水足跡視角下干旱區城市工業結構優化研究

李嘯虎 楊德剛

摘要干旱區城市工業發展日益受到水資源供需矛盾加劇和水環境污染嚴重的約束，從水足跡視角估算工業部門耗水程度，進而優化工業結構以達到節水減污的目標，對于干旱區城市走新型工業化道路具有重要意義。本文構建工業水足跡模型和基于水足跡的多目標優化模型，選擇干旱區綠洲城市烏魯木齊市為典型案例區，研究工業內部各部門的水足跡，并以此為基礎對工業部門進行聚類分析，根據聚類結果和烏魯木齊工業發展規劃，運用優化模型探討未來研究區工業發展的優化方案。結果顯示：①以工業增加值、各工業部門藍、灰水足跡值為基礎，烏魯木齊工業部門可以劃分為：強經濟貢獻、強耗水、強污染，強經濟貢獻、弱耗水、弱污染，弱經濟貢獻、弱耗水、弱污染，弱經濟貢獻、強耗水、強污染4類。②以分類結果為依據，通過優化分析確定可持續發展模式作為烏魯木齊市工業未來發展的基礎方案，此種模式下，2015年烏魯木齊市工業水足跡為313億 m3，其中，藍水足跡072億 m3，灰水足跡241億 m3，工業總產值為2 340億元，增加值達到1 342億元，和其他情境相比，它具有藍水、灰水足跡較低，工業投入產出水平較高的特點。③具體而言，烏魯木齊市工業應發展具有強經濟貢獻、弱耗水、弱污染特征的采選業。積極培育弱經濟貢獻、弱耗水、弱污染行業向高投入產出、環境友好型行業轉變，這些行業包括：食品業、飲料業、紡織業、家具業、非金屬業、設備業、機械及器材業等。引導石油煉焦業、電力、熱力及水的生產和供應業、金屬業等強耗水、強污染型行業向節水減污模式轉型。

關鍵詞水足跡；工業；聚類；優化分析；烏魯木齊市

中圖分類號F0621

文獻標識碼A

文章編號1002-2104（2015）05-0170-07

近年來，隨著工業化進程的不斷加快，工業用水需求和廢水排放持續增加，造成水資源供需矛盾加劇、周邊生態環境惡化等一系列問題。這不僅威脅綠洲自然生態系統的穩定，而且嚴重制約干旱區社會經濟的可持續發展。因此，分析工業內部行業耗水特征，并以此為基礎優化產業結構以實現工業節水減污，將對干旱區城市走新型工業化道路具有重要的指導意義。水足跡分析方法較好地解決了工業耗水的核算問題。Hoekstra、Ercin、Bobban、Gerbens、Indika、Kathleen等分別提出食品加工業、飲料制造業、生物能源行業、水力發電業等工業行業的產品水足跡估算模型，并以此為基礎從定性或定量角度進行了工業企業層面的水足跡優化分析；項學敏、賈佳、戚瑞、劉梅等研究者分別就工業企業水足跡的特點、組分、核算單位等內容進行探討?，F有研究成果多從企業或產品等微觀視角出發核算單個企業或單類產品的耗水特征，很難透視工業部門整體耗水特征，不適用于指導工業內部行業間的結構調整。因此，本文構建工業行業水足跡模型，并以烏魯木齊市為典型案例區，研究工業內部各部門的水足跡，探討不同模式下研究區的工業發展方案，以期為其他干旱區城市工業的可持續發展提供理論參考。

1研究區概況

烏魯木齊市位于新疆維吾爾自治區中北部，屬典型大陸干旱型氣候區。作為新疆政治、經濟、文化和科技中心，近年來，烏魯木齊市經濟高速發展，到2011年，GDP已達到1 690億元，約占新疆的1/4。其中工業產值占39%，2003-2011年8年間，工業產值年增長率均值達到252%，目前已形成石化、冶金、紡織、機械制造、高新技術、建材、醫藥、食品、輕工業、電子信息十大產業集群。隨著工業經濟的快速發展，工業年新增耗水和污水排放也在快速增加，截止2011年，兩項指標較2003年分別增加了8523%和9377%，“十二五”期間，烏魯木齊市將加快經濟增長方式的轉變、加速推進新型工業化建設。與此同時，也對高效利用水資源、降低環境污染提出了更高的要求。

