基于自然要素的大尺度河流水环境承载力评价与预测

田雪琪，王 华，曾一川，陈经纬，李家乐

（1.河海大学 环境学院，江苏 南京 210098；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098）

0 引言

随着城市化和工业化进程的加快，水资源短缺、水污染问题日益严重，水环境已成为制约地区发展的关键性因素[1]。水环境承载力的广义定义指在保持现有水环境质量目标前提下，水环境能够支撑社会经济发展的能力或规模[2]，开展水环境承载力评价研究对区域生态环境保护与社会经济的可持续发展具有重要的指导意义[3]。

在水环境承载力评价的主要方法中，指标体系综合评价法因其简单易行、可操作性强被广泛应用[4]。梁静等[5]将“社会经济-水环境-水资源”作为选取目标，构建了基于环境容量的水环境承载力综合评价体系，并采用该评价体系对郑州市现状水环境承载力进行评价；刘洁等[4]综合考虑了水文情势、岸带陆域生态、水域生态3 个系统层，对秋香江河流生态环境承载力展开研究；王海根等[6]从经济发展、资源承载和环境承载3 个子系统选取25 个指标构建环境承载力评价体系，探究潍坊市海洋资源环境承载力水平变化趋势和关键影响因素；司训练等[7]基于水资源环境承载力系统的内涵，从水资源、水环境、社会和经济4 方面评估2006年～2020年西安市水资源环境承载力状况；王具文等[8]从水资源、排放强度、水环境质量和水生态4 个维度选取合理指标，构建了复合型水环境承载力评价指标体系，利用层次分析法和综合指数法评价了2018年～2020年各区县水环境承载力。以上研究方法并无将自然要素纳入考虑层面，主要是受特定研究区域面积约束，区域内自然要素差异较小。而针对大型河流，由于其地理位置跨越性强，覆盖面积广，气候变化复杂等因素决定了水流的分布和水质的变化，故自然要素是大型河流水环境承载力指标选取时一项必不可少的指标层。

长江由于其独特的自然地理特征以及丰富的生物资源，在我国经济与社会发展中的影响举足轻重，长江干流源区呈盆谷地貌，年平均气温仅有0 ℃，长江上游河流比降大，中下段连接盆地；长江中下游冲积平原地区，地势平缓，接连于众多湖泊[9]，整体而言，长江干流各个江段地貌特征、气候条件等具有较大差异[10]。基于长江的水文地理特征、地势地貌、气候多样性等自然基础条件，本文以“自然要素、水资源、生态环境、社会经济”4 个方面作为指标层，共选取25 个具体指标，通过改良的主成分分析法对长江干流S1～S5 区域在2006年～2022年的水环境承载力时空尺度变化趋势进行了评估，并通过ARIMA模型预测了长江干流未来3年水环境承载力的发展情况，最终从区域自然要素、水资源、经济社会与生态环境保护的关系出发，提出适合长江干流水资源开发利用的水环境承载力改善策略。

1 材料与方法

1.1 研究区域

长江位于东经91°～122°，北纬25°～35°，是中国最长的河流，也是全球第三长的河流，它发源于青藏高原，全长6 397 km，流域面积达1.810 6 km2，排水量约180 万km2[11]。长江干流依照地理条件、水文特征的差异性，通常划分为上、中、下游，宜昌以上地区作为上游，河段长约4 500 km；宜昌与湖口之间为中游，长约1 000 km；湖口以下为下游，下游长800 km[9]。长江干流以流域生态系统、经济社会活动、土地利用等各方面的特征进行划分，见图1。具体划分为5 段：长江上游划分为S1，S2，S3 三段，对应长江源区、横断山峡谷、四川盆地；S4，S5 分别代表长江中、下游。

图1 研究区域

1.2 数据来源

文中2021年长江流量逐月数据来源于《长江水文年鉴》与长江水利委员会（http://www.cjw.gov.cn/），气象数据均来自中国气象局科学数据共享服务网（http://www.cma.gov.cn/），遥感资料来自中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/），流域内社会经济数据数据主要来源于《中国城市统计年鉴》《中国环境统计年鉴》和各省市统计年鉴，水利工程建设数据来自于《水利统计公报》《水利部公报》以及中国水利工程数据库等，水质数据来源于中国环境监测总站网（http://www.cnemc.cn/）。

