基于水環(huán)境承載力的黃河蘭州段流域產(chǎn)業(yè)選擇＊

宋璽琛，宋小三，杜 森

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化和多元化，其結(jié)構(gòu)的不合理造成水環(huán)境問題會阻礙社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。水環(huán)境承載力是反映區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理性的重要指標(biāo)[4-5]。因此，提高區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理化和經(jīng)濟(jì)增長持續(xù)化，就要對其展開深入的研究[6-12]。目前國內(nèi)外對水環(huán)境承載力的研究大多是對某一區(qū)域的水環(huán)境承載力進(jìn)行評價[13-20]，崔丹等[21]通過控制斷面的水質(zhì)影響路徑分析建立了結(jié)構(gòu)方程模型，利用向量模法評價了湟水流域水環(huán)境承載力；黃天炎和唐蓮[22]利用優(yōu)化改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對涇河流域水環(huán)境承載力進(jìn)行了合理評價。在研究內(nèi)容上，水環(huán)境承載力與城市建設(shè)方面聯(lián)系較少，與產(chǎn)業(yè)選擇之間關(guān)系的研究更是亟待發(fā)展[23-27]。

為了使蘭州市產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)和布局合理化，減輕流域水環(huán)境的壓力，促進(jìn)黃河蘭州段流域高質(zhì)量發(fā)展，文章從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與水環(huán)境承載力的關(guān)系方面構(gòu)建了水環(huán)境承載力、資源和經(jīng)濟(jì)綜合評價指標(biāo)體系，選取了多項代表性指標(biāo)構(gòu)建了模糊綜合評價優(yōu)選模型，根據(jù)優(yōu)屬度（u）評價結(jié)果對該流域的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了合理性選擇。提出了該流域產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化調(diào)控建議，為協(xié)調(diào)蘭州市水環(huán)境、資源和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

蘭州（102°36′～104°34′E，35°34′～37°07′N）是甘肅省的省會城市，位于黃河上游[28]。黃河由八盤峽的岔路村流入蘭州市區(qū)，經(jīng)西固區(qū)、安寧區(qū)、七里河區(qū)、城關(guān)區(qū)，流經(jīng)皋蘭縣南部和榆中縣北部至烏金峽出境（圖1）。黃河蘭州段水域中扶河橋、新城橋、包蘭橋、什川橋4個斷面水質(zhì)均為Ⅲ類及以上，湟水橋斷面水質(zhì)未達(dá)到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，主要的污染物質(zhì)為化學(xué)需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）。

圖1 黃河蘭州段主流斷面地理位置圖

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

文章所采用的數(shù)據(jù)來源于《2021年蘭州市統(tǒng)計年鑒》《2021年蘭州市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《2021年蘭州市環(huán)境狀況公報》《蘭州市第二次全國污染源普查公報》《2021年甘肅省統(tǒng)計年鑒》《蘭州市第四次全國經(jīng)濟(jì)普查公報》及蘭州市生態(tài)環(huán)境局（http://sthjj.lanzhou.gov.cn/）等相關(guān)網(wǎng)站的資料數(shù)據(jù)。

2.2 指標(biāo)體系建立

2.2.1 水環(huán)境承載狀況評價指標(biāo)構(gòu)建

文章根據(jù)黃河蘭州段流域內(nèi)行業(yè)的污染等標(biāo)負(fù)荷比判斷該行業(yè)對水環(huán)境的影響力，其中等標(biāo)負(fù)荷比為K，Pn為所有行業(yè)的等標(biāo)負(fù)荷，Pi為行業(yè)i的污染等標(biāo)負(fù)荷，K越大，則說明該行業(yè)對水環(huán)境的影響程度越大。

式中：j為化學(xué)需氧量、氨氮等污染物，coj為第j種污染物的標(biāo)準(zhǔn)排放濃度，cj為第i種產(chǎn)業(yè)排放的第j種污染物的濃度，Qi為第i污染物的排放量。

2.2.2 水環(huán)境、資源和經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)構(gòu)建

