基于水環境承載力的黃河蘭州段流域產業選擇＊

宋璽琛，宋小三，杜 森

（蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

隨著社會經濟的發展，產業結構逐漸復雜化和多元化，其結構的不合理造成水環境問題會阻礙社會經濟的可持續發展[1-3]。水環境承載力是反映區域水環境質量和產業結構合理性的重要指標[4-5]。因此，提高區域的水環境質量，實現區域產業結構合理化和經濟增長持續化，就要對其展開深入的研究[6-12]。目前國內外對水環境承載力的研究大多是對某一區域的水環境承載力進行評價[13-20]，崔丹等[21]通過控制斷面的水質影響路徑分析建立了結構方程模型，利用向量模法評價了湟水流域水環境承載力；黃天炎和唐蓮[22]利用優化改進的BP網絡結構對涇河流域水環境承載力進行了合理評價。在研究內容上，水環境承載力與城市建設方面聯系較少，與產業選擇之間關系的研究更是亟待發展[23-27]。

為了使蘭州市產業的結構和布局合理化，減輕流域水環境的壓力，促進黃河蘭州段流域高質量發展，文章從產業結構與水環境承載力的關系方面構建了水環境承載力、資源和經濟綜合評價指標體系，選取了多項代表性指標構建了模糊綜合評價優選模型，根據優屬度（u）評價結果對該流域的產業進行了合理性選擇。提出了該流域產業布局優化調控建議，為協調蘭州市水環境、資源和經濟的可持續發展提供決策依據。

1 研究區域概況

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，經西固區、安寧區、七里河區、城關區，流經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個斷面水質均為Ⅲ類及以上，湟水橋斷面水質未達到地表水Ⅲ類水標準，主要的污染物質為化學需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）。

圖1 黃河蘭州段主流斷面地理位置圖

2 研究方法與數據來源

2.1 數據來源

文章所采用的數據來源于《2021年蘭州市統計年鑒》《2021年蘭州市國民經濟和社會發展統計公報》《2021年蘭州市環境狀況公報》《蘭州市第二次全國污染源普查公報》《2021年甘肅省統計年鑒》《蘭州市第四次全國經濟普查公報》及蘭州市生態環境局（http://sthjj.lanzhou.gov.cn/）等相關網站的資料數據。

2.2 指標體系建立

2.2.1 水環境承載狀況評價指標構建

文章根據黃河蘭州段流域內行業的污染等標負荷比判斷該行業對水環境的影響力，其中等標負荷比為K，Pn為所有行業的等標負荷，Pi為行業i的污染等標負荷，K越大，則說明該行業對水環境的影響程度越大。

式中：j為化學需氧量、氨氮等污染物，coj為第j種污染物的標準排放濃度，cj為第i種產業排放的第j種污染物的濃度，Qi為第i污染物的排放量。

2.2.2 水環境、資源和經濟評價指標構建

產業結構的合理性主要體現在水環境、資源和經濟3個方面。對水環境的干擾程度可以從污染等標負荷比和萬元產值COD排放量上去體現；對區域資源的索取程度可以從萬元產值能耗和萬元產值耗水量上去體現；對區域的經濟貢獻程度可以從在崗職工人員數、產值利稅率、全員勞動生產率上去體現，具體的評價指標匯總見表1。

表1 黃河蘭州段流域產業結構合理性指標選取

2.3 產業選取

產業選取的原則主要有[29]：排放廢水污染物等對當地水環境影響較大的產業；生產總值較高等對當地經濟貢獻較大的產業；政府規劃發展的重點產業等。

根據上述選取原則，對黃河蘭州段流域的重點產業進行篩選，選取的重點行業包括食品加工、煙草、印刷、石油、化工鋼鐵、冶金、裝備制造和電力、熱力和燃氣等行業，具體行業見表2。

表2 黃河蘭州段流域重點行業選取

2.4 模型的構建

模糊綜合評價方法是在評價事物每一個影響因素的基礎上，對所有影響因素進行綜合模糊評價，由于其操作簡單，已經成為一種被廣泛使用的方法，Wang等[30]將系統動力學模型與模糊綜合評價結合，定性測量了長春市水資源承載力。合理的產業結構對實現社會經濟、資源和水環境的可持續發展具有重要作用，其合理性主要體現在對水環境的影響狀況、對資源的索取程度和對社會的經濟貢獻[31-36]。文章以黃河蘭州段流域為基本單元，通過反映水環境承載力、資源效率和經濟效益3個方面7項指標構建模糊綜合評價優選模型，對流域產業結構進行合理性評價，根據流域內各產業的優屬度進行排序，在此基礎上提出產業結構優化調整建議。

3 模型的計算

3.1 模糊評價矩陣的構建

以選取的16個行業和反映水環境、資源和經濟的7項指標構建模糊評價矩陣，矩陣中的xij表示i行業的第j項評價指標。

由此得到這16個行業7項指標的綜合評價矩陣見表3，其中污染等標負荷比由公式（3）計算，其余數據均為查找所得。

表3 目標指標集的模糊綜合評價矩陣

3.2 對指標的規格化處理

由于指標之間的單位不一樣，要進行指標之間的比較，就要對這7項指標的單位從相對隸屬度的角度進行規格化處理。

對已知的黃河蘭州段流域在崗職工人員數（萬人）、全員勞動生產率（萬元/人·年）、產值利率稅（元/萬元）3項指標，rij值越大，表示其對產業結構優屬度越大，有

對已知的萬元產值耗水量（m3/萬元）、萬元產值能耗（m3天然氣/萬元）、萬元產值COD排放量（kg/萬元）、污染等標負荷比4項指標，rij值越小，其對產業結構的優屬度越大。

