熵值法在生態流量計算中的應用

唐 瑋，張新華

（四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室 水利水電學院，四川 成都 610065）

水是生態環境良性循環的根本條件，水資源配置中滿足生態需水是保持生態環境持續健康的基本措施，我國目前在“三水”統籌方面，水生態問題嚴峻，部分河流生態流量嚴重不足，部分河道甚至出現斷流。王西琴等人從二元水循環角度分析地表水資源開發利用率的影響因素，結果表明地表水資源開發利用率與河道生態需水有著密切的關系。因此，生態流量是水資源管理調配部門及環保部門在進行水資源調配、河流保護時主要考慮的指標之一。目前國內外學者對于生態流量的研究有很多，但目前對于生態流量還沒有一個統一的定義，但大多數學者認為生態流量是能夠滿足某目標用水需求的最小流量，一般來說，生態流量是指能夠滿足魚類和底棲生物需求，水質需求及景觀需求的流量需求。

目前計算生態流量的方法可分為水文學法、水力學法、棲息地評價法及整體分析法，四種方法在計算方式和適用性方面均存在較大的差異。水文學法是根據歷史流量數據，大致估算生態流量，方法簡單，但是準確率不高；水力學法是綜合考慮歷史流量數據，大斷面以及河流內特定物種對于流量、流速、水深等的需求，得到生態流量，較適用于有特定保護物種需求的河段，不適用于大范圍；棲息地評價法不僅需要考慮水力學條件，還需要考慮棲息地質量，操作復雜；整體分析法以整合流域為研究范圍，整體分析計算生態流量。馬俊超等人分別用水文學法、水力學法、生態水力學法及生境模擬法對西藏扎拉水電站減水河段的生態流量進行了計算，四種方法得到的生態流量差異較大。賈子燁用水文學法中的常用方法對觀音峽水電站等站點的生態流量進行了計算，結果表明不同的水文學方法得到的生態流量也不盡相同，適用性也不同。肖衛等人對水文學法、棲息地評價法及整體分析法進行了適應性分析，提出生態流量計算方法應與環境保護需求目標進行統一協調，并結合數據資料獲取難易程度及收集情況，選擇合適的計算方法。

1 計算方法

考慮到單一方法計算生態流量均存在一定的適用性缺陷，在選擇各方法計算結果時又容易摻入個人主觀意識，因此文章引用熵值法對7Q10法、濕周法和R2CROSS法三種方法計算得到的生態流量逐一賦權，并以Tennant法α取10%到20%時區間內的流量值作為考量標準進行綜合評價，從而得到更為合理的生態流量，具體方法如下：

首先選擇某河流上所有水文站點為待評估站點，分別用 7Q10法、濕周法和R2CROSS法計算各站點的生態流量，形成生態流量原始指標矩陣，去除各指標的量綱便于計算，歸一化處理各指標數據，表達式如下：

上述方法綜合考慮了計算生態流量時最常用的兩種方法，即水文學法及水力學法，故可以稱之為綜合法，通過這種方法，可以得到各水文站點不同方法所對應的權重。

2 方法應用

2.1 綜合法計算生態流量

以珠江流域西江水系為例，對西江水系上各水文站點分別采用7Q10法、濕周法及R2CROSS法計算生態流量，匯總數據如表1所示。

表1 西江水系各水文站點生態流量匯總

根據上述方法，即可得到西江水系各站7Q10法、濕周法、R2CROSS法三個方法指標對應權重。文章通過MATLAB計算得到西江水系各方法權重如表2所示。

表2 西江水系不同方法權重

根據上述權重計算結果，對西江水系各水文站點三種方法計算得到的生態流量進行賦權，最終得到一個綜合值，即為需要的生態流量，計算結果如表3所示。

表3 生態流量綜合值

2.2 綜合法修正

迄今為止計算河流的生態流量方法已經超過200種，涉及水文學、水力學、生物生態環境、整體和局部等多種方法。文章中采用上述熵值法綜合7Q10法、濕周法、R2CROSS法三種方法，以期得到一個能夠綜合水文學及水力學法的河流生態流量。較多學者的研究結果均發現水文學法最適用我國現階段的生態流量計算方法。為得到更為合理客觀的最終生態流量推薦值，本研究繼續采用Tennant法計算的生態流量對上文中綜合法計算結果進行對比修正。結果對比如表4所示（以珠江流域為例）。

表4 綜合法與Tennant法計算結果對比

絕大多數站點熵值法計算結果與Tennant法相符，均滿足推薦生態流量占多年平均流量的百分比在河道棲息地狀態最低標準10%和河道棲息地狀態最佳標準30%區間范圍之內。個別站點計算結果偏大，超過Tennant法中生態流量占多年平均流量的30%，認為此生態流量推薦值超過了預期的滿足生態流量維持河流生態系統健康、保持水生生物的正常生存的標準，需要進一步修正。相反的，多年平均流量的10%是維持河道生態功能穩定的最低閾值標準，但是河道保持這種流量狀態，河道中各種生物將無法長期穩定生存。因此應剔除綜合法計算得到的生態流量中超過該站點平均流量30%以及低于該站點平均流量10%的數據。

3 結語

文章在計算生態流量時，綜合考慮了生態流量的影響因素，和不同方法的適用性分析，在計算生態流量時使用不同方法計算同一條流域不同水文站點的生態流量，再基于熵值法賦予7Q10法、濕周法和R2CROSS法的計算結果不同的權重，從而根據權重計算出了最終生態流量的推薦值，以Tennant法計算的多年平均流量的10%～30%作為對比分析的合理范圍。結果表明不同方法在計算生態流量時，其計算結果有明顯差異性，而基于熵值法的綜合法可以將這種差異進行統一，克服了在選擇不同方法計算結果時個人主觀性的影響，同時以Tennant法計算的多年平均流量的10%～30%作為對比分析的合理范圍，進一步使綜合法的計算結果更合理可靠。