大凌河河流系統(tǒng)水質(zhì)時(shí)空格局演化研究

方迎春

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

水資源循環(huán)系統(tǒng)可通過(guò)直接或間接的作用與外界環(huán)境發(fā)生能量物質(zhì)交換，它是一個(gè)涉及人類(lèi)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然生態(tài)、水土資源等方面的多層次開(kāi)放型系統(tǒng)[1]。隨著科技進(jìn)步以及人類(lèi)對(duì)水資源改造能力的不斷提升，水資源現(xiàn)狀和水系統(tǒng)循環(huán)演化規(guī)律已發(fā)生了重大變化，為減少人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)造成不良影響，準(zhǔn)確把握河流系統(tǒng)水質(zhì)演化的發(fā)展規(guī)律，并完善水資源系統(tǒng)的空間分布結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水質(zhì)演化規(guī)律進(jìn)行了大量研究[2]。如美國(guó)學(xué)者Stockton通過(guò)建立降雨、氣候和徑流量之間的變化關(guān)系，探討了美國(guó)主要河流在不同氣候環(huán)境下的徑流變化曲線；龍虎等利用統(tǒng)計(jì)分析基本原理，分析了黃河中下游氣候變化和水資源之間的關(guān)系，并針對(duì)引起水資源減少的主要因素提出相應(yīng)的補(bǔ)償措施和治理方法；嚴(yán)登化等學(xué)者以地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)及歷年水文資料為基礎(chǔ)，進(jìn)行了東遼河地表水質(zhì)演化規(guī)律研究；雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水質(zhì)演化規(guī)律進(jìn)行了大量的研究取得了一定的成果，但是通常情況下是采用定性分析為主、定量分析為輔的研究方法，未形成較為科學(xué)的理論體系和技術(shù)方法。本文基于耗散結(jié)構(gòu)基本理論，對(duì)河流系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行識(shí)別，并以大凌河河流系統(tǒng)為例進(jìn)行水質(zhì)時(shí)空演化規(guī)律的理論研究和分析。研究成果可形成一套完整、科學(xué)的水資源演化規(guī)律理論系統(tǒng)和分析方法，可為水質(zhì)時(shí)空格局演化規(guī)律的研究提供科學(xué)的依據(jù)和理論支持參考[3]。

1 河流系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)研究

1.1 結(jié)構(gòu)識(shí)別

系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間可發(fā)生自組織系統(tǒng)作用，將交換所得的能量和物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化吸收并對(duì)外界系統(tǒng)進(jìn)行排放交流，故在一定的時(shí)間和空間尺度上，系統(tǒng)的輸入和輸出可達(dá)到一定的生態(tài)平衡，即耗散結(jié)構(gòu)[4]。河流系統(tǒng)因以下特征產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)。

(1)開(kāi)放性。河流系統(tǒng)受人類(lèi)活動(dòng)或自然環(huán)境的影響，不斷地與外界系統(tǒng)發(fā)生物質(zhì)、信息和能量的交換，可使系統(tǒng)的熵逐漸減少并向著有序化方向發(fā)展。

(2)遠(yuǎn)離平衡態(tài)。河流中的各類(lèi)動(dòng)植物無(wú)論在時(shí)間還是空間尺度均能保持一定的有序性，能夠形成一種遠(yuǎn)離平衡的生態(tài)平衡，即為一種“活態(tài)”。

(3)系統(tǒng)內(nèi)部各組分之間的非線性作用。外界系統(tǒng)中如降雨徑流、污水排放以及污染物的進(jìn)入河流水體后，外界物質(zhì)中包含有復(fù)雜的物理(擴(kuò)散、沉淀)、化學(xué)(分解或凝聚、酸堿中和反應(yīng)、氧化還反應(yīng))、生物(降解、吸收)等多種非線性作用。

(4)存在漲落突變特征。當(dāng)外界人類(lèi)活動(dòng)和自然環(huán)境對(duì)河流系統(tǒng)不斷的產(chǎn)生作用和影響時(shí)，可導(dǎo)致河流水體的污染物濃度在時(shí)間和空間上分布不均勻即產(chǎn)生多個(gè)小漲落，當(dāng)累計(jì)達(dá)到某一臨界值時(shí)河流系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生大的漲落，河流系統(tǒng)即可轉(zhuǎn)換到另一狀態(tài)[5]。

1.2 演化規(guī)律

普利高津在假設(shè)了河流系統(tǒng)局域平衡的前提下，利用耗散結(jié)構(gòu)理論，提出任何一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)熵值由兩部分組成，計(jì)算公式如下：

ds=dsi+dso

(1)

式中，ds—開(kāi)放系統(tǒng)熵值；dsi—系統(tǒng)不可逆過(guò)程產(chǎn)生的熵值增加量；dso—熵流，即系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)和能量交換引起的熵變。

