北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力研究及關(guān)鍵控制要素識別

杜 芳, 彭劍峰, 王亞俊, 張 旺

1.中國礦業(yè)大學(xué)， 江蘇 徐州 221116

2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院水質(zhì)與水生態(tài)研究中心， 北京 100084

3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)， 北京 100083

北京市副中心承擔(dān)著疏解非首都功能、推進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展的功能，區(qū)域內(nèi)主要水系屬于北運(yùn)河水系[1]. 北運(yùn)河北京段承載了北京市主要人口，多年來水質(zhì)狀況較差，水生態(tài)現(xiàn)狀不容樂觀[2-3]. 隨著北京市副中心的快速建設(shè)和發(fā)展，區(qū)域內(nèi)水資源-水環(huán)境-水生態(tài)面臨嚴(yán)峻的承載壓力. 生態(tài)系統(tǒng)作為城市生態(tài)系統(tǒng)的承載基底，水生態(tài)承載力制約著城市發(fā)展的速度和規(guī)模. 如何解析北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力演變過程，并識別關(guān)鍵控制要素，是提升副中心地區(qū)生態(tài)承載力的前提要求[4-5].

水生態(tài)承載力(WECC)是近年新興的，基于承載力理論，綜合水資源、水環(huán)境等要素對水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究的一個(gè)綜合性的概念，目前學(xué)術(shù)界對其定義及研究方法仍在不斷探索中，尚未達(dá)成統(tǒng)一共識[6]. 水生態(tài)承載力指標(biāo)體系應(yīng)綜合水生態(tài)系統(tǒng)的水資源、水環(huán)境等要素. 國內(nèi)外學(xué)者多采用供需平衡法、生態(tài)足跡法、綜合指標(biāo)法等方法評估流域水生態(tài)承載狀況[7-8]，其中，綜合指標(biāo)評價(jià)法可綜合考慮各類因素，結(jié)構(gòu)體系清晰，便于厘清各因素間關(guān)系及確定關(guān)鍵控制要素[9]. 水生態(tài)系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)水生態(tài)承載力制約著城市發(fā)展的速度和規(guī)模. 北京市副中心所屬北運(yùn)河北京段，承擔(dān)著北京市排水、灌溉等多項(xiàng)功能，當(dāng)前關(guān)于水生態(tài)承載力的相關(guān)研究主要集中于水資源承載力、水環(huán)境容量以及水生生物結(jié)構(gòu)功能完整性等內(nèi)容[10-11]. 現(xiàn)有研究中仍缺乏綜合水資源、水環(huán)境、水生態(tài)指標(biāo)長時(shí)間序列下的水生態(tài)承載力評估和關(guān)鍵要素識別[12-13].

該研究通過綜合指標(biāo)法構(gòu)建北運(yùn)河北京段的水生態(tài)承載力評估體系，分別計(jì)算了1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年北運(yùn)河北京段區(qū)域整體和子流域的水生態(tài)承載力，分析了近30年水生態(tài)承載力演變特征，并采用多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識別水生態(tài)承載力的關(guān)鍵控制要素，以期為副中心生態(tài)承載力提升和壓力減負(fù)提供科學(xué)參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北運(yùn)河發(fā)源于北京市軍都山南麓，自西北向東南流入通州區(qū)，后流經(jīng)河北省香河縣、天津市武清區(qū)，并在天津市大紅橋匯入海河. 北運(yùn)河上游以山區(qū)丘陵為主，中下游為沖積平原，北運(yùn)河北京段區(qū)域面積約 4 348 km2，主河道長89.4 km. 北運(yùn)河流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，降水集中于6—9月，多年平均降水量為581.7 mm，多年平均天然徑流量為4.8×108m3，年內(nèi)來水量變化明顯，非汛期以再生水排水為主. 北運(yùn)河北京段包括沙河、藺溝河、清河、通惠河、溫榆河、涼水河、壩河、小中河、北運(yùn)河、鳳河10個(gè)子流域(見圖1)，承載了北京市70%以上的人口，該區(qū)域經(jīng)濟(jì)總量占北京市的80%以上，容納了北京市90%以上的污水排放量. 根據(jù)《北京市水資源公報(bào)(2019年)》，2019年北運(yùn)河水質(zhì)以GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類和Ⅴ類為主，水環(huán)境質(zhì)量較差. 此外，就流域水生態(tài)狀況而言，京津冀對北運(yùn)河流域水資源利用率較高，流域季節(jié)性斷流頻發(fā)，河流自凈能力差，生態(tài)基流難以保障.

