克拉瑪依市水資源利用效率評(píng)估

后雄斌

(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 前 言

水資源為人類生產(chǎn)活動(dòng)、自然生物繁衍生息提供基礎(chǔ)保障，中國(guó)水資源空間分布不均，西北地區(qū)水資源尤為短缺[1-2]。隨著人類活動(dòng)及氣候變化的影響，工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加快，區(qū)域水資源供需矛盾日益突出。克拉瑪依市是國(guó)家重要石化產(chǎn)業(yè)基地，是新疆維吾爾自治區(qū)中建設(shè)的新型化工型城市，水資源短缺問(wèn)題由來(lái)已久，先后經(jīng)歷了20世紀(jì)50年代拐中取水、60年代開(kāi)采地下水、70至80年代修建水庫(kù)、90年代修建引水工程等關(guān)鍵階段。近年來(lái)，隨著天山北坡經(jīng)濟(jì)帶城市群經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、一帶一路倡議的不斷推進(jìn)，區(qū)域石化企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生活生態(tài)用水不斷增加，水資源利用率不高等問(wèn)題加劇了水資源供需矛盾的產(chǎn)生。因此，合理進(jìn)行水資源開(kāi)發(fā)及管理，提高水資源利用率，對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定指導(dǎo)意義。

目前，區(qū)域水資源效率評(píng)價(jià)方法有物元模型、DEA模型、模糊綜合評(píng)價(jià)法、Topsis法、灰色模型等。魏光輝[3]采用分層模糊積分模型對(duì)研究區(qū)8種水資源配置方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和排序；項(xiàng)瓊[4]基于組合權(quán)重TOPSIS模型對(duì)三江平原區(qū)域的水資源承載能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；魏光輝[5]綜合考慮從優(yōu)隸屬度和灰色關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)模糊評(píng)價(jià)法，對(duì)塔里木河流域水資源承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；高章蒲等[6]利用多維臨界調(diào)控模型預(yù)測(cè)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(duì)克拉瑪依市2030年水資源供需進(jìn)行預(yù)測(cè)分析；彭亮等[8]運(yùn)用WRMM模型對(duì)克拉瑪依市水安全進(jìn)行評(píng)估。目前，關(guān)于克拉瑪依市水資源配置研究多是綠洲受水區(qū)水安全研究，而對(duì)于克拉瑪依市水資源利用效率研究較少。本文從體現(xiàn)綜合、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)、納污控制用水6個(gè)方面選取9個(gè)指標(biāo)，采用熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán)，利用物元模型對(duì)2010—2018年克拉瑪依區(qū)域水資源利用效率進(jìn)行評(píng)估，為城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

克拉瑪依市地處準(zhǔn)格爾盆地南緣，距離烏魯木齊市313 km，地理坐標(biāo)E84°4′～86°01′，N 44°07′～44°08′，行政單位包含克拉瑪依區(qū)、白堿灘區(qū)、烏爾禾區(qū)、獨(dú)山子區(qū)、小拐鄉(xiāng)及兵團(tuán)，總面積7 733.9 km2，地勢(shì)呈西北高、東南低，輪廓呈斜條狀[6]。夏季炎熱高溫，冬季嚴(yán)寒，年降水量為109 mm，年均蒸發(fā)量為2 958 mm，年均氣溫8.4 ℃。全區(qū)基本不產(chǎn)流，市區(qū)范圍內(nèi)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(fù)計(jì)算量，多年平均水資源總量為6 171.43×104m3。伴隨著天山北坡經(jīng)濟(jì)帶城市工業(yè)化的發(fā)展、城鎮(zhèn)用水與農(nóng)業(yè)用水矛盾的加劇，區(qū)域水資源利用效率得到了大家的廣泛關(guān)注。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

文中評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于2010—2018年《新疆水資源公報(bào)》《克拉瑪依統(tǒng)計(jì)年鑒》《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 水資源利用效率指標(biāo)體系及閾值確定

水資源系統(tǒng)是一個(gè)多屬性、復(fù)雜的體系，水資源利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立，對(duì)于合理全面評(píng)價(jià)水資源至關(guān)重要。指標(biāo)選取及構(gòu)建主要依據(jù)的原則有：

(1) 可度量性

所選指標(biāo)具有很好的獲得性及實(shí)用性，對(duì)于涵義界限模糊指標(biāo)，原則上不選取。

(2) 代表性

指標(biāo)選取具有獨(dú)立性，指標(biāo)間呈現(xiàn)弱相關(guān)性。

(3) 系統(tǒng)性

選取指標(biāo)具有全面綜合性，涵蓋水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等多方面特征，較好呈現(xiàn)水資源系統(tǒng)多屬性、多方位動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。

本文依據(jù)相關(guān)學(xué)者對(duì)于干旱區(qū)水資源利用效率研究[9-10]，建立3個(gè)準(zhǔn)則層，選取9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)成克拉瑪依市水資源利用效率指標(biāo)體系, 水資源利用效率指標(biāo)體系及權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 水資源利用效率指標(biāo)體系及權(quán)重表

水資源利用效率區(qū)間限度，應(yīng)當(dāng)合理估計(jì)區(qū)域水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，依據(jù)西北地區(qū)及半干旱地區(qū)水資源利用效率研究成果[11-12]，將研究區(qū)水資源利用效率劃分為5個(gè)等級(jí)，劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 水資源利用效率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

2.2 權(quán)重確定

熵權(quán)法為一種客觀的賦權(quán)方法，依據(jù)文獻(xiàn)[9]計(jì)算步驟如下：

(1) 形成原始數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，m為評(píng)價(jià)對(duì)象，n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

