基于熵权法的大凌河河流健康水平评价

(辽宁省凤城水利水产局，辽宁 丹东　118100)

1　概　述

城市规模的扩大与工业的急速发展可严重威胁河流的健康[1]。20世纪中叶，北美和西欧国家进入了快速的经济发展期，河流污染问题随之严重，为此，这些国家投入了巨额资金用于加强水质恢复。20世纪80年代，河道管理从水质改善拓展至生态系统修复的层面，提出了“河流健康”的概念；近十年来，“河流健康”的概念，成为我国水环境与水生态状况调查的重要内容与指标，具有重要的现实意义[2]。

河流健康水平的评价是以科学研究和监测为基础，得到直观明确的评价结果，从而为河流的管理者、开发者与社会公众提供科学信息；一般包括筛选指标并建立评价体系、确定指标权重与指标评价值，最终得到综合评价值等步骤。河流健康状况的评价可采用层次分析法、模糊评价法、贝叶斯法等，其中大多数方法在权重值确定过程中具有较大的主观性；而熵权法是一种客观的赋权方法，它根据指标变异性的大小来确定客观权重，具有客观性强、操作简便、可信度高等优点，目前，在工程技术、社会经济等领域得到了广泛的应用[3]。大凌河流经我国的辽宁、内蒙古，存在侵蚀严重、河水含沙量大、河水浑浊度高、生物多样性低等问题，其健康状况已成为社会关注的热点。目前，大凌河流域的相关研究主要集中于水质、含沙量、径流变化等方面，关于河流健康水平的评价则较少；因此，本文基于熵权法，分别对大凌河流域的上窝堡、义县、凌海、复兴堡、朝阳、阜新6个河段的河流健康水平进行评价，并对评价结果进行分析与讨论[4]。

2　研究区域与评价体系

大凌河，古称白狼水，流经我国的辽宁、内蒙古，是辽宁西部的主要河流。大凌河上游分为南北两支，北支发源于凌源县，南支发源于建昌县，在喀喇沁左翼蒙古族自治县境内合流，流向东北[5]。至北票市境内折往东南，下游受医巫闾山阻挡，折而向南，在凌海市境内注入辽东湾。大凌河全长397km，流域面积2.35万km2，年降水量450～600mm，年均径流量16.67亿m3。

大凌河河流健康水平的评价体系建立，采用层次分析法方式，即将所有评价指标分为目标层、准则层、指标层3个层次[6]。根据大凌河流域的具体特点与相关研究成果，选取大凌河各河段的“河流健康水平”为目标层指标，选取“生态”“环境”“安全”与“社会”4项为准则层指标，选取“生态流量满足程度指标”“水质综合指标”“防洪工程达标率”和“公众满意度”等8项为指标层指标。具体的评价体系与层次结构见图1。

图1　河流健康水平评价体系与层次结构

3　河流健康水平评价结果

3.1　指标层指标评价值

选择大凌河上窝堡、义县、凌海、复兴堡、朝阳、阜新6个典型站点所代表的河段进行河流健康水评价。采用专家评价法确定各河段在“生态流量满足程度指标”“水质综合指标”“防洪工程达标率”和“公众满意度”等8项指标层指标方面的评价值。选取的专家包括水利管理人员、水利研究领域专家、水利工程师和群众代表等共30名；为评价人员提供各站点水质水量监测数据、工程建设报告、水资源公报等材料；评价人员根据材料结合判断经验确定各站点在各指标方面的评分，各分数介于0～1之间，数值越大河流健康水平越高[7]；去掉最高与最低的评价分数，并对其他分数进行平均，得到各河段各项指标层指标方面的评价值(见图2)。

图2　河流健康水平评价指标层指标评价值

3.2　指标层指标权重值

表1　河流健康水平评价指标加和指标值计算结果

以Pij表示第i个河段在第j项指标下的评价值占该指标的比重，其表达式为

(1)

根据上式，计算得到Pij值(见表2)。

以Ej表示第j个指标的熵值，其表达式为

(2)

其中

(3)

本文河段数n为6，因此根据式(3)计算得到k值为0.5581；根据式(2)和表2数据可得到各指标的熵值(见表3)。

表2　河流健康水平评价指标Pij值计算结果

表3　河流健康水平评价指标Ej值计算结果

以Dj表示第j个指标的信息熵冗余度，其表达式为

Dj=1-Ej(j=1,…,m)

(4)

