第３７卷第８期 ２０１２年８月 环境科学与管理 ＥＮＶＩＲ０ＮＭＥＮＴＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＭＡＮＡＧＥｎＥＮＴ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１２ 文章编号：１６７４－６１３９（２０１２）０８－０１７９一Ｏ４ 基于熵理论的河流水环境评价及应用 黄少彬 （深圳环境科学研究院，广东深圳５１８０２６） 摘要：在经济社会不断发展的今天，环境问题越来越突出，分析和评价环境问题已经不能仅从单一角度进行， 而是要从综合、系统的角度来对待，引入系统熵理论，通过结合熵理论的指标值权重求解方法和协调度的指标 达标计算方法来建立河流水环境评价模型，并以深圳市龙岗河２００７年４个监测点全年水质平均监测数据为算 例对该区域的河流水环境进行评价，得出龙岗河上游水质优于下游水质，以及沿河排污、中游污水处理工程对 水质变化的作用，探讨该方法的可行性。 关键词：熵；协调度；水环境评价；龙岗河 中图分类号：Ｘ８２０．３ 文献标识码：Ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ——Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｅｎｔｒｏｐｙ Ｈｕａｎｇ Ｓｈａｏｂｉｎ （Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０２６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ｓｏｃｉｅｔｙ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｅｎｔｒｏｐｙ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｌｅｖｅ１．Ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｓｅｖｅｎ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎｓ Ｏｆｆ Ｌｏｎｇｇａｎｇ Ｒｉｖｅｒ ｉｎ ２００７ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｎ ｕｐｓｔｒｅａｍ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ，ｂｕｔ ｗｉｔｈ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ ａｎｄ ｓｅｗａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｔｒｏｐｙ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ；ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；Ｌｏｎｇｇａｎｇ Ｒｉｖｅｒ 流当中，由于工业或者城市生活用水的增多，河流 刖蟊 水质的保护已成为一件刻不容缓的事情。河流水 环境到底能承受多大的开发利用程度，河流水环 境在开发利用后的污染程度，均需要加以定量评 随着科学技术的不断提高，人类对环境资源的 摄取将越来越多。有人提出科学技术不应继续发 展¨Ｊ，人类应该保持像原始社会那样的对资源环境 的利用，并提出著名的零增长理论 ；有人则认为 科学技术的不断发展与提高正是解决人类对环境资 源利用程度的严峻问题，倡导科学技术是人类发展 的前提 。 