河流系統(tǒng)初始狀態(tài)為一個(gè)穩(wěn)態(tài)，當(dāng)與外界系統(tǒng)進(jìn)行能量、物質(zhì)和信息的交換時(shí)，大量的污染物和排泄物進(jìn)入河體，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)正熵流即dso為正，引起河流朝著無(wú)序狀態(tài)演變；為了改善河流水資源的系統(tǒng)環(huán)境，降低人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流的污染危害，人們通過(guò)采取科學(xué)有效的水資源治理措施、建立廢水廢物往河流內(nèi)排放的管理制度、提高水體自凈潔能力，以增加河流系統(tǒng)負(fù)熵流即dso為負(fù)，促進(jìn)系統(tǒng)朝著有序狀態(tài)演化，并進(jìn)入新的耗散結(jié)構(gòu)，完成從低級(jí)耗散結(jié)構(gòu)向高級(jí)耗散結(jié)構(gòu)的演化[6]。河流系統(tǒng)與外界環(huán)境進(jìn)行熵流的正負(fù)轉(zhuǎn)換過(guò)程即為河流系統(tǒng)的水質(zhì)演化過(guò)程。受多種因素影響，河流系統(tǒng)可能出現(xiàn)不同的狀態(tài)，每種狀態(tài)xi出現(xiàn)的概率為pi時(shí)，系統(tǒng)的熵流按下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

由式(2)可知，系統(tǒng)每種狀態(tài)出現(xiàn)的次序不影響熵值的計(jì)算結(jié)果，其值為各狀態(tài)熵值的綜合。可利用熵值對(duì)系統(tǒng)的演化方向進(jìn)行描述，即系統(tǒng)熵值越大則系統(tǒng)有序性程度就越低；反之，熵值越小則系統(tǒng)有序性程度則越高。

2 河流系統(tǒng)水質(zhì)演變熵研究

河流受人類(lèi)活動(dòng)影響、大氣環(huán)境變化、外界不確定性行為等多種因素影響，致使系統(tǒng)水質(zhì)演變是一個(gè)隨時(shí)間變化而改變的隨機(jī)過(guò)程。因河流污染程度、分界類(lèi)別以及水質(zhì)狀況等概念是一個(gè)客觀存在的模糊性現(xiàn)象，且包含多種不確定性因素，故在進(jìn)行熵值計(jì)算前需將系統(tǒng)看作是一個(gè)模糊系統(tǒng)進(jìn)行研究[7- 9]。

根據(jù)水體污染分技術(shù)k可計(jì)算得到k級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度矩陣[S]m×k和實(shí)測(cè)濃度矩陣[C]m×n如下：

(3)

式中，Sih—第i相污染指標(biāo)的第h級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度值；Cij—第j個(gè)水體樣本的第i項(xiàng)污染物濃度實(shí)測(cè)值。

將式(3)按照線性統(tǒng)一化進(jìn)行規(guī)范化處理，即可得模糊矩陣[e]m×k和[f]m×n如下：

(4)

式中，eih=(Sik-Sih)/(Sik-Si1)，ei1、eih、eik—第1、h、k級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)污染物標(biāo)準(zhǔn)濃度；fij—實(shí)測(cè)濃度規(guī)范化矩陣元素，分兩種情況按下式進(jìn)行計(jì)算。

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大則水質(zhì)越優(yōu)型數(shù)據(jù)，fij為：

(5)

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)值越小則水質(zhì)越優(yōu)型數(shù)據(jù)，fij為：

(6)

水體根據(jù)污染程度標(biāo)準(zhǔn)而具有一定的模糊性污染分級(jí)，樣本可根據(jù)不同的隸屬度u隸屬于各級(jí)水質(zhì)，則n個(gè)樣本中k級(jí)水質(zhì)的隸屬度模糊矩陣[uhj]n×k如下：

(7)

上述隸屬度模糊矩陣[uhj]n×k具有一定的不確定性，可根據(jù)信息熵原理，第j樣本的不確定性可用信息熵S(j)可用下式進(jìn)行計(jì)算：

(8)

式中的隸屬度uhj根據(jù)最大熵原理即熵恒增定律，按下式進(jìn)行計(jì)算：

(9)

(10)

(11)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可進(jìn)行熵變ds在時(shí)間和空間上的演變計(jì)算，計(jì)算方程如下所示：

ds(t)=S(t)-S(t-1)

(12)

ds(j)=S(j)-S(j-1)

(13)

綜上所述，在分析了河流耗散結(jié)構(gòu)基本原理的基礎(chǔ)上，河流系統(tǒng)水質(zhì)時(shí)空格局演化規(guī)律可根據(jù)熵變ds的正負(fù)進(jìn)行表征，當(dāng)ds>0時(shí)，則系統(tǒng)有正熵的輸入，河流向無(wú)序狀態(tài)演變；當(dāng)ds<0時(shí)，則系統(tǒng)有負(fù)熵的輸入，河流向有序狀態(tài)演變。

3 應(yīng)用實(shí)例研究

3.1 大凌河河流系統(tǒng)概況

大凌河位于我國(guó)的遼寧省西部，該河流水資源污染嚴(yán)重，泥沙含量較大約為57kg/m3。該河流流經(jīng)我國(guó)東北部的重工業(yè)基地，并伴隨和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)化肥以及生活污水被大量排入河中，導(dǎo)致河流水資源嚴(yán)重污染，水質(zhì)環(huán)境急劇惡化，水資源演化進(jìn)入惡性循環(huán)。以河流耗散結(jié)構(gòu)理論為基礎(chǔ)，建立了河流系統(tǒng)水質(zhì)演化模型，研究大凌河河流系統(tǒng)水質(zhì)時(shí)空演化規(guī)律，旨在為進(jìn)行大凌河污染合理控制和水資源科學(xué)科學(xué)管理提供參考依據(jù)和理論支撐[10]。

