水环境约束下的微山县产业结构优化调整研究

李春林 胡远满 赵明华 刘 淼

（1.中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室，辽宁沈阳 110164;2.中国科学院大学，北京 100049;3.山东师范大学人口·资源与环境学院，山东 济南 250014）

随着社会经济的快速发展，水资源的短缺和水环境的污染己成为世界各国最为突出的社会问题之一，许多国家都面临着水环境污染的严重威胁。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，而且严重危害着人们的身体健康［1］。因为水资源短缺与水环境污染，每年给我国工业造成的损失达2 000亿元，给农业造成的损失达1 500亿元［2］。但随着我国经济的高速发展，目前和今后一个相当长的时期内的经济产业结构仍会以污染较重的农业和工业为主［3］。未来我国的水环境状况十分严峻，水环境已经并将继续成为制约我国很多地区社会经济发展的重要因素。

我国对产业结构的研究相对较晚，绝大多数研究成果都是针对具体区域的实证分析，研究主要集中在产业结构调整与资源消耗［4－5］、产业结构调整与环境污染［6－8］、产业结构调整与可持续发展［9－10］这3个方面，产业结构的研究已经开始在单纯研究产业结构对经济增长的过程中考虑产业结构对环境质量的影响问题。但是目前，学术界的研究大多集中在有关产业结构与环境保护或可持续发展关系方面，并且研究区域内产业结构与资源或环境污染物排放的文献比较多，如能源消耗或二氧化碳排放问题。而对如何进行产业结构调整以减少污染排放、节约水资源和促进经济可持续发展的系统分析很少。

1 研究区概况

微山县是山东省济宁市辖下的行政县，位于山东南部，与江苏省徐州市交界，东依邹滕丘陵，西临苏北平原，中间为微山湖、昭阳湖、独山湖、南阳湖四湖，统称南四湖，是我国北方最大淡水湖泊，面积为1 266 km2。

1.1 微山县污染状况

2004－2008年，南四湖的水质状况正在逐渐改善，由水质达标率44.2%上升到现在的85%，但仍然存在Ⅴ类和劣Ⅴ类水质，未达到南水北调的水质要求。

1.1.1 农业污染源状况

在南四湖流域种植业发展过程中，为了增加农作物单位面积产量和农业效益，大量施用化肥、农药及地膜。2007年，微山县种植业施用肥料总数为477.1 t/年，每亩耕地用肥量为1.15 kg（折纯量），以氮肥、五氧化二磷、氧化钾为主。微山县2007年的农药施用总量约为0.22 t，其中乙草胺的用量最大，为0.128 t，占农药总量的58%。微山县农药、化肥使用量逐年增加，但利用率较低，不合理使用化肥，导致土壤板结、地力下降，加剧了河流和湖泊水体的富营养化。

秸秆是农作物在收获籽实后的剩余部分，是一种具有多用途的可再生的生物资源，微山县每年产生的秸秆总量为 1 370 t，其中1 022.43 t用来还田，87.85 t被用来堆肥，有效利用量占总量的81%，有效利用率比较高。

水产养殖是沿湖居民的重要产业，由于饲料和农药化肥直接投入水体，会对南四湖水环境有较大的影响。水产养殖的主要方式是池塘养殖和网箱养殖，池塘养殖虽然与湖水相隔，但池塘水排入农田后，最终仍会流入湖中。2010年微山县排入农田的池塘养殖用水有4 500万m3，而且池塘养殖会大量投放饲料和药物化肥，如2010年，池塘养殖的饲料总使用量是2.6万t，药物总使用量为70 t，化肥使用量为150 t，这将会使池塘水富营养化严重，最终污染到南四湖水质。网箱养殖虽然基本不用投放饲料、药物、肥料等，但由于是直接在南四湖水中养鱼，对湖水有直接的影响。

1.1.2 工业污染源状况

微山县工业排污主要集中在煤炭开采、食品加工、化工和医药等10类行业，此10类行业排放了占总量66.5%的废水、65.4%的COD及29.2%的氨氮（见表1）。废水排放量最多的是煤炭开采和洗选业，占全县废水排放量的60.7%;COD排放量前3位的依次是煤炭开采和洗选业、农副食品加工业和食品制造业。微山县的企业主要以煤炭开采和洗选业、农副食品加工业和化学原料及化学制品制造业为主，因而污染企业个数也是这三个行业最多，占总数的35.1%。从万元产值废水排放量来看，最多的是造纸及纸制品业，每万元产值排放37.4 t废水;医药制造业每万元产值废水排放量为28.5 t，位列第二;而总量最大的煤炭开采和洗选业废水排放量为8.54 t/万元。由此可见，该地区工业结构性污染较为突出。