对于水环境资源来水，摄取的多少，开发利用 的程度，一直受到关注。河流的水质随着社会经 济的发展而受污染的状况越来越严重。特别是在 我们国家这种以经济发展为重心的发展中国家而 言，对于资源的利用将更加紧迫。同时，随之而产 价，以有效地说明评价区域水环境的利用现状以 及可利用程度。 １原理和方法 对于河流水环境质量的评价方法多种多样，如： 模糊数学方法、系统聚类分析法、人工神经网络分析 法、灰色聚类分析法、综合污染指数法、热力学方法 等＿４ Ｊ。而本文提出的河流水环境评价，是对各个 参选的评价指标，通过相互间的对比从而得到一个 综合的评价结果，用以来衡量研究区域的水资源利 用现状和污染程度。本文利用熵理论的原理，以系 统的概念对各指标相互间影响情况进行分析，再利 用协调度的理论对区域的水环境现状进行综合的 评价。 ・生的环境和生态方面的代价也越来越突出。在河 收稿日期：２０１２—０４—２５ 作者简介：黄少彬（１９８４一），男，硕士，工程师，研究方向：河口及近岸 海洋环境。 】７９． 第３７卷第８期 ２０１２年８月 黄少彬・基于熵理论的河流水环境评价及应用 Ｖ０１．３７ Ｎｏ．８ １．１模型的建立 本文是通过熵的原理，利用熵值的方法，与协调 度计算方法共同评价某一评价对象的水环境现状。 设ｃ。为该评价对象的水环境评价值， 为评价体力 里某～指标的权重值， （ ）为该评价对象该评价指 标下的污染程度值——通过协调度计算方法确定。 因此，该模型可表示为： ＝∑ （ ） （１） １．２指标权重的熵值确定法 熵的概念是德国物理学家Ｒ・Ｃｌａｕｓｌｕｓ和Ｌ・ Ｂｏｈｇｍａｎ首次提出来的，目的是用此概念对热力学中 的能量转换进行研究。以后美国数学家、控制论及信 息论创始人Ｎ・Ｗｅａｎｅｒ和Ｃ・Ｅ・Ｓｈａｎｎｏｎ提出了更 广义的信息熵，他利用信源某种信号出现的概率Ｐｉ 来衡量该信号所具有的信息量，他发现信息大小和热 力学系统的熵有本质的一致性。其定义为： ／／（ｘ）＝～ｃ∑ｐ（ｘ ）ｌｇ（ｐ（ｘ ）） （２） 其中，ｘ 为随机事件出现的可能状态，Ｐ （ｘ．）为某一状态出现的概率。因此，熵与有序度之 间存在一定的关系，即熵越大，有序程度越低，不确 定性越大；反之，熵越小，其有序程度越高，不确定性 越小。因此可以采用熵根据各指标值的差异程度， 确定指标体系的权重，以便进行多指标的综合评价。 信息熵是系统有序程度的度量，即随机无约束 程度的一种变量 ，因此，可利用信息熵来表征各 指标的差异程度，某项指标的熵值越小，有序度越 高，对河流水环境现状评价的重要性越大，反之越 小。因此，可利用熵值确定河流水环境现状监、？贝０的 各项指标在特定河流中的相对重要性即权重。但 是，由于在河流水环境的各项评价指标中所包含的 意义存在差异，尤其是在指标值单位不同的情况下， 不能直接计算比重，进行比较，因此我们需要对该项 指标数据用标准化法进行变换： ＊ｘｑ＝ ｉ＝１，２，…，ｍ；Ｊ：１，２，…， （３） 其中， 为第ｉ河段第．『项指标值， 为第 项 指标值的均值，ｓ 为第 项指标的标准差。于是， ・１８０・ Ａｕｇ．２０１２ ｉ＝１，２，…，ｍ； ＝１，２，…，ｎ （４） 再按下列公式计算各项评价指标熵值： ｅｊ＝一ｋ∑Ｐ ｌｇ（ｐ ） ｉ＝１，２，…，ｍ； ＝１，２，…，ｎ （５） 通常令调节系数ｋ＝ ，则各指标熵值转 化为： 一 ｐ ｌｇ（ｐ“） 且０ ｅ １ （６） 然后计算各评价指标的差异系数ｇ ： ｇ，＝１一ｅ ＝１，２，…，ｎ （７） 毋越大，指标越重要。