水環境容量約束下的太湖流域產業集聚空間優化

趙海霞 ,王 梅 ,段學軍 (.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環境國家重點實驗室,江蘇 南京 0008；.武漢市規劃研究院土地利用規劃所,湖北 武漢 430000)

產業集聚是指在某個領域內大量產業關聯密切的企業與相關機構在空間上集聚的現象[1].目前,許多學者從產業集聚與經濟增長、技術創新等關系出發,分析了產業集聚產生的集聚經濟、外部經濟、范圍經濟等正面外部效應[2-4],指出產業集聚有利于加快規模經濟發展和區域產業競爭力的提升,并實現資源集約利用、環境污染集中治理,因而,集聚發展往往都是被鼓勵的.然而,在一定的技術水平下,受有限的區域環境容量約束,當產業過度集聚并超過環境可承載的限度時,非但不利于環境污染的集中治理,反而會引起區域環境質量的下降與惡化,環境治理成本的急劇上升[5-6].因此,不適當或過度的產業集聚具有環境的負外部性.

Freeman[7]1993年提出產業集聚要研究其與環境外部性的相互作用,并考慮區位、生產等因素與環境污染的作用關系.目前,國內外關于產業集聚與環境問題的相關研究可歸納為兩方面:一是產業集聚及其空間布局對區域生態環境的影響[5-6,8-12];但多局限于產業集聚與環境污染相互關系的定性識別,而產業集聚對環境影響的內在機理缺乏深入研究.二是水環境容量對產業集聚區的約束影響,認為產業集聚區的區位選擇需要顧及水環境容量的約束.通過水資源量和水文特征等測算水環境容量,運用排污總量控制、約束產業的排污行為[13-16],也有學者基于水環境綜合管理進行水生態環境分區[17],進而根據水環境容量的空間分異協調工業生產力宏觀布局[18],但仍局限于大流域尺度、產業發展空間的宏觀調控[19-21].目前,從微觀尺度,如根據小流域或鄉鎮(街道)行政單元進行水環境容量的分區評價,進而對產業集聚空間優化調整的定量研究仍不多見.

近年來,隨著社會經濟的快速發展,太湖流域產業不斷集聚,重污染、中污染行業、企業均在沿太湖及重要河流兩側形成明顯的空間集聚態勢,對其周邊的生態環境尤其是水體環境形成了較為嚴重的破壞,造成水質性缺水問題凸顯[22-24].雖然自1998年以來,流域實施了包括“零點行動”在內的一系列專項治理行動,但湖體水質惡化未得到根本遏制[25].大量研究表明:太湖流域水質環境的演變受自然、人口、社會、經濟等多方面因素影響,其中,產業集聚的影響不應忽視.未來太湖流域經濟仍將持續快速增長,根據水環境容量約束引導與控制產業空間集聚,對太湖流域水環境的綜合整治意義重大.因此,本文以太湖流域江蘇部分為案例區,選取與產業集聚關系最為密切的水環境容量來研究集聚的空間優化機理與對策,以期為產業集聚與水環境容量之間關聯機理的探討提供新的視角,也為轉型時期太湖流域的產業集聚空間優化調整提供理論依據.

圖1 研究區區域范圍Fig.1 The study area

1 案例區概況

太湖流域地處長江三角洲南翼,轄江蘇、浙江、上海和安徽3省1市,總面積3.69萬km2.其中,江蘇省太湖流域總面積(含太湖湖體)為1.94萬km2,包括蘇州、無錫、常州三市和鎮江、南京二市部分鄉鎮.本研究區為江蘇省太湖流域的蘇錫常部分,占太湖流域總面積的52%(圖1).該區區域經濟發達,工業化、城市化水平一直在江蘇省處于領先地位.2008年,全區常駐人口1964.09萬人,占江蘇省的25.6%,GDP14651億元,占全省的44.2%,城市化率為65.3%,高于全省11個百分點.工業經濟仍是區域 GDP的主要來源,其中電子、機械、化學、冶金、紡織和食品六大行業的工業產值占工業總產值的85%以上.

2 研究方法與數據來源

采用環境地理學的理念對水環境容量進行分區評價,解釋其空間分布規律;然后與彰顯產業集聚特點污染因子的關系進行疊加分析,依據環境容量支撐強度—產業集聚壓力的對應關系,劃分產業集聚空間優化類型區.

