寧東煤炭基地礦井水供需雙向協調評價*
——基于TOPSIS方法的實證研究

李 琳

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

0 引言

我國是礦產資源大國，也是礦業大國，已發現礦產172種，探明資源儲量的162種。在礦產資源富集的地區，水資源分布并不均衡。據發改委和國家能源部局聯合印發《礦井水利用發展規劃》中明確指出［1］，2015 年煤礦礦井水排放量約 71 億 m3，占各類礦井水排放總量的80%以上，黃河流域礦井水排水量約56億m3，占全國礦井水排放量的79%，全國7成以上礦井水來自缺水地區和嚴重缺水區的大型煤炭基地。2005年6月國務院《關于做好建設節約型社會近期重點工作的通知》中明確提出要推進礦井水資源化利用要求［2］。十一五、十二五規劃綱要中指出積極開展海水淡化、海水直接利用和礦井水利用。從國家需求和學科發展兩個角度，對礦區礦井水進行供需雙向協調評價，進而為本區水資源的合理開發、綜合利用和科學管理提出科學的、具有可操作性的戰略決策和技術路線，對實現礦井水資源安全高效利用、減少礦井水排放、有效保護水環境具有重要的現實意義。

文中以寧東煤炭基地為研究對象，建立礦井水供需雙向協調評價系統評價指標體系，運用結合了AHP(Analytic Hierarchy Process)、熵值法、灰色關聯法的TOPSIS(Technique for Order Prefer-ence by Similarity to Ideal Solution)方法，對寧東煤炭基地銀川、石嘴山、靈武、吳忠地區進行礦井水供需雙向協調評價。

1 研究區概況

寧東煤炭基地位于寧夏中東部，是國家確定的14個大型煤炭基地之一，也是《能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)》重點建設的9個千萬千瓦級大型煤電基地之一。寧東煤炭基地包括靈武、鴛鴦湖、橫城、馬家灘、積家井、甜水河、韋州等7個礦區和石溝驛一個獨立井田。

靈武礦區位于靈武市東南約50 km，礦區保有煤炭資源儲量27．9億t;鴛鴦湖礦區位于靈武市東約50 km，礦區保有煤炭資源儲量74．2億t;橫城礦區位于靈武市東南約40 km，礦區保有煤炭資源儲量70億t，;馬家灘礦區位于靈武市馬家灘鎮和吳忠市鹽池縣境內，礦區保有煤炭資源儲量51．5億t;積家井礦區位于寧夏靈武市東南約66 km處［3］，礦區保有煤炭資源儲量46．8億 t［3］;韋州礦區位于吳忠市同心縣境內，礦區保有煤炭資源儲量20．4億t;萌城礦區位于吳忠市鹽池縣境內，礦區保有煤炭資源儲量6．4億t;石溝驛井田位于靈武市東南約50 km，保有煤炭資源儲量2．1億t;甜水河井田位于寧夏靈武市臨河鎮，保有煤炭資源儲量5．3億t。

2 分析方法

2．1 TOPSIS 分析方法

供需雙向協調是指通過實施措施促使礦井水供應合理，需求得當［4］。水資源供需平衡是指在一定區域內，對水資源的供給與需求的余缺關系進行計算與分析的過程［5］。

TOPSIS最早是在1981年由 C．L．Hwang和 K．Yoon首次提出的，后來Lai et al．于1994年將TOPSIS的觀念轉為應用于規劃面之多目標決策問題上，TOPSIS評價法是有限方案多目標決策分析中常用的一種科學方法［7］。改進后的TOPSIS評價法結合了AHP、熵值法、灰色關聯法，使得綜合評價結果更加科學合理。

則改進后的TOPSIS評價步驟如下:

(1)假設多屬性決策問題有m個方案，n個目標準則，專家對其中第i個方案的第j個目標準則的評估值為 xij，則初始化決策矩陣［8］為 X=(xij)m×n。

(2)數據標準化。方法同熵權法，采用極值標準化法處理，得到標準化決策矩陣Y=(yij)m×n。

(3)用AHP和熵權法計算各指標的綜合權重w=(w1，w2，…，wn)。

其中:α和β為決策者對位置和形狀的偏好程度［9］，并且滿足 α + β =1，且 α、β ∈［0，1］。

(10)計算各方案單元與最優值的相對貼近度。

按照相對貼近度的大小排序，Ci越大，表明方案越接近最優水平。

2．2 評價指標體系的建立

通過國內調研，數據分析，對礦井水收集－處理－調蓄－利用四個環節有了一定的認識。考慮礦井水開發利用潛力、可利用量涉及水量、水質、處理成本、水用戶等多方面的供需雙向協調等因素。供需雙向協調影響因素匯總見表1～2。

