基于熵权求权法的丰水地区环境流量评价

基于熵权求权法的丰水地区环境流量评价

1国内环境流量评估研究随着世界水量的增加，如何维持河流生态系统的正常状况，平衡人类水资源的供应问题已成为各学科的重点。而河流健康的核心是有相应足够而洁净的河川径流,因此保障河流一定的环境流量对维护河流健康十分重要。目前国际上针对环境流量的最新研究有Meitzen等从生态地貌学角度研究影响环境流量的河流基体的生境类型、流态以及生物相互作用机制,Olsen等采用典型水文模型评估环境流量。而国内对环境流量的研究相对较晚,我国学者汤奇成于1989年率先提出生态用水概念;杨志峰等对黄淮海地区生态环境需水量进行了系统研究;王西琴等提出基于二元水循环计算生态需水的设想;张远等以太子河鱼类保护为目的,构建流量组分与鱼类生态需求关系模型;张代青等以环境流量作为河流健康表征因子,通过建立二元水循环下河流环境流量最小阈值模型,探讨了河流环境流量的预警问题。上述研究多集中在干旱与半干旱地区,且主要采用水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法,侧重于从河流生态系统角度计算河道内需水量。而针对国内的河流环境特征,尤其是水量丰富而河道内外水质水量相互制约的东部地区,上述方法并未能体现环境流量既要满足自然生态的流量需求更要满足人类可持续利用水资源这一特点。为此本文综合“质”与“量”的概念,以城镇化背景下的太湖西苕溪流域为例,采用具有代表性的涵盖河流健康评价主评指标中的水环境指标(径流量、基流保证率等)和人类活动及用水指标(人口密度、水资源利用率等),研究方法引用客观熵权法赋多指标权重对综合水质标识指数法进行修正,分区、分功能计算社会系统取排水量,从定量角度丰富环境流量的评价计算思路,同时也为流域水资源配置及其生态系统管理提供决策依据。2综合评价方法2.1环境流量描述基于南方湿润地区水环境评价中水质优先原则,本文将环境流量描述为以河流生态系统自身需求为主,从河流的生态及环境功能角度出发,通过描述河流基本流量、水质及其时空变化,给出维护河流持续健康流态的研究。2.2开发利用率及回归系数在人类活动的社会经济条件下,河流环境流量是决定河流健康的主要因子,它与开发利用率、耗水率、回归系数等有直接关系。其中水资源开发利用率指流域取水量占水资源总量的比率;回归系数指流域回归水量与取水量的比率;耗水率指水资源消耗系数,即总量100%与回归系数的差值。2.2.1农业取水量q式中:Qe为实际河道流量;Qt为径流量;Ql为生活取水量;Qi为生产取水量;Qa为农业取水量;Qr为河道回归水量。农业取水量Qa仅指取自河川径流部分,不包括来自地下水资源量。其中:水资源开发利用率;耗水率2.2.2水环境质量指标权重的确定(1)单因子水质标识指数的组成。单因子水质指数Pi由一位整数、小数点后二位或三位有效数字组成,其结构为:其中:X1.为第i项水质指标的水质类别;X2为监测数据在X1.类水质标准下限值与X1.类水质标准上限值变化区间中所处的位置,按四舍五入的原则计算确定;X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果,视评价指标的污染程度而定,为1位或2位有效数字。(2)综合水质标识指数的组成。综合水质标识指数Iwq由单因子水质标识指数总和的平均值、代表水质类别与功能区划设定类别比较结果、参加整体水质评价的指标中劣于功能区标准的水质指标个数组成,其结构为:其中:X1.X2由计算获得,而X3和X4根据比较结果得到;X3为参与综合水质评价的水质指标中,劣于水环境功能区目标的单项指标个数;X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果,通过参评的单因子标识指数Pi中的X3不为0的个数来确定。