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理性主要體現(xiàn)在水環(huán)境、資源和經(jīng)濟(jì)3個方面。對水環(huán)境的干擾程度可以從污染等標(biāo)負(fù)荷比和萬元產(chǎn)值COD排放量上去體現(xiàn)；對區(qū)域資源的索取程度可以從萬元產(chǎn)值能耗和萬元產(chǎn)值耗水量上去體現(xiàn)；對區(qū)域的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)程度可以從在崗職工人員數(shù)、產(chǎn)值利稅率、全員勞動生產(chǎn)率上去體現(xiàn)，具體的評價指標(biāo)匯總見表1。

表1 黃河蘭州段流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理性指標(biāo)選取

2.3 產(chǎn)業(yè)選取

產(chǎn)業(yè)選取的原則主要有[29]：排放廢水污染物等對當(dāng)?shù)厮h(huán)境影響較大的產(chǎn)業(yè)；生產(chǎn)總值較高等對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)較大的產(chǎn)業(yè)；政府規(guī)劃發(fā)展的重點產(chǎn)業(yè)等。

根據(jù)上述選取原則，對黃河蘭州段流域的重點產(chǎn)業(yè)進(jìn)行篩選，選取的重點行業(yè)包括食品加工、煙草、印刷、石油、化工鋼鐵、冶金、裝備制造和電力、熱力和燃?xì)獾刃袠I(yè)，具體行業(yè)見表2。

表2 黃河蘭州段流域重點行業(yè)選取

2.4 模型的構(gòu)建

模糊綜合評價方法是在評價事物每一個影響因素的基礎(chǔ)上，對所有影響因素進(jìn)行綜合模糊評價，由于其操作簡單，已經(jīng)成為一種被廣泛使用的方法，Wang等[30]將系統(tǒng)動力學(xué)模型與模糊綜合評價結(jié)合，定性測量了長春市水資源承載力。合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)、資源和水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用，其合理性主要體現(xiàn)在對水環(huán)境的影響狀況、對資源的索取程度和對社會的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)[31-36]。文章以黃河蘭州段流域為基本單元，通過反映水環(huán)境承載力、資源效率和經(jīng)濟(jì)效益3個方面7項指標(biāo)構(gòu)建模糊綜合評價優(yōu)選模型，對流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理性評價，根據(jù)流域內(nèi)各產(chǎn)業(yè)的優(yōu)屬度進(jìn)行排序，在此基礎(chǔ)上提出產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整建議。

3 模型的計算

3.1 模糊評價矩陣的構(gòu)建

以選取的16個行業(yè)和反映水環(huán)境、資源和經(jīng)濟(jì)的7項指標(biāo)構(gòu)建模糊評價矩陣，矩陣中的xij表示i行業(yè)的第j項評價指標(biāo)。

由此得到這16個行業(yè)7項指標(biāo)的綜合評價矩陣見表3，其中污染等標(biāo)負(fù)荷比由公式（3）計算，其余數(shù)據(jù)均為查找所得。

表3 目標(biāo)指標(biāo)集的模糊綜合評價矩陣

3.2 對指標(biāo)的規(guī)格化處理

由于指標(biāo)之間的單位不一樣，要進(jìn)行指標(biāo)之間的比較，就要對這7項指標(biāo)的單位從相對隸屬度的角度進(jìn)行規(guī)格化處理。

對已知的黃河蘭州段流域在崗職工人員數(shù)（萬人）、全員勞動生產(chǎn)率（萬元/人·年）、產(chǎn)值利率稅（元/萬元）3項指標(biāo)，rij值越大，表示其對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)屬度越大，有

對已知的萬元產(chǎn)值耗水量（m3/萬元）、萬元產(chǎn)值能耗（m3天然氣/萬元）、萬元產(chǎn)值COD排放量（kg/萬元）、污染等標(biāo)負(fù)荷比4項指標(biāo)，rij值越小，其對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)屬度越大。

式中：rij表示第i個行業(yè)第j項指標(biāo)對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)屬度，max（xij）表示在所有行業(yè)中指標(biāo)j的最大值，min（xij）表示在所有行業(yè)中指標(biāo)j的最小值。