1.3 主成分分析法

主成分分析法将多个具有相关关系的变量综合成少数几个不相关的综合指标，实现多指标降维的目的[12]，该方法在保证结果精度基础上提高了处理效率。主成分贡献率的确定涉及综合数据，这对指标的单调一致性要求较高，本研究利用改良的主成分分析算法，该算法采用多线性技术，更好地捕捉数据中的复杂关系，从而提高降维的准确性[13]。方法步骤具体如下：

假设在长江干流一个区域分段内设定p 个指标，则n 个区域分段的原始数据矩阵为:

可以得到原始数据矩阵X 的p 列向量X1，X2，…，Xp线性组合：

将此线性方程缩写为：

线性组合方程满足以下条件:

F1，F2，…，Fn为主成分，主成分数据依据方差结果确定。主成分信息量减小，相关系数矩阵的特征值λi是各主成分的组合系数，方差贡献率公式为：

公式中贡献率值ai越大，证明主成分代表能力越强。依据选取的n 个评价指标(X1，X2，…，Xn)，通过PCA 向量变换和数据分析得到新的变量。

2 结果与讨论

2.1 评价指标体系构建

水环境承载力是指在保持一定水环境质量目标的前提下，水环境能够支撑社会经济发展的能力或规模，依据水环境承载力具体内涵，水环境承载力与资源环境和经济社会发展水平密切相关，因此水环境承载力的评价指标体系必须涵盖社会经济、水资源和水环境3 个方面。一般来说，影响大型河流环境容量的因素包括非自然因素和自然因素。非自然因素即人类活动，包括水资源、社会经济和生态环境等具体指标；自然因素包括气象、河流水文条件等。针对大型河流，自然因素对于水环境承载力的权重影响不可忽视，因此本文在水资源、社会经济、生态环境基础上增加自然要素指标层，并基于自然要素、水资源、社会经济、生态系统稳定性和多样性的统计数据构建综合评价指标体系，具体评估体系见表1。

表1 长江水环境承载力评价指标体系

2.2 基于主成分的指标权重确立

统计2006年～2022年长江干流25 个指标的数据，计算其相关系数矩阵，结果表明25 个评价指标之间存在一定程度的相关性。其中I1 与I12，I2 与I3，I4正相关性较强，相关系数分别为0.99，0.96，0.93；I14～I16 与I22～I24 指标间呈强相关性，相关性系数在0.90～0.97；I25 与I14～I16，I22～I24 呈显著负相关，系数在-0.95～-0.91。整体指标信息之间存在重叠，适合使用主成分分析方法进行计算，满足其计算的必要条件[14]。使用SPSSPRO 软件计算相关系数矩阵的特征值、贡献率及累积贡献率，结果表明，基于主成分特征值和贡献率，特征值λ1～λ4分别为11.886，4.577，2.363，1.658，前个主成分的累积方差贡献率为86.021%，且主成分特征根皆大于1，满足主成分数量的确定原则，可以代表分析长江干流水资源水环境水平的初始25 个指标[15]。

方差贡献率表明，第一主成分方差的贡献率为48.589%，远远大于第二主成分19.710%，第三主成分10.450%和第四主成分7.633%的贡献率。长江干流水资源水环境承载力主要受第一主成分控制。第一主成分与I1，I11，I12，I14～I17，I19，I22～I24 之间存在0.790～0.971 的强正相关，与I25 存在-0.893 的负相关性。这些指标反映了长江干流的水资源与社会经济状况；第二主成分与I2～I4，I7，I9 存在较相关关系，与I5 存在较强负相关性，反映了长江干流自然要素变化状况；第三主成分与I13 呈正相关。4 个主成分覆盖了长江干流自然要素、水资源、生态环境、社会经济4 大类的评价指标，该模型计算公式为：

