基于熵權(quán)求權(quán)法的豐水地區(qū)環(huán)境流量評(píng)價(jià)

基于熵權(quán)求權(quán)法的豐水地區(qū)環(huán)境流量評(píng)價(jià)

1國(guó)內(nèi)環(huán)境流量評(píng)估研究隨著世界水量的增加，如何維持河流生態(tài)系統(tǒng)的正常狀況，平衡人類水資源的供應(yīng)問(wèn)題已成為各學(xué)科的重點(diǎn)。而河流健康的核心是有相應(yīng)足夠而潔凈的河川徑流,因此保障河流一定的環(huán)境流量對(duì)維護(hù)河流健康十分重要。目前國(guó)際上針對(duì)環(huán)境流量的最新研究有Meitzen等從生態(tài)地貌學(xué)角度研究影響環(huán)境流量的河流基體的生境類型、流態(tài)以及生物相互作用機(jī)制,Olsen等采用典型水文模型評(píng)估環(huán)境流量。而國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)境流量的研究相對(duì)較晚,我國(guó)學(xué)者湯奇成于1989年率先提出生態(tài)用水概念;楊志峰等對(duì)黃淮海地區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了系統(tǒng)研究;王西琴等提出基于二元水循環(huán)計(jì)算生態(tài)需水的設(shè)想;張遠(yuǎn)等以太子河魚類保護(hù)為目的,構(gòu)建流量組分與魚類生態(tài)需求關(guān)系模型;張代青等以環(huán)境流量作為河流健康表征因子,通過(guò)建立二元水循環(huán)下河流環(huán)境流量最小閾值模型,探討了河流環(huán)境流量的預(yù)警問(wèn)題。上述研究多集中在干旱與半干旱地區(qū),且主要采用水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體分析法,側(cè)重于從河流生態(tài)系統(tǒng)角度計(jì)算河道內(nèi)需水量。而針對(duì)國(guó)內(nèi)的河流環(huán)境特征,尤其是水量豐富而河道內(nèi)外水質(zhì)水量相互制約的東部地區(qū),上述方法并未能體現(xiàn)環(huán)境流量既要滿足自然生態(tài)的流量需求更要滿足人類可持續(xù)利用水資源這一特點(diǎn)。為此本文綜合“質(zhì)”與“量”的概念,以城鎮(zhèn)化背景下的太湖西苕溪流域?yàn)槔?采用具有代表性的涵蓋河流健康評(píng)價(jià)主評(píng)指標(biāo)中的水環(huán)境指標(biāo)(徑流量、基流保證率等)和人類活動(dòng)及用水指標(biāo)(人口密度、水資源利用率等),研究方法引用客觀熵權(quán)法賦多指標(biāo)權(quán)重對(duì)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法進(jìn)行修正,分區(qū)、分功能計(jì)算社會(huì)系統(tǒng)取排水量,從定量角度豐富環(huán)境流量的評(píng)價(jià)計(jì)算思路,同時(shí)也為流域水資源配置及其生態(tài)系統(tǒng)管理提供決策依據(jù)。2綜合評(píng)價(jià)方法2.1環(huán)境流量描述基于南方濕潤(rùn)地區(qū)水環(huán)境評(píng)價(jià)中水質(zhì)優(yōu)先原則,本文將環(huán)境流量描述為以河流生態(tài)系統(tǒng)自身需求為主,從河流的生態(tài)及環(huán)境功能角度出發(fā),通過(guò)描述河流基本流量、水質(zhì)及其時(shí)空變化,給出維護(hù)河流持續(xù)健康流態(tài)的研究。2.2開發(fā)利用率及回歸系數(shù)在人類活動(dòng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下,河流環(huán)境流量是決定河流健康的主要因子,它與開發(fā)利用率、耗水率、回歸系數(shù)等有直接關(guān)系。其中水資源開發(fā)利用率指流域取水量占水資源總量的比率;回歸系數(shù)指流域回歸水量與取水量的比率;耗水率指水資源消耗系數(shù),即總量100%與回歸系數(shù)的差值。2.2.1農(nóng)業(yè)取水量q式中:Qe為實(shí)際河道流量;Qt為徑流量;Ql為生活取水量;Qi為生產(chǎn)取水量;Qa為農(nóng)業(yè)取水量;Qr為河道回歸水量。農(nóng)業(yè)取水量Qa僅指取自河川徑流部分,不包括來(lái)自地下水資源量。其中:水資源開發(fā)利用率;耗水率2.2.2水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)權(quán)重的確定(1)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的組成。單因子水質(zhì)指數(shù)Pi由一位整數(shù)、小數(shù)點(diǎn)后二位或三位有效數(shù)字組成,其結(jié)構(gòu)為:其中:X1.為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別;X2為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在X1.類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下限值與X1.