千島湖藍(lán)藻密度制約因素分析
摘 要:千島湖,位于錢塘江上游,既是國(guó)家級(jí)重要風(fēng)景名勝區(qū),也是浙江省會(huì)杭州市及下游其他市、縣重要的飲用水源地,保護(hù)地位十分重要。由于建湖時(shí)間短、入湖污染少,目前千島湖的生態(tài)環(huán)境和地表水質(zhì)量仍屬優(yōu)秀。然而,由于千島湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、不合理的開發(fā)和湖泊自身的演變,千島湖已從建湖初期的貧營(yíng)養(yǎng)發(fā)展到現(xiàn)在的中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),甚至于98、99年局部水域出現(xiàn)了季節(jié)性的藍(lán)藻生長(zhǎng)旺盛現(xiàn)象,引起了政府部門和各級(jí)環(huán)境科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。本文以千島湖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),運(yùn)用相關(guān)性分析和多元逐步回歸統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)藍(lán)藻密度與環(huán)境理化指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行研究分析,找出與藍(lán)藻密度顯著相關(guān)的環(huán)境因子,建立多元逐步回歸方程,預(yù)測(cè)千島湖藍(lán)藻密度的變化情況。分析結(jié)果表明,水溫、水深和總磷為藍(lán)藻密度的顯著相關(guān)因子。其中,適宜的高水溫是藍(lán)藻生長(zhǎng)旺盛的外界誘導(dǎo)因子,高水位運(yùn)行不利于千島湖水質(zhì)保護(hù),而磷元素是限制藍(lán)藻生長(zhǎng)規(guī)模的最主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
關(guān)鍵詞:千島湖 多元逐步回歸 藍(lán)藻密度 預(yù)測(cè)
千島湖是一個(gè)集發(fā)電、防洪、飲用、養(yǎng)殖、旅游和工農(nóng)業(yè)用水等多種功能于一體的大型水庫(kù),也是作為浙江省和杭州市生命線的錢塘江的重要水源。千島湖歷來以四周樹木蔥郁,生物多樣性豐富,湖水清澈澄明,環(huán)境優(yōu)美而著稱。然而,隨著庫(kù)區(qū)及上游流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,人民生活水平的提高,以及千島湖的自然環(huán)境特點(diǎn)和自身的演變,千島湖已從建湖時(shí)期的貧營(yíng)養(yǎng)發(fā)展到現(xiàn)在的中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),98、99年局部水域曾出現(xiàn)了季節(jié)性的藍(lán)藻生長(zhǎng)旺盛現(xiàn)象,引起了政府部門和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
PH計(jì)|
酸堿計(jì)|
糖度計(jì)|
鹽度計(jì)|
酸堿度計(jì)|
電導(dǎo)計(jì)|
水分測(cè)定儀|
1 研究方法
1.1數(shù)據(jù)來源
千島湖布設(shè)10個(gè)常規(guī)采樣點(diǎn),見圖1,各測(cè)點(diǎn)名稱分別為:1#街口,2#12號(hào)航標(biāo),3#小金山,4#排嶺水廠,5#航頭島,6#積嶺口,7#茅頭尖,8#三潭島,9#密山,10#大壩前,監(jiān)測(cè)頻次為每月一次,進(jìn)行理化指標(biāo)和藻類定量監(jiān)測(cè)。
圖1 千島湖采樣點(diǎn)位圖
Figure.1 Sampling points in the Qian-dao Lake
1.2 統(tǒng)計(jì)方法
1.2.1 相關(guān)性分析
將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表除時(shí)間數(shù)列外從Excel文件中拷入SPSS 11.0統(tǒng)計(jì)分析程序,形成SPSS數(shù)據(jù)文件,運(yùn)用SPSS程序的相關(guān)性分析模塊,進(jìn)行藍(lán)藻和理化指標(biāo)的兩兩相關(guān)分析。
1.2.2 建立預(yù)測(cè)方程
以與藍(lán)藻總量預(yù)測(cè)相關(guān)的環(huán)境理化因子為自變量,以藍(lán)藻密度(CD)為因變量,運(yùn)用SPSS程序的多元逐步回歸統(tǒng)計(jì)分析方法,逐步剔除相關(guān)性不大的因子,得到各采樣點(diǎn)及全湖平均值的與CD關(guān)系最接近的環(huán)境因子,進(jìn)而得到回歸方程和復(fù)相關(guān)系數(shù)等。
1.2.3 預(yù)測(cè)方程的檢驗(yàn)
