基于贝叶斯网络的流域水环境...险评价——以北运河流域为例_傅婕.pdf

第 43 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.43，No.3Mar.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae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傅婕，曹若馨，曾维华*，卓越，王立婷北京师范大学环境学院，北京 100875摘要：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.关键词：北运河流域；水环境承载力；超载风险评价；贝叶斯网络文章编号：0253-2468（2023）03-0516-13 中图分类号：X32 文献标识码：ARisk assessment of water environmental carrying capacity overloading based on Bayesian network：A case study of the North Canal basinFU Jie，CAO Ruoxin，ZENG Weihua*，ZHUO Yue，WANG LitingSchool of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875Abstract：Most of the existing research on the assessment of water environmental carrying capacity of river basins are evaluated from the perspective of certainty.And the risk assessment of overloading of water environmental carrying capacity of river basins is rarely seen in the literature.In order to make up for the above deficiencies，this paper coupled the overloading risk of water environment and water resources and corresponding probability from the perspective of uncertainty analysis by Bayesian network model.The average level of overloading risk was determined according to the probability distribution of overloading risk.The overloading risk of water environmental carrying capacity in the North Canal was evaluated，and the overloading risk was divided according to the evaluation results.The results show that the moderate overloading risk area includes Qinghezha，Yulinzhuang and other four control units.And the severe overloading risk area includes two control units at Nansha River entering Changping and Qianhoushang Village Bridge.Based on the bidirectional regulation concept of unloading and heavy loading，the regulation measures to reduce the risk of overloading of water environmental carrying capacity were proposed from the perspective of the whole process control in terms of industrial structure，technological means and environmental awareness.Keywords：North Canal basin；water environmental carrying capacity；overloading risk assessment；Bayesian Networks1引言（Introduction）随着经济飞速发展和人口不断增长，人类活动对流域水系统施加的压力不断增加.当水系统无法承受社会经济发展带来的负荷，便会引发一系列的水环境问题，如水体污染、水资源短缺、水生态系统崩溃等，从而导致人类生活生产受到严重影响，危及流域水系统的可持续发展.国内已有众多学者从不同角度提出了水环境承载力概念和研究方法，例如，曾维华等（2017）系统整合DOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0230傅婕，曹若馨，曾维华，等.2023.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 J.