類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上限值變化區(qū)間中所處的位置,按四舍五入的原則計(jì)算確定;X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果,視評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染程度而定,為1位或2位有效數(shù)字。(2)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的組成。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Iwq由單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)總和的平均值、代表水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別比較結(jié)果、參加整體水質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)中劣于功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)組成,其結(jié)構(gòu)為:其中:X1.X2由計(jì)算獲得,而X3和X4根據(jù)比較結(jié)果得到;X3為參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中,劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù);X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果,通過(guò)參評(píng)的單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi中的X3不為0的個(gè)數(shù)來(lái)確定。以往在計(jì)算X1.X2時(shí)均采用均值法,即為各指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)總和的平均值。但實(shí)際上同一評(píng)價(jià)體系當(dāng)中,每個(gè)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)綜合水質(zhì)狀況的影響力不盡相同,尤其在考慮超標(biāo)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)的影響時(shí),應(yīng)根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的重要性程度賦予不同的權(quán)重。權(quán)重大小直接關(guān)系到該指標(biāo)對(duì)總體水質(zhì)作用的大小。采用熵權(quán)法這一客觀賦權(quán)法對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,既考慮了各項(xiàng)指標(biāo)反映的水體綜合狀況,又兼顧了最差因子的影響,且削弱了異常值的影響。因此修正后的X1.X2計(jì)算公式為:式中:n為參加水質(zhì)評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù);P1、P2、Pn分別為第1、2、n個(gè)水質(zhì)因子的單因子水質(zhì)指數(shù),為對(duì)應(yīng)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)中的整數(shù)位和小數(shù)點(diǎn)后第1位(單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)中的X1.X2);w1、w2、wn分別為第1、2、n個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重。本文采用熵權(quán)法對(duì)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,由于各指標(biāo)的單位、量綱、數(shù)量級(jí)不同,為了消除量綱采用極差變化法進(jìn)行指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。設(shè)定m個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),首先由原始單因子水質(zhì)指數(shù)所組成R=(vij)m×n進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得矩陣R′=(xij)m×n,然后計(jì)算第i項(xiàng)指標(biāo)值的比重為:對(duì)應(yīng)指標(biāo)的熵為:則權(quán)重2.2.3水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(1)水量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求:依據(jù)國(guó)際地表水資源開發(fā)利用的極限,并參考Tennant推薦的滿足魚類及生物棲息地的流量百分比及其等級(jí),針對(duì)豐水地區(qū)本文設(shè)定水量指標(biāo)Ee≥60%。