基于贝叶斯网络的流域水环境承载力超载风险评价——以北运河流域为例

现有流域水环境承载力评估研究大多从确定性角度进行评价,从流域水环境承载力超载风险角度评价的较少.为弥补以上不足,本文从不确定性分析角度,耦合水环境和水资源两个水环境承载力分量超载风险及其对应的概率,构建了基于贝叶斯网络的流域水环境承载力超载风险评价模型,并依据超载风险的概率分布确定流域各控制单元的超载风险指数.最后以北运河流域为例,对其水环境承载力超载风险进行了评价,并依据评价结果进行超载风险分区.结果表明：中度超载风险区包含清河闸、榆林庄、大红门闸上、东堤头闸上4个控制单元,重度超载风险区包含南沙河入昌平、前侯尚村桥2个控制单元;基于“卸荷”和“强载”的双向调控理念,在产业结构、技术手段和环保意识等方面从全过程控制角度提出降低流域水环境承载力超载风险的调控措施.     

基于BP神经网络的水环境承载力预警研究——以北运河为例

为了预测水环境承载力未来可能出现的超载状态并提出警告,达到水环境风险管控的目的,本文构建了基于BP神经网络的水环境承载力预警方法体系,并在北运河流域开展了实证研究.所构建预警模型包括COD、氨氮、总磷承载力预警子模型和水资源承载力预警子模型,且模型拟合效果较好（平均绝对百分比误差在20%左右）.研究结果表明：朝阳区、海淀区等8个行政区落在了红灯重警区域,水环境承载力超载状况最为严重;位于北运河中下游的石景山区、广阳区、北辰区和香河县处于橙灯中警区域;昌平区、顺义区等5个行政区处于黄色轻警区域;怀柔区和延庆区处于绿色无警区域,状况较好.最后,为了排除警情,基于双向调控的原则,本文从水环境全过程控制角度,分别对各区域提出了调控区域人口规模及经济发展方式、治理面源污染等具体排警措施.     

北运河北京段水生态承载力研究及关键控制要素识别

北运河水系一直存在水资源缺乏、水环境污染、水生态功能不足等问题,未来北京市副中心高标准建设的加速还会增加流域的生态环境负担.因此需明确北运河北京段水生态承载力的时空变化特征,识别其关键控制要素,提升水生态承载力以满足区域发展需求.本文从水资源、水环境、水生态3个方面构建区域水生态承载力评价指标体系,收集1995-2018年北运河北京段的评价指标数据,运用熵权法确定指标权重,分析北运河北京段的水生态承载力状况及关键控制要素.结果表明:1995-2015年,北运河北京段整体处于超载或临界超载状态,2018年水生态承载力有所提升,达到安全承载状态;各子流域间水生态承载力差异显著,其中,位于北运河上游的沙河子流域在1995-2000年处于安全承载状态,在2005-2018年处于临界超载状态,水生态承载状态相对较好,但仍有改善的空间;1995-2018年,清河、温榆河和凉水河等子流域水生态承载状态处于超载状态,水生态承载状态相对较差,需加大水生态承载力提升力度;影响区域水生态承载力的关键要素为河岸带林草覆盖率,其次水环境质量也对水生态承载力具有重要影响.研究显示,北运河北京段水生态承载力的提升需在改善区域生态环境状况的同时加强对水资源的综合利用.      

小流域水环境承载力评估预警分析

水环境承载力是衡量流域可持续发展的重要指标之一.文章以亮子河流域水环境现状为基础,建立了基于水资源-水环境-水生态的复合评价体系,并应用于小尺度优控单元的水环境承载力的评估、预警工作.结果表明,亮子河流域在2012年为临界超载-黄色警情,2013年水环境承载力转好,变为蓝色警情,2014～2018年均为超载-橙色重警,...     

流域水环境承载力聚类分区方法研究——以湟水流域小峡桥断面上游为例

流域内社会经济发展水平与水资源环境条件存在空间差异,导致水环境承载力具有空间差异特征.因此,有必要在流域水环境承载力分区基础上,实施差异化监管.以湟水河流域小峡桥监测断面上游为例,基于国家控制单元划分16个子单元,从水环境承载力大小、水环境承载状态、水系统脆弱程度及水环境承载力开发利用潜力4个角度,构建水环境承载力聚类分区指标体系,并对其进行量化.在此基础上,利用k-均值聚类法对控制子单元进行合并分区.通过轮廓系数验证,将研究区划分为4类最合理,即重点保护水环境敏感区、限制开发水资源约束区、控制开发水环境超载区和优化开发高开发潜力区.针对不同分区特点,提出具有针对性的水环境承载力双向调控措施,为流域水系统精细化管理及可持续发展提供科学依据.     

