基于自然要素的大尺度河流水環(huán)境承載力評價與預(yù)測

田雪琪，王 華，曾一川，陳經(jīng)緯，李家樂

（1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098）

0 引言

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，水資源短缺、水污染問題日益嚴(yán)重，水環(huán)境已成為制約地區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵性因素[1]。水環(huán)境承載力的廣義定義指在保持現(xiàn)有水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)前提下，水環(huán)境能夠支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力或規(guī)模[2]，開展水環(huán)境承載力評價研究對區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義[3]。

在水環(huán)境承載力評價的主要方法中，指標(biāo)體系綜合評價法因其簡單易行、可操作性強(qiáng)被廣泛應(yīng)用[4]。梁靜等[5]將“社會經(jīng)濟(jì)-水環(huán)境-水資源”作為選取目標(biāo)，構(gòu)建了基于環(huán)境容量的水環(huán)境承載力綜合評價體系，并采用該評價體系對鄭州市現(xiàn)狀水環(huán)境承載力進(jìn)行評價；劉潔等[4]綜合考慮了水文情勢、岸帶陸域生態(tài)、水域生態(tài)3 個系統(tǒng)層，對秋香江河流生態(tài)環(huán)境承載力展開研究；王海根等[6]從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源承載和環(huán)境承載3 個子系統(tǒng)選取25 個指標(biāo)構(gòu)建環(huán)境承載力評價體系，探究濰坊市海洋資源環(huán)境承載力水平變化趨勢和關(guān)鍵影響因素；司訓(xùn)練等[7]基于水資源環(huán)境承載力系統(tǒng)的內(nèi)涵，從水資源、水環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)4 方面評估2006年～2020年西安市水資源環(huán)境承載力狀況；王具文等[8]從水資源、排放強(qiáng)度、水環(huán)境質(zhì)量和水生態(tài)4 個維度選取合理指標(biāo)，構(gòu)建了復(fù)合型水環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系，利用層次分析法和綜合指數(shù)法評價了2018年～2020年各區(qū)縣水環(huán)境承載力。以上研究方法并無將自然要素納入考慮層面，主要是受特定研究區(qū)域面積約束，區(qū)域內(nèi)自然要素差異較小。而針對大型河流，由于其地理位置跨越性強(qiáng)，覆蓋面積廣，氣候變化復(fù)雜等因素決定了水流的分布和水質(zhì)的變化，故自然要素是大型河流水環(huán)境承載力指標(biāo)選取時一項必不可少的指標(biāo)層。

長江由于其獨(dú)特的自然地理特征以及豐富的生物資源，在我國經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展中的影響舉足輕重，長江干流源區(qū)呈盆谷地貌，年平均氣溫僅有0 ℃，長江上游河流比降大，中下段連接盆地；長江中下游沖積平原地區(qū)，地勢平緩，接連于眾多湖泊[9]，整體而言，長江干流各個江段地貌特征、氣候條件等具有較大差異[10]。基于長江的水文地理特征、地勢地貌、氣候多樣性等自然基礎(chǔ)條件，本文以“自然要素、水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)”4 個方面作為指標(biāo)層，共選取25 個具體指標(biāo)，通過改良的主成分分析法對長江干流S1～S5 區(qū)域在2006年～2022年的水環(huán)境承載力時空尺度變化趨勢進(jìn)行了評估，并通過ARIMA模型預(yù)測了長江干流未來3年水環(huán)境承載力的發(fā)展情況，最終從區(qū)域自然要素、水資源、經(jīng)濟(jì)社會與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系出發(fā)，提出適合長江干流水資源開發(fā)利用的水環(huán)境承載力改善策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

長江位于東經(jīng)91°～122°，北緯25°～35°，是中國最長的河流，也是全球第三長的河流，它發(fā)源于青藏高原，全長6 397 km，流域面積達(dá)1.810 6 km2，排水量約180 萬km2[11]。長江干流依照地理條件、水文特征的差異性，通常劃分為上、中、下游，宜昌以上地區(qū)作為上游，河段長約4 500 km；宜昌與湖口之間為中游，長約1 000 km；湖口以下為下游，下游長800 km[9]。長江干流以流域生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會活動、土地利用等各方面的特征進(jìn)行劃分，見圖1。具體劃分為5 段：長江上游劃分為S1，S2，S3 三段，對應(yīng)長江源區(qū)、橫斷山峽谷、四川盆地；S4，S5 分別代表長江中、下游。

