鐘姍姍 劉鸝

摘要：通過構(gòu)建流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵流指標(biāo)體系，運(yùn)用Shannon信息熵原理，定量計(jì)算了系統(tǒng)“壓力型正熵流”和“支持型負(fù)熵流”。定義了系統(tǒng)總熵流和擾動(dòng)系數(shù)，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(dòng)對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的擾動(dòng)能力。最后以資水流域?yàn)槔龑?duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：2006年資水流域總熵流值為正，此時(shí)流域環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)處于一種不穩(wěn)定狀態(tài);2007-2016年總熵流值轉(zhuǎn)為負(fù)值，系統(tǒng)有序度增強(qiáng)，處于良性循環(huán)狀態(tài);研究期內(nèi)系統(tǒng)擾動(dòng)系數(shù)呈波動(dòng)發(fā)展，除2011年和2014年外，擾動(dòng)系數(shù)均為負(fù)，系統(tǒng)支持型負(fù)熵流增長(zhǎng)較快，說明資水流域整體具備一定的活力。

關(guān)鍵詞：流域環(huán)境;水電開發(fā);系統(tǒng)熵變;熵流;擾動(dòng)系數(shù);資水流域

中圖分類號(hào)：TV72;X21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.01.015

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求，水電資源以其清潔、可重復(fù)利用、便于調(diào)峰等優(yōu)勢(shì)得到世界各國(guó)的青睞。然而水電開發(fā)改變了原始河道的水文情勢(shì)，不可避免對(duì)流域生態(tài)資源及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等產(chǎn)生一些擾動(dòng)，進(jìn)而影響流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(hù)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(duì)流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的影響涉及水資源、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面[1]。目前，國(guó)內(nèi)外在水電開發(fā)對(duì)水溫[2-3]、水質(zhì)[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(jī)理研究，水電開發(fā)環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建[10-11]，水電開發(fā)環(huán)境影響度量及評(píng)估[12-13]等方面已取得大量的研究成果。一些評(píng)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(píng)估。但上述研究主要進(jìn)行了水電開發(fā)綜合環(huán)境效應(yīng)的靜態(tài)評(píng)估，對(duì)水電開發(fā)條件下流域環(huán)境系統(tǒng)動(dòng)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(chǔ)上，基于流域水電開發(fā)復(fù)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(dòng)對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的擾動(dòng)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(xué)依據(jù)。

1 流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵變描述

“熵”是統(tǒng)計(jì)物理和熱力學(xué)中的一個(gè)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(duì)系統(tǒng)有序化程度的定量化度量，一個(gè)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(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，系統(tǒng)發(fā)展總是存在熵增的趨勢(shì)[17].開放系統(tǒng)只有通過從外界吸收負(fù)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(dòng)是對(duì)流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的一種大規(guī)模擾動(dòng)，大壩的建設(shè)將河流阻隔成若干相對(duì)獨(dú)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(dòng)與流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境相互作用，共同構(gòu)成一個(gè)非線性復(fù)合開放系統(tǒng)，系統(tǒng)在各要素的作用下動(dòng)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(shí)間變化過程構(gòu)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(shí)施流域水電資源開發(fā)，水電開發(fā)活動(dòng)與流域環(huán)境系統(tǒng)之間進(jìn)行頻繁的信息交換，在水電開發(fā)活動(dòng)的誘導(dǎo)下，流域環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生了正熵流。隨著該復(fù)合系統(tǒng)時(shí)空變換，環(huán)境影響在時(shí)間和空間上產(chǎn)生了協(xié)同交互作用，水電開發(fā)活動(dòng)對(duì)流域環(huán)境的影響效應(yīng)逐漸發(fā)生累積[19]，系統(tǒng)正熵流的產(chǎn)生能力逐漸增大，系統(tǒng)壓力隨之增大。此時(shí)必須增加外部負(fù)熵流補(bǔ)給，以此來削弱緩和系統(tǒng)壓力，增強(qiáng)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(biāo)體系構(gòu)建

2.2 基于信息熵的熵流值計(jì)算

在已建立的流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵流指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，只要確定了各指標(biāo)值及權(quán)重，就可以計(jì)算壓力型正熵流及支持型負(fù)熵流值，進(jìn)而探討該系統(tǒng)的演化規(guī)律。

k的取值可為正、負(fù)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(zhǎng)率大于支持型負(fù)熵流的增長(zhǎng)率，水電開發(fā)活動(dòng)對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的擾動(dòng)強(qiáng)于環(huán)境管理手段的補(bǔ)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(shí)k為各時(shí)段中的最大值，表示系統(tǒng)活力為各時(shí)段中最弱;當(dāng)k值小于零時(shí)，表示水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)壓力型正熵流的增長(zhǎng)率小于支持型負(fù)熵流的增長(zhǎng)率，系統(tǒng)具有較強(qiáng)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(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

以湖南省資水流域?yàn)槔M(jìn)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(zhǎng)而東西短，地勢(shì)西南高而東北低，流經(jīng)邵陽(yáng)、婁底、益陽(yáng)等市，于益陽(yáng)市甘溪港注入洞庭湖，全長(zhǎng)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(jí)水電開發(fā)項(xiàng)目的建設(shè)并相繼投產(chǎn)發(fā)電，因此將上述時(shí)間段作為該流域環(huán)境系統(tǒng)演化的分析時(shí)刻。同時(shí)為進(jìn)一步觀測(cè)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(shí)刻。