3.2 水質(zhì)演變規(guī)律分析

根據(jù)調(diào)研可知工業(yè)廢水、生活污水及農(nóng)藥化肥的排放等因素是造成大凌河水體嚴(yán)重污染的主要因素。本文選擇具有一定代表性的污染物指標(biāo)如的生化需氧量(A)、高猛酸鈣指數(shù)(B)、溶解鐵(C)、溶解氧(D)、總氮(E)和氨氮(F)等6項(xiàng)指標(biāo)。以大凌河面源污染排放檢測(cè)相關(guān)資料為依據(jù)，收集整理了大凌河系統(tǒng)在2015年的污染物指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 大凌河2015年各時(shí)段污染物監(jiān)測(cè)指標(biāo)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，三個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的六個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)濃度矩陣和實(shí)測(cè)濃度矩陣[Sih]6×5、[Cij]6×3分別如下：

圖1 時(shí)域演化規(guī)律

圖2 地域演化規(guī)律

根據(jù)上述濃度矩陣計(jì)算結(jié)果，可進(jìn)行規(guī)范處理得[e]6×5和[f]6×3，然后利用本文的計(jì)算公式可進(jìn)行大凌河在各水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的時(shí)間和空間的信息熵值S(j)的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖1和圖2。由圖1可知，大城子、朝陽(yáng)和凌海水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的信息熵隨時(shí)間變化有相同的趨勢(shì)，每年的信息熵值呈先增大后減少的規(guī)律，在6月份達(dá)到最大值，在12月份時(shí)間信息熵最小。其原因可能是河流系統(tǒng)時(shí)間信息熵與污染物排放規(guī)律有關(guān)，每年的夏季是降雨和生活污水、工業(yè)污水排放的高峰時(shí)期，而在秋冬季，生活和工業(yè)排放量逐漸減少，而農(nóng)業(yè)用水量由隨增加，但增加的幅度小于生活和工業(yè)用水減少的幅度，故河流系統(tǒng)時(shí)間信息熵進(jìn)入秋冬季以后逐漸減少。

由圖2可知，不同河段的河流系統(tǒng)空間信息熵與河流走勢(shì)變化情況大致保持相同，在大城子下游至朝陽(yáng)上游河段的空間信息熵值逐漸增大，朝陽(yáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站河段的空間信息熵值最大，此后呈遞減趨勢(shì)。運(yùn)用河流系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)理論分析可知，在大城子上游河段水體還未受到污染，信息熵值較小，河流系統(tǒng)處于有序的狀態(tài)；而隨著河流繼續(xù)往下走，進(jìn)入朝陽(yáng)河段時(shí)，該河段屬于工農(nóng)業(yè)和人口密集區(qū)，大量的生活污水、農(nóng)業(yè)廢水以及污染物被排放進(jìn)入何地，水質(zhì)變差，故信息熵值增大，河流系統(tǒng)進(jìn)入無(wú)序的或較低程度的有序狀態(tài)；河流繼續(xù)往下走，河流系統(tǒng)進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)期，外界干擾逐漸降低，水體自清潔功能逐漸發(fā)揮作用，河流水質(zhì)得到改善，河道信息熵值為負(fù)，但河流流入的負(fù)熵仍不足以抵抗外界輸入的正熵[11]。

4 結(jié)論

水資源循環(huán)系統(tǒng)可通過(guò)直接或間接的作用與外界環(huán)境發(fā)生能量物質(zhì)交換，它是一個(gè)涉及人類(lèi)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然生態(tài)、水土資源等方面的多層次開(kāi)放型系統(tǒng)。本文分析了河流系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)基本原理，以大凌河河流系統(tǒng)為例通過(guò)選取關(guān)鍵性污染物指標(biāo)，計(jì)算各指標(biāo)的時(shí)間和空間信息熵值。得出主要結(jié)論：

(1)大凌河在大城子、朝陽(yáng)和凌海水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的信息熵隨時(shí)間變化有相同的趨勢(shì)，每年的信息熵值呈先增大后減少的規(guī)律，在6月份達(dá)到最大值，在12月份時(shí)間信息熵最小。

(2)不同河段的河流系統(tǒng)空間信息熵與河流走勢(shì)變化情況大致保持相同，在大城子下游至朝陽(yáng)上游河段的空間信息熵值逐漸增大，朝陽(yáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站河段的空間信息熵值最大，此后呈遞減趨勢(shì)。

(3)運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論，可對(duì)大凌河河流系統(tǒng)水質(zhì)時(shí)空格局演化發(fā)展規(guī)律進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的表征，利用河流系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)理論對(duì)于研究河流系統(tǒng)水質(zhì)演化規(guī)律具有重要意義。