供需協(xié)調(diào)的礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)

白樂(lè) 張楠 郭欣偉 姚曼飛 劉兵兵

摘 要：為科學(xué)評(píng)價(jià)礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力并為水資源短缺地區(qū)礦井水資源化利用與管理提供科學(xué)依據(jù)，基于DPSIRM模型構(gòu)建了供需協(xié)調(diào)的礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并應(yīng)用灰色集對(duì)模型對(duì)陜北能源化工基地礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：2011年礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力等級(jí)低，2012—2017年潛力等級(jí)較低，礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力態(tài)勢(shì)趨好，影響、響應(yīng)和管理3個(gè)子系統(tǒng)為礦井水開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)的重要制約因素，這與陜北能源化工基地礦井水現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)利用實(shí)際相符。

關(guān)鍵詞：礦井水;開(kāi)發(fā)利用潛力;DPSIRM模型;灰色集對(duì)模型;陜北能源化工基地

中圖分類號(hào)：TV213.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.013

引用格式：白樂(lè)，張楠，郭欣偉，等.供需協(xié)調(diào)的礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)[J].人民黃河，2021，43（4）：72-76.

Abstract： In order to evaluate the mine water exploitation and utilization potential scientifically and provide scientific basis for utilization and management of mine water resources in water shortage areas， based on the DPSIRM model， this paper constructed a comprehensive evaluation index system of mine water development and utilization potential， and used the gray set pair model to quantitatively evaluate the mine water development and utilization potential of energy chemical industry base in northern Shaanxi. The results show that the potential grade of mine water exploitation and utilization is low in 2011， and a little bit low in 2012-2017， which indicates the situation is getting better. Impact， response and management are important factors affecting potential evaluation， which is in line with the actual situation of mine water development and utilization in energy chemical industry base in northern Shaanxi.

Key words： mine water; development and utilization potential; DPSIRM model; grey set pair model; energy chemical industry base of northern Shaanxi

礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力是礦井水資源化的一個(gè)基本度量[1-2]，對(duì)其正確評(píng)價(jià)，不僅有利于合理利用礦井水資源，更有利于將礦井水納入水資源統(tǒng)一配置，成為當(dāng)前水資源與水環(huán)境科學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從水資源承載力及水安全內(nèi)涵[3]、指標(biāo)體系選取[3-9]、水資源水生態(tài)安全計(jì)算[6-12]等方面進(jìn)行了較多研究。姚治君等[3]闡述了水資源承載力的內(nèi)涵，指出水資源具有動(dòng)態(tài)性、有限性、可增強(qiáng)等特性。王浩等[4]提出了效率性、極限性等指標(biāo)，建立了干旱缺水地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算了西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源生產(chǎn)能力。代穩(wěn)等[6]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、LI等[7]采用模糊綜合評(píng)價(jià)法、LIU等[8]采用主成分分析法、韓玉等[9]采用水足跡法、黃昌碩等[10]采用層次分析法、吳開(kāi)亞等[11]采用集對(duì)分析法、金菊良等[12]構(gòu)建基于非對(duì)稱聯(lián)系云和風(fēng)險(xiǎn)矩陣的水資源承載力評(píng)價(jià)模型，對(duì)水資源、水生態(tài)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但針對(duì)礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力研究，卻鮮見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。缺乏評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與定量評(píng)價(jià)方法，無(wú)法科學(xué)衡量礦井水資源開(kāi)發(fā)利用潛力，不利于礦井水開(kāi)發(fā)利用的決策與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的實(shí)現(xiàn)，亟待開(kāi)展相關(guān)研究。本文基于DPSIRM模型框架，構(gòu)建礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并應(yīng)用灰色集對(duì)模型對(duì)陜北能源化工基地礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以期為水資源短缺地區(qū)礦井水資源化利用與非常規(guī)水源的管理提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)、方法

