基于熵權密切值法的博斯騰湖大湖區(qū)水質動態(tài)分析

李秀花,王金山,孔偉斌,曹相東,王 燕

(1. 新疆師范高等?？茖W校 a.職業(yè)技術學院;b.科研處，烏魯木齊 830063;2. 新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000;3. 新疆庫爾勒開拓規(guī)劃設計研究院，新疆 庫爾勒 841000)

基于熵權密切值法的博斯騰湖大湖區(qū)水質動態(tài)分析

李秀花1a,王金山2,孔偉斌3,曹相東1b,王 燕1a

(1. 新疆師范高等?？茖W校 a.職業(yè)技術學院;b.科研處，烏魯木齊 830063;2. 新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000;3. 新疆庫爾勒開拓規(guī)劃設計研究院，新疆 庫爾勒 841000)

為促進干旱區(qū)湖泊的可持續(xù)發(fā)展，以新疆博斯騰湖大湖區(qū)為研究靶區(qū)，選取影響湖泊水質的7個主要指標，應用基于熵權的改進密切值法分析研究區(qū)1991～2008、2010～2011年的水質動態(tài)。結果顯示：研究區(qū)近20 a的水質環(huán)境總體低于地表水國家Ⅰ級水質標準(GB3838-2002)；氨氮的熵權接近0.5，對水質動態(tài)變化影響最大，溶解氧的影響最弱，主要是研究區(qū)工業(yè)廢水的排放量增加及化學氮肥的不合理施用導致其水質富營養(yǎng)化；研究時段內(nèi)后10 a的水質狀況總體好于前10 a，而前10 a較后10 a的水質穩(wěn)定，尤以2004-2006年起伏最大。

熵權；密切值法；水質動態(tài)；水質指標；博斯騰湖大湖區(qū)

0 引 言

目前，關于地表水水環(huán)境質量的分析方法較多，常用的有W值評價法、密切值法、屬性識別法、模糊數(shù)學評價法和灰色理論評價法等[1]。密切值法具有計算簡便且精度高，能客觀、準確、全面地反映各待評價水樣的質量狀況等優(yōu)點，在水質分析評價中得到了人們的普遍重視。

應用傳統(tǒng)密切值法進行多樣本分析時，一般不考慮各指標的權重或將各指標的權重作等權處理，評價結果誤差較大。近年來，有學者采用層次分析法確定各評價指標的權重，對傳統(tǒng)密切值法進行了改進，用之進行多樣本分析評價更趨合理,但是其評價結果具有一定的主觀性。

本文通過對新疆博斯騰湖大湖區(qū)近20 a的7種主要水質指標構成的初始矩陣進行規(guī)范化處理，并用熵權法確定各指標的權重，基于此權重改進傳統(tǒng)密切值法，用以客觀地分析評價研究區(qū)近20 a的水質動態(tài)。

1 基于熵權的改進密切值法分析水質動態(tài)的數(shù)學建模

熵是信息論中測度一個系統(tǒng)不確定性的量。信息量越大，不確定性就越小，熵也越小，而熵權越大；反之，信息量越小，不確定性就越大，熵也越大，熵權越小。它并不表示某評價研究中某指標在實際意義上的重要性，而是在給定被評價對象集后各種評價指標值確定的情況下各指標在競爭意義上的相對激烈程度系數(shù)。從信息角度考慮它代表該指標在該問題中提供有用信息量的多寡[2-3]。密切值法是系統(tǒng)工程中多目標決策的一種優(yōu)選方法，最初多用于樣本的優(yōu)劣排序[4]。在地面水水質動態(tài)分析中，基于熵值客觀地確定各水質指標的權重，將密切值法加以改進。再依據(jù)密切值法的思想將水質多指標的多個分析單元轉化為由最優(yōu)(或最劣)單指標組成的1個虛擬最優(yōu)(或最劣)單元，進而計算出各待分析單元距虛擬最優(yōu)(或最劣)單元的距離和最優(yōu)密切值(最劣密切值)，通過密切值的排序決定各分析單元的水質優(yōu)劣，進而得出研究區(qū)多年的水質動態(tài)。

