基于熵权多元联系数的大沽河流域地表水环境健康评价

张欣+张保祥+时青+崔峻岭

摘要：为合理开发利用和保护大沽河流域水资源，构建了流域地表水环境健康评价指标体系和分级标准。基于集对分析理论，考虑各评价指标等级标准边界的不确定性，建立了熵权多元联系数耦合计算模型。将该方法应用于大沽河流域，得到流域地表水环境健康评价指标联系数计算结果。结果表明：2015年大沽河流域Ⅰ区（莱西市）、Ⅱ区（平度市）、Ⅲ区（胶州市、黄岛区）、Ⅳ区（即墨市、城阳区）以及Ⅵ区（莱阳市、招远市、莱州市）的地表水环境处于“健康”状态，Ⅴ区（高密市）以及整个流域处于“亚健康”状态。青岛市大沽河综合治理工程的实施使得流域地表水环境得到较大地提高，为进一步提高整个流域的地表水环境健康水平，应针对流域开展水环境治理工作。

关键词：地表水环境健康；评价指标体系；分级标准；多元联系数；熵权；大沽河流域

中图分类号：X131 文献标识码：A 文章编号：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

在人類活动和气候变化影响下，流域水环境系统成为一个开放、复杂的系统。目前，对于河流问题的研究已涉及水质评价、水环境健康风险评价、水环境承载力评估、河流生境评价、水体富营养状态、栖息地以及生态健康评价[1-9]等许多方面。由于河流水质等评价具有单一性，很难全面反映河流的水环境健康状况，而现有的地表水环境健康评价多针对河流本身，缺乏与流域水环境治理目标相一致的系统评价体系[10]，同时在评价过程中存在较大的不确定性[11]，因此建立一套系统、合理的评价指标体系以及有效的定量评价模型是目前流域地表水环境健康评价研究的关键。本文从流域水环境的内涵出发，同时考虑水量、水质、污染源、水生态对流域水环境健康的影响，建立了流域水环境健康评价指标体系和熵权多元联系数耦合评价模型，并在大沽河流域进行了应用，以期为流域水环境的科学治理提供参考。

1 研究区概况

大沽河源于烟台市招远阜山，自北向南，于青岛市胶州营房镇码头村南入胶州湾，干流全长199 km，是胶东半岛的最大河流。大沽河流域总面积6 131.3 km2（含南胶莱河1 500 km2），地跨青岛、烟台、潍坊三市。北部为山区和浅山丘陵区，南部为山麓平原和平原洼地，地势北高南低，地形坡度由北向南逐渐变缓。流域地处北温带季风气候区域，具有明显的海洋性气候特点。多年平均降水量674 mm，降水量年内分配不均，年降水量的70%集中在6月-9月；降水量年际变化比较大，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，且丰枯水年连续出现；降水量地域分布不均，总的趋势是从南向北递减。大沽河水系包括主流大沽河及其小沽河、潴河、五沽河、流浩河及南胶莱河等诸多支流。流域内现有61个镇（街道办事处），总人口456.72万人，国民生产总值（GDP）2 615.12亿元，工业增加值679.26亿元。

随着经济社会的发展，流域内用水量增加，部分点源和面源污染物处理不达标或者未经处理就直接排入河流，威胁了河流生态系统健康。2012年2月，青岛市委、市政府启动了大沽河治理工程，自大沽河产芝水库至入海口段和小沽河自北墅水库入大沽河段两侧及相关区域，重点实施并完成防洪、水资源开发、生态建设、环境保护、道路交通、小城镇与新农村示范建设、现代农业化基地建设等工程。通过大沽河的治理，沿岸群众的生产生活条件得到改善。

2 评价方法

2.1 评价指标体系及分级标准

流域水环境健康评价将水作为一个环境要素加以研究，它把水资源与人类活动都纳入整个生态系统范围中，体现了水与自然环境、人类社会的相互作用以及水域生态和人类发展协调的过程[12]。综合考虑大沽河流域水环境安全的主要影响因素，本着代表性、定量化及可操作性等原则，本文从水量、水质、污染源和水生态入手，建立由17个指标构成的大沽河流域地表水环境健康评价指标体系。指标类型分为正向指标（越大越优）和反向指标（越小越优）两类。指标含义见表1。

在参照地表水环境质量标准以往流域水环境评价分级标准的基础上[10，13-19]，根据各评价指标对流域地表水环境健康的影响程度，将健康级别分为“不健康Ⅰ级”、“亚健康Ⅱ级”、“健康Ⅲ级”、“很健康Ⅳ级”四个级别，结合大沽河流域实际情况，确定等级评价标准，建立大沽河流域地表水环境健康评价因子分级标准，见表2。

2.2 评价模型

2.2.1 集对分析原理

集对分析法（Set Pair Analysis，SPA）由我国学者赵克勤于1989年提出的一种处理不确定问题的系统分析方法[20]，其核心思想是把两个集合（集对）的确定性联系度和不确定性联系度联系在一起，对集对的某特性做同一性、差异性、对立性分析，建立两个集合的联系度表达式