圖1 北運(yùn)河北京段子流域示意

1.2 研究方法

1.2.1水生態(tài)承載力評估體系構(gòu)建及權(quán)重確定

該研究從水資源、水環(huán)境、水生態(tài)3個(gè)層面收集了30多個(gè)指標(biāo)，并進(jìn)行了因子有效性分析[14]. 在SPSS 19.0軟件中對指標(biāo)進(jìn)行主成分分析并進(jìn)行最大方差法因子旋轉(zhuǎn)，指標(biāo)體系通過了KMO度量、Bartlett球形度檢驗(yàn)(KMO>0.6，Sig.=0.000). 在此基礎(chǔ)上劃分出水資源稟賦、水資源利用、水環(huán)境納污、水環(huán)境凈化、水生生境、水生生物6個(gè)分指標(biāo)，人均水資源量、年降雨量、水資源開發(fā)利用率、農(nóng)業(yè)污染強(qiáng)度指數(shù)、工業(yè)和生活污染強(qiáng)度指數(shù)、水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、河岸帶林草覆蓋率、生境連通性指數(shù)、生境整體性指數(shù)、生境聚集度指數(shù)和葉綠素含量11個(gè)子指標(biāo)(見表1)，構(gòu)建了北運(yùn)河北京段的水生態(tài)承載力評估體系.

為避免人為賦值帶來的主觀性影響，對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重[15-16]. 熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重過程中，如果指標(biāo)信息熵越大，則該指標(biāo)提供的信息越充分，權(quán)重賦值越大. 正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算分別如式(1)(2)所示，第i個(gè)樣點(diǎn)第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算公式如式(3)～(5)所示.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

通過指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化和權(quán)重的確定，北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力評估體系及指標(biāo)權(quán)重如表1所示.

表1 北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力評估體系

1.2.2水生態(tài)承載力分值計(jì)算

水生態(tài)承載力指標(biāo)體系中水資源、水環(huán)境和水生態(tài)等3個(gè)總指標(biāo)的計(jì)算如式(6)所示. 水生態(tài)承載狀態(tài)分值T值由總指標(biāo)加權(quán)獲得，計(jì)算公式如式(7)所示.

(6)

T=A×WA+B×WB+C×WC

(7)

式中，Z為水生態(tài)承載力承載總指標(biāo)，Ij為分指標(biāo)第j個(gè)子指標(biāo)指標(biāo)值，Wj為第j個(gè)子指標(biāo)權(quán)重，Wk為該總指標(biāo)第k個(gè)分指標(biāo)權(quán)重，WA、WB、WC分別為水資源、水環(huán)境、水生態(tài)總指標(biāo)，A、B、C分別為總指標(biāo)WA、WB、WC的權(quán)重.

根據(jù)水生態(tài)承載力狀態(tài)分值進(jìn)行承載力狀態(tài)等級劃分，結(jié)果如表2所示.

表2 水生態(tài)承載力等級劃分

1.2.3水生態(tài)承載力差異性識別

單因素方差分析僅考慮一個(gè)因素的影響而固定其他因素，也可用于檢驗(yàn)樣本量為兩個(gè)以上時(shí)均數(shù)差別是否具有顯著性[17-18]. 為了對子流域間水生態(tài)承載力的差異性進(jìn)行識別，首先應(yīng)對各子流域近30年的水生態(tài)承載力綜合分值進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)和正態(tài)分布檢驗(yàn)(Shapiro-Wilk檢驗(yàn)和K-S檢驗(yàn)). 在方差齊性檢驗(yàn)和正態(tài)分布檢驗(yàn)均通過后進(jìn)行單因素方差分析，這一過程在R 4.0軟件中運(yùn)用multcomp包完成.