则第 项指标的权系数 为： ，， ＝ — ， ＝１，，，…，２，…，ｎ （８）Ｌ ） ∑ 由此得知，某项指标的熵值越大，其权重值越 小，反之亦然 ｍ 。用改进的信息熵法确定指标权重 不需要加入任何主观信息，是一种完全意义的客观 赋权法，有利于缩小极端值对综合评价的影响，比传 统方法更加有效、可靠。 １．３各河段受污染程度计算 应用协同学理论研究地理系统中产生自组织的 有序结构和功能行为的理论 。地理系统中有很 多子系统，各子系统通过非线性作用机制达到相互 协同；通过能量转化、物质循环和信息传递，相互协 作、干涉，导致系统结构产生变化，从而从混沌转变 为时空和功能上的有序。该协调度函数为： １ 达到目标值ａ 时 卜 －＋ｗ２氆瓣删目标值ａｉ时 （９） 式中 （ ）为指标 对系统有序的功效，Ａ为 系统的稳定区域，Ｗ ＋Ｗ ＝ｌ。ａ 为目标值，ｂ 为基 值。在实际中，ｂ 一般用评价年份的前若干年的平均 值代替。该功效函数分为两部分， 反映了评价指 标现值与目标值的接近程度，是对现状的评价； 则反映了评价指标的变化情况，可以为正，也 可以为负。Ｗ。，Ｗ 为权重。 第３７卷第８期 ２０１２年８月 黄少彬・基于熵理论的河流水环境评价及应用 Ｖ０Ｉ＿３７ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１２ 在河段受污染程度的计算中引入系统协调度进 行分析，对于如溶解氧这类指标为超过评价标准越 ２．１ 指标选取及定性评价 本文选取龙岗河内的葫芦围、低山村、下坡、西 高越好；而化学需氧量等是低于评价标准越低越好 的。因此，本章节讨论的受污染程度中，计算值越高， 污染程度越严重，故必须对溶解氧的计算进行处理， 在得到计算值后去负号，即改变为当溶解氧含量越 高，取值越低，污染程度越低。 同时，鉴于公式（９）所反映的评价情况：指标现 湖村这４个测站作为研究对象（如图１所示）。由 于研究流域在１９９９年广东省根据水污染 防治法颁布的《广东省地表水环境功能区划》中把 该河流使用功能划为“农业用水”功能，水质目标要 求为Ⅲ类水，因此根据其功能用途，选取测站中的指 标参数为：溶解氧、化学需氧量（ＣＯＤ ）、五日生化 需氧量（ＢＯＤ ）、氨氮、总磷（ＴＰ）、总氮（ＴＮ）、六价 铬、挥发酚、石油类、硫化物等十项。 状评价与指标变化情况评价，其权重分别为Ｗ 、Ｗ ， 本文假定指标的现状评价与指标的变化情况同样重 要，即我Ｗ１＝Ｗ２＝０．５。 １．４综合模型及评价 通过以上方法，分别求出指标体系内各指标的 权重，以及各研究对象中的指标实测值的污染程度， 最后利用公式（１）求出该模型的综合评价值。对于 计算得到的综合评价值，需根据评价的标准，在确定 综合评价值的等级后，从而判定评价区域所属的等 级。本文的评价标准基于《地表水质标准》提出，故 可以根据ｌ—Ｖ类标准，通过上文计算过程，计算出 各自的综合评价值，作为等级的分值。例如，Ｉ类水 质标准计算值可以作为以Ｉ类水质为目标的达标下 无污染的评价等级分值；Ｖ类标准计算值可以作为 以Ｉ类水质为目标的重污染下的评价等级分值。 ２算例指标与数据选取和定性评价 评价实例为深圳市龙岗河４个测站２００７年水 质参数的年平均澳４值。龙岗河流域位于深圳市龙岗 区东北部，东与惠州市交界，南临坪山，西接横岗、龙 岗，北连坑梓街道，河流经横岗、龙城、龙岗、坪地、坑 梓街道，流域总面积３３８．３６ ｋｍ ， 图１各测站分布图 首先我们通过测站水质状况（如表１所示）和 国家规定的水质标准（如表２所示）作一个对比，可 以明显地看出龙岗河的水质从上游到下游是有明显 的下降，上游基本达到地表水Ⅱ类水质标准，中、下 游超过地表水Ｖ类水质标准。 