2.1 環境容量分區評價方法

水環境容量也稱納污總量,其內在決定要素主要是水文條件和水體物理、化學、生物特性以及水環境功能分區的水質要求、水體使用功能,同時,流域地理條件及其向外開放性也對有較大影響,是自然參數和社會參數的多變量函數.

2.1.1 評價指標對同一流域來說,很多特征指標具有相似性(例如特征污染物的降解能力等).因此,根據多指標的區域差異進行的水環境容量評價是相對水環境容量的概念.根據太湖流域水環境的特征,選取地貌特征、水質目標、水體通達性、清水通道、現狀水質指標作為表征水環境容量的指標.

(1) 地貌特征(高程、坡度和河網密度).不同地貌類型持水和排水能力不同,對水環境容量產生的影響也不一致.山地丘陵地區,地貌坡度大,河網密度小,徑流對地面沖刷較強,水土易于流失,大大削弱水環境的容量;地勢低洼地區,尾水外排能力差,水體自凈能力弱;平原河網地區水流通暢,水網密度大,污染物的擴散、削減能力較強.

(2) 水質目標.是在一定時間段內,為保證水體質量和水域使用目的而制定的水功能區劃.按照《江蘇省地表水(環境)功能區劃》的標準,分別對不同水質目標進行評價,水質目標越高的區域容納水環境污染的能力越低,對水環境容量的壓力也越大.

(3) 現狀水質指標.指水體中某種污染物的濃度,可表征水域功能(納污能力)已被使用的情況.現狀水質指標越高,表明對水環境容量的壓力越大.

(4) 水體通達性.是指河流水系與外圍水系的通達性,間接表征了污染排放路徑的通暢程度,與外界大容量水體交換條件較好的區域納污能力較強,對水環境容量的壓力較小.

(5) 清水通道.是指跨流域調水和清潔水源的輸送通道,水質要求較高,水源安全保障的約束較強,其經過的地區水環境納污能力較差,對水環境容量的壓力大.蘇錫常區域主要的清水通道有望虞河、新孟河、太浦河等.

2.1.2 指標權重 指標權重的確定主要考慮差異性和重要性,為使結果更準確和科學,通過特爾非法來確定標度值,選擇相關專業的專家及相關部門的專業技術人員對各指標的重要性程度進行打分,通過對打分樣本進行有效性和收斂結果分析,確定水環境容量指標的重要性排序為水質目標(0.30)＞現狀水質(0.25)＞水體通達性(0.20)＞清水通道(0.15)＞地貌特征(0.10).運用GIS的空間疊加分析法,根據指標賦值和權重,采用加權因子法計算各鄉鎮單元得分:

式中: i為鄉鎮單元編號;k為評價因子;Bki為第i個單元的第k個評價因子分值;Wk為k評價因子的權重值; Si為第i個單元的水環境容量綜合評價得分.

表1 水環境容量評價指標權重及賦值Table 1 Power and standard of indicators for water environment capacity

2.1.3 行政區與自然邊界疊置方法 采用RS與GIS等數字化方法劃分小流域.同時,為了分區方案和產業集聚空間優化及其管制要求更具操作性,需要將以流域為單元的水環境容量分區評價結果通過多邊形疊置分析法轉化到鄉鎮行政單元,實現評價單元統一.具體轉化算法如式(2)所示[21].

式中:Wi是指行政單元i的某自然屬性指數;AWij是指行政單元 i內第j個小流域單元的面積;Ai是行政單元的總面積;Sj是第j個小流域單元的某自然屬性指數.

2.2 產業集聚空間優化類型區劃分

利用ArcGIS空間分析工具,分別將水環境容量指數與農業污染排放強度、工業污染排放強度進行疊加分析,根據環境容量與污染強度指數的空間耦合關系將其劃分為重點調整區、優化調整區和一般調整區.

2.3 數據來源與處理

通過實地調研,收集到研究區水環境數據、2006年含186個鄉鎮(街道)單元的太湖流域行政區劃圖.其中,水環境數據主要包括水質目標及現狀、行業污染排放.水質目標及現狀主要來源水資源公報[27],同時參考江蘇省水(環境)功能區劃;行業污染數據主要為農業面源污染與工業點源污染排放,根據2007年污染源普查數據整理分析.

為了消除各指標之間的量綱差別,采用極差標準化方法.

式中:Xij是i項指標j鄉鎮標準化后的數值;ximax是i項指標中最大值;ximin是 i項指標中的最小值;xij是i項指標j鄉鎮的初始值.