由公式（4）、（5）計算得到這16個行業(yè)7項指標(biāo)的相對隸屬度矩陣見表4。

表4 指標(biāo)化處理數(shù)據(jù)

3.3 構(gòu)建各目標(biāo)產(chǎn)業(yè)的模糊綜合評價優(yōu)選模型

設(shè)第i個產(chǎn)業(yè)的優(yōu)屬度為ui，對7項指標(biāo)運用層次分析法進(jìn)行權(quán)重分配，將環(huán)境影響較大的產(chǎn)業(yè)在權(quán)分配時放在靠前位置，權(quán)重向量W依次為0.139、0.111、0.167、0.222、0.056、0.028、0.083，用廣義加權(quán)距離D（ri）表示目標(biāo)i距產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)的距離。

以建立目標(biāo)函數(shù)值的形式求解ui，最終求得的ui可表示為

式中：p為距離參數(shù)，p=1表示海平距離。

3.4 黃河蘭州段流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理性評價結(jié)果

根據(jù)公式（7）計算各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)屬度，見表5。根據(jù)優(yōu)屬度計算結(jié)果對各產(chǎn)業(yè)合理性進(jìn)行排序，如圖2所示。

表5 黃河蘭州段流域各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價結(jié)果

圖2 黃河蘭州段流域產(chǎn)業(yè)優(yōu)屬度大小排序圖

4 結(jié)果與討論

4.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理性評價結(jié)果分析

從黃河蘭州段流域行業(yè)優(yōu)屬度大小排序圖上可以看出，適合黃河蘭州段流域長期發(fā)展的產(chǎn)業(yè)主要是煙草制品業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、印刷和記錄媒介復(fù)制業(yè)、計算機(jī)、通信和其他電子設(shè)備制造業(yè)、有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)、專用設(shè)備制造業(yè)、金屬制品業(yè)、金屬制品、機(jī)械和設(shè)備修理業(yè)和橡膠和塑料制品業(yè)，而不適合黃河蘭州段流域長期發(fā)展的產(chǎn)業(yè)主要是食品制造業(yè)、酒、飲料和精制茶制造業(yè)、石油、煤炭及其他燃料加工業(yè)、電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)和化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)。根據(jù)黃河蘭州段流域行業(yè)優(yōu)屬度大小排序圖把產(chǎn)業(yè)大致分為3類：需要長期發(fā)展的（u≥0.659）；近期發(fā)展，但是需要進(jìn)行控制（0.588≤u＜0.659）；需要進(jìn)行逐步淘汰和限制發(fā)展的（u＜0.588），具體見表6。

表6 黃河蘭州段流域產(chǎn)業(yè)發(fā)展類別

從行業(yè)與水環(huán)境承載力的關(guān)系來看，不適合流域發(fā)展的石油、煤炭及其他燃料加工業(yè)、化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)等污染負(fù)荷比大、廢水污染物排放量大的產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)會持續(xù)增加水環(huán)境的壓力，應(yīng)逐步限制其發(fā)展；而適合流域發(fā)展的橡膠和塑料制品業(yè)、專用設(shè)備制造業(yè)等對當(dāng)?shù)厮h(huán)境污染小、經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)高的產(chǎn)業(yè)，應(yīng)繼續(xù)加大支持力度。這與優(yōu)屬度大小排序圖得出的結(jié)論一致。

4.2 產(chǎn)業(yè)布局現(xiàn)狀與優(yōu)化調(diào)控

依據(jù)企業(yè)分布情況和水環(huán)境承載力6個斷面對蘭州市中心城區(qū)產(chǎn)業(yè)布局現(xiàn)狀進(jìn)行劃分，分為扶河橋—新城橋段、新城橋—銀灘黃河大橋段、銀灘橋—中山橋段、中山橋—包蘭橋段、包蘭橋—什川橋段，如圖3所示。

