基于水生态约束的甘肃省产业布局优化方向初探

李菲　张小平

摘要：为协调水生态环境与区域产业发展的关系，基于水资源和水环境两个方面构建了甘肃省水生态约束分区指标体系，并提出了水生态约束分区单元划分和分区方法。在水资源约束分区和水环境约束分区的基础上，通过各地区水资源约束和水环境约束的二维象限解析，将甘肃省水生态约束划分为水资源约束高-水环境约束高区、水资源约束高-水环境约束低区、水资源约束低-水环境约束高区、水资源约束低-水环境约束低区4种类型区，其中嘉峪关市和甘南州两地的产业布局的水生态适应性相对较好。对此提出了甘肃省产业升级的重点改造、产业环境准入条件以及产业布局的优化方向。研究结果可为其他地区协调产业发展与水资源、水环境关系等方面提供理论与方法借鉴。

关键词：水生态;约束分区;产业布局;甘肃省

中图分类号：X324;X22         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）02-0169-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.02.038           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Preliminary study on optimization of industrial layout in Gansu province

based on water ecological constraints

LI Fei，ZHANG Xiao-ping

（College of Geography and Environmental Sciences，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China）

Abstract： In order to coordinate the relationship between water ecological environment and the development of regional industry， based on the two aspects of water resources and water environment， a zoning index system for the water ecological constraints in Gansu province was constructed， and a division and zoning method of the water ecological constraints was proposed. On the basis of water resource constraint zone and water environment constraint zone， through the two-dimensional quadrant analysis of water resources and water environment constraints in each region， the water ecological constraints of the whole province were divided into four types of water ecological constraint zones， including high water resources constraint and high water environmental constraint， high water resources constraint and low water environmental constraint， low water resources constraint and high water environmental constraint， low water resources constraint and low water environmental constraint， among them， the industrial layout of Jiayuguan city and Gannan prefecture has relatively good aquatic ecological adaptability. In this regard， the key transformation of industrial upgrading in Gansu province， the industrial environment access conditions， and the optimization of industrial layout are proposed. The research results can provide theoretical and methodological references for other areas to coordinate the relationship between industrial development and the relationship between water resources and water environment.

Key words： water ecology; constrained zoning; industrial layout; Gansu province

水是人類赖以生存和经济社会发展的重要资源，其数量、分布和开发利用条件直接影响着区域产业布局。随着工业化和城市化进程的加快，水的消费总量也在迅速增加。同时，工业废污水和城市生活污水排放量也持续增加，导致区域的水资源短缺[1]、水环境污染[2，3]、供需矛盾尖锐[4]，水生态对产业发展的约束日益加剧[5，6]。水生态约束包括水资源约束和水环境约束[7]，水资源约束主要表征水资源供给能力对区域开发的限制影响[8]，水环境约束主要表征在一定的水环境质量目标下，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[9]。由于不同区域的水资源禀赋、水质目标、纳污能力、利用方式等都存在明显的差异，其所承载的产业发展重点也应有所不同。因此，有必要通过水生态约束分区来确定区域产业的发展重点和方向，以维持区域经济发展与水资源利用和水环境保护之间的相对平衡。

自1987年美国环境保护署提出水生态功能区划方案以来[10]，许多国家按照水资源管理的需要展开了水环境区划的研究工作[11-14]。中国也于20世纪80年代末展开了水环境功能区划工作，并形成了相对成熟的水环境约束分区方法和目标管理体系，对区域产业布局的优化起到了一定的指导作用[15，16]。学者们也据此开展了产业布局方面的研究，如孙伟等[5]对江苏省进行了水环境协同约束分区，并据此提出产业布局的调整方案;邬娜等[7]以太湖流域常州市为例，在水生态约束分区研究的基础上提出了产业升级改造和布局优化调整的重点和方向;葛杰等[17]基于榆林市水资源开发利用现状，计算了其可承载的最大经济规模和人口规模，以此为约束构建了榆林市产业结构的优化模型;杨清可等[18]针对太湖流域的水环境容量进行流域约束分区划分，并探讨了不同类型区域产业结构的调整方向;陈艳磊[19]则从水环境承载力的视角对辽河流域的产业结构优化提出了政策建议。上述成果很大程度上丰富了中国水生态（水环境）约束下产业布局优化调整的科学依据。不过，目前关于水生态（水环境）约束分区的研究多以水体为研究对象，指标选取较少考虑水资源供给能力和开发利用程度的影响;而关于某一区域产业布局的分析，也多是仅从水资源或水环境单一要素出发，较少从水资源和水环境两方面协同约束角度考虑。因此，在充分考虑水生态与产业布局耦合关系的基础上，展开水资源和水环境协同约束下的产业布局优化研究，旨在为制定区域差别化产业准入政策提供科学依据。

