供需協(xié)調(diào)的礦井水開發(fā)利用潛力評價

白樂 張楠 郭欣偉 姚曼飛 劉兵兵

摘 要：為科學評價礦井水開發(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依據(jù)，基于DPSIRM模型構建了供需協(xié)調(diào)的礦井水開發(fā)利用潛力評價指標體系，并應用灰色集對模型對陜北能源化工基地礦井水開發(fā)利用潛力進行量化評價。結(jié)果表明：2011年礦井水開發(fā)利用潛力等級低，2012—2017年潛力等級較低，礦井水開發(fā)利用潛力態(tài)勢趨好，影響、響應和管理3個子系統(tǒng)為礦井水開發(fā)潛力評價的重要制約因素，這與陜北能源化工基地礦井水現(xiàn)狀開發(fā)利用實際相符。

關鍵詞：礦井水;開發(fā)利用潛力;DPSIRM模型;灰色集對模型;陜北能源化工基地

中圖分類號：TV213.9 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.013

引用格式：白樂，張楠，郭欣偉，等.供需協(xié)調(diào)的礦井水開發(fā)利用潛力評價[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

礦井水開發(fā)利用潛力是礦井水資源化的一個基本度量[1-2]，對其正確評價，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，成為當前水資源與水環(huán)境科學研究的重點和熱點。國內(nèi)外學者從水資源承載力及水安全內(nèi)涵[3]、指標體系選取[3-9]、水資源水生態(tài)安全計算[6-12]等方面進行了較多研究。姚治君等[3]闡述了水資源承載力的內(nèi)涵，指出水資源具有動態(tài)性、有限性、可增強等特性。王浩等[4]提出了效率性、極限性等指標，建立了干旱缺水地區(qū)水資源承載力評價指標體系，計算了西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源生產(chǎn)能力。代穩(wěn)等[6]采用系統(tǒng)動力學法、LI等[7]采用模糊綜合評價法、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、吳開亞等[11]采用集對分析法、金菊良等[12]構建基于非對稱聯(lián)系云和風險矩陣的水資源承載力評價模型，對水資源、水生態(tài)安全進行了評價。但針對礦井水開發(fā)利用潛力研究，卻鮮見相關報道。缺乏評價指標體系與定量評價方法，無法科學衡量礦井水資源開發(fā)利用潛力，不利于礦井水開發(fā)利用的決策與生態(tài)環(huán)境保護的實現(xiàn)，亟待開展相關研究。本文基于DPSIRM模型框架，構建礦井水開發(fā)利用潛力評價指標體系，并應用灰色集對模型對陜北能源化工基地礦井水開發(fā)利用潛力進行定量評價，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，包括榆陽區(qū)、神木市、府谷縣、橫山區(qū)和佳縣的105個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），總面積22 604 km2。近年來，煤炭產(chǎn)量以每年大于1 000萬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4 000 m3/d。預計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)來源

研究所需數(shù)據(jù)主要來源于《陜西省水資源公報》（2011—2017年）、《陜西省統(tǒng)計年鑒》（2011—2017年）、《陜西省環(huán)境狀況公報》（2011—2017年）、《榆林市統(tǒng)計年鑒》（2011—2017年）、《榆林市水資源公報》（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)劃報告”“初步設計報告”“勘探報告”“環(huán)境評價報告”等，重點收集了2011—2017年原煤產(chǎn)量、礦井涌水量、礦井水實際利用量、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)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應-管理模型及指標選取

