基于信息熵的流域水电开发环境系统演化分析

钟姗姗 刘鹂

摘要：通过构建流域水电开发环境系统熵流指标体系，运用Shannon信息熵原理，定量计算了系统“压力型正熵流”和“支持型负熵流”。定义了系统总熵流和扰动系数，揭示了流域水电开发环境系统稳定性和水电开发活动对环境系统的扰动能力。最后以资水流域为例对该模型进行了验证。研究结果表明：2006年资水流域总熵流值为正，此时流域环境系统结构处于一种不稳定状态;2007-2016年总熵流值转为负值，系统有序度增强，处于良性循环状态;研究期内系统扰动系数呈波动发展，除2011年和2014年外，扰动系数均为负，系统支持型负熵流增长较快，说明资水流域整体具备一定的活力。

关键词：流域环境;水电开发;系统熵变;熵流;扰动系数;资水流域

中图分类号：TV72;X21

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.01.015

随着经济发展对能源的需求，水电资源以其清洁、可重复利用、便于调峰等优势得到世界各国的青睐。然而水电开发改变了原始河道的水文情势，不可避免对流域生态资源及社会经济等产生一些扰动，进而影响流域生态环境建设和社会经济发展。如何做到人与自然和谐发展、解决水能开发利用与生态环境保护之间的矛盾就成为流域水电开发必须考虑的重大问题。

水电开发对流域生态经济环境的影响涉及水资源、水环境、生态环境和社会经济等方面[1]。目前，国内外在水电开发对水温[2-3]、水质[4]、生物多样性[5-6]、流域景观[7-8]、生态系统[9]等的影响机理研究，水电开发环境影响评价指标体系构建[10-11]，水电开发环境影响度量及评估[12-13]等方面已取得大量的研究成果。一些评估方法如模糊逻辑[14]、层次分析模型[15]、TOPSIS法[16]等相继被用于水电开发的环境影响评估。但上述研究主要进行了水电开发综合环境效应的静态评估，对水电开发条件下流域环境系统动态演化规律的研究还十分缺乏。笔者在前人研究的基础上，基于流域水电开发复合环境系统视角，采用“信息熵”原理，探求水电开发活动对环境系统的扰动规律，为流域水电开发规划和环境管理提供一定的科学依据。

1 流域水电开发环境系统熵变描述

“熵”是统计物理和热力学中的一个物理概念，1948年由Shannon将“熵”引入信息论，提出了“信息熵”的概念。信息熵是对系统有序化程度的定量化度量，一个系统信息熵越低，系统越有序;反之，信息熵越高，系统越混乱。根据耗散结构理论，系统发展总是存在熵增的趋势[17].开放系统只有通过从外界吸收负熵流来抵消系统本身的正熵流，使系统的总熵逐渐降低，才有可能从无序走向有序。

水电开发活动是对流域生态经济环境的一种大规模扰动，大坝的建设将河流阻隔成若干相对独立的区段，是改变河流自然特性的最主要因素。水电开发活动与流域生态经济环境相互作用，共同构成一个非线性复合开放系统，系统在各要素的作用下动态向前发展。流域水电开发环境系统状态随时间变化过程构成了该系统熵的发展和变化过程[18]，因此可采用信息熵来描述流域水电开发环境系统的熵变过程，定量判断系统演化方向和发展规律。

通过实施流域水电资源开发，水电开发活动与流域环境系统之间进行频繁的信息交换，在水电开发活动的诱导下，流域环境系统产生了正熵流。随着该复合系统时空变换，环境影响在时间和空间上产生了协同交互作用，水电开发活动对流域环境的影响效应逐渐发生累积[19]，系统正熵流的产生能力逐渐增大，系统压力随之增大。此时必须增加外部负熵流补给，以此来削弱缓和系统压力，增强系统活力。

2 流域水电开发环境系统熵变模型

2.1 熵流指标体系构建

2.2 基于信息熵的熵流值计算

在已建立的流域水電开发环境系统熵流指标体系基础上，只要确定了各指标值及权重，就可以计算压力型正熵流及支持型负熵流值，进而探讨该系统的演化规律。

k的取值可为正、负或零。若k值大于零，则表示水电开发环境系统压力型正熵流的增长率大于支持型负熵流的增长率，水电开发活动对环境系统的扰动强于环境管理手段的补给，系统活力不足，流域水电开发环境系统向无序方向发展，若此时k为各时段中的最大值，表示系统活力为各时段中最弱;当k值小于零时，表示水电开发环境系统压力型正熵流的增长率小于支持型负熵流的增长率，系统具有较强活力，系统在环境管理手段的约束下向有序方向发展。

3 案例应用

3.1 研究区概况

以湖南省资水流域为例进行系统熵流变化分析。资水位于湖南省中部，流域形状南北长而东西短，地势西南高而东北低，流经邵阳、娄底、益阳等市，于益阳市甘溪港注入洞庭湖，全长653 km，流域面积28 142 km2。

该流域分别于2006年、2007年、2009年完成了梯级水电开发项目的建设并相继投产发电，因此将上述时间段作为该流域环境系统演化的分析时刻。同时为进一步观测流域环境系统的变化，选择2011年、2012年、2014年、2016年为分析时刻。