基于时差相关分析和模糊神经网络的白洋淀流域水环境承载力评价预警

为实现水环境承载力评价和预警,运用耦合DPSR模型和时差分析方法构建了白洋淀流域水环境承载力监测预警指标体系,并结合神经网络与模糊数学构建了T-S模糊神经网络模型,根据控制图法确定了监测预警指标阈值,解决了水环境系统的随机性和模糊性问题,最终实现了白洋淀流域水环境承载力的有效评价和预警。结果表明:1)白洋淀流域水环境承载力在2012-2015年处于较弱承载状态,在2016,2017年处于中等承载状态,现状评价等级由Ⅳ级(橙色警灯)转变为Ⅲ级(黄色警灯);2)在现状发展趋势下,2018-2035年白洋淀流域水环境承载力整体呈先上升后下降趋势,自2026年以后流域水环境整体呈恶化状态,水环境承载力逐渐从中等承载(黄色警灯)向较弱承载(橙色警灯)和弱承载状态(红色警灯)转变;3)未来区域人口的增长和雄安新区的快速发展会给白洋淀流域水环境带来巨大压力,因此可加大区域水环境保护力度,实施基于空间单元的精细化环境管控方案,推动区域经济绿色转型,促进区域水环境质量全面改善和良性发展,以提高区域可持续发展水平。     

非点源特征区水环境承载力预警与调控研究——以承德市为例

水环境承载力预警是当前水环境管理的重要内容，现有水环境承载力预警大多停留在评价层面，预警技术方法体系尚处于探索阶段.以水环境承载状态指数为预警指标，以经济社会发展、水污染治理、水资源利用等14个指标作为调控指标，建立基于系统动力学（SD）的水环境承载力预警调控模型，并以非点源为主要污染源的承德市为例开展实证研究.结果表明：按照现状趋势发展，承德市未来水环境承载状态指数将呈现不断上升趋势，并于2023年开始超载.3种调控方案的结果显示，污染治理调控方案不能满足水环境系统支持承载力的要求，推荐经济社会发展调控与污染治理调控双约束方案，该方案下，2035年水环境承载状态指数为0.65，可承载的GDP为3866亿元，人口数量为368万人，需通过提高灌溉水有效利用系数、再生水回用率、污水处理率、以及调整种植结构和畜禽养殖规模等实现.本文为以非点源污染为特征地区的水环境承载力预警与调控研究提供思路与方法，并为承德市水环境与经济社会协调发展提供定量化方案.     

基于水量-水质耦合过程的流域水生态承载力优化方法与例证

水质与水量是影响水生态系统健康的重要因子,开展以生态需水和功能区水质达标为核心的水生态承载力研究对改善流域生态用水不足和水污染具有重要意义.当前流域水生态承载力优化方法将水量和水质作为独立系统处理,忽视了其耦合关系.基于河流水质模型和水资源模型,建立了流域水环境容量与环境流量的函数关系,并作为水生态承载力优化模型的约束条件,构建了以人口与产业规模最大化为目标的水生态承载力的优化模型.最后,对水污染严重且水资源短缺的盘龙江流域进行了实证研究.结果表明:建立的水生态承载力模型能够反映水量与水质的耦合作用,从而提高了流域水生态承载力决策的科学性;盘龙江流域的水生态承载力为20.56万人和119.24亿元GDP,2014年的流域现状值超载了234%;流域水生态承载力与环境流量比例具有显著的补偿关系,呈现倒V型非线性变化过程;当外流域调水的水质高于或等于受水区水质时,受水区的水生态承载力可得到一定程度的提高.     

2008年滇池流域水环境承载力评估

自20世纪70年代以来,随着经济迅猛发展以及人口的快速增长,滇池流域的水环境问题日益突出. 为深入了解造成当前水环境问题的根本原因,以水资源承载力和水环境承载力作为广义水环境承载力的基础进行综合分析,并且利用水资源供需平衡和水资源承载压力度反映水资源承载力,利用水环境承载率反映水环境承载力. 结果表明:滇池流域TN和TP的水环境承载率分别为0677和0355,处于超载状态,是导致滇池流域严重富营养化的主要原因;水资源承载压力度为145,远大于供需平衡,同样也处于超载状态,实际水资源盈亏为-59 037×104 m3,缺失严重. 因此,滇池流域水质型和资源型缺水问题共同存在.      

