熵值法在生態(tài)流量計(jì)算中的應(yīng)用

唐 瑋，張新華

（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065）

水是生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的根本條件，水資源配置中滿足生態(tài)需水是保持生態(tài)環(huán)境持續(xù)健康的基本措施，我國目前在“三水”統(tǒng)籌方面，水生態(tài)問題嚴(yán)峻，部分河流生態(tài)流量嚴(yán)重不足，部分河道甚至出現(xiàn)斷流。王西琴等人從二元水循環(huán)角度分析地表水資源開發(fā)利用率的影響因素，結(jié)果表明地表水資源開發(fā)利用率與河道生態(tài)需水有著密切的關(guān)系。因此，生態(tài)流量是水資源管理調(diào)配部門及環(huán)保部門在進(jìn)行水資源調(diào)配、河流保護(hù)時主要考慮的指標(biāo)之一。目前國內(nèi)外學(xué)者對于生態(tài)流量的研究有很多，但目前對于生態(tài)流量還沒有一個統(tǒng)一的定義，但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為生態(tài)流量是能夠滿足某目標(biāo)用水需求的最小流量，一般來說，生態(tài)流量是指能夠滿足魚類和底棲生物需求，水質(zhì)需求及景觀需求的流量需求。

目前計(jì)算生態(tài)流量的方法可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地評價法及整體分析法，四種方法在計(jì)算方式和適用性方面均存在較大的差異。水文學(xué)法是根據(jù)歷史流量數(shù)據(jù)，大致估算生態(tài)流量，方法簡單，但是準(zhǔn)確率不高；水力學(xué)法是綜合考慮歷史流量數(shù)據(jù)，大斷面以及河流內(nèi)特定物種對于流量、流速、水深等的需求，得到生態(tài)流量，較適用于有特定保護(hù)物種需求的河段，不適用于大范圍；棲息地評價法不僅需要考慮水力學(xué)條件，還需要考慮棲息地質(zhì)量，操作復(fù)雜；整體分析法以整合流域?yàn)檠芯糠秶?，整體分析計(jì)算生態(tài)流量。馬俊超等人分別用水文學(xué)法、水力學(xué)法、生態(tài)水力學(xué)法及生境模擬法對西藏扎拉水電站減水河段的生態(tài)流量進(jìn)行了計(jì)算，四種方法得到的生態(tài)流量差異較大。賈子燁用水文學(xué)法中的常用方法對觀音峽水電站等站點(diǎn)的生態(tài)流量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明不同的水文學(xué)方法得到的生態(tài)流量也不盡相同，適用性也不同。肖衛(wèi)等人對水文學(xué)法、棲息地評價法及整體分析法進(jìn)行了適應(yīng)性分析，提出生態(tài)流量計(jì)算方法應(yīng)與環(huán)境保護(hù)需求目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，并結(jié)合數(shù)據(jù)資料獲取難易程度及收集情況，選擇合適的計(jì)算方法。

1 計(jì)算方法

考慮到單一方法計(jì)算生態(tài)流量均存在一定的適用性缺陷，在選擇各方法計(jì)算結(jié)果時又容易摻入個人主觀意識，因此文章引用熵值法對7Q10法、濕周法和R2CROSS法三種方法計(jì)算得到的生態(tài)流量逐一賦權(quán)，并以Tennant法α取10%到20%時區(qū)間內(nèi)的流量值作為考量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評價，從而得到更為合理的生態(tài)流量，具體方法如下：

首先選擇某河流上所有水文站點(diǎn)為待評估站點(diǎn)，分別用 7Q10法、濕周法和R2CROSS法計(jì)算各站點(diǎn)的生態(tài)流量，形成生態(tài)流量原始指標(biāo)矩陣，去除各指標(biāo)的量綱便于計(jì)算，歸一化處理各指標(biāo)數(shù)據(jù)，表達(dá)式如下：

上述方法綜合考慮了計(jì)算生態(tài)流量時最常用的兩種方法，即水文學(xué)法及水力學(xué)法，故可以稱之為綜合法，通過這種方法，可以得到各水文站點(diǎn)不同方法所對應(yīng)的權(quán)重。