以往在计算X1.X2时均采用均值法,即为各指标的单因子水质标识指数总和的平均值。但实际上同一评价体系当中,每个水质指标对综合水质状况的影响力不尽相同,尤其在考虑超标指标对水质的影响时,应根据各个指标的重要性程度赋予不同的权重。权重大小直接关系到该指标对总体水质作用的大小。采用熵权法这一客观赋权法对水质数据进行分析,既考虑了各项指标反映的水体综合状况,又兼顾了最差因子的影响,且削弱了异常值的影响。因此修正后的X1.X2计算公式为:式中:n为参加水质评价因子个数;P1、P2、Pn分别为第1、2、n个水质因子的单因子水质指数,为对应单因子水质标识指数中的整数位和小数点后第1位(单因子水质标识指数中的X1.X2);w1、w2、wn分别为第1、2、n个水质指标的权重。本文采用熵权法对权重进行计算,由于各指标的单位、量纲、数量级不同,为了消除量纲采用极差变化法进行指标的标准化处理。设定m个监测站点n个评价指标,首先由原始单因子水质指数所组成R=(vij)m×n进行标准化处理得矩阵R′=(xij)m×n,然后计算第i项指标值的比重为:对应指标的熵为:则权重2.2.3水质评价标准(1)水量评价标准要求:依据国际地表水资源开发利用的极限,并参考Tennant推荐的满足鱼类及生物栖息地的流量百分比及其等级,针对丰水地区本文设定水量指标Ee≥60%。(2)水质评价标准要求:通过综合水质标识指数Iwq的整数位和小数点后第一位X1.X2可以判定综合水质级别,判断依据为:1.0≤X1.X2≤2.0,Ⅰ类;2.0<X1.X2≤3.0,Ⅱ类;3.0<X1.X2≤4.0,Ⅲ类;4.0<X1.X2≤5.0,Ⅳ类;5.0<X1.X2≤6.0,Ⅴ类;6.0<X1.X2≤7.0,劣Ⅴ类但不黑臭;X1.X2>7.0,劣Ⅴ类并黑臭。联合式(2)和式(5)进行环境流量综合评价,由于未考虑河流本身的自净功能,且对于污染物来源仅考虑社会生产的回归水,因此具体评价结果与实际结果存在一定误差。3西部洛溪流域的例子分析3.1河流生态恢复开展情况太湖流域作为我国城市化程度最高、经济最发达地区之一,流域面积达3.69万km2。目前全流域70%的河湖受到污染,整个太湖水质呈富营养化、局部重富营养化水平,远低于Ⅲ类水标准。西苕溪作为太湖上游的重要支流,其干流长145km,主要支流有西溪、龙王溪(大溪)、浒溪和南溪等(见图1),年均径流量达14.96亿m3,约占苕溪流域入湖量的50%。根据对环湖河道多年入湖污染物的研究发现,西苕溪每年由农业面源污染等造成的TN、氨氮等有机污染物排放会对太湖水环境健康产生最直接的影响。在水资源方面,西苕溪上中游2012年统计的水资源总量为14亿m3,多年平均水资源可利用量为6.12亿m3,水资源可利用率为40.9%。在水环境方面,以断面数计,2008年安吉县境内的西苕溪流域地表水主要呈Ⅱ、Ⅲ类水质,符合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V类及劣V类水质断面比例分别为31.8%、54.6%、9.1%、0%和4.5%。从整体上看,西苕溪流域地表水环境状况保持稳定,水体污染主要集中于中下游平原地区,其污染特征是有机型污染,主要污染指标为氨氮。3.2基于台溪和西病溪的干流按分区研究的原则将流域分为西溪、南溪、龙王溪、浒溪和西苕溪干流5条主干河流。选用的数据包括排污量、径流量、生产生活供水量、城镇和农村人口数以及2010年逐月湖州市水功能区水质监测简报等。