大凌河河流系統水質時空格局演化研究

方迎春

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

水資源循環系統可通過直接或間接的作用與外界環境發生能量物質交換，它是一個涉及人類活動、經濟發展、自然生態、水土資源等方面的多層次開放型系統[1]。隨著科技進步以及人類對水資源改造能力的不斷提升，水資源現狀和水系統循環演化規律已發生了重大變化，為減少人類活動對水資源系統造成不良影響，準確把握河流系統水質演化的發展規律，并完善水資源系統的空間分布結構，國內外學者對水質演化規律進行了大量研究[2]。如美國學者Stockton通過建立降雨、氣候和徑流量之間的變化關系，探討了美國主要河流在不同氣候環境下的徑流變化曲線；龍虎等利用統計分析基本原理，分析了黃河中下游氣候變化和水資源之間的關系，并針對引起水資源減少的主要因素提出相應的補償措施和治理方法；嚴登化等學者以地表水質監測及歷年水文資料為基礎，進行了東遼河地表水質演化規律研究；雖然國內外學者對水質演化規律進行了大量的研究取得了一定的成果，但是通常情況下是采用定性分析為主、定量分析為輔的研究方法，未形成較為科學的理論體系和技術方法。本文基于耗散結構基本理論，對河流系統的耗散結構特征進行識別，并以大凌河河流系統為例進行水質時空演化規律的理論研究和分析。研究成果可形成一套完整、科學的水資源演化規律理論系統和分析方法，可為水質時空格局演化規律的研究提供科學的依據和理論支持參考[3]。

1 河流系統耗散結構研究

1.1 結構識別

系統內部各組成部分之間可發生自組織系統作用，將交換所得的能量和物質進行轉化吸收并對外界系統進行排放交流，故在一定的時間和空間尺度上，系統的輸入和輸出可達到一定的生態平衡，即耗散結構[4]。河流系統因以下特征產生耗散結構。

(1)開放性。河流系統受人類活動或自然環境的影響，不斷地與外界系統發生物質、信息和能量的交換，可使系統的熵逐漸減少并向著有序化方向發展。

(2)遠離平衡態。河流中的各類動植物無論在時間還是空間尺度均能保持一定的有序性，能夠形成一種遠離平衡的生態平衡，即為一種“活態”。

(3)系統內部各組分之間的非線性作用。外界系統中如降雨徑流、污水排放以及污染物的進入河流水體后，外界物質中包含有復雜的物理(擴散、沉淀)、化學(分解或凝聚、酸堿中和反應、氧化還反應)、生物(降解、吸收)等多種非線性作用。

(4)存在漲落突變特征。當外界人類活動和自然環境對河流系統不斷的產生作用和影響時，可導致河流水體的污染物濃度在時間和空間上分布不均勻即產生多個小漲落，當累計達到某一臨界值時河流系統就會產生大的漲落，河流系統即可轉換到另一狀態[5]。

1.2 演化規律

普利高津在假設了河流系統局域平衡的前提下，利用耗散結構理論，提出任何一個開放系統熵值由兩部分組成，計算公式如下：

ds=dsi+dso

(1)

式中，ds—開放系統熵值；dsi—系統不可逆過程產生的熵值增加量；dso—熵流，即系統進行物質和能量交換引起的熵變。

河流系統初始狀態為一個穩態，當與外界系統進行能量、物質和信息的交換時，大量的污染物和排泄物進入河體，此時系統內出現正熵流即dso為正，引起河流朝著無序狀態演變；為了改善河流水資源的系統環境，降低人類活動對河流的污染危害，人們通過采取科學有效的水資源治理措施、建立廢水廢物往河流內排放的管理制度、提高水體自凈潔能力，以增加河流系統負熵流即dso為負，促進系統朝著有序狀態演化，并進入新的耗散結構，完成從低級耗散結構向高級耗散結構的演化[6]。河流系統與外界環境進行熵流的正負轉換過程即為河流系統的水質演化過程。受多種因素影響，河流系統可能出現不同的狀態，每種狀態xi出現的概率為pi時，系統的熵流按下式進行計算：

(2)

由式(2)可知，系統每種狀態出現的次序不影響熵值的計算結果，其值為各狀態熵值的綜合。可利用熵值對系統的演化方向進行描述，即系統熵值越大則系統有序性程度就越低；反之，熵值越小則系統有序性程度則越高。

2 河流系統水質演變熵研究

河流受人類活動影響、大氣環境變化、外界不確定性行為等多種因素影響，致使系統水質演變是一個隨時間變化而改變的隨機過程。因河流污染程度、分界類別以及水質狀況等概念是一個客觀存在的模糊性現象，且包含多種不確定性因素，故在進行熵值計算前需將系統看作是一個模糊系統進行研究[7- 9]。

根據水體污染分技術k可計算得到k級水質標準濃度矩陣[S]m×k和實測濃度矩陣[C]m×n如下：

(3)

式中，Sih—第i相污染指標的第h級水質標準濃度值；Cij—第j個水體樣本的第i項污染物濃度實測值。

將式(3)按照線性統一化進行規范化處理，即可得模糊矩陣[e]m×k和[f]m×n如下：

(4)

式中，eih=(Sik-Sih)/(Sik-Si1)，ei1、eih、eik—第1、h、k級水質標準污染物標準濃度；fij—實測濃度規范化矩陣元素，分兩種情況按下式進行計算。

