基于熵權(quán)多元聯(lián)系數(shù)的大沽河流域地表水環(huán)境健康評價

張欣+張保祥+時青+崔峻嶺

摘要：為合理開發(fā)利用和保護大沽河流域水資源，構(gòu)建了流域地表水環(huán)境健康評價指標(biāo)體系和分級標(biāo)準?；诩瘜Ψ治隼碚?，考慮各評價指標(biāo)等級標(biāo)準邊界的不確定性，建立了熵權(quán)多元聯(lián)系數(shù)耦合計算模型。將該方法應(yīng)用于大沽河流域，得到流域地表水環(huán)境健康評價指標(biāo)聯(lián)系數(shù)計算結(jié)果。結(jié)果表明：2015年大沽河流域Ⅰ區(qū)（萊西市）、Ⅱ區(qū)（平度市）、Ⅲ區(qū)（膠州市、黃島區(qū)）、Ⅳ區(qū)（即墨市、城陽區(qū)）以及Ⅵ區(qū)（萊陽市、招遠市、萊州市）的地表水環(huán)境處于“健康”狀態(tài)，Ⅴ區(qū)（高密市）以及整個流域處于“亞健康”狀態(tài)。青島市大沽河綜合治理工程的實施使得流域地表水環(huán)境得到較大地提高，為進一步提高整個流域的地表水環(huán)境健康水平，應(yīng)針對流域開展水環(huán)境治理工作。

關(guān)鍵詞：地表水環(huán)境健康；評價指標(biāo)體系；分級標(biāo)準；多元聯(lián)系數(shù)；熵權(quán)；大沽河流域

中圖分類號：X131 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0094-06

Abstract：The health assessment index system and grading standards for surface water environment were put forward for rational exploitation and protection of water resources in Dagu River basin.A model coupling entropy weight and multivariate connection number was established based on the set pair analysis theory with consideration to the uncertainty of the boundary of grade standards for each index.The method was applied to Dagu River basin to obtain the connection numbers of the health assessment index of surface water environment.The results showed that the surface water environment of Regions Ⅰ（Laixi），Ⅱ（Pingdu），Ⅲ（Jiaozhou and Huangdao），Ⅳ（Jimo and Chengyang），and Ⅵ（Laiyang，Zhaoyuan，and Laizhou） in 2015 were all healthy，but Region Ⅴ（Gaomi） and the whole basin were sub-healthy.The surface water environment of Dagu River basin has been greatly improved by the implementation of the comprehensive management program in Qingdao.The water environment treatment of the whole basin should be carried out in order to further improve the health of the surface water environment in Dagu River basin.

Key words：health of surface water environment；assessment index system；grading standard；multivariate connection number；entropy weight；Dagu River basin

在人類活動和氣候變化影響下，流域水環(huán)境系統(tǒng)成為一個開放、復(fù)雜的系統(tǒng)。目前，對于河流問題的研究已涉及水質(zhì)評價、水環(huán)境健康風(fēng)險評價、水環(huán)境承載力評估、河流生境評價、水體富營養(yǎng)狀態(tài)、棲息地以及生態(tài)健康評價[1-9]等許多方面。由于河流水質(zhì)等評價具有單一性，很難全面反映河流的水環(huán)境健康狀況，而現(xiàn)有的地表水環(huán)境健康評價多針對河流本身，缺乏與流域水環(huán)境治理目標(biāo)相一致的系統(tǒng)評價體系[10]，同時在評價過程中存在較大的不確定性[11]，因此建立一套系統(tǒng)、合理的評價指標(biāo)體系以及有效的定量評價模型是目前流域地表水環(huán)境健康評價研究的關(guān)鍵。本文從流域水環(huán)境的內(nèi)涵出發(fā)，同時考慮水量、水質(zhì)、污染源、水生態(tài)對流域水環(huán)境健康的影響，建立了流域水環(huán)境健康評價指標(biāo)體系和熵權(quán)多元聯(lián)系數(shù)耦合評價模型，并在大沽河流域進行了應(yīng)用，以期為流域水環(huán)境的科學(xué)治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

