水环境容量约束下的太湖流域产业集聚空间优化

赵海霞 ,王 梅 ,段学军 (.中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 0008；.武汉市规划研究院土地利用规划所,湖北 武汉 430000)

产业集聚是指在某个领域内大量产业关联密切的企业与相关机构在空间上集聚的现象[1].目前,许多学者从产业集聚与经济增长、技术创新等关系出发,分析了产业集聚产生的集聚经济、外部经济、范围经济等正面外部效应[2-4],指出产业集聚有利于加快规模经济发展和区域产业竞争力的提升,并实现资源集约利用、环境污染集中治理,因而,集聚发展往往都是被鼓励的.然而,在一定的技术水平下,受有限的区域环境容量约束,当产业过度集聚并超过环境可承载的限度时,非但不利于环境污染的集中治理,反而会引起区域环境质量的下降与恶化,环境治理成本的急剧上升[5-6].因此,不适当或过度的产业集聚具有环境的负外部性.

Freeman[7]1993年提出产业集聚要研究其与环境外部性的相互作用,并考虑区位、生产等因素与环境污染的作用关系.目前,国内外关于产业集聚与环境问题的相关研究可归纳为两方面:一是产业集聚及其空间布局对区域生态环境的影响[5-6,8-12];但多局限于产业集聚与环境污染相互关系的定性识别,而产业集聚对环境影响的内在机理缺乏深入研究.二是水环境容量对产业集聚区的约束影响,认为产业集聚区的区位选择需要顾及水环境容量的约束.通过水资源量和水文特征等测算水环境容量,运用排污总量控制、约束产业的排污行为[13-16],也有学者基于水环境综合管理进行水生态环境分区[17],进而根据水环境容量的空间分异协调工业生产力宏观布局[18],但仍局限于大流域尺度、产业发展空间的宏观调控[19-21].目前,从微观尺度,如根据小流域或乡镇(街道)行政单元进行水环境容量的分区评价,进而对产业集聚空间优化调整的定量研究仍不多见.

近年来,随着社会经济的快速发展,太湖流域产业不断集聚,重污染、中污染行业、企业均在沿太湖及重要河流两侧形成明显的空间集聚态势,对其周边的生态环境尤其是水体环境形成了较为严重的破坏,造成水质性缺水问题凸显[22-24].虽然自1998年以来,流域实施了包括“零点行动”在内的一系列专项治理行动,但湖体水质恶化未得到根本遏制[25].大量研究表明:太湖流域水质环境的演变受自然、人口、社会、经济等多方面因素影响,其中,产业集聚的影响不应忽视.未来太湖流域经济仍将持续快速增长,根据水环境容量约束引导与控制产业空间集聚,对太湖流域水环境的综合整治意义重大.因此,本文以太湖流域江苏部分为案例区,选取与产业集聚关系最为密切的水环境容量来研究集聚的空间优化机理与对策,以期为产业集聚与水环境容量之间关联机理的探讨提供新的视角,也为转型时期太湖流域的产业集聚空间优化调整提供理论依据.

图1 研究区区域范围Fig.1 The study area

1 案例区概况

太湖流域地处长江三角洲南翼,辖江苏、浙江、上海和安徽3省1市,总面积3.69万km2.其中,江苏省太湖流域总面积(含太湖湖体)为1.94万km2,包括苏州、无锡、常州三市和镇江、南京二市部分乡镇.本研究区为江苏省太湖流域的苏锡常部分,占太湖流域总面积的52%(图1).该区区域经济发达,工业化、城市化水平一直在江苏省处于领先地位.2008年,全区常驻人口1964.09万人,占江苏省的25.6%,GDP14651亿元,占全省的44.2%,城市化率为65.3%,高于全省11个百分点.工业经济仍是区域 GDP的主要来源,其中电子、机械、化学、冶金、纺织和食品六大行业的工业产值占工业总产值的85%以上.

2 研究方法与数据来源

采用环境地理学的理念对水环境容量进行分区评价,解释其空间分布规律;然后与彰显产业集聚特点污染因子的关系进行叠加分析,依据环境容量支撑强度—产业集聚压力的对应关系,划分产业集聚空间优化类型区.

2.1 环境容量分区评价方法

水环境容量也称纳污总量,其内在决定要素主要是水文条件和水体物理、化学、生物特性以及水环境功能分区的水质要求、水体使用功能,同时,流域地理条件及其向外开放性也对有较大影响,是自然参数和社会参数的多变量函数.