DPSIRM模型是在壓力-狀態(tài)-反應（PSR）模型[13-18]基礎上，加入社會經(jīng)濟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)濟社會系統(tǒng)變化的原因、結(jié)果和響應的方法。本文根據(jù)陜北能源化工基地的實際情況，選取驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應與管理6個子系統(tǒng)指標評價礦井水開發(fā)利用潛力。驅(qū)動力（D）為推動供需系統(tǒng)的經(jīng)濟社會指標，主要選取人均GDP、人口密度、年GDP增長率等指標。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、水資源開發(fā)利用率、萬元工業(yè)增加值用水量、萬元工業(yè)產(chǎn)值外排水量等指標。狀態(tài)（S）為受煤炭開采影響的供需變化狀態(tài)，既是驅(qū)動力作用于供需系統(tǒng)的結(jié)果，也是研究影響與響應的基礎，選用處理損失率、已開發(fā)利用率、煤礦剩余服務年限占比、管網(wǎng)漏損率、用水戶數(shù)量等指標。影響（I）是礦井水開發(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)境治理費占總產(chǎn)值比例等指標表示對礦井水開發(fā)利用造成的影響。響應（R）是在驅(qū)動力作用下為實現(xiàn)供需協(xié)調(diào)所采取的措施，選用礦井水出水水質(zhì)達標率、管網(wǎng)覆蓋率、礦井水處理率等指標。管理（M）為通過政策管理加強對礦井水的調(diào)控，降低對系統(tǒng)的壓力，減少對礦井水開發(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性等指標。

1.4 灰色集對分析法

1.4.1 灰色關聯(lián)法[19-20]

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

（3）指標權重計算：

1.4.2 集對分析法[19-20]

2 評價指標體系構建及評價等級劃分

2.1 指標選取及權重

在借鑒已有研究成果[3，20]的基礎上，根據(jù)陜北能源化工基地的資源經(jīng)濟條件和煤炭開采實際，并咨詢相關專家后，甄選與供需雙方密切相關的評價指標，構建供需協(xié)調(diào)的礦井水開發(fā)利用潛力評價指標體系，見表1。

2.2 評價等級劃分

礦井水開發(fā)利用潛力評價等級具有地區(qū)差異性，在考慮陜北能源化工基地水資源和礦井水開發(fā)利用實際情況的基礎上，參照已有的水資源承載力及水安全評價相關標準[17，20]，結(jié)合榆林市政府規(guī)劃目標，并征求專家意見，將潛力評價標準做出適當調(diào)整并劃分為5個等級（見表2），其中潛力等級由低到高分別以數(shù)字1到5表示。

3 評價結(jié)果

首先依據(jù)式（1）～式（4），計算陜北能源化工基地開發(fā)利用潛力評級指標的權重。以2017年為例，計算該年各個指標的灰色關聯(lián)度，并將各指標灰色關聯(lián)度與權重結(jié)合，得出2017年各等級的聯(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發(fā)利用潛力等級為3級（較低）。同理得出2011—2017年陜北能源化工基地礦井水開發(fā)利用潛力等級，見表3、圖1。由表3可知，2011年陜北能源化工基地礦井水開發(fā)利用潛力等級為2級（低），2012—2017年潛力為3級（較低），2012年之后呈向好趨勢。

由圖1（a）可知：2011年礦井水開發(fā)利用潛力驅(qū)動力等級低（2級），2012年、2013年、2015年、2016年較低（3級），2014年、2017年高（5級）。驅(qū)動力等級呈波動上升趨勢，說明人口、經(jīng)濟的驅(qū)動作用較強，這與能源化工基地生產(chǎn)總值增長較快、礦井水需求較大的實際相符。

由圖1（b）可知：壓力潛力等級2011年較高（4級），2012年較低（3級），2013—2016年較高（4級），2017年高（5級）。說明陜北能源化工基地通過降低萬元工業(yè)增加值用水量和噸煤耗水率、提高礦井水開發(fā)利用潛力減輕對供需系統(tǒng)的壓力余地不大。

由圖1（c）可知：2011—2013年和2016年狀態(tài)潛力等級低（2級），2014年、2015年較低（3級），2017年較高（4級）。噸煤富水系數(shù)、用戶數(shù)量、礦井水處理率等成為制約開發(fā)利用潛力的重要影響因素，一定程度上影響了評價等級。

由圖1（d）可知：影響潛力等級2011年、2014年、2015年低（2級），2012年、2013年和2016年較低（3級），2017年較高（4級）。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致采煤成本升高有關。

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

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

4 結(jié) 論

（1）選取人口密度、年GDP增長率、萬元工業(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性等24個指標，構建了基于DPSIRM模型的供需協(xié)調(diào)的礦井水開發(fā)利用指標體系，并給出潛力分級標準。

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

（3）從驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應、管理6個子系統(tǒng)出發(fā)，對礦井水資源開發(fā)利用潛力評價結(jié)果進行分析。結(jié)果表明：影響、響應和管理3個子系統(tǒng)為制約礦井水開發(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)狀開發(fā)利用實際相符。

參考文獻：

[1] 夏軍，朱一中.水資源安全的度量：水資源承載力的研究與挑戰(zhàn)[J].自然資源學報，2002，17（3）： 262-269.