1.2.4區(qū)域承載力關(guān)鍵控制要素識別方法

為識別承載力關(guān)鍵控制要素，在IBM SPSS 19.0軟件中對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法為K-S(Kolmogorov-Smirnov)法，對滿足正態(tài)分布和不滿足正態(tài)分布的指標(biāo)分別用Pearson相關(guān)系數(shù)和Spearman相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析[19]. 然后在IBM SPSS 19.0軟件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊中按照訓(xùn)練集和測試集7∶3 比例建模，對各子流域1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年共6期的水生態(tài)承載力綜合指標(biāo)和子指標(biāo)進(jìn)行多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析，并通過標(biāo)準(zhǔn)化后的重要性分析得出區(qū)域承載力關(guān)鍵控制要素[20]. 綜合分析相關(guān)系數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型重要性，最終得出區(qū)域承載力關(guān)鍵控制要素.

1.3 數(shù)據(jù)來源

1.3.1指標(biāo)數(shù)據(jù)來源

北運(yùn)河北京段區(qū)域1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年6期各子指標(biāo)量化方法和數(shù)據(jù)來源如表3所示. 其中，水資源相關(guān)數(shù)據(jù)來自1995—2018年《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》《北京市通州區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《北京市水資源公報(bào)》. Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像(分辨率為30 m)、土地利用類型數(shù)據(jù)、相應(yīng)年份的年降雨量、人口、GDP等空間柵格數(shù)據(jù)(分辨率為1 km)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)[21-22]. 水生生境指數(shù)中的河岸帶林草覆蓋率由ArcGIS(500 m)緩沖區(qū)分析得到，生境連通性指數(shù)、生境整體性指數(shù)、生境聚集度指數(shù)分別由Frgstats 4.2軟件中的CONNECT指標(biāo)、COHESION指標(biāo)和AI指標(biāo)計(jì)算得到. 生境連通性指數(shù)用來表示景觀間的連接狀況，景觀間連接狀況越好則生境連通性越強(qiáng)；生境整體性指數(shù)表示景觀斑塊間的整體性，景觀間整體性越強(qiáng)則生境整體性指數(shù)值越高；生境聚集度指數(shù)表示景觀聚集程度，即景觀中不同斑塊類型相鄰的概率；生境聚集度指數(shù)隨著景觀聚集程度的增加而增大[23-24].

表3 北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力數(shù)據(jù)來源及量化方法

生境連通性指數(shù)(CONNECT)、生境整體性指數(shù)(COHESION，%)和生境聚集度指數(shù)(AI，%)的計(jì)算公式分別如式(8)(9)(10)所示：

(8)

(9)

(10)

式中：dijk為一定臨界距離內(nèi)，與斑塊類型i相關(guān)的斑塊類型j、k的連接狀況；ni為斑塊類型i的斑塊個(gè)數(shù)；pij為斑塊ij的周長，m；aij為斑塊ij的面積，hm2；N為柵格總個(gè)數(shù)；eii為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的結(jié)點(diǎn)數(shù)；maxeii為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的最大結(jié)點(diǎn)數(shù)；CONNECT、COHESION、AI分別為生境連通性指數(shù)、生境整體性指數(shù)和生境聚集度指數(shù)，取值范圍均為[0，100],除CONNECT無單位外，其余兩個(gè)單位均為%.