大沽河源于煙臺市招遠阜山，自北向南，于青島市膠州營房鎮(zhèn)碼頭村南入膠州灣，干流全長199 km，是膠東半島的最大河流。大沽河流域總面積6 131.3 km2（含南膠萊河1 500 km2），地跨青島、煙臺、濰坊三市。北部為山區(qū)和淺山丘陵區(qū)，南部為山麓平原和平原洼地，地勢北高南低，地形坡度由北向南逐漸變緩。流域地處北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)域，具有明顯的海洋性氣候特點。多年平均降水量674 mm，降水量年內(nèi)分配不均，年降水量的70%集中在6月-9月；降水量年際變化比較大，年最大降水量1 456 mm（1964年），是年最小降水量342 mm（1981年）的4.3倍，且豐枯水年連續(xù)出現(xiàn)；降水量地域分布不均，總的趨勢是從南向北遞減。大沽河水系包括主流大沽河及其小沽河、潴河、五沽河、流浩河及南膠萊河等諸多支流。流域內(nèi)現(xiàn)有61個鎮(zhèn)（街道辦事處），總?cè)丝?56.72萬人，國民生產(chǎn)總值（GDP）2 615.12億元，工業(yè)增加值679.26億元。

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，流域內(nèi)用水量增加，部分點源和面源污染物處理不達標(biāo)或者未經(jīng)處理就直接排入河流，威脅了河流生態(tài)系統(tǒng)健康。2012年2月，青島市委、市政府啟動了大沽河治理工程，自大沽河產(chǎn)芝水庫至入?？诙魏托」梁幼员笔畮烊氪蠊梁佣蝺蓚?cè)及相關(guān)區(qū)域，重點實施并完成防洪、水資源開發(fā)、生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護、道路交通、小城鎮(zhèn)與新農(nóng)村示范建設(shè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化基地建設(shè)等工程。通過大沽河的治理，沿岸群眾的生產(chǎn)生活條件得到改善。

2 評價方法

2.1 評價指標(biāo)體系及分級標(biāo)準

流域水環(huán)境健康評價將水作為一個環(huán)境要素加以研究，它把水資源與人類活動都納入整個生態(tài)系統(tǒng)范圍中，體現(xiàn)了水與自然環(huán)境、人類社會的相互作用以及水域生態(tài)和人類發(fā)展協(xié)調(diào)的過程[12]。綜合考慮大沽河流域水環(huán)境安全的主要影響因素，本著代表性、定量化及可操作性等原則，本文從水量、水質(zhì)、污染源和水生態(tài)入手，建立由17個指標(biāo)構(gòu)成的大沽河流域地表水環(huán)境健康評價指標(biāo)體系。指標(biāo)類型分為正向指標(biāo)（越大越優(yōu)）和反向指標(biāo)（越小越優(yōu)）兩類。指標(biāo)含義見表1。

在參照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準以往流域水環(huán)境評價分級標(biāo)準的基礎(chǔ)上[10，13-19]，根據(jù)各評價指標(biāo)對流域地表水環(huán)境健康的影響程度，將健康級別分為“不健康Ⅰ級”、“亞健康Ⅱ級”、“健康Ⅲ級”、“很健康Ⅳ級”四個級別，結(jié)合大沽河流域?qū)嶋H情況，確定等級評價標(biāo)準，建立大沽河流域地表水環(huán)境健康評價因子分級標(biāo)準，見表2。

2.2 評價模型

2.2.1 集對分析原理

集對分析法（Set Pair Analysis，SPA）由我國學(xué)者趙克勤于1989年提出的一種處理不確定問題的系統(tǒng)分析方法[20]，其核心思想是把兩個集合（集對）的確定性聯(lián)系度和不確定性聯(lián)系度聯(lián)系在一起，對集對的某特性做同一性、差異性、對立性分析，建立兩個集合的聯(lián)系度表達式

2.2.2 熵權(quán)多元聯(lián)系數(shù)耦合評價模型

本文將信息論中的熵值理論與多元聯(lián)系數(shù)評價模型相結(jié)合，構(gòu)造熵權(quán)多元聯(lián)系數(shù)耦合計算模型并應(yīng)用于流域地表水環(huán)境健康評價中。運用信息熵所反映數(shù)據(jù)本身的效用值來計算評價指標(biāo)的權(quán)重，避免了人為主觀因素的偏差，使得權(quán)重的確定更符合實際；多元聯(lián)系數(shù)評價模型基于集對分析理論建立，具有較高的分辨率和較大的實用性，評價過程中不遺失數(shù)據(jù)中同信息，從而使得評價結(jié)果與實際情況更為相符。

（1）構(gòu)建評價指標(biāo)集合。評價指標(biāo)為x1，x2，x3，…，xm（m為指標(biāo)數(shù)），則第j個評價樣本的指標(biāo)體系構(gòu)成一個集合A=（x1，j，x1=2，j，x3，j，…，xm，n，其中j=1，2，…，n為評價樣本。