3結果與分析

31參數求解

311工業水足跡及產值比重

工業部門藍、灰水足跡求解包含兩個步驟：①直接藍、灰水足跡，直接藍水足跡是將調

查所得全市規模以上企業耗水數據合并為15個行業耗水量，并計算各行業企業耗水比重，

通過2011年《烏魯木齊水資源公報》中工業耗水總量折算出各行業直接藍水足跡；直接灰

水足跡通過實際調研及查閱《2012烏魯木齊市統計年鑒》、《工業產排污系數手冊》獲得

各行業產品名稱、年產量及產品的COD排污系數，根據公式（2）思路估算得到各部門直接

灰水足跡。②間接藍、灰水足跡，通過《2012烏魯木齊市統計年鑒》獲得15個行業2011

年26種能源年消耗量，根據《綜合能耗計算通則》統一折算為標準煤產量，通過標準煤水

足跡轉換系數得到各行業間接藍、灰水足跡（見表1）。

產值比重根據《烏魯木齊市統計年鑒》（2006-2012）各工業部門總產值整理得到

2005-2011年間各部門比重的最大、最小值，并以此為規劃依據（見表1）。

312規劃參數

2015年藍、灰水足跡設定為2011年工業藍、灰水足跡值，工業總產值和工業增加值以《烏魯木齊市十二五社會和經濟發展規范綱要》提出的目標為規劃期參數值（見表2）。

32結果分析

321烏魯木齊市工業部門分類

為了直觀地反映烏魯木齊市各工業部門對工業GDP的貢獻程度與耗水、污染的差異，需要對上述部門進行分類，并以此作為制定未來工業發展方案的重要依據，本文采用聚類方法中基于層次的聚類算法，此種算法具有計算

方法靈活多樣，能適應不同的要求，有效實現對聚類對象劃分的特點。

首先，以表1中工業部門增加值作為其年經濟貢獻率的代表，以各工業部門藍、灰水足跡作為不同部門耗水、污染程度的代表，采用聚類分析，指定聚類數為4，結合聚集成員表和聚類分析樹形圖（圖1） 可得，15個行業聚為 4 類，分別為﹛1﹜、﹛12﹜、﹛7，15﹜和﹛2、3、4、5、6、8、9、10、11、13、14﹜。即：Ⅰ型行業屬于強經濟貢獻、強耗水、強污染，Ⅱ型行業屬于強經濟貢獻、弱耗水、弱污染，Ⅲ型行業屬于弱經濟貢獻、弱耗水、弱污染，Ⅳ型行業屬于弱經濟貢獻、強耗水、強污染（見表3）。

322優化結果分析

將表1數據代入公式（4）-（9），運行LINGO進行工業結構優化設計，得到兩種發展模式下三種不同情境的工業發展方案（見表4）。

以《烏魯木齊市十二五社會和經濟發展規范綱要》中提出的“繼續支持石油化工、煤化工、鋼鐵等主導產業做大做強，努力提升機械裝備制造、輕紡、食品加工、家具制造等傳統優勢產業”為依據，增加上述工業部門產值的比重，得到側重工業產值增加和側重減少藍水、灰水兩種不同情境發展方案。其中：在側重增加工業產值情境下，2015年工業總產值、增加值均達到十二五規劃要求的4 200億元和1 400億元，分別比2011年增加10689%和14736%，單位工業產值增加值為033元，較2011年增加2222%，經濟發展效果顯著。但同時，水足跡比2011年增加10795%，其中：藍水足跡和灰水足跡分別增加9549%和

11369%，從工業內部各部門發展情況看，由于增加了強耗水、強污染的石油煉焦業和金屬業的產值比重，導致工業發展對水資源依賴和水環境污染的程度進一步加大，工業粗放型發展模式仍在延續。