1.1 建立水質樣本的歸一化矩陣并同向化

由所研究的水環(huán)境的m個指標和(n+z)個單元構成了研究的初始矩陣A={aij}(n+z)×m。

令R={rij}(n+z)×m，

(1)

則矩陣R為初始矩陣A的非線性歸一化矩陣，且其中所有指標均已正向化。

1.2 構建虛擬的最優(yōu)水質單元和最劣水質單元

令：

(2)

1.3 確定各分析指標的熵權

將研究區(qū)水質動態(tài)的初始矩陣A={aij}(n+z)×m進行標準化處理。

令:

(3)

根據(jù)斯梯林公式計算[5],可得水質環(huán)境中第j項指標的信息熵值ej：

(4)

(其中k=ln(n+z)與系統(tǒng)單元數(shù)有關,j∈{1,2,…,m})

(5)

即為水質環(huán)境中第j項指標的熵權。

1.4 計算熵權密切值

(6)

令：

(7)

通過熵權密切值可將水質環(huán)境分析中的多個指標A1,A2,…,Am轉化為能從總體上衡量水質優(yōu)劣的單指標ci。各分析單元的熵權密切值ci大小反映了該分析單元與“最優(yōu)面”的距離遠近。一般而言,ci越小,表示離“最優(yōu)面”越近,離“最劣面”越遠,水質越好。因此根據(jù)ci的大小,可得到各分析單元水質優(yōu)劣的動態(tài)情況，并可以將各分析單元的水質與各級水質標準加以比較。

2 實例分析

2.1 研究區(qū)概況

博斯騰湖(86°40′～87°56′E, 41°56′～42°14′N)(以下簡稱“博湖”)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州焉耆盆地東南，是我國第一大內(nèi)陸淡水湖。博湖地區(qū)降水稀少，年均降水量 64.3 mm，遠遠低于年均蒸發(fā)量1 881.2 mm。流域范圍主要包括開都河流域(也可稱為焉耆盆地，包含博斯騰湖泊濕地)和孔雀河流域。其由大湖、小湖、葦沼 3部分組成，水域面積現(xiàn)約1 300 km2，集水面積約4.4×104km2，大湖區(qū)湖長61 km，均寬16 km，平均水面972 km2，平均水深7.5 m，最大水深19 m，周長約220 km；水位高程1 048.0 m 時,水域面積1 150 km2，容積88×108m3，是湖體的

主要部分；小湖群有小湖15個，多分布于大湖西南葦沼,水面面積共30～40 km2,水深 2～4 m，水容積共約1.2×108m3；葦沼主要在大湖西南北部約350 km2[6](圖1)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the studied area

博湖地處焉耆盆地的最低處,多年來一直是焉耆盆地的一個納污區(qū)。既是開都河的尾閭，又是孔雀河的源頭。兼有開都河來水的水資源調(diào)控、孔雀河流域農(nóng)田灌溉、工業(yè)及城鄉(xiāng)生活用水、流域生態(tài)環(huán)境保護及向塔里木河中下游緊急調(diào)水等功能，對焉耆盆地和庫爾勒市及尉犁縣生產(chǎn)生活起著極其重要的作用[7-8]。

應用基于熵權的改進密切值法對博湖大湖區(qū)近20 a水環(huán)境質量進行動態(tài)分析，以便為該區(qū)環(huán)境污染控制規(guī)劃方案的制定與實施提供依據(jù)和參考。