（2）權(quán)重的確定[21]。

①構(gòu)建m個指標(biāo)n個事物的判斷矩陣R=（xij）mn（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。

②將判斷矩陣歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B

（3）構(gòu)造集對H（Aj，Bk）（k=1，2，3，4；j=1，2，…，n）。

第j個評價樣本的指標(biāo)樣本值構(gòu)成一個集合Aj，各級評價標(biāo)準組成一個集合Bk，集合Aj和集合Bk構(gòu)成集對H（Aj，Bk）。將流域地表水環(huán)境健康級別分為“不健康Ⅰ級”、“亞健康Ⅱ級”、“健康Ⅲ級”、“很健康Ⅳ級”四個級別。依據(jù)集對分析原理，采用四元聯(lián)系數(shù)描述流域水環(huán)境健康狀態(tài)，將健康狀態(tài)等級“Ⅰ級”定義為“同一度”，“Ⅱ級”定義為偏同差異度，“Ⅲ級”定義為“偏反差異度”，“Ⅳ級”定義為“對立度”。

由于不同的標(biāo)準等級對“同、異、反”的隸屬程度不同，聯(lián)系度的表達式也不盡相同，評價指標(biāo)相對于評價標(biāo)準的聯(lián)系度表達式如下[22]：

式中：S1、S2、S3、S4分別為評價指標(biāo)的等級界限值；x為評價指標(biāo)的樣本值；m為第m個評價指標(biāo)；n為第n個評價樣本。

根據(jù)流域水環(huán)境健康狀態(tài)4級評價標(biāo)準，符合Ⅰ級標(biāo)準為同一度a，可以將同一度a的系數(shù)看作1；符合Ⅳ級標(biāo)準為對立度c，對立度系數(shù)j常取-1；而符合Ⅱ、Ⅲ級標(biāo)準定義為差異度。評價標(biāo)準中等級分割點的差異度系數(shù)采用分析取值法確定，分別取差異度系數(shù)i1、i2為1。

3 評價結(jié)果分析

3.1 流域評價分區(qū)及評價值

為全面了解大沽河流域的水環(huán)境健康狀況，將流域分為6個區(qū)，詳見表3、圖1。為更好地反映青島市大沽河綜合治理工程對大沽河水環(huán)境的影響，本文分別對2012年和2015年大沽河流域各區(qū)水環(huán)境健康狀況進行綜合評價，其中水質(zhì)指標(biāo)取自各分區(qū)監(jiān)測斷面各年5月和8月監(jiān)測值的平均值。

通過查閱統(tǒng)計年鑒、水資源公報、相關(guān)研究報告等資料，計算確定各分區(qū)評價指標(biāo)值，見表4。

3.2 評價結(jié)果及分析

利用構(gòu)建的熵權(quán)多元聯(lián)系數(shù)耦合評價模型，計算大沽河流域各分區(qū)的聯(lián)系度。計算結(jié)果見表5。

由表5可以看出，2015年大沽河流域水環(huán)境狀態(tài)：Ⅰ區(qū)（萊西市）、Ⅱ區(qū)（平度市）、Ⅲ區(qū)（膠州市、黃島區(qū)）、Ⅳ區(qū)（即墨市、城陽區(qū)）以及Ⅵ區(qū)（萊陽市、招遠市、萊州市）處于“健康”狀態(tài)；Ⅴ區(qū)（高密市）和整個流域處于“亞健康”狀態(tài)。相比2012年，大沽河流域Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅵ區(qū)的地表水環(huán)境狀態(tài)得到不同程度的改善，青島市大沽河流域地表水環(huán)境健康水平較流域內(nèi)其他地區(qū)高。

隨著青島市大沽河綜合治理工程的實施，大沽河流域通過建設(shè)污水處理廠、鋪設(shè)配套污水管網(wǎng)、劃分水源保護區(qū)、開展農(nóng)村污染集中整治、治理生態(tài)環(huán)境、加強地表水環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管能力建設(shè)等措施來改善地表水環(huán)境，流域內(nèi)點源污染逐步得到了更好地監(jiān)測和控制，城區(qū)的工業(yè)廢水和生活廢水排入污水處理廠進行處理，大沽河干流的水質(zhì)全部達標(biāo)，水質(zhì)、污染源和水生態(tài)指標(biāo)得到有效地提升。而少量分散于市區(qū)外的工業(yè)廢水通過自然溝渠進入大沽河支流，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮、磷等養(yǎng)分流失造成流域部分支流水質(zhì)污染，流域內(nèi)部分地區(qū)水環(huán)境處于亞健康狀態(tài)。4 結(jié)語