表1 微山县主要污染行业污染情况

1.2 微山县产业结构状况

1.2.1 产业结构总体状况

改革开放初期的微山经济结构单一，农业占据了国民经济很大比重，工业几乎是空白，三次产业结构极不合理，严重制约了经济协调发展。经过三十多年的经济发展和结构调整，社会经济发生了巨大变化，产业结构得到优化。在济宁市的12个区县中，微山县2010年的GDP总量处于第3位，达243.7亿元，其中第一二三产业产值分别为27.8亿元、123 亿元、92.9 亿元，人均 GDP 处于第 5 位，为33 894元。目前微山县经济水平处于济宁市的中上游，形成了以工业主导经济发展，二三产业共同推动经济增长的新格局。

1.2.2 比较劳动生产率状况

比较劳动生产率等于某产业产值的比重与该产业就业比重的比值，它反映1%的劳动力在该部门创造的产值（或收入）比重。比较劳动生产率越高，表明本部门的产值与劳动力比值越大。第一产业和第二、三产业的比较劳动生产率的差距越大，经济的二元性越显著。各产业之间的比较劳动生产率越接近，表示产业结构越协调，产业结构效益越高。

从图1中可以看出，微山县第一产业比较劳动生产率从1978－1990年在缓慢上升，1990－2007年则在缓慢下降，说明近17年微山县第一产业仍存在大量的剩余劳动力没有转移出去，从而使第一产业的劳动生产率不断降低，因此微山县经济发展的一个重要方面就是合理解决一产的剩余劳动力问题。从改革开放以来，微山县第二三产业的比较劳动生产率整体呈波动下降趋势，但两者又有所不同。微山县第二产业比较劳动生产率由1978年的5.64下降到1985年的2.67后，从1985－2007年总体在2－3的范围内波动。而第三产业的比较劳动生产率从2001－2007年呈现不断下降趋势，主要原因是就业人员增长幅度大大高于第三产业在GDP中比重的增长幅度，就业人员数量不断增长，说明第三产业具有很大的就业吸纳力。

世界经济发展的历史表明，产业之间比较劳动生产率逐渐缩小，是不发达国家与地区经济发展中结构变动的必然趋势。根据经验，一个地区如果产业结构比较优化而且协调，那么其各次产业的比较劳动生产率都在标准值1上下波动（例如英国）［11］。而微山县第三产业比较劳动生产率正逐渐趋向于1发展，表明沿海地区第三产业就业结构和产业结构正逐渐趋向协调发展，但第一二产业还需要进一步进行产业结构优化和调整。

2 水环境约束下的微山县多目标优化模型

图1 微山县比较劳动生产率状况

当今社会，经济社会的发展不光要实现经济的增长，更重要的是要保证环境不受破坏和污染，最终实现经济社会发展和生态环境保护双赢的发展状态。因此本文选用多目标优化模型，把经济增长目标和污染控制目标作为该模型的两大目标，选择与水环境和产业结构调整有关的多个指标作为约束条件，建立起多目标优化模型，从而求解适合微山县发展的优化方案。

2.1 微山县产业结构优化模型的目标

2.1.1 经济增长目标

反映经济发展规模的指标有很多，本文采用最能反映经济增长的指标，GDP作为优化目标之一。

Xi为微山县分产业的GDP产值，单位是万元。

2.1.2 污染控制目标

环境污染主要包括废水污染、废气污染与固体废弃物污染，本文是在水环境约束下探讨微山县的产业结构优化，因而选择水污染作为控制目标。水污染物种类繁多，本文以《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》确定的实施排放总量控制的两项污染物为研究对象，即化学需氧量（COD）和氨氮（NH4）污染最小化。

aij，bij为微山县三次产业COD和氨氮的万元GDP污染量系数。

2.2 模型约束条件2.2.1 水资源约束

地区的各个行业的总用水量要小于地区的可用水资源量。ci为各产业的万元GDP的用水量系数，W为可用水资源。

2.2.2 污染物约束

aij，bij为微山县三次产业COD和氨氮的万元GDP污染量系数，H为该地区允许排放的COD和氨氮总量。

2.2.3 地区经济增长约束

经济增长应该保持在8% －15%的合理增速之内，因而确定地区经济总量的边界值。

ε为以2000－2010年的最低经济增长率推算出的经济总量，λ为地区2000年－2010年的最高经济增长率推算的经济总量。

2.2.4 非负约束

2.3 多目标优化模型构建

2.4 模型参数的确定

评价函数法是多目标规划的基本方法之一，其基本思想是:借助于几何或应用中直观背景，构造评价函数，从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题，然后利用单目标优化的求解方法求出最优解，并把该解作为多目标规划的最优解［12］。本文使用Stata软件回归和预测各个参数，然后用Matlab编程求解多目标优化模型。