遙感水質(zhì)反演技術(shù)較常規(guī)實(shí)地采樣水質(zhì)監(jiān)測方式在監(jiān)測面積和監(jiān)測時(shí)長上均具有顯著優(yōu)勢[25]. 傳統(tǒng)的實(shí)地采樣水質(zhì)監(jiān)測方式的不足之處主要有三方面：一是所需人力成本和物質(zhì)財(cái)力成本較高；二是采樣所得數(shù)據(jù)在時(shí)間范圍和空間范圍上不連續(xù)，無法滿足長時(shí)間序列下，區(qū)域大空間范圍內(nèi)持續(xù)監(jiān)測的實(shí)際需求；三是因特殊原因在部分年份或部分采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失時(shí)，單靠傳統(tǒng)采樣方式難以彌補(bǔ)部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失問題. 因此，傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以滿足流域管理與決策的實(shí)際需求. 近年來，為解決傳統(tǒng)采樣獲取數(shù)據(jù)時(shí)空連續(xù)性不足、部分區(qū)域水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)缺乏等實(shí)際問題，遙感水質(zhì)反演技術(shù)被廣泛運(yùn)用于內(nèi)陸水質(zhì)監(jiān)測[26-27]. 由于北運(yùn)河水質(zhì)數(shù)據(jù)來源限制，部分年份存在數(shù)據(jù)缺失問題，現(xiàn)有數(shù)據(jù)多為監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)，缺乏空間和時(shí)間連續(xù)性，無法滿足水生態(tài)承載力評估需要. 因此，該研究通過遙感反演的方法獲取了6期水質(zhì)及水生生物數(shù)據(jù)，反演指標(biāo)包括COD、TN、TP、氨氮濃度以及葉綠素含量.

1.3.2水質(zhì)指標(biāo)遙感反演

已有較多研究運(yùn)用實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)遙感反演，主要反演的水質(zhì)指標(biāo)包括COD、TP、TN、BOD、氨氮濃度以及葉綠素含量等. 該研究通過2019年9月和2020年10月北運(yùn)河的實(shí)測數(shù)據(jù)和部分歷史數(shù)據(jù)，運(yùn)用遙感反演模型獲得1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年6期的COD、TP、TN、氨氮濃度以及葉綠素含量數(shù)據(jù)，從而完善水生態(tài)承載力評估體系. 2019年設(shè)置水樣采樣點(diǎn)34個(gè)，2020年加密到47個(gè)采樣點(diǎn)，并補(bǔ)充采集了樣點(diǎn)水體光譜信息. 光譜信息運(yùn)用美國ASD公司(Analytical Spectral Devices,Inc.)生產(chǎn)的便攜式地物光譜儀(ASD Field Spec 4)收集[28]. 監(jiān)測樣品的采集、保存、測定均按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范處理[29-31].

在MATLAB 2017和Envi 5.3軟件中結(jié)合實(shí)測光譜數(shù)據(jù)建立遙感影像和水質(zhì)數(shù)據(jù)的反演模型. 在MATLAB 2017軟件中對實(shí)測光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑降噪、散射校正等預(yù)處理，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征波段的選取，然后對實(shí)測光譜和實(shí)測指標(biāo)值運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行建模，得到基于實(shí)測光譜數(shù)據(jù)的反演模型，并運(yùn)用反演模型得到水質(zhì)指標(biāo)的預(yù)測值[32]. Landsat遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射定標(biāo)、Flash大氣校正、裁剪等預(yù)處理，將所選擇的反演模型特征波段范圍與Landsat遙感影像數(shù)據(jù)波段范圍進(jìn)行對比，選擇遙感影像中對應(yīng)波段與實(shí)測光譜預(yù)測值運(yùn)用線性回歸方法進(jìn)行建模，從而完成實(shí)測光譜數(shù)據(jù)對遙感影像數(shù)據(jù)的校正；將反演模型運(yùn)用于各年份研究區(qū)遙感影像，從而得到北運(yùn)河北京段范圍內(nèi)各年份水質(zhì)數(shù)據(jù)[33-34]. 得到各年份水質(zhì)數(shù)據(jù)后，參考常用的精度檢驗(yàn)方法，選用決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)并結(jié)合已有數(shù)據(jù)對反演精度進(jìn)行評估[35]. 將反演出的水質(zhì)指標(biāo)值與從北京市北運(yùn)河管理處收集到的歷史水質(zhì)資料進(jìn)行對照，并且與《北京市水資源公報(bào)》中該區(qū)域的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級指示的水質(zhì)指標(biāo)范圍進(jìn)行對比[36].

