黄河健康状况评判方法的探讨

-1-黄河健康状况评判方法的探讨王煜（黄河勘测规划设计有限公司河南郑州，邮编450003）摘要：河流系统是一个耗散结构，因此评价河流健康状况可以从系统的观点出发进行探讨研究。本文应用系统论和信息论的有关概念和理论，提出了基于系统有序度熵的河流健康评价方法，导出了综合考虑河流系统多个子系统（健康目标）的河流健康指标的数学表达。以黄河为例，分析提出了黄河健康因子，研究了各健康因子的阈值范围，评价了黄河现状的健康状况。关键词：河流；健康；熵；评价1引言河流和人类的文明进程密不可分，从某种意义上说，人类是依附于河流而成长和发展的，无数古代文明和现代文明都可以证明这一点。人类文明的进步一方面受益于河流，一方面也影响着河流，随着文明的进程，人类越来越多地需要水资源支撑其自身的发展，在某个时间点，甚至已经超过了河流所能够承载的负荷，河流本身的健康就会受到影响。以黄河来说，由于人类耗水量超过了流域水资源承载能力，导致一系列社会经济和生态问题，主要包括：主槽严重萎缩、二级悬河加剧，水资源紧缺供需矛盾日益突出、河道断流频繁，多数河段水质恶化，河流生态系统退化。如何评价河流的健康状况，以更好地实现人水和谐，这是本文研究探讨的内容。众所周知，河流系统是一个耗散结构，因此评价河流健康状况可以从系统的观点出发进行探讨研究。本文应用系统论和信息论的有关概念和理论，提出了基于系统有序度熵的河流健康评价方法，导出了综合考虑河流系统多个子系统（健康目标）的河流健康指标的数学表达。以黄河为例，分析提出了黄河健康因子（序参量组），研究了各健康因子的阈值范围，评价了黄河现状的健康状况。2基于系统有序度熵的河流健康评判方法本文应用系统论、信息论、水资源临界调控理论的思想[1]，进行河流健康的评价，提出基于系统有序度熵的河流健康评判方法，提出了河流健康指标的数学表达。2.1熵和耗散结构[2～5]约140年前，德国物理学家克劳修斯（R.Clausius）把可逆过程中要作物质吸收的热与温度之比值称为熵（Entropie），用符号S表示，后来熵引申为描述信息的一种量化指标。耗散结构理论认为：一个远离平衡态的非线性的开放系统（不管是物理的、化学的、生物的-2-乃至社会的、经济的系统）通过不断地与外界交换物质、能量和信息，系统中存在有非线性动力过程和正负反馈机制，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落及负熵的增加，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上新的有序的耗散结构。2.2耗散结构系统演变的评判方法对于河流系统等耗散结构，系统的相变结果不一定都走向新的有序，也可能走向无序，因此，为了把握系统协调的程度，以促使系统向更加有序的方向转化，引入有序度这一概念来衡量协同作用[3]。考虑系统具有K个子系统，各子系统以序参量组je来表达，j＝1,…,K，1K。设je子系统演变过程中的序参量变量为)(21jKjjjeeee，，,jie有序度定义为)(eUjij，且10)(eUjij，。jie的取值应在临界阈值区间，如ijiie。假定)1(21pmeeejmjj，，在阈值区间的取值越大，则有序程度越高，其取值越小，有序程度越低；假定)(21npmeeejpjmjm，，在临界阈值区间的取值越大，其有序程度越低，取值越小，有序程度越高；假定jnjpjpeee，，21在临界阈值区间越接近某一值c，有序程度越高。这样，je序参量变量jie的有序度)(eUjij为：],1[1],1[],1[)(npicepmiemieeUjijijijijijijijijijijijij（1）式中，)(eUjij为序参量变量jie的有序度，i和i分别为jie的最小和最大临界阈值。由上式可知，若序参量变量jie的有序度值10)(eUjij，，则序参量变量在临界阈值区间，且其值越大，jie对je有序的贡献越大。