基于水生態約束的甘肅省產業布局優化方向初探

李菲　張小平

摘要：為協調水生態環境與區域產業發展的關系，基于水資源和水環境兩個方面構建了甘肅省水生態約束分區指標體系，并提出了水生態約束分區單元劃分和分區方法。在水資源約束分區和水環境約束分區的基礎上，通過各地區水資源約束和水環境約束的二維象限解析，將甘肅省水生態約束劃分為水資源約束高-水環境約束高區、水資源約束高-水環境約束低區、水資源約束低-水環境約束高區、水資源約束低-水環境約束低區4種類型區，其中嘉峪關市和甘南州兩地的產業布局的水生態適應性相對較好。對此提出了甘肅省產業升級的重點改造、產業環境準入條件以及產業布局的優化方向。研究結果可為其他地區協調產業發展與水資源、水環境關系等方面提供理論與方法借鑒。

關鍵詞：水生態;約束分區;產業布局;甘肅省

中圖分類號：X324;X22? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）02-0169-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.02.038? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Preliminary study on optimization of industrial layout in Gansu province

based on water ecological constraints

LI Fei，ZHANG Xiao-ping

（College of Geography and Environmental Sciences，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China）

Abstract： In order to coordinate the relationship between water ecological environment and the development of regional industry， based on the two aspects of water resources and water environment， a zoning index system for the water ecological constraints in Gansu province was constructed， and a division and zoning method of the water ecological constraints was proposed. On the basis of water resource constraint zone and water environment constraint zone， through the two-dimensional quadrant analysis of water resources and water environment constraints in each region， the water ecological constraints of the whole province were divided into four types of water ecological constraint zones， including high water resources constraint and high water environmental constraint， high water resources constraint and low water environmental constraint， low water resources constraint and high water environmental constraint， low water resources constraint and low water environmental constraint， among them， the industrial layout of Jiayuguan city and Gannan prefecture has relatively good aquatic ecological adaptability. In this regard， the key transformation of industrial upgrading in Gansu province， the industrial environment access conditions， and the optimization of industrial layout are proposed. The research results can provide theoretical and methodological references for other areas to coordinate the relationship between industrial development and the relationship between water resources and water environment.

Key words： water ecology; constrained zoning; industrial layout; Gansu province

水是人類賴以生存和經濟社會發展的重要資源，其數量、分布和開發利用條件直接影響著區域產業布局。隨著工業化和城市化進程的加快，水的消費總量也在迅速增加。同時，工業廢污水和城市生活污水排放量也持續增加，導致區域的水資源短缺[1]、水環境污染[2，3]、供需矛盾尖銳[4]，水生態對產業發展的約束日益加劇[5，6]。水生態約束包括水資源約束和水環境約束[7]，水資源約束主要表征水資源供給能力對區域開發的限制影響[8]，水環境約束主要表征在一定的水環境質量目標下，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[9]。由于不同區域的水資源稟賦、水質目標、納污能力、利用方式等都存在明顯的差異，其所承載的產業發展重點也應有所不同。因此，有必要通過水生態約束分區來確定區域產業的發展重點和方向，以維持區域經濟發展與水資源利用和水環境保護之間的相對平衡。