环境科学学报，43（3）：516-528FU Jie，CAO Ruoxin，ZENG Weihua，et al.2023.Risk assessment of water environmental carrying capacity overloading based on Bayesian network：A case study of the North Canal basin J.Acta Scientiae Circumstantiae，43（3）：516-528收稿日期：2022-06-01 修回日期：2022-06-24 录用日期：2022-06-24基金项目：国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目（No.U20A20881017233）；国家水体污染控制与治理科技重大专项课题（No.2018ZX07111003）作者简介：傅婕（1997），女，E-mail：；*责任作者，E-mail：3 期傅婕等：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了现有水环境承载力评价方法.目前大部分研究从确定的、静态的角度出发，将水质和水量相结合，在给定的设计水文条件下进行分析，比如，李念春等（2018）、崔丹等（2019）分别基于对数承载率模型和结构方程模型对不同研究区域进行水环境承载力评价.也有不少学者对水环境承载力的动态变化进行研究，以时间序列的形式评价水系统的承载状况，比如，陈龙等（2015）针对河流流量的时间周期动态规律变化，通过季节划分方法构建了季节性水环境容量核算方法.同时，大部分研究都没有涉及水环境承载力超载风险不确定性 评价.目前对于水环境承载力确定设计条件下的研究得到的是静态确定的结果，然而，水系统的结构和内部关联都很复杂，各个子系统所涉及的要素都具有随机不确定性（Garrett，1976），需要从动态的、不确定性分析的角度进行综合评价.早期也有许多学者针对水系统要素随机特性进行了基于概率统计分析的不确定性研究，然而其涉及到的参数较多且计算复杂，加之随机理论在实际应用中需要大量数据支撑，因此并没有得到广泛应用.另外，现有水环境承载力不确定性研究基本上都是针对单一要素，如水环境容量或水资源承载力.综上，从不确定性分析角度开展综合水环境承载状态评价具有迫切的理论意义与实际应用价值.本文所构建的流域水环境承载力超载风险评价方法体系从水环境承载力的概念内涵出发，界定水环境承载力超载风险的内涵及其表征方式.在此理论基础上，引入贝叶斯网络模型，综合考虑水环境容量承载状态和水资源量承载状态，定性分析各相关要素，并通过基于数据科学的参数不确定性分析方法进行不确定性定量研究.然后将水环境超载状态与其对应的可能性概率相结合，直观地反映水环境承载力对流域水环境发展支持力度的恶化情况，根据风险概率分布得到流域的超载风险指数，进而进行流域间水环境承载力 超载状态的整体对比与区域划分.最后基于“卸荷”和“强载”的双向调控理念，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.本文提出的流域水环境承载力超载风险评价方法，可应用于类似的流域，对加强流域管理有一定的实际应用价值.2材料与方法（Materials and methods）2.1研究区和流域单元划分北运河是海河流域最具代表性的河流之一，人口最集中、产业最聚集、城市化水平最高、水污染最严重.北运河干流从西北方向依次经过顺义区、朝阳区、通州区、廊坊市香河县、天津市武清区，最后在天津市大红桥汇入海河.干流自通州北关算，全长148 km，流域面积6166 km2，包括山区和平原区.支流有通惠河、凉水河、凤港减河、龙凤河.北运河流域属于温带大陆性季风气候，夏季高温多雨、冬季干燥寒冷，多年平均降雨量约为643 mm.下游几乎没有自然径流，因此，下游水体基本没有自净能力.主要污染指标为氨氮（NH3-N）、化学需氧量（COD）和总磷（TP）.北运河流域水系图如图1所示.北运河流域计算单元划分采用控制单元区划点为主，水力条件急剧变化点为辅.单元划分结果如表1所示，本研究共有10个计算单元.2.2数据来源本研究数据资料主要来自 20082017 年的 中国区域年鉴、北京区域统计年鉴、天津统计年鉴、廊坊经济统计年鉴、河北农村统计 年鉴、天津水资源公报、北京市水资源公报 等统计年鉴与公报数据，北运河流域20082017年的水文监测站和水环境监测数据，以及水体污染控制与治理科技重大专项课题“北运河流域水质目标 综合管理示范研究”（2018ZX07111003）所提供的 北京、天津、廊坊市工业企业排污等统计数据.表1控制单元划分Table 1Division of control units控制单元名称温榆河顺义区榆林庄土门楼筐儿港新老米店闸南沙河入昌平清河闸大红门闸上前侯尚村桥东堤头闸上起始断面土沟桥温榆河顺义区王家摆秦营扬水站筐儿港南沙河入昌平清河闸大红门闸上凤河东堤头闸上终止断面温榆河顺义区榆林庄土门楼筐儿港新老米店闸南沙河口沙子营凉水河口前侯尚村龙凤河口长度/km25.6845.108.9255.2621.2610.2322.75110.4640.2113.10概化排污口/km15.9918.695.8416.485.679.349.8259.169.7910.22517环境科学学报43 卷2.3方法流域水环境承载力是指在某一流域内，在一定社会、经济、技术条件下，自然水系统在其结构和功能不发生明显改变的情况下，所能承受的人类活动的阈值（曾维华等，2017）.在许多实际研究中，水环境承载力被等同于仅考量水质的“水环境容量”.根据本文对水环境承载力的内涵理解与界定，认为水环境容量是水环境承载力的一个分量，可视作狭义水环境承载力.本文的最终研究对象是广义的水环境承载力，是对水系统的综合考量.风险是“面临伤害或损失的可能性”（Merriam，1