2.2.2 熵权多元联系数耦合评价模型

本文将信息论中的熵值理论与多元联系数评价模型相结合，构造熵权多元联系数耦合计算模型并应用于流域地表水环境健康评价中。运用信息熵所反映数据本身的效用值来计算评价指标的权重，避免了人为主观因素的偏差，使得权重的确定更符合实际；多元联系数评价模型基于集对分析理论建立，具有较高的分辨率和较大的实用性，评价过程中不遗失数据中同信息，从而使得评价结果与实际情况更为相符。

（1）构建评价指标集合。评价指标为x1，x2，x3，…，xm（m为指标数），则第j个评价样本的指标体系构成一个集合A=（x1，j，x1=2，j，x3，j，…，xm，n，其中j=1，2，…，n为评价样本。

（2）权重的确定[21]。

①构建m个指标n个事物的判断矩阵R=（xij）mn（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。

②将判断矩阵归一化处理，得到归一化判断矩阵B

（3）构造集对H（Aj，Bk）（k=1，2，3，4；j=1，2，…，n）。

第j个评价样本的指标样本值构成一个集合Aj，各级评价标准组成一个集合Bk，集合Aj和集合Bk构成集对H（Aj，Bk）。将流域地表水环境健康级别分为“不健康Ⅰ级”、“亚健康Ⅱ级”、“健康Ⅲ级”、“很健康Ⅳ级”四个级别。依据集对分析原理，采用四元联系数描述流域水环境健康状态，将健康状态等级“Ⅰ级”定义为“同一度”，“Ⅱ级”定义为偏同差异度，“Ⅲ级”定义为“偏反差异度”，“Ⅳ级”定义为“对立度”。

由于不同的标准等级对“同、异、反”的隶属程度不同，联系度的表达式也不尽相同，评价指标相对于评价标准的联系度表达式如下[22]：

式中：S1、S2、S3、S4分别为评价指标的等级界限值；x为评价指标的样本值；m为第m个评价指标；n为第n个评价样本。

根据流域水环境健康状态4级评价标准，符合Ⅰ级标准为同一度a，可以将同一度a的系数看作1；符合Ⅳ级标准为对立度c，对立度系数j常取-1；而符合Ⅱ、Ⅲ級标准定义为差异度。评价标准中等级分割点的差异度系数采用分析取值法确定，分别取差异度系数i1、i2为1。

3 评价结果分析

3.1 流域评价分区及评价值

为全面了解大沽河流域的水环境健康状况，将流域分为6个区，详见表3、图1。为更好地反映青岛市大沽河综合治理工程对大沽河水环境的影响，本文分别对2012年和2015年大沽河流域各区水环境健康状况进行综合评价，其中水质指标取自各分区监测断面各年5月和8月监测值的平均值。

通过查阅统计年鉴、水资源公报、相关研究报告等资料，计算确定各分区评价指标值，见表4。

3.2 评价结果及分析

利用构建的熵权多元联系数耦合评价模型，计算大沽河流域各分区的联系度。计算结果见表5。

由表5可以看出，2015年大沽河流域水环境状态：Ⅰ区（莱西市）、Ⅱ区（平度市）、Ⅲ区（胶州市、黄岛区）、Ⅳ区（即墨市、城阳区）以及Ⅵ区（莱阳市、招远市、莱州市）处于“健康”状态；Ⅴ区（高密市）和整个流域处于“亚健康”状态。相比2012年，大沽河流域Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅵ区的地表水环境状态得到不同程度的改善，青岛市大沽河流域地表水环境健康水平较流域内其他地区高。

随着青岛市大沽河综合治理工程的实施，大沽河流域通过建设污水处理厂、铺设配套污水管网、划分水源保护区、开展农村污染集中整治、治理生态环境、加强地表水环境监测监管能力建设等措施来改善地表水环境，流域内点源污染逐步得到了更好地监测和控制，城区的工业废水和生活废水排入污水处理厂进行处理，大沽河干流的水质全部达标，水质、污染源和水生态指标得到有效地提升。而少量分散于市区外的工业废水通过自然沟渠进入大沽河支流，以及农业生产中氮、磷等养分流失造成流域部分支流水质污染，流域内部分地区水环境处于亚健康状态。4 结语

本文综合考虑影响流域水环境安全的水量、水质、污染源和生态等主要因素，建立了流域地表水环境健康评价指标体系及分级标准。基于集对分析理论，考虑各评价指标等级标准边界的不确定性，构建了熵权多元联系数耦合计算模型，为避免直接确定联系度中差异不确定系数，采用置信度确定健康等级，得到流域地表水环境健康评价结果。对大沽河流域地表水环境健康评价结果表明，青岛市大沽河综合治理工程的实施对于改善大沽河流域地表水环境健康状态起到了重要的作用。考虑流域的整体性，下一步应在整个流域内开展水资源开发及水系治理，进行整个流域生态修复，建设农村分散式生活污水处理设施，控制农业面源污染，加强地表水环境质量监测，进一步提高流域水生态与环境安全保障水平。

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