基于信息熵的流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)演化分析

鐘姍姍 劉鸝

摘要：通過構建流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵流指標體系，運用Shannon信息熵原理，定量計算了系統(tǒng)“壓力型正熵流”和“支持型負熵流”。定義了系統(tǒng)總熵流和擾動系數，揭示了流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)穩(wěn)定性和水電開發(fā)活動對環(huán)境系統(tǒng)的擾動能力。最后以資水流域為例對該模型進行了驗證。研究結果表明：2006年資水流域總熵流值為正，此時流域環(huán)境系統(tǒng)結構處于一種不穩(wěn)定狀態(tài);2007-2016年總熵流值轉為負值，系統(tǒng)有序度增強，處于良性循環(huán)狀態(tài);研究期內系統(tǒng)擾動系數呈波動發(fā)展，除2011年和2014年外，擾動系數均為負，系統(tǒng)支持型負熵流增長較快，說明資水流域整體具備一定的活力。

關鍵詞：流域環(huán)境;水電開發(fā);系統(tǒng)熵變;熵流;擾動系數;資水流域

中圖分類號：TV72;X21

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.01.015

隨著經濟發(fā)展對能源的需求，水電資源以其清潔、可重復利用、便于調峰等優(yōu)勢得到世界各國的青睞。然而水電開發(fā)改變了原始河道的水文情勢，不可避免對流域生態(tài)資源及社會經濟等產生一些擾動，進而影響流域生態(tài)環(huán)境建設和社會經濟發(fā)展。如何做到人與自然和諧發(fā)展、解決水能開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾就成為流域水電開發(fā)必須考慮的重大問題。

水電開發(fā)對流域生態(tài)經濟環(huán)境的影響涉及水資源、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和社會經濟等方面[1]。目前，國內外在水電開發(fā)對水溫[2-3]、水質[4]、生物多樣性[5-6]、流域景觀[7-8]、生態(tài)系統(tǒng)[9]等的影響機理研究，水電開發(fā)環(huán)境影響評價指標體系構建[10-11]，水電開發(fā)環(huán)境影響度量及評估[12-13]等方面已取得大量的研究成果。一些評估方法如模糊邏輯[14]、層次分析模型[15]、TOPSIS法[16]等相繼被用于水電開發(fā)的環(huán)境影響評估。但上述研究主要進行了水電開發(fā)綜合環(huán)境效應的靜態(tài)評估，對水電開發(fā)條件下流域環(huán)境系統(tǒng)動態(tài)演化規(guī)律的研究還十分缺乏。筆者在前人研究的基礎上，基于流域水電開發(fā)復合環(huán)境系統(tǒng)視角，采用“信息熵”原理，探求水電開發(fā)活動對環(huán)境系統(tǒng)的擾動規(guī)律，為流域水電開發(fā)規(guī)劃和環(huán)境管理提供一定的科學依據。

1 流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵變描述

“熵”是統(tǒng)計物理和熱力學中的一個物理概念，1948年由Shannon將“熵”引入信息論，提出了“信息熵”的概念。信息熵是對系統(tǒng)有序化程度的定量化度量，一個系統(tǒng)信息熵越低，系統(tǒng)越有序;反之，信息熵越高，系統(tǒng)越混亂。根據耗散結構理論，系統(tǒng)發(fā)展總是存在熵增的趨勢[17].開放系統(tǒng)只有通過從外界吸收負熵流來抵消系統(tǒng)本身的正熵流，使系統(tǒng)的總熵逐漸降低，才有可能從無序走向有序。

水電開發(fā)活動是對流域生態(tài)經濟環(huán)境的一種大規(guī)模擾動，大壩的建設將河流阻隔成若干相對獨立的區(qū)段，是改變河流自然特性的最主要因素。水電開發(fā)活動與流域生態(tài)經濟環(huán)境相互作用，共同構成一個非線性復合開放系統(tǒng)，系統(tǒng)在各要素的作用下動態(tài)向前發(fā)展。流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化過程構成了該系統(tǒng)熵的發(fā)展和變化過程[18]，因此可采用信息熵來描述流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)的熵變過程，定量判斷系統(tǒng)演化方向和發(fā)展規(guī)律。