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)指標(biāo)遙感反演精度評價(jià)

實(shí)測指標(biāo)數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)在0.85以上，遙感影像與實(shí)測光譜預(yù)測值建模得到的相關(guān)系數(shù)在0.8以上，COD、TP、TN、氨氮濃度以及葉綠素含量的相關(guān)系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)如表4所示. 由表4可見，水質(zhì)指標(biāo)反演整體相關(guān)性較好，反演模型精度較高，因此可用于評價(jià)指標(biāo)體系的計(jì)算.

表4 水質(zhì)指標(biāo)反演精度評價(jià)

《北京市水資源公報(bào)》顯示，1986—2018年，北運(yùn)河流域水質(zhì)基本為Ⅴ類或劣Ⅴ類，將流域水質(zhì)范圍與各樣點(diǎn)歷年水質(zhì)指標(biāo)等級以及北京市北運(yùn)河管理處部分水質(zhì)等級歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，判定反演的水質(zhì)指標(biāo)等級基本與公布水質(zhì)等級符合，因此反演精度與流域?qū)嶋H相符. 水利部和原環(huán)境保護(hù)部對北運(yùn)河水質(zhì)考核要求為Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，由于承載力評估體系中水質(zhì)指標(biāo)反映的是與北京市市控?cái)嗝娴人|(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)相比較的達(dá)標(biāo)情況，通過水質(zhì)超標(biāo)(Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))倍數(shù)來表征，因此反演精度與《北京市水資源公報(bào)》中區(qū)域水質(zhì)等級基本一致即可滿足評價(jià)精度要求.

2.2 北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力時(shí)空變化分析

通過構(gòu)建的北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力評估體系，計(jì)算得到1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年6期區(qū)域整體和子流域的水生態(tài)承載力，結(jié)果如圖2所示. 區(qū)域水生態(tài)承載力評估結(jié)果表明，北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力在近30年間呈周期性變化. 北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載狀態(tài)變化大致可分為3個(gè)階段：1995—2000年、2000—2015年、2015—2018年. 1995年區(qū)域綜合承載力分值為51.60，2000年區(qū)域綜合承載力處于超載狀態(tài)，分值為30.53，因此1995—2000年區(qū)域綜合承載狀態(tài)下降，2000年左右區(qū)域綜合承載狀態(tài)為近25年間最差. 2005年起區(qū)域承載狀態(tài)有所恢復(fù)，區(qū)域承載力綜合分值為52.43，為臨界超載狀態(tài)；2010年和2015年區(qū)域承載力綜合分值分別為42.19和51.70，處于臨界超載狀態(tài)，2015年區(qū)域綜合承載狀態(tài)較2005年有所下降. 2015—2018年區(qū)域綜合承載狀態(tài)有所恢復(fù)，至2018年，區(qū)域綜合承載分值達(dá)到63.91，已基本處于安全承載狀態(tài). 2018年區(qū)域整體水生態(tài)承載力較1995年和2015年高，說明近年來區(qū)域水生態(tài)承載力有上升趨勢.

圖2 北運(yùn)河北京段總體水生態(tài)承載力時(shí)序圖

從北運(yùn)河北京段子流域承載狀態(tài)(見圖3)來看，北運(yùn)河上游承載狀態(tài)好于中下游. 近30年上游的沙河子流域、藺溝河子流域以及中游的壩河子流域承載狀態(tài)較好，均處于臨界超載狀態(tài)；而承載狀態(tài)較差的子流域主要有涼水河、清河、溫榆河，近30年間基本處于超載狀態(tài). 就具體階段而言，藺溝河自2010年以來承載狀態(tài)下降趨勢明顯. 至2018年，北運(yùn)河承載狀態(tài)最好的子流域?yàn)閴魏印⑸澈?，水生態(tài)承載力分值分別為53.72、48.12；承載力最差的子流域分別為涼水河、北運(yùn)河、清河，水生態(tài)承載力分值分別為28.59、30.33、30.97.

