基于水環境承載力評價的產業選擇
——以揚州市北部沿湖地區為例

張姍姍,張落成,董雅文,楊永可

1 中國科學院流域地理學重點實驗室,中國科學院南京地理與湖泊研究所,南京 210008 2 中國科學院大學,北京 100049 3 南京大學地理信息科學系,南京 210023

基于水環境承載力評價的產業選擇
——以揚州市北部沿湖地區為例

張姍姍1,2,張落成1,*,董雅文1,楊永可3

1 中國科學院流域地理學重點實驗室,中國科學院南京地理與湖泊研究所,南京 210008 2 中國科學院大學,北京 100049 3 南京大學地理信息科學系,南京 210023

區域的產業發展與該區域的自然和社會經濟因素密切相關,對于水網稠密地區,水環境承載力是影響產業結構和布局優化的重要自然因子之一。選擇江蘇省境內跨長江與淮河兩大流域的典型水網密集區——揚州市北部沿湖(邵伯湖)地區為研究區,選取水網構成指數、水利設施調控指數和水質達標差距指數3個指標,評價研究區水環境承載能力,并探討水環境承載力與不同產業結構的聯系,為該地區產業結構布局和優化提供建議。結果表明研究區水環境承載力“高”、“較高”、“中等”、“較低”和“低”5個等級分別占研究區總面積的0.38%、21.74%、29.67%、13.65%和34.56%。根據研究區水環境承載力空間差異和水環境承載力與不同產業的聯系,以選擇生態涵養型產業為基本導向,以兼具開發適宜性和環境保護重要性為基本原則,提出應根據研究區水環境承載力水平不均衡的特點實施差別化的產業結構與布局方案,邵伯湖湖區及入湖河道下游等水環境承載力高和較高地區適宜發展特色水產與特色水禽的生態養殖業；沿湖、沿河及南部槐泗等水環境承載力中等地區適宜發展現代生態種植業及湖泊生態旅游業；河流中上游等水環境承載力低和較低地區適宜發展大宗農作物的種植。

水環境承載力；水網構成；水利設施調控；水質達標差距；產業選擇

Abstract： Natural and social conditions play a considerable role in regional industrial development and distribution. The water environment′s carrying capacity, a major natural factor, has a direct effect on the development of regional industry, particularly in regions with dense water networks. The northern lakeside region of Yangzhou City, which belongs to both the Yangtze and Huaihe basins, was taken as a typical case to discuss the relationship between the water environment′s carrying capacity and industrial development. First, we divided the study area into a series of ecological units, 500 m × 500 m in size. Second, three indexes (including the drainage component index, water conservancy facilities index, and discrepancy of water quality index) were generated to evaluate the water environment′s carrying capacity for each ecological unit through the “multi-factor comprehensive analysis” method. Then, the carrying capacity was classified into five levels, namely: “highest”, “higher”, “general”, “lower”, and “lowest”, which accounted for 0.38%, 21.74%, 29.67%, 13.65%, and 34.56% of the total area, respectively. Considering the spatial difference of the water environment′s carrying capacity and the overall deployment of the national economy, it is appropriate to develop modern ecological agriculture and lake tourism in the study area. These industries are regarded as environmentally friendly or ecological conservation-oriented industries, which belong to the category of green industry. On the one hand, modern ecological agriculture is an important choice for the transformation and development of traditional agriculture. On the other hand, developing a lake-tourism industry is the best way to take full advantage of the rich wetland resources, lake landscape, and modern water conservancy projects. In particular, areas of the Shaobo Lake and inflow rivers further downstream with “higher” and “highest” carrying capacity are suitable for the ecological breeding of special aquatic fauna. Further, the lakeshore and waterfront areas with “general” carrying capacity levels are appropriate for modern ecological farming. The areas between mid-stream and up-stream of rivers with poor “lower” and “lowest” carrying capacity are ideal to cultivate staple crops (rice, cotton, rape, wheat, soybeans, and corn). This area is the main source of agricultural and domestic pollutants. In addition, the suitability of the industrial system has significant feedback for the water environment′s carrying capacity. More measures should be taken to strengthen protection for wetlands along the lakeside due to its high ecological sensitivity. Unlike traditional hydrologic methods (using field hydrological data and model), this study provides a new approach to quickly and conveniently assess water environment carrying capacity. The industrial orientation proposed here serves not only an academic and scientific purpose, but also provides important insights for the government to formulate plans for industrial development.

