基于熵權(quán)法的大凌河河流健康水平評價

(遼寧省鳳城水利水產(chǎn)局，遼寧 丹東　118100)

1　概　述

城市規(guī)模的擴大與工業(yè)的急速發(fā)展可嚴(yán)重威脅河流的健康[1]。20世紀(jì)中葉，北美和西歐國家進入了快速的經(jīng)濟發(fā)展期，河流污染問題隨之嚴(yán)重，為此，這些國家投入了巨額資金用于加強水質(zhì)恢復(fù)。20世紀(jì)80年代，河道管理從水質(zhì)改善拓展至生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的層面，提出了“河流健康”的概念；近十年來，“河流健康”的概念，成為我國水環(huán)境與水生態(tài)狀況調(diào)查的重要內(nèi)容與指標(biāo)，具有重要的現(xiàn)實意義[2]。

河流健康水平的評價是以科學(xué)研究和監(jiān)測為基礎(chǔ)，得到直觀明確的評價結(jié)果，從而為河流的管理者、開發(fā)者與社會公眾提供科學(xué)信息；一般包括篩選指標(biāo)并建立評價體系、確定指標(biāo)權(quán)重與指標(biāo)評價值，最終得到綜合評價值等步驟。河流健康狀況的評價可采用層次分析法、模糊評價法、貝葉斯法等，其中大多數(shù)方法在權(quán)重值確定過程中具有較大的主觀性；而熵權(quán)法是一種客觀的賦權(quán)方法，它根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來確定客觀權(quán)重，具有客觀性強、操作簡便、可信度高等優(yōu)點，目前，在工程技術(shù)、社會經(jīng)濟等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。大凌河流經(jīng)我國的遼寧、內(nèi)蒙古，存在侵蝕嚴(yán)重、河水含沙量大、河水渾濁度高、生物多樣性低等問題，其健康狀況已成為社會關(guān)注的熱點。目前，大凌河流域的相關(guān)研究主要集中于水質(zhì)、含沙量、徑流變化等方面，關(guān)于河流健康水平的評價則較少；因此，本文基于熵權(quán)法，分別對大凌河流域的上窩堡、義縣、凌海、復(fù)興堡、朝陽、阜新6個河段的河流健康水平進行評價，并對評價結(jié)果進行分析與討論[4]。

2　研究區(qū)域與評價體系

大凌河，古稱白狼水，流經(jīng)我國的遼寧、內(nèi)蒙古，是遼寧西部的主要河流。大凌河上游分為南北兩支，北支發(fā)源于凌源縣，南支發(fā)源于建昌縣，在喀喇沁左翼蒙古族自治縣境內(nèi)合流，流向東北[5]。至北票市境內(nèi)折往東南，下游受醫(yī)巫閭山阻擋，折而向南，在凌海市境內(nèi)注入遼東灣。大凌河全長397km，流域面積2.35萬km2，年降水量450～600mm，年均徑流量16.67億m3。

大凌河河流健康水平的評價體系建立，采用層次分析法方式，即將所有評價指標(biāo)分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3個層次[6]。根據(jù)大凌河流域的具體特點與相關(guān)研究成果，選取大凌河各河段的“河流健康水平”為目標(biāo)層指標(biāo)，選取“生態(tài)”“環(huán)境”“安全”與“社會”4項為準(zhǔn)則層指標(biāo)，選取“生態(tài)流量滿足程度指標(biāo)”“水質(zhì)綜合指標(biāo)”“防洪工程達標(biāo)率”和“公眾滿意度”等8項為指標(biāo)層指標(biāo)。具體的評價體系與層次結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　河流健康水平評價體系與層次結(jié)構(gòu)

