基于水环境承载力的黄河兰州段流域产业选择＊

宋玺琛，宋小三，杜 森

（兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

随着社会经济的发展，产业结构逐渐复杂化和多元化，其结构的不合理造成水环境问题会阻碍社会经济的可持续发展[1-3]。水环境承载力是反映区域水环境质量和产业结构合理性的重要指标[4-5]。因此，提高区域的水环境质量，实现区域产业结构合理化和经济增长持续化，就要对其展开深入的研究[6-12]。目前国内外对水环境承载力的研究大多是对某一区域的水环境承载力进行评价[13-20]，崔丹等[21]通过控制断面的水质影响路径分析建立了结构方程模型，利用向量模法评价了湟水流域水环境承载力；黄天炎和唐莲[22]利用优化改进的BP网络结构对泾河流域水环境承载力进行了合理评价。在研究内容上，水环境承载力与城市建设方面联系较少，与产业选择之间关系的研究更是亟待发展[23-27]。

为了使兰州市产业的结构和布局合理化，减轻流域水环境的压力，促进黄河兰州段流域高质量发展，文章从产业结构与水环境承载力的关系方面构建了水环境承载力、资源和经济综合评价指标体系，选取了多项代表性指标构建了模糊综合评价优选模型，根据优属度（u）评价结果对该流域的产业进行了合理性选择。提出了该流域产业布局优化调控建议，为协调兰州市水环境、资源和经济的可持续发展提供决策依据。

1 研究区域概况

兰州（102°36′～104°34′E，35°34′～37°07′N）是甘肃省的省会城市，位于黄河上游[28]。黄河由八盘峡的岔路村流入兰州市区，经西固区、安宁区、七里河区、城关区，流经皋兰县南部和榆中县北部至乌金峡出境（图1）。黄河兰州段水域中扶河桥、新城桥、包兰桥、什川桥4个断面水质均为Ⅲ类及以上，湟水桥断面水质未达到地表水Ⅲ类水标准，主要的污染物质为化学需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）。

图1 黄河兰州段主流断面地理位置图

2 研究方法与数据来源

2.1 数据来源

文章所采用的数据来源于《2021年兰州市统计年鉴》《2021年兰州市国民经济和社会发展统计公报》《2021年兰州市环境状况公报》《兰州市第二次全国污染源普查公报》《2021年甘肃省统计年鉴》《兰州市第四次全国经济普查公报》及兰州市生态环境局（http://sthjj.lanzhou.gov.cn/）等相关网站的资料数据。

2.2 指标体系建立

2.2.1 水环境承载状况评价指标构建

文章根据黄河兰州段流域内行业的污染等标负荷比判断该行业对水环境的影响力，其中等标负荷比为K，Pn为所有行业的等标负荷，Pi为行业i的污染等标负荷，K越大，则说明该行业对水环境的影响程度越大。

式中：j为化学需氧量、氨氮等污染物，coj为第j种污染物的标准排放浓度，cj为第i种产业排放的第j种污染物的浓度，Qi为第i污染物的排放量。

2.2.2 水环境、资源和经济评价指标构建

产业结构的合理性主要体现在水环境、资源和经济3个方面。对水环境的干扰程度可以从污染等标负荷比和万元产值COD排放量上去体现；对区域资源的索取程度可以从万元产值能耗和万元产值耗水量上去体现；对区域的经济贡献程度可以从在岗职工人员数、产值利税率、全员劳动生产率上去体现，具体的评价指标汇总见表1。

表1 黄河兰州段流域产业结构合理性指标选取

2.3 产业选取

产业选取的原则主要有[29]：排放废水污染物等对当地水环境影响较大的产业；生产总值较高等对当地经济贡献较大的产业；政府规划发展的重点产业等。

根据上述选取原则，对黄河兰州段流域的重点产业进行筛选，选取的重点行业包括食品加工、烟草、印刷、石油、化工钢铁、冶金、装备制造和电力、热力和燃气等行业，具体行业见表2。