式中：rij表示第i個行業第j項指標對產業結構的優屬度，max（xij）表示在所有行業中指標j的最大值，min（xij）表示在所有行業中指標j的最小值。

由公式（4）、（5）計算得到這16個行業7項指標的相對隸屬度矩陣見表4。

表4 指標化處理數據

3.3 構建各目標產業的模糊綜合評價優選模型

設第i個產業的優屬度為ui，對7項指標運用層次分析法進行權重分配，將環境影響較大的產業在權分配時放在靠前位置，權重向量W依次為0.139、0.111、0.167、0.222、0.056、0.028、0.083，用廣義加權距離D（ri）表示目標i距產業結構優的距離。

以建立目標函數值的形式求解ui，最終求得的ui可表示為

式中：p為距離參數，p=1表示海平距離。

3.4 黃河蘭州段流域產業結構合理性評價結果

根據公式（7）計算各產業結構優屬度，見表5。根據優屬度計算結果對各產業合理性進行排序，如圖2所示。

表5 黃河蘭州段流域各產業結構優化評價結果

圖2 黃河蘭州段流域產業優屬度大小排序圖

4 結果與討論

4.1 產業結構合理性評價結果分析

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

表6 黃河蘭州段流域產業發展類別

從行業與水環境承載力的關系來看，不適合流域發展的石油、煤炭及其他燃料加工業、化學原料和化學制品制造業等污染負荷比大、廢水污染物排放量大的產業，這些產業會持續增加水環境的壓力，應逐步限制其發展；而適合流域發展的橡膠和塑料制品業、專用設備制造業等對當地水環境污染小、經濟貢獻高的產業，應繼續加大支持力度。這與優屬度大小排序圖得出的結論一致。

4.2 產業布局現狀與優化調控

依據企業分布情況和水環境承載力6個斷面對蘭州市中心城區產業布局現狀進行劃分，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 黃河蘭州段流域區間分布圖

扶河橋—新城橋段主要受上游連海經濟開發區的影響，分布有非金屬礦物制品業、醫藥制造業和電力、熱力生產和供應業。近期可發展電力、熱力生產和供應業，但是要合理控制產業規模并且加快產業結構的轉型升級，使產業綠色化，促進產業的持續發展。長期應加快發展醫藥制造業和非金屬礦物制品業。

新城橋—銀灘黃河大橋段臨近西固區，而西固區是蘭州的石油化工基地，是排污重點區域。涵蓋水的生產和供應業，化學原料和化學制品制造業，酒、飲料和精制茶制造業，食品制造業，生態保護和環境治理業等。近期發展仍以化學原料和化學制品制造業為主，但是應該控制產業的規模，加快產業技術的升級，減輕其對水環境的壓力。限制酒、飲料和精制茶制造業，食品制造業發展，保護當地的水環境安全。而長期仍需考慮水環境的需要，可發展水的生產與供應業、生態保護和環境治理業。

銀灘橋—中山橋段涉及酒、飲料和精制茶制造業及醫藥制造業。近期可繼續發展原有酒、飲料和精制茶制造業、醫藥制造業等，未來適當引進節能環保高新技術等相關產業，如新材料研發、數據信息等行業。

中山橋—包蘭橋段涉及醫藥制造業、水的生產和供應業、生態保護和環境治理業及化學原料和化學制品制造業等。考慮到該區域對蘭州市的經濟貢獻較大，近期可發展化學原料和化學制品制造業，但應該盡快進行產業技術升級，改良工藝，提高水的重復利用率，減少污染物的排放，實現該產業與水環境的協調發展。遠期可繼續發展原有醫藥制造業、水的生產和供應業及生態保護和環境治理業等。

包蘭橋—什川橋段除了附近企業外，主要受到榆中和平工業園區的影響。分布有色金屬冶煉和壓延加工業、生態保護和環境治理業、食品制造業及科技推廣和應用服務業等。近期可發展食品制造業等行業，但是應該限制其規模，加快產業升級，實現產業與水環境的長期發展。遠期可發展有色金屬冶煉和壓延加工業與較為環保的科技推廣和應用服務業、生態保護和環境治理業等，保護當地的水環境安全。

5 結論

為促進黃河蘭州段流域高質量發展，文章從產業結構與水環境承載力的關系方面構建了水環境承載力、資源和經濟綜合評價指標體系，運用模糊綜合評價優選模型對流域的產業結構進行了合理性選擇。結果表明：適合長期發展的產業有煙草制品業、非金屬礦物制品業等；適合近期發展，但需要控制的產業有食品制造業，酒、飲料和精制茶制造業等；需限制發展或逐漸淘汰的產業有農副食品加工業、化學原料和化學制品制造業。

通過分析水環境承載力與產業結構之間的關系發現，不適合流域發展的產業主要是等污染負荷比大、廢水污染物排放量大的產業，這些產業會持續增加水環境的壓力并且阻礙社會經濟的可持續發展，應該限制其規模。文章研究內容主要集中在對工業結構的評價上，未來可以在考慮工業基礎上將服務業和農業等行業也納入進來，對它們之間的關聯性展開研究。此外，水環境承載力不僅可以與產業結構聯系起來，還可以與空氣、土壤等自然因素聯系起來，這也將成為今后研究的重點。