ｍｇ／Ｌ 表１测站水质监测资料 表２地表水质量分级标准 等级 溶解氧 ｎ３【ｇ／Ｌ Ⅳ ３ ３Ｏ ６ １．５ （续）表２地表水质量分级标准 ｍｇ／Ｌ Ｉ ７．５ １５ ３ ０．１５ Ⅱ ６ １５ ３ ０．５ Ⅲ ５ ２０ ４ １ Ｖ ２ ４０ ｌＯ ２ 化学需氧量（ＣＯＤ ） 五日生化需氧量（ＢＯＤ５） 氨氮 总磷（ ｒＰ） ０．０２ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ・１８ｌ・ ２０１２年８月 第３７卷第８期 黄少彬・基于熵理论的河流水环境评价及应用 Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１２ ２．２数据处理 值进行污染程度的计算，最后加权求和得到各测站 的水环境综合评价值。 在进行指标的熵值权重赋值前，必须按照公式 （３）对实测指标的数值进行无量纲化的处理。然 后，本文根据龙岗河水环境功能规划的用途，把计算 水环境污染程度的目标值定位在相应水质标准里的 ３．１熵值计算 根据公式（２）至公式（８），得到龙岗河流域内各 Ⅲ类水水质的数值。 指标按照重要程度的权重值（见表３）。 ３．２污染程度计算 ３定量计算及结果 按照以上公式对龙岗河上四个测站的各指标实 根据公式（９），把目标值的定为Ⅲ类水水质的 数值，通过各测站的污染程度计算，得到各测站相 对于Ⅲ类水水质目标的污染程度评价值（见表４）。 测值进行熵值的计算，然后以Ⅲ类水质标准为目标 表３流域内各指标权重 ３．３各测站综合评价计算 得到的各测站水质污染程度和流域内各指标的 权重后按照公式（１）计算出流域各测站的水环境综 合评价，见表５。 表５流域内测站河流水环境综合评价 与坪地街道生活污水和工业废水排入河道，有机污 染指标严重超标所致。 （３）吓陂同样属于综合评价等级最劣一级，但 与上一监测站相比，分值稍有降低，主要原因是：只 有坑梓街道污水排入，并由于已建污水处理工程和 河流自净作用，断面水质比中游控制断面有所改善， 但仍未达到水质要求。 ３．４综合评价等级的确定 根据地表水Ⅲ类水质为标准，Ⅳ类水质标准为 本文通过熵值理论和以协调度为基础的污染程 度计算方法，得出的河流水环境综合评价，可从系统 论的角度来探讨河流在人类开发利用后的水环境现 状，具有一定的适用性。 参考文献： ［１］［美］丹尼斯・米都斯．增长的极限——罗马俱乐部 关于人类困境的报告［Ｍ］．吉林：吉林人民出版社，１９９７：１０６ —受污染水体，Ｖ类水质标准为污染严重，超过Ｖ类水 质标准为重度污染，按１．４节的方法，分别计算出综 合评价各等级的分值，见表６。 表６综合评价等级表 １０９． ４结论分析 由以上的结果可以看出，定性的分析评价与定 量的评价计算所得到的结果大致相符。 （１）上游西坑测站水质优良，基本上达到利用 功能所提出的水质要求。 （２）葫芦围、低山村污染严重，已经大大超过综 ［２］牟海省．我国水资源持续开发的零增长模式初探 ［Ｊ］．地理研究，１９９５，１４（２）：８０—８４． ［３］孙方民．科学发展史［Ｍ］．郑州：郑州大学出版社， ２００６：２４７—２４８． ［４］凌敏华，左其亭．水质评价的模糊数学方法及其应 用研究［Ｊ］．人民黄河，２００６（１）：３４—３６． ［５］于皓，刘志斌，等．基于灰色聚类分析法的矿井水质 合评价等级最劣等级分值，主要原因是：横岗、龙岗 ・评价［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报：自然（下转第１９４页） １ ８２． 嘉 期 吴远征等・基于目标一手段链的生态文明建设绩效的提升对策研究 Ｖ０ｌＡ＿ｕ３７ｇ ．