3.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于《湖南省水資源公報(bào)》《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》《湖南省環(huán)境狀況公報(bào)》以及《湖南省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來源不同及部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失，壓力型正熵流指標(biāo)中，年水電發(fā)電量X14為邵陽(yáng)、婁底、益陽(yáng)各市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之和;農(nóng)作物受災(zāi)面積X13由邵陽(yáng)市數(shù)據(jù)代替;其余數(shù)據(jù)為資水流域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由于支持型負(fù)熵流數(shù)據(jù)用環(huán)境管理指標(biāo)表示，考慮指標(biāo)的可獲得性，均采用湖南省統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)代替，其中環(huán)保產(chǎn)業(yè)單位數(shù)y2為邵陽(yáng)、婁底、益陽(yáng)各市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之和。各指標(biāo)取值見表2。

3.3 熵流值計(jì)算

由于各指標(biāo)量綱不同，因此按照指標(biāo)屬性將各指標(biāo)劃分為“正向指標(biāo)”和“逆向指標(biāo)”兩大類，分別進(jìn)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(nóng)作物受災(zāi)面積為正向指標(biāo)，其余為逆向指標(biāo)。

根據(jù)式（5）計(jì)算的細(xì)分指標(biāo)權(quán)重見表2，各時(shí)段的熵流值及擾動(dòng)系數(shù)匯總見表3。

3.4 演化規(guī)律分析

根據(jù)表3中的計(jì)算結(jié)果，繪制資水流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)熵流和擾動(dòng)系數(shù)變化曲線（見圖1）。

3.4.1 d_es1與d_es2變化趨勢(shì)分析

（1）壓力型正熵流表示水電開發(fā)活動(dòng)對(duì)流域環(huán)境系統(tǒng)施加的壓力。研究期內(nèi)的壓力型正熵流值大小雖略有波動(dòng)，但總體呈下降趨勢(shì)。早期有多座水電站相繼竣工、投產(chǎn)發(fā)電，水電開發(fā)活動(dòng)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(nóng)作物受災(zāi)面積X13、新增灌溉面積X12、萬元GDP用水量X11對(duì)壓力型正熵流的貢獻(xiàn)較大，其權(quán)重分別為0.240 3、0.2115、0.199 3、0.162 5。在研究期內(nèi)，耕地面積減少量x9。總體呈下降趨勢(shì)，農(nóng)作物受災(zāi)面積x1，未呈現(xiàn)固定的增長(zhǎng)或降低趨勢(shì)，總體呈波動(dòng)發(fā)展，新增灌溉面積x12呈下降趨勢(shì)，萬元GDP用水量x11逐年下降。

（2）支持型負(fù)熵流代表輸入的對(duì)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(nèi)，水利環(huán)保投入量y1、從事環(huán)保產(chǎn)業(yè)單位數(shù)y2、污染治理項(xiàng)目y3、自然保護(hù)區(qū)個(gè)數(shù)y4、“三同時(shí)”執(zhí)行合格率y5、環(huán)境信訪處理率y6等6項(xiàng)指標(biāo)均持續(xù)增長(zhǎng)，表示輸入系統(tǒng)的環(huán)境管理措施不斷加強(qiáng)。

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(nèi)壓力型正熵流d_es1大于支持型負(fù)熵流d_es2，系統(tǒng)向無序狀態(tài)發(fā)展，此時(shí)流域環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2） 2007-2016年總熵流值d_es為負(fù)，表示支持型負(fù)熵流d_es2大于壓力型正熵流d_es1，系統(tǒng)有序度增強(qiáng)。在該研究時(shí)段內(nèi)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(biāo)中，Ⅲ類水質(zhì)以上河長(zhǎng)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(fù)熵流的引入強(qiáng)度足以抵消開發(fā)活動(dòng)對(duì)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(fù)熵流的變化規(guī)律與近些年人們對(duì)環(huán)境問題的認(rèn)識(shí)提高及水電開發(fā)的平緩發(fā)展現(xiàn)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(dòng)系數(shù)k的資水流域環(huán)境系統(tǒng)演變分析

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

（1）研究期內(nèi)，系統(tǒng)擾動(dòng)系數(shù)k總體呈波動(dòng)式發(fā)展。支持型負(fù)熵流呈逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)（d_es2逐年增大），且其增長(zhǎng)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(qiáng)度增長(zhǎng)率大于環(huán)境擾動(dòng)變化率，資水流域整體呈現(xiàn)一定的活力。

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

4 結(jié)語

本文將水電開發(fā)活動(dòng)作用下的流域環(huán)境看作一個(gè)復(fù)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(dòng)擾動(dòng)下環(huán)境系統(tǒng)的演化規(guī)律，構(gòu)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(dòng)作用的發(fā)展規(guī)律，得到以下結(jié)論。

（1）構(gòu)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(zhǎng)態(tài)勢(shì)，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(zhuǎn)為負(fù)值，系統(tǒng)有序度增強(qiáng)。研究期內(nèi)整體來看，系統(tǒng)擾動(dòng)系數(shù)k總體呈波動(dòng)式發(fā)展，但其在研究期內(nèi)大部分時(shí)間段均為負(fù)值，表明資水流域水電開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)在研究期內(nèi)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(guān)重要，支持型負(fù)熵流的引入是決定該復(fù)合系統(tǒng)能否持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵，只有建立健全流域綜合規(guī)劃開發(fā)機(jī)制，加強(qiáng)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(gè)高效的開放系統(tǒng)。

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【責(zé)任編輯 馬廣州】

收稿日期：2018-09-25

基金項(xiàng)目：水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（2014SS08）：湖南省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃基金項(xiàng)目（ 14YBB004）;湖南省水利科技項(xiàng)目（湘水科計(jì)[2016] 94-39）

作者簡(jiǎn)介：鐘姍姍（1981-），女，遼寧沈陽(yáng)人，講師，博士，主要研究方向?yàn)榱饔颦h(huán)境管理和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)