基于熵權多元聯系數的大沽河流域地表水環境健康評價

張欣+張保祥+時青+崔峻嶺

摘要：為合理開發利用和保護大沽河流域水資源，構建了流域地表水環境健康評價指標體系和分級標準。基于集對分析理論，考慮各評價指標等級標準邊界的不確定性，建立了熵權多元聯系數耦合計算模型。將該方法應用于大沽河流域，得到流域地表水環境健康評價指標聯系數計算結果。結果表明：2015年大沽河流域Ⅰ區（萊西市）、Ⅱ區（平度市）、Ⅲ區（膠州市、黃島區）、Ⅳ區（即墨市、城陽區）以及Ⅵ區（萊陽市、招遠市、萊州市）的地表水環境處于“健康”狀態，Ⅴ區（高密市）以及整個流域處于“亞健康”狀態。青島市大沽河綜合治理工程的實施使得流域地表水環境得到較大地提高，為進一步提高整個流域的地表水環境健康水平，應針對流域開展水環境治理工作。

關鍵詞：地表水環境健康；評價指標體系；分級標準；多元聯系數；熵權；大沽河流域

中圖分類號：X131 文獻標識碼：A 文章編號：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

在人類活動和氣候變化影響下，流域水環境系統成為一個開放、復雜的系統。目前，對于河流問題的研究已涉及水質評價、水環境健康風險評價、水環境承載力評估、河流生境評價、水體富營養狀態、棲息地以及生態健康評價[1-9]等許多方面。由于河流水質等評價具有單一性，很難全面反映河流的水環境健康狀況，而現有的地表水環境健康評價多針對河流本身，缺乏與流域水環境治理目標相一致的系統評價體系[10]，同時在評價過程中存在較大的不確定性[11]，因此建立一套系統、合理的評價指標體系以及有效的定量評價模型是目前流域地表水環境健康評價研究的關鍵。本文從流域水環境的內涵出發，同時考慮水量、水質、污染源、水生態對流域水環境健康的影響，建立了流域水環境健康評價指標體系和熵權多元聯系數耦合評價模型，并在大沽河流域進行了應用，以期為流域水環境的科學治理提供參考。

1 研究區概況

大沽河源于煙臺市招遠阜山，自北向南，于青島市膠州營房鎮碼頭村南入膠州灣，干流全長199 km，是膠東半島的最大河流。大沽河流域總面積6 131.3 km2（含南膠萊河1 500 km2），地跨青島、煙臺、濰坊三市。北部為山區和淺山丘陵區，南部為山麓平原和平原洼地，地勢北高南低，地形坡度由北向南逐漸變緩。流域地處北溫帶季風氣候區域，具有明顯的海洋性氣候特點。多年平均降水量674 mm，降水量年內分配不均，年降水量的70%集中在6月-9月；降水量年際變化比較大，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，且豐枯水年連續出現；降水量地域分布不均，總的趨勢是從南向北遞減。大沽河水系包括主流大沽河及其小沽河、潴河、五沽河、流浩河及南膠萊河等諸多支流。流域內現有61個鎮（街道辦事處），總人口456.72萬人，國民生產總值（GDP）2 615.12億元，工業增加值679.26億元。

隨著經濟社會的發展，流域內用水量增加，部分點源和面源污染物處理不達標或者未經處理就直接排入河流，威脅了河流生態系統健康。2012年2月，青島市委、市政府啟動了大沽河治理工程，自大沽河產芝水庫至入海口段和小沽河自北墅水庫入大沽河段兩側及相關區域，重點實施并完成防洪、水資源開發、生態建設、環境保護、道路交通、小城鎮與新農村示范建設、現代農業化基地建設等工程。通過大沽河的治理，沿岸群眾的生產生活條件得到改善。

2 評價方法

2.1 評價指標體系及分級標準

流域水環境健康評價將水作為一個環境要素加以研究，它把水資源與人類活動都納入整個生態系統范圍中，體現了水與自然環境、人類社會的相互作用以及水域生態和人類發展協調的過程[12]。綜合考慮大沽河流域水環境安全的主要影響因素，本著代表性、定量化及可操作性等原則，本文從水量、水質、污染源和水生態入手，建立由17個指標構成的大沽河流域地表水環境健康評價指標體系。指標類型分為正向指標（越大越優）和反向指標（越小越優）兩類。指標含義見表1。

在參照地表水環境質量標準以往流域水環境評價分級標準的基礎上[10，13-19]，根據各評價指標對流域地表水環境健康的影響程度，將健康級別分為“不健康Ⅰ級”、“亞健康Ⅱ級”、“健康Ⅲ級”、“很健康Ⅳ級”四個級別，結合大沽河流域實際情況，確定等級評價標準，建立大沽河流域地表水環境健康評價因子分級標準，見表2。

2.2 評價模型

2.2.1 集對分析原理

集對分析法（Set Pair Analysis，SPA）由我國學者趙克勤于1989年提出的一種處理不確定問題的系統分析方法[20]，其核心思想是把兩個集合（集對）的確定性聯系度和不確定性聯系度聯系在一起，對集對的某特性做同一性、差異性、對立性分析，建立兩個集合的聯系度表達式