KeyWords: water environment′s carrying capacity; drainage component; water conservancy facilities; discrepancy of water quality; industrial selection

在我國經濟發展新常態的背景下,實現調結構和穩增長與諸多自然和經濟社會因素密切相關。在水網稠密地區,水環境承載能力是影響產業選擇的重要自然因子之一,而產業結構適宜性對水環境承載力亦有重要的反饋作用[1- 3]。目前為止,水網密集地區水環境與產業選擇研究尚處于探索階段。近些年來,陳雯研究員及其團隊在太湖流域開展了一些研究工作,其成果為水網密集區域的水環境和產業關系研究提供了一定思路[4- 7]。

揚州市北部沿湖地區地跨長江和淮河兩大水系,湖泊、河網密布,探討該區域的水環境承載力與生態涵養產業發展和布局的關系,對實現區域和流域生態保護與經濟發展的雙贏具有重要意義。然而,關于水環境承載力的概念,學術界并沒有達成共識[8- 13],不同的水環境承載力量化方法的側重點亦不相同[14- 18]。本文從環境科學的地生態視角出發,利用水網構成指數、水利設施調控指數和水質達標差距指數,構建表征水環境承載力的指標體系,描述揚州市北部沿湖區的水環境承載力,并提出生態涵養產業發展導向,為研究區的產業選擇和布局研究提供一定依據。

1 研究區概況

揚州市北部沿湖地區屬于長江流域和淮河流域交互影響區域。境內水域面積廣闊,其中邵伯湖面積達76 km2,約占研究區總面積的31.6%,且邵伯湖屬于過水性湖泊,既是淮河入江水道,又是南水北調東線的水源供給區。研究區內河網結構復雜,包括3條干河(公道引水河、方巷小運河和槐泗河),4條一級支河和眾多細小支流,盡管河流水環境質量整體較好,仍有部分河道水環境問題較為突出。研究區內引水泵站、排澇泵站、灌排泵站和小型涵閘等水利設施齊全,為區域水資源調度、引排順暢等提供了重要支撐。圖1為研究區位置,以及河網、湖泊和水利設施分布示意圖。

圖1 研究區水系和水利設施分布圖 Fig.1 The distribution of river system and water conservancy facilities

2 水環境承載力評價指標構建

水環境承載力概念經歷了一個不斷發展和演化的過程,最初的定義僅僅關注水體的納污能力[13],甚至一些文獻直接將水環境承載力等同于水環境容量[8]；近年來,更多的學者認為水環境承載力的內涵不僅僅包括水體的納污能力,還應包含水資源量、水環境生態系統對該區域社會經濟發展的支撐能力[10- 13]。李成龍等將水環境承載力定義為一定區域、一定時期、一定技術水平條件和環境狀態下,以可持續發展為原則,以維持水環境系統結構特征和功能正常發揮為前提,水環境系統對該區域經濟發展的支持能力[10]。即水環境承載力不僅是水環境自身的特性,更與特定的科技水平、地域和時期相關。

在當今的科技條件下,水環境承載力高低不僅僅由水體自身的屬性決定,除水環境系統的自我調節之外,人為干預(通過水利設施進行水資源調控,通過政策壓力進行水環境監管和水質達標規劃等)也是實現水環境承載力調控的重要手段。