本文綜合考慮影響流域水環(huán)境安全的水量、水質(zhì)、污染源和生態(tài)等主要因素，建立了流域地表水環(huán)境健康評價指標(biāo)體系及分級標(biāo)準。基于集對分析理論，考慮各評價指標(biāo)等級標(biāo)準邊界的不確定性，構(gòu)建了熵權(quán)多元聯(lián)系數(shù)耦合計算模型，為避免直接確定聯(lián)系度中差異不確定系數(shù)，采用置信度確定健康等級，得到流域地表水環(huán)境健康評價結(jié)果。對大沽河流域地表水環(huán)境健康評價結(jié)果表明，青島市大沽河綜合治理工程的實施對于改善大沽河流域地表水環(huán)境健康狀態(tài)起到了重要的作用?？紤]流域的整體性，下一步應(yīng)在整個流域內(nèi)開展水資源開發(fā)及水系治理，進行整個流域生態(tài)修復(fù)，建設(shè)農(nóng)村分散式生活污水處理設(shè)施，控制農(nóng)業(yè)面源污染，加強地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，進一步提高流域水生態(tài)與環(huán)境安全保障水平。

參考文獻（References）：

[1] Lermontov A，Yokoyama L，Lermontov M，et al.River quality analysis using fuzzy water quality index：Ribeira do Iguape river watershed，Brazil[J].Ecological Indicators，2009，9（6）：1188-1197.DOI：10.1016/j.ecolind.2009.02.006

[2] 李名升，張建輝，梁念，等.常用水環(huán)境質(zhì)量評價方法分析與比較[J].地理科學(xué)進展，2012，31（5）：617-624.（LI Ming-sheng，ZHANG Jian-hui，LIANG Nian，et al.Comparisons of some common methods for water environmental quality assessment[J].Progress in Geograpy，2012，31（5）：617-624.（in Chinese）） DOI：10.11820/dlkxjz.2012.05.010

[3] 蘇偉，劉景雙，王洋.第二松花江干流水環(huán)境健康風(fēng)險評價[J].自然資源學(xué)報，2007，22（1）：79-85.（SU Wei，LIU Jing-shuang，WANG Yang.Water environmental health risk assessment of the second Songhua River[J].Journal of Natural Resources，2007，22（1）：79-85.（in Chinese）） DOI：10.11849/zrzyxb.2007.01.010

[4] 方曉波.錢塘江流域水環(huán)境承載能力研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.（FANG Xiao-bo.Research on water environmental carrying capacity of Qiantang river watershed[D].Hangzhou：ZheiiangUniversity，2009.（in Chinese））

[5] 王強，袁興中，劉紅，等.基于河流生境調(diào)查的東河河流生境評價[J].生態(tài)學(xué)報，2014，34（ 6）：1548-1558.（WANG Qiang，YUAN Xing-zhong，LIU Hong，et al.Stream habitat assessment of Dong river，China，using river habitat survey[J].Acta Ecologica Sinica，2014，34（ 6）：1548-1558.（in Chinese）） DOI：10.5846 / stxb201210201458

[6] Szoszkiewicz K，Buffagni A，Davy-Bowker J，et al.Occurrence and variability of river habitat survey features across Europe and the consequences for data collection and evaluation[J].Hydrobiologia，2006，566（1）：267-280.DOI：10.1007/s10750-006-0090-7

[7] 張洪，林超，雷沛，等.海河流域河流富營養(yǎng)化程度總體評估[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2015，35（8）：2336-2344.（ZHANG Hong，LIN Chao，LEI Pei，et al.Evaluation of river eutrophication of the Haihe River Basin[J].Acta Scientiae Circumstantiae，2015，35（8）：2336-2344.（in Chinese）） DOI：10.13671/j.hjkxxb.2015.0025

[8] 夏霆，朱偉，姜謀余，等.城市河流棲息地評價方法與應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，27（12）：2095-2104.（XIA Ting，ZHU Wei，JIANG Mou-yu，et al.Assessment of urban river habitats application and methodology[J].Acta Scientiae Circum stantiae，2007，27（12）：2095-2104.（in Chinese）） DOI：10.3321/j.issn：0253-2468.2007.12.026

[9] 孫博.基于熵權(quán)模糊物元模型的河流生態(tài)健康綜合評價[J].人民珠江，2015，36（6）：95-100.（SUN Bo.River ecosystem health evaluation of fuzzy matter element model based on entropy weight[J].Pearl River，2015，36（6）：95-100.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.2015.06.026

