供需協調的礦井水開發利用潛力評價

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利用潛力并為水資源短缺地區礦井水資源化利用與管理提供科學依據，基于DPSIRM模型構建了供需協調的礦井水開發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利用潛力進行量化評價。結果表明：2011年礦井水開發利用潛力等級低，2012—2017年潛力等級較低，礦井水開發利用潛力態勢趨好，影響、響應和管理3個子系統為礦井水開發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狀開發利用實際相符。

關鍵詞：礦井水;開發利用潛力;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.供需協調的礦井水開發利用潛力評價[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一配置，成為當前水資源與水環境科學研究的重點和熱點。國內外學者從水資源承載力及水安全內涵[3]、指標體系選取[3-9]、水資源水生態安全計算[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涵，指出水資源具有動態性、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水資源承載力評價指標體系，計算了西北內陸干旱區水資源生產能力。代穩等[6]采用系統動力學法、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、水生態安全進行了評價。但針對礦井水開發利用潛力研究，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利用潛力，不利于礦井水開發利用的決策與生態環境保護的實現，亟待開展相關研究。本文基于DPSIRM模型框架，構建礦井水開發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利用潛力進行定量評價，以期為水資源短缺地區礦井水資源化利用與非常規水源的管理提供參考。

1 研究區概況及數據、方法

1.1 研究區概況

陜北能源化工基地位于陜西省榆林市，包括榆陽區、神木市、府谷縣、橫山區和佳縣的105個鄉（鎮），總面積22 604 km2。近年來，煤炭產量以每年大于1 000萬t的速度遞增，2017年產煤4.0億t，約產生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 數據來源

研究所需數據主要來源于《陜西省水資源公報》（2011—2017年）、《陜西省統計年鑒》（2011—2017年）、《陜西省環境狀況公報》（2011—2017年）、《榆林市統計年鑒》（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展歷史資料、“礦區總體規劃報告”“初步設計報告”“勘探報告”“環境評價報告”等，重點收集了2011—2017年原煤產量、礦井涌水量、礦井水實際利用量、外排水量、礦井水處理規模、處理工藝、供水成本、用戶數量、用水量等數據。

1.3 驅動力-壓力-狀態-影響-響應-管理模型及指標選取

DPSIRM模型是在壓力-狀態-反應（PSR）模型[13-18]基礎上，加入社會經濟和管理模塊演化而成，它提供了一種系統分析水資源與經濟社會系統變化的原因、結果和響應的方法。本文根據陜北能源化工基地的實際情況，選取驅動力、壓力、狀態、影響、響應與管理6個子系統指標評價礦井水開發利用潛力。驅動力（D）為推動供需系統的經濟社會指標，主要選取人均GDP、人口密度、年GDP增長率等指標。壓力（P）為直接作用于系統的壓力，主要選取人均水資源量、水資源開發利用率、萬元工業增加值用水量、萬元工業產值外排水量等指標。狀態（S）為受煤炭開采影響的供需變化狀態，既是驅動力作用于供需系統的結果，也是研究影響與響應的基礎，選用處理損失率、已開發利用率、煤礦剩余服務年限占比、管網漏損率、用水戶數量等指標。影響（I）是礦井水開發利用造成的影響，選用煤礦供水成本、企業用水成本、煤礦供水效益、水環境治理費占總產值比例等指標表示對礦井水開發利用造成的影響。響應（R）是在驅動力作用下為實現供需協調所采取的措施，選用礦井水出水水質達標率、管網覆蓋率、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控，降低對系統的壓力，減少對礦井水開發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據進行處理，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，根據陜北能源化工基地的資源經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，構建供需協調的礦井水開發利用潛力評價指標體系，見表1。

2.2 評價等級劃分

礦井水開發利用潛力評價等級具有地區差異性，在考慮陜北能源化工基地水資源和礦井水開發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]，結合榆林市政府規劃目標，并征求專家意見，將潛力評價標準做出適當調整并劃分為5個等級（見表2），其中潛力等級由低到高分別以數字1到5表示。

3 評價結果

首先依據式（1）～式（4），計算陜北能源化工基地開發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度，并將各指標灰色關聯度與權重結合，得出2017年各等級的聯系度，λ取0.6，h2=H1+H2=0.576<λ，h3=H1+H2+H3=0.759>λ，由置信區間可知，2017年陜北能源化工基地礦井水開發利用潛力等級為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年礦井水開發利用潛力驅動力等級低（2級），2012年、2013年、2015年、2016年較低（3級），2014年、2017年高（5級）。驅動力等級呈波動上升趨勢，說明人口、經濟的驅動作用較強，這與能源化工基地生產總值增長較快、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增加值用水量和噸煤耗水率、提高礦井水開發利用潛力減輕對供需系統的壓力余地不大。

由圖1（c）可知：2011—2013年和2016年狀態潛力等級低（2級），2014年、2015年較低（3級），2017年較高（4級）。噸煤富水系數、用戶數量、礦井水處理率等成為制約開發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”礦井水開發利用規劃》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，開發利用潛力得到提升。

4 結 論

（1）選取人口密度、年GDP增長率、萬元工業增加值用水量、噸煤富水系數、噸煤耗水率、煤礦剩余服務年限占比、用水戶數量、煤礦供水成本、企業用水成本、政策制度健全性和落實性等24個指標，構建了基于DPSIRM模型的供需協調的礦井水開發利用指標體系，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年以來呈現向好趨勢，表明《“十二五”礦井水利用發展規劃》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，礦井水開發利用潛力態勢總體趨好。

（3）從驅動力、壓力、狀態、影響、響應、管理6個子系統出發，對礦井水資源開發利用潛力評價結果進行分析。結果表明：影響、響應和管理3個子系統為制約礦井水開發利用潛力的重要因素，這與陜北能源化工基地礦井水現狀開發利用實際相符。

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[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.西北內陸干旱區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，王金鳳，秦趣，等.六盤水市水資源安全系統動力學模擬研究[J].湖北農業科學，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].中國生態農業學報，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概念框架的水生態安全動態評價[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安全評價研究[J].安徽農業大學學報（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安全評價[J].江蘇農業科學，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安全評價研究[J].環境污染與防治，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水資源安全評價[J].中國環境科學，2015，35（11）：3511-3520.

[20] 張文.基于灰色關聯分析與集對分析的區域水資源承載力評價研究[D].合肥：合肥工業大學，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].系統工程，1994，12（4）：67-72.

【責任編輯 張華興】