自1987年美國環境保護署提出水生態功能區劃方案以來[10]，許多國家按照水資源管理的需要展開了水環境區劃的研究工作[11-14]。中國也于20世紀80年代末展開了水環境功能區劃工作，并形成了相對成熟的水環境約束分區方法和目標管理體系，對區域產業布局的優化起到了一定的指導作用[15，16]。學者們也據此開展了產業布局方面的研究，如孫偉等[5]對江蘇省進行了水環境協同約束分區，并據此提出產業布局的調整方案;鄔娜等[7]以太湖流域常州市為例，在水生態約束分區研究的基礎上提出了產業升級改造和布局優化調整的重點和方向;葛杰等[17]基于榆林市水資源開發利用現狀，計算了其可承載的最大經濟規模和人口規模，以此為約束構建了榆林市產業結構的優化模型;楊清可等[18]針對太湖流域的水環境容量進行流域約束分區劃分，并探討了不同類型區域產業結構的調整方向;陳艷磊[19]則從水環境承載力的視角對遼河流域的產業結構優化提出了政策建議。上述成果很大程度上豐富了中國水生態（水環境）約束下產業布局優化調整的科學依據。不過，目前關于水生態（水環境）約束分區的研究多以水體為研究對象，指標選取較少考慮水資源供給能力和開發利用程度的影響;而關于某一區域產業布局的分析，也多是僅從水資源或水環境單一要素出發，較少從水資源和水環境兩方面協同約束角度考慮。因此，在充分考慮水生態與產業布局耦合關系的基礎上，展開水資源和水環境協同約束下的產業布局優化研究，旨在為制定區域差別化產業準入政策提供科學依據。

1? 研究區概況

甘肅省位于中國西北干旱區、青藏高寒區、東部季風區三大自然區域的交匯處，其水資源主要分屬黃河、長江、內陸河3大流域。全省年降水量少且地區分布極不均勻，多年平均降水量277 mm，僅為全國年平均降水量的43%，其中內陸河流域130 mm，黃河流域463 mm，長江流域599 mm，總體變化趨勢是從西北部向東南部遞增。全省多年平均自產水資源量282億m3，人均1 098 m3，僅為全國人均占有量的1/2[20]。近年來，隨著氣候變化和人口的增長，甘肅省水資源總量和人均水資源占有量整體呈下降趨勢。據《甘肅省水資源公報》數據，與2003年相比，2016年水資源總量下降25.0%，人均水資源占有量下降25.2%。同時，隨著社會經濟的持續發展和工業化、城市化的快速推進，工業廢污水和生活污水排放量不斷增加，農業面源污染問題突出，導致水環境質量不斷惡化。2016年全省水質評價河流長度為9 193 km，其中Ⅰ～Ⅲ類水質的河流長度占評價總河流長度的76.5%;Ⅳ～劣Ⅴ類水質的河流長度占評價總河流長度的23.5%，相比2003年，Ⅰ～Ⅲ類水質的河流長度占比下降了1.8個百分點，而劣Ⅴ類水質的河流長度占比則上升了10.9個百分點。在參與評價的140個水功能區中，達標水功能區83個，達標率僅為59.3%。部分河流尚存在超標斷面，主要超標項目為氨氮和化學需氧量。城市建成區黑臭水體依然存在，集中式水源地水環境質量保護形勢嚴峻。為此，甘肅省實施了一系列水環境防治工程，如控源截污、垃圾清理、清淤疏浚、生態修復等措施，對水污染防治起到了一定的作用。但由于全省高污染、高消耗、低附加值產業仍占較大比重，加之發展模式粗放，產業布局不合理等問題依然存在，水環境污染問題并未從根本上得到控制，導致水資源供給能力和水環境壓力逐年增大，水生態約束日益提高，成為制約甘肅省經濟社會可持續發展的重要因素。