2.1.1 评价指标对同一流域来说,很多特征指标具有相似性(例如特征污染物的降解能力等).因此,根据多指标的区域差异进行的水环境容量评价是相对水环境容量的概念.根据太湖流域水环境的特征,选取地貌特征、水质目标、水体通达性、清水通道、现状水质指标作为表征水环境容量的指标.

(1) 地貌特征(高程、坡度和河网密度).不同地貌类型持水和排水能力不同,对水环境容量产生的影响也不一致.山地丘陵地区,地貌坡度大,河网密度小,径流对地面冲刷较强,水土易于流失,大大削弱水环境的容量;地势低洼地区,尾水外排能力差,水体自净能力弱;平原河网地区水流通畅,水网密度大,污染物的扩散、削减能力较强.

(2) 水质目标.是在一定时间段内,为保证水体质量和水域使用目的而制定的水功能区划.按照《江苏省地表水(环境)功能区划》的标准,分别对不同水质目标进行评价,水质目标越高的区域容纳水环境污染的能力越低,对水环境容量的压力也越大.

(3) 现状水质指标.指水体中某种污染物的浓度,可表征水域功能(纳污能力)已被使用的情况.现状水质指标越高,表明对水环境容量的压力越大.

(4) 水体通达性.是指河流水系与外围水系的通达性,间接表征了污染排放路径的通畅程度,与外界大容量水体交换条件较好的区域纳污能力较强,对水环境容量的压力较小.

(5) 清水通道.是指跨流域调水和清洁水源的输送通道,水质要求较高,水源安全保障的约束较强,其经过的地区水环境纳污能力较差,对水环境容量的压力大.苏锡常区域主要的清水通道有望虞河、新孟河、太浦河等.

2.1.2 指标权重 指标权重的确定主要考虑差异性和重要性,为使结果更准确和科学,通过特尔非法来确定标度值,选择相关专业的专家及相关部门的专业技术人员对各指标的重要性程度进行打分,通过对打分样本进行有效性和收敛结果分析,确定水环境容量指标的重要性排序为水质目标(0.30)＞现状水质(0.25)＞水体通达性(0.20)＞清水通道(0.15)＞地貌特征(0.10).运用GIS的空间叠加分析法,根据指标赋值和权重,采用加权因子法计算各乡镇单元得分:

式中: i为乡镇单元编号;k为评价因子;Bki为第i个单元的第k个评价因子分值;Wk为k评价因子的权重值; Si为第i个单元的水环境容量综合评价得分.

表1 水环境容量评价指标权重及赋值Table 1 Power and standard of indicators for water environment capacity

2.1.3 行政区与自然边界叠置方法 采用RS与GIS等数字化方法划分小流域.同时,为了分区方案和产业集聚空间优化及其管制要求更具操作性,需要将以流域为单元的水环境容量分区评价结果通过多边形叠置分析法转化到乡镇行政单元,实现评价单元统一.具体转化算法如式(2)所示[21].

式中:Wi是指行政单元i的某自然属性指数;AWij是指行政单元 i内第j个小流域单元的面积;Ai是行政单元的总面积;Sj是第j个小流域单元的某自然属性指数.

2.2 产业集聚空间优化类型区划分

利用ArcGIS空间分析工具,分别将水环境容量指数与农业污染排放强度、工业污染排放强度进行叠加分析,根据环境容量与污染强度指数的空间耦合关系将其划分为重点调整区、优化调整区和一般调整区.

2.3 数据来源与处理

通过实地调研,收集到研究区水环境数据、2006年含186个乡镇(街道)单元的太湖流域行政区划图.其中,水环境数据主要包括水质目标及现状、行业污染排放.水质目标及现状主要来源水资源公报[27],同时参考江苏省水(环境)功能区划;行业污染数据主要为农业面源污染与工业点源污染排放,根据2007年污染源普查数据整理分析.

为了消除各指标之间的量纲差别,采用极差标准化方法.

式中:Xij是i项指标j乡镇标准化后的数值;ximax是i项指标中最大值;ximin是 i项指标中的最小值;xij是i项指标j乡镇的初始值.