將相關(guān)環(huán)境因子的實(shí)測(cè)值代入預(yù)測(cè)方程,計(jì)算通過預(yù)測(cè)方程求得的藍(lán)藻密度統(tǒng)計(jì)值,比較實(shí)測(cè)值與統(tǒng)計(jì)值的差異。
2 分析結(jié)果
2.1千島湖環(huán)境因子對(duì)藍(lán)藻密度的影響
通過SPSS11.0程序的相關(guān)性分析,得出千島湖主要理化因子和藍(lán)藻密度之間的相關(guān)系數(shù)和顯著性差異數(shù)值,見下表1。(CD為藍(lán)藻密度Cyanophyceae density的簡(jiǎn)寫。)
表1 千島湖一些理化指標(biāo)與藍(lán)藻密度的線性相關(guān)矩陣
Tab. 1 Pearson correlation between Cyanophyceae density and some physical-chemical factors
(in the Thousand-island Lake)
項(xiàng)目 |
|
WT |
PH |
D |
COD |
TN |
TP |
SD |
DO |
CD |
|
WT |
1.000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
PH |
.833** |
1.000 |
|
|
|
|
|
|
|
D |
.332 |
.268 |
1.000 |
|
|
|
|
|
|
COD |
.290 |
.313 |
.029 |
1.000 |
|
|
|
|
|
TN |
-.202 |
-.115 |
-.355 |
-.004 |
1.000 |
|
|
|
|
TP |
.150 |
.263 |
.186 |
.074 |
-.023 |
1.000 |
|
|
|
SD |
-.554** |
-.460* |
-.331 |
-.205 |
-.181 |
-.056 |
1.000 |
|
|
DO |
-.424* |
-.007 |
-.153 |
-.124 |
.321 |
.205 |
.049 |
1.000 |
|
CD |
.543** |
.681** |
.542** |
.222 |
-.162 |
.704** |
-.296 |
.035 |
1.000 |
Sig
(2-tailed) |
WT
PH
D
COD
TN
TP
SD
DO
CD |
.000
.105
.135
.303
.446
.002
.025
.003 |
.196
.105
.560
.176
.014
.972
.000 |
.891
.082
.373
.106
.466
.005 |
.984
.707
.296
.530
.257 |
.907
.357
.096
.410 |
.775
.295
.000 |
.804
.127 |
.860 |
|
**. Correlation is significant at the 0.01 level(2-tailed).
*. Correlation is significant at the 0.05 level(2-tailed).
由表1可知,千島湖的藍(lán)藻密度,與水溫、PH值、水深、總磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系,其一次線性方程分別如下:
CD=12.69×WT-177.5 (R=0.543,F(xiàn)=10.88,sig=0.003)
CD=272.0×PH-2103.4 (R=0.681,F(xiàn)=22.47,sig<0.001)
CD=28.30×D-2715.9 (R=0.542, F=9.57, sig=0.005)
CD=12899×TP-138.3 (R=0.704, F=25.60,sig<0.001)
2.2 千島湖藍(lán)藻密度的逐步回歸統(tǒng)計(jì)分析
由于藻類光合作用產(chǎn)氧而影響水體溶解氧的水平,PH值受藻類生長(zhǎng)的影響而變化,所以溶解氧、PH值變化,可以說是以藻類生長(zhǎng)為“原因”而產(chǎn)生的“結(jié)果”,難以預(yù)測(cè)藻類生長(zhǎng)情況。在運(yùn)用逐步回歸統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)千島湖藍(lán)藻密度的變化,將溶解氧、PH值等因素剔除,并以藍(lán)藻密度為因變量,計(jì)算逐步回歸方程,得出表2。
表2 千島湖藍(lán)藻密度與環(huán)境因子的逐步回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果
Tab.2 Backward multiple regression between environmental factors
&Cyanophyceae density (×104個(gè)/升) in the Thousand-island Lake
點(diǎn)位 |
入選變量 |
逐步回歸方程 |
復(fù)相關(guān)系數(shù) |
綜合F值 |
綜合Sig |
街口 |
1 WT |
CD=12.49×WT-176.6 |
0.540 |
10.71 |
0.003 |
12航標(biāo) |
1 WT |
CD=13.16×WT-184.6 |
0.638 |
15.82 |
0.001 |
小金山 |
1 SD
2 D |
