克拉玛依市水资源利用效率评估

后雄斌

(新疆水利水电勘察设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 前 言

水资源为人类生产活动、自然生物繁衍生息提供基础保障，中国水资源空间分布不均，西北地区水资源尤为短缺[1-2]。随着人类活动及气候变化的影响，工业化、城市化进程不断加快，区域水资源供需矛盾日益突出。克拉玛依市是国家重要石化产业基地，是新疆维吾尔自治区中建设的新型化工型城市，水资源短缺问题由来已久，先后经历了20世纪50年代拐中取水、60年代开采地下水、70至80年代修建水库、90年代修建引水工程等关键阶段。近年来，随着天山北坡经济带城市群经济快速发展、一带一路倡议的不断推进，区域石化企业规模不断扩大，生活生态用水不断增加，水资源利用率不高等问题加剧了水资源供需矛盾的产生。因此，合理进行水资源开发及管理，提高水资源利用率，对区域社会经济发展有一定指导意义。

目前，区域水资源效率评价方法有物元模型、DEA模型、模糊综合评价法、Topsis法、灰色模型等。魏光辉[3]采用分层模糊积分模型对研究区8种水资源配置方案进行综合评价和排序；项琼[4]基于组合权重TOPSIS模型对三江平原区域的水资源承载能力进行了综合评价；魏光辉[5]综合考虑从优隶属度和灰色关联的基础上，提出了改进灰色关联模糊评价法，对塔里木河流域水资源承载力进行了评价；高章蒲等[6]利用多维临界调控模型预测克拉玛依市2020年和2030年水资源配置；杨明杰等[7]利用SD模型对克拉玛依市2030年水资源供需进行预测分析；彭亮等[8]运用WRMM模型对克拉玛依市水安全进行评估。目前，关于克拉玛依市水资源配置研究多是绿洲受水区水安全研究，而对于克拉玛依市水资源利用效率研究较少。本文从体现综合、农业、工业、生活、生态、纳污控制用水6个方面选取9个指标，采用熵权法进行赋权，利用物元模型对2010—2018年克拉玛依区域水资源利用效率进行评估，为城市社会经济发展提供依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

克拉玛依市地处准格尔盆地南缘，距离乌鲁木齐市313 km，地理坐标E84°4′～86°01′，N 44°07′～44°08′，行政单位包含克拉玛依区、白碱滩区、乌尔禾区、独山子区、小拐乡及兵团，总面积7 733.9 km2，地势呈西北高、东南低，轮廓呈斜条状[6]。夏季炎热高温，冬季严寒，年降水量为109 mm，年均蒸发量为2 958 mm，年均气温8.4 ℃。全区基本不产流，市区范围内有8条河流，2处湖泊。地表水依靠玛纳斯河、白杨河、奎屯河、引水工程提供，多年平均地表水资源量568.71×104m3、地下水资源量11 430.43×104m3，扣除重复计算量，多年平均水资源总量为6 171.43×104m3。伴随着天山北坡经济带城市工业化的发展、城镇用水与农业用水矛盾的加剧，区域水资源利用效率得到了大家的广泛关注。

1.2 数据来源

文中评价指标基础数据来源于2010—2018年《新疆水资源公报》《克拉玛依统计年鉴》《新疆统计年鉴》。

2 评价方法

2.1 水资源利用效率指标体系及阈值确定

水资源系统是一个多属性、复杂的体系，水资源利用效率评价指标体系建立，对于合理全面评价水资源至关重要。指标选取及构建主要依据的原则有：

(1) 可度量性

所选指标具有很好的获得性及实用性，对于涵义界限模糊指标，原则上不选取。

(2) 代表性

指标选取具有独立性，指标间呈现弱相关性。

(3) 系统性

选取指标具有全面综合性，涵盖水资源、社会经济、生态环境等多方面特征，较好呈现水资源系统多属性、多方位动态演变过程。

本文依据相关学者对于干旱区水资源利用效率研究[9-10]，建立3个准则层，选取9个评价指标，构成克拉玛依市水资源利用效率指标体系, 水资源利用效率指标体系及权重见表1。

表1 水资源利用效率指标体系及权重表

水资源利用效率区间限度，应当合理估计区域水资源、社会经济、生态环境的协调发展，依据西北地区及半干旱地区水资源利用效率研究成果[11-12]，将研究区水资源利用效率划分为5个等级，划分等级标准见表2。

表2 水资源利用效率等级标准表

2.2 权重确定

熵权法为一种客观的赋权方法，依据文献[9]计算步骤如下：

(1) 形成原始数据矩阵X=(xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，m为评价对象，n为指标个数。