本文選擇水網構成指數、水利設施指數和水質達標差距指數3個指標評估研究區水環境承載力。水網構成指標對應描述水環境承載力內涵中的水體納污能力(或污染物承載力),屬水環境自身屬性。本文首次將水利設施指數和水質達標差距指數用于評估水環境承載力,兩個指標屬于特定時期和科技條件下人為干預因素,或社會因素。其中,水利設施調控對應描述水環境承載力內涵中水資源量支撐能力,水質達標差距對應描述水環境承載力內涵中政策壓力造成的承載力調控潛力。3個指標與水環境承載力的關系將在各個指標構建中詳細描述。

文中使用數據源于揚州市水利局提供的水系數據、水利設施(泵站、涵閘的數量和分布)數據,以及國家環境保護部2014年頒布的“水質較好湖泊生態環境保護總體規劃(2013—2020年)”中的近期(2015年)和遠期(2020年)水質達標目標數據。實際操作過程中,研究區被劃分為500 m×500 m大小的格網,以每個網格為評價單元,將水系、水利設施和水質目標差距等數據進行網格化處理,并分別用于構建水網構成指數、水利設施調控指數和水質達標差距指數。根據實際情況,3個評價指標均被分為高、較高、中等、較低、低5個等級,并結合評分對這些指標進行量化處理,高、較高、中等、較低、低分別賦值5分、4分、3分、2分、1分(表1)。3個指標的構建原理和分級依據詳見下文。

2.1 水網構成指數

水體納污能力主要受水體自身屬性限制,而水網構成則是影響水體納污能力的重要因素[4- 6]。在特定區域內,水網構成越復雜,則水體連通性越高,生態系統越完善,從而水體自凈能力越強,使得水體納污能力也越強。

河網密度及水面率是水網結構中最常用參數[19- 20]。研究區水體包括線狀河道和面狀水域兩種形式,對于線狀河網,可用河網密度(區域單位面積內河流長度)來反映水系疏密程度[21- 24]；對于面狀水域,可采用水面率(目標網格內水體比例)反映面狀湖泊、水庫等類型水體的分布特征[20- 25],公式(1)和(2)分別為河網密度和水面率的計算公式。

(1)

(2)

式中,ρ為河網密度,單位為km/km2,L為每個格網中河流總長度,p為水面率,a為網格中水體面積,A為格網的面積。

表1 評價指標分級標準表

本文結合水網密度和水面率描述水網構成,兩個指標為并行指標,目標網格的最終評價結果以水網密度和水面率中等級較高的為準。根據將研究區河網密度和水面率特點,分別將其分為5個等級,等級標準分別為：(1)河網密度大于3 km/km2,水面率大于0.8的評價單元為水網構成指數最高；(2)河網密度2—3 km/km2,水面率介于0.6—0.8之間的評價單元的水網構成指數較高；(3)河網密度1—2 km/km2,水面率介于0.4—0.6之間的評價單元的水網構成指數中等；(4)河網密度0.4—1 km/km2,水面率介于0.2—0.4之間的評價單元的水網構成指數較低；(5)無水區域及河網密度低于0.4(河流分布稀疏),水面率小于0.2為水網構成指數最低。詳細分級標準結合其他研究者文獻[23- 27]及研究區特色而定,水網構成指數見圖2。

2.2 水利設施調控指數

近些年來,在太湖流域,功能完善的水利設施(涵閘、泵站)對實現太湖地區水資源調度,特別是旱、澇時期的水資源調度起到了巨大作用。而本文研究區內水利設施類型齊全、數量豐富,充分發揮已有水利設施的優勢,對實現水資源調度,保證邵伯湖流域乃至整個淮河流域和長江江蘇段流域水資源需求均至關重要,這正是本文將水利設施指數作為水環境承載力評價指標的重要原因。