基于系统动力学和向量模法的亮子河流域水环境承载力评价

文章以亮子河流域水环境现状为基础,建立了基于系统动力学模型和向量模法的水环境承载力评价体系,从水资源、社会经济和水环境3个方面对水环境承载力的变化情况进行评估,并提出超载流域水环境承载能力的调控对策。结果表明,亮子河流域在2013年承载力情况最好,2015年承载力最差,2014～2018年属于轻度超载。以2018年为调整起点,4种调整方案均可以实现水环境承载力的提升。通过总结提升方案可知,提升对策应该以水资源量提高为主,社会经济指标提高为辅,兼顾提升水环境质量,可以有效的提高亮子河流域的水环境承载力整体水平。     

基于小流域山水林田湖草一体化保护修复的北运河上游生态修复专栏序言

北运河上游流域(沙河水库以上)地处山区源头和城乡结合部过渡区,面临着农业和村镇面源污染风险、河沟道生态系统退化等问题,其水环境治理和水生态修复是北运河流域水生态环境改善的重要环节.本专栏是"北运河项目"中"北运河上游水环境治理与水生态修复综合示范"课题团队近年来的代表性科研成果,遵循以小流域为单元的山水林田湖草一体化保...     

宁夏水环境承载力的定性研究——以COD和氨氮为例

主要介绍水环境承载力的研究背景、水环境承载力的定义、研究现状,以宁夏的水资源状况、自然条件、经济技术水平、科技水平建立水质水环境承载力评价指标体系,确定评价准则.根据统计年鉴、年报、调查的水文资料,选取宁夏地区的五个城市作为宁夏水环境承载力评价单元,分析宁夏市级水环境承载力状况,给出了技术路线图,根据水质水环境承载能力的评价结果,可知宁夏各区(除固原市)及宁夏全区的水质水环境承载力处于"临界超载"状态,其中固原市严重超载.     

水环境承载力中长期预警研究-以昆明市为例

基于系统动力学动态模拟仿真方法,构建水环境承载力预警方法体系,并以昆明市为研究对象,对其水环境承载力超载状态进行预警.研究结果显示：在目前发展情景（BAU）下,2015~2025年10a间,昆明市水环境承载力超载状态综合指数从1.78逐渐增大到2.22,水环境超载状态不断恶化;昆明市系统耦合协调度一直处于0.5~0.8之间,且社会总功效大于水环境总功效,社会经济子系统与水环境子系统互相拮抗;警度自中警转为巨警,信号灯由橙灯转化为红灯,昆明市未来面临着严峻的水环境承载力超载问题.     

基于结构方程的流域水环境承载力评价——以湟水流域小峡桥断面上游为例

针对流域水环境承载力评价中指标体系构建及权重确定缺乏客观依据的问题,以湟水流域小峡桥断面上游为例,通过兼顾压力与水环境承载力的控制断面水质影响路径分析,建立了面向水环境承载力评价的结构方程模型(Structural Equation Modeling, SEM);在此基础上,构建了湟水流域的水环境承载力综合评价体系,并获得各指标权重,进而利用向量模法对流域水环境承载状态进行了综合评价.结果表明:SEM模型能够定量反映土地利用/景观格局及污染物排放因素与水环境承载状态的相关关系;SEM模型的路径分析可为水环境承载力综合评价指标体系的建立提供科学依据;由SEM模型得到的路径影响相关系数,可为权重的确定提供新的科学方法;研究区16个控制子单元呈上、中、下游水环境承载状态逐渐变差的梯度特征;最后,针对湟水流域不同区域的社会、经济、环境和资源差异,从流域水环境承载力双向调控的角度,提出改善水环境承载状态的相关建议,进而为流域水系统持续协调发展提供精细化管理支撑.     

