寧東煤炭基地礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)*
——基于TOPSIS方法的實(shí)證研究

李 琳

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

0 引言

我國(guó)是礦產(chǎn)資源大國(guó)，也是礦業(yè)大國(guó)，已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)172種，探明資源儲(chǔ)量的162種。在礦產(chǎn)資源富集的地區(qū)，水資源分布并不均衡。據(jù)發(fā)改委和國(guó)家能源部局聯(lián)合印發(fā)《礦井水利用發(fā)展規(guī)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(guó)礦井水排放量的79%，全國(guó)7成以上礦井水來(lái)自缺水地區(qū)和嚴(yán)重缺水區(qū)的大型煤炭基地。2005年6月國(guó)務(wù)院《關(guān)于做好建設(shè)節(jié)約型社會(huì)近期重點(diǎn)工作的通知》中明確提出要推進(jìn)礦井水資源化利用要求［2］。十一五、十二五規(guī)劃綱要中指出積極開(kāi)展海水淡化、海水直接利用和礦井水利用。從國(guó)家需求和學(xué)科發(fā)展兩個(gè)角度，對(duì)礦區(qū)礦井水進(jìn)行供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)，進(jìn)而為本區(qū)水資源的合理開(kāi)發(fā)、綜合利用和科學(xué)管理提出科學(xué)的、具有可操作性的戰(zhàn)略決策和技術(shù)路線，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井水資源安全高效利用、減少礦井水排放、有效保護(hù)水環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文中以寧東煤炭基地為研究對(duì)象，建立礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用結(jié)合了AHP(Analytic Hierarchy Process)、熵值法、灰色關(guān)聯(lián)法的TOPSIS(Technique for Order Prefer-ence by Similarity to Ideal Solution)方法，對(duì)寧東煤炭基地銀川、石嘴山、靈武、吳忠地區(qū)進(jìn)行礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

寧東煤炭基地位于寧夏中東部，是國(guó)家確定的14個(gè)大型煤炭基地之一，也是《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》重點(diǎn)建設(shè)的9個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)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(gè)礦區(qū)和石溝驛一個(gè)獨(dú)立井田。

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

2 分析方法

2．1 TOPSIS 分析方法

供需雙向協(xié)調(diào)是指通過(guò)實(shí)施措施促使礦井水供應(yīng)合理，需求得當(dāng)［4］。水資源供需平衡是指在一定區(qū)域內(nèi)，對(duì)水資源的供給與需求的余缺關(guān)系進(jìn)行計(jì)算與分析的過(guò)程［5］。

TOPSIS最早是在1981年由 C．L．Hwang和 K．Yoon首次提出的，后來(lái)Lai et al．于1994年將TOPSIS的觀念轉(zhuǎn)為應(yīng)用于規(guī)劃面之多目標(biāo)決策問(wèn)題上，TOPSIS評(píng)價(jià)法是有限方案多目標(biāo)決策分析中常用的一種科學(xué)方法［7］。改進(jìn)后的TOPSIS評(píng)價(jià)法結(jié)合了AHP、熵值法、灰色關(guān)聯(lián)法，使得綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理。

則改進(jìn)后的TOPSIS評(píng)價(jià)步驟如下:

(1)假設(shè)多屬性決策問(wèn)題有m個(gè)方案，n個(gè)目標(biāo)準(zhǔn)則，專家對(duì)其中第i個(gè)方案的第j個(gè)目標(biāo)準(zhǔn)則的評(píng)估值為 xij，則初始化決策矩陣［8］為 X=(xij)m×n。

(2)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。方法同熵權(quán)法，采用極值標(biāo)準(zhǔn)化法處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Y=(yij)m×n。

(3)用AHP和熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)的綜合權(quán)重w=(w1，w2，…，wn)。

其中:α和β為決策者對(duì)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(jì)算各方案單元與最優(yōu)值的相對(duì)貼近度。

按照相對(duì)貼近度的大小排序，Ci越大，表明方案越接近最優(yōu)水平。

2．2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

通過(guò)國(guó)內(nèi)調(diào)研，數(shù)據(jù)分析，對(duì)礦井水收集－處理－調(diào)蓄－利用四個(gè)環(huán)節(jié)有了一定的認(rèn)識(shí)?？紤]礦井水開(kāi)發(fā)利用潛力、可利用量涉及水量、水質(zhì)、處理成本、水用戶等多方面的供需雙向協(xié)調(diào)等因素。供需雙向協(xié)調(diào)影響因素匯總見(jiàn)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(duì)于礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、可操作性和動(dòng)態(tài)性原則。由于影響礦井水供需雙向協(xié)調(diào)的因素比較多、涉及面較為廣泛，如果對(duì)以上全部指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體指標(biāo)過(guò)多。為了滿足多因素指標(biāo)評(píng)價(jià)要求，直接反映礦井水供需雙方協(xié)調(diào)矛盾，指標(biāo)需要進(jìn)行拆分、合并;對(duì)于難以收集到具體評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的指標(biāo)，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(zhì)和經(jīng)濟(jì)因素這三個(gè)方面作為準(zhǔn)則層，來(lái)建立礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