(1)評價指標值越大則水質越優型數據，fij為：

(5)

(2)評價指標值越小則水質越優型數據，fij為：

(6)

水體根據污染程度標準而具有一定的模糊性污染分級，樣本可根據不同的隸屬度u隸屬于各級水質，則n個樣本中k級水質的隸屬度模糊矩陣[uhj]n×k如下：

(7)

上述隸屬度模糊矩陣[uhj]n×k具有一定的不確定性，可根據信息熵原理，第j樣本的不確定性可用信息熵S(j)可用下式進行計算：

(8)

式中的隸屬度uhj根據最大熵原理即熵恒增定律，按下式進行計算：

(9)

(10)

(11)

根據上述計算結果可進行熵變ds在時間和空間上的演變計算，計算方程如下所示：

ds(t)=S(t)-S(t-1)

(12)

ds(j)=S(j)-S(j-1)

(13)

綜上所述，在分析了河流耗散結構基本原理的基礎上，河流系統水質時空格局演化規律可根據熵變ds的正負進行表征，當ds>0時，則系統有正熵的輸入，河流向無序狀態演變；當ds<0時，則系統有負熵的輸入，河流向有序狀態演變。

3 應用實例研究

3.1 大凌河河流系統概況

大凌河位于我國的遼寧省西部，該河流水資源污染嚴重，泥沙含量較大約為57kg/m3。該河流流經我國東北部的重工業基地，并伴隨和經濟的快速發展，工業廢水、農業化肥以及生活污水被大量排入河中，導致河流水資源嚴重污染，水質環境急劇惡化，水資源演化進入惡性循環。以河流耗散結構理論為基礎，建立了河流系統水質演化模型，研究大凌河河流系統水質時空演化規律，旨在為進行大凌河污染合理控制和水資源科學科學管理提供參考依據和理論支撐[10]。

3.2 水質演變規律分析

根據調研可知工業廢水、生活污水及農藥化肥的排放等因素是造成大凌河水體嚴重污染的主要因素。本文選擇具有一定代表性的污染物指標如的生化需氧量(A)、高猛酸鈣指數(B)、溶解鐵(C)、溶解氧(D)、總氮(E)和氨氮(F)等6項指標。以大凌河面源污染排放檢測相關資料為依據，收集整理了大凌河系統在2015年的污染物指標，見表1。

表1 大凌河2015年各時段污染物監測指標

根據標準規定，三個水質監測站的六個評價指標標準濃度矩陣和實測濃度矩陣[Sih]6×5、[Cij]6×3分別如下：

圖1 時域演化規律

圖2 地域演化規律

根據上述濃度矩陣計算結果，可進行規范處理得[e]6×5和[f]6×3，然后利用本文的計算公式可進行大凌河在各水質監測站的時間和空間的信息熵值S(j)的計算。計算結果如圖1和圖2。由圖1可知，大城子、朝陽和凌海水質監測站的信息熵隨時間變化有相同的趨勢，每年的信息熵值呈先增大后減少的規律，在6月份達到最大值，在12月份時間信息熵最小。其原因可能是河流系統時間信息熵與污染物排放規律有關，每年的夏季是降雨和生活污水、工業污水排放的高峰時期，而在秋冬季，生活和工業排放量逐漸減少，而農業用水量由隨增加，但增加的幅度小于生活和工業用水減少的幅度，故河流系統時間信息熵進入秋冬季以后逐漸減少。

由圖2可知，不同河段的河流系統空間信息熵與河流走勢變化情況大致保持相同，在大城子下游至朝陽上游河段的空間信息熵值逐漸增大，朝陽水質監測站河段的空間信息熵值最大，此后呈遞減趨勢。運用河流系統耗散結構理論分析可知，在大城子上游河段水體還未受到污染，信息熵值較小，河流系統處于有序的狀態；而隨著河流繼續往下走，進入朝陽河段時，該河段屬于工農業和人口密集區，大量的生活污水、農業廢水以及污染物被排放進入何地，水質變差，故信息熵值增大，河流系統進入無序的或較低程度的有序狀態；河流繼續往下走，河流系統進入相對平穩期，外界干擾逐漸降低，水體自清潔功能逐漸發揮作用，河流水質得到改善，河道信息熵值為負，但河流流入的負熵仍不足以抵抗外界輸入的正熵[11]。

4 結論

水資源循環系統可通過直接或間接的作用與外界環境發生能量物質交換，它是一個涉及人類活動、經濟發展、自然生態、水土資源等方面的多層次開放型系統。本文分析了河流系統耗散結構基本原理，以大凌河河流系統為例通過選取關鍵性污染物指標，計算各指標的時間和空間信息熵值。得出主要結論：

(1)大凌河在大城子、朝陽和凌海水質監測站的信息熵隨時間變化有相同的趨勢，每年的信息熵值呈先增大后減少的規律，在6月份達到最大值，在12月份時間信息熵最小。

(2)不同河段的河流系統空間信息熵與河流走勢變化情況大致保持相同，在大城子下游至朝陽上游河段的空間信息熵值逐漸增大，朝陽水質監測站河段的空間信息熵值最大，此后呈遞減趨勢。

(3)運用耗散結構理論，可對大凌河河流系統水質時空格局演化發展規律進行科學、準確的表征，利用河流系統耗散結構理論對于研究河流系統水質演化規律具有重要意義。