圖1 研究區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中2021年長江流量逐月數(shù)據(jù)來源于《長江水文年鑒》與長江水利委員會（http://www.cjw.gov.cn/），氣象數(shù)據(jù)均來自中國氣象局科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://www.cma.gov.cn/），遙感資料來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/），流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)主要來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》和各省市統(tǒng)計年鑒，水利工程建設(shè)數(shù)據(jù)來自于《水利統(tǒng)計公報》《水利部公報》以及中國水利工程數(shù)據(jù)庫等，水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站網(wǎng)（http://www.cnemc.cn/）。

1.3 主成分分析法

主成分分析法將多個具有相關(guān)關(guān)系的變量綜合成少數(shù)幾個不相關(guān)的綜合指標(biāo)，實現(xiàn)多指標(biāo)降維的目的[12]，該方法在保證結(jié)果精度基礎(chǔ)上提高了處理效率。主成分貢獻(xiàn)率的確定涉及綜合數(shù)據(jù)，這對指標(biāo)的單調(diào)一致性要求較高，本研究利用改良的主成分分析算法，該算法采用多線性技術(shù)，更好地捕捉數(shù)據(jù)中的復(fù)雜關(guān)系，從而提高降維的準(zhǔn)確性[13]。方法步驟具體如下：

假設(shè)在長江干流一個區(qū)域分段內(nèi)設(shè)定p 個指標(biāo)，則n 個區(qū)域分段的原始數(shù)據(jù)矩陣為:

可以得到原始數(shù)據(jù)矩陣X 的p 列向量X1，X2，…，Xp線性組合：

將此線性方程縮寫為：

線性組合方程滿足以下條件:

F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n為主成分，主成分?jǐn)?shù)據(jù)依據(jù)方差結(jié)果確定。主成分信息量減小，相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值λi是各主成分的組合系數(shù)，方差貢獻(xiàn)率公式為：

公式中貢獻(xiàn)率值ai越大，證明主成分代表能力越強(qiáng)。依據(jù)選取的n 個評價指標(biāo)(X1，X2，…，Xn)，通過PCA 向量變換和數(shù)據(jù)分析得到新的變量。

2 結(jié)果與討論

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

水環(huán)境承載力是指在保持一定水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)的前提下，水環(huán)境能夠支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力或規(guī)模，依據(jù)水環(huán)境承載力具體內(nèi)涵，水環(huán)境承載力與資源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平密切相關(guān)，因此水環(huán)境承載力的評價指標(biāo)體系必須涵蓋社會經(jīng)濟(jì)、水資源和水環(huán)境3 個方面。一般來說，影響大型河流環(huán)境容量的因素包括非自然因素和自然因素。非自然因素即人類活動，包括水資源、社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等具體指標(biāo)；自然因素包括氣象、河流水文條件等。針對大型河流，自然因素對于水環(huán)境承載力的權(quán)重影響不可忽視，因此本文在水資源、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)上增加自然要素指標(biāo)層，并基于自然要素、水資源、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和多樣性的統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系，具體評估體系見表1。

表1 長江水環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系

2.2 基于主成分的指標(biāo)權(quán)重確立

統(tǒng)計2006年～2022年長江干流25 個指標(biāo)的數(shù)據(jù)，計算其相關(guān)系數(shù)矩陣，結(jié)果表明25 個評價指標(biāo)之間存在一定程度的相關(guān)性。其中I1 與I12，I2 與I3，I4正相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.99，0.96，0.93；I14～I(xiàn)16 與I22～I(xiàn)24 指標(biāo)間呈強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)在0.90～0.97；I25 與I14～I(xiàn)16，I22～I(xiàn)24 呈顯著負(fù)相關(guān)，系數(shù)在-0.95～-0.91。整體指標(biāo)信息之間存在重疊，適合使用主成分分析方法進(jìn)行計算，滿足其計算的必要條件[14]。使用SPSSPRO 軟件計算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明，基于主成分特征值和貢獻(xiàn)率，特征值λ1～λ4分別為11.886，4.577，2.363，1.658，前個主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為86.021%，且主成分特征根皆大于1，滿足主成分?jǐn)?shù)量的確定原則，可以代表分析長江干流水資源水環(huán)境水平的初始25 個指標(biāo)[15]。

方差貢獻(xiàn)率表明，第一主成分方差的貢獻(xiàn)率為48.589%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第二主成分19.710%，第三主成分10.450%和第四主成分7.633%的貢獻(xiàn)率。長江干流水資源水環(huán)境承載力主要受第一主成分控制。第一主成分與I1，I11，I12，I14～I(xiàn)17，I19，I22～I(xiàn)24 之間存在0.790～0.971 的強(qiáng)正相關(guān)，與I25 存在-0.893 的負(fù)相關(guān)性。這些指標(biāo)反映了長江干流的水資源與社會經(jīng)濟(jì)狀況；第二主成分與I2～I(xiàn)4，I7，I9 存在較相關(guān)關(guān)系，與I5 存在較強(qiáng)負(fù)相關(guān)性，反映了長江干流自然要素變化狀況；第三主成分與I13 呈正相關(guān)。4 個主成分覆蓋了長江干流自然要素、水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)4 大類的評價指標(biāo)，該模型計算公式為：

式中：F 為長江干流水環(huán)境承載力評價指標(biāo)的綜合得分。F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3與F4值與未旋轉(zhuǎn)初始因子得分值的關(guān)系如下:

式中：Fi是主成分?jǐn)?shù)值，score（n）是第n 個初始因子的得分值，sqr（λi）是第i 個主成分特征值的平方根。

通過歸一化后的因子分析得到score（n）數(shù)據(jù)，進(jìn)行各指標(biāo)的熵權(quán)賦值計算。對歸一化數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，得到25 個指標(biāo)的權(quán)重值。通過加權(quán)綜合分析，得到了長江干流S1～S5 在2006年～2022年環(huán)境承載力的綜合得分，借鑒相關(guān)的分類方法將所得值分為4 個等級[16-18]，從最高的1.68 分到最低的-1.84分，中點值分別為1，0，-1。環(huán)境承載力分為優(yōu)（I級）、良（II 級）、中（III 級）和差（Ⅳ級）。

2.3 水環(huán)境承載力時空分異特征

長江干流水環(huán)境承載力在時間尺度上的變化呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，見圖2。

圖2 長江干流水環(huán)境承載力綜合分值時空分布差異性

由圖2 可以看出，2006年～2009年，長江的環(huán)境承載力綜合得分由-1.66 逐漸上升為-0.95，于2009年評級從Ⅳ級上升為Ⅲ級，2010年，長江干流環(huán)境承載力綜合得分為0.10，到達(dá)II 級，隨之下降，2011年～2014年長江的環(huán)境承載力評級在差（Ⅳ級）和良（Ⅱ級）之間波動，2015年起，長江的環(huán)境承載力穩(wěn)定在Ⅱ級，2020年～2022年，長江的環(huán)境承載力評級為優(yōu)（I 級），環(huán)境承載力綜合得分在1.05～1.26。