3 研究結果

3.1 水環境容量分區評價

通過指標的綜合評價,確定各流域單元的水環境容量指數,然后將流域單元的水環境容量指數轉換到鄉鎮單元,并采用聚類分析方法將 186個鄉鎮單元劃分高、較高、中、低、較低5個等級(圖2).總體上,水環境容量從東北沿江區域向西南沿湖地區逐步遞減.

圖2 水環境容量分區Fig.2 Water environmental capacity partitions藍色部分為水體,下同

水環境容量高和較高的區域主要位于沿江平原地區.其中蘇州市的太倉市、常熟市、張家港的部分鄉鎮和常州市的戚墅堰區是水環境容量最高的區域;吳江市、蘇州市區,常州市區、金壇市部分鄉鎮及江陰市、無錫市區部分街道、張家港市的大部分鄉鎮是水環境容量較高的區域.該區域總體上擁江呈帶狀分布格局,由于水體通達性好,交換能力強,水環境承載力比較高.

水環境容量低和較低的區域主要分布在太湖、滆湖和長蕩湖沿岸以及西南部丘陵地區.受飲用水源、清水通道及沿湖重要濕地保護區的影響,水環境較為敏感,對社會經濟發展的承載能力低.水環境容量中等的地區則零星分布在各市區,主要以無錫市區、宜興市區為主.

3.2 產業集聚與水環境容量的關聯性

產業集聚帶來的產業地域分工和空間重組與生態環境變化有密切的相關性[27].因此,產業集聚區的區位選擇需要顧及環境容量的約束[28].水環境容量作為生態環境的重要組成部分,通常作為基于水體自凈和環境納污能力的維護而形成對區域開發的排污行為的限制[29],對特定區域的產業集聚格局具有一定的限制作用[30].有研究認為產業集聚空間布局不合理是造成長江三角洲地區水資源短缺和環境污染日益嚴重、生態安全受威脅的主要原因[31],而合理的工業布局是協調工業發展和水環境污染的重要措施[32].因此,需根據主要河流水環境容量地域分異規律劃分水環境容量區,據此提出水污染控制與管理策略[33].

目前,太湖流域的產業集聚格局不斷顯現,污染密集型企業沿江、沿湖的重要河流兩側形成明顯的空間集聚態勢,對水環境尤其是太湖水體保護壓力很大.從農業面源污染和工業點源污染分布格局可以看出(圖3和圖4),產業集聚產生的污染相對比較集中,主要分布在常州市天寧區、新北城區以及戚墅堰區的鄉鎮,無錫的崇安區,北塘區,惠山區的洛社鎮、前洲鎮和玉祁鎮,錫山區的安鎮鎮、江陰市區,蘇州虎丘區、工業園區、張家港徐舍鎮、昆山市巴城鎮和玉山鎮、常熟市港區以及吳江市盛澤鎮等,總體上以太湖、滆湖及長蕩湖沿岸鄉鎮為主,對太湖流域保護區和沿湖重要濕地、清水通道的保護產生很大壓力,而且產業污染的分布格局與水環境容量的空間分布不吻合.因此,基于水環境容量的約束,太湖流域產業集聚空間有進一步優化的可能.

圖3 農業污染空間分布Fig.3 Spatial distribution of agricultural pollution

圖4 工業污染空間分布Fig.4 Spatial distribution of industrial pollution

3.3 水環境容量約束下的產業集聚空間優化

3.3.1 農業集聚空間優化布局及管制要求 通過水環境容量指數與農業面源污染強度的疊加分析,將水環境容量較低且農業污染重的區域劃分為重點調整區;水環境容量高且農業污染重、水環境容量低且農業污染輕的單元劃分為優化調整區;水環境容量高且農業污染輕的單元劃分為一般調整區(圖5).

(1) 重點調整區.主要位于太湖一級保護區、滆湖、長蕩湖沿岸及溧陽市部分鄉鎮.該區農業發達,農業化肥、農藥使用量高,農業面源污染比較明顯,而且水環境敏感性強,農業活動對水環境影響大,發展高效、生態安全農業;推廣使用生物有機肥和低殘留高效農藥,實行規模化清潔養殖,控制農業面源污染.

(2) 優化調整區.位于太湖二級保護區及南部山丘崗地區.本區種植業較為發達,目前對水環境雖未造成較大影響,但是由于區域水生態恢復能力差、水環境污染風險大.大力發展高效、生態安全農業,重點發展郊區無公害、綠色、有機農產品;突出發展與水源涵養、生態防護等功能的林業經濟;控制水庫、塘壩養殖規模,減少投餌強度,有效控制地表徑流氮磷污染.