2? 研究方法

2.1? 指標體系構建

水生態對產業發展的約束主要表現在水資源和水環境兩個方面。考慮到數據的可比性、真實性和可操作性，結合相關學者的研究成果[21-23]以及國家頒布的生態省、生態市的考核指標，選取甘肅省水生態約束分區指標。水資源約束表征區域水資源的供給能力大小和水資源開發利用水平對產業發展的限制，水資源供給能力越大，對耗水型產業發展的約束越小，水資源開發利用水平越高，對節約用水、提高用水效率的要求就越高。選取供水總量（X1）和人均水資源占有量（X2）表征水資源供給能力，萬元GDP用水量（X3）、萬元產值農業用水量（X4）、人均生活用水量（X5）、萬元產值城鎮公共用水量（X6）、萬元產值工業用水量（X7）、水資源開發利用率（X8）等指標表征水資源開發利用水平。水環境約束表征水體環境的納污能力對排污的限制，可用水環境容量表示，但由于數據資料缺失，因此從流域環境本地狀況和水環境壓力兩個方面來考慮，選取相應的指標。用水質類別（X9）表征流域環境本地狀況，水質類別不同，對產業門類的要求就不同。一般將水體水質類別分為5類，分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類，其中Ⅰ～Ⅲ類對水質的要求較高，一般禁止或限制污水的排放，對產業發展的限制較大，Ⅳ類和Ⅴ類對水質的要求較低，因而對排污控制要求較低。甘肅省河流眾多，不同流域的水質類別不同，因此根據各流域實際狀況按Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類及以上進行賦值，分別為7、5、3、1。選取萬元GDP的COD排放量（X10）、萬元GDP的氨氮排放量（X11）、COD排放量（X12）、氨氮排放量（X13）和廢污水排放總量（X14）等指標表征水體環境的壓力指標，水環境壓力越大，對排污的限制也就越大。

考慮到評價指標對水生態約束的貢獻大小不同，采用層次分析法和熵值法確定各指標的權重值。具體指標及權重見表1。研究數據均來自2017年《甘肅統計年鑒》《中國環境統計年鑒》和《甘肅省水資源公報》。

2.2? 數據標準化處理

指標體系中既有正向指標也有負向指標，還存在指標單位不統一等問題，應對其進行同趨化和無量綱化處理。選用閾值法對指標進行無量綱化處理，影響水生態約束性的負向指標，值越小表示水生態對產業的約束性越大，該類指標的處理方法為Xij′=（maxXij-Xij）/（maxXij-minXij）;對于正項指標，值越大代表水生態對產業的約束性越大，該類指標的處理方法為Xij′=（Xij-minXij）/（maxXij-minXij）。經過標準化處理后，所有的指標都是值越大代表水生態約束性越高，其中Xij′代表的是經標準化處理后的數值;minXij和maxXij分別表示第j項指標在評價區域內的最小值和最大值;Xij代表的是第j項指標在第i地區的原始數據。

2.3? 分區單元劃分

考慮數據的可獲取性，分區以甘肅省14個市（州）為統計單元，水環境約束指標中水質類別的劃分先按流域分區作為統計單元，然后通過多邊形疊置分析法轉化到行政單元上，以實現水生態約束評價單元的一致性，轉換公式見式（1）。

Si=Nj×（1）

式中，Si是指i地區的水質類別評價指數，Nj是指第j個流域單元的水質類別評價指數，ASij是指i地區內第j個小流域的面積，Ai是指i地區的總面積。

根據地形圖、遙感影像圖和水功能區劃圖將全省劃分為內陸河、黃河和長江3個一級流域單元，河西走廊內陸河、龍羊峽以上、龍羊峽至蘭州、蘭州至河口鎮、龍門至三門峽、嘉陵江和漢江等7個二級流域單元，在此基礎上進一步劃分為疏勒河、黑河、石羊河、柴達木盆地西部流域、車爾臣河諸小河流域、庫木塔格沙漠流域、河源至瑪曲、瑪曲至龍羊峽、大通河享堂以上、湟水、大夏河與洮河、龍羊峽至蘭州干流區、蘭州至下河沿、清水河與苦水河流域、北洛河狀頭以上、涇河張家山以上、渭河寶雞峽以上、廣元昭化以上、丹口江以上等19個三級流域單元（圖1）。甘肅省三級流域空間分布圖取自中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn/）。

2.4? 分區方法

基于上述指標體系，對2016年甘肅省14個市（州）的相關數據進行標準化處理，然后利用公式（2）計算出各市（州）的水資源和水環境約束指數值（表2），并采用自然斷點法對其進行等級劃分，將其劃分為低、中、高3個等級。在此基礎上運用ArcGIS軟件對各市（州）的水資源和水環境約束進行分區。最后，將水資源約束分區結果與水環境約束分區結果進行疊加，得到水生態約束分區。