2.2 數(shù)據(jù)資料及前期處理

2.2.1 數(shù)據(jù)來源

原始數(shù)據(jù)資料來源于新疆塔里木河流域管理局(圖2)。主要選取其中的溶解氧DO(mg/L)、礦化度TDS(g/L)、五日生化需氧量BOD5(mg/L)、高錳酸鹽指數(shù)CODMn(mg/L)、總磷TP(mg/L)、總氮TN(mg/L)和氨氮NH3-N(mg/L)共m(m=7)項指標來分析博湖大湖區(qū)水質動態(tài)。其中只有DO為正向指標(即數(shù)值越大越好)，其余均為負向指標(即數(shù)值越小越好)。相應地，選取研究區(qū)1991～2008年及2010～2011年共n(n=20)年的水質指標，連同m個評價指標的z(z=5)級標準[9]，共n+z(n+z=25)項作為分析評價單元。

圖2 研究區(qū)水環(huán)境指標動態(tài)Fig.2 Dynamics of seven water quality indicators in studied area

2.2.2 原始矩陣的歸一化和同向化

根據(jù)式(1)將圖2反映的初始矩陣A化為如下歸一化且同向化的矩陣R。

2.2.3 確定虛擬的最優(yōu)水質單元和最劣水質單元

根據(jù)式(2)，研究區(qū)水環(huán)境中虛擬的最優(yōu)水質單元和最劣水質單元分別為：

G(2.383 2, -0.048 3, -0.030 0, -0.068 2,-0.018 0,-0.043 9,-0.003 5)；

B(0.112 6, -0.725 1,-0.601 0, -0.643 3,-0.718 9,-0.438 8,-0.708 4)。

2.2.4 原始矩陣的標準化

根據(jù)式(3)得到初始矩陣的標準化矩陣Y。

2.3 結果與討論

2.3.1 水質環(huán)境各指標的熵權

根據(jù)式(4)和式(5)計算得到研究區(qū)水質環(huán)境中7項指標的熵權，結果見表1。

表1 研究區(qū)水質環(huán)境各指標的熵權

Table 1 Entropy authority of seven water quality indicators in studied area

DO礦化度BOD5CODMnTPTNNH3-N權重0.02100.07530.14040.06500.15300.08030.4650

由表1可見，在影響博斯騰湖大湖區(qū)水質動態(tài)的7個主要指標中，氨氮所占的熵值權重最大，且近0.5，說明氨氮所反映的研究區(qū)水質信息量最大。而溶解氧所占權重最小，僅為0.021，說明在眾多污染物的綜合影響下，溶解氧對研究區(qū)水質的正向調(diào)節(jié)作用非常有限。五日生化需氧量與總磷的權重相當。礦化度、高錳酸鹽指數(shù)和總氮三者權重相近，且都不到0.1，說明三者對研究區(qū)水質的影響不大且程度相當。

氨氮對研究區(qū)水質的影響超過了總氮，說明研究區(qū)水質所受到的氮化物污染中以氨氮為主、總氮為輔。主要是雙向不利因素所致：氨氮要消耗湖水中大量的溶解氧；研究區(qū)水體中溶解氧的正面調(diào)節(jié)本身就非常有限。

博湖大湖區(qū)以氨氮的熵權最大、溶解氧的熵權最小，此因大湖區(qū)西北角有許多農(nóng)田排水渠，接納了博斯騰湖北四縣(和碩縣、和靜縣、焉耆縣和博湖縣) 大量的工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢水所致[11-16]，而五日生化需氧量和高錳酸鹽指數(shù)的相對較低熵權反映出生活污水對研究區(qū)水質的影響低于周邊工農(nóng)業(yè)廢水。

2.3.2 水質環(huán)境的熵權密切值

結合表2根據(jù)式(7)計算研究區(qū)各水質單元對應的熵權密切值(表3)。

表2 各水質單元與虛擬最優(yōu)、最劣單元的最大、最小距離及其最值

表3 各水質指標的熵權密切值

由表3可見,近20 a中的博斯騰湖大湖區(qū)水質環(huán)境有8 a的水質整體很好，優(yōu)于國家Ⅰ級水質標準，尤以2004年的水質為最佳；而另外12 a的水質環(huán)境均超過了國家Ⅰ級水質標準，特別是以2006年的水質最劣，但總體上都優(yōu)于國家Ⅱ級水質標準。