圖5 農業集聚空間優化分區Fig.5 Optimization of agricultural cluster partitions

(3)一般調整區.主要分布在常州、無錫、蘇州的市區及太倉市、吳江市的大部分鄉鎮,以及宜興市區周邊的鄉鎮單元.水環境容量較高,土壤肥沃、農業發達.建設綠色食品基地和標準化的綠色農產品加工基地,優化現有種植業結構,農用化學品投入減量化;實行規模化清潔養殖,同時要因地制宜地發展林果業.

3.3.2 工業集聚優化布局及管制要求 通過水環境容量指數與工業點源污染強度的疊加分析,將水環境容量低且工業污染重的單元劃分為重點調整區;水環境容量高且工業污染重、水環境容量低且工業污染輕的單元劃分為優化調整區;水環境容量高且工業污染輕的單元劃分為一般調整區(圖6).

(1) 重點調整區.主要分布在常州、無錫、和蘇州的中心城區.該區經濟發達,工業化水平高,而且紡織、化工、造紙、鋼鐵、電鍍和食品制造業等傳統污染密集型企業比較集中,工業的集聚發展排污強度大,對水生態系統影響大.重點專項整治重污染工業企業:用高新技術改造提升規模以上的重點污染企業生產工藝水平;采取“淘汰、改造、集中”的方式綜合整治規模以下的重點污染企業.

表2 工業集聚空間優化Table2 Optimization of industry cluster partition space

(2) 優化調整區.主要位于太湖一、二級保護區范圍內以及重點調整區的外圍,水環境敏感性強.優化產業結構,工業向園區集中,對企業實行強制性清潔生產審核,建設生態工業園、發展循環經濟;確保望虞河、德勝河等清水廊道沿岸工業企業限期搬遷,提高企業進入本區的環境門檻.

(3) 一般調整區.主要位于水文調蓄農業生態區和水土保持生態功能區,整體上屬于限制開發區.限制鄉鎮工業集中區規模盲目擴大,改造、搬遷或關閉污染較重的企業,騰出環境容量和發展空間;適當放寬產業準入門檻,嚴格要求污染物達標排放;禁止或限制開山采石、布置礦點.

圖6 工業集聚空間優化分區Fig.6 Optimization of industry cluster partitions

4 結論

4.1 太湖流域(蘇錫常)的水環境容量地域差異性較大,呈現從東北沿江地區向西南沿湖地區逐步遞減的格局.水環境容量較高的地區主要包括常州和蘇州的太倉市、常熟市、張家港和戚墅堰的沿江平原地區,由于水體通達性好,交換能力強,水環境承載力比較高.而太湖、滆湖和長蕩湖沿岸以及西南部丘陵地區則是水環境容量相對較低的區域,受飲用水源、清水通道及沿湖重要濕地保護區的影響,水環境較為敏感,對社會經濟發展的承載能力低.

4.2 太湖流域(蘇錫常)產業集聚引起的污染總體上以太湖、滆湖及長蕩湖沿岸鄉鎮分布較多,對太湖流域保護區和沿湖重要濕地、清水通道的保護產生很大壓力,與水環境容量的空間分布格局不吻合.

4.3 農業集聚空間優化要重點調整位于太湖一級保護區、滆湖、長蕩湖沿岸區域的農業發展,著力發展高效、生態安全農業,控制農業面源污染;優化調整位于太湖二級保護區及南部山丘崗地區,重點發展郊區無公害、綠色、有機農產品,有效控制地表徑流污染;一般調整常州、無錫、蘇州市區的農業發展,優化現有種植業結構,農用化學品投入減量化,實現農業集聚空間布局的優化.

4.4 工業集聚空間優化要重點調整常州、無錫和蘇州中心城區的工業發展,整治重污染工業企業,用高新技術改造提升規模以上的重點污染企業生產工藝水平,采取“淘汰、改造、集中”的方式綜合整治規模以下的重點污染企業;優化調整太湖一、二級保護區范圍內以及重點調整區外圍,優化工業結構,發展循環經濟,確保望虞河、德勝河等清水廊道沿岸工業企業限期搬遷,提高企業進入門檻;而對于一般調整區則限制鄉鎮工業集中區規模盲目擴大,改造、搬遷或關閉污染較重的企業,騰出環境容量和發展空間,嚴格要求污染物達標排放,禁止或限制開山采石、布置礦點.

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