圖3 北運(yùn)河北京段子流域水生態(tài)承載力時(shí)序圖

對各子流域綜合承載力指標(biāo)值作單因素方差分析以檢驗(yàn)子流域間綜合承載力的差異顯著性，結(jié)果如圖4所示. 進(jìn)行單因素方差分析前首先進(jìn)行了正態(tài)分布檢驗(yàn)，Shapiro-Wilk檢驗(yàn)和K-S檢驗(yàn)結(jié)果顯示，P值分別為 0.403 9 和0.956；方差齊性檢驗(yàn)P值為0.894，在α=0.05的檢驗(yàn)水平下，P>0.05，因此數(shù)據(jù)滿足方差齊性及正態(tài)分布，可進(jìn)行單因素方差分析. 單因素方差分析結(jié)果顯示，P值為2.48×10-11，小于 0.000 1，表明各子流域水生態(tài)承載力差異性顯著. 沙河、壩河的水生態(tài)承載力顯著高于其他子流域，藺溝河和小中河水生態(tài)承載力顯著高于北運(yùn)河、涼水河、溫榆河和清河，清河的水生態(tài)承載力分值最低，長期處于超載狀態(tài). 沙河、藺溝河子流域處于北運(yùn)河水系上游，早期受人為擾動(dòng)較小，因此整體承載狀態(tài)好于其他子流域；壩河近年來實(shí)施了一系列的綜合整治措施，生態(tài)恢復(fù)效果明顯.

注： 不同的小寫字母表示差異性顯著.

2.3 區(qū)域水生態(tài)承載力關(guān)鍵要素識別

運(yùn)用多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模、結(jié)合Pearson相關(guān)系數(shù)和Spearman相關(guān)系數(shù)方法得到區(qū)域水生態(tài)承載力的影響因子重要性，識別出區(qū)域水生態(tài)承載力關(guān)鍵要素. 結(jié)果(見圖5)顯示，相關(guān)系數(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模識別出的關(guān)鍵因子基本一致，重要性最大的影響因子為河岸帶林草覆蓋率. 多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出河岸帶林草覆蓋率標(biāo)準(zhǔn)化的重要性為100%，其次為河流連通性、人均水資源量、COD超標(biāo)倍數(shù)、生境整體性指數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化的重要性分別為62.4%、52.4%、38.1%、34.3%. 從總指標(biāo)層和分指標(biāo)層來看，區(qū)域水生態(tài)承載力主要控制因子為水生態(tài)總指標(biāo)中的水生生境指標(biāo)，其次為水環(huán)境總指標(biāo)中的子指標(biāo)，水資源總指標(biāo)的重要性較水生態(tài)和水環(huán)境指標(biāo)低.

