水環(huán)境容量約束下的太湖流域產(chǎn)業(yè)集聚空間優(yōu)化

趙海霞 ,王 梅 ,段學軍 (.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 0008；.武漢市規(guī)劃研究院土地利用規(guī)劃所,湖北 武漢 430000)

產(chǎn)業(yè)集聚是指在某個領域內大量產(chǎn)業(yè)關聯(lián)密切的企業(yè)與相關機構在空間上集聚的現(xiàn)象[1].目前,許多學者從產(chǎn)業(yè)集聚與經(jīng)濟增長、技術創(chuàng)新等關系出發(fā),分析了產(chǎn)業(yè)集聚產(chǎn)生的集聚經(jīng)濟、外部經(jīng)濟、范圍經(jīng)濟等正面外部效應[2-4],指出產(chǎn)業(yè)集聚有利于加快規(guī)模經(jīng)濟發(fā)展和區(qū)域產(chǎn)業(yè)競爭力的提升,并實現(xiàn)資源集約利用、環(huán)境污染集中治理,因而,集聚發(fā)展往往都是被鼓勵的.然而,在一定的技術水平下,受有限的區(qū)域環(huán)境容量約束,當產(chǎn)業(yè)過度集聚并超過環(huán)境可承載的限度時,非但不利于環(huán)境污染的集中治理,反而會引起區(qū)域環(huán)境質量的下降與惡化,環(huán)境治理成本的急劇上升[5-6].因此,不適當或過度的產(chǎn)業(yè)集聚具有環(huán)境的負外部性.

Freeman[7]1993年提出產(chǎn)業(yè)集聚要研究其與環(huán)境外部性的相互作用,并考慮區(qū)位、生產(chǎn)等因素與環(huán)境污染的作用關系.目前,國內外關于產(chǎn)業(yè)集聚與環(huán)境問題的相關研究可歸納為兩方面:一是產(chǎn)業(yè)集聚及其空間布局對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響[5-6,8-12];但多局限于產(chǎn)業(yè)集聚與環(huán)境污染相互關系的定性識別,而產(chǎn)業(yè)集聚對環(huán)境影響的內在機理缺乏深入研究.二是水環(huán)境容量對產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的約束影響,認為產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的區(qū)位選擇需要顧及水環(huán)境容量的約束.通過水資源量和水文特征等測算水環(huán)境容量,運用排污總量控制、約束產(chǎn)業(yè)的排污行為[13-16],也有學者基于水環(huán)境綜合管理進行水生態(tài)環(huán)境分區(qū)[17],進而根據(jù)水環(huán)境容量的空間分異協(xié)調工業(yè)生產(chǎn)力宏觀布局[18],但仍局限于大流域尺度、產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間的宏觀調控[19-21].目前,從微觀尺度,如根據(jù)小流域或鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)行政單元進行水環(huán)境容量的分區(qū)評價,進而對產(chǎn)業(yè)集聚空間優(yōu)化調整的定量研究仍不多見.

近年來,隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,太湖流域產(chǎn)業(yè)不斷集聚,重污染、中污染行業(yè)、企業(yè)均在沿太湖及重要河流兩側形成明顯的空間集聚態(tài)勢,對其周邊的生態(tài)環(huán)境尤其是水體環(huán)境形成了較為嚴重的破壞,造成水質性缺水問題凸顯[22-24].雖然自1998年以來,流域實施了包括“零點行動”在內的一系列專項治理行動,但湖體水質惡化未得到根本遏制[25].大量研究表明:太湖流域水質環(huán)境的演變受自然、人口、社會、經(jīng)濟等多方面因素影響,其中,產(chǎn)業(yè)集聚的影響不應忽視.未來太湖流域經(jīng)濟仍將持續(xù)快速增長,根據(jù)水環(huán)境容量約束引導與控制產(chǎn)業(yè)空間集聚,對太湖流域水環(huán)境的綜合整治意義重大.因此,本文以太湖流域江蘇部分為案例區(qū),選取與產(chǎn)業(yè)集聚關系最為密切的水環(huán)境容量來研究集聚的空間優(yōu)化機理與對策,以期為產(chǎn)業(yè)集聚與水環(huán)境容量之間關聯(lián)機理的探討提供新的視角,也為轉型時期太湖流域的產(chǎn)業(yè)集聚空間優(yōu)化調整提供理論依據(jù).