1  研究区概况

甘肃省位于中国西北干旱区、青藏高寒区、东部季风区三大自然区域的交汇处，其水资源主要分属黄河、长江、内陆河3大流域。全省年降水量少且地区分布极不均匀，多年平均降水量277 mm，仅为全国年平均降水量的43%，其中内陆河流域130 mm，黄河流域463 mm，长江流域599 mm，总体变化趋势是从西北部向东南部递增。全省多年平均自产水资源量282亿m3，人均1 098 m3，仅为全国人均占有量的1/2[20]。近年来，随着气候变化和人口的增长，甘肃省水资源总量和人均水资源占有量整体呈下降趋势。据《甘肃省水资源公报》数据，与2003年相比，2016年水资源总量下降25.0%，人均水资源占有量下降25.2%。同时，随着社会经济的持续发展和工业化、城市化的快速推进，工业废污水和生活污水排放量不断增加，农业面源污染问题突出，导致水环境质量不断恶化。2016年全省水质评价河流长度为9 193 km，其中Ⅰ～Ⅲ类水质的河流长度占评价总河流长度的76.5%;Ⅳ～劣Ⅴ类水质的河流长度占评价总河流长度的23.5%，相比2003年，Ⅰ～Ⅲ类水质的河流长度占比下降了1.8个百分点，而劣Ⅴ类水质的河流长度占比则上升了10.9个百分点。在参与评价的140个水功能区中，达标水功能区83个，达标率仅为59.3%。部分河流尚存在超标断面，主要超标项目为氨氮和化学需氧量。城市建成区黑臭水体依然存在，集中式水源地水环境质量保护形势严峻。为此，甘肃省实施了一系列水环境防治工程，如控源截污、垃圾清理、清淤疏浚、生态修复等措施，对水污染防治起到了一定的作用。但由于全省高污染、高消耗、低附加值产业仍占较大比重，加之发展模式粗放，产业布局不合理等问题依然存在，水环境污染问题并未从根本上得到控制，导致水资源供给能力和水环境压力逐年增大，水生态约束日益提高，成为制约甘肃省经济社会可持续发展的重要因素。

2  研究方法

2.1  指标体系构建

水生态对产业发展的约束主要表现在水资源和水环境两个方面。考虑到数据的可比性、真实性和可操作性，结合相关学者的研究成果[21-23]以及国家颁布的生态省、生态市的考核指标，选取甘肃省水生态约束分区指标。水资源约束表征区域水资源的供给能力大小和水资源开发利用水平对产业发展的限制，水资源供给能力越大，对耗水型产业发展的约束越小，水资源开发利用水平越高，对节约用水、提高用水效率的要求就越高。选取供水总量（X1）和人均水资源占有量（X2）表征水资源供给能力，万元GDP用水量（X3）、万元产值农业用水量（X4）、人均生活用水量（X5）、万元产值城镇公共用水量（X6）、万元产值工业用水量（X7）、水资源开发利用率（X8）等指标表征水资源开发利用水平。水环境约束表征水体环境的纳污能力对排污的限制，可用水环境容量表示，但由于数据资料缺失，因此从流域环境本地状况和水环境压力两个方面来考虑，选取相应的指标。用水质类别（X9）表征流域环境本地状况，水质类别不同，对产业门类的要求就不同。一般将水体水质类别分为5类，分别为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类，其中Ⅰ～Ⅲ类对水质的要求较高，一般禁止或限制污水的排放，對产业发展的限制较大，Ⅳ类和Ⅴ类对水质的要求较低，因而对排污控制要求较低。甘肃省河流众多，不同流域的水质类别不同，因此根据各流域实际状况按Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类及以上进行赋值，分别为7、5、3、1。选取万元GDP的COD排放量（X10）、万元GDP的氨氮排放量（X11）、COD排放量（X12）、氨氮排放量（X13）和废污水排放总量（X14）等指标表征水体环境的压力指标，水环境压力越大，对排污的限制也就越大。

考虑到评价指标对水生态约束的贡献大小不同，采用层次分析法和熵值法确定各指标的权重值。具体指标及权重见表1。研究数据均来自2017年《甘肃统计年鉴》《中国环境统计年鉴》和《甘肃省水资源公报》。

