东江湖流域产业结构变迁与水环境响应研究

彭亚辉，周科平

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

水是人类文明的摇篮，从发源于大规模江河流域的古代农业文明到依托于大江大河和港口的近代工业文明，伴随着人类对环境和资源的过度索取，古代农业文明最先衰落［1］;而从18 世纪中叶第一次工业革命以来的全球工业跃进，使得流域水污染更是积重难返［2］，从最早出现水污染公害的英国泰晤士河、欧洲的多瑙河、莱茵河到北美五大湖再到日本的琵琶湖，都一度成为死水，发达国家历经几十年乃至上百年持续不懈的治理，才逐渐恢复这些河流的生态功能。鉴于西方先污染后治理的惨痛教训及当今国内水污染日益严峻的趋势，我国在“十二五”规划中提出:“……加大环境保护力度，强化污染物减排和治理，实施主要污染物排放总量控制。实行严格的饮用水水源地保护制度，提高集中式饮用水水源地水质达标率。加强造纸、印染、化工、制革、规模化畜禽养殖等行业污染治理，继续推进重点流域和区域水污染防治，加强重点湖库及河流环境保护和生态治理……”。在学术界，国内外学者对湖泊流域管理以及产业调整与污染控制、环境保护的关联研究已有一定的基础。经济行为与环境污染存在相关性［3］，环境库兹涅茨曲线(EKC)假说是对经济发展与环境污染关系的一种刻画;产业结构作为资源转换器，是各种污染物种类和数量的控制体［4］;产业结构调整影响水环境变化［5-8］，产业结构变化也是水资源综合管理(Integrated Water Resources Management，IWRM)理论及流域综合管理(Integrated River Basin Management，IRBM)模式中需要加以考虑的重要因素［9-10］;农业是导致非点源污染发展变化的重要因素，大量的控制农业非点源污染措施涌现［11-13］。系统的流域管理网络体系，能帮助我们科学分配和管理农业用水，重视流域产业配置的合理性［14-15］。但缺乏定量研究农业产业结构对水环境的影响，重点生态功能区产业结构演变的水环境响应规律研究更是缺乏。

1 东江湖流域概况

东江湖流域地处湖南省郴州市境内，是湘江、赣江、珠江等三江的重要源头。行政区域涉及资兴、汝城、桂东、宜章四个县市，52 个乡镇，控制流域面积4 719 km2。东江湖是国家“六五”重点能源工程——“东江水电站”的蓄水水库，水面宽160 km2，蓄水81.2 亿m3，相当于半个洞庭的蓄水量，它是我国中南地区目前最大的人工湖泊。也是国内稀有的优质饮用水资源，被确定为长株潭城市群的第二水源，将使长沙、株洲、湘潭、衡阳及郴州5 市13 个县(市)1 300万人受益，是“长株潭”两型社会综合改革试验区的战略发展资源。东江湖对湘江流域防汛、抗旱、水质调节发挥着重要作用。此外，东江湖库区是湖南生物多样性最为丰富的地区，湖区森林覆盖率达81%;据专家测算，东江湖湿地资源(产)与服务功能总价值每年达105.71 亿元。

2012 年，东江湖流域的人均GDP 为2.41 万，低于全国的3.84 万元，也低于湖南省的3.36 万，是一个经济欠发达的区域，其中桂东、汝城两县还是国家级贫困县。根据国家主体功能区规划，东江湖流域属于禁止开发区和限制开发区(重点生态功能区)，汝城、桂东、宜章属于国家级重点生态功能区，资兴属于省级重点生态功能区。目前东江湖已被纳入国家重点流域和水资源生态补偿试点。