圖1 研究區(qū)區(qū)域范圍Fig.1 The study area

1 案例區(qū)概況

太湖流域地處長江三角洲南翼,轄江蘇、浙江、上海和安徽3省1市,總面積3.69萬km2.其中,江蘇省太湖流域總面積(含太湖湖體)為1.94萬km2,包括蘇州、無錫、常州三市和鎮(zhèn)江、南京二市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn).本研究區(qū)為江蘇省太湖流域的蘇錫常部分,占太湖流域總面積的52%(圖1).該區(qū)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)達,工業(yè)化、城市化水平一直在江蘇省處于領先地位.2008年,全區(qū)常駐人口1964.09萬人,占江蘇省的25.6%,GDP14651億元,占全省的44.2%,城市化率為65.3%,高于全省11個百分點.工業(yè)經(jīng)濟仍是區(qū)域 GDP的主要來源,其中電子、機械、化學、冶金、紡織和食品六大行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值的85%以上.

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

采用環(huán)境地理學的理念對水環(huán)境容量進行分區(qū)評價,解釋其空間分布規(guī)律;然后與彰顯產(chǎn)業(yè)集聚特點污染因子的關系進行疊加分析,依據(jù)環(huán)境容量支撐強度—產(chǎn)業(yè)集聚壓力的對應關系,劃分產(chǎn)業(yè)集聚空間優(yōu)化類型區(qū).

2.1 環(huán)境容量分區(qū)評價方法

水環(huán)境容量也稱納污總量,其內在決定要素主要是水文條件和水體物理、化學、生物特性以及水環(huán)境功能分區(qū)的水質要求、水體使用功能,同時,流域地理條件及其向外開放性也對有較大影響,是自然參數(shù)和社會參數(shù)的多變量函數(shù).

2.1.1 評價指標對同一流域來說,很多特征指標具有相似性(例如特征污染物的降解能力等).因此,根據(jù)多指標的區(qū)域差異進行的水環(huán)境容量評價是相對水環(huán)境容量的概念.根據(jù)太湖流域水環(huán)境的特征,選取地貌特征、水質目標、水體通達性、清水通道、現(xiàn)狀水質指標作為表征水環(huán)境容量的指標.

(1) 地貌特征(高程、坡度和河網(wǎng)密度).不同地貌類型持水和排水能力不同,對水環(huán)境容量產(chǎn)生的影響也不一致.山地丘陵地區(qū),地貌坡度大,河網(wǎng)密度小,徑流對地面沖刷較強,水土易于流失,大大削弱水環(huán)境的容量;地勢低洼地區(qū),尾水外排能力差,水體自凈能力弱;平原河網(wǎng)地區(qū)水流通暢,水網(wǎng)密度大,污染物的擴散、削減能力較強.

(2) 水質目標.是在一定時間段內,為保證水體質量和水域使用目的而制定的水功能區(qū)劃.按照《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》的標準,分別對不同水質目標進行評價,水質目標越高的區(qū)域容納水環(huán)境污染的能力越低,對水環(huán)境容量的壓力也越大.

(3) 現(xiàn)狀水質指標.指水體中某種污染物的濃度,可表征水域功能(納污能力)已被使用的情況.現(xiàn)狀水質指標越高,表明對水環(huán)境容量的壓力越大.

(4) 水體通達性.是指河流水系與外圍水系的通達性,間接表征了污染排放路徑的通暢程度,與外界大容量水體交換條件較好的區(qū)域納污能力較強,對水環(huán)境容量的壓力較小.

(5) 清水通道.是指跨流域調水和清潔水源的輸送通道,水質要求較高,水源安全保障的約束較強,其經(jīng)過的地區(qū)水環(huán)境納污能力較差,對水環(huán)境容量的壓力大.蘇錫常區(qū)域主要的清水通道有望虞河、新孟河、太浦河等.

2.1.2 指標權重 指標權重的確定主要考慮差異性和重要性,為使結果更準確和科學,通過特爾非法來確定標度值,選擇相關專業(yè)的專家及相關部門的專業(yè)技術人員對各指標的重要性程度進行打分,通過對打分樣本進行有效性和收斂結果分析,確定水環(huán)境容量指標的重要性排序為水質目標(0.30)＞現(xiàn)狀水質(0.25)＞水體通達性(0.20)＞清水通道(0.15)＞地貌特征(0.10).運用GIS的空間疊加分析法,根據(jù)指標賦值和權重,采用加權因子法計算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元得分:

式中: i為鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元編號;k為評價因子;Bki為第i個單元的第k個評價因子分值;Wk為k評價因子的權重值; Si為第i個單元的水環(huán)境容量綜合評價得分.