2.2  数据标准化处理

指标体系中既有正向指标也有负向指标，还存在指标单位不统一等问题，应对其进行同趋化和无量纲化处理。选用阈值法对指标进行无量纲化处理，影响水生态约束性的负向指标，值越小表示水生态对产业的约束性越大，该类指标的处理方法为Xij′=（maxXij-Xij）/（maxXij-minXij）;对于正项指标，值越大代表水生态对产业的约束性越大，该类指标的处理方法为Xij′=（Xij-minXij）/（maxXij-minXij）。经过标准化处理后，所有的指标都是值越大代表水生态约束性越高，其中Xij′代表的是经标准化处理后的数值;minXij和maxXij分别表示第j项指标在评价区域内的最小值和最大值;Xij代表的是第j项指标在第i地区的原始数据。

2.3  分区单元划分

考虑数据的可获取性，分区以甘肃省14个市（州）为统计单元，水环境约束指标中水质类别的划分先按流域分区作为统计单元，然后通过多边形叠置分析法转化到行政单元上，以实现水生态约束评价单元的一致性，转换公式见式（1）。

Si=Nj×（1）

式中，Si是指i地区的水质类别评价指数，Nj是指第j个流域单元的水质类别评价指数，ASij是指i地区内第j个小流域的面积，Ai是指i地区的总面积。

根据地形图、遥感影像图和水功能区划图将全省划分为内陆河、黄河和长江3个一级流域单元，河西走廊内陆河、龙羊峡以上、龙羊峡至兰州、兰州至河口镇、龙门至三门峡、嘉陵江和汉江等7个二级流域单元，在此基础上进一步划分为疏勒河、黑河、石羊河、柴达木盆地西部流域、车尔臣河诸小河流域、库木塔格沙漠流域、河源至玛曲、玛曲至龙羊峡、大通河享堂以上、湟水、大夏河与洮河、龙羊峡至兰州干流区、兰州至下河沿、清水河与苦水河流域、北洛河状头以上、泾河张家山以上、渭河宝鸡峡以上、广元昭化以上、丹口江以上等19个三级流域单元（图1）。甘肃省三级流域空间分布图取自中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/）。

2.4  分区方法

基于上述指标体系，对2016年甘肃省14个市（州）的相关数据进行标准化处理，然后利用公式（2）计算出各市（州）的水资源和水环境约束指数值（表2），并采用自然断点法对其进行等级划分，将其划分为低、中、高3个等级。在此基础上运用ArcGIS软件对各市（州）的水资源和水环境约束进行分区。最后，将水资源约束分区结果与水环境约束分区结果进行叠加，得到水生态约束分区。

F=■Xij×Wj  （2）

式中，F表示水资源或水环境约束指数，指数值越大则表示约束性越大，反之亦然;Wj表示第j项指标的权重值。

3  结果与分析

3.1  水资源约束分区

如图2所示，将水资源约束划分为低、中和高3个等级，其中水资源约束低区占全省面积的57.53%，水资源约束中区占全省面积的23.01%，水资源约束高区占全省面积的19.46%。虽然全省大部分面积受水资源的约束较低，但水资源可利用量较少，用水结构不合理，水资源重复利用率较低，导致产业发展受水资源的约束变大，产业结构调整以及产业升级改造迫在眉睫。水资源约束低区集中分布在河西走廊内陆河流域，属资源型缺水区域，虽然降水量少，但水资源总量多且开发利用水平高。水资源约束中区分散分布在河西走廊和黄河流域的甘南高原和陇中黄土高原地区，该类地区除甘南藏族自治州（以下简称甘南州）外，其他地区降水较少，水资源开发利用率、人均水资源占有量和供水总量均处于中等水平，属资源型和工程型并存缺水区域。甘南州降水较多，人均水资源占有量最大，但水资源开发利用率最低，供水总量最少，属工程型缺水区域。水资源约束高区分散分布在黄河流域的陇中黄土高原地区和长江流域的陇南山地地区，陇南山地地区降水较多但开发利用水平低，地表水以引水利用为主，水资源总量最少，属工程型缺水区域。这些地区的普遍特点是人均水资源占有量较高，但供水总量少，水资源开发利用率低。

3.2  水环境约束分区

如图3所示，将水环境约束划分为低、中和高3個等级，其中水环境约束低区占全省面积的22.35%，水环境约束中区占全省面积的13.20%，水环境约束高区占全省面积的64.45%。水环境约束低区分散分布在黄河流域的甘南高原和陇中黄土高原以及长江流域的陇南山地等地区，甘南州、陇南市分别处在黄河流域和长江流域的上游地区，流域水质要求高，排污限制强，但经济发展以第三产业为主，工业占比低，水污染物和废污水排放量少，总体上水环境压力小。位于陇中黄土高原的庆阳市境内河流较多，水质要求低，排污限制小，工业占比虽然较高，但污染物和废污水排放量较少，水环境压力小。水环境约束中区除嘉峪关市分布在河西走廊内陆河流域外，其他地区集中分布在黄河流域的陇中黄土高原，该类地区所在流域水质要求较高，排污限制较强，但地区经济发展以第三产业为主，水污染物和废污水排放量较少，水环境压力较小。水环境约束高区集中分布在河西走廊内陆河流域和黄河流域的陇中黄土高原地区，内陆河流域水域水质要求高，排污限制强，加之该区域工业占比较高，废污水排放量较大，水污染物尤其是COD排放量大，导致水环境压力大。陇中黄土高原地区由于处在黄河上游，其水域水质要求较高，排污限制较强，加之工业较发达，水污染物和废污水排放量大，导致水环境压力大。水环境约束高区水体通达性较差，排污限制性较强，社会经济较发达，人口密集，污染排放量较多，导致经济活动对水环境的胁迫作用十分明显。

3.3  水生态约束分区

以各地区的水资源约束指数为横坐标，水环境约束指数为纵坐标，对水生态约束进行二维象限解析，且以上述指数的平均值作为坐标原点，将坐标系划分为4个象限，对各地区进行布点，结果见图4，具体区域类型的分布见图5。

第一象限代表水资源约束高-水环境约束高类区域，包括金昌市和白银市，两市水资源较缺乏，所处水域水质要求较高，而且由于工业占比高，排污量较大，水环境压力也大;第二象限代表水资源约束低-水环境约束高类区域，包括兰州市、张掖市、武威市和酒泉市，该区域水资源较丰富，但其水域水质要求高，排污限制大，导致水环境压力大;第三象限代表水资源约束低-水环境约束低类区域，包括嘉峪关市和甘南州，两地水资源较丰富，所在流域水质要求高，但工业占比低，排污量少，水环境压力小;第四象限代表水资源约束高-水环境约束低类区域，包括天水市、临夏回族自治州（以下简称临夏州）、平凉市、庆阳市、定西市和陇南市，此类区域水资源总体缺乏，但水环境压力较小。

4  产业布局优化方向

4.1  水资源约束高-水环境约束高区

金昌市和白银市都是因矿产资源开发而建立的城市，工业占比高，且以传统产业为主，耗水量大，排污量高。区域水资源总体较缺乏，开发利用率较高，且以农业用水为主，占比高达80%以上。应加大农业节水灌溉面积，提高低耗水农作物比例，大力扶植生态农业，减少农药、化肥使用量，有效控制农业面源污染;同时发展循环经济，增加工业用水的重复利用率，加快传统产业转型升级，实施更严格的产业准入门槛，限制火电、冶金、有色金属、化学原料及化学制品、煤炭采选等高耗水、高排放产业的发展，重点开发战略性新兴产业和现代信息服务类产业。

4.2  水资源约束低-水环境约束高区

该类区域水资源较丰富，但水环境压力大，产业优化布局的重点以保护水环境为主。张掖市、武威市、酒泉市是甘肃省粮食主产区，但由于降水稀少，农业灌溉率高，农业用水占比高达90%左右，其水资源可持续利用的关键是通过农业节水灌溉技术的推广以及种植结构的调整来减少农业用水量。而兰州市工业用水占比相对较高，应通过循环回用、重复利用、顺次使用等方式提高工业用水的重复利用率，通过实施清洁生产，应用高新技术改造传统产业等方式逐步降低工业用水定额。该区域水域水质要求高，排污限制大，产业发展的重点为河西3市以发展生态农业、生态农产品加工基地、清洁能源、文化旅游、通道物流和以核能循环利用为主的特色优势产业，促进绿色转型升级;兰州市应推动石油化工、有色冶金等传统产业转型升级，做大做强高端装备制造、新材料、生物医药等主导产业，培育壮大文化旅游、商贸物流、电子商务、数据信息、通道物流等现代服务业。

4.3  水资源约束低-水环境约束低区

嘉峪关市和甘南州水资源较丰富，水环境压力小，产业发展的重点围绕当地优势产业展开，同时注重生态环境的保护，变绿水青山为金山银山。嘉峪关市围绕钢、铝产业链，全力推进延链、补链、强链项目建设，形成以冶金工业为主体，电力、建材、机械、化工、轻纺等为辅的工业体系，并加强工业污染治理的力度，同时发展文化旅游、商贸物流等产业;甘南州应依托区域特色，重点打造农业生产、休闲、娱乐、旅游于一体的生态观光农业，构建高原特色有机畜牧业、种植业、土特产和中藏药循环经济产业链。