2 方法應(yīng)用

2.1 綜合法計(jì)算生態(tài)流量

以珠江流域西江水系為例，對西江水系上各水文站點(diǎn)分別采用7Q10法、濕周法及R2CROSS法計(jì)算生態(tài)流量，匯總數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 西江水系各水文站點(diǎn)生態(tài)流量匯總

根據(jù)上述方法，即可得到西江水系各站7Q10法、濕周法、R2CROSS法三個方法指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重。文章通過MATLAB計(jì)算得到西江水系各方法權(quán)重如表2所示。

表2 西江水系不同方法權(quán)重

根據(jù)上述權(quán)重計(jì)算結(jié)果，對西江水系各水文站點(diǎn)三種方法計(jì)算得到的生態(tài)流量進(jìn)行賦權(quán)，最終得到一個綜合值，即為需要的生態(tài)流量，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 生態(tài)流量綜合值

2.2 綜合法修正

迄今為止計(jì)算河流的生態(tài)流量方法已經(jīng)超過200種，涉及水文學(xué)、水力學(xué)、生物生態(tài)環(huán)境、整體和局部等多種方法。文章中采用上述熵值法綜合7Q10法、濕周法、R2CROSS法三種方法，以期得到一個能夠綜合水文學(xué)及水力學(xué)法的河流生態(tài)流量。較多學(xué)者的研究結(jié)果均發(fā)現(xiàn)水文學(xué)法最適用我國現(xiàn)階段的生態(tài)流量計(jì)算方法。為得到更為合理客觀的最終生態(tài)流量推薦值，本研究繼續(xù)采用Tennant法計(jì)算的生態(tài)流量對上文中綜合法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比修正。結(jié)果對比如表4所示（以珠江流域?yàn)槔?/p>

表4 綜合法與Tennant法計(jì)算結(jié)果對比

絕大多數(shù)站點(diǎn)熵值法計(jì)算結(jié)果與Tennant法相符，均滿足推薦生態(tài)流量占多年平均流量的百分比在河道棲息地狀態(tài)最低標(biāo)準(zhǔn)10%和河道棲息地狀態(tài)最佳標(biāo)準(zhǔn)30%區(qū)間范圍之內(nèi)。個別站點(diǎn)計(jì)算結(jié)果偏大，超過Tennant法中生態(tài)流量占多年平均流量的30%，認(rèn)為此生態(tài)流量推薦值超過了預(yù)期的滿足生態(tài)流量維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康、保持水生生物的正常生存的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步修正。相反的，多年平均流量的10%是維持河道生態(tài)功能穩(wěn)定的最低閾值標(biāo)準(zhǔn)，但是河道保持這種流量狀態(tài)，河道中各種生物將無法長期穩(wěn)定生存。因此應(yīng)剔除綜合法計(jì)算得到的生態(tài)流量中超過該站點(diǎn)平均流量30%以及低于該站點(diǎn)平均流量10%的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

文章在計(jì)算生態(tài)流量時，綜合考慮了生態(tài)流量的影響因素，和不同方法的適用性分析，在計(jì)算生態(tài)流量時使用不同方法計(jì)算同一條流域不同水文站點(diǎn)的生態(tài)流量，再基于熵值法賦予7Q10法、濕周法和R2CROSS法的計(jì)算結(jié)果不同的權(quán)重，從而根據(jù)權(quán)重計(jì)算出了最終生態(tài)流量的推薦值，以Tennant法計(jì)算的多年平均流量的10%～30%作為對比分析的合理范圍。結(jié)果表明不同方法在計(jì)算生態(tài)流量時，其計(jì)算結(jié)果有明顯差異性，而基于熵值法的綜合法可以將這種差異進(jìn)行統(tǒng)一，克服了在選擇不同方法計(jì)算結(jié)果時個人主觀性的影響，同時以Tennant法計(jì)算的多年平均流量的10%～30%作為對比分析的合理范圍，進(jìn)一步使綜合法的計(jì)算結(jié)果更合理可靠。