供需协调的矿井水开发利用潜力评价

白乐 张楠 郭欣伟 姚曼飞 刘兵兵

摘 要：为科学评价矿井水开发利用潜力并为水资源短缺地区矿井水资源化利用与管理提供科学依据，基于DPSIRM模型构建了供需协调的矿井水开发利用潜力评价指标体系，并应用灰色集对模型对陕北能源化工基地矿井水开发利用潜力进行量化评价。结果表明：2011年矿井水开发利用潜力等级低，2012—2017年潜力等级较低，矿井水开发利用潜力态势趋好，影响、响应和管理3个子系统为矿井水开发潜力评价的重要制约因素，这与陕北能源化工基地矿井水现状开发利用实际相符。

关键词：矿井水;开发利用潜力;DPSIRM模型;灰色集对模型;陕北能源化工基地

中图分类号：TV213.9 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.013

引用格式：白乐，张楠，郭欣伟，等.供需协调的矿井水开发利用潜力评价[J].人民黄河，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

礦井水开发利用潜力是矿井水资源化的一个基本度量[1-2]，对其正确评价，不仅有利于合理利用矿井水资源，更有利于将矿井水纳入水资源统一配置，成为当前水资源与水环境科学研究的重点和热点。国内外学者从水资源承载力及水安全内涵[3]、指标体系选取[3-9]、水资源水生态安全计算[6-12]等方面进行了较多研究。姚治君等[3]阐述了水资源承载力的内涵，指出水资源具有动态性、有限性、可增强等特性。王浩等[4]提出了效率性、极限性等指标，建立了干旱缺水地区水资源承载力评价指标体系，计算了西北内陆干旱区水资源生产能力。代稳等[6]采用系统动力学法、LI等[7]采用模糊综合评价法、LIU等[8]采用主成分分析法、韩玉等[9]采用水足迹法、黄昌硕等[10]采用层次分析法、吴开亚等[11]采用集对分析法、金菊良等[12]构建基于非对称联系云和风险矩阵的水资源承载力评价模型，对水资源、水生态安全进行了评价。但针对矿井水开发利用潜力研究，却鲜见相关报道。缺乏评价指标体系与定量评价方法，无法科学衡量矿井水资源开发利用潜力，不利于矿井水开发利用的决策与生态环境保护的实现，亟待开展相关研究。本文基于DPSIRM模型框架，构建矿井水开发利用潜力评价指标体系，并应用灰色集对模型对陕北能源化工基地矿井水开发利用潜力进行定量评价，以期为水资源短缺地区矿井水资源化利用与非常规水源的管理提供参考。

1 研究区概况及数据、方法

1.1 研究区概况

陕北能源化工基地位于陕西省榆林市，包括榆阳区、神木市、府谷县、横山区和佳县的105个乡（镇），总面积22 604 km2。近年来，煤炭产量以每年大于1 000万t的速度递增，2017年产煤4.0亿t，约产生2.4亿m3矿井水。矿井水主要来源于第四系萨拉乌苏组含水层，该含水层富水性较好，单井涌水量一般在1 000 m3/d左右，最大可达4 000 m3/d。预计2025年榆林市50%保证率下总需水量为14.92亿m3，缺水量为6.03亿m3，缺水率为40.4%。

1.2 数据来源

研究所需数据主要来源于《陕西省水资源公报》（2011—2017年）、《陕西省统计年鉴》（2011—2017年）、《陕西省环境状况公报》（2011—2017年）、《榆林市统计年鉴》（2011—2017年）、《榆林市水资源公报》（2011—2017年）等。收集了陕北能源化工基地重要煤矿发展历史资料、“矿区总体规划报告”“初步设计报告”“勘探报告”“环境评价报告”等，重点收集了2011—2017年原煤产量、矿井涌水量、矿井水实际利用量、外排水量、矿井水处理规模、处理工艺、供水成本、用户数量、用水量等数据。

1.3 驱动力-压力-状态-影响-响应-管理模型及指标选取

DPSIRM模型是在压力-状态-反应（PSR）模型[13-18]基础上，加入社会经济和管理模块演化而成，它提供了一种系统分析水资源与经济社会系统变化的原因、结果和响应的方法。本文根据陕北能源化工基地的实际情况，选取驱动力、压力、状态、影响、响应与管理6个子系统指标评价矿井水开发利用潜力。驱动力（D）为推动供需系统的经济社会指标，主要选取人均GDP、人口密度、年GDP增长率等指标。压力（P）为直接作用于系统的压力，主要选取人均水资源量、水资源开发利用率、万元工业增加值用水量、万元工业产值外排水量等指标。状态（S）为受煤炭开采影响的供需变化状态，既是驱动力作用于供需系统的结果，也是研究影响与响应的基础，选用处理损失率、已开发利用率、煤矿剩余服务年限占比、管网漏损率、用水户数量等指标。影响（I）是矿井水开发利用造成的影响，选用煤矿供水成本、企业用水成本、煤矿供水效益、水环境治理费占总产值比例等指标表示对矿井水开发利用造成的影响。响应（R）是在驱动力作用下为实现供需协调所采取的措施，选用矿井水出水水质达标率、管网覆盖率、矿井水处理率等指标。管理（M）为通过政策管理加强对矿井水的调控，降低对系统的压力，减少对矿井水开发利用造成的影响和制约，主要选用政策制度的健全性和落实性等指标。

