供一定的技术支持。但由于藻类还受水文、气象及其自身因素的影响，模型预测的准确度有待提高。

图3 2011—2015年磨盘山水库Chl-a预测值与实测值比较