Ｎ２０Ｏ．１８２ （３）反对生态霸权主义维护生存权和发展权 在环境问题１３益严峻的今天，国家对全球环境 问题所应该承担的责任在一定程度上超越了本国自 效提升的手段。在更细化的层面，将生态物质文明、 生态政治文明、生态精神文明和生态社会文明的建 设转化为子系统的分目标，通过对四个子系统分别 采取更有针对性的“手段”进行支撑。当然，各子系 统绩效的提升手段还可进一步细化，在执行层面进 一身的利益。然而，一些发达资本主义国家凭借其军 事、经济实力和技术等各方面的优势，支配着许多国 际制度、规章和条约的起草和执行，逼迫一些发展中 步分解。目标一手段链方法的采用，既为生态文 国家接受它们本来不应当接受或不应当全部接受或 在接受的时间上应当有所推迟的环保方案，甚至有 些发达资本主义国家以预防环境破坏为名、行控制 发展中国家之实。 明建设总体目标的实现提供了保障，又指导了各层 次分目标的实施。 参考文献： ［１］．高举中国特色社会主义伟大旗帜为夺取全 中国作为最大的发展中国家，理当坚决反对 生态霸权主义，努力倡导建立新的合理的国际环 面建设小康社会新胜利而奋斗一在中国党第十七次全 国代表大会上的报告［Ｍ］．北京：人民出版社，２００７：３２． ［２］张汝立．目标、手段与偏差一农村基层政权组织运 行困境的一个分析框架［Ｊ］．中国农村观察，２００１（４）：６６ —境秩序。１９７２年《斯德哥尔摩宣言》的第二十四 条原则就指出：有关保护和改善环境的国际问题 应当由所有的国家，不论其大小，在平等的基础上 本着合作精神来加以处理。在生态霸权主义面 前，发展中国家唯一的出路在于加强南北对话，推 动南南合作，通过缩小南北差距和发展解决环境 问题，在不损害国家主权和长远利益的前提下维 护其生存权和发展权。 ７３． ［３］张帆，郝培尧，等．生态基础设施概念、理论与方法 ［Ｊ］．贵州社会科学，２００７（９）：１０５—１０９． ［４］姬振海．生态文明论［Ｍ］．北京：人民出版社， ２００７：１８１． ［５］杨世华．生态文明建设的制约因素及其对策［Ｊ］．玉 溪师范学院学报，２００９（６）：８—１１． ５ 结语 通过前述在生态物质文明、生态政治文明、生态 精神文明和生态社会文明建设过程中采取的一系列 提升手段，对提升生态文明建设绩效的总目标提供 了系统保障。通过“目标一手段链”的方式将影响 生态文明建设的相关对策列为支持生态文明建设绩 七 电 －６＂ 七 －Ｏｒ＂ ［６］．把节约能源资源放在更加突出的位置［Ｐ］． 理论学习，２００７． ［７］中华环保联合会．中国环保民间组织发展状况报告 ［Ｊ］．环境保护，２００６（１０）：６０—６９． ［８］关于制定国民经济和社会发展第十一个 五年规划的建议［Ｍ］．北京：人民出版社，２０１０：３３． －４＂ 七 七 七 （上接第１８２页） 科学版，２００３（８）：７４—７６． 价中应用［Ｊ］．地下水，２００７（３）：１７—１９． ［９］李江，郭庆胜．基于信息熵的城市用地结构动态演 变分析［Ｊ］．长江流域资源与环境，２００２（９）：３９４—３９５． ［１０］乔家君．改进的熵值法在河南省可持续发展能力 评估中的应用［Ｊ］．资源科学，２００４，２６（１）：１１３—１１９． ［１１］叶金国．技术创新系统自组织论［Ｍ］．北京：中国社 会科学出版社，２００６：１２—１８． ［６］赵显波，雷晓云，等．人工神经网络在蘑菇湖水 库水质评价中的应用［Ｊ］．石河子大学学报，２００７（２）：２３６ —２３９． ［７］乔云波．三峡库区宜昌至泄滩段水质污染现状及对 策［Ｊ］．氨基酸和生物资源，２００６（２）：７２—７５． ［８］刘心彪．地下水中元素存在形式分析及其在水质评 ・１９４・