3.3评价结果对比基于以上分析,本文选取5项主要污染控制指标对现阶段城市河流水质进行整体评价,即溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮和总磷。式中:分别为溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷5项水质因子的单因子指数,为对应单因子标识指数中的整数位和小数位后第1位(单因子水质标识指数中的分别为对应的权重。为验证修正后的综合评价法赋指标权重的合理性,采用2010年的实测数据,经初等变化计算后,得到熵权法求权重与均值法、普通加权法的对比结果,见表2。由表3可知,熵权法与传统加权法所赋权重相比,各项指标的权重均有偏差,其中TP所对应的计算结果误差最大,约为15%,这表明TP的单因子评价指数在所有评价指标中所占权重较大。且与未修正前的均值法相比,熵权法将多个监测断面中的同一评价因子综合分析确定权重,充分地考虑了多个样本间的相互联系,削弱了异常值的影响,评价结果更具可靠性。根据式(9)求得X1.X2之后,添加标识位X3、X4,就可获得河流综合水质标识指数:Iwq=X1.X2X3X4。由此可计算得出修正后的综合水质标识指数,与均值法的评价结果相对比得出如下结果(见表3)。综合表1和表3的评价结果,从水量角度,西苕溪流域不达标的有浒溪和西苕溪干流;从水质角度,西苕溪干流严重不达标,水质污染状况最差,对西溪而言,修正后的综合水质标识指数使其评价结果从不达标变成达标,表明所选取的水质指标中,单个指标的权重因子不相等,不能仅采用均值法考虑。综合水质水量结果得出太湖西苕溪流域环境流量不达标的为浒溪和西苕溪干流,西溪、南溪、龙王溪均达标。3.4内污染源水体污染评价根据上述评价结果,从水量角度来看,本文将社会系统取排水量从生产、生活、农业(灌溉主要包括分单季稻和双季稻)三方面综合计算。结果显示浒溪与西苕溪干流不达标,其主要原因为二者的水资源利用率明显高于西溪、南溪等河流,加之缺少水库调度对河流径流量的积极调控,使得水量指标Ee的计算结果低于60%,表明河道内的水量不足以维持河流景观及其栖息地环境特征。从水质角度来看,针对西苕溪干流水质评价,修正后的评价方法所得结果显示其水质状况远低于水质目标,与浒溪、南溪等相比,其主要原因为西苕溪干流集中了大量的城镇人口和自来水厂等工厂,导致河道回污量较高,河流自净能力较差,氨氮指数和总磷均属超标,而浒溪虽然水资源开发利用率较高,但排污量相对较少,水质状况良好,各项水质指标变化不大且均达标。而对西溪而言,修正前后其水质评价结果从不达标变为达标,发生越级变化,初步分析原因是西溪的5项水质评价指标中,总磷的单因子水质标识指数较低,但修正后的指标权重最大,加权之后使得X1.X2反而降低,评价达标。4水质水量平衡基于河流健康的环境流量重点强调了河流在社会系统影响下的水文循环,针对西苕溪流域的特征环境,采用熵权法求权重修正综合水质标识指数法,克服了原有公式中权重判定的平均性和主观性,综合考虑了各水质指标的影响程度,结合水资源开发利用率、回归水量的多少、污染物浓度进行了水质水量综合评价;与仅从生态角度进行的环境流量计算相比,本文方法体现了人类活动影响下的水质水量循环,从数据分析到评价讨论,更加直接、有效地弥补了流域水资源规划和环境影响评价中对径流变化过程研究的不足,同时平衡了流域生态系统流量需求与河道外引水量以及污染物排放与河流自净能力之间的矛盾。分析评价公式也表明在流域水资源总量不变的情况下,要提高河流环境流量,可采取提高水资源开发利用率、污水回用率等措施。此外,为了提高流域中下游平原河网地区的水质状况,要采用更严格的总量控制办法,降低河流的氨氮等有机污染物浓度。由于数据的局限性,本文仅对西苕溪流域的主干河流进行研究,