3　河流健康水平評價結(jié)果

3.1　指標(biāo)層指標(biāo)評價值

選擇大凌河上窩堡、義縣、凌海、復(fù)興堡、朝陽、阜新6個典型站點所代表的河段進行河流健康水評價。采用專家評價法確定各河段在“生態(tài)流量滿足程度指標(biāo)”“水質(zhì)綜合指標(biāo)”“防洪工程達標(biāo)率”和“公眾滿意度”等8項指標(biāo)層指標(biāo)方面的評價值。選取的專家包括水利管理人員、水利研究領(lǐng)域?qū)＜摇⑺こ處熀腿罕姶淼裙?0名；為評價人員提供各站點水質(zhì)水量監(jiān)測數(shù)據(jù)、工程建設(shè)報告、水資源公報等材料；評價人員根據(jù)材料結(jié)合判斷經(jīng)驗確定各站點在各指標(biāo)方面的評分，各分?jǐn)?shù)介于0～1之間，數(shù)值越大河流健康水平越高[7]；去掉最高與最低的評價分?jǐn)?shù)，并對其他分?jǐn)?shù)進行平均，得到各河段各項指標(biāo)層指標(biāo)方面的評價值(見圖2)。

圖2　河流健康水平評價指標(biāo)層指標(biāo)評價值

3.2　指標(biāo)層指標(biāo)權(quán)重值

表1　河流健康水平評價指標(biāo)加和指標(biāo)值計算結(jié)果

以Pij表示第i個河段在第j項指標(biāo)下的評價值占該指標(biāo)的比重，其表達式為

(1)

根據(jù)上式，計算得到Pij值(見表2)。

以Ej表示第j個指標(biāo)的熵值，其表達式為

(2)

其中

(3)

本文河段數(shù)n為6，因此根據(jù)式(3)計算得到k值為0.5581；根據(jù)式(2)和表2數(shù)據(jù)可得到各指標(biāo)的熵值(見表3)。

表2　河流健康水平評價指標(biāo)Pij值計算結(jié)果

表3　河流健康水平評價指標(biāo)Ej值計算結(jié)果

以Dj表示第j個指標(biāo)的信息熵冗余度，其表達式為

Dj=1-Ej(j=1,…,m)

(4)

根據(jù)式(4)與表3數(shù)據(jù)計算得到各指標(biāo)的Dj值，結(jié)果見表4。

表4　河流健康水平評價指標(biāo)Dj值計算結(jié)果

最終，根據(jù)熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重Wj可表示為

(5)

表5　河流健康水平評價指標(biāo)權(quán)重值計算結(jié)果

3.3　河流健康水平評價結(jié)果

以S表示各河段的河流健康水平指數(shù)，其公式為

(6)

根據(jù)表5與圖2數(shù)據(jù)，采用式(6)計算得到S值，最終結(jié)果見表6。

表6　河流健康水平指數(shù)綜合評價結(jié)果

4　河流健康水平分析與討論

由表6數(shù)據(jù)可知，大河流各河段健康水平指數(shù)主要分布于0.50～0.70范圍內(nèi)，其中阜新站的河流健康水平最低，健康水平指數(shù)為0.51，朝陽站的河流健康水平最高，健康水平指數(shù)為0.68；各站的平均健康水平指數(shù)為0.58；各站按健康指數(shù)由小到大排序為：阜新、上窩堡、義縣、復(fù)興堡、凌海、朝陽。

為對以上結(jié)果進行進一步的分析，可計算大凌河各河段的單項健康水平指數(shù)Sd，其表達為

(7)

式中，L表示準(zhǔn)則層指標(biāo)下的指標(biāo)數(shù)，本文中L=2?；谑?7)，根據(jù)表5所列的Wjd值和圖2所示的xij值計算得到大凌河各河段的單項健康水平指數(shù)Sd(見圖3)。