圖3 黃河蘭州段流域區(qū)間分布圖

扶河橋—新城橋段主要受上游連海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的影響，分布有非金屬礦物制品業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)和電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)。近期可發(fā)展電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，但是要合理控制產(chǎn)業(yè)規(guī)模并且加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，使產(chǎn)業(yè)綠色化，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。長期應(yīng)加快發(fā)展醫(yī)藥制造業(yè)和非金屬礦物制品業(yè)。

新城橋—銀灘黃河大橋段臨近西固區(qū)，而西固區(qū)是蘭州的石油化工基地，是排污重點區(qū)域。涵蓋水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)，酒、飲料和精制茶制造業(yè)，食品制造業(yè)，生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)等。近期發(fā)展仍以化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)為主，但是應(yīng)該控制產(chǎn)業(yè)的規(guī)模，加快產(chǎn)業(yè)技術(shù)的升級，減輕其對水環(huán)境的壓力。限制酒、飲料和精制茶制造業(yè)，食品制造業(yè)發(fā)展，保護(hù)當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境安全。而長期仍需考慮水環(huán)境的需要，可發(fā)展水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)、生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)。

銀灘橋—中山橋段涉及酒、飲料和精制茶制造業(yè)及醫(yī)藥制造業(yè)。近期可繼續(xù)發(fā)展原有酒、飲料和精制茶制造業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)等，未來適當(dāng)引進(jìn)節(jié)能環(huán)保高新技術(shù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)，如新材料研發(fā)、數(shù)據(jù)信息等行業(yè)。

中山橋—包蘭橋段涉及醫(yī)藥制造業(yè)、水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)及化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)等。考慮到該區(qū)域?qū)μm州市的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)較大，近期可發(fā)展化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)，但應(yīng)該盡快進(jìn)行產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級，改良工藝，提高水的重復(fù)利用率，減少污染物的排放，實現(xiàn)該產(chǎn)業(yè)與水環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。遠(yuǎn)期可繼續(xù)發(fā)展原有醫(yī)藥制造業(yè)、水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)及生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)等。

包蘭橋—什川橋段除了附近企業(yè)外，主要受到榆中和平工業(yè)園區(qū)的影響。分布有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)、食品制造業(yè)及科技推廣和應(yīng)用服務(wù)業(yè)等。近期可發(fā)展食品制造業(yè)等行業(yè)，但是應(yīng)該限制其規(guī)模，加快產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)與水環(huán)境的長期發(fā)展。遠(yuǎn)期可發(fā)展有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)與較為環(huán)保的科技推廣和應(yīng)用服務(wù)業(yè)、生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理業(yè)等，保護(hù)當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境安全。

5 結(jié)論

為促進(jìn)黃河蘭州段流域高質(zhì)量發(fā)展，文章從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與水環(huán)境承載力的關(guān)系方面構(gòu)建了水環(huán)境承載力、資源和經(jīng)濟(jì)綜合評價指標(biāo)體系，運用模糊綜合評價優(yōu)選模型對流域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理性選擇。結(jié)果表明：適合長期發(fā)展的產(chǎn)業(yè)有煙草制品業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)等；適合近期發(fā)展，但需要控制的產(chǎn)業(yè)有食品制造業(yè)，酒、飲料和精制茶制造業(yè)等；需限制發(fā)展或逐漸淘汰的產(chǎn)業(yè)有農(nóng)副食品加工業(yè)、化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)。

通過分析水環(huán)境承載力與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，不適合流域發(fā)展的產(chǎn)業(yè)主要是等污染負(fù)荷比大、廢水污染物排放量大的產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)會持續(xù)增加水環(huán)境的壓力并且阻礙社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該限制其規(guī)模。文章研究內(nèi)容主要集中在對工業(yè)結(jié)構(gòu)的評價上，未來可以在考慮工業(yè)基礎(chǔ)上將服務(wù)業(yè)和農(nóng)業(yè)等行業(yè)也納入進(jìn)來，對它們之間的關(guān)聯(lián)性展開研究。此外，水環(huán)境承載力不僅可以與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，還可以與空氣、土壤等自然因素聯(lián)系起來，這也將成為今后研究的重點。