表1 礦井水供給方影響因素匯總表

表2 礦井水需求方影響因素匯總表

對于礦井水供需雙向協調評價指標體系的建立，遵循系統性、科學性、可操作性和動態性原則。由于影響礦井水供需雙向協調的因素比較多、涉及面較為廣泛，如果對以上全部指標進行評價，具體指標過多。為了滿足多因素指標評價要求，直接反映礦井水供需雙方協調矛盾，指標需要進行拆分、合并;對于難以收集到具體評價數據的指標，可以考慮刪除或者替換［6］。綜合考慮礦井水利用情況，主要以水量、水質和經濟因素這三個方面作為準則層，來建立礦井水供需雙向協調評價指標體系。

綜合已有研究成果，認為礦井水供需雙向協調影響因素包括:正常涌水量、最大涌水量、開采影響系數、自用水量、損失量、已開發利用量、水源影響系數、水質影響系數、前處理成本、出廠水質、可利用量、潛力量、用水戶需水量、后處理成本、管道輸送率、產值、礦井水利用率。

3 礦井水供需雙向協調評價

3．1 數據來源

數據來源主要為研究區國民經濟和社會發展統計公報、統計年鑒、煤炭工業統計年鑒及實際調研相關數據等。依據寧東煤炭基地礦井水供需雙向協調評價指標體系，收集數據。

3．2 實例分析

(1)運用改進后的TOPSIS模型，對寧東煤炭基地涉及的4個市銀川、石嘴山、靈武、吳忠進行礦井水供需雙向協調評價，步驟如下:①對數據進行標準化處理;②用AHP和熵值法計算評價指標的權重。

(2)指標層權重大小依次為已開發利用量、產值、自用水量、正常涌水量、可利用量、損失量、最大涌水量、潛力量、用水戶需水量、后處理成本、前處理成本、管道輸送率、水源影響系數、開采影響系數、出廠水質、礦井水利用率、水質影響系數，見表3。根據準則層權重大小可以看出，指標體系中的水量因素權重最大，其次是經濟因素，最后是水質因素。符合礦井水供需市場中的實際情況，水量因素是最關鍵的影響因素，主要影響礦井水供給方;經濟因素主要影響礦井水需求方;水質因素是綜合性影響因素，是進行礦井水供需雙向協調多因素評價必須考慮的影響因素［6］。

(3)計算加權規范化矩陣Z的正理想解Z+和負理想解Z－，見表4。

表3 各層評價指標權重及排序

表4 加權規范化之后的正負理想解

(4)計算各方案和正負理想解的距離:

d+={0．112 9，0．214 3，0．204 9，0．224 2}

d－={0．225 2，0．064 3，0．101 1，0．103 6}

(6)分別對 d+，d－，r+，r－進行無量綱化處理得:

D+={0．503 6，0．956 2，0．0914 2，1．000 0}

D－={1．000 0，0．285 4，0．449 0，0．459 9}

R+={1．000 0，0．598 6，0．666 8，0．712 3}

R－={0．766 5，1．000 0，0．911 6，0．961 9}

(7)將無量綱化距離和關聯度合并，取α=β=0．5:

S+={0．635 0，0．978 1，0．912 9，0．981 0}

S－={1．000 0，0．442 0，0．557 9，0．586 1}

(8)計算各方案單元與最優值的相對貼近度:

C+={0．611 6，0．311 2，0．379 3，0．374 0}

由此對寧東基地4個區礦井水供需雙向協調評價進行排序:

上述結果表明，礦井水供需雙向協調情況最好的是銀川，其次是靈武，然后是吳忠，最后是石嘴山。如取協調度系數0．5，則靈武、吳忠、石嘴山地區礦井水供需雙向不夠協調，銀川供需雙向比較協調。總體來看，寧東煤炭基地礦井水供需雙向協調形勢不夠樂觀。從礦井水供需雙向協調評價指標體系中可以看出，主要影響供需雙向協調的因素包含已開發利用量、產值、自用水量、正常涌水量。因此，要維持礦井水供需雙向協調需要進一步提高礦井水資源高效合理利用率。

4 結語

文中在系統性、科學性、可操作性和動態性原則的基礎上，建立了礦井水供需雙向協調評價指標體系，運用結合AHP、熵權、灰色關聯法改進的TOPSIS的綜合評價模型，對寧東煤炭基地銀川、石嘴山、靈武、吳忠4個區域礦井水供需雙向協調度進行了綜合評價。結果顯示:銀川礦井水供需雙向協調情況最好，靈武次之，吳忠較差，石嘴山最差。總體來看，寧東煤炭基地礦井水供需雙向協調形勢不夠樂觀，礦井水資源利用率有待提高。按照優先利用礦井排水和再生水的用水原則，建議采取措施提高礦井水利用率:一是按照水資源稅征收管理辦法進行多倍計征;二是對不優先使用礦井水企業的違規現象進行通報并做相應的違規處罰;三是暫停或限制企業其他用水。