圖3　水生態(tài)文明建設(shè)水平評價一級指標(biāo)評價值

在生態(tài)方面，大凌河凌海段的指數(shù)最高，為0.66；凌海市曾存在嚴(yán)重的水土流失問題，據(jù)2000年的遙感資料統(tǒng)計，凌海市曾經(jīng)的水土流失面積大約689.55km2，占全市總土地面積的25.20%；之后，該地區(qū)大力開展了小流域治理、水土流失治理、水土保持工程林營造與生態(tài)修復(fù)等工作，改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)水平。大凌河上窩堡段的生態(tài)指數(shù)最低，為0.46；該河段主要位于大凌河流域閻王鼻子水庫上游，其生態(tài)狀況一直不佳，庫區(qū)及上游河道支溝發(fā)育，植被較差，是入庫推移質(zhì)的主要來源，因此,未來應(yīng)加強該河段的治理。在環(huán)境指標(biāo)方面，大凌河義縣段的指數(shù)最高，為0.66；義縣位于遼寧省錦州市西部，曾經(jīng)以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主,而工業(yè)生產(chǎn)總值占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例較小(例如2005年的地區(qū)生產(chǎn)總值為23.50億元，其中規(guī)模工業(yè)增加值為2.80億元)，其環(huán)境基礎(chǔ)相對較好；近十年來，義縣工業(yè)迅速發(fā)展，如規(guī)模工業(yè)增加值在2012年增加到35億元，年均增長65.50%，環(huán)境質(zhì)量也受到一定的影響，但大凌河流域義縣段的環(huán)境狀況依舊優(yōu)于其他河段，且該地區(qū)的環(huán)境保護意識也有所增強[8]。大凌河阜新段的指數(shù)最低，為0.49；阜新是資源大市，初步探明的礦藏有38種，礦產(chǎn)地有228處，而其中煤的儲量較大，資源儲量達10億多t；礦產(chǎn)的開發(fā)在很大程度影響了大凌河該河段的水質(zhì)，未來有必要研究礦產(chǎn)地區(qū)的水質(zhì)保護措施。除生態(tài)與環(huán)境指標(biāo)外，安全問題與社會問題也是河流健康水平的重要指標(biāo)。在安全方面，大凌河在朝陽段的安全指數(shù)最高，為0.69；大凌河在朝陽境內(nèi)河段最長，因此，朝陽地區(qū)對大凌河的防洪與河岸穩(wěn)定要求都較高；相對而言，阜新地區(qū)在河岸穩(wěn)定性方面的工作需有所加強。在社會方面，大凌河朝陽段的指數(shù)最高，為0.76；大凌河對朝陽地區(qū)的經(jīng)濟生活貢獻較大，民眾對該河流的健康狀況較為滿意，而上窩堡地區(qū)則有待提高[9]。

對各地區(qū)的評價結(jié)果進行匯總平均，得到大凌河在生態(tài)、環(huán)境、安全、社會4個方面的健康水平指數(shù)，分別為0.57、0.57、0.61和0.59。據(jù)結(jié)果可知，目前，大凌河的安全狀況較好，其指數(shù)高于0.60，各地的防洪工程達標(biāo)率與河岸穩(wěn)定性皆相對較高；但在其他方面的水平指數(shù)均低于0.60，其中在生態(tài)方面最低，因此，需重點加強各河段的水生態(tài)建設(shè)，提高大凌河各河段的河流健康水平[10]。

5　結(jié)　論

基于熵權(quán)法評價了大凌河在不同河段的河流健康水平。結(jié)果表明，各河段按健康指數(shù)由小到大排序為：阜新、上窩堡、義縣、復(fù)興堡、凌海、朝陽。在生態(tài)指標(biāo)方面，凌海段指數(shù)最高、上窩堡段最低；在環(huán)境指標(biāo)方面，義縣段指數(shù)最高、阜新段最低；在安全指標(biāo)方面，朝陽段指數(shù)最高、阜新段最低；在社會指標(biāo)方面，朝陽段指數(shù)最高、上窩堡段最低。綜合而言，目前大凌河的安全狀況較好，但在生態(tài)建設(shè)方面亟待加強。

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