1.1 研究區(qū)概況

陜北能源化工基地位于陜西省榆林市，包括榆陽(yáng)區(qū)、神木市、府谷縣、橫山區(qū)和佳縣的105個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），總面積22 604 km2。近年來(lái)，煤炭產(chǎn)量以每年大于1 000萬(wàn)t的速度遞增，2017年產(chǎn)煤4.0億t，約產(chǎn)生2.4億m3礦井水。礦井水主要來(lái)源于第四系薩拉烏蘇組含水層，該含水層富水性較好，單井涌水量一般在1 000 m3/d左右，最大可達(dá)4 000 m3/d。預(yù)計(jì)2025年榆林市50%保證率下總需水量為14.92億m3，缺水量為6.03億m3，缺水率為40.4%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所需數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《陜西省水資源公報(bào)》（2011—2017年）、《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2011—2017年）、《陜西省環(huán)境狀況公報(bào)》（2011—2017年）、《榆林市統(tǒng)計(jì)年鑒》（2011—2017年）、《榆林市水資源公報(bào)》（2011—2017年）等。收集了陜北能源化工基地重要煤礦發(fā)展歷史資料、“礦區(qū)總體規(guī)劃報(bào)告”“初步設(shè)計(jì)報(bào)告”“勘探報(bào)告”“環(huán)境評(píng)價(jià)報(bào)告”等，重點(diǎn)收集了2011—2017年原煤產(chǎn)量、礦井涌水量、礦井水實(shí)際利用量、外排水量、礦井水處理規(guī)模、處理工藝、供水成本、用戶數(shù)量、用水量等數(shù)據(jù)。

1.3 驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)-管理模型及指標(biāo)選取

DPSIRM模型是在壓力-狀態(tài)-反應(yīng)（PSR）模型[13-18]基礎(chǔ)上，加入社會(huì)經(jīng)濟(jì)和管理模塊演化而成，它提供了一種系統(tǒng)分析水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)變化的原因、結(jié)果和響應(yīng)的方法。本文根據(jù)陜北能源化工基地的實(shí)際情況，選取驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)與管理6個(gè)子系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力。驅(qū)動(dòng)力（D）為推動(dòng)供需系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)，主要選取人均GDP、人口密度、年GDP增長(zhǎng)率等指標(biāo)。壓力（P）為直接作用于系統(tǒng)的壓力，主要選取人均水資源量、水資源開(kāi)發(fā)利用率、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值外排水量等指標(biāo)。狀態(tài)（S）為受煤炭開(kāi)采影響的供需變化狀態(tài)，既是驅(qū)動(dòng)力作用于供需系統(tǒng)的結(jié)果，也是研究影響與響應(yīng)的基礎(chǔ)，選用處理?yè)p失率、已開(kāi)發(fā)利用率、煤礦剩余服務(wù)年限占比、管網(wǎng)漏損率、用水戶數(shù)量等指標(biāo)。影響（I）是礦井水開(kāi)發(fā)利用造成的影響，選用煤礦供水成本、企業(yè)用水成本、煤礦供水效益、水環(huán)境治理費(fèi)占總產(chǎn)值比例等指標(biāo)表示對(duì)礦井水開(kāi)發(fā)利用造成的影響。響應(yīng)（R）是在驅(qū)動(dòng)力作用下為實(shí)現(xiàn)供需協(xié)調(diào)所采取的措施，選用礦井水出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、管網(wǎng)覆蓋率、礦井水處理率等指標(biāo)。管理（M）為通過(guò)政策管理加強(qiáng)對(duì)礦井水的調(diào)控，降低對(duì)系統(tǒng)的壓力，減少對(duì)礦井水開(kāi)發(fā)利用造成的影響和制約，主要選用政策制度的健全性和落實(shí)性等指標(biāo)。

1.4 灰色集對(duì)分析法

1.4.1 灰色關(guān)聯(lián)法[19-20]

（1）樣本歸一化處理。為了便于指標(biāo)間的比較，采用歸一化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以消除量綱的影響：

（3）指標(biāo)權(quán)重計(jì)算：

1.4.2 集對(duì)分析法[19-20]

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

2.1 指標(biāo)選取及權(quán)重

在借鑒已有研究成果[3，20]的基礎(chǔ)上，根據(jù)陜北能源化工基地的資源經(jīng)濟(jì)條件和煤炭開(kāi)采實(shí)際，并咨詢相關(guān)專家后，甄選與供需雙方密切相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建供需協(xié)調(diào)的礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

2.2 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)等級(jí)具有地區(qū)差異性，在考慮陜北能源化工基地水資源和礦井水開(kāi)發(fā)利用實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，參照已有的水資源承載力及水安全評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[17，20]，結(jié)合榆林市政府規(guī)劃目標(biāo)，并征求專家意見(jiàn)，將潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)做出適當(dāng)調(diào)整并劃分為5個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表2），其中潛力等級(jí)由低到高分別以數(shù)字1到5表示。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