[2] ZHANG X， ZHAO X， ZHANG M， et al. Safety Evaluation of an Artificial Groundwater Recharge System for Reclaimed Water Reuse Based on Bioassays[J].Safety Science， 2011， 49：192-197.

[3] 姚治君，王建華，江東.區(qū)域水資源承載力的研究進展及其理論探析[J].水科學進展，2002，13（1）：111-115.

[4] 王浩，秦大庸，王建華，等.西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源承載能力研究[J].自然資源學報，2004，19（2）：151-159.

[5] 劉佳駿，董鎖成，李澤紅.中國水資源承載力綜合評價研究[J].自然資源學報，2011，26（2）：258-269.

[6] 代穩(wěn)，王金鳳，秦趣，等.六盤水市水資源安全系統(tǒng)動力學模擬研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2014，53（15）：3692-3697.

[7] LI Y P， YANG L， CHEN N X. Analysis on County Water Resources Carrying Capacity Based on the Fuzzy Comprehensive Evaluation Method[J].Journal of North China Institute of Water Conservancy & Hydroelectric Power， 2010， 22（12）： 56-59.

[8] LIU X J， WANG J. Evaluation of Regional Water Resources Carrying Capacity in Yanan Based on Principal Component Analysis [J].Advanced Materials Research， 2014，32（1）：2331-2334.

[9] 韓玉，楊曉琳，陳源泉，等.基于水足跡的河北省水資源安全評價[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2013，21（8）：1031-1038.

[10] 黃昌碩，耿雷華，王立群，等.中國水資源及水生態(tài)安全評價[J].人民黃河，2010，32（3）：14-16.

[11] 吳開亞，金菊良，周玉良，等.流域水資源安全評價的集對分析與可變模糊集耦合模型[J].四川大學學報（工程科學版），2008，40（3）：6-13.

[12] 金菊良，陳磊，沈時興.基于聯(lián)系云和風險矩陣的水資源承載力評價[J].人民黃河，2019，41（10）：128-134.

[13] 陳華偉，黃繼文，張欣，等.基于DPSIR概念框架的水生態(tài)安全動態(tài)評價[J].人民黃河，2013，35（9）：34-39.

[14] 談迎新，於忠祥.基于DSR模型的淮河流域生態(tài)安全評價研究[J].安徽農(nóng)業(yè)大學學報（社會科學版），2012， 21（5）： 35-39.

[15] 湯鵬，王浩.基于“P-S-R”模型的紫金山國家森林公園生態(tài)安全評價[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2016，44（8）：477-480.

[16] 馬子惠，梁成華，孟慶歡，等.基于PSR模型的大港油田土地生態(tài)安全評價研究[J].環(huán)境污染與防治，2015，37（1）：41-51.

[17] 陳洋波，陳俊和，李長興，等.基于DPSIR模型的深圳市水資源承載能力評價指標體系[J].水利學報，2004，35（7）：98-103.

[18] 曹琦，陳興鵬，師滿江.基于DPSIR概念的城市水資源安全評價及調(diào)控[J].資源科學，2012，34（8）：1591-1600.

[19] 張鳳太，王惜春，蘇維詞.基于DPSIRM概念框架模型的巖溶區(qū)水資源安全評價[J].中國環(huán)境科學，2015，35（11）：3511-3520.

[20] 張文.基于灰色關聯(lián)分析與集對分析的區(qū)域水資源承載力評價研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2018：3.

[21] 王文圣，李躍清，金菊良，等.水文水資源集對分析[M].北京：科學出版社，2010：47-51.

[22] 趙克勤.基于集對分析的方案評價決策矩陣與應用[J].系統(tǒng)工程，1994，12（4）：67-72.

【責任編輯 張華興】