3.2 数据来源

研究数据来源于《湖南省水资源公报》《湖南省统计年鉴》《湖南省环境状况公报》以及《湖南省国民经济和社会发展统计公报》，由于数据统计来源不同及部分数据的缺失，压力型正熵流指标中，年水电发电量X14为邵阳、娄底、益阳各市统计数据之和;农作物受灾面积X13由邵阳市数据代替;其余数据为资水流域统计数据。由于支持型负熵流数据用环境管理指标表示，考虑指标的可获得性，均采用湖南省统计数据代替，其中环保产业单位数y2为邵阳、娄底、益阳各市统计数据之和。各指标取值见表2。

3.3 熵流值计算

由于各指标量纲不同，因此按照指标属性将各指标划分为“正向指标”和“逆向指标”两大类，分别进行归一化处理24]。其中，生态环境用水量、耕地面积减少量、万元GDP用水量以及农作物受灾面积为正向指标，其余为逆向指标。

根据式（5）计算的细分指标权重见表2，各时段的熵流值及扰动系数汇总见表3。

3.4 演化规律分析

根据表3中的计算结果，绘制资水流域水电开发环境系统熵流和扰动系数变化曲线（见图1）。

3.4.1 d_es1与d_es2变化趋势分析

（1）压力型正熵流表示水电开发活动对流域环境系统施加的压力。研究期内的压力型正熵流值大小虽略有波动，但总体呈下降趋势。早期有多座水电站相继竣工、投产发电，水电开发活动较为密集，环境系统面临的压力较大;后期随着水电开发的平缓发展，系统压力有所降低。其中耕地面积减少量x0、农作物受灾面积X13、新增灌溉面积X12、万元GDP用水量X11对压力型正熵流的贡献较大，其权重分别为0.240 3、0.2115、0.199 3、0.162 5。在研究期内，耕地面积减少量x9。总体呈下降趋势，农作物受灾面积x1，未呈现固定的增长或降低趋势，总体呈波动发展，新增灌溉面积x12呈下降趋势，万元GDP用水量x11逐年下降。

（2）支持型负熵流代表输入的对流域环境系统向有序化发展起支持作用的信息。研究期内，水利环保投入量y1、从事环保产业单位数y2、污染治理项目y3、自然保护区个数y4、“三同时”执行合格率y5、环境信访处理率y6等6项指标均持续增长，表示输入系统的环境管理措施不断加强。

3.4.2 基于熵流d_es的资水流域环境系统演变分析

（1） 2006年总熵流值des为正，表示在该年度区间内压力型正熵流d_es1大于支持型负熵流d_es2，系统向无序状态发展，此时流域环境系统结构处于一种不稳定状态。

（2） 2007-2016年总熵流值d_es为负，表示支持型负熵流d_es2大于压力型正熵流d_es1，系统有序度增强。在该研究时段内输入系统的环境管理措施不断增多。尽管在2007-2011年间，正熵流指标中，Ⅲ类水质以上河长比x5明显下降、耕地面积减少量x9明显增大等，给流域环境系统带来了一定的压力，但负熵流的引入强度足以抵消开发活动对流域环境的压力，在系统总熵流值上反映出系统具有一定的稳定性。

（3）负熵流的变化规律与近些年人们对环境问题的认识提高及水电开发的平缓发展现状是相符的。通过有效的环境约束和环境治理，系统才能处于一种良性循环状态。

3.4.3 基于扰动系数k的资水流域环境系统演变分析

扰动系数k是表征流域环境系统是否具备活力的重要指标，从图1中扰动系数的变化得到以下结论。

（1）研究期内，系统扰动系数k总体呈波动式发展。支持型负熵流呈逐年增长态势（d_es2逐年增大），且其增长率△d_es2在大部分年间（除2009-2011年及2012-2014年外）超过了压力型正熵流△d_es1，说明环境管理措施的输入强度增长率大于环境扰动变化率，资水流域整体呈现一定的活力。

（2）2011年及2014年，尽管负熵值d_es2大于正熵值d_es1，但与上一年相比，负熵流值的增长率△d_es2小于正熵流值的增长率△d_es1，使扰动系数k为正。与系统压力的增长率相比，用于抵消环境压力的负熵流增长稍显缓慢，使得系统活力不足。特别是2011年，k为各时段中最大值，表明该时间段内系统活力为研究期各时段中最弱。

4 结语

本文将水电开發活动作用下的流域环境看作一个复合开放系统，以信息熵原理为研究手段，分析了水电开发活动扰动下环境系统的演化规律，构建了流域水电开发环境系统熵变模型，并揭示了扰动作用的发展规律，得到以下结论。

（1）构建了熵变模型并用于资水流域开发环境系统演化分析中。分析表明，资水流域2006-2016年投入的环境管理手段和措施呈持续增长态势，流域环境系统朝着有序的方向发展。2006年系统总熵流值为正，系统处于不稳定状态;2007年后总熵流值转为负值，系统有序度增强。研究期内整体来看，系统扰动系数k总体呈波动式发展，但其在研究期内大部分时间段均为负值，表明资水流域水电开发环境系统在研究期内具备一定活力。

（2）水电开发环境系统与外界的信息交换能力至关重要，支持型负熵流的引入是决定该复合系统能否持续健康稳定发展的关键，只有建立健全流域综合规划开发机制，加强流域开发管理，才能确保水电开发环境系统成为一个高效的开放系统。

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【责任编辑 马广州】

收稿日期：2018-09-25

基金项目：水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室开放基金项目（2014SS08）：湖南省哲学社会科学规划基金项目（ 14YBB004）;湖南省水利科技项目（湘水科计[2016] 94-39）

作者简介：钟姗姗（1981-），女，辽宁沈阳人，讲师，博士，主要研究方向为流域环境管理和项目经济评价