2 东江湖流域水污染识别及空间分布

根据资兴市环境监测站的常年监测数据显示，东江湖水体水质总体良好，达到或优于国家《地表水环境质量标准》中Ⅱ类标准(GB 3838-2002)。对东江湖流域的土壤、灌溉水、大气进行实地采样分析研究，结果表明东江湖流域的土壤、大气的质量均达到了国家一级标准(《土壤环境质量标准》GB 15618-1995、大气质量《环境空气质量标准》GB 3095-2012)，灌溉水质符合《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)，适合开展无公害生产［16］。但部分断面的监测数据也显示，东江湖局部水域的营养物质量(化学需氧量chemical oxygen demand COD、总磷total phosphorus TP、总氮total nitrogen TN)在增加，水质主要受控于重金属Cd 和TN、TP，东江湖处于中营养水平［17］。

根据2001—2012 年湖南统计年鉴、郴州统计年鉴以及实地调查，获取流域三县一市相关基础数据包括农村和城市人口数量、经济总量、各产业产值、农林牧渔业产值、产业结构、流域环境质量资料、牲畜水产养殖规模、土地利用方式及面积，工业污染排放调查数据等数据，其中历年的非点源污染(COD、TP、TN)数据运用输出系数法［18-20］计算得出。Johnes 等在前人研究成果的基础上于1996 年构建了更为完备细致的输出系数法模型，利用土地类型、人口等资料，直接建立污染源与受纳水体污染负荷的关系，适用于流域单元的长期年均负荷估算。模型方程式如(1):

式中，L 为流域内营养物(COD、TP、TN)的流失量(kg/a);n 为流域内土地利用类型的种类或牲畜水产养殖种类、人口数统计分类;Ei为流域内第i 种营养源的输出系数，具体营养源如土地利用类型、各种牲畜及水产养殖、城乡人口等;Ai为流域内第i 种土地利用类型面积、或第i 种牲畜数量、或第i 种统计分类的人口数量;Ii为第i 种营养源的营养物输入量;p 为降雨输入的营养物量(本文暂不考虑其影响)。

根据上述计算及东江湖流域水环境保护规划中所做调查显示，东江湖流域内主要污染物为COD、TP、TN，三者的累计等标污染负荷占流域污染物总负荷比重的90.79%。汝城县规划区是COD、TP、TN累计等标负荷最大的规划区，资兴次之，两者TP、TN 累计等标污染负荷占总流域TP、TN 比分别为77.01%和75.07%;桂东和宜章规划区分别居第三和第四位。

3 产业结构变迁及合理度测算

3.1 三次产业结构描述

图1 为2011 年东江湖流域三县一市产业结构分布图。由图1 可知4 县市产业结构差异较大。在区域经济总量占比方面，资兴一市独大，经济总量占总区域的58%，宜章次之，桂东和汝城两县经济总量较小，仅占总区域的5%和10%。在产业结构方面，桂东和汝城，宜章和资兴的产业结构两两相似。前两者产业结构特点是:第二产业、第三产业产值比例相对第一产业略高;后两者产业结构特点是:第一产业比例相对较低，第二产业比例远远高于第一和第三产业，对地方经济的发展发挥关键作用。

图2 显示了2000—2011 年东江湖流域三县一市三大产业结构变化趋势。由图可知，第一产业产值比例持续降低，由2000 年的25.36%下降到2011 年的12.99%;第二产业产值比例稳步上升，由2000年的39.34%上升到2011 年的61.42%;第三产业产值比例呈下降趋势，由2000 年的35.30%下降到2011 年的25.59%。

图1 2011 年东江湖流域三县一市产业结构Fig.1 Industrial structure of Dongjiang Lake Basin in 2011

图2 2000—2011 年东江湖流域三县一市产业结构演变趋势Fig.2 The changing trends of Industrial structure of Dongjiang Lake Basin from 2000 to 2011

3.2 农业产业结构描述

图3 为农业内部结构演化图。由图可知，近十年来，尽管流域内的第一产业在三次产业结构中的比重下降了近12%，但农业产业内部结构相对稳定，农业和畜牧业是农林牧渔业总产值的主要构成部分，林业和渔业略微下降。2011 年，农业和畜牧业比重分别为50.18%和36.30%。