圖5 水生態(tài)承載力影響因子重要性

3 討論

3.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對北運(yùn)河水生態(tài)承載力的影響

該研究運(yùn)用綜合指標(biāo)法從水資源、水生態(tài)、水環(huán)境3個(gè)層面構(gòu)建了北運(yùn)河北京段區(qū)域水生態(tài)承載力評估體系，結(jié)果顯示，北運(yùn)河北京段區(qū)域水生態(tài)承載力在近30年間呈周期性變化，即1995—2000年呈下降趨勢，2000—2005年呈上升趨勢，2005—2010年呈下降趨勢，2018年較2015年呈上升趨勢，并且2000—2010年水生態(tài)承載力的變化趨勢與京津冀地區(qū)水生態(tài)承載力的變化趨勢基本一致[37]. 已有研究[38-39]表明，水生態(tài)承載力反映的是生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的承載能力，區(qū)域所能承載的人口、GDP必須與當(dāng)?shù)氐馁Y源、環(huán)境相協(xié)調(diào)，因而歷年人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化趨勢也可以反映區(qū)域水生態(tài)承載力變化. 從區(qū)域人口變化來看，根據(jù)《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒(1995—2018)》，2018年末北京市常住人口為 2 154.2×104人，較2015年的 2 170.5×104人有所下降，常住人口下降對緩解環(huán)境壓力起到了一定作用，人口帶來的環(huán)境壓力變化與北運(yùn)河整體水生態(tài)承載力變化趨勢一致. 從區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度來看，GDP環(huán)比增速與區(qū)域整體水生態(tài)承載力變化趨勢基本一致，均在1995—2000年有所下降、2000—2005年有所上升、2005—2015年持續(xù)下降，但是2015—2018年GDP環(huán)比增速下降，區(qū)域整體水生態(tài)承載力有所提升，說明經(jīng)濟(jì)增速水平在一定程度上反映了區(qū)域生態(tài)承載能力，但是經(jīng)濟(jì)增長不一定就會(huì)造成區(qū)域水生態(tài)承載力的下降，這與關(guān)鍵控制要素識別結(jié)果相符. 因此，從環(huán)境、人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等各角度綜合分析，北運(yùn)河北京段區(qū)域水生態(tài)承載力變化趨勢與區(qū)域?qū)嶋H狀況基本相符. 區(qū)域整體和部分子流域水生態(tài)綜合狀況的改善可能與北京市近年來采取的一系列水環(huán)境綜合整治措施有關(guān). 根據(jù)北京市北運(yùn)河管理處相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)北京市從2005年開始進(jìn)行黑臭水體修復(fù)、污水設(shè)施升級改造以及施行水環(huán)境區(qū)域補(bǔ)償機(jī)制，因此近幾年北運(yùn)河部分區(qū)域水質(zhì)得到了明顯改善[36].

3.2 生態(tài)環(huán)境因素對北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力的影響

沙河子流域和藺溝河子流域均處于北運(yùn)河上游，有研究[40-41]表明，這兩個(gè)子流域地勢海拔相對較高，土地利用類型以林地、草地為主，受人類干擾較小，生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)狀況較好，生態(tài)系統(tǒng)的自我維持與凈化能力較強(qiáng)，水生態(tài)承載力較高，其中沙河子流域歷年植被覆蓋度均為各子流域中最高，除2000年以外均在60%以上. 據(jù)《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示，沙河子流域和藺溝河子流域歷年地均GDP和地均人口規(guī)模在所有子流域中屬中等偏下，城市開發(fā)強(qiáng)度相對較低，說明沙河子流域和藺溝河子流域受人為擾動(dòng)較小，生態(tài)環(huán)境狀況相對較好[40,42]. 但2010年后藺溝河子流域水生態(tài)承載力呈明顯下降趨勢，北京市北運(yùn)河管理處已有資料顯示，2018年藺溝河日排污量在 4×104m3以上，明顯高于其他子流域，說明部分子流域可能存在治理不徹底的狀況，從而導(dǎo)致子流域水生態(tài)的惡化. 此外，2010—2015年北運(yùn)河水系中游壩河子流域水生態(tài)承載力呈上升趨勢，2018年左右水系上游沙河子流域和中游壩河子流域水生態(tài)承載力分值明顯較其他子流域高，這與已有研究結(jié)果[40,43]基本一致. 2010年前北運(yùn)河水系中下游子流域承載狀態(tài)較差，最差的子流域主要有清河子流域和溫榆河子流域，較差的有涼水河子流域和小中河子流域，這些子流域均處于超載狀態(tài). 已有研究[44-45]表明，溫榆河存在大量未達(dá)標(biāo)污水排水口，清河和涼水河是北京市區(qū)主要排水河道，清河承載著城市化程度較高的北京市海淀區(qū)的人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長壓力，而小中河沿岸工業(yè)污染排放較大，這些因素給區(qū)域水生態(tài)綜合承載能力帶來了較大壓力. 2010年后除涼水河外，其他子區(qū)域水生態(tài)承載力均有不同程度改善，這一結(jié)論基本與北京市北運(yùn)河管理處持續(xù)監(jiān)測結(jié)果一致.

