水足迹视角下干旱区城市工业结构优化研究

李啸虎 杨德刚

摘要干旱区城市工业发展日益受到水资源供需矛盾加剧和水环境污染严重的约束，从水足迹视角估算工业部门耗水程度，进而优化工业结构以达到节水减污的目标，对于干旱区城市走新型工业化道路具有重要意义。本文构建工业水足迹模型和基于水足迹的多目标优化模型，选择干旱区绿洲城市乌鲁木齐市为典型案例区，研究工业内部各部门的水足迹，并以此为基础对工业部门进行聚类分析，根据聚类结果和乌鲁木齐工业发展规划，运用优化模型探讨未来研究区工业发展的优化方案。结果显示：①以工业增加值、各工业部门蓝、灰水足迹值为基础，乌鲁木齐工业部门可以划分为：强经济贡献、强耗水、强污染，强经济贡献、弱耗水、弱污染，弱经济贡献、弱耗水、弱污染，弱经济贡献、强耗水、强污染4类。②以分类结果为依据，通过优化分析确定可持续发展模式作为乌鲁木齐市工业未来发展的基础方案，此种模式下，2015年乌鲁木齐市工业水足迹为313亿 m3，其中，蓝水足迹072亿 m3，灰水足迹241亿 m3，工业总产值为2 340亿元，增加值达到1 342亿元，和其他情境相比，它具有蓝水、灰水足迹较低，工业投入产出水平较高的特点。③具体而言，乌鲁木齐市工业应发展具有强经济贡献、弱耗水、弱污染特征的采选业。积极培育弱经济贡献、弱耗水、弱污染行业向高投入产出、环境友好型行业转变，这些行业包括：食品业、饮料业、纺织业、家具业、非金属业、设备业、机械及器材业等。引导石油炼焦业、电力、热力及水的生产和供应业、金属业等强耗水、强污染型行业向节水减污模式转型。

关键词水足迹；工业；聚类；优化分析；乌鲁木齐市

中图分类号F0621

文献标识码A

文章编号1002-2104（2015）05-0170-07

近年来，随着工业化进程的不断加快，工业用水需求和废水排放持续增加，造成水资源供需矛盾加剧、周边生态环境恶化等一系列问题。这不仅威胁绿洲自然生态系统的稳定，而且严重制约干旱区社会经济的可持续发展。因此，分析工业内部行业耗水特征，并以此为基础优化产业结构以实现工业节水减污，将对干旱区城市走新型工业化道路具有重要的指导意义。水足迹分析方法较好地解决了工业耗水的核算问题。Hoekstra、Ercin、Bobban、Gerbens、Indika、Kathleen等分别提出食品加工业、饮料制造业、生物能源行业、水力发电业等工业行业的产品水足迹估算模型，并以此为基础从定性或定量角度进行了工业企业层面的水足迹优化分析；项学敏、贾佳、戚瑞、刘梅等研究者分别就工业企业水足迹的特点、组分、核算单位等内容进行探讨。现有研究成果多从企业或产品等微观视角出发核算单个企业或单类产品的耗水特征，很难透视工业部门整体耗水特征，不适用于指导工业内部行业间的结构调整。因此，本文构建工业行业水足迹模型，并以乌鲁木齐市为典型案例区，研究工业内部各部门的水足迹，探讨不同模式下研究区的工业发展方案，以期为其他干旱区城市工业的可持续发展提供理论参考。

1研究区概况

乌鲁木齐市位于新疆维吾尔自治区中北部，属典型大陆干旱型气候区。作为新疆政治、经济、文化和科技中心，近年来，乌鲁木齐市经济高速发展，到2011年，GDP已达到1 690亿元，约占新疆的1/4。其中工业产值占39%，2003-2011年8年间，工业产值年增长率均值达到252%，目前已形成石化、冶金、纺织、机械制造、高新技术、建材、医药、食品、轻工业、电子信息十大产业集群。随着工业经济的快速发展，工业年新增耗水和污水排放也在快速增加，截止2011年，两项指标较2003年分别增加了8523%和9377%，“十二五”期间，乌鲁木齐市将加快经济增长方式的转变、加速推进新型工业化建设。与此同时，也对高效利用水资源、降低环境污染提出了更高的要求。