4.4  水资源约束高-水环境约束低区

该区域水生态约束相对较低，经济社会发展水平仍有很大的提升空间，水体纳污能力较强，应坚持节约优先、以水定产，大力发展节水型绿色产业以及集约型产业，依托现有资源发展现代制药业及生物产业，着重考虑新能源和装备制造业以及综合利用新能源产业的大规模发展，推进钢铁及特色农产品加工基地等优势产业的集约化发展，重点发展特色农业、光伏产业、冶金、电力、保健养生、文化旅游业等基础产业，加快先进制造、化工建材、冶金机电、药材加工等传统产业的改造升级，提高污染治理水平，促进该类地区的社会经济、水资源和水环境三者之间的协调发展。

5  讨论

本文基于水资源约束和水环境约束两个方面探讨了水生态对甘肃省产业布局的限制性影响，并有针对性地提出了区域产业布局优化的方向。

1）水资源约束的区域差异明显，呈现出从西北向东南递增的格局。河西走廊内陆河流域虽然降水量少，但水资源总量多且开发利用水平高，水资源约束较低;水资源约束高区主要分布在黄河流域的陇中黄土高原地区和长江流域的陇南山区，其特点是人均水资源占有量較高，但供水总量少，水资源开发利用率低。

2）水环境约束的区域差异也较大，呈现出从西北向东南递减的格局。水环境约束高区集中分布在河西走廊内陆河流域和黄河流域的陇中黄土高原地区，其水域水质要求较高，排污限制较强，加之工业占比较高，水污染物和废污水排放量大，水环境压力大;甘南高原、陇南山地，流域水质要求高，排污限制强，但工业占比低，水污染物和废污水排放量少，水环境压力小。位于陇中黄土高原的庆阳市境内河流较多，水质要求低，排污限制小，工业占比虽然较高，但污染物和废污水排放量较少，水环境压力也较小。

3）通过二维象限解析进行水生态约束分区，将全省划分为水资源约束高-水环境约束高区、水资源约束高-水环境约束低区、水资源约束低-水环境约束高区和水资源约束低-水环境约束低区等4种类型区。总体上，工矿城市地区水生态约束高，在提高农业、工业用水效率的同时，应加快传统产业的转型升级，限制高耗水、高排放产业的发展，大力发展高新技术产业;水环境约束高区在促进传统产业转型升级的同时，以发展生态农业、文化旅游以及现代服务业为主;水资源约束高区应大力发展节水型绿色产业，重点发展特色农业、旅游业、保健养生等优势产业。

6  结论与展望

目前水生态环境已经成为影响流域以及产业布局的重要因素，本文在总结现有研究的基础上，将水生态约束划分为水资源和水环境约束，从水资源供给能力和水环境纳污能力两个方面构建了甘肃省水生态对产业发展的约束分区指标评价体系，其主要结论如下。水资源约束的区域差异明显，呈现出从西北向东南递增的格局;水环境约束的区域差异也较大，呈现出从西北向东南递减的格局。通过二维象限解析进行水生态约束分区，将全省划分为4类，其中金昌市和白银市属于水资源约束高-水环境约束高区;临夏州、定西市、天水市、陇南市、平凉市和庆阳市属于水资源约束高-水环境约束低区;酒泉市、张掖市、武威市和兰州市属于水资源约束低-水环境约束高区;嘉峪关市和甘南州属于水资源约束低-水环境约束低区。评价结果不仅能为该地区的产业空间布局提供科学理论依据，而且也能为其他流域产业优化布局提供方法借鉴。

本文从时间和空间两个维度对甘肃省的水生态约束进行了研究和分析，研究结果基本符合甘肃省实际情况，在一定程度上能够对产业布局优化方案提供可靠的科学依据。但仍存在一些不足，如统计数据的滞后性、缺失性导致数据获取较为困难，水生态约束分区指标体系的建立还不够完善，增加水生生物多样性等表征水生态系统功能的指标是今后深入研究的方向。

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收稿日期：2019-05-09

基金項目：国家自然科学基金项目（41161028）

作者简介：李  菲（1995-），女，甘肃武威人，在读硕士研究生，研究方向为区域环境与生态产业，（电话）13893671478（电子信箱）

1179465165@qq.com;通信作者，张小平，（电子信箱）zxp296@163.com。