熵值法在生态流量计算中的应用

唐 玮，张新华

（四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院，四川 成都 610065）

水是生态环境良性循环的根本条件，水资源配置中满足生态需水是保持生态环境持续健康的基本措施，我国目前在“三水”统筹方面，水生态问题严峻，部分河流生态流量严重不足，部分河道甚至出现断流。王西琴等人从二元水循环角度分析地表水资源开发利用率的影响因素，结果表明地表水资源开发利用率与河道生态需水有着密切的关系。因此，生态流量是水资源管理调配部门及环保部门在进行水资源调配、河流保护时主要考虑的指标之一。目前国内外学者对于生态流量的研究有很多，但目前对于生态流量还没有一个统一的定义，但大多数学者认为生态流量是能够满足某目标用水需求的最小流量，一般来说，生态流量是指能够满足鱼类和底栖生物需求，水质需求及景观需求的流量需求。

目前计算生态流量的方法可分为水文学法、水力学法、栖息地评价法及整体分析法，四种方法在计算方式和适用性方面均存在较大的差异。水文学法是根据历史流量数据，大致估算生态流量，方法简单，但是准确率不高；水力学法是综合考虑历史流量数据，大断面以及河流内特定物种对于流量、流速、水深等的需求，得到生态流量，较适用于有特定保护物种需求的河段，不适用于大范围；栖息地评价法不仅需要考虑水力学条件，还需要考虑栖息地质量，操作复杂；整体分析法以整合流域为研究范围，整体分析计算生态流量。马俊超等人分别用水文学法、水力学法、生态水力学法及生境模拟法对西藏扎拉水电站减水河段的生态流量进行了计算，四种方法得到的生态流量差异较大。贾子烨用水文学法中的常用方法对观音峡水电站等站点的生态流量进行了计算，结果表明不同的水文学方法得到的生态流量也不尽相同，适用性也不同。肖卫等人对水文学法、栖息地评价法及整体分析法进行了适应性分析，提出生态流量计算方法应与环境保护需求目标进行统一协调，并结合数据资料获取难易程度及收集情况，选择合适的计算方法。

1 计算方法

考虑到单一方法计算生态流量均存在一定的适用性缺陷，在选择各方法计算结果时又容易掺入个人主观意识，因此文章引用熵值法对7Q10法、湿周法和R2CROSS法三种方法计算得到的生态流量逐一赋权，并以Tennant法α取10%到20%时区间内的流量值作为考量标准进行综合评价，从而得到更为合理的生态流量，具体方法如下：

首先选择某河流上所有水文站点为待评估站点，分别用 7Q10法、湿周法和R2CROSS法计算各站点的生态流量，形成生态流量原始指标矩阵，去除各指标的量纲便于计算，归一化处理各指标数据，表达式如下：

上述方法综合考虑了计算生态流量时最常用的两种方法，即水文学法及水力学法，故可以称之为综合法，通过这种方法，可以得到各水文站点不同方法所对应的权重。

2 方法应用

2.1 综合法计算生态流量

以珠江流域西江水系为例，对西江水系上各水文站点分别采用7Q10法、湿周法及R2CROSS法计算生态流量，汇总数据如表1所示。

表1 西江水系各水文站点生态流量汇总

根据上述方法，即可得到西江水系各站7Q10法、湿周法、R2CROSS法三个方法指标对应权重。文章通过MATLAB计算得到西江水系各方法权重如表2所示。

表2 西江水系不同方法权重

根据上述权重计算结果，对西江水系各水文站点三种方法计算得到的生态流量进行赋权，最终得到一个综合值，即为需要的生态流量，计算结果如表3所示。

表3 生态流量综合值

2.2 综合法修正

迄今为止计算河流的生态流量方法已经超过200种，涉及水文学、水力学、生物生态环境、整体和局部等多种方法。文章中采用上述熵值法综合7Q10法、湿周法、R2CROSS法三种方法，以期得到一个能够综合水文学及水力学法的河流生态流量。较多学者的研究结果均发现水文学法最适用我国现阶段的生态流量计算方法。为得到更为合理客观的最终生态流量推荐值，本研究继续采用Tennant法计算的生态流量对上文中综合法计算结果进行对比修正。结果对比如表4所示（以珠江流域为例）。

表4 综合法与Tennant法计算结果对比

绝大多数站点熵值法计算结果与Tennant法相符，均满足推荐生态流量占多年平均流量的百分比在河道栖息地状态最低标准10%和河道栖息地状态最佳标准30%区间范围之内。个别站点计算结果偏大，超过Tennant法中生态流量占多年平均流量的30%，认为此生态流量推荐值超过了预期的满足生态流量维持河流生态系统健康、保持水生生物的正常生存的标准，需要进一步修正。相反的，多年平均流量的10%是维持河道生态功能稳定的最低阈值标准，但是河道保持这种流量状态，河道中各种生物将无法长期稳定生存。因此应剔除综合法计算得到的生态流量中超过该站点平均流量30%以及低于该站点平均流量10%的数据。

3 结语

文章在计算生态流量时，综合考虑了生态流量的影响因素，和不同方法的适用性分析，在计算生态流量时使用不同方法计算同一条流域不同水文站点的生态流量，再基于熵值法赋予7Q10法、湿周法和R2CROSS法的计算结果不同的权重，从而根据权重计算出了最终生态流量的推荐值，以Tennant法计算的多年平均流量的10%～30%作为对比分析的合理范围。结果表明不同方法在计算生态流量时，其计算结果有明显差异性，而基于熵值法的综合法可以将这种差异进行统一，克服了在选择不同方法计算结果时个人主观性的影响，同时以Tennant法计算的多年平均流量的10%～30%作为对比分析的合理范围，进一步使综合法的计算结果更合理可靠。