1.4 灰色集对分析法

1.4.1 灰色关联法[19-20]

（1）样本归一化处理。为了便于指标间的比较，采用归一化方法对数据进行处理，以消除量纲的影响：

（3）指标权重计算：

1.4.2 集对分析法[19-20]

2 评价指标体系构建及评价等级划分

2.1 指标选取及权重

在借鉴已有研究成果[3，20]的基础上，根据陕北能源化工基地的资源经济条件和煤炭开采实际，并咨询相关专家后，甄选与供需双方密切相关的评价指标，构建供需协調的矿井水开发利用潜力评价指标体系，见表1。

2.2 评价等级划分

矿井水开发利用潜力评价等级具有地区差异性，在考虑陕北能源化工基地水资源和矿井水开发利用实际情况的基础上，参照已有的水资源承载力及水安全评价相关标准[17，20]，结合榆林市政府规划目标，并征求专家意见，将潜力评价标准做出适当调整并划分为5个等级（见表2），其中潜力等级由低到高分别以数字1到5表示。

3 评价结果

首先依据式（1）～式（4），计算陕北能源化工基地开发利用潜力评级指标的权重。以2017年为例，计算该年各个指标的灰色关联度，并将各指标灰色关联度与权重结合，得出2017年各等级的联系度，λ取0.6，h2=H1+H2=0.576<λ，h3=H1+H2+H3=0.759>λ，由置信区间可知，2017年陕北能源化工基地矿井水开发利用潜力等级为3级（较低）。同理得出2011—2017年陕北能源化工基地矿井水开发利用潜力等级，见表3、图1。由表3可知，2011年陕北能源化工基地矿井水开发利用潜力等级为2级（低），2012—2017年潜力为3级（较低），2012年之后呈向好趋势。

由图1（a）可知：2011年矿井水开发利用潜力驱动力等级低（2级），2012年、2013年、2015年、2016年较低（3级），2014年、2017年高（5级）。驱动力等级呈波动上升趋势，说明人口、经济的驱动作用较强，这与能源化工基地生产总值增长较快、矿井水需求较大的实际相符。

由图1（b）可知：压力潜力等级2011年较高（4级），2012年较低（3级），2013—2016年较高（4级），2017年高（5级）。说明陕北能源化工基地通过降低万元工业增加值用水量和吨煤耗水率、提高矿井水开发利用潜力减轻对供需系统的压力余地不大。

由图1（c）可知：2011—2013年和2016年状态潜力等级低（2级），2014年、2015年较低（3级），2017年较高（4级）。吨煤富水系数、用户数量、矿井水处理率等成为制约开发利用潜力的重要影响因素，一定程度上影响了评价等级。

由图1（d）可知：影响潜力等级2011年、2014年、2015年低（2级），2012年、2013年和2016年较低（3级），2017年较高（4级）。2017年之前影响潜力较低与煤矿企业出资修建输水管线导致采煤成本升高有关。

由图1（e）可知：响应潜力等级2011—2015年较低（3级），2016年、2017年较高（4级），表明为保证矿井水开发利用所采取的响应措施取得了较好的效果。

由图1（f）可知：管理潜力等级2011—2014年低（2级），2015—2016年较低（3级），2017年较高（4级），说明《“十二五”矿井水开发利用规划》出台后，榆林市政府和陕北能源化工基地更加重视矿井水利用，政策落实较好、管理制度不断完善，开发利用潜力得到提升。

4 结 论

（1）选取人口密度、年GDP增长率、万元工业增加值用水量、吨煤富水系数、吨煤耗水率、煤矿剩余服务年限占比、用水户数量、煤矿供水成本、企业用水成本、政策制度健全性和落实性等24个指标，构建了基于DPSIRM模型的供需协调的矿井水开发利用指标体系，并给出潜力分级标准。

（2）2011年陕北能源化工基地矿井水开发利用潜力等级低（2级），2012—2017年潜力等级较低（3级），2012年以来呈现向好趋势，表明《“十二五”矿井水利用发展规划》出台后，榆林市和陕北能源化工基地重视矿井水资源化利用，矿井水开发利用潜力态势总体趋好。

（3）从驱动力、压力、状态、影响、响应、管理6个子系统出发，对矿井水资源开发利用潜力评价结果进行分析。结果表明：影响、响应和管理3个子系统为制约矿井水开发利用潜力的重要因素，这与陕北能源化工基地矿井水现状开发利用实际相符。

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