不同評價單元內水利設施的類型、數量、布局是影響水體調度能力的關鍵所在。研究區內分布有排澇泵站27座,引水泵站45座,灌排泵站13座。“引水泵站”作為功能性輸水和調水樞紐,按需將河流或湖泊中的水源引入其它水系或湖泊,被引水源質量應符合調水或輸水標準,水質要求高于作為洪澇災害時內澇水外調樞紐的“排澇泵站”,故“引水泵站”的環境調控能力高于“排澇泵站”。灌排泵站兼具引水和排水功能,可在低水位時引水,高水位時排水,因而其水環境調控能力高于引水泵站和排澇泵站。研究區內大多評價單元內只有1個泵站,只有3個評價單元內均覆蓋2個泵站,分別為2個灌排泵站、1個灌排和1個引水泵站、1個引水和1個排澇泵站,此3個評價單元均可實現引水和排水同步進行,此3種類型水利調控能力最高,故將其定為水利設施調控高區域；擁有1個灌排泵站的評價單元,雖然兼有引水和排水功能,但泵站規模小于擁有2個泵站的評價單元,定為水利設施調控較高區域；將具有1個引水泵站的評價單元定為調控中等區域；1個排澇泵站的評價單元為承載力較低,無泵站區域為水利調控低區域。水利設施調控指數見圖2。

圖2 水環境承載力分指標估算圖Fig.2 The evaluation diagram of significance of water environment′s carrying capacity of each index

2.3 水質達標差距指數

水質目標為在人為干預條件下,預期實現的水質目標,水質達標差距則是預期實現的水質目標與水質現狀之間的水質等級差距,水質達標差距反映了不同政策壓力下水環境承載力調控潛力的情景假設。根據《揚州市地表水環境功能區劃》,邗江區水質目標應在2020年達到多少,鑒于越來越嚴格的環境監管和問責機制,可認為在2020年可以實現預期水質目標。針對邗江區河流、湖泊的水質現狀及預期水質目標,可將不同的水質達標差距視為不同的情景假設,而不同的情景對應不同的水環境承載力調控潛力。因而,水質達標差距可被認為是評估未來水環境承載力的重要參數。

研究區內水質目標現狀,以及國家環境保護部2014年頒布的“水質較好湖泊生態環境保護總體規劃(2013—2020年)”及《揚州市地表水環境功能區劃》主要河流2020年水質預期實現水質目標見表2。

表2 水質現狀和2020年預期水質目標

研究區內細小支流的水質現狀為V類,盡管其水質目標是維持現狀不變,但是其他河流水質的提高,以及“互連互通、引排順暢”工程的實施亦有可能帶動其水質提升,故其水環境承載力提升的潛力并不為零,此處將其定義為較低。盡管其他河流、湖泊的水質目標均提高1級,但是其水環境提升潛力卻并不相同,因為水環境承載力提升潛力不僅與水質目標差距相關,還有水質現狀有關,水質現狀越好,水體自身的凈污能力越強,使得水環境承載力提升的潛力更容易實現。因而,將邵伯湖的水質目標為從Ⅲ類到Ⅱ類作為水環境承載力提升潛力最高區域；將4條水質由IV類變為III類的通湖河流(公道引水河、楊壽澗、邗江港、槐泗河)作為水環境承載力提升潛力較高的區域；將兩條水質由V類到Ⅳ類的通湖河流(方巷小運河和中港河)的水環境承載力提升潛力作為中等區域；無水區域的則無提升潛力,定為最低。水質達標差距指數見圖2。

3 結果分析

3.1 水環境承載力分析

以水網構成指數、水利設施調控指數、水質達標差距指數3個指標為基礎,通過層次分析法和特爾菲法確定各個指標的貢獻權重,并對兩種方法計算得到的結果取均值,以此作為每個指標的最終權重值。其中,根據層次分析法計算得到的3個指標權重分別為0.5396、0.2970、0.1634,根據特爾菲法得到的權重分別為0.4、0.3、0.3,得到3個指標最終權重分別0.4698、0.2985和0.2317。最后以3個指標為基礎,采用多因素綜合分析方法得到水環境承載力評價結果(圖3)。多因素綜合分析法計算方法見公式3：

(3)