3结果与分析

31参数求解

311工业水足迹及产值比重

工业部门蓝、灰水足迹求解包含两个步骤：①直接蓝、灰水足迹，直接蓝水足迹是将调

查所得全市规模以上企业耗水数据合并为15个行业耗水量，并计算各行业企业耗水比重，

通过2011年《乌鲁木齐水资源公报》中工业耗水总量折算出各行业直接蓝水足迹；直接灰

水足迹通过实际调研及查阅《2012乌鲁木齐市统计年鉴》、《工业产排污系数手册》获得

各行业产品名称、年产量及产品的COD排污系数，根据公式（2）思路估算得到各部门直接

灰水足迹。②间接蓝、灰水足迹，通过《2012乌鲁木齐市统计年鉴》获得15个行业2011

年26种能源年消耗量，根据《综合能耗计算通则》统一折算为标准煤产量，通过标准煤水

足迹转换系数得到各行业间接蓝、灰水足迹（见表1）。

产值比重根据《乌鲁木齐市统计年鉴》（2006-2012）各工业部门总产值整理得到

2005-2011年间各部门比重的最大、最小值，并以此为规划依据（见表1）。

312规划参数

2015年蓝、灰水足迹设定为2011年工业蓝、灰水足迹值，工业总产值和工业增加值以《乌鲁木齐市十二五社会和经济发展规范纲要》提出的目标为规划期参数值（见表2）。

32结果分析

321乌鲁木齐市工业部门分类

为了直观地反映乌鲁木齐市各工业部门对工业GDP的贡献程度与耗水、污染的差异，需要对上述部门进行分类，并以此作为制定未来工业发展方案的重要依据，本文采用聚类方法中基于层次的聚类算法，此种算法具有计算

方法灵活多样，能适应不同的要求，有效实现对聚类对象划分的特点。

首先，以表1中工业部门增加值作为其年经济贡献率的代表，以各工业部门蓝、灰水足迹作为不同部门耗水、污染程度的代表，采用聚类分析，指定聚类数为4，结合聚集成员表和聚类分析树形图（图1） 可得，15个行业聚为 4 类，分别为﹛1﹜、﹛12﹜、﹛7，15﹜和﹛2、3、4、5、6、8、9、10、11、13、14﹜。即：Ⅰ型行业属于强经济贡献、强耗水、强污染，Ⅱ型行业属于强经济贡献、弱耗水、弱污染，Ⅲ型行业属于弱经济贡献、弱耗水、弱污染，Ⅳ型行业属于弱经济贡献、强耗水、强污染（见表3）。

322优化结果分析

将表1数据代入公式（4）-（9），运行LINGO进行工业结构优化设计，得到两种发展模式下三种不同情境的工业发展方案（见表4）。

以《乌鲁木齐市十二五社会和经济发展规范纲要》中提出的“继续支持石油化工、煤化工、钢铁等主导产业做大做强，努力提升机械装备制造、轻纺、食品加工、家具制造等传统优势产业”为依据，增加上述工业部门产值的比重，得到侧重工业产值增加和侧重减少蓝水、灰水两种不同情境发展方案。其中：在侧重增加工业产值情境下，2015年工业总产值、增加值均达到十二五规划要求的4 200亿元和1 400亿元，分别比2011年增加10689%和14736%，单位工业产值增加值为033元，较2011年增加2222%，经济发展效果显著。但同时，水足迹比2011年增加10795%，其中：蓝水足迹和灰水足迹分别增加9549%和

11369%，从工业内部各部门发展情况看，由于增加了强耗水、强污染的石油炼焦业和金属业的产值比重，导致工业发展对水资源依赖和水环境污染的程度进一步加大，工业粗放型发展模式仍在延续。

侧重减少蓝水、灰水情境突出了节水减污的重要性，并且兼顾经济发展的目标，适当调低石油炼焦业、金属业、食品业、饮料业、纺织业等十二五规划重点发展行业的产值增速，得到：此种情境下的工业总产值和增加值分别达到3 200亿元和877亿元，比2011年分别增加5976%和544%，单位工业产值增加值为027元，和2011年持平；工业总水足迹比2011年增加了6449%，其中：蓝水足迹和灰水足迹分别增加6216%和6556%，较前一种情境有明显回落，表明：和2011年相比，工业结构的调整没有带来单位工业产值增加值的增加，工业发展投入产出水平和盈利能力没有进一步发展。同时，虽然结构调整也在一定程度上减缓了耗水排污增加的速度，但很难起到节水减污的效果。