式中：F 为长江干流水环境承载力评价指标的综合得分。F1，F2，F3与F4值与未旋转初始因子得分值的关系如下:

式中：Fi是主成分数值，score（n）是第n 个初始因子的得分值，sqr（λi）是第i 个主成分特征值的平方根。

通过归一化后的因子分析得到score（n）数据，进行各指标的熵权赋值计算。对归一化数据进行因子分析，得到25 个指标的权重值。通过加权综合分析，得到了长江干流S1～S5 在2006年～2022年环境承载力的综合得分，借鉴相关的分类方法将所得值分为4 个等级[16-18]，从最高的1.68 分到最低的-1.84分，中点值分别为1，0，-1。环境承载力分为优（I级）、良（II 级）、中（III 级）和差（Ⅳ级）。

2.3 水环境承载力时空分异特征

长江干流水环境承载力在时间尺度上的变化呈现逐渐上升趋势，见图2。

图2 长江干流水环境承载力综合分值时空分布差异性

由图2 可以看出，2006年～2009年，长江的环境承载力综合得分由-1.66 逐渐上升为-0.95，于2009年评级从Ⅳ级上升为Ⅲ级，2010年，长江干流环境承载力综合得分为0.10，到达II 级，随之下降，2011年～2014年长江的环境承载力评级在差（Ⅳ级）和良（Ⅱ级）之间波动，2015年起，长江的环境承载力稳定在Ⅱ级，2020年～2022年，长江的环境承载力评级为优（I 级），环境承载力综合得分在1.05～1.26。

长江干流S1～S5 各区域内，水环境承载力由优到差排序呈现出S5 ＞S3 ＞S1 ＞S4 ＞S2 的规律，在S5 区域内，长江干流水环境承载力综合指数提高了18.69%，且水环境承载力评价等级由Ⅳ级改善为Ⅰ级。在S1，S3 区域内，长江干流水环境承载力综合指数提高在14.16%左右，评价等级Ⅳ级起，最终改善为Ⅱ级。在S2，S4 区域内，评价等级虽由最初Ⅳ级改善为Ⅰ级，但年际间在Ⅱ～Ⅳ级间变化浮动较大，综合变化率在19.64%左右。整体而言，长江干流S1～S5 各区域内水环境承载力综合指标得分呈现出整体上升的趋势，长江干流的环境承载能力有所改善。长江干流水环境承载力在时间尺度上的改善与长江干流水生态相关保护政策的出台相关，2006年～2022年发布一系列政策，规划了长江流域水环境保护目标及措施，提出实施生态环境保护工程计划；明确禁止破坏长江生态环境行为，并设立了相应处罚措施[19]；提出了一系列水生态修复目标和措施，包括湿地保护、河道疏浚、水生态系统监测等[20]。长江干流S1～S5 区域内环境承载力时间趋势变化的具体分析表明，造成区域内变化不一致的主要驱动因素是地理位置差异导致的经济、自然要素差异性。长江干流S1 段的人类活动较少，工业化和城市化程度相对较低，这导致该段的自然生态环境相对较为原生态，受到较少的人为扰动和生态压力，因此S1 段整体变化最为稳定。长江干流S4，S5 人口最为密集，属经济发达区，工业生产、农业耕种、城市化进程导致大量的污染物排放、土地开发和水资源的过度利用，而近10 a 专项政策的出台缓解了突出的水环境承载力压力，使其有了较为显著的从Ⅳ级到Ⅰ级的转变。

2.4 水环境承载力预测与对策建议

采用ARIMA 模型预测时间序列数据，ARIMA预测中S1，S2，S3 和S5 模型表现较为良好，模型的拟合优度R2为0.500～0.674；S4 模型的拟合优度R2为0.449，基本满足要求。长江干流区域水环境承载力综合得分预测分析见图3。由图3 可以看出，长江干流S1～S5 在未来3年呈现出一致的上升趋势，综合指标得分范围为1.08～2.35，环境承载力等级86.67%为Ⅰ级。其中，S2 区域综合指标分值在预测时间段内变化幅度大，2023年～2025年分值变化幅度为0.379，且在2025年达到长江干流总区域最高值2.35；S1，S4 和S5 在2023年～2025年综合指标得分变化幅度相近，且分值变化区间皆处于1～2；S3 与其余区域不同，其环境承载力等级呈现出Ⅱ级到Ⅰ级的跨越，在2023年，2024年分别为0.729，0.873，在2025年达到了Ⅰ级，分值为1.015。