CD=-132.78×SD+68.73×D
-6032.6 |
0.645 |
7.49 |
0.003 |
排嶺水廠 |
1 TP
2 D
3 COD |
CD=25908×TP+56.62×D
+459.2×COD-2333.1 |
0.863 |
19.28 |
<0.001 |
航頭島 |
1 WT
2 D |
CD=10.12×WT+33.73×D
-995.3 |
0.625 |
7.390 |
0.003 |
積嶺口 |
1 WT
2 D |
CD=3.14×WT+3.05×D
-109.7 |
0.630 |
8.21 |
0.001 |
茅頭尖 |
1 WT
2 COD |
CD=2.69×WT+36.06×COD
-66.7 |
0.621 |
7.21 |
0.004 |
三潭島 |
1 TP
2 D |
CD=5103×TP+5610×D
-972.8 |
0.766 |
18.46 |
<0.001 |
密山 |
1 WT
2 D |
CD=1.66×WT+5.03×D
-326.1 |
0.700 |
10.07 |
0.001 |
大壩前 |
1 SD |
CD=49.9-5.35×SD |
0.425 |
5.08 |
0.034 |
全湖平均 |
1 WT
2 TP
3 D |
CD=9.20×WT+11166×TP
+15.95×D-848.2 |
0.888 |
26.08 |
<0.001 |
千島湖藍(lán)藻密度與有關(guān)理化因子的逐步回歸結(jié)果顯示,影響千島湖總體藍(lán)藻水平的因素主要為水溫和總磷、水深,各測(cè)點(diǎn)除大壩前藍(lán)藻密度與理化因子的關(guān)系較不明顯外,其余測(cè)點(diǎn)復(fù)相關(guān)系數(shù)0.540~0.863,綜合F值為7.21~19.28,綜合sig值為<0.001 ~0.004,相關(guān)性較好。
2.3千島湖藍(lán)藻密度的初步預(yù)測(cè)
由上節(jié)分析結(jié)果顯示,千島湖的藍(lán)藻密度平均值與環(huán)境因子的逐步回歸結(jié)果,以水溫和總磷、水深為顯著因子,其回歸方程為:
CD= 9.20×WT+11166×TP+15.95×D-848.2
其中,CD(藍(lán)藻密度)為因變量,WT(水溫)和TP(總磷)、D(水深)為自變量,該預(yù)測(cè)方程復(fù)相關(guān)系數(shù)0.888,綜合F值為26.08,綜合sig值為 <0.001。
千島湖藍(lán)藻密度平均值的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的變化曲線見圖2,由圖2可以看出,藍(lán)藻密度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的變化狀況基本吻合,預(yù)測(cè)模型具有一定的參考價(jià)值。
圖2千島湖藍(lán)藻密度平均值的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的比較
Fig.2 The observed and calculated Cyanophyceae average density in the Thousand-island Lake
3 小結(jié)
本文以千島湖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),運(yùn)用SPSS11.0軟件的相關(guān)性分析和多元逐步回歸統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)環(huán)境理化指標(biāo)與藍(lán)藻密度的影響關(guān)系進(jìn)行了研究分析。分析結(jié)果表明,千島湖藍(lán)藻密度最顯著的制約因素為水溫和總磷、水深,其中適宜的高水溫是藍(lán)藻生長(zhǎng)旺盛的外界誘導(dǎo)因子,磷元素是限制藍(lán)藻生長(zhǎng)規(guī)模的最主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),而千島湖水位的高低決定了陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的入湖負(fù)荷量的多少(據(jù)調(diào)查,千島湖CODcr、TN、TP的入湖負(fù)荷總量中50%以上來自流域面源污染)。因而,對(duì)于千島湖富營(yíng)養(yǎng)化的防治,控制外界含磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入量,是切實(shí)必要的。而要控制千島湖外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的入湖量,一方面要通過工業(yè)污染源、生活污染源的治理,通過產(chǎn)業(yè)調(diào)整、禁止重污染企業(yè)上馬等行政管理措施,控制點(diǎn)污染源污染物入湖量;更重要的是需要通過生態(tài)環(huán)境的保護(hù),控制水土流失,從而降低陸源面污染源的入湖污染負(fù)荷。同時(shí),研究結(jié)果也表明,從水質(zhì)保護(hù)目的出發(fā),千島湖應(yīng)盡量避免高水位運(yùn)行方式(通過分期泄洪等手段)。