長江干流S1～S5 各區(qū)域內(nèi)，水環(huán)境承載力由優(yōu)到差排序呈現(xiàn)出S5 ＞S3 ＞S1 ＞S4 ＞S2 的規(guī)律，在S5 區(qū)域內(nèi)，長江干流水環(huán)境承載力綜合指數(shù)提高了18.69%，且水環(huán)境承載力評價等級由Ⅳ級改善為Ⅰ級。在S1，S3 區(qū)域內(nèi)，長江干流水環(huán)境承載力綜合指數(shù)提高在14.16%左右，評價等級Ⅳ級起，最終改善為Ⅱ級。在S2，S4 區(qū)域內(nèi)，評價等級雖由最初Ⅳ級改善為Ⅰ級，但年際間在Ⅱ～Ⅳ級間變化浮動較大，綜合變化率在19.64%左右。整體而言，長江干流S1～S5 各區(qū)域內(nèi)水環(huán)境承載力綜合指標(biāo)得分呈現(xiàn)出整體上升的趨勢，長江干流的環(huán)境承載能力有所改善。長江干流水環(huán)境承載力在時間尺度上的改善與長江干流水生態(tài)相關(guān)保護(hù)政策的出臺相關(guān)，2006年～2022年發(fā)布一系列政策，規(guī)劃了長江流域水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)及措施，提出實施生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程計劃；明確禁止破壞長江生態(tài)環(huán)境行為，并設(shè)立了相應(yīng)處罰措施[19]；提出了一系列水生態(tài)修復(fù)目標(biāo)和措施，包括濕地保護(hù)、河道疏浚、水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測等[20]。長江干流S1～S5 區(qū)域內(nèi)環(huán)境承載力時間趨勢變化的具體分析表明，造成區(qū)域內(nèi)變化不一致的主要驅(qū)動因素是地理位置差異導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)、自然要素差異性。長江干流S1 段的人類活動較少，工業(yè)化和城市化程度相對較低，這導(dǎo)致該段的自然生態(tài)環(huán)境相對較為原生態(tài)，受到較少的人為擾動和生態(tài)壓力，因此S1 段整體變化最為穩(wěn)定。長江干流S4，S5 人口最為密集，屬經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)，工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)耕種、城市化進(jìn)程導(dǎo)致大量的污染物排放、土地開發(fā)和水資源的過度利用，而近10 a 專項政策的出臺緩解了突出的水環(huán)境承載力壓力，使其有了較為顯著的從Ⅳ級到Ⅰ級的轉(zhuǎn)變。

2.4 水環(huán)境承載力預(yù)測與對策建議

采用ARIMA 模型預(yù)測時間序列數(shù)據(jù)，ARIMA預(yù)測中S1，S2，S3 和S5 模型表現(xiàn)較為良好，模型的擬合優(yōu)度R2為0.500～0.674；S4 模型的擬合優(yōu)度R2為0.449，基本滿足要求。長江干流區(qū)域水環(huán)境承載力綜合得分預(yù)測分析見圖3。由圖3 可以看出，長江干流S1～S5 在未來3年呈現(xiàn)出一致的上升趨勢，綜合指標(biāo)得分范圍為1.08～2.35，環(huán)境承載力等級86.67%為Ⅰ級。其中，S2 區(qū)域綜合指標(biāo)分值在預(yù)測時間段內(nèi)變化幅度大，2023年～2025年分值變化幅度為0.379，且在2025年達(dá)到長江干流總區(qū)域最高值2.35；S1，S4 和S5 在2023年～2025年綜合指標(biāo)得分變化幅度相近，且分值變化區(qū)間皆處于1～2；S3 與其余區(qū)域不同，其環(huán)境承載力等級呈現(xiàn)出Ⅱ級到Ⅰ級的跨越，在2023年，2024年分別為0.729，0.873，在2025年達(dá)到了Ⅰ級，分值為1.015。