側重減少藍水、灰水情境突出了節水減污的重要性，并且兼顧經濟發展的目標，適當調低石油煉焦業、金屬業、食品業、飲料業、紡織業等十二五規劃重點發展行業的產值增速，得到：此種情境下的工業總產值和增加值分別達到3 200億元和877億元，比2011年分別增加5976%和544%，單位工業產值增加值為027元，和2011年持平；工業總水足跡比2011年增加了6449%，其中：藍水足跡和灰水足跡分別增加6216%和6556%，較前一種情境有明顯回落，表明：和2011年相比，工業結構的調整沒有帶來單位工業產值增加值的增加，工業發展投入產出水平和盈利能力沒有進一步發展。同時，雖然結構調整也在一定程度上減緩了耗水排污增加的速度，但很難起到節水減污的效果。

可持續發展模式是從控制藍水、灰水總量原則出發，以工業分類結果為依據，調減強耗水、強污染型工業部門產值比重，相應增加弱耗水、弱污染型工業部門產值比重。結果顯示：工業水足跡為313億m3，比2011年下降了1107%，其中，灰水足跡與2011年相同，藍水足跡較之下降了3514%，節水控污效果明顯。工業總產值較2011年增加1527%，單位產值增加值增幅達到111%，工業投入產出水平有顯著提高。表明：降低石油、金屬等重工業比重，穩定電、熱、水生產供應業比重，增加采選、食品、飲料等行業比重有利于烏魯木齊市工業朝低耗水、低污染、高效益方向發展。

綜合以上分析，基于對烏魯木齊市水資源高效利用和水環境保護的考慮，確定可持續發展模式為烏魯木齊市工業未來發展的基礎方案。具體而言，目前應從以下三方面調整工業結構：①根據烏魯木齊市工業特點，重點發展采選業，由于此類行業具有單位產值藍、灰水足跡低，同時單位產值增加值高的特點，未來可以進一步做大做強；②積極培育食品業、飲料業、紡織業、家具業、非金屬業、設備業、機械及器材業等行業發展，由于此類行業具有弱耗水、弱污染和弱經濟貢獻的特點，今后應進一步挖掘其發展潛

力，提高經濟效益，同時制定好產業發展的環境規則，促使其形成環境友好型的發展模式；③對于石油煉焦業、電力、熱力及水的生產和供應業、金屬業這些強耗水、強污染型行業，由于其關系到國民經濟命脈，未來產業規模應保持在一定區間內，同時進一步做好產業發展規劃和發展政策，著重提升生產技術水平，提高水資源利用效率，降低污水排放和環境污染，促進產業升級。

4結論與討論

41主要結論

通過研究，文章得出以下結論：

（1）烏魯木齊工業部門按經濟貢獻和水資源消耗、污染強弱程度可以劃分為4類，依次為：強經濟貢獻、強耗水、強污染型行業，包括石油煉焦業、電力、熱力及水的生產和供應業；強經濟貢獻、弱耗水、弱污染型行業，包括采選業；弱經濟貢獻、弱耗水、弱污染型行業，包括食品業、飲料業、紡織業、家具業、印刷業、化學品業、醫藥業、橡膠塑料業、非金屬業、設備業、機械及器材業；弱經濟貢獻、強耗水、強污染型行業，包括金屬業。

（2）可持續發展模式可作為烏魯木齊市工業未來發展的基礎方案。和其他情境相比，它具有藍水、灰水足跡較低，投入產出水平較高的特點；

（3）目前可通過發展具有強經濟貢獻、弱耗水、弱污染型行業，積極培育弱經濟貢獻、弱耗水、弱污染行業向高投入產出、環境友好型行業轉變，引導強耗水、強污染型行業向節水減污模式轉型等措施來進行工業結構調整。

42討論

文章還需要有進一步研究的地方：

（1）工業廢水中有多種污染物，但限于數據的制約，本文只以COD為參數估算了工業的灰水足跡，一定程度上影響了工業灰水足跡的計算結果。

（2）研究方法方面，優化模型尚未結合虛擬水貿易的機會成本來探討進口高間接耗水的工業原料和能源對本地工業部門間接水足跡節余產生的影響。

（3）優化結果只是從定量的角度描述了未來烏魯木齊市工業結構的調整方向，還未結合研究區具體工業布局特征從空間角度分析工業部門的優化布局模式。這些都是下一步應該重點思考的問題。

（編輯：田紅）

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