(2)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求:通過(guò)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Iwq的整數(shù)位和小數(shù)點(diǎn)后第一位X1.X2可以判定綜合水質(zhì)級(jí)別,判斷依據(jù)為:1.0≤X1.X2≤2.0,Ⅰ類;2.0<X1.X2≤3.0,Ⅱ類;3.0<X1.X2≤4.0,Ⅲ類;4.0<X1.X2≤5.0,Ⅳ類;5.0<X1.X2≤6.0,Ⅴ類;6.0<X1.X2≤7.0,劣Ⅴ類但不黑臭;X1.X2>7.0,劣Ⅴ類并黑臭。聯(lián)合式(2)和式(5)進(jìn)行環(huán)境流量綜合評(píng)價(jià),由于未考慮河流本身的自凈功能,且對(duì)于污染物來(lái)源僅考慮社會(huì)生產(chǎn)的回歸水,因此具體評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定誤差。3西部洛溪流域的例子分析3.1河流生態(tài)恢復(fù)開展情況太湖流域作為我國(guó)城市化程度最高、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)之一,流域面積達(dá)3.69萬(wàn)km2。目前全流域70%的河湖受到污染,整個(gè)太湖水質(zhì)呈富營(yíng)養(yǎng)化、局部重富營(yíng)養(yǎng)化水平,遠(yuǎn)低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。西苕溪作為太湖上游的重要支流,其干流長(zhǎng)145km,主要支流有西溪、龍王溪(大溪)、滸溪和南溪等(見圖1),年均徑流量達(dá)14.96億m3,約占苕溪流域入湖量的50%。根據(jù)對(duì)環(huán)湖河道多年入湖污染物的研究發(fā)現(xiàn),西苕溪每年由農(nóng)業(yè)面源污染等造成的TN、氨氮等有機(jī)污染物排放會(huì)對(duì)太湖水環(huán)境健康產(chǎn)生最直接的影響。在水資源方面,西苕溪上中游2012年統(tǒng)計(jì)的水資源總量為14億m3,多年平均水資源可利用量為6.12億m3,水資源可利用率為40.9%。在水環(huán)境方面,以斷面數(shù)計(jì),2008年安吉縣境內(nèi)的西苕溪流域地表水主要呈Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì),符合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V類及劣V類水質(zhì)斷面比例分別為31.8%、54.6%、9.1%、0%和4.5%。從整體上看,西苕溪流域地表水環(huán)境狀況保持穩(wěn)定,水體污染主要集中于中下游平原地區(qū),其污染特征是有機(jī)型污染,主要污染指標(biāo)為氨氮。3.2基于臺(tái)溪和西病溪的干流按分區(qū)研究的原則將流域分為西溪、南溪、龍王溪、滸溪和西苕溪干流5條主干河流。選用的數(shù)據(jù)包括排污量、徑流量、生產(chǎn)生活供水量、城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口數(shù)以及2010年逐月湖州市水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)等。3.3評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比基于以上分析,本文選取5項(xiàng)主要污染控制指標(biāo)對(duì)現(xiàn)階段城市河流水質(zhì)進(jìn)行整體評(píng)價(jià),即溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮和總磷。式中:分別為溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷5項(xiàng)水質(zhì)因子的單因子指數(shù),為對(duì)應(yīng)單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)中的整數(shù)位和小數(shù)位后第1位(單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)中的分別為對(duì)應(yīng)的權(quán)重。為驗(yàn)證修正后的綜合評(píng)價(jià)法賦指標(biāo)權(quán)重的合理性,采用2010年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)初等變化計(jì)算后,得到熵權(quán)法求權(quán)重與均值法、普通加權(quán)法的對(duì)比結(jié)果,見表2。由表3可知,熵權(quán)法與傳統(tǒng)加權(quán)法所賦權(quán)重相比,各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重均有偏差,其中TP所對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果誤差最大,約為15%,這表明TP的單因子評(píng)價(jià)指數(shù)在所有評(píng)價(jià)指標(biāo)中所占權(quán)重較大。