克拉瑪依市水資源利用效率評估

后雄斌

(新疆水利水電勘察設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 前 言

水資源為人類生產活動、自然生物繁衍生息提供基礎保障，中國水資源空間分布不均，西北地區水資源尤為短缺[1-2]。隨著人類活動及氣候變化的影響，工業化、城市化進程不斷加快，區域水資源供需矛盾日益突出。克拉瑪依市是國家重要石化產業基地，是新疆維吾爾自治區中建設的新型化工型城市，水資源短缺問題由來已久，先后經歷了20世紀50年代拐中取水、60年代開采地下水、70至80年代修建水庫、90年代修建引水工程等關鍵階段。近年來，隨著天山北坡經濟帶城市群經濟快速發展、一帶一路倡議的不斷推進，區域石化企業規模不斷擴大，生活生態用水不斷增加，水資源利用率不高等問題加劇了水資源供需矛盾的產生。因此，合理進行水資源開發及管理，提高水資源利用率，對區域社會經濟發展有一定指導意義。

目前，區域水資源效率評價方法有物元模型、DEA模型、模糊綜合評價法、Topsis法、灰色模型等。魏光輝[3]采用分層模糊積分模型對研究區8種水資源配置方案進行綜合評價和排序；項瓊[4]基于組合權重TOPSIS模型對三江平原區域的水資源承載能力進行了綜合評價；魏光輝[5]綜合考慮從優隸屬度和灰色關聯的基礎上，提出了改進灰色關聯模糊評價法，對塔里木河流域水資源承載力進行了評價；高章蒲等[6]利用多維臨界調控模型預測克拉瑪依市2020年和2030年水資源配置；楊明杰等[7]利用SD模型對克拉瑪依市2030年水資源供需進行預測分析；彭亮等[8]運用WRMM模型對克拉瑪依市水安全進行評估。目前，關于克拉瑪依市水資源配置研究多是綠洲受水區水安全研究，而對于克拉瑪依市水資源利用效率研究較少。本文從體現綜合、農業、工業、生活、生態、納污控制用水6個方面選取9個指標，采用熵權法進行賦權，利用物元模型對2010—2018年克拉瑪依區域水資源利用效率進行評估，為城市社會經濟發展提供依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

克拉瑪依市地處準格爾盆地南緣，距離烏魯木齊市313 km，地理坐標E84°4′～86°01′，N 44°07′～44°08′，行政單位包含克拉瑪依區、白堿灘區、烏爾禾區、獨山子區、小拐鄉及兵團，總面積7 733.9 km2，地勢呈西北高、東南低，輪廓呈斜條狀[6]。夏季炎熱高溫，冬季嚴寒，年降水量為109 mm，年均蒸發量為2 958 mm，年均氣溫8.4 ℃。全區基本不產流，市區范圍內有8條河流，2處湖泊。地表水依靠瑪納斯河、白楊河、奎屯河、引水工程提供，多年平均地表水資源量568.71×104m3、地下水資源量11 430.43×104m3，扣除重復計算量，多年平均水資源總量為6 171.43×104m3。伴隨著天山北坡經濟帶城市工業化的發展、城鎮用水與農業用水矛盾的加劇，區域水資源利用效率得到了大家的廣泛關注。

1.2 數據來源

文中評價指標基礎數據來源于2010—2018年《新疆水資源公報》《克拉瑪依統計年鑒》《新疆統計年鑒》。

2 評價方法

2.1 水資源利用效率指標體系及閾值確定

水資源系統是一個多屬性、復雜的體系，水資源利用效率評價指標體系建立，對于合理全面評價水資源至關重要。指標選取及構建主要依據的原則有：

(1) 可度量性

所選指標具有很好的獲得性及實用性，對于涵義界限模糊指標，原則上不選取。

(2) 代表性

指標選取具有獨立性，指標間呈現弱相關性。

(3) 系統性

選取指標具有全面綜合性，涵蓋水資源、社會經濟、生態環境等多方面特征，較好呈現水資源系統多屬性、多方位動態演變過程。

本文依據相關學者對于干旱區水資源利用效率研究[9-10]，建立3個準則層，選取9個評價指標，構成克拉瑪依市水資源利用效率指標體系, 水資源利用效率指標體系及權重見表1。

表1 水資源利用效率指標體系及權重表

水資源利用效率區間限度，應當合理估計區域水資源、社會經濟、生態環境的協調發展，依據西北地區及半干旱地區水資源利用效率研究成果[11-12]，將研究區水資源利用效率劃分為5個等級，劃分等級標準見表2。

表2 水資源利用效率等級標準表

2.2 權重確定

熵權法為一種客觀的賦權方法，依據文獻[9]計算步驟如下：

(1) 形成原始數據矩陣X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，m為評價對象，n為指標個數。