图3 长江干流区域水环境承载力综合得分预测分析

预测结果表明，未来3 a 长江水环境承载力综合指标得分值主要受长江干流的社会经济和生态发展状况变化影响，自然要素变化是另一主要驱动力。从水资源保有量、生态基流、水质自净力3 方面考虑，研究适合长江干流水资源开发利用的水环境承载力改善策略。首先，通过完善区域水网建设，保障水资源保有量，提升供水保证率。长江流域总水库5.10 万多座，但总库容仅4 141 亿m3，占多年平均地表径流量42%。全流域水库调节系数为0.42，水库可调控能力有限，其中洞庭湖四河水库、鄱阳湖五河水库总库容分别为3.69×1010，1.78×1010m3，调节系数分别仅为0.21，0.16[21]。长江干流水量大，绝大多数控制性水库只能做到季调节水平，多年调节水库多建在二、三级支流上。未来可借助天然水域和水利工程的互联互补，并基于区域水网的建设，进而提高干流和流域供水保障能力。其次，通过生态基流补水缓解河流水环境恶化现象[22]，根据水功能区管理目标确定河流和主要水域纳污能力[23]，建立监测体系，对主要排污口设置计量装置，动态监测和评价重要水功能区水质状况，建立突发水污染事故快速监测和评估机制[24]。最后，在控源截污的基础上借助河道生态浮床、河岸岸边带修复提升长江干流水质自净力[25]。长江干流大坝周期性蓄水运行后易受回水顶托影响，从而流速变缓、水体自净交换能力减弱，未来可基于生态工程及生态恢复技术，增强长江干流水体自净能力。

3 结论

本文设置了“自然要素、水资源、生态环境、社会经济”4 个评价层，通过优化的主成分分析法，对大型河流长江干流2006年～2022年的水环境承载力进行了时空差异性评估，并对其未来水环境承载力变化进行模拟预测，提出长江干流水环境承载力提升方案。

（1）长江干流水环境承载力评估的指标选取中，围绕4 个评价层共选取25 项指标，指标之间存在一定程度的相关性，其中I1 与I12，I2 与I3，I4 正相关性较强，相关系数分别为0.99，0.96，0.93；I14～I16与I22～I24 指标间呈强相关性，相关性系数在0.90～0.97；I25 与I14～I16，I22～I24 呈显著负相关，系数在-0.95～-0.91。

（2）通过主成分分析设置4 个主成分，累积方差贡献率为86.021%，其中第一主成分内指标反映了长江干流的水资源与社会经济状况，第二主成分反映了长江干流自然要素变化状况。通过加权计算得到了长江干流S1～S5 在2006年～2022年环境承载力的综合得分，将所得分值分为优（I 级）、良（II级）、中（III 级）和差（Ⅳ级）4 个等级。

（3）长江干流水环境承载力综合指标分值在时间尺度上的变化呈现出逐渐上升趋势，从Ⅳ级上升为Ⅰ级，综合得分由-1.66 逐渐上升为1.26。长江干流S1～S5 区域间水环境承载力由优至差排序呈现出S5 ＞S3 ＞S1 ＞S4 ＞S2，但整体仍呈改善趋势。

（4）总体来看，长江干流S1～S5 在未来3年呈现出一致的上升趋势，综合指标得分范围为1.08～2.35，环境承载力等级86.67%的区域内为Ⅰ级，未来需围绕人与水资源可持续发展的关系，加强水资源综合管理、水需求管理和水质管理，依据自然要素的变化寻找最合适的水资源开发利用方式，进行综合调控建设。