通過實施流域水電資源開發(fā)，水電開發(fā)活動與流域環(huán)境系統(tǒng)之間進行頻繁的信息交換，在水電開發(fā)活動的誘導下，流域環(huán)境系統(tǒng)產生了正熵流。隨著該復合系統(tǒng)時空變換，環(huán)境影響在時間和空間上產生了協(xié)同交互作用，水電開發(fā)活動對流域環(huán)境的影響效應逐漸發(fā)生累積[19]，系統(tǒng)正熵流的產生能力逐漸增大，系統(tǒng)壓力隨之增大。此時必須增加外部負熵流補給，以此來削弱緩和系統(tǒng)壓力，增強系統(tǒng)活力。

2 流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵變模型

2.1 熵流指標體系構建

2.2 基于信息熵的熵流值計算

在已建立的流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵流指標體系基礎上，只要確定了各指標值及權重，就可以計算壓力型正熵流及支持型負熵流值，進而探討該系統(tǒng)的演化規(guī)律。

k的取值可為正、負或零。若k值大于零，則表示水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)壓力型正熵流的增長率大于支持型負熵流的增長率，水電開發(fā)活動對環(huán)境系統(tǒng)的擾動強于環(huán)境管理手段的補給，系統(tǒng)活力不足，流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)向無序方向發(fā)展，若此時k為各時段中的最大值，表示系統(tǒng)活力為各時段中最弱;當k值小于零時，表示水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)壓力型正熵流的增長率小于支持型負熵流的增長率，系統(tǒng)具有較強活力，系統(tǒng)在環(huán)境管理手段的約束下向有序方向發(fā)展。

3 案例應用

3.1 研究區(qū)概況

以湖南省資水流域為例進行系統(tǒng)熵流變化分析。資水位于湖南省中部，流域形狀南北長而東西短，地勢西南高而東北低，流經邵陽、婁底、益陽等市，于益陽市甘溪港注入洞庭湖，全長653 km，流域面積28 142 km2。

該流域分別于2006年、2007年、2009年完成了梯級水電開發(fā)項目的建設并相繼投產發(fā)電，因此將上述時間段作為該流域環(huán)境系統(tǒng)演化的分析時刻。同時為進一步觀測流域環(huán)境系統(tǒng)的變化，選擇2011年、2012年、2014年、2016年為分析時刻。

3.2 數據來源

研究數據來源于《湖南省水資源公報》《湖南省統(tǒng)計年鑒》《湖南省環(huán)境狀況公報》以及《湖南省國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，由于數據統(tǒng)計來源不同及部分數據的缺失，壓力型正熵流指標中，年水電發(fā)電量X14為邵陽、婁底、益陽各市統(tǒng)計數據之和;農作物受災面積X13由邵陽市數據代替;其余數據為資水流域統(tǒng)計數據。由于支持型負熵流數據用環(huán)境管理指標表示，考慮指標的可獲得性，均采用湖南省統(tǒng)計數據代替，其中環(huán)保產業(yè)單位數y2為邵陽、婁底、益陽各市統(tǒng)計數據之和。各指標取值見表2。

3.3 熵流值計算

由于各指標量綱不同，因此按照指標屬性將各指標劃分為“正向指標”和“逆向指標”兩大類，分別進行歸一化處理24]。其中，生態(tài)環(huán)境用水量、耕地面積減少量、萬元GDP用水量以及農作物受災面積為正向指標，其余為逆向指標。

根據式（5）計算的細分指標權重見表2，各時段的熵流值及擾動系數匯總見表3。

3.4 演化規(guī)律分析

根據表3中的計算結果，繪制資水流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵流和擾動系數變化曲線（見圖1）。

3.4.1 d_es1與d_es2變化趨勢分析

（1）壓力型正熵流表示水電開發(fā)活動對流域環(huán)境系統(tǒng)施加的壓力。研究期內的壓力型正熵流值大小雖略有波動，但總體呈下降趨勢。早期有多座水電站相繼竣工、投產發(fā)電，水電開發(fā)活動較為密集，環(huán)境系統(tǒng)面臨的壓力較大;后期隨著水電開發(fā)的平緩發(fā)展，系統(tǒng)壓力有所降低。其中耕地面積減少量x0、農作物受災面積X13、新增灌溉面積X12、萬元GDP用水量X11對壓力型正熵流的貢獻較大，其權重分別為0.240 3、0.2115、0.199 3、0.162 5。在研究期內，耕地面積減少量x9?？傮w呈下降趨勢，農作物受災面積x1，未呈現固定的增長或降低趨勢，總體呈波動發(fā)展，新增灌溉面積x12呈下降趨勢，萬元GDP用水量x11逐年下降。