2.2.2 熵權多元聯系數耦合評價模型

本文將信息論中的熵值理論與多元聯系數評價模型相結合，構造熵權多元聯系數耦合計算模型并應用于流域地表水環境健康評價中。運用信息熵所反映數據本身的效用值來計算評價指標的權重，避免了人為主觀因素的偏差，使得權重的確定更符合實際；多元聯系數評價模型基于集對分析理論建立，具有較高的分辨率和較大的實用性，評價過程中不遺失數據中同信息，從而使得評價結果與實際情況更為相符。

（1）構建評價指標集合。評價指標為x1，x2，x3，…，xm（m為指標數），則第j個評價樣本的指標體系構成一個集合A=（x1，j，x1=2，j，x3，j，…，xm，n，其中j=1，2，…，n為評價樣本。

（2）權重的確定[21]。

①構建m個指標n個事物的判斷矩陣R=（xij）mn（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）。

②將判斷矩陣歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B

（3）構造集對H（Aj，Bk）（k=1，2，3，4；j=1，2，…，n）。

第j個評價樣本的指標樣本值構成一個集合Aj，各級評價標準組成一個集合Bk，集合Aj和集合Bk構成集對H（Aj，Bk）。將流域地表水環境健康級別分為“不健康Ⅰ級”、“亞健康Ⅱ級”、“健康Ⅲ級”、“很健康Ⅳ級”四個級別。依據集對分析原理，采用四元聯系數描述流域水環境健康狀態，將健康狀態等級“Ⅰ級”定義為“同一度”，“Ⅱ級”定義為偏同差異度，“Ⅲ級”定義為“偏反差異度”，“Ⅳ級”定義為“對立度”。

由于不同的標準等級對“同、異、反”的隸屬程度不同，聯系度的表達式也不盡相同，評價指標相對于評價標準的聯系度表達式如下[22]：

式中：S1、S2、S3、S4分別為評價指標的等級界限值；x為評價指標的樣本值；m為第m個評價指標；n為第n個評價樣本。

根據流域水環境健康狀態4級評價標準，符合Ⅰ級標準為同一度a，可以將同一度a的系數看作1；符合Ⅳ級標準為對立度c，對立度系數j常取-1；而符合Ⅱ、Ⅲ級標準定義為差異度。評價標準中等級分割點的差異度系數采用分析取值法確定，分別取差異度系數i1、i2為1。

3 評價結果分析

3.1 流域評價分區及評價值

為全面了解大沽河流域的水環境健康狀況，將流域分為6個區，詳見表3、圖1。為更好地反映青島市大沽河綜合治理工程對大沽河水環境的影響，本文分別對2012年和2015年大沽河流域各區水環境健康狀況進行綜合評價，其中水質指標取自各分區監測斷面各年5月和8月監測值的平均值。

通過查閱統計年鑒、水資源公報、相關研究報告等資料，計算確定各分區評價指標值，見表4。

3.2 評價結果及分析

利用構建的熵權多元聯系數耦合評價模型，計算大沽河流域各分區的聯系度。計算結果見表5。

由表5可以看出，2015年大沽河流域水環境狀態：Ⅰ區（萊西市）、Ⅱ區（平度市）、Ⅲ區（膠州市、黃島區）、Ⅳ區（即墨市、城陽區）以及Ⅵ區（萊陽市、招遠市、萊州市）處于“健康”狀態；Ⅴ區（高密市）和整個流域處于“亞健康”狀態。相比2012年，大沽河流域Ⅲ區、Ⅳ區、Ⅵ區的地表水環境狀態得到不同程度的改善，青島市大沽河流域地表水環境健康水平較流域內其他地區高。

隨著青島市大沽河綜合治理工程的實施，大沽河流域通過建設污水處理廠、鋪設配套污水管網、劃分水源保護區、開展農村污染集中整治、治理生態環境、加強地表水環境監測監管能力建設等措施來改善地表水環境，流域內點源污染逐步得到了更好地監測和控制，城區的工業廢水和生活廢水排入污水處理廠進行處理，大沽河干流的水質全部達標，水質、污染源和水生態指標得到有效地提升。而少量分散于市區外的工業廢水通過自然溝渠進入大沽河支流，以及農業生產中氮、磷等養分流失造成流域部分支流水質污染，流域內部分地區水環境處于亞健康狀態。4 結語

本文綜合考慮影響流域水環境安全的水量、水質、污染源和生態等主要因素，建立了流域地表水環境健康評價指標體系及分級標準。基于集對分析理論，考慮各評價指標等級標準邊界的不確定性，構建了熵權多元聯系數耦合計算模型，為避免直接確定聯系度中差異不確定系數，采用置信度確定健康等級，得到流域地表水環境健康評價結果。對大沽河流域地表水環境健康評價結果表明，青島市大沽河綜合治理工程的實施對于改善大沽河流域地表水環境健康狀態起到了重要的作用。考慮流域的整體性，下一步應在整個流域內開展水資源開發及水系治理，進行整個流域生態修復，建設農村分散式生活污水處理設施，控制農業面源污染，加強地表水環境質量監測，進一步提高流域水生態與環境安全保障水平。

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