式中,i為空間評價單元編號,k為評價因子,Bki為第i個單元的第k個評價因子得分,Wk為第k個評價因子的權重,Si為第i個單元的水環境承載力綜合評價得分。

水環境承載力評價結果用0—100的數值表示,數值越高表示其水環境承載力越高,反之則越低。借鑒孫偉和陳雯等學者使用的水環境協同約束分級(分區)思路,文中將研究區水環境承載力分為5級(表3)。分值在80分以上為水環境承載能力“高”區域；60—80分為承載能力“較高”區域；40—60分為承載能力“中等”區域；20—40分為承載力“較低”區域；20分以下為承載能力“低”區域。

表3 水環境承載力分級標準

水環境承載力評價結果顯示：研究區水環境承載力“高”區域面積為1.15 km2,占研究區總面積的0.38%；承載力“較高”區域面積為65.19 km2,占研究區總面積的21.74%；承載力“中等”區域面積為88.95 km2,占研究區總面積的29.67%；承載力“較低”區域面積為40.91 km2,占研究區總面積的13.65%；承載力“低”區域面積為103.61 km2,占研究區總面積的34.56%。

圖3 水環境承載力分布圖Fig.3 The distribution of water environment′s carrying capacity

圖3顯示,研究區水環境承載力在空間分布上具有明顯的不均衡性,空間差異明顯。該地區水環境承載力的空間分布有兩個顯著特征。第一,該地區水環境承載力整體上呈現出東高西低的趨勢,因為研究區內河流由西向東匯入邵伯湖,無論是河網密度還是水資源量均有東高西低的特點；另外也與東部地區邵伯湖和入湖河流水質達標差距高于西部地區有關。第二,湖泊、河流沿岸地區水環境承載力高于其他地區,該類地區水環境承載力較高不僅與河網有關,還與水利設施分布有關,從圖2可以看出,研究區水利設施大多沿湖、沿河而建,水利設施的存在大大增加了該類地區水環境調控能力。

3.2 產業選擇

根據國家“去產能、去庫存”及“中國制造2025”的總體要求,及一個地區承載力水平的空間不均衡性,對水環境承載力水平不同的地區實施差別化的產業發展戰略。高新技術產業與新興產業等污染物排放量小的綠色產業可在承載力水平中等及高、較高地區發展,傳統產業優勢沒有喪失的地區,特別突出循環化與綠色化的改造與升級,這些產業適合在承載力低和較低地區發展,但是要注意污染的防治和處理,推進綠色發展。

境內邵伯湖以及邵伯湖大堤以西200m陸域被劃為重要濕地—省級生態紅線管控區,邵伯湖湖心是國家水產種質資源保護區[28],生態功能比較重要,該區也是承載力“高”、“較高”和“中等”區域的主要分布區,對研究區的產業遴選有一定影響。在綜合考慮水環境承載能力地域差異與生態紅線管控要求的基礎上,提出本區不適宜發展第二產業；而更適宜發展現代生態農業與湖泊生態旅游產業,因為現代生態農業是傳統農業轉型發展的一種重要選擇,而發展湖泊生態旅游產業正是將沿湖地區豐富的濕地資源、開闊的湖泊大水面景觀、現代化的水利工程等優勢轉化為沿湖生態旅游產業的最佳條件。下面對水環境承載力水平及空間分布與所選擇產業生態化發展關系進一步深入分析。

(1)研究區承載力“高”與“較高”區域,多分布在入湖河道下游,水量豐富、水體交換能力強,但面積占比相對較小(約22%),是本區河湖濕地資源集中分布區,該類區域水環境保護要求高,受生態紅線約束,應在保護優先的基礎上,適度發展以特色水產與特色水禽生態養殖為主的產業,同時也應積極開發與拓展湖泊生態旅游產業；嚴格限制規模化畜禽養殖廠的布局；確保養殖產業的生態開發不會降低或者危害水環境、水生態、水景觀等綜合功能。

(2)水環境承載力“中等”區,主要集中在沿湖、公道引水河和南部槐泗地區,水源有一定保障,水質尚能滿足農業灌溉要求,面積占比略高于承載力“高”與“較高”區域之和,較之“高”和“較高”區域,有一定的開發空間,但開發的水環境風險仍然很大,要限制水污染項目的發展和布局,適宜發展現代生態種植業,同時加強農業面源污染與城鄉生活污染治理。濱湖區域依托沿湖豐富的濕地資源,適宜發展湖泊生態旅游產業,但沿湖地區生態環境比較敏感、特別是被劃為省級生態紅線區域必須牢固樹立底線思維,滿足省級生態紅線區域保護的規定。

(3)水環境承載力“低”和“較低”區域約占研究區總面積的48%,主要分布在公道引水河、方巷小運河、邗江港等周邊中上游地區,承擔流域匯水功能,基本農田占比較高,農村居民點數量較多,該類區域受水體使用功能及水質目標的限制相對較小,允許污染排放相對較大的項目布局,水土條件適宜發展大宗農作物等傳統優勢產業,鑒于離湖泊及河流較近并承擔流域匯水功能,仍不能忽視環境保護,需要注意污水排放的治理,推進綠色化發展,并防治農業面源與城鄉生活污染。

4 結論與討論

本文基于環境科學的地生態視角,構建了表征水環境承載能力的指標體系,評價了揚州市北部沿湖地區水環境承載力水平與布局的地域差異性,整體上呈現出東高西低的趨勢,且湖泊、河流沿岸地區水環境承載力高于其他地區。在國家“去產能、去庫存”等的大背景下,針對研究區水環境承載力空間不均衡的特點,提出了差異化產業布局和結構優化方案,對實現長期的、持續的環境目標,將產業結構布局優化落實到提高環境質量上具有重要意義。

水環境承載力的內涵不僅僅包括水體的納污能力,還應包含水資源量、水環境生態系統對該區域社會經濟發展的支撐能力。水環境承載力的高低已不僅僅是由水體自身的屬性決定的,而且除了水環境系統的自我調節外,人為干預(通過水利設施進行水資源調控,通過政策壓力進行水環境監管和水質達標規劃等)也是實現水環境承載力調控的重要手段。本文首次引入水利設施指數和水質達標差距指數兩個指標,將兩個指標分別與區域水資源調控能力和不同水質目標情況下的政策壓力和承載力調控潛力聯系起來,用于綜合評價區域水環境承載力,為水環境承載力快速評估提供了新途徑,為將人為因素引入到水環境承載力評估中提出了新思路。同時,將水環境承載能力與產業選擇相聯系,是一項探索性研究,特別是研究水網密集地區生態涵養型產業的發展和布局,是生態、人文緊密結合的區域分析方法,具有很強的探索性,指標的界定和量化仍需完善。

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Selectingindustriesbasedonevaluationofthewaterenvironment′scarryingcapacity:acasestudyoftheNorthernLakesideRegionofYangzhouCity

ZHANG Shanshan1,2, ZHANG Luocheng1,*, DONG Yawen1, YANG Yongke3

1KeyLaboratoryofWatershedGeographicSciences,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences;Nanjing210008,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3DepartmentofGeographicalInformationScience,NanjingUniversity,Nanjing210023,China

中國科學院重點部署項目(KZZD-EW- 10-04- 2);中國科學院南京地理與湖泊研究所135重點項目(NIGLAS2012135006);國家自然科學基金重點項目(41130750)

2016- 06- 13; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201606131139

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lchzhang@niglas.ac.cn

張姍姍,張落成,董雅文,楊永可.基于水環境承載力評價的產業選擇——以揚州市北部沿湖地區為例.生態學報,2017,37(17):5853- 5860.

Zhang S S, Zhang L C, Dong Y W, Yang Y K.Selecting industries based on evaluation of the water environment′s carrying capacity: a case study of the Northern Lakeside Region of Yangzhou City.Acta Ecologica Sinica,2017,37(17):5853- 5860.