3 研究结果

3.1 水环境容量分区评价

通过指标的综合评价,确定各流域单元的水环境容量指数,然后将流域单元的水环境容量指数转换到乡镇单元,并采用聚类分析方法将 186个乡镇单元划分高、较高、中、低、较低5个等级(图2).总体上,水环境容量从东北沿江区域向西南沿湖地区逐步递减.

图2 水环境容量分区Fig.2 Water environmental capacity partitions蓝色部分为水体,下同

水环境容量高和较高的区域主要位于沿江平原地区.其中苏州市的太仓市、常熟市、张家港的部分乡镇和常州市的戚墅堰区是水环境容量最高的区域;吴江市、苏州市区,常州市区、金坛市部分乡镇及江阴市、无锡市区部分街道、张家港市的大部分乡镇是水环境容量较高的区域.该区域总体上拥江呈带状分布格局,由于水体通达性好,交换能力强,水环境承载力比较高.

水环境容量低和较低的区域主要分布在太湖、滆湖和长荡湖沿岸以及西南部丘陵地区.受饮用水源、清水通道及沿湖重要湿地保护区的影响,水环境较为敏感,对社会经济发展的承载能力低.水环境容量中等的地区则零星分布在各市区,主要以无锡市区、宜兴市区为主.

3.2 产业集聚与水环境容量的关联性

产业集聚带来的产业地域分工和空间重组与生态环境变化有密切的相关性[27].因此,产业集聚区的区位选择需要顾及环境容量的约束[28].水环境容量作为生态环境的重要组成部分,通常作为基于水体自净和环境纳污能力的维护而形成对区域开发的排污行为的限制[29],对特定区域的产业集聚格局具有一定的限制作用[30].有研究认为产业集聚空间布局不合理是造成长江三角洲地区水资源短缺和环境污染日益严重、生态安全受威胁的主要原因[31],而合理的工业布局是协调工业发展和水环境污染的重要措施[32].因此,需根据主要河流水环境容量地域分异规律划分水环境容量区,据此提出水污染控制与管理策略[33].

目前,太湖流域的产业集聚格局不断显现,污染密集型企业沿江、沿湖的重要河流两侧形成明显的空间集聚态势,对水环境尤其是太湖水体保护压力很大.从农业面源污染和工业点源污染分布格局可以看出(图3和图4),产业集聚产生的污染相对比较集中,主要分布在常州市天宁区、新北城区以及戚墅堰区的乡镇,无锡的崇安区,北塘区,惠山区的洛社镇、前洲镇和玉祁镇,锡山区的安镇镇、江阴市区,苏州虎丘区、工业园区、张家港徐舍镇、昆山市巴城镇和玉山镇、常熟市港区以及吴江市盛泽镇等,总体上以太湖、滆湖及长荡湖沿岸乡镇为主,对太湖流域保护区和沿湖重要湿地、清水通道的保护产生很大压力,而且产业污染的分布格局与水环境容量的空间分布不吻合.因此,基于水环境容量的约束,太湖流域产业集聚空间有进一步优化的可能.

图3 农业污染空间分布Fig.3 Spatial distribution of agricultural pollution

图4 工业污染空间分布Fig.4 Spatial distribution of industrial pollution

3.3 水环境容量约束下的产业集聚空间优化

3.3.1 农业集聚空间优化布局及管制要求 通过水环境容量指数与农业面源污染强度的叠加分析,将水环境容量较低且农业污染重的区域划分为重点调整区;水环境容量高且农业污染重、水环境容量低且农业污染轻的单元划分为优化调整区;水环境容量高且农业污染轻的单元划分为一般调整区(图5).

(1) 重点调整区.主要位于太湖一级保护区、滆湖、长荡湖沿岸及溧阳市部分乡镇.该区农业发达,农业化肥、农药使用量高,农业面源污染比较明显,而且水环境敏感性强,农业活动对水环境影响大,发展高效、生态安全农业;推广使用生物有机肥和低残留高效农药,实行规模化清洁养殖,控制农业面源污染.

(2) 优化调整区.位于太湖二级保护区及南部山丘岗地区.本区种植业较为发达,目前对水环境虽未造成较大影响,但是由于区域水生态恢复能力差、水环境污染风险大.大力发展高效、生态安全农业,重点发展郊区无公害、绿色、有机农产品;突出发展与水源涵养、生态防护等功能的林业经济;控制水库、塘坝养殖规模,减少投饵强度,有效控制地表径流氮磷污染.

图5 农业集聚空间优化分区Fig.5 Optimization of agricultural cluster partitions

(3)一般调整区.主要分布在常州、无锡、苏州的市区及太仓市、吴江市的大部分乡镇,以及宜兴市区周边的乡镇单元.水环境容量较高,土壤肥沃、农业发达.建设绿色食品基地和标准化的绿色农产品加工基地,优化现有种植业结构,农用化学品投入减量化;实行规模化清洁养殖,同时要因地制宜地发展林果业.

3.3.2 工业集聚优化布局及管制要求 通过水环境容量指数与工业点源污染强度的叠加分析,将水环境容量低且工业污染重的单元划分为重点调整区;水环境容量高且工业污染重、水环境容量低且工业污染轻的单元划分为优化调整区;水环境容量高且工业污染轻的单元划分为一般调整区(图6).

(1) 重点调整区.主要分布在常州、无锡、和苏州的中心城区.该区经济发达,工业化水平高,而且纺织、化工、造纸、钢铁、电镀和食品制造业等传统污染密集型企业比较集中,工业的集聚发展排污强度大,对水生态系统影响大.重点专项整治重污染工业企业:用高新技术改造提升规模以上的重点污染企业生产工艺水平;采取“淘汰、改造、集中”的方式综合整治规模以下的重点污染企业.

表2 工业集聚空间优化Table2 Optimization of industry cluster partition space

(2) 优化调整区.主要位于太湖一、二级保护区范围内以及重点调整区的外围,水环境敏感性强.优化产业结构,工业向园区集中,对企业实行强制性清洁生产审核,建设生态工业园、发展循环经济;确保望虞河、德胜河等清水廊道沿岸工业企业限期搬迁,提高企业进入本区的环境门槛.

(3) 一般调整区.主要位于水文调蓄农业生态区和水土保持生态功能区,整体上属于限制开发区.限制乡镇工业集中区规模盲目扩大,改造、搬迁或关闭污染较重的企业,腾出环境容量和发展空间;适当放宽产业准入门槛,严格要求污染物达标排放;禁止或限制开山采石、布置矿点.

图6 工业集聚空间优化分区Fig.6 Optimization of industry cluster partitions

4 结论

4.1 太湖流域(苏锡常)的水环境容量地域差异性较大,呈现从东北沿江地区向西南沿湖地区逐步递减的格局.水环境容量较高的地区主要包括常州和苏州的太仓市、常熟市、张家港和戚墅堰的沿江平原地区,由于水体通达性好,交换能力强,水环境承载力比较高.而太湖、滆湖和长荡湖沿岸以及西南部丘陵地区则是水环境容量相对较低的区域,受饮用水源、清水通道及沿湖重要湿地保护区的影响,水环境较为敏感,对社会经济发展的承载能力低.

4.2 太湖流域(苏锡常)产业集聚引起的污染总体上以太湖、滆湖及长荡湖沿岸乡镇分布较多,对太湖流域保护区和沿湖重要湿地、清水通道的保护产生很大压力,与水环境容量的空间分布格局不吻合.

4.3 农业集聚空间优化要重点调整位于太湖一级保护区、滆湖、长荡湖沿岸区域的农业发展,着力发展高效、生态安全农业,控制农业面源污染;优化调整位于太湖二级保护区及南部山丘岗地区,重点发展郊区无公害、绿色、有机农产品,有效控制地表径流污染;一般调整常州、无锡、苏州市区的农业发展,优化现有种植业结构,农用化学品投入减量化,实现农业集聚空间布局的优化.

4.4 工业集聚空间优化要重点调整常州、无锡和苏州中心城区的工业发展,整治重污染工业企业,用高新技术改造提升规模以上的重点污染企业生产工艺水平,采取“淘汰、改造、集中”的方式综合整治规模以下的重点污染企业;优化调整太湖一、二级保护区范围内以及重点调整区外围,优化工业结构,发展循环经济,确保望虞河、德胜河等清水廊道沿岸工业企业限期搬迁,提高企业进入门槛;而对于一般调整区则限制乡镇工业集中区规模盲目扩大,改造、搬迁或关闭污染较重的企业,腾出环境容量和发展空间,严格要求污染物达标排放,禁止或限制开山采石、布置矿点.

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