北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力最主要的影響因素為水生態(tài)，如河岸帶林草覆蓋率. 《北京市通州區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2005—2018年，通州區(qū)綠化覆蓋率從34.87%升至45.48%，提升趨勢顯著. 已有研究[46-48]表明，生態(tài)環(huán)境的改善，尤其是區(qū)域植被覆蓋率的提升對于區(qū)域生態(tài)輸水能力具有重要影響. 也有研究[49-51]表明，區(qū)域植被覆蓋度能調(diào)節(jié)氣候，有效控制水土流失，有助于水質(zhì)凈化，并能進(jìn)行雨洪滯蓄、涵養(yǎng)水源. 北運(yùn)河水生態(tài)承載力受水環(huán)境影響也較為顯著，如COD和TN濃度. 根據(jù)《通州區(qū)水環(huán)境質(zhì)量限期達(dá)標(biāo)規(guī)劃(2018—2020年)》，通州區(qū)北運(yùn)河流域污染來源主要為城鎮(zhèn)生活污水、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)村生活污水等，主要污染物為COD、氮和磷，各類污染物中COD排放量較為突出，這與關(guān)鍵控制要素中污染物排放規(guī)模等要素相符合. 此外，北運(yùn)河流域水生態(tài)承載力也在一定程度上受到水資源變化的影響，主要影響因素為人均水資源量，其反映了流域水資源稟賦. 1995—2018年北京市水資源總量與北京市人均水資源量變化趨勢基本一致，2000年北京市水資源總量為16.86×108m3，較1995年的47.62×108m3顯著下降，2005—2015年呈周期性變化，2018年為35.46×108m3，較2015年的26.76×108m3有所增加. 2000年北運(yùn)河北京段區(qū)域整體水生態(tài)承載力較1995年下降明顯，2005—2015年呈周期性變化，2018年水生態(tài)承載力較2015年有所提升(見圖3)，變化趨勢基本與北京市水資源總量和人均水資源量一致. 北運(yùn)河北京段區(qū)域水資源稟賦不佳，水資源補(bǔ)給以降雨為主，同時(shí)水資源總量年內(nèi)變化明顯，水資源十分寶貴；所以區(qū)域水資源綜合利用效率的改善也可能是區(qū)域水生態(tài)承載力提升的重要途徑[43,52]. 總體而言，北運(yùn)河北京段區(qū)域仍需加強(qiáng)對河流沿岸濕地及植被的保護(hù)，并通過人工恢復(fù)與自然恢復(fù)相結(jié)合的方法進(jìn)一步改善流域生態(tài)環(huán)境[52-53].

4 結(jié)論

a) 近30年來，北運(yùn)河北京段水生態(tài)承載力呈周期性變化. 2000年區(qū)域整體水生態(tài)承載力分值為30.53，為歷年最差，到2018年區(qū)域整體水生態(tài)承載力分值為63.91，呈上升趨勢，但仍需加強(qiáng)水環(huán)境污染防治及水資源節(jié)約利用.

b) 北運(yùn)河北京段各子流域間歷年水生態(tài)承載力差異顯著. 1995—2010年，水生態(tài)承載力最好的子流域?yàn)樯澈幼恿饔颍?015年、2018年水生態(tài)承載力最好的均是壩河子流域. 除2015年水生態(tài)承載力最差的子流域?yàn)闆鏊幼恿饔蛲?，其余評價(jià)年份水生態(tài)承載力最差的子流域均為清河子流域.

c) 通過對北運(yùn)河北京段區(qū)域歷年承載狀態(tài)影響因素進(jìn)行分析可知，水生態(tài)要素對區(qū)域承載狀態(tài)影響最為顯著，其次為水環(huán)境要素.