F=■Xij×Wj? （2）

式中，F表示水資源或水環境約束指數，指數值越大則表示約束性越大，反之亦然;Wj表示第j項指標的權重值。

3? 結果與分析

3.1? 水資源約束分區

如圖2所示，將水資源約束劃分為低、中和高3個等級，其中水資源約束低區占全省面積的57.53%，水資源約束中區占全省面積的23.01%，水資源約束高區占全省面積的19.46%。雖然全省大部分面積受水資源的約束較低，但水資源可利用量較少，用水結構不合理，水資源重復利用率較低，導致產業發展受水資源的約束變大，產業結構調整以及產業升級改造迫在眉睫。水資源約束低區集中分布在河西走廊內陸河流域，屬資源型缺水區域，雖然降水量少，但水資源總量多且開發利用水平高。水資源約束中區分散分布在河西走廊和黃河流域的甘南高原和隴中黃土高原地區，該類地區除甘南藏族自治州（以下簡稱甘南州）外，其他地區降水較少，水資源開發利用率、人均水資源占有量和供水總量均處于中等水平，屬資源型和工程型并存缺水區域。甘南州降水較多，人均水資源占有量最大，但水資源開發利用率最低，供水總量最少，屬工程型缺水區域。水資源約束高區分散分布在黃河流域的隴中黃土高原地區和長江流域的隴南山地地區，隴南山地地區降水較多但開發利用水平低，地表水以引水利用為主，水資源總量最少，屬工程型缺水區域。這些地區的普遍特點是人均水資源占有量較高，但供水總量少，水資源開發利用率低。

3.2? 水環境約束分區

如圖3所示，將水環境約束劃分為低、中和高3個等級，其中水環境約束低區占全省面積的22.35%，水環境約束中區占全省面積的13.20%，水環境約束高區占全省面積的64.45%。水環境約束低區分散分布在黃河流域的甘南高原和隴中黃土高原以及長江流域的隴南山地等地區，甘南州、隴南市分別處在黃河流域和長江流域的上游地區，流域水質要求高，排污限制強，但經濟發展以第三產業為主，工業占比低，水污染物和廢污水排放量少，總體上水環境壓力小。位于隴中黃土高原的慶陽市境內河流較多，水質要求低，排污限制小，工業占比雖然較高，但污染物和廢污水排放量較少，水環境壓力小。水環境約束中區除嘉峪關市分布在河西走廊內陸河流域外，其他地區集中分布在黃河流域的隴中黃土高原，該類地區所在流域水質要求較高，排污限制較強，但地區經濟發展以第三產業為主，水污染物和廢污水排放量較少，水環境壓力較小。水環境約束高區集中分布在河西走廊內陸河流域和黃河流域的隴中黃土高原地區，內陸河流域水域水質要求高，排污限制強，加之該區域工業占比較高，廢污水排放量較大，水污染物尤其是COD排放量大，導致水環境壓力大。隴中黃土高原地區由于處在黃河上游，其水域水質要求較高，排污限制較強，加之工業較發達，水污染物和廢污水排放量大，導致水環境壓力大。水環境約束高區水體通達性較差，排污限制性較強，社會經濟較發達，人口密集，污染排放量較多，導致經濟活動對水環境的脅迫作用十分明顯。

3.3? 水生態約束分區

以各地區的水資源約束指數為橫坐標，水環境約束指數為縱坐標，對水生態約束進行二維象限解析，且以上述指數的平均值作為坐標原點，將坐標系劃分為4個象限，對各地區進行布點，結果見圖4，具體區域類型的分布見圖5。