且與未修正前的均值法相比,熵權(quán)法將多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中的同一評(píng)價(jià)因子綜合分析確定權(quán)重,充分地考慮了多個(gè)樣本間的相互聯(lián)系,削弱了異常值的影響,評(píng)價(jià)結(jié)果更具可靠性。根據(jù)式(9)求得X1.X2之后,添加標(biāo)識(shí)位X3、X4,就可獲得河流綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù):Iwq=X1.X2X3X4。由此可計(jì)算得出修正后的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù),與均值法的評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)比得出如下結(jié)果(見表3)。綜合表1和表3的評(píng)價(jià)結(jié)果,從水量角度,西苕溪流域不達(dá)標(biāo)的有滸溪和西苕溪干流;從水質(zhì)角度,西苕溪干流嚴(yán)重不達(dá)標(biāo),水質(zhì)污染狀況最差,對(duì)西溪而言,修正后的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)使其評(píng)價(jià)結(jié)果從不達(dá)標(biāo)變成達(dá)標(biāo),表明所選取的水質(zhì)指標(biāo)中,單個(gè)指標(biāo)的權(quán)重因子不相等,不能僅采用均值法考慮。綜合水質(zhì)水量結(jié)果得出太湖西苕溪流域環(huán)境流量不達(dá)標(biāo)的為滸溪和西苕溪干流,西溪、南溪、龍王溪均達(dá)標(biāo)。3.4內(nèi)污染源水體污染評(píng)價(jià)根據(jù)上述評(píng)價(jià)結(jié)果,從水量角度來(lái)看,本文將社會(huì)系統(tǒng)取排水量從生產(chǎn)、生活、農(nóng)業(yè)(灌溉主要包括分單季稻和雙季稻)三方面綜合計(jì)算。結(jié)果顯示滸溪與西苕溪干流不達(dá)標(biāo),其主要原因?yàn)槎叩乃Y源利用率明顯高于西溪、南溪等河流,加之缺少水庫(kù)調(diào)度對(duì)河流徑流量的積極調(diào)控,使得水量指標(biāo)Ee的計(jì)算結(jié)果低于60%,表明河道內(nèi)的水量不足以維持河流景觀及其棲息地環(huán)境特征。從水質(zhì)角度來(lái)看,針對(duì)西苕溪干流水質(zhì)評(píng)價(jià),修正后的評(píng)價(jià)方法所得結(jié)果顯示其水質(zhì)狀況遠(yuǎn)低于水質(zhì)目標(biāo),與滸溪、南溪等相比,其主要原因?yàn)槲鬈嫦闪骷辛舜罅康某擎?zhèn)人口和自來(lái)水廠等工廠,導(dǎo)致河道回污量較高,河流自凈能力較差,氨氮指數(shù)和總磷均屬超標(biāo),而滸溪雖然水資源開發(fā)利用率較高,但排污量相對(duì)較少,水質(zhì)狀況良好,各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)變化不大且均達(dá)標(biāo)。而對(duì)西溪而言,修正前后其水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果從不達(dá)標(biāo)變?yōu)檫_(dá)標(biāo),發(fā)生越級(jí)變化,初步分析原因是西溪的5項(xiàng)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中,總磷的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)較低,但修正后的指標(biāo)權(quán)重最大,加權(quán)之后使得X1.X2反而降低,評(píng)價(jià)達(dá)標(biāo)。4水質(zhì)水量平衡基于河流健康的環(huán)境流量重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了河流在社會(huì)系統(tǒng)影響下的水文循環(huán),針對(duì)西苕溪流域的特征環(huán)境,采用熵權(quán)法求權(quán)重修正綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法,克服了原有公式中權(quán)重判定的平均性和主觀性,綜合考慮了各水質(zhì)指標(biāo)的影響程度,結(jié)合水資源開發(fā)利用率、回歸水量的多少、污染物濃度進(jìn)行了水質(zhì)水量綜合評(píng)價(jià);與僅從生態(tài)角度進(jìn)行的環(huán)境流量計(jì)算相比,本文方法體現(xiàn)了人類活動(dòng)影響下的水質(zhì)水量循環(huán),從數(shù)據(jù)分析到評(píng)價(jià)討論,更加直接、有效地彌補(bǔ)了流域水資源規(guī)劃和環(huán)境影響評(píng)價(jià)中對(duì)徑流變化過(guò)程研究的不足,同時(shí)平衡了流域生態(tài)系統(tǒng)流量需求與河道外引水量以及污染物排放與河流自凈能力之間的矛盾。分析評(píng)價(jià)公式也表明在流域水資源總量不變的情況下,要提高河流環(huán)境流量,可采取提高水資源開發(fā)利用率、污水回用率等措施。此外,為了提高流域中下游平原河網(wǎng)地區(qū)的水質(zhì)狀況,要采用更嚴(yán)格的總量控制辦法,降低河流的氨氮等有機(jī)污染物濃度。由于數(shù)據(jù)的局限性,本文僅對(duì)西苕溪流域的主干河流進(jìn)行研究,