可持续发展模式是从控制蓝水、灰水总量原则出发，以工业分类结果为依据，调减强耗水、强污染型工业部门产值比重，相应增加弱耗水、弱污染型工业部门产值比重。结果显示：工业水足迹为313亿m3，比2011年下降了1107%，其中，灰水足迹与2011年相同，蓝水足迹较之下降了3514%，节水控污效果明显。工业总产值较2011年增加1527%，单位产值增加值增幅达到111%，工业投入产出水平有显著提高。表明：降低石油、金属等重工业比重，稳定电、热、水生产供应业比重，增加采选、食品、饮料等行业比重有利于乌鲁木齐市工业朝低耗水、低污染、高效益方向发展。

综合以上分析，基于对乌鲁木齐市水资源高效利用和水环境保护的考虑，确定可持续发展模式为乌鲁木齐市工业未来发展的基础方案。具体而言，目前应从以下三方面调整工业结构：①根据乌鲁木齐市工业特点，重点发展采选业，由于此类行业具有单位产值蓝、灰水足迹低，同时单位产值增加值高的特点，未来可以进一步做大做强；②积极培育食品业、饮料业、纺织业、家具业、非金属业、设备业、机械及器材业等行业发展，由于此类行业具有弱耗水、弱污染和弱经济贡献的特点，今后应进一步挖掘其发展潜

力，提高经济效益，同时制定好产业发展的环境规则，促使其形成环境友好型的发展模式；③对于石油炼焦业、电力、热力及水的生产和供应业、金属业这些强耗水、强污染型行业，由于其关系到国民经济命脉，未来产业规模应保持在一定区间内，同时进一步做好产业发展规划和发展政策，着重提升生产技术水平，提高水资源利用效率，降低污水排放和环境污染，促进产业升级。

4结论与讨论

41主要结论

通过研究，文章得出以下结论：

（1）乌鲁木齐工业部门按经济贡献和水资源消耗、污染强弱程度可以划分为4类，依次为：强经济贡献、强耗水、强污染型行业，包括石油炼焦业、电力、热力及水的生产和供应业；强经济贡献、弱耗水、弱污染型行业，包括采选业；弱经济贡献、弱耗水、弱污染型行业，包括食品业、饮料业、纺织业、家具业、印刷业、化学品业、医药业、橡胶塑料业、非金属业、设备业、机械及器材业；弱经济贡献、强耗水、强污染型行业，包括金属业。

（2）可持续发展模式可作为乌鲁木齐市工业未来发展的基础方案。和其他情境相比，它具有蓝水、灰水足迹较低，投入产出水平较高的特点；

（3）目前可通过发展具有强经济贡献、弱耗水、弱污染型行业，积极培育弱经济贡献、弱耗水、弱污染行业向高投入产出、环境友好型行业转变，引导强耗水、强污染型行业向节水减污模式转型等措施来进行工业结构调整。

42讨论

文章还需要有进一步研究的地方：

（1）工业废水中有多种污染物，但限于数据的制约，本文只以COD为参数估算了工业的灰水足迹，一定程度上影响了工业灰水足迹的计算结果。

（2）研究方法方面，优化模型尚未结合虚拟水贸易的机会成本来探讨进口高间接耗水的工业原料和能源对本地工业部门间接水足迹节余产生的影响。

（3）优化结果只是从定量的角度描述了未来乌鲁木齐市工业结构的调整方向，还未结合研究区具体工业布局特征从空间角度分析工业部门的优化布局模式。这些都是下一步应该重点思考的问题。

（编辑：田红）

参考文献（Reference）

[1]Chapagain A K，Hoekstra A Y Virtual water Flows Between Nations in Relation to Trade in Livestock and Livestock Products， Value of Water Research Report Series No13[R] Delft： UNESCOIHE， 2003

[2]Mekonnen M M，Hoekstra A Y The Green， Blue and Grey Water Footprint of Crops and Derived Crop Products， Value of Water Research Report Series No47[R] Delft： UNESCOIHE， 2010

[3]Mekonnen M M，Hoekstra A Y The Green， Blue and Grey Water Footprint of Farm Animals and Animal Products， Value of Water Research Report Series No48[R] Delft： UNESCOIHE， 2010

[4]Ercin A E， Aldaya M M， Hoekstra A Y Corporate Water Footprint Accounting and Impact Assessment： The Case of the Water Footprint of a Sugarcontaining Carbonated Beverage [J] Water Resources Management， 2011， 25（2）： 721-741

[5]GerbensLeenes W， Hoekstra A Y， Van der Meer T H The Water Footprint of Bioenergy， Proceedings of the National Academy of Sciences[J] 2009，106 （25）： 10219-10223

[6]Bobban G S， Mark E Coproduct Market Analysis and Water Footprint of Simulated Commercial Algal Biorefineries [J] Applied Energy， 2011， 88（10）：3515-3523