首先依據(jù)式（1）～式（4），計(jì)算陜北能源化工基地開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。以2017年為例，計(jì)算該年各個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度，并將各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度與權(quán)重結(jié)合，得出2017年各等級(jí)的聯(lián)系度，λ取0.6，h2=H1+H2=0.576<λ，h3=H1+H2+H3=0.759>λ，由置信區(qū)間可知，2017年陜北能源化工基地礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力等級(jí)為3級(jí)（較低）。同理得出2011—2017年陜北能源化工基地礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力等級(jí)，見(jiàn)表3、圖1。由表3可知，2011年陜北能源化工基地礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力等級(jí)為2級(jí)（低），2012—2017年潛力為3級(jí)（較低），2012年之后呈向好趨勢(shì)。

由圖1（a）可知：2011年礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力驅(qū)動(dòng)力等級(jí)低（2級(jí)），2012年、2013年、2015年、2016年較低（3級(jí)），2014年、2017年高（5級(jí)）。驅(qū)動(dòng)力等級(jí)呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，說(shuō)明人口、經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)作用較強(qiáng)，這與能源化工基地生產(chǎn)總值增長(zhǎng)較快、礦井水需求較大的實(shí)際相符。

由圖1（b）可知：壓力潛力等級(jí)2011年較高（4級(jí)），2012年較低（3級(jí)），2013—2016年較高（4級(jí)），2017年高（5級(jí)）。說(shuō)明陜北能源化工基地通過(guò)降低萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和噸煤耗水率、提高礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力減輕對(duì)供需系統(tǒng)的壓力余地不大。

由圖1（c）可知：2011—2013年和2016年?duì)顟B(tài)潛力等級(jí)低（2級(jí)），2014年、2015年較低（3級(jí)），2017年較高（4級(jí)）。噸煤富水系數(shù)、用戶數(shù)量、礦井水處理率等成為制約開(kāi)發(fā)利用潛力的重要影響因素，一定程度上影響了評(píng)價(jià)等級(jí)。

由圖1（d）可知：影響潛力等級(jí)2011年、2014年、2015年低（2級(jí)），2012年、2013年和2016年較低（3級(jí)），2017年較高（4級(jí)）。2017年之前影響潛力較低與煤礦企業(yè)出資修建輸水管線導(dǎo)致采煤成本升高有關(guān)。

由圖1（e）可知：響應(yīng)潛力等級(jí)2011—2015年較低（3級(jí)），2016年、2017年較高（4級(jí)），表明為保證礦井水開(kāi)發(fā)利用所采取的響應(yīng)措施取得了較好的效果。

由圖1（f）可知：管理潛力等級(jí)2011—2014年低（2級(jí)），2015—2016年較低（3級(jí)），2017年較高（4級(jí)），說(shuō)明《“十二五”礦井水開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃》出臺(tái)后，榆林市政府和陜北能源化工基地更加重視礦井水利用，政策落實(shí)較好、管理制度不斷完善，開(kāi)發(fā)利用潛力得到提升。

4 結(jié) 論

（1）選取人口密度、年GDP增長(zhǎng)率、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、噸煤富水系數(shù)、噸煤耗水率、煤礦剩余服務(wù)年限占比、用水戶數(shù)量、煤礦供水成本、企業(yè)用水成本、政策制度健全性和落實(shí)性等24個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建了基于DPSIRM模型的供需協(xié)調(diào)的礦井水開(kāi)發(fā)利用指標(biāo)體系，并給出潛力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）2011年陜北能源化工基地礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力等級(jí)低（2級(jí)），2012—2017年潛力等級(jí)較低（3級(jí)），2012年以來(lái)呈現(xiàn)向好趨勢(shì)，表明《“十二五”礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》出臺(tái)后，榆林市和陜北能源化工基地重視礦井水資源化利用，礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力態(tài)勢(shì)總體趨好。

（3）從驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)、管理6個(gè)子系統(tǒng)出發(fā)，對(duì)礦井水資源開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：影響、響應(yīng)和管理3個(gè)子系統(tǒng)為制約礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力的重要因素，這與陜北能源化工基地礦井水現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)利用實(shí)際相符。

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【責(zé)任編輯 張華興】