第一象限代表水資源約束高-水環境約束高類區域，包括金昌市和白銀市，兩市水資源較缺乏，所處水域水質要求較高，而且由于工業占比高，排污量較大，水環境壓力也大;第二象限代表水資源約束低-水環境約束高類區域，包括蘭州市、張掖市、武威市和酒泉市，該區域水資源較豐富，但其水域水質要求高，排污限制大，導致水環境壓力大;第三象限代表水資源約束低-水環境約束低類區域，包括嘉峪關市和甘南州，兩地水資源較豐富，所在流域水質要求高，但工業占比低，排污量少，水環境壓力小;第四象限代表水資源約束高-水環境約束低類區域，包括天水市、臨夏回族自治州（以下簡稱臨夏州）、平涼市、慶陽市、定西市和隴南市，此類區域水資源總體缺乏，但水環境壓力較小。

4? 產業布局優化方向

4.1? 水資源約束高-水環境約束高區

金昌市和白銀市都是因礦產資源開發而建立的城市，工業占比高，且以傳統產業為主，耗水量大，排污量高。區域水資源總體較缺乏，開發利用率較高，且以農業用水為主，占比高達80%以上。應加大農業節水灌溉面積，提高低耗水農作物比例，大力扶植生態農業，減少農藥、化肥使用量，有效控制農業面源污染;同時發展循環經濟，增加工業用水的重復利用率，加快傳統產業轉型升級，實施更嚴格的產業準入門檻，限制火電、冶金、有色金屬、化學原料及化學制品、煤炭采選等高耗水、高排放產業的發展，重點開發戰略性新興產業和現代信息服務類產業。

4.2? 水資源約束低-水環境約束高區

該類區域水資源較豐富，但水環境壓力大，產業優化布局的重點以保護水環境為主。張掖市、武威市、酒泉市是甘肅省糧食主產區，但由于降水稀少，農業灌溉率高，農業用水占比高達90%左右，其水資源可持續利用的關鍵是通過農業節水灌溉技術的推廣以及種植結構的調整來減少農業用水量。而蘭州市工業用水占比相對較高，應通過循環回用、重復利用、順次使用等方式提高工業用水的重復利用率，通過實施清潔生產，應用高新技術改造傳統產業等方式逐步降低工業用水定額。該區域水域水質要求高，排污限制大，產業發展的重點為河西3市以發展生態農業、生態農產品加工基地、清潔能源、文化旅游、通道物流和以核能循環利用為主的特色優勢產業，促進綠色轉型升級;蘭州市應推動石油化工、有色冶金等傳統產業轉型升級，做大做強高端裝備制造、新材料、生物醫藥等主導產業，培育壯大文化旅游、商貿物流、電子商務、數據信息、通道物流等現代服務業。

4.3? 水資源約束低-水環境約束低區

嘉峪關市和甘南州水資源較豐富，水環境壓力小，產業發展的重點圍繞當地優勢產業展開，同時注重生態環境的保護，變綠水青山為金山銀山。嘉峪關市圍繞鋼、鋁產業鏈，全力推進延鏈、補鏈、強鏈項目建設，形成以冶金工業為主體，電力、建材、機械、化工、輕紡等為輔的工業體系，并加強工業污染治理的力度，同時發展文化旅游、商貿物流等產業;甘南州應依托區域特色，重點打造農業生產、休閑、娛樂、旅游于一體的生態觀光農業，構建高原特色有機畜牧業、種植業、土特產和中藏藥循環經濟產業鏈。

4.4? 水資源約束高-水環境約束低區

該區域水生態約束相對較低，經濟社會發展水平仍有很大的提升空間，水體納污能力較強，應堅持節約優先、以水定產，大力發展節水型綠色產業以及集約型產業，依托現有資源發展現代制藥業及生物產業，著重考慮新能源和裝備制造業以及綜合利用新能源產業的大規模發展，推進鋼鐵及特色農產品加工基地等優勢產業的集約化發展，重點發展特色農業、光伏產業、冶金、電力、保健養生、文化旅游業等基礎產業，加快先進制造、化工建材、冶金機電、藥材加工等傳統產業的改造升級，提高污染治理水平，促進該類地區的社會經濟、水資源和水環境三者之間的協調發展。