(2) 依據成本型和效益型指標，形成標準化數據矩陣R=(rij)m×n。

(3) 根據熵的定義，確定第j個指標的熵hj和熵權wj。

(1)

(2)

2.3 物元模型

2.3.1評價物元

物元分析是1983年蔡文[13]提出的一種解決不相容問題方法。其核心是對事物特征的數學描述，將物元分成三元數組，即事物(N)、事物特征(C)和相應量值(X)[14]。本文水資源利用效率為N，由n個特征(C1,C2,…,Cn)和相應量值(X1,X2,…,Xn)構成水資源利用效率的物元模型一般形式，用符號R=(N,C,X)表示。

2.3.2經典域及節域

經典閾物元Ri矩陣表示為：

(3)

式中：研究對象劃分為5個等級，即l=5，Ni為第j(i=1,2,…,l)個水資源利用效率等級；Cj(j=1,2,…,n)為水資源利用效率Ni的特征值，(ani,bni)為第i級評價等級對應量值范圍。

節閾物元Rp矩陣表示為：

(4)

式中：區間Xjp=(ajp,bjp)為Dp關于Cj所取的量值范圍，Xjp=(anp,bnp)為節閾，是第j項指標所取的最大范圍。

2.3.3關聯函數及總關聯度確定

評價物元關聯度函數Kl(Xj)，為待評價物符合標準范圍的隸屬程度。其公式如下：

(5)

其中，

(6)

(7)

式中：Kl(Xj)為指標xj第l級的關聯函數;Xji為經典閾量值區間;Xpi為節域量值區間;ρ(xj,Xji)、ρ(xj,Xpi)分別為xj與區間Xji[aji,bji]、Xpi[aji,bji]之間的距離， |Xji|=|(aji-bji)|

待評估單元N相對于等級l的總關聯度為：

(8)

式中：Kl(N)為待評估單元N關于等級l的總關聯度；若Kl(N)=maxKl(N)，則判定N屬于等級l。

3 結果與分析

將評價指標原始數據，利用MATLAB軟件編程，帶入公式(5)，得出評價指標關聯度，以2010年C1指標(萬元GDP用水量)為例，將C1=77.9帶入公式后，獲得其對應的相關等級關聯度分別為K(C1)Ⅰ=-0.092、K(C2)Ⅱ=0.158、K(C3)Ⅲ=-0.351、K(C4)Ⅳ=-0.513、K(C5)Ⅴ=-0.611，判定2010年該指標處于較高水平，同理獲得2010年其他指標關聯度，2010—2018年年評價指標關聯度見表3。利用單指標聯系度結合熵權法確定的權重見表1，通過公式(6)得評價單元N的綜合關聯度，確定各年份水資源利用效率等級見表4。

表3 2010-2018年評價指標關聯度表

表4 各年份水資源利用效率等級表

由表3、4可知，從綜合結果來看，水資源利用效率總體處于Ⅱ級，各年份單指標變化明顯。從2010—2018年單指標水資源利用效率評估結果來看，萬元GDP用水量(C1)、萬元工業產值用水量(C4)總體位于較高水平，屬于Ⅱ級，說明克拉瑪依市打造新型工業化城市、石油石化基地的相關工作進展順利。綜合灌溉定額由Ⅴ級轉為Ⅱ級，節灌率(C3)由Ⅲ級轉為Ⅱ級，說明及現代化高效節水的力度實施。城鎮生活用水量(C5)2011—2013年由Ⅴ級轉為Ⅳ級，2014—2018年由Ⅲ級轉為Ⅰ級，農村生活用水量(C6)由Ⅲ級轉為Ⅱ級，說明城鎮化發展的快速推進，2015年實施的城市外調水工程起到積極作用。生態環境用水率(C7)由Ⅴ級轉向Ⅰ級，政府加大城市生態文明建設效果明顯。污廢水處理率(C9)由Ⅳ級轉向Ⅰ級，中水回用率(C8)由Ⅰ級轉向Ⅴ級，說明城市污水處理后中水回用能力較差。

4 結 論

(1) 本文選取克拉瑪依市綜合、農業、生活、生態、納污控制5個方面9個指標，運用物元模型對克拉瑪依市2020—2018年水資源利用效率進行評估，結果表明：2010—2018年除2017年位于Ⅰ級外，其余均屬于Ⅱ級。

(2)單指標等級評價結果中，中水回用率評價等級呈下降趨勢，而萬元工業產值用水量、綜合灌溉定額，生態環境用水率、廢水處理率評價等級顯著提升，大部分指標的提升促進區域水資源利用效率，對城市社會經濟發展至關重要。

(3) 為改善區域水資源利用效率，加強中水回用配套設施，嚴格控制水資源用水總量，加強供配水工程建設，完善水資源監控設施，提高水資源效率。