[10] 朱偉，夏霆，姜謀余，等.城市河流水環(huán)境綜合評價方法探討[J].水科學(xué)進展，2007，18（5）：736-744.（ZHU Wei，XIA Ting，JIANG Mou-yu，et al.Comprehensive assessment of water environment for urban stream[J].Advances in Water Science，2007，18（5）：736-744.（in Chinese）） DOI：10.3321/j.issn：1001-6791.2007.05.017

[11] ?；勰?，袁興中，梁婕，等.河流水環(huán)境污染風(fēng)險模糊綜合評價模型[J].中國環(huán)境科學(xué)，2011，31（3）：516-521.（ZHU Hui-na，YUAN Xing zhong，LIANG Jie，et al.An integrated model for assessing the risk of water environmental pollution based on fuzziness[J].China Environmental Science，2011，31（3）：516-521.（in Chinese））

[12] 蔣旭光，司春棣.基于模糊層次熵的跨流域調(diào)水工程水環(huán)境安全評價研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2009（10）：36-39，43.（JIANG Xu-guan，SI Chun-di.An evaluation of water environment security based on fuzzy hierarchy entropy for trans-basin water transfer projects[J].China Rural Water and Hydropower，2009（10）：36-39，43.（in Chinese））

[13] GB 3838-2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準[S].（GB 3838-2002，Environmental quality standards for surface water[S].（in Chinese））

[14] 衣俊琪.遼北地區(qū)典型河流水生態(tài)功能區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].中國農(nóng)村水利水電，2014（8）：67-72.（YI Jun-qi.The aquatic ecosystem health assessment of typical river quatic eco-functional zones in the north of Liaoning province[J].China Rural Water and Hydropower，2014（8）：67-72.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.1007-2284.2014.08.018

[15] 郜雷群.流域健康綜合評價方法及其應(yīng)用研究[D].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2011.（GAO Lei-qun.Study on comprehensive evaluation method for watershed health and it′s application[D].Zhengzhou：North China institute of water resources and electric power，2011.（in Chinese））

[16] 沈海波.青山湖流域水環(huán)境評價研究[D].杭州：浙江農(nóng)林大學(xué)，2013.（SHEN Hai-bo.Qingshan basin water environment assessment study[D].Hangzhou：Zhej iang A&F University，2013.（in Chinese））

[17] 趙彥偉，楊志峰.城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價初探[J].水科學(xué)進展，2005，16（3）：349-355.（ZHAO Yan-wei，YANG Zhi-feng.Preliminary study on assessment of urban river ecosystem health[J].Advances in Water Science，2005，16（3）：349-355.（in Chinese）） DOI：10.3321/j.issn：1001-6791.2005.03.007

[18] 熊文，黃思平，楊軒.河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價關(guān)鍵指標(biāo)研究[J].人民長江，2010，41（12）：7-12.（XIONG Wen，HUANG Si-ping，YANG Xuan.Research on key evaluation indexes of healthy river ecological system[J].Pearl River，2010，41（12）：7-12.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.1001-4179.2010.12.002

[19] 耿雷華，劉恒，鐘華平，等.健康河流的評價指標(biāo)和評價標(biāo)準[J].水利學(xué)報，2006，37（3）：253-258.（CHEN Lei-hua，LIU Heng，ZHONG Hua-ping，et al.Indicators and criteria for evaluation of healthy rivers[J].Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（3）：253-258.（in Chinese）） DOI：10.3321/j.issn：0559-9350.2006.03.001

[20] 趙克勤.集對分析及其初步應(yīng)用[M].杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2000.（ZHAO Ke-qin.Set pair analysis and its preliminary application[M].Hangzhou：Zhejiang Science and Technology Press，2000.（in Chinese））

[21] 孟憲萌，胡和平.基于熵權(quán)的集對分析模型在水質(zhì)綜合評價中應(yīng)用[J].水利學(xué)報，2009，40（3）：257-262.（MENG Xian-meng，HU He-ping.Application of set pair analysis model based on entropy weight to comprehensive evaluation of water quality[J].Journal of Hydraulic Engineering，2009，40（3）：257-262.（in Chinese））

[22] 王文圣，李躍清，金菊良，等.水文水資源集對分析[M].北京：科學(xué)出版社，2010.（WANG Wen-sheng，LI Yue-qing，JIN Ju-liang，et al.Set pair analysis of hydrology and water resources[M].Beijing：Science Press，2010.（in Chinese））