表1 水環(huán)境容量評價指標權重及賦值Table 1 Power and standard of indicators for water environment capacity

2.1.3 行政區(qū)與自然邊界疊置方法 采用RS與GIS等數(shù)字化方法劃分小流域.同時,為了分區(qū)方案和產(chǎn)業(yè)集聚空間優(yōu)化及其管制要求更具操作性,需要將以流域為單元的水環(huán)境容量分區(qū)評價結果通過多邊形疊置分析法轉化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政單元,實現(xiàn)評價單元統(tǒng)一.具體轉化算法如式(2)所示[21].

式中:Wi是指行政單元i的某自然屬性指數(shù);AWij是指行政單元 i內第j個小流域單元的面積;Ai是行政單元的總面積;Sj是第j個小流域單元的某自然屬性指數(shù).

2.2 產(chǎn)業(yè)集聚空間優(yōu)化類型區(qū)劃分

利用ArcGIS空間分析工具,分別將水環(huán)境容量指數(shù)與農(nóng)業(yè)污染排放強度、工業(yè)污染排放強度進行疊加分析,根據(jù)環(huán)境容量與污染強度指數(shù)的空間耦合關系將其劃分為重點調整區(qū)、優(yōu)化調整區(qū)和一般調整區(qū).

2.3 數(shù)據(jù)來源與處理

通過實地調研,收集到研究區(qū)水環(huán)境數(shù)據(jù)、2006年含186個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)單元的太湖流域行政區(qū)劃圖.其中,水環(huán)境數(shù)據(jù)主要包括水質目標及現(xiàn)狀、行業(yè)污染排放.水質目標及現(xiàn)狀主要來源水資源公報[27],同時參考江蘇省水(環(huán)境)功能區(qū)劃;行業(yè)污染數(shù)據(jù)主要為農(nóng)業(yè)面源污染與工業(yè)點源污染排放,根據(jù)2007年污染源普查數(shù)據(jù)整理分析.

為了消除各指標之間的量綱差別,采用極差標準化方法.

式中:Xij是i項指標j鄉(xiāng)鎮(zhèn)標準化后的數(shù)值;ximax是i項指標中最大值;ximin是 i項指標中的最小值;xij是i項指標j鄉(xiāng)鎮(zhèn)的初始值.

3 研究結果

3.1 水環(huán)境容量分區(qū)評價

通過指標的綜合評價,確定各流域單元的水環(huán)境容量指數(shù),然后將流域單元的水環(huán)境容量指數(shù)轉換到鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元,并采用聚類分析方法將 186個鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元劃分高、較高、中、低、較低5個等級(圖2).總體上,水環(huán)境容量從東北沿江區(qū)域向西南沿湖地區(qū)逐步遞減.

圖2 水環(huán)境容量分區(qū)Fig.2 Water environmental capacity partitions藍色部分為水體,下同

水環(huán)境容量高和較高的區(qū)域主要位于沿江平原地區(qū).其中蘇州市的太倉市、常熟市、張家港的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)和常州市的戚墅堰區(qū)是水環(huán)境容量最高的區(qū)域;吳江市、蘇州市區(qū),常州市區(qū)、金壇市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)及江陰市、無錫市區(qū)部分街道、張家港市的大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)是水環(huán)境容量較高的區(qū)域.該區(qū)域總體上擁江呈帶狀分布格局,由于水體通達性好,交換能力強,水環(huán)境承載力比較高.

水環(huán)境容量低和較低的區(qū)域主要分布在太湖、滆湖和長蕩湖沿岸以及西南部丘陵地區(qū).受飲用水源、清水通道及沿湖重要濕地保護區(qū)的影響,水環(huán)境較為敏感,對社會經(jīng)濟發(fā)展的承載能力低.水環(huán)境容量中等的地區(qū)則零星分布在各市區(qū),主要以無錫市區(qū)、宜興市區(qū)為主.