3.3 三次产业结构合理度测定

图3 2000—2011 年东江湖流域三县一市农业产业结构演变趋势Fig.3 The changing trends of agriculture structure of Dongjiang Lake Basin from 2000 to 2011

一个地区的经济发展速度在很大程度上受制于产业结构的合理程度。产业结构的合理化要求经济发展到一定阶段后，根据消费需求和资源条件，对初始不理想的产业结构进行有关变量调整，理顺结构，使资源在产业间合理配置、有效利用，促进产业结构的动态均衡和产业素质的提高，达到各经济部门的良性稳定发展，从而获取结构效益［21］。国际基准法和区际类比法是两种常用的评价产业结构合理性的方法。本文采用国际基准法，即钱纳里三次产业标准结构，来判断东江湖流域内各单元的产业结构是否合理。另借助多国模型，钱纳里将经济结构转变过程分为3 个阶段、6 个时期［22］，综合如下表1。

表1 钱纳里标准产业结构Tab.1 The standard industrial structure of H.Chenery

将三县一市历年人均GDP 按公布的平均汇率并扣除通货膨胀因素折换成1980 年美元表示，对照表1 中的经济发展阶段，桂东和汝城目前尚处于不发达的初级产品生产阶段，宜章则是刚刚步入工业化发展初级阶段，而资兴却已跨入工业化发展的后期阶段，可见流域内各市县发展极不平衡。

表2 钱纳里人均经济总量与经济发展阶段关系Tab.2 The relationship between GDP per capita and stage of economic development of H.Chenery

产业结构的Hamming 贴近度表征某地区的产业结构合理程度。Hamming 贴近度值越大说明3 次产业产值结构与标准结构差距越小，产业结构越趋于合理，反之则越大。Hamming 贴合度R 公式如下(2):

由式(2)计算得出的东江湖流域历年三次产业结构Hamming 贴合度系数如下图4。从图4 及表3判别规则可知，流域内近12 年来的产业结构不尽合理，并且不合理程度呈加剧趋势。就各个县市而言，资兴产业贴合度总体呈下降趋势，宜章的产业结构合理程度呈先高后低趋势且近年来超过不合理的阀值。桂东和汝城的历年产业贴合度较高，但是却处于一种低度化的产业结构。

表3 产业结构合理度判别规则Tab.3 The judgment of reasonableness of industrial structure

图4 2000 年—2011 年东江湖流域三县一市产业结构Hamming 贴进度Fig.4 The Hamming approach degree of Industrial structure in Dongjiang Lake Basin from 2000 to 2011

4 产业结构变迁对湖泊流域水环境影响分析

4.1 三次产业结构变化对水环境影响相关分析

为了能更深入地了解东江湖流域产业结构演变对水环境的影响，本文采用典型相关分析方法研究产业结构与水环境污染之间的关系。设第一变量组为三次产业结构(第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值);第二变量组为污染物排放量(COD、TN、TP)。

运用SPSS 软件对两组变量间的关系模式进行了典型相关分析。结果表明第一、二、三对典型变量的典型相关系数分别是0.963、0.897、0.756，在0.05 显著性水平呈显著相关。

表4 三次产业结构与水环境的典型相关分析Tab.4 The Canonical correlation analysis between industrial structure and water environment

表4 列出了典型载荷和典型相关系数。通过观察可知:第一组变量的第一典型变量在第二产业产值变量上的载荷绝对值最大，反映产业结构的典型变量主要由第二产业决定，同理第二组变量的载荷反映水环境质量主要由COD 排放量决定，且第二产业与COD 结构系数同号，二者呈中度正相关关系。在第二对典型相关中，第一产业与COD 及TP 呈高度正相关;因第三对典型相关变量中，变量组1 的载荷系数小于0.3，认定为无意义的结构。