相反，若10)(eUjij，，说明jie不在合理阈值区间，需进行调节。从总体上看，序参量变量jie对je有序程度的总贡献可通过)(eUjij的集成来实现，如下式所示：1,0),()(11niiijijniijjeUeU（2）-3-)(eUjj为序参量组je的有序度，10)(eUjj，。)(eUjj越大，说明je对整个系统有序的贡献越大，系统有序的程度就越高，反之则越低。i为序参量变量jie的权系数，它的确定既应考虑到系统的实际运行情况，又应能够反映系统在一定时期内的发展目标。考虑系统的多个序参量组je（j＝1，…，K），根据信息熵的定义，利用je的有序度)(eUjj，提出系统有序度熵YS，以此来评价系统演化的状态。河流系统有序度熵越小，表明河流系统相对越健康。KeUKeUSjjKjjjY)(1ln)(11（3）2.3河流健康指数根据上述河流系统有序度熵YS，提出河流健康指数。首先，定义河流系统各序参量变量的有序度阈值为中值情况下的河流为中等健康程度，此情况下：)(eUjij＝21（j＝1，…，K；i=1，…，n）（4）)(eUjj＝21（j＝1，…，K）（5）将（4）和（5）式带入式（3），获得河流中等健康程度的系统有序度熵YS，定义为YMS：KSYM2ln21（6）将河流中等健康程度对应的有序度熵YMS和河流系统有序度熵YS的比值，作为河流健康指数HI，即：HI＝YYMSS（7）将（5）式和（6）式带入上式，得到河流健康指标HIKeUKeUKIjjKjjjH)(1ln)(122ln1（8）根据上述定义可知，HI＝1时表示河流为中等健康状态；HI1时表示河流为亚健康或者非健康状态；HI1时表示河流为基本健康或者健康状态，据此可以评价河流健康的状态。-4-应用河流健康指数还可以评价采取治理和调控措施后河流健康的演变方向。如果调控后河流健康指数大于治理前河流健康指数，表示调控措施利于河流健康，河流系统向健康方向转化，调控措施合理；如果治理后河流健康指数小于治理前河流健康指数，表明调控措施不利于河流健康，河流系统健康向不利的方向发展，调控措施不合理。2.4河流健康评价的关键问题按照（8）式可以评价河流的健康程度，评价的关键问题包括：系统序参量选择，分析评价河流系统的特点、开发利用目标、存在主要问题，提出所需要评价的子系统（序参量分组），再进行各子系统量化指标的选择，即序参量变量)(21jKjjjeeee，，的确定；序参量合理阈值的确定，序参量变量合理阈值的确定就是合理确定序参量目标值和变化范围，即确定每个序参量变量jie的阈值范围ijiie，阈值需要根据河流情况和开发治理规划确定；河流健康指数的计算和调控措施对河流健康的影响分析。3黄河健康生命评价的探讨在分析黄河的水沙特点、存在问题和治理目标的基础上，按照科学、独立、客观、可操作的原则，参考有关研究成果[2]，提出河流形态、河流水生态、河流水环境、河流对人类的支撑和河流对洪水的容纳等5个序参量分组，并用16个序参量变量表达，通过研究提出各序参量变量阈值的研究成果，见表1。当然，限于问题的复杂性和指标获取的可能性，本文提出的序参量分组和各序参量变量阈值仅仅是探讨性和初步的，需要开展更深入的工作以使指标选择更加科学和全面。以2000年为代表，评价黄河现状的健康状况。2000年为黄河特别枯水年份，利津断面全年实际来水仅48亿m，其中非汛期入海水量仅31亿m3，汛期仅17亿m3，非汛期最小流量为30m3/s,下游平滩流量约2200m3/s；河口镇断面全年实际来水140亿m3，其中非汛期94亿m3，汛期46亿m3，最小日流量31m3/s；宁蒙河段平滩流量为1000m3/s左右；上游河段水质为三类～四类，中下游河段基本为四类；流域国民经济耗用地表水290亿m3，地下水130亿m3；宁蒙河段防洪能力为5900m3/s，下游防洪能力22000m3/s。