5? 討論

本文基于水資源約束和水環境約束兩個方面探討了水生態對甘肅省產業布局的限制性影響，并有針對性地提出了區域產業布局優化的方向。

1）水資源約束的區域差異明顯，呈現出從西北向東南遞增的格局。河西走廊內陸河流域雖然降水量少，但水資源總量多且開發利用水平高，水資源約束較低;水資源約束高區主要分布在黃河流域的隴中黃土高原地區和長江流域的隴南山區，其特點是人均水資源占有量較高，但供水總量少，水資源開發利用率低。

2）水環境約束的區域差異也較大，呈現出從西北向東南遞減的格局。水環境約束高區集中分布在河西走廊內陸河流域和黃河流域的隴中黃土高原地區，其水域水質要求較高，排污限制較強，加之工業占比較高，水污染物和廢污水排放量大，水環境壓力大;甘南高原、隴南山地，流域水質要求高，排污限制強，但工業占比低，水污染物和廢污水排放量少，水環境壓力小。位于隴中黃土高原的慶陽市境內河流較多，水質要求低，排污限制小，工業占比雖然較高，但污染物和廢污水排放量較少，水環境壓力也較小。

3）通過二維象限解析進行水生態約束分區，將全省劃分為水資源約束高-水環境約束高區、水資源約束高-水環境約束低區、水資源約束低-水環境約束高區和水資源約束低-水環境約束低區等4種類型區。總體上，工礦城市地區水生態約束高，在提高農業、工業用水效率的同時，應加快傳統產業的轉型升級，限制高耗水、高排放產業的發展，大力發展高新技術產業;水環境約束高區在促進傳統產業轉型升級的同時，以發展生態農業、文化旅游以及現代服務業為主;水資源約束高區應大力發展節水型綠色產業，重點發展特色農業、旅游業、保健養生等優勢產業。

6? 結論與展望

目前水生態環境已經成為影響流域以及產業布局的重要因素，本文在總結現有研究的基礎上，將水生態約束劃分為水資源和水環境約束，從水資源供給能力和水環境納污能力兩個方面構建了甘肅省水生態對產業發展的約束分區指標評價體系，其主要結論如下。水資源約束的區域差異明顯，呈現出從西北向東南遞增的格局;水環境約束的區域差異也較大，呈現出從西北向東南遞減的格局。通過二維象限解析進行水生態約束分區，將全省劃分為4類，其中金昌市和白銀市屬于水資源約束高-水環境約束高區;臨夏州、定西市、天水市、隴南市、平涼市和慶陽市屬于水資源約束高-水環境約束低區;酒泉市、張掖市、武威市和蘭州市屬于水資源約束低-水環境約束高區;嘉峪關市和甘南州屬于水資源約束低-水環境約束低區。評價結果不僅能為該地區的產業空間布局提供科學理論依據，而且也能為其他流域產業優化布局提供方法借鑒。

本文從時間和空間兩個維度對甘肅省的水生態約束進行了研究和分析，研究結果基本符合甘肅省實際情況，在一定程度上能夠對產業布局優化方案提供可靠的科學依據。但仍存在一些不足，如統計數據的滯后性、缺失性導致數據獲取較為困難，水生態約束分區指標體系的建立還不夠完善，增加水生生物多樣性等表征水生態系統功能的指標是今后深入研究的方向。

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收稿日期：2019-05-09

基金項目：國家自然科學基金項目（41161028）

作者簡介：李? 菲（1995-），女，甘肅武威人，在讀碩士研究生，研究方向為區域環境與生態產業，（電話）13893671478（電子信箱）

1179465165@qq.com;通信作者，張小平，（電子信箱）zxp296@163.com。