表2 黄河兰州段流域重点行业选取

2.4 模型的构建

模糊综合评价方法是在评价事物每一个影响因素的基础上，对所有影响因素进行综合模糊评价，由于其操作简单，已经成为一种被广泛使用的方法，Wang等[30]将系统动力学模型与模糊综合评价结合，定性测量了长春市水资源承载力。合理的产业结构对实现社会经济、资源和水环境的可持续发展具有重要作用，其合理性主要体现在对水环境的影响状况、对资源的索取程度和对社会的经济贡献[31-36]。文章以黄河兰州段流域为基本单元，通过反映水环境承载力、资源效率和经济效益3个方面7项指标构建模糊综合评价优选模型，对流域产业结构进行合理性评价，根据流域内各产业的优属度进行排序，在此基础上提出产业结构优化调整建议。

3 模型的计算

3.1 模糊评价矩阵的构建

以选取的16个行业和反映水环境、资源和经济的7项指标构建模糊评价矩阵，矩阵中的xij表示i行业的第j项评价指标。

由此得到这16个行业7项指标的综合评价矩阵见表3，其中污染等标负荷比由公式（3）计算，其余数据均为查找所得。

表3 目标指标集的模糊综合评价矩阵

3.2 对指标的规格化处理

由于指标之间的单位不一样，要进行指标之间的比较，就要对这7项指标的单位从相对隶属度的角度进行规格化处理。

对已知的黄河兰州段流域在岗职工人员数（万人）、全员劳动生产率（万元/人·年）、产值利率税（元/万元）3项指标，rij值越大，表示其对产业结构优属度越大，有

对已知的万元产值耗水量（m3/万元）、万元产值能耗（m3天然气/万元）、万元产值COD排放量（kg/万元）、污染等标负荷比4项指标，rij值越小，其对产业结构的优属度越大。

式中：rij表示第i个行业第j项指标对产业结构的优属度，max（xij）表示在所有行业中指标j的最大值，min（xij）表示在所有行业中指标j的最小值。

由公式（4）、（5）计算得到这16个行业7项指标的相对隶属度矩阵见表4。

表4 指标化处理数据

3.3 构建各目标产业的模糊综合评价优选模型

设第i个产业的优属度为ui，对7项指标运用层次分析法进行权重分配，将环境影响较大的产业在权分配时放在靠前位置，权重向量W依次为0.139、0.111、0.167、0.222、0.056、0.028、0.083，用广义加权距离D（ri）表示目标i距产业结构优的距离。

以建立目标函数值的形式求解ui，最终求得的ui可表示为

式中：p为距离参数，p=1表示海平距离。

3.4 黄河兰州段流域产业结构合理性评价结果

根据公式（7）计算各产业结构优属度，见表5。根据优属度计算结果对各产业合理性进行排序，如图2所示。

表5 黄河兰州段流域各产业结构优化评价结果

图2 黄河兰州段流域产业优属度大小排序图

4 结果与讨论

4.1 产业结构合理性评价结果分析

从黄河兰州段流域行业优属度大小排序图上可以看出，适合黄河兰州段流域长期发展的产业主要是烟草制品业、非金属矿物制品业、印刷和记录媒介复制业、计算机、通信和其他电子设备制造业、有色金属冶炼和压延加工业、医药制造业、专用设备制造业、金属制品业、金属制品、机械和设备修理业和橡胶和塑料制品业，而不适合黄河兰州段流域长期发展的产业主要是食品制造业、酒、饮料和精制茶制造业、石油、煤炭及其他燃料加工业、电力、热力生产和供应业、农副食品加工业和化学原料和化学制品制造业。根据黄河兰州段流域行业优属度大小排序图把产业大致分为3类：需要长期发展的（u≥0.659）；近期发展，但是需要进行控制（0.588≤u＜0.659）；需要进行逐步淘汰和限制发展的（u＜0.588），具体见表6。