圖3 長江干流區(qū)域水環(huán)境承載力綜合得分預(yù)測分析

預(yù)測結(jié)果表明，未來3 a 長江水環(huán)境承載力綜合指標(biāo)得分值主要受長江干流的社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展?fàn)顩r變化影響，自然要素變化是另一主要驅(qū)動力。從水資源保有量、生態(tài)基流、水質(zhì)自凈力3 方面考慮，研究適合長江干流水資源開發(fā)利用的水環(huán)境承載力改善策略。首先，通過完善區(qū)域水網(wǎng)建設(shè)，保障水資源保有量，提升供水保證率。長江流域總水庫5.10 萬多座，但總庫容僅4 141 億m3，占多年平均地表徑流量42%。全流域水庫調(diào)節(jié)系數(shù)為0.42，水庫可調(diào)控能力有限，其中洞庭湖四河水庫、鄱陽湖五河水庫總庫容分別為3.69×1010，1.78×1010m3，調(diào)節(jié)系數(shù)分別僅為0.21，0.16[21]。長江干流水量大，絕大多數(shù)控制性水庫只能做到季調(diào)節(jié)水平，多年調(diào)節(jié)水庫多建在二、三級支流上。未來可借助天然水域和水利工程的互聯(lián)互補(bǔ)，并基于區(qū)域水網(wǎng)的建設(shè)，進(jìn)而提高干流和流域供水保障能力。其次，通過生態(tài)基流補(bǔ)水緩解河流水環(huán)境惡化現(xiàn)象[22]，根據(jù)水功能區(qū)管理目標(biāo)確定河流和主要水域納污能力[23]，建立監(jiān)測體系，對主要排污口設(shè)置計量裝置，動態(tài)監(jiān)測和評價重要水功能區(qū)水質(zhì)狀況，建立突發(fā)水污染事故快速監(jiān)測和評估機(jī)制[24]。最后，在控源截污的基礎(chǔ)上借助河道生態(tài)浮床、河岸岸邊帶修復(fù)提升長江干流水質(zhì)自凈力[25]。長江干流大壩周期性蓄水運(yùn)行后易受回水頂托影響，從而流速變緩、水體自凈交換能力減弱，未來可基于生態(tài)工程及生態(tài)恢復(fù)技術(shù)，增強(qiáng)長江干流水體自凈能力。

3 結(jié)論

本文設(shè)置了“自然要素、水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)”4 個評價層，通過優(yōu)化的主成分分析法，對大型河流長江干流2006年～2022年的水環(huán)境承載力進(jìn)行了時空差異性評估，并對其未來水環(huán)境承載力變化進(jìn)行模擬預(yù)測，提出長江干流水環(huán)境承載力提升方案。

（1）長江干流水環(huán)境承載力評估的指標(biāo)選取中，圍繞4 個評價層共選取25 項指標(biāo)，指標(biāo)之間存在一定程度的相關(guān)性，其中I1 與I12，I2 與I3，I4 正相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.99，0.96，0.93；I14～I(xiàn)16與I22～I(xiàn)24 指標(biāo)間呈強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)在0.90～0.97；I25 與I14～I(xiàn)16，I22～I(xiàn)24 呈顯著負(fù)相關(guān)，系數(shù)在-0.95～-0.91。

（2）通過主成分分析設(shè)置4 個主成分，累積方差貢獻(xiàn)率為86.021%，其中第一主成分內(nèi)指標(biāo)反映了長江干流的水資源與社會經(jīng)濟(jì)狀況，第二主成分反映了長江干流自然要素變化狀況。通過加權(quán)計算得到了長江干流S1～S5 在2006年～2022年環(huán)境承載力的綜合得分，將所得分值分為優(yōu)（I 級）、良（II級）、中（III 級）和差（Ⅳ級）4 個等級。

（3）長江干流水環(huán)境承載力綜合指標(biāo)分值在時間尺度上的變化呈現(xiàn)出逐漸上升趨勢，從Ⅳ級上升為Ⅰ級，綜合得分由-1.66 逐漸上升為1.26。長江干流S1～S5 區(qū)域間水環(huán)境承載力由優(yōu)至差排序呈現(xiàn)出S5 ＞S3 ＞S1 ＞S4 ＞S2，但整體仍呈改善趨勢。

（4）總體來看，長江干流S1～S5 在未來3年呈現(xiàn)出一致的上升趨勢，綜合指標(biāo)得分范圍為1.08～2.35，環(huán)境承載力等級86.67%的區(qū)域內(nèi)為Ⅰ級，未來需圍繞人與水資源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，加強(qiáng)水資源綜合管理、水需求管理和水質(zhì)管理，依據(jù)自然要素的變化尋找最合適的水資源開發(fā)利用方式，進(jìn)行綜合調(diào)控建設(shè)。