3.2 產(chǎn)業(yè)集聚與水環(huán)境容量的關聯(lián)性

產(chǎn)業(yè)集聚帶來的產(chǎn)業(yè)地域分工和空間重組與生態(tài)環(huán)境變化有密切的相關性[27].因此,產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的區(qū)位選擇需要顧及環(huán)境容量的約束[28].水環(huán)境容量作為生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,通常作為基于水體自凈和環(huán)境納污能力的維護而形成對區(qū)域開發(fā)的排污行為的限制[29],對特定區(qū)域的產(chǎn)業(yè)集聚格局具有一定的限制作用[30].有研究認為產(chǎn)業(yè)集聚空間布局不合理是造成長江三角洲地區(qū)水資源短缺和環(huán)境污染日益嚴重、生態(tài)安全受威脅的主要原因[31],而合理的工業(yè)布局是協(xié)調工業(yè)發(fā)展和水環(huán)境污染的重要措施[32].因此,需根據(jù)主要河流水環(huán)境容量地域分異規(guī)律劃分水環(huán)境容量區(qū),據(jù)此提出水污染控制與管理策略[33].

目前,太湖流域的產(chǎn)業(yè)集聚格局不斷顯現(xiàn),污染密集型企業(yè)沿江、沿湖的重要河流兩側形成明顯的空間集聚態(tài)勢,對水環(huán)境尤其是太湖水體保護壓力很大.從農(nóng)業(yè)面源污染和工業(yè)點源污染分布格局可以看出(圖3和圖4),產(chǎn)業(yè)集聚產(chǎn)生的污染相對比較集中,主要分布在常州市天寧區(qū)、新北城區(qū)以及戚墅堰區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn),無錫的崇安區(qū),北塘區(qū),惠山區(qū)的洛社鎮(zhèn)、前洲鎮(zhèn)和玉祁鎮(zhèn),錫山區(qū)的安鎮(zhèn)鎮(zhèn)、江陰市區(qū),蘇州虎丘區(qū)、工業(yè)園區(qū)、張家港徐舍鎮(zhèn)、昆山市巴城鎮(zhèn)和玉山鎮(zhèn)、常熟市港區(qū)以及吳江市盛澤鎮(zhèn)等,總體上以太湖、滆湖及長蕩湖沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主,對太湖流域保護區(qū)和沿湖重要濕地、清水通道的保護產(chǎn)生很大壓力,而且產(chǎn)業(yè)污染的分布格局與水環(huán)境容量的空間分布不吻合.因此,基于水環(huán)境容量的約束,太湖流域產(chǎn)業(yè)集聚空間有進一步優(yōu)化的可能.

圖3 農(nóng)業(yè)污染空間分布Fig.3 Spatial distribution of agricultural pollution

圖4 工業(yè)污染空間分布Fig.4 Spatial distribution of industrial pollution

3.3 水環(huán)境容量約束下的產(chǎn)業(yè)集聚空間優(yōu)化

3.3.1 農(nóng)業(yè)集聚空間優(yōu)化布局及管制要求 通過水環(huán)境容量指數(shù)與農(nóng)業(yè)面源污染強度的疊加分析,將水環(huán)境容量較低且農(nóng)業(yè)污染重的區(qū)域劃分為重點調整區(qū);水環(huán)境容量高且農(nóng)業(yè)污染重、水環(huán)境容量低且農(nóng)業(yè)污染輕的單元劃分為優(yōu)化調整區(qū);水環(huán)境容量高且農(nóng)業(yè)污染輕的單元劃分為一般調整區(qū)(圖5).

(1) 重點調整區(qū).主要位于太湖一級保護區(qū)、滆湖、長蕩湖沿岸及溧陽市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn).該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達,農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥使用量高,農(nóng)業(yè)面源污染比較明顯,而且水環(huán)境敏感性強,農(nóng)業(yè)活動對水環(huán)境影響大,發(fā)展高效、生態(tài)安全農(nóng)業(yè);推廣使用生物有機肥和低殘留高效農(nóng)藥,實行規(guī)模化清潔養(yǎng)殖,控制農(nóng)業(yè)面源污染.

(2) 優(yōu)化調整區(qū).位于太湖二級保護區(qū)及南部山丘崗地區(qū).本區(qū)種植業(yè)較為發(fā)達,目前對水環(huán)境雖未造成較大影響,但是由于區(qū)域水生態(tