宁东煤炭基地矿井水供需双向协调评价*——基于TOPSIS方法的实证研究

李 琳

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

0 引言

我国是矿产资源大国，也是矿业大国，已发现矿产172种，探明资源储量的162种。在矿产资源富集的地区，水资源分布并不均衡。据发改委和国家能源部局联合印发《矿井水利用发展规划》中明确指出［1］，2015 年煤矿矿井水排放量约 71 亿 m3，占各类矿井水排放总量的80%以上，黄河流域矿井水排水量约56亿m3，占全国矿井水排放量的79%，全国7成以上矿井水来自缺水地区和严重缺水区的大型煤炭基地。2005年6月国务院《关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》中明确提出要推进矿井水资源化利用要求［2］。十一五、十二五规划纲要中指出积极开展海水淡化、海水直接利用和矿井水利用。从国家需求和学科发展两个角度，对矿区矿井水进行供需双向协调评价，进而为本区水资源的合理开发、综合利用和科学管理提出科学的、具有可操作性的战略决策和技术路线，对实现矿井水资源安全高效利用、减少矿井水排放、有效保护水环境具有重要的现实意义。

文中以宁东煤炭基地为研究对象，建立矿井水供需双向协调评价系统评价指标体系，运用结合了AHP(Analytic Hierarchy Process)、熵值法、灰色关联法的TOPSIS(Technique for Order Prefer-ence by Similarity to Ideal Solution)方法，对宁东煤炭基地银川、石嘴山、灵武、吴忠地区进行矿井水供需双向协调评价。

1 研究区概况

宁东煤炭基地位于宁夏中东部，是国家确定的14个大型煤炭基地之一，也是《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》重点建设的9个千万千瓦级大型煤电基地之一。宁东煤炭基地包括灵武、鸳鸯湖、横城、马家滩、积家井、甜水河、韦州等7个矿区和石沟驿一个独立井田。

灵武矿区位于灵武市东南约50 km，矿区保有煤炭资源储量27．9亿t;鸳鸯湖矿区位于灵武市东约50 km，矿区保有煤炭资源储量74．2亿t;横城矿区位于灵武市东南约40 km，矿区保有煤炭资源储量70亿t，;马家滩矿区位于灵武市马家滩镇和吴忠市盐池县境内，矿区保有煤炭资源储量51．5亿t;积家井矿区位于宁夏灵武市东南约66 km处［3］，矿区保有煤炭资源储量46．8亿 t［3］;韦州矿区位于吴忠市同心县境内，矿区保有煤炭资源储量20．4亿t;萌城矿区位于吴忠市盐池县境内，矿区保有煤炭资源储量6．4亿t;石沟驿井田位于灵武市东南约50 km，保有煤炭资源储量2．1亿t;甜水河井田位于宁夏灵武市临河镇，保有煤炭资源储量5．3亿t。

2 分析方法

2．1 TOPSIS 分析方法

供需双向协调是指通过实施措施促使矿井水供应合理，需求得当［4］。水资源供需平衡是指在一定区域内，对水资源的供给与需求的余缺关系进行计算与分析的过程［5］。

TOPSIS最早是在1981年由 C．L．Hwang和 K．Yoon首次提出的，后来Lai et al．于1994年将TOPSIS的观念转为应用于规划面之多目标决策问题上，TOPSIS评价法是有限方案多目标决策分析中常用的一种科学方法［7］。改进后的TOPSIS评价法结合了AHP、熵值法、灰色关联法，使得综合评价结果更加科学合理。

则改进后的TOPSIS评价步骤如下:

(1)假设多属性决策问题有m个方案，n个目标准则，专家对其中第i个方案的第j个目标准则的评估值为 xij，则初始化决策矩阵［8］为 X=(xij)m×n。

(2)数据标准化。方法同熵权法，采用极值标准化法处理，得到标准化决策矩阵Y=(yij)m×n。

(3)用AHP和熵权法计算各指标的综合权重w=(w1，w2，…，wn)。

其中:α和β为决策者对位置和形状的偏好程度［9］，并且满足 α + β =1，且 α、β ∈［0，1］。

(10)计算各方案单元与最优值的相对贴近度。

按照相对贴近度的大小排序，Ci越大，表明方案越接近最优水平。

2．2 评价指标体系的建立

通过国内调研，数据分析，对矿井水收集－处理－调蓄－利用四个环节有了一定的认识。考虑矿井水开发利用潜力、可利用量涉及水量、水质、处理成本、水用户等多方面的供需双向协调等因素。供需双向协调影响因素汇总见表1～2。