綜合已有研究成果，認(rèn)為礦井水供需雙向協(xié)調(diào)影響因素包括:正常涌水量、最大涌水量、開(kāi)采影響系數(shù)、自用水量、損失量、已開(kāi)發(fā)利用量、水源影響系數(shù)、水質(zhì)影響系數(shù)、前處理成本、出廠水質(zhì)、可利用量、潛力量、用水戶需水量、后處理成本、管道輸送率、產(chǎn)值、礦井水利用率。

3 礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)

3．1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源主要為研究區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒、煤炭工業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒及實(shí)際調(diào)研相關(guān)數(shù)據(jù)等。依據(jù)寧東煤炭基地礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，收集數(shù)據(jù)。

3．2 實(shí)例分析

(1)運(yùn)用改進(jìn)后的TOPSIS模型，對(duì)寧東煤炭基地涉及的4個(gè)市銀川、石嘴山、靈武、吳忠進(jìn)行礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)，步驟如下:①對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理;②用AHP和熵值法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

(2)指標(biāo)層權(quán)重大小依次為已開(kāi)發(fā)利用量、產(chǎn)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(shù)、開(kāi)采影響系數(shù)、出廠水質(zhì)、礦井水利用率、水質(zhì)影響系數(shù)，見(jiàn)表3。根據(jù)準(zhǔn)則層權(quán)重大小可以看出，指標(biāo)體系中的水量因素權(quán)重最大，其次是經(jīng)濟(jì)因素，最后是水質(zhì)因素。符合礦井水供需市場(chǎng)中的實(shí)際情況，水量因素是最關(guān)鍵的影響因素，主要影響礦井水供給方;經(jīng)濟(jì)因素主要影響礦井水需求方;水質(zhì)因素是綜合性影響因素，是進(jìn)行礦井水供需雙向協(xié)調(diào)多因素評(píng)價(jià)必須考慮的影響因素［6］。

(3)計(jì)算加權(quán)規(guī)范化矩陣Z的正理想解Z+和負(fù)理想解Z－，見(jiàn)表4。

表3 各層評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及排序

表4 加權(quán)規(guī)范化之后的正負(fù)理想解

(4)計(jì)算各方案和正負(fù)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(duì) d+，d－，r+，r－進(jìn)行無(wú)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(wú)量綱化距離和關(guān)聯(lián)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(jì)算各方案單元與最優(yōu)值的相對(duì)貼近度:

C+={0．611 6，0．311 2，0．379 3，0．374 0}

由此對(duì)寧東基地4個(gè)區(qū)礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)進(jìn)行排序:

上述結(jié)果表明，礦井水供需雙向協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)度系數(shù)0．5，則靈武、吳忠、石嘴山地區(qū)礦井水供需雙向不夠協(xié)調(diào)，銀川供需雙向比較協(xié)調(diào)?？傮w來(lái)看，寧東煤炭基地礦井水供需雙向協(xié)調(diào)形勢(shì)不夠樂(lè)觀。從礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中可以看出，主要影響供需雙向協(xié)調(diào)的因素包含已開(kāi)發(fā)利用量、產(chǎn)值、自用水量、正常涌水量。因此，要維持礦井水供需雙向協(xié)調(diào)需要進(jìn)一步提高礦井水資源高效合理利用率。

4 結(jié)語(yǔ)

文中在系統(tǒng)性、科學(xué)性、可操作性和動(dòng)態(tài)性原則的基礎(chǔ)上，建立了礦井水供需雙向協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用結(jié)合AHP、熵權(quán)、灰色關(guān)聯(lián)法改進(jìn)的TOPSIS的綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)寧東煤炭基地銀川、石嘴山、靈武、吳忠4個(gè)區(qū)域礦井水供需雙向協(xié)調(diào)度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示:銀川礦井水供需雙向協(xié)調(diào)情況最好，靈武次之，吳忠較差，石嘴山最差?？傮w來(lái)看，寧東煤炭基地礦井水供需雙向協(xié)調(diào)形勢(shì)不夠樂(lè)觀，礦井水資源利用率有待提高。按照優(yōu)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(jìn)行多倍計(jì)征;二是對(duì)不優(yōu)先使用礦井水企業(yè)的違規(guī)現(xiàn)象進(jìn)行通報(bào)并做相應(yīng)的違規(guī)處罰;三是暫?；蛳拗破髽I(yè)其他用水。