4.2 农业产业结构变化对水环境影响的相关分析

基于以上研究得知农业面源污染是流域的主要污染源，现定量深入分析农业产业结构的变化对水环境的影响;农业污染对水环境的威胁主要包括化肥、农药污染和畜禽、水产养殖污染。设变量组一为农业产业结构(农业产值、林业产值、畜牧业产值、渔业产值)，变量组二为污染物排放量(COD、TN、TP)。

表5 农业产业结构与水环境的典型相关分析Tab.5 The Canonical correlation analysis between agriculture structure and water environment

运用SPSS 软件相关性分析表明:第一、二对典型变量的典型相关系数分别是0.967、0.869，在0.01显著性水平呈显著相关;第三对典型变量的典型相关系数是0.514，在0.01 显著性水平呈不显著相关。

表5 列出了农业结构与污染源排放量的典型载荷和典型相关系数。通过观察载荷和系数可知:第一对和第二对典型相关中，水产养殖业与COD 排放高度正相关，畜牧业及农业种植与COD、TP 和TN呈中度正相关，林业与TP 呈中度负相关关系。

从21 世纪伊始，为了保护东江湖流域，转变经济发展方式，郴州实施了资源整合，对传统支柱产业——煤炭产业链进行纵向延伸和优化，并关停了一大批重金属污染企业，煤矿由原来的576 个减少到目前的270 个，金属矿山由原来的177 个减少到目前的128 个。同时工业企业通过改进生产工艺实施清洁生产，大幅度减少了工业废水及工业COD 的排放，使得工业污染对COD、TN 排放的贡献率相对较低;传统农业生产过程中化肥和农药的不合理施用、畜禽粪便未经处理直接排放以及粗放型网箱养殖的迅速发展，导致农业面源污染对COD、TP 和TN 排放的贡献率较高;另外，城乡生活污水也基本未经处理直接排入附近水体，生活垃圾随意堆放及当地旅游业的迅猛发展，对COD 和TN 排放的贡献率较高。

鉴于以上分析及东江湖流域在主体功能规划中的重点生态功能区定位，对于该流域的产业发展思路如下:(1)对于限制开发区域，应制定较为严格的环境和市场准入标准，限制不符合主体功能的产业扩张，对水源地等关键区域严加保护。积极发展生态友好型产业，支持农业产业化、规模化、集约化、标准化、良种化，鼓励生态农业、循环经济、清洁能源、休闲旅游及特色产业发展。(2)对于禁止开发区域，除应符合区域主体功能定位和资源环境承载能力的生产活动外，要严禁其它生产建设活动。对旅游发展条件较好的自然保护区，可在强化政府监管的前提下，适度鼓励发展生态旅游产业。

5 小结

根据以上对三次产业结构及农业产业结构变化对水环境影响的相关分析，综合得出以下结论:

东江湖流域的工业污染总体上看得到了较好的控制，但汝城浙水流域的采选业污染排放还很严重;第一产业与COD 及TP 呈高度正相关，农业面源污染是影响流域水环境质量的主要原因;

东江湖流域内各区县发展严重不平衡，其中两个国家级贫困县和一个国家可持续发展示范区并存。产业结构不尽合理，第一产业比重过高，第三产业比例过低，同时呈现产业结构低度化的状态。三县一市整体产业结构Hamming 贴合度一直不高，呈围绕阀值呈上下波动状态，说明各县市产业结构调整正在进行，但远未达到合理程度。由此东江湖流域产业结构优化的方向是降低第一产业产值比例，提高第三产业产值比例，鼓励发展生态农业及生态旅游业。

在农业产业结构中，水产养殖业与COD 排放高度正相关，畜牧业及农业种植与COD、TP 和TN 呈中度正相关;所以需要优化农业产业内部结构，积极发展生态友好型农业产业，大力推广测土配肥、精准施肥等先进适用技术，减少农田氮磷流失，逐步实行禽畜粪便集中治理，规范发展网箱养殖业，减少渔业污染。

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