由圖3可見,在研究的20 a中，雖然前10 a的博湖大湖區(qū)水質熵權密切值較其后10 a的穩(wěn)定；但前10 a的平均密切值為0.924 7，總體劣于國家Ⅰ級水質標準，而后10 a的平均密切值為0.810 9，總體優(yōu)于國家Ⅰ級水質標準。

圖3 近20 a各水質單元的熵權密切值動態(tài)Fig.3 Annual variations of intimate data based on entropy authority in recent 20 years

由圖4可見，國家Ⅰ級水質標準熵權密切值與研究區(qū)各水質單元的熵權密切值的差值動態(tài)表明：20 a中的前10 a和后10 a均有4 a的水質優(yōu)于國家Ⅰ級水質標準，同時，共有12 a的水質劣于國家Ⅰ級水質標準，尤以2006年的水質超標嚴重。

圖4 國家Ⅰ級水質標準熵權密切值與各水質單元的熵權密切值的差值動態(tài)Fig.4 Distance changes of intimate data based on entropy authority between standardⅠand water regions

3 結 論

1)從熵權的大小來看，近20 a，在所選的7個主要水質指標中，氨氮對博斯騰湖大湖區(qū)的水質污染最大，溶解氧的正面調(diào)節(jié)作用很小，遠遠低于各種污染物對研究區(qū)水質的負面影響，此與研究區(qū)工業(yè)廢水的排放量增加及農(nóng)業(yè)化學氮肥的不合理施用導致其水質富營養(yǎng)化關系密切，超過了生活污水對水質的影響。

2)從熵權密切值看，近20 a中，博湖大湖區(qū)水質環(huán)境有8 a的水質整體很好，優(yōu)于國家Ⅰ級水質標準，尤以2004年的水質為最佳；而另外12 a的水質環(huán)境均超過了國家Ⅰ級水質標準，特別是以2006年的水質最劣，總體表現(xiàn)為劣于國家Ⅰ級水質標準，而優(yōu)于國家Ⅱ級水質標準。

3)從熵權密切值的動態(tài)變化來看，博湖大湖區(qū)的水質環(huán)境前10 a(1991～2000年)較后10 a的水質狀態(tài)穩(wěn)定，后10 a(2001～2011年，除2009年外)，特別是2005年以來，水質環(huán)境不容樂觀。此與1996～2005年湖泊水位處于歷史高值段，而之后水位下降有關[17-20]。

4)從熵權密切值每10 a的平均指標來看，在研究的后10 a的水質狀況要總體好于前10 a，此與后10 a中對博湖水質環(huán)境狀況的重視及治理密不可分。

[1]楊文海,王麗芳,王 坤,等.改進密切值法在水環(huán)境質量評價中的應用[J].水資源與水工程學報, 2005, 16(2): 69-74.

[2]張燕瓊,張江山.基于熵權的改進密切值法評價運河杭州段底泥污染[J].環(huán)境科學與管理, 2008,33(5):169-172.

[3]郭樹宏,張江山.基于熵權的改進密切值法在地面水水質評價中的應用[J].安全與環(huán)境學報, 2007,7(3):75-77.

[4]薛麗群,張江山.改進密切值法評價山仔水庫富營養(yǎng)類型[J].福建師范大學學報:自然科學版,2006, 22(4): 45-49.

[5]王 靖,張金鎖. 綜合評價中確定權重向量的幾種方法比較 [J].河北工業(yè)大學學報,2001,30 (2):52-57.

[6]黃俊梅.新疆環(huán)博斯騰湖地區(qū)生態(tài)安全評價及其維護對策研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學, 2006.

[7]邵民誠,夏 軍,左其亭.博斯騰湖水資源可持續(xù)利用—理論方法實踐 [M]. 北京:科學出版社, 2003:20-27.

[8]Guo Mengjing,Wu Wei,Zhou Xiaode,et al.Investigation of the dramatic changes in lake level of the Bosten Lake in northwestern China[J].Theoretical and Applied Climatology,2015,(1-2):341-351.