3 结果与讨论

本模型中有两个优化目标，根据对两个目标的侧重不同，对经济增长权重（W1）和环境保护权重（W2）选取不同

表2 微山县2020年三次产业优化结果

的值，形成五个优化方案。在Matlab中分别编程，求解得出水环境约束下的2020年微山县三次产业优化方案。

微山县三次产业优化结果中，从方案一到方案五，经济增长目标的权重在不断增大，污染控制目标的权重在不断减小，说明从方案一到五越来越重视经济增长而轻视污染控制。而优化结果显示从方案一到五，GDP在不断增大，由596亿元增加到1 204亿元，增长了102%，同时COD和氨氮的排放总量也分别由5 816 kg和909 kg增长到9 543 kg和1 743 kg，与方案一相比增加了64%和92%。可以看出方案中经济大幅增长的同时，带来的是污染的加剧。

这五种方案中，产业结构都是第一产业所占比例最小，第三产业所占比例最大。而第五种方案的第三产业比重最大，为48.3%，其第三产业所排放的COD和氨氮也是最多的，分别为3 772 kg和735 kg。第二产业虽然产值低于第三产业，但是其COD排放量远高于第一产业和第二产业的排放量，而氨氮排放量除方案五以外，也是最高的。第二产业是高耗能、高污染的行业，而且第二产业是影响地区碳排放强度的主要因素［13］，因而在产业结构调整中应该注重产业结构的优化，将经济发展的重心由第二产业转移到低污染、低碳的第三产业上来，大力发展服务业。

污染物排放效率指的是每个行业污染物排放的比例与产值比例的比值，反映了一个行业每1%产值的排污大小。五个方案中第二产业的COD排放效率是最高的，在1.18－1.25之间，第一产业和第三产业的COD排放效率较低，在0.8左右。说明第二产业每生产1%的产值就要排放1.18% －1.25%的COD。氨氮的排放效率则是第一产业最高，达到1.5－1.9。从污染物排放效率可以看出，第一产业会产生较多的氨氮，第二产业能排放较多的COD，而第三产业的COD和氨氮排放效率都在1以下，因此为了减少污染物排放，保护环境，应注重第三产业的发展。

4 对策建议

4.1 发展现代农业，提高产业化水平

进一步优化粮食品种结构，实施优质粮种工程。围绕高产、生态、安全、优质目标，大力发展各类特色经济作物。集中建成一批无公害蔬菜基地，提高大蒜、芦笋、双孢菇、西瓜、土豆、圆葱和反季节蔬菜等特色经济作物生产水平;适应南水北调东线工程湖区水位、水质的变化，调整湖区种养结构，积极发展水生经济植物，扩大芡实、菱、莲藕等种植面积。抓住南水北调湖水位相对稳定的有利机遇，完善湖区功能区划，适时实施大湖人工增殖放流，推行限额捕捞和禁渔保护制度。积极发展生态渔业、精品渔业、休闲观光渔业和出口创汇渔业，着力培育渔业经济新的增长点。

4.2 优化工业经济结构，转变经济增长方式

依据微山县资源优势和区位优势，进一步拉长煤炭产业链条，发展壮大非煤产业，推动工业产业结构优化升级，使微山工业结构更加完善和合理。以增强企业竞争力为核心，以市场为导向，引进现代管理机制，运用先进技术，促进经济增长方式由粗放型向集约型的转变。巩固煤炭及涉煤产业为主导的产业基础，加快煤炭接续产品开发，培植煤炭资源新优势。以农业产业化龙头企业为依托，加快引进先进的淡水鱼产品加工技术，推进渔湖产品深度加工，提高产品附加值。利用微山湖丰富的渔湖产品资源优势，做大做强渔湖产品加工基地。

4.3 以旅游业为龙头，促进服务业跨越式发展

围绕增加就业、扩大消费，以旅游业为龙头，加快交通运输、商贸流通、餐饮等传统服务业的改造提升，培育壮大市场潜力大、带动能力强的新兴服务业，全面提高服务业档次和水平。推进旅游产业化进程。对旅游景区景点实行产业化开发、企业化管理和市场化经营，实现由旅游资源大县向旅游经济强县的转变。鼓励民间资本投资旅游产业，利用市场机制整合资源，组建大型旅游企业集团，搞好与国内外大型旅游企业的合作交流。

（编辑:王爱萍）

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