表1 矿井水供给方影响因素汇总表

表2 矿井水需求方影响因素汇总表

对于矿井水供需双向协调评价指标体系的建立，遵循系统性、科学性、可操作性和动态性原则。由于影响矿井水供需双向协调的因素比较多、涉及面较为广泛，如果对以上全部指标进行评价，具体指标过多。为了满足多因素指标评价要求，直接反映矿井水供需双方协调矛盾，指标需要进行拆分、合并;对于难以收集到具体评价数据的指标，可以考虑删除或者替换［6］。综合考虑矿井水利用情况，主要以水量、水质和经济因素这三个方面作为准则层，来建立矿井水供需双向协调评价指标体系。

综合已有研究成果，认为矿井水供需双向协调影响因素包括:正常涌水量、最大涌水量、开采影响系数、自用水量、损失量、已开发利用量、水源影响系数、水质影响系数、前处理成本、出厂水质、可利用量、潜力量、用水户需水量、后处理成本、管道输送率、产值、矿井水利用率。

3 矿井水供需双向协调评价

3．1 数据来源

数据来源主要为研究区国民经济和社会发展统计公报、统计年鉴、煤炭工业统计年鉴及实际调研相关数据等。依据宁东煤炭基地矿井水供需双向协调评价指标体系，收集数据。

3．2 实例分析

(1)运用改进后的TOPSIS模型，对宁东煤炭基地涉及的4个市银川、石嘴山、灵武、吴忠进行矿井水供需双向协调评价，步骤如下:①对数据进行标准化处理;②用AHP和熵值法计算评价指标的权重。

(2)指标层权重大小依次为已开发利用量、产值、自用水量、正常涌水量、可利用量、损失量、最大涌水量、潜力量、用水户需水量、后处理成本、前处理成本、管道输送率、水源影响系数、开采影响系数、出厂水质、矿井水利用率、水质影响系数，见表3。根据准则层权重大小可以看出，指标体系中的水量因素权重最大，其次是经济因素，最后是水质因素。符合矿井水供需市场中的实际情况，水量因素是最关键的影响因素，主要影响矿井水供给方;经济因素主要影响矿井水需求方;水质因素是综合性影响因素，是进行矿井水供需双向协调多因素评价必须考虑的影响因素［6］。

(3)计算加权规范化矩阵Z的正理想解Z+和负理想解Z－，见表4。

表3 各层评价指标权重及排序

表4 加权规范化之后的正负理想解

(4)计算各方案和正负理想解的距离:

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)分别对 d+，d－，r+，r－进行无量纲化处理得:

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)将无量纲化距离和关联度合并，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)计算各方案单元与最优值的相对贴近度:

C+={0．611 6，0．311 2，0．379 3，0．374 0}

由此对宁东基地4个区矿井水供需双向协调评价进行排序:

上述结果表明，矿井水供需双向协调情况最好的是银川，其次是灵武，然后是吴忠，最后是石嘴山。如取协调度系数0．5，则灵武、吴忠、石嘴山地区矿井水供需双向不够协调，银川供需双向比较协调。总体来看，宁东煤炭基地矿井水供需双向协调形势不够乐观。从矿井水供需双向协调评价指标体系中可以看出，主要影响供需双向协调的因素包含已开发利用量、产值、自用水量、正常涌水量。因此，要维持矿井水供需双向协调需要进一步提高矿井水资源高效合理利用率。

4 结语

文中在系统性、科学性、可操作性和动态性原则的基础上，建立了矿井水供需双向协调评价指标体系，运用结合AHP、熵权、灰色关联法改进的TOPSIS的综合评价模型，对宁东煤炭基地银川、石嘴山、灵武、吴忠4个区域矿井水供需双向协调度进行了综合评价。结果显示:银川矿井水供需双向协调情况最好，灵武次之，吴忠较差，石嘴山最差。总体来看，宁东煤炭基地矿井水供需双向协调形势不够乐观，矿井水资源利用率有待提高。按照优先利用矿井排水和再生水的用水原则，建议采取措施提高矿井水利用率:一是按照水资源税征收管理办法进行多倍计征;二是对不优先使用矿井水企业的违规现象进行通报并做相应的违规处罚;三是暂停或限制企业其他用水。