[9]GB 3838-2002,地表水環(huán)境質量標準[S].

[10]巴雅爾,郭家盛,盧少勇,等.博斯騰湖大湖湖區(qū)近 20 年生態(tài)健康狀況評價[J].中國環(huán)境科學,2013(3):503-507.

[11]謝貴娟,張建平,湯祥明,等.博斯騰湖水質現(xiàn)狀(2010-2011年)及近50年來演變趨勢[J].湖泊科學,2011,23(6):837-846.

[12]李衛(wèi)紅,陳躍濱,徐海量,等.博斯騰湖的水環(huán)境保護與可持續(xù)利用對策[J].地理研究,2003,22(2):185-191.

[13]Feng Minquan,Zhou Xiaode,Zheng Bangmin,et al.Two-dimensional plane water flow and water quality distribution in Bosten Lake[J]. Journal of Hydrodynamics,2003,(5):91-97.

[14]Zhang Yucui,Shen Yanjun,Chen Yaning,et al.Spatial characteristics of surface water and groundwater using water stable isotope in the Tarim River Basin, northwestern China[J]. Ecohydrology. 2013,(6):1 031-1 034.

[15]Gao Huazhong. The impact of human activities on the water-level changes of Bosten Lake[C]. Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring (CDCIEM), 2011, International Conference.

[16]Li W H,Chen Y P,Zhang H F,et al. Human impacts on environment and ecology of Bosten Lake, Xinjiang[C]. 2003.

[17]Cao Yinglan,Jin Menggui,Jin Yingchun,et al. The statistical characters of water quality in bosten lake, northwest china[C]//2003 International Symposium on Water Resources and the Urban Environment. 2003.

[18]吳敬祿,馬 龍,曾海鰲.新疆博斯騰湖水質水量及其演化特征分析[J].地理科學,2013, 33(2): 231-237.

[19]Feng Minquan,Zhou Xiaode.Two-dimensional plane water flow and water quaity distribution in bosten lake[J]. Journal of Hydrodynamics (Ser.B), 2003,(5):91-97.

[20]周成虎,羅格平,李 策,等.博斯騰湖環(huán)境變化及其與焉耆盆地綠洲開發(fā)的關系[J].地理研究,2001,20(11):14-23.

Water quality dynamic analysis on the open region from Bosten Lake by means of modified intimate data method based on entropy authority

LI Xiu-Hua1a, WANG Jin-Shan2, KONG Wei-Bin3,CAO Xiang-Dong1b,WANG Yan1a

(1.Xinjiang Teachers College, a.Vocational-education Department, b.Research Department, Urumqi 830063, China;2.Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau, Korla, 841000,Xinjiang,China;3.Xinjiang Korla Development Planning Design and Research Institute, Korla, 841000, Xinjiang,China)

For the sustainability of lakes in arid area, taking the open water region from Bosten Lake as a case study, its quality dynamic using modified intimate data method based on entropy authority is analyzed. In the analysis, seven major indicators about the quality from 1991 to 2011 but 2009 are selected. The result indicates that the quality of the open water region is worse than the first standard of GB3838-2002. NH3-N is such an important factor which influence the quality of the lake that its entropy authority adheres almost to 0.5. While the effect from DO is the weakest element. In recent 20 years, the quality from the first 10 years is worse than that from the second 10 years. Its main reason led to the water quality of eutrophication is that the discharge of industrial wastewater and the unreasonable application of chemical nitrogen fertilizer in the study area. The condition of 2004 is the best, and the worst of 2006.

entropy authority; intimate data method; water-quality dynamic；water-quality indicators；open water region of Bosten Lake

10.13524/j.2095-008x.2015.03.046

2015-06-10;

2015-07-24

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金青年項目(2014211B015)；新疆師范高等?？茖W校資助項目(XJJY201323)

李秀花(1975-), 女, 山東膠南人，副教授，博士，研究方向: 區(qū)域資源環(huán)境管理，E-mail: xiuhualili@126.com。

X824

A

2095-008X(2015)03-0050-07