（2）支持型負熵流代表輸入的對流域環(huán)境系統(tǒng)向有序化發(fā)展起支持作用的信息。研究期內，水利環(huán)保投入量y1、從事環(huán)保產業(yè)單位數y2、污染治理項目y3、自然保護區(qū)個數y4、“三同時”執(zhí)行合格率y5、環(huán)境信訪處理率y6等6項指標均持續(xù)增長，表示輸入系統(tǒng)的環(huán)境管理措施不斷加強。

3.4.2 基于熵流d_es的資水流域環(huán)境系統(tǒng)演變分析

（1） 2006年總熵流值des為正，表示在該年度區(qū)間內壓力型正熵流d_es1大于支持型負熵流d_es2，系統(tǒng)向無序狀態(tài)發(fā)展，此時流域環(huán)境系統(tǒng)結構處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2） 2007-2016年總熵流值d_es為負，表示支持型負熵流d_es2大于壓力型正熵流d_es1，系統(tǒng)有序度增強。在該研究時段內輸入系統(tǒng)的環(huán)境管理措施不斷增多。盡管在2007-2011年間，正熵流指標中，Ⅲ類水質以上河長比x5明顯下降、耕地面積減少量x9明顯增大等，給流域環(huán)境系統(tǒng)帶來了一定的壓力，但負熵流的引入強度足以抵消開發(fā)活動對流域環(huán)境的壓力，在系統(tǒng)總熵流值上反映出系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性。

（3）負熵流的變化規(guī)律與近些年人們對環(huán)境問題的認識提高及水電開發(fā)的平緩發(fā)展現狀是相符的。通過有效的環(huán)境約束和環(huán)境治理，系統(tǒng)才能處于一種良性循環(huán)狀態(tài)。

3.4.3 基于擾動系數k的資水流域環(huán)境系統(tǒng)演變分析

擾動系數k是表征流域環(huán)境系統(tǒng)是否具備活力的重要指標，從圖1中擾動系數的變化得到以下結論。

（1）研究期內，系統(tǒng)擾動系數k總體呈波動式發(fā)展。支持型負熵流呈逐年增長態(tài)勢（d_es2逐年增大），且其增長率△d_es2在大部分年間（除2009-2011年及2012-2014年外）超過了壓力型正熵流△d_es1，說明環(huán)境管理措施的輸入強度增長率大于環(huán)境擾動變化率，資水流域整體呈現一定的活力。

（2）2011年及2014年，盡管負熵值d_es2大于正熵值d_es1，但與上一年相比，負熵流值的增長率△d_es2小于正熵流值的增長率△d_es1，使擾動系數k為正。與系統(tǒng)壓力的增長率相比，用于抵消環(huán)境壓力的負熵流增長稍顯緩慢，使得系統(tǒng)活力不足。特別是2011年，k為各時段中最大值，表明該時間段內系統(tǒng)活力為研究期各時段中最弱。

4 結語

本文將水電開發(fā)活動作用下的流域環(huán)境看作一個復合開放系統(tǒng)，以信息熵原理為研究手段，分析了水電開發(fā)活動擾動下環(huán)境系統(tǒng)的演化規(guī)律，構建了流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵變模型，并揭示了擾動作用的發(fā)展規(guī)律，得到以下結論。

（1）構建了熵變模型并用于資水流域開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)演化分析中。分析表明，資水流域2006-2016年投入的環(huán)境管理手段和措施呈持續(xù)增長態(tài)勢，流域環(huán)境系統(tǒng)朝著有序的方向發(fā)展。2006年系統(tǒng)總熵流值為正，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài);2007年后總熵流值轉為負值，系統(tǒng)有序度增強。研究期內整體來看，系統(tǒng)擾動系數k總體呈波動式發(fā)展，但其在研究期內大部分時間段均為負值，表明資水流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)在研究期內具備一定活力。

（2）水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)與外界的信息交換能力至關重要，支持型負熵流的引入是決定該復合系統(tǒng)能否持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展的關鍵，只有建立健全流域綜合規(guī)劃開發(fā)機制，加強流域開發(fā)管理，才能確保水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)成為一個高效的開放系統(tǒng)。

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【責任編輯 馬廣州】

收稿日期：2018-09-25

基金項目：水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室開放基金項目（2014SS08）：湖南省哲學社會科學規(guī)劃基金項目（ 14YBB004）;湖南省水利科技項目（湘水科計[2016] 94-39）

作者簡介：鐘姍姍（1981-），女，遼寧沈陽人，講師，博士，主要研究方向為流域環(huán)境管理和項目經濟評價