基于环境质量标准的长江经济带水环境承载力评价

长江经济带是我国重要的生态安全屏障,也是我国经济发展的重心所在,开展水环境承载力评价对于促进长江经济带绿色发展具有重要意义。本文基于环境质量标准的承载力评价方法对长江经济带的11省(市)各区县单元的水环境承载力进行评价,并进行超载成因分析。结果表明,2016年长江经济带水环境形势整体上处于临界超载状态,其中上海市超载程度最为严重。从单项水污染物指标数值来看,长江经济带除湖北省(无数据)外的10省(市)中总氮(TN)超标指数超载状态最为严重,超载率为70%;从污染物超载状态在地市(州)的空间分布来看,总氮和总磷(TP)是长江经济带的首要污染物,其中安徽省亳州市、宿州市和阜阳市等市超载严重,整体呈现出长江中下游地区超载严重的空间格局。     

水环境承载能力监测预警平台

正该平台是一套水环境承载能力评估监测预警一体化、多模型集成化、决策智能化的水环境承载能力监测预警平台。平台融合了数据库管理、水环境容量计算、水污染负荷计算、水环境承载能力监测预警、GIS应用、数据共享与服务、系统管理等多个功能模块。平台能够定量化计算水环境承载能力,针对水环境承载能力超载地区,提出产业结构调整及污染物减排方案,并能够定量化模拟计算不同决策情景对水质及水环境承载力的贡献度。真正实现水环境承载力     

水环境承载能力监测预警平台

正该平台是一套水环境承载能力评估监测预警一体化、多模型集成化、决策智能化的水环境承载能力监测预警平台。平台融合了数据库管理、水环境容量计算、水污染负荷计算、水环境承载能力监测预警、GIS应用、数据共享与服务、系统管理等多个功能模块。平台能够定量化计算水环境承载能力,针对水环境承载能力超载地区,提出产业结构调整及污染物减排方案,并能够定量化模拟计算不同决策情景对水质及水环境承载力的贡献度。真正实现水环境承载力业务的系统化运行,从而为科学制定水环境管理规划、有效改善水环境质量促进区域经济环境协同发展提供技术支持。     

基于水质和水量视角下的水环境承载力研究——以高淳固城湖流域为例

以江苏高淳固城湖流域为例,从"水质"和"水量"不同角度综合分析流域水环境承载力。选取COD和NH_3-N为主要污染因子,通过一维稳态水质模型与物料衡算模型计算固城湖流域纳污能力,进而推算"水质"角度固城湖流域承载力;通过综合计算流域内可利用的水资源量推算其对流域内社会经济系统的支撑能力,即"水量"角度的承载力。结果表明,固城湖流域COD和NH3-N的纳污能力分别为8 483.97和622.47 t/a;不同水功能区纳污能力差别较大;基于水资源量的承载力基于COD的水环境承载力基于NH_3-N的水环境承载力;NH_3-N污染是目前固城湖流域发展的主要限制性因子;基于水资源量的承载力虽然较高,但存在季节性缺水的风险;应从多角度、有重点地提高固城湖流域水环境承载力。     

滇池流域水环境承载力及其动态变化特征研究

为了定量分析人口增长、经济发展、资源短缺和环境污染等因素对流域水环境的综合影响,建立了湖泊水环境承载力多目标优化模型.同时,选取人口、灌溉面积、国民生产总值(GDP)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)作为水资源和水质量承载力指标,运用层次分析法(AHP)确定各指标对湖区水环境承载力的权重,并运用指标体系评价法分别计算了2003—2010年滇池流域水环境承载力.结果表明,流域内人口承载度超标,经济承载压力显著增长,富营养化指标——TP、TN呈高负荷波动状态.滇池流域水环境承载力为负承载,水质量承载力影响程度更大.研究结果可为滇池流域的社会经济发展规划、生态环境保护和水资源可持续利用提供科学依据.     

基于SVR的长江经济带水环境承载力评价

基于DPSIRM模型构建区域水环境承载力评价指标体系,并基于SVR模型构建了区域水环境承载力评价模型,利用交叉验证法对SVR模型参数进行优化选择,进一步提高模型预测精度.运用该模型研究了长江经济带2009~2018年的水环境承载力演变趋势及空间差异,结果表明：长江经济带水环境承载力等级整体呈现升高趋势,其中上游城市群承载等级由II级（超载）提升到了IV级（弱可承载）;中游城市群承载等级由II级（超载）提升到了IV级（弱可承载）;下游长三角区域承载等级由I级（重超载）提升到了IV级（弱可承载）.将评价结果与熵权-TOPSIS法的评价结果相比较,相同率达到91.7%,说明SVR模型评价区域水环境承载力可行,评价结果可靠.以下游区域为例,分别对其6个子系统的承载力进行剖析,并运用单因素轮换OAT法对各子系统内的评价指标进行敏感性分析,便于决策者识别指标敏感性.