(2) 依據(jù)成本型和效益型指標(biāo)，形成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣R=(rij)m×n。

(3) 根據(jù)熵的定義，確定第j個(gè)指標(biāo)的熵hj和熵權(quán)wj。

(1)

(2)

2.3 物元模型

2.3.1評(píng)價(jià)物元

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

2.3.2經(jīng)典域及節(jié)域

經(jīng)典閾物元Ri矩陣表示為：

(3)

式中：研究對(duì)象劃分為5個(gè)等級(jí)，即l=5，Ni為第j(i=1,2,…,l)個(gè)水資源利用效率等級(jí)；Cj(j=1,2,…,n)為水資源利用效率Ni的特征值，(ani,bni)為第i級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)量值范圍。

節(jié)閾物元Rp矩陣表示為：

(4)

式中：區(qū)間Xjp=(ajp,bjp)為Dp關(guān)于Cj所取的量值范圍，Xjp=(anp,bnp)為節(jié)閾，是第j項(xiàng)指標(biāo)所取的最大范圍。

2.3.3關(guān)聯(lián)函數(shù)及總關(guān)聯(lián)度確定

評(píng)價(jià)物元關(guān)聯(lián)度函數(shù)Kl(Xj)，為待評(píng)價(jià)物符合標(biāo)準(zhǔn)范圍的隸屬程度。其公式如下：

(5)

其中，

(6)

(7)

式中：Kl(Xj)為指標(biāo)xj第l級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù);Xji為經(jīng)典閾量值區(qū)間;Xpi為節(jié)域量值區(qū)間;ρ(xj,Xji)、ρ(xj,Xpi)分別為xj與區(qū)間Xji[aji,bji]、Xpi[aji,bji]之間的距離， |Xji|=|(aji-bji)|

待評(píng)估單元N相對(duì)于等級(jí)l的總關(guān)聯(lián)度為：

(8)

式中：Kl(N)為待評(píng)估單元N關(guān)于等級(jí)l的總關(guān)聯(lián)度；若Kl(N)=maxKl(N)，則判定N屬于等級(jí)l。

3 結(jié)果與分析

將評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件編程，帶入公式(5)，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，以2010年C1指標(biāo)(萬(wàn)元GDP用水量)為例，將C1=77.9帶入公式后，獲得其對(duì)應(yīng)的相關(guān)等級(jí)關(guān)聯(lián)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(biāo)處于較高水平，同理獲得2010年其他指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，2010—2018年年評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表3。利用單指標(biāo)聯(lián)系度結(jié)合熵權(quán)法確定的權(quán)重見(jiàn)表1，通過(guò)公式(6)得評(píng)價(jià)單元N的綜合關(guān)聯(lián)度，確定各年份水資源利用效率等級(jí)見(jiàn)表4。

表3 2010-2018年評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度表

表4 各年份水資源利用效率等級(jí)表

由表3、4可知，從綜合結(jié)果來(lái)看，水資源利用效率總體處于Ⅱ級(jí)，各年份單指標(biāo)變化明顯。從2010—2018年單指標(biāo)水資源利用效率評(píng)估結(jié)果來(lái)看，萬(wàn)元GDP用水量(C1)、萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值用水量(C4)總體位于較高水平，屬于Ⅱ級(jí)，說(shuō)明克拉瑪依市打造新型工業(yè)化城市、石油石化基地的相關(guān)工作進(jìn)展順利。綜合灌溉定額由Ⅴ級(jí)轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí)，節(jié)灌率(C3)由Ⅲ級(jí)轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí)，說(shuō)明及現(xiàn)代化高效節(jié)水的力度實(shí)施。城鎮(zhèn)生活用水量(C5)2011—2013年由Ⅴ級(jí)轉(zhuǎn)為Ⅳ級(jí)，2014—2018年由Ⅲ級(jí)轉(zhuǎn)為Ⅰ級(jí)，農(nóng)村生活用水量(C6)由Ⅲ級(jí)轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí)，說(shuō)明城鎮(zhèn)化發(fā)展的快速推進(jìn)，2015年實(shí)施的城市外調(diào)水工程起到積極作用。生態(tài)環(huán)境用水率(C7)由Ⅴ級(jí)轉(zhuǎn)向Ⅰ級(jí)，政府加大城市生態(tài)文明建設(shè)效果明顯。污廢水處理率(C9)由Ⅳ級(jí)轉(zhuǎn)向Ⅰ級(jí)，中水回用率(C8)由Ⅰ級(jí)轉(zhuǎn)向Ⅴ級(jí)，說(shuō)明城市污水處理后中水回用能力較差。

4 結(jié) 論

(1) 本文選取克拉瑪依市綜合、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)、納污控制5個(gè)方面9個(gè)指標(biāo)，運(yùn)用物元模型對(duì)克拉瑪依市2020—2018年水資源利用效率進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明：2010—2018年除2017年位于Ⅰ級(jí)外，其余均屬于Ⅱ級(jí)。

(2)單指標(biāo)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果中，中水回用率評(píng)價(jià)等級(jí)呈下降趨勢(shì)，而萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值用水量、綜合灌溉定額，生態(tài)環(huán)境用水率、廢水處理率評(píng)價(jià)等級(jí)顯著提升，大部分指標(biāo)的提升促進(jìn)區(qū)域水資源利用效率，對(duì)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。

(3) 為改善區(qū)域水資源利用效率，加強(qiáng)中水回用配套設(shè)施，嚴(yán)格控制水資源用水總量，加強(qiáng)供配水工程建設(shè)，完善水資源監(jiān)控設(shè)施，提高水資源效率。