(2) 依据成本型和效益型指标，形成标准化数据矩阵R=(rij)m×n。

(3) 根据熵的定义，确定第j个指标的熵hj和熵权wj。

(1)

(2)

2.3 物元模型

2.3.1评价物元

物元分析是1983年蔡文[13]提出的一种解决不相容问题方法。其核心是对事物特征的数学描述，将物元分成三元数组，即事物(N)、事物特征(C)和相应量值(X)[14]。本文水资源利用效率为N，由n个特征(C1,C2,…,Cn)和相应量值(X1,X2,…,Xn)构成水资源利用效率的物元模型一般形式，用符号R=(N,C,X)表示。

2.3.2经典域及节域

经典阈物元Ri矩阵表示为：

(3)

式中：研究对象划分为5个等级，即l=5，Ni为第j(i=1,2,…,l)个水资源利用效率等级；Cj(j=1,2,…,n)为水资源利用效率Ni的特征值，(ani,bni)为第i级评价等级对应量值范围。

节阈物元Rp矩阵表示为：

(4)

式中：区间Xjp=(ajp,bjp)为Dp关于Cj所取的量值范围，Xjp=(anp,bnp)为节阈，是第j项指标所取的最大范围。

2.3.3关联函数及总关联度确定

评价物元关联度函数Kl(Xj)，为待评价物符合标准范围的隶属程度。其公式如下：

(5)

其中，

(6)

(7)

式中：Kl(Xj)为指标xj第l级的关联函数;Xji为经典阈量值区间;Xpi为节域量值区间;ρ(xj,Xji)、ρ(xj,Xpi)分别为xj与区间Xji[aji,bji]、Xpi[aji,bji]之间的距离， |Xji|=|(aji-bji)|

待评估单元N相对于等级l的总关联度为：

(8)

式中：Kl(N)为待评估单元N关于等级l的总关联度；若Kl(N)=maxKl(N)，则判定N属于等级l。

3 结果与分析

将评价指标原始数据，利用MATLAB软件编程，带入公式(5)，得出评价指标关联度，以2010年C1指标(万元GDP用水量)为例，将C1=77.9带入公式后，获得其对应的相关等级关联度分别为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年该指标处于较高水平，同理获得2010年其他指标关联度，2010—2018年年评价指标关联度见表3。利用单指标联系度结合熵权法确定的权重见表1，通过公式(6)得评价单元N的综合关联度，确定各年份水资源利用效率等级见表4。

表3 2010-2018年评价指标关联度表

表4 各年份水资源利用效率等级表

由表3、4可知，从综合结果来看，水资源利用效率总体处于Ⅱ级，各年份单指标变化明显。从2010—2018年单指标水资源利用效率评估结果来看，万元GDP用水量(C1)、万元工业产值用水量(C4)总体位于较高水平，属于Ⅱ级，说明克拉玛依市打造新型工业化城市、石油石化基地的相关工作进展顺利。综合灌溉定额由Ⅴ级转为Ⅱ级，节灌率(C3)由Ⅲ级转为Ⅱ级，说明及现代化高效节水的力度实施。城镇生活用水量(C5)2011—2013年由Ⅴ级转为Ⅳ级，2014—2018年由Ⅲ级转为Ⅰ级，农村生活用水量(C6)由Ⅲ级转为Ⅱ级，说明城镇化发展的快速推进，2015年实施的城市外调水工程起到积极作用。生态环境用水率(C7)由Ⅴ级转向Ⅰ级，政府加大城市生态文明建设效果明显。污废水处理率(C9)由Ⅳ级转向Ⅰ级，中水回用率(C8)由Ⅰ级转向Ⅴ级，说明城市污水处理后中水回用能力较差。

4 结 论

(1) 本文选取克拉玛依市综合、农业、生活、生态、纳污控制5个方面9个指标，运用物元模型对克拉玛依市2020—2018年水资源利用效率进行评估，结果表明：2010—2018年除2017年位于Ⅰ级外，其余均属于Ⅱ级。

(2)单指标等级评价结果中，中水回用率评价等级呈下降趋势，而万元工业产值用水量、综合灌溉定额，生态环境用水率、废水处理率评价等级显著提升，大部分指标的提升促进区域水资源利用效率，对城市社会经济发展至关重要。

(3) 为改善区域水资源利用效率，加强中水回用配套设施，严格控制水资源用水总量，加强供配水工程建设，完善水资源监控设施，提高水资源效率。