基于結(jié)構(gòu)方程的流域水環(huán)境承載力分析

徐律 安徽省城建設(shè)計研究總院股份有限公司

所謂水環(huán)境承載力，指的是水環(huán)境功能在一定區(qū)域和一定時期不朝惡性方向轉(zhuǎn)變且可持續(xù)發(fā)展的條件，水環(huán)境系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的對社會、經(jīng)濟、人口可持續(xù)發(fā)展規(guī)模支撐的閾值。通過科學(xué)評價水環(huán)境承載力，可持續(xù)的流域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展即可得到支持。

一、研究思路

水環(huán)境承載力評價需以構(gòu)建合理、科學(xué)、實用的體系，但由于客觀依據(jù)缺乏、主觀因素影響較大。本文建議采用結(jié)構(gòu)方程模型分析流域水環(huán)境承載力，該模型主要用于因果關(guān)系的建立、估計和檢驗，模型同時包括顯在變量和潛在變量，二者的區(qū)別在于能否直接觀測，通過對單項指標(biāo)間相互關(guān)系和指標(biāo)總體作用的清晰分析，結(jié)構(gòu)方程模型同時具備驗證性研究和探索性研究能力?；诮Y(jié)構(gòu)方程模型具備的優(yōu)勢，本文將基于該模型建設(shè)水環(huán)境承載力評價體系并實現(xiàn)權(quán)重的確定，結(jié)合流域?qū)嶋H，即可為流域的健康可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)[1]。

二、實例分析

（一）案例概況

以某地河流作為研究對象，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓繛?60.5mm，地勢東南低、西北高，屬于高原干旱、半干旱大陸性氣候，區(qū)域內(nèi)存在呈樹枝狀水系分布的河流干、支流，該流域?qū)儆诋?dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)達(dá)、人口集中的地區(qū)。

（二）數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要源于當(dāng)?shù)氐乃谋O(jiān)測站和氣象站點，以及當(dāng)?shù)卣l(fā)布的統(tǒng)計年鑒、污染源普查數(shù)據(jù)、經(jīng)濟社會發(fā)展統(tǒng)計資料等。以環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院及同類研究作為氨氮和COD 可用環(huán)境容量、氨氮與COD降解系數(shù)等數(shù)據(jù)來源。此外，研究還收集了當(dāng)?shù)氐耐恋乩脭?shù)據(jù)并基于Fragstats 等軟件開展了數(shù)據(jù)的處理。

（三）建立結(jié)構(gòu)方程模型

基于土地利用對水環(huán)境壓力和承載力的影響機理，以及數(shù)據(jù)的可獲得性，為明確水環(huán)境承載狀態(tài)與不同影響因素間存在的關(guān)系，研究采用結(jié)構(gòu)方程模型。直接測量無法獲得模型架構(gòu)主體變量，具體反映需要使用其他指標(biāo)，這類潛變量無法直接測量，側(cè)變量則能夠直接測量，基于可靠性、系統(tǒng)性、可操作性、科學(xué)性原則，為保證數(shù)據(jù)的順利收集，研究最終確定了潛變量共8 個，包括A1 面源負(fù)荷、A2 點源負(fù)荷、A3 水質(zhì)凈化能力、A4 產(chǎn)流和水源涵養(yǎng)能力、A5 上游來水水質(zhì)、A6 水環(huán)境壓力、A7 水環(huán)境承載力、A8 水環(huán)境承載狀態(tài)，其中A1 可細(xì)分為B1 化肥施用量、B2 耕地面積占比、B3不透水面面積占比共3 個測變量，A2 可細(xì)分為B4 氨氮點源排放量、B5 COD 點源排放量，A3 可細(xì)分為B6 河流蜿蜒度、B7 濕地聚集度、B8 濕地面積占比、B9 濕地連通性，A4 可細(xì)分為B10 水面面積占比、B11 草地面積占比、B12 林地面積占比、B13 年降水量，A5 可細(xì)分為B14 上游來水氨氮濃度、B15 上游來水COD，A6 可細(xì)分為B16 氨氮排放入河量、B17 COD 排放入河量，A7 可細(xì)分為B18 氨氮可用環(huán)境容量、B 19COD 可用環(huán)境容量，A8 可細(xì)分為B20 氨氮濃度、B21 COD。為更多獲取數(shù)據(jù)樣本量，將案例區(qū)域細(xì)分為控制子單元16 個，具體劃分基準(zhǔn)為自然水系匯水范圍。以污染物排放量和景觀格局/土地利用對水環(huán)境承載狀態(tài)影響路徑為基礎(chǔ)，針對性建設(shè)結(jié)構(gòu)方程模型用于水環(huán)境承載力評價，樣本數(shù)據(jù)組由收集的水文、土地利用、氣象、水質(zhì)、污染物排放等數(shù)據(jù)組成，標(biāo)準(zhǔn)化處理原始數(shù)據(jù)后即可向AMOS軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù)，具體格式為SPSS，量化計算采用極大似然法估計，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)及模型結(jié)構(gòu)能夠隨之確定[2]。

（四）水環(huán)境承載力綜合評價

基于上文確定的測變量和潛變量，即可構(gòu)建水環(huán)境承載力綜合評價指標(biāo)體系，該體系由準(zhǔn)則層、領(lǐng)域?qū)?、指?biāo)層組成，準(zhǔn)則層包括水環(huán)境壓力和水環(huán)境承載力，領(lǐng)域?qū)影嬖簇?fù)荷、點源負(fù)荷，以及水質(zhì)凈化能力、水資源供給能力、上游來水水質(zhì)，指標(biāo)層包括化肥施用量、耕地面積占比、不透水面面積占比、氨氮點源排放量、COD 點源排放量、河流蜿蜒度、濕地聚集度、濕地面積占比、濕地連通性、水面面積占比、草地面積占比、林地面積占比、降水、來水氨氮、來水COD。各層指標(biāo)的權(quán)重確定基于式（1）進(jìn)行計算：

（五）結(jié)果分析

結(jié)合權(quán)重的計算結(jié)果進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，水環(huán)境壓力負(fù)荷與承載力權(quán)重分別為0.67、0.37，這說明案例流域上游水環(huán)境質(zhì)量主要受到人類活動影響，由此可直觀了解本文研究方法的實用性。總的來說，結(jié)構(gòu)方程模型能夠較好用于流域水環(huán)境承載力研究，流域各個子單元水環(huán)境承載狀態(tài)也能夠基于該模型通過綜合評價指數(shù)揭示，同時該模型還能夠明確各類影響因素的源頭，如面源污染以化肥施用量和耕地面積占比為主要影響因素，水質(zhì)凈化能力則直接受到濕地聚集度和濕地連通性影響。

三、結(jié)論

綜上所述，基于結(jié)構(gòu)方程的流域水環(huán)境承載力分析具備較高實用性。為更好服務(wù)于流域可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境和資源差異的研究、水資源利用和污染防治政策的優(yōu)化必須得到重視。