表6 黄河兰州段流域产业发展类别

从行业与水环境承载力的关系来看，不适合流域发展的石油、煤炭及其他燃料加工业、化学原料和化学制品制造业等污染负荷比大、废水污染物排放量大的产业，这些产业会持续增加水环境的压力，应逐步限制其发展；而适合流域发展的橡胶和塑料制品业、专用设备制造业等对当地水环境污染小、经济贡献高的产业，应继续加大支持力度。这与优属度大小排序图得出的结论一致。

4.2 产业布局现状与优化调控

依据企业分布情况和水环境承载力6个断面对兰州市中心城区产业布局现状进行划分，分为扶河桥—新城桥段、新城桥—银滩黄河大桥段、银滩桥—中山桥段、中山桥—包兰桥段、包兰桥—什川桥段，如图3所示。

图3 黄河兰州段流域区间分布图

扶河桥—新城桥段主要受上游连海经济开发区的影响，分布有非金属矿物制品业、医药制造业和电力、热力生产和供应业。近期可发展电力、热力生产和供应业，但是要合理控制产业规模并且加快产业结构的转型升级，使产业绿色化，促进产业的持续发展。长期应加快发展医药制造业和非金属矿物制品业。

新城桥—银滩黄河大桥段临近西固区，而西固区是兰州的石油化工基地，是排污重点区域。涵盖水的生产和供应业，化学原料和化学制品制造业，酒、饮料和精制茶制造业，食品制造业，生态保护和环境治理业等。近期发展仍以化学原料和化学制品制造业为主，但是应该控制产业的规模，加快产业技术的升级，减轻其对水环境的压力。限制酒、饮料和精制茶制造业，食品制造业发展，保护当地的水环境安全。而长期仍需考虑水环境的需要，可发展水的生产与供应业、生态保护和环境治理业。

银滩桥—中山桥段涉及酒、饮料和精制茶制造业及医药制造业。近期可继续发展原有酒、饮料和精制茶制造业、医药制造业等，未来适当引进节能环保高新技术等相关产业，如新材料研发、数据信息等行业。

中山桥—包兰桥段涉及医药制造业、水的生产和供应业、生态保护和环境治理业及化学原料和化学制品制造业等。考虑到该区域对兰州市的经济贡献较大，近期可发展化学原料和化学制品制造业，但应该尽快进行产业技术升级，改良工艺，提高水的重复利用率，减少污染物的排放，实现该产业与水环境的协调发展。远期可继续发展原有医药制造业、水的生产和供应业及生态保护和环境治理业等。

包兰桥—什川桥段除了附近企业外，主要受到榆中和平工业园区的影响。分布有色金属冶炼和压延加工业、生态保护和环境治理业、食品制造业及科技推广和应用服务业等。近期可发展食品制造业等行业，但是应该限制其规模，加快产业升级，实现产业与水环境的长期发展。远期可发展有色金属冶炼和压延加工业与较为环保的科技推广和应用服务业、生态保护和环境治理业等，保护当地的水环境安全。

5 结论

为促进黄河兰州段流域高质量发展，文章从产业结构与水环境承载力的关系方面构建了水环境承载力、资源和经济综合评价指标体系，运用模糊综合评价优选模型对流域的产业结构进行了合理性选择。结果表明：适合长期发展的产业有烟草制品业、非金属矿物制品业等；适合近期发展，但需要控制的产业有食品制造业，酒、饮料和精制茶制造业等；需限制发展或逐渐淘汰的产业有农副食品加工业、化学原料和化学制品制造业。

通过分析水环境承载力与产业结构之间的关系发现，不适合流域发展的产业主要是等污染负荷比大、废水污染物排放量大的产业，这些产业会持续增加水环境的压力并且阻碍社会经济的可持续发展，应该限制其规模。文章研究内容主要集中在对工业结构的评价上，未来可以在考虑工业基础上将服务业和农业等行业也纳入进来，对它们之间的关联性展开研究。此外，水环境承载力不仅可以与产业结构联系起来，还可以与空气、土壤等自然因素联系起来，这也将成为今后研究的重点。