[7]Indika H，Markus D， David H，et al The Water Footprint of Hydroelectricity： A Methodological Comparison From a Case Study in New Zealand [J] Journal of Cleaner Production， 2011， 19 （14）：1582-1589

[8]Kathleen B A， Raymond R T， Alvin B， et al Fuzzy Inputoutput Model for Optimizing Ecoindustrial Supply Chains Under Water Footprint Constraints[J] Journal of Cleaner Production， 2011， 19（2）：187-196

[9]项学敏，周笑白，周集体工业产品虚拟水含量计算方法研究[J] 大连理工大学学报， 2006，46（2）：179-184 [Xiang Xuemin， Zhou Xiaobai， Zhou Jiti Study of Virtual Water Calculation Method of Industrial Products[J] Journal of Dalian University of Technology， 2006，46（2）：179-184]

[10]贾佳，严岩，王辰星，等工业水足迹评价与应用[J]生态学报，2012，32（20）： 6558-6565.[Jia Jia，Yan Yan，Wang Chenxing，et al.The Estimation and Application of the Water Footprint in Industrial Processes[J].Acta Ecologica Sinica，2012，32（20）： 6558-6565]

[11]戚瑞，耿涌，朱庆华基于水足迹理论的区域水资源利用评价[J] 自然资源学报，2011，26（3）：486-495 [Qi Rui，Geng Yong，Zhu Qinghua Evaluation of Regional Water Resources Utilization Based on Water Footprint Method[J] Journal of Natural Resources，2011，26（3）：486-495]

[12]刘梅，许新宜，王红瑞，等基于虚拟水理论的河北省水足迹时空差异分析[J] 自然资源学报，2012，27（6）：1022-1034 [Liu Mei，Xu Xinyi，Wang Hongrui，et al Water Footprint and Spatialtemporal Analysis of Hebei Province Based on Virtual Water Theory[J] Journal of Natural Resources，2012，27（6）：1022-1034]

[13]Hoekstra A Y， Chapagain A K， Aldaya M M，et alThe Water Footprint Assessment Manual： Setting the global standard[M] London， UK： Earthscan， 2011

[14]严岩，贾佳，王丽华，等我国几种典型棉纺织产品的工业水足迹评价[J/OL]生态学报， 2014，（23）http：//wwwcnkinet/ kcms/detail/105846/ stxb201303050349html[Yan Yan， Jia Jia， WANG Lihua，et al Study of the industrial water footprint of several typical cotton textiles in China[J/OL] Acta Ecologica Sinica，2014，（23）http：//wwwcnkinet/ kcms/detail/105846/ stxb201303050349html]

[15]乌鲁木齐市水务局乌鲁木齐水资源公报[R]2011 [Urumqi Water Affairs Bureau Urumqi Water Resources Bulletin[R]2011]

[16]国务院第一次全国污染源普查领导小组办公室第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册[M]北京：中国环境科学出版社，2008[Institute for Environmental Science of China Discharge Coefficients of Industrial Pollutants in the First National General Survey of Pollution Sources[M]Beijing： China Environmental Science Press， 2008]

[17]国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局.GB3838-2002：地表水环境质量标准[S]北京：中国标准出版社，2002[Ministry of Environmental Protection， General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine GB3838-2002： Environmental Quality Standard for Surface Water[S] Beijing： Standards Press of China， 2002]

[18]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会GBT 2589-2008：综合能耗计算通则[S]北京：中国标准出版社，2008[General Administration of Quality Supervision， Standardization Administration of the Peoples Republic of China GBT2589-2008： General principles for calculation of the comprehensive energy consumption[S] Beijing： Standards Press of China， 2008]

[19]乌鲁木齐市统计局.国家统计局乌鲁木齐调查队乌鲁木齐市统计年鉴[M]北京：中国统计出版社，2006-2012[Urumqi Municipal Bureau of Statistics， Urumqi Survey of National Bureau of Statistics Urumqi Statistical Yearbook [M]Beijing： China Statistics Press， 2006-2012]

[20]乌鲁木齐市发展和改革委员会乌鲁木齐市国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要[EB/OL]http：//wwwurumqidrcgovcn/info_showasp？ArticleID=5815，2012-3-5[Urumqi Development and Reform Commission The Twelfth “FiveYear” Plan for National Economy and Society Development Plan of Urumqi[EB/OL] http：//wwwurumqidrcgov cn/info_showasp？ArticleID=5815，2012-3-5]