根据上述提出的5个序参量组的16个序参量变量2000年实际值（表1中c栏）及其各自的阈值（表1中b栏），应用（1）式，计算各序参量变量jie的有序度)(eUjij，结果见表1中d栏；应用（2）式，并认为各序参量变量的权系数i相等，可以得到各序参量组的有序度)(eUjj，见表1中e栏；最后应用（8）式，式中K＝5，可以得到2000年黄河健康指数HI＝0.95，说明现状黄河处于非健康状态。对于黄河这条高度开发和人工干预的河流，河流非健康状态的根本原因是人类耗用的水资源量超过了河流水资源的承载能力，造成河流维持其生命的所需用水量（如输沙用水、非汛-5-期生态用水等）被人类挤占，水沙关系不协调，因此重塑黄河健康、维持黄河健康生命的重要措施是实施跨流域调水以及流域和谐水沙关系的塑造。4结语河流健康生命理论是一个崭新的理论，河流健康因子选择和综合评价方法本身就是一个复杂的科学问题，本文仅从系统熵的角度进行了一些有益的探索，取得了一些认识，现状黄河健康指标HI为0.95，处于非健康状态。但是，仍有许多问题需要进一步的研究和探索，一方面需要研究健康因子及其阈值的动态特征和健康指标的演变特征等等，还需要不断研究探索新的方法，另一方面需要研究河流健康生命和流域开发治理的关系，以更好地为流域开发治理提供技术支撑。表1黄河健康生命评价指标序参量组序参量变量域值2000年情况)(eUjij)(eUjj（a）（b）（c）（d）（e）1河流形态黄河下游汛期输沙水量（利津断面,亿m3）10～240170.0300.0620黄河下游平滩流量（m3/s）1500～600022000.156宁蒙河段平滩流量（m3/s）1000～500010000.0002河流水生态黄河上游非汛期最小流量（河口镇断面,m3/s）30～450310.0020.0573黄河上游非汛期水量（河口镇断面,亿m3）50～300940.176黄河下游非汛期最小流量（利津断面,m3/s）30～300300.000黄河下游非汛期水量（利津断面,亿m3）30～150310.008湿地面积（以河口自然保护区核心区淡水湿地为表征,万hm2）2～72.50.1003河流水环境上游河段II～III类IV类00中游河段III～IV类IV类0下游河段III～IV类IV类04河流对人类的支撑流域国民经济耗用地表水量（亿m3）250～4502900.2000.4000流域国民经济耗用地下水（亿m3）100～1501300.6005河流对洪水的容纳宁蒙河段防洪能力（m3/s）≥590059000.9990.999下游防洪能力（m3/s）≥22000220000.999注：部分阈值代表了黄河水沙关系极其恶劣的情况。-6-参考文献[1]黄委会，黄河流域水资源多维临界调控研究报告[R]，2005年[2]黄委会，维持黄河健康生命理论体系框架[R]，2005年[3]哈肯H，高等协同学[M]，郭治安译，北京：科学出版社，1998[4]朱稼兴，信息和熵[J]，北京航天航空大学学报，199521（2）[5]畅建霞，黄河水资源多维临界调控研究[R]，西安理工大学博士论文-7-StudyonRiverHealthEvaluationMethodWangYu(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.Zhengzhou,Henan,450003)Abstract:SinceRiversystemisofdissipativestructure,theevaluationofriverhealthcanbestudiedfrompointofthesystematicview.Withapplicationofsystemandinformationtheories,thispaperpresentsamethodtoevaluatetheriverhealthbasedonsystemorderdegreeentropy.TheRiverHealthIn