根据式(4)与表3数据计算得到各指标的Dj值，结果见表4。

表4　河流健康水平评价指标Dj值计算结果

最终，根据熵权法确定的指标权重Wj可表示为

(5)

表5　河流健康水平评价指标权重值计算结果

3.3　河流健康水平评价结果

以S表示各河段的河流健康水平指数，其公式为

(6)

根据表5与图2数据，采用式(6)计算得到S值，最终结果见表6。

表6　河流健康水平指数综合评价结果

4　河流健康水平分析与讨论

由表6数据可知，大河流各河段健康水平指数主要分布于0.50～0.70范围内，其中阜新站的河流健康水平最低，健康水平指数为0.51，朝阳站的河流健康水平最高，健康水平指数为0.68；各站的平均健康水平指数为0.58；各站按健康指数由小到大排序为：阜新、上窝堡、义县、复兴堡、凌海、朝阳。

为对以上结果进行进一步的分析，可计算大凌河各河段的单项健康水平指数Sd，其表达为

(7)

式中，L表示准则层指标下的指标数，本文中L=2。基于式(7)，根据表5所列的Wjd值和图2所示的xij值计算得到大凌河各河段的单项健康水平指数Sd(见图3)。

图3　水生态文明建设水平评价一级指标评价值

在生态方面，大凌河凌海段的指数最高，为0.66；凌海市曾存在严重的水土流失问题，据2000年的遥感资料统计，凌海市曾经的水土流失面积大约689.55km2，占全市总土地面积的25.20%；之后，该地区大力开展了小流域治理、水土流失治理、水土保持工程林营造与生态修复等工作，改善了当地的生态水平。大凌河上窝堡段的生态指数最低，为0.46；该河段主要位于大凌河流域阎王鼻子水库上游，其生态状况一直不佳，库区及上游河道支沟发育，植被较差，是入库推移质的主要来源，因此,未来应加强该河段的治理。在环境指标方面，大凌河义县段的指数最高，为0.66；义县位于辽宁省锦州市西部，曾经以农业发展为主,而工业生产总值占地区生产总值的比例较小(例如2005年的地区生产总值为23.50亿元，其中规模工业增加值为2.80亿元)，其环境基础相对较好；近十年来，义县工业迅速发展，如规模工业增加值在2012年增加到35亿元，年均增长65.50%，环境质量也受到一定的影响，但大凌河流域义县段的环境状况依旧优于其他河段，且该地区的环境保护意识也有所增强[8]。大凌河阜新段的指数最低，为0.49；阜新是资源大市，初步探明的矿藏有38种，矿产地有228处，而其中煤的储量较大，资源储量达10亿多t；矿产的开发在很大程度影响了大凌河该河段的水质，未来有必要研究矿产地区的水质保护措施。除生态与环境指标外，安全问题与社会问题也是河流健康水平的重要指标。在安全方面，大凌河在朝阳段的安全指数最高，为0.69；大凌河在朝阳境内河段最长，因此，朝阳地区对大凌河的防洪与河岸稳定要求都较高；相对而言，阜新地区在河岸稳定性方面的工作需有所加强。在社会方面，大凌河朝阳段的指数最高，为0.76；大凌河对朝阳地区的经济生活贡献较大，民众对该河流的健康状况较为满意，而上窝堡地区则有待提高[9]。

对各地区的评价结果进行汇总平均，得到大凌河在生态、环境、安全、社会4个方面的健康水平指数，分别为0.57、0.57、0.61和0.59。据结果可知，目前，大凌河的安全状况较好，其指数高于0.60，各地的防洪工程达标率与河岸稳定性皆相对较高；但在其他方面的水平指数均低于0.60，其中在生态方面最低，因此，需重点加强各河段的水生态建设，提高大凌河各河段的河流健康水平[10]。

5　结　论

基于熵权法评价了大凌河在不同河段的河流健康水平。结果表明，各河段按健康指数由小到大排序为：阜新、上窝堡、义县、复兴堡、凌海、朝阳。在生态指标方面，凌海段指数最高、上窝堡段最低；在环境指标方面，义县段指数最高、阜新段最低；在安全指标方面，朝阳段指数最高、阜新段最低；在社会指标方面，朝阳段指数最高、上窝堡段最低。综合而言，目前大凌河的安全状况较好，但在生态建设方面亟待加强。

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[6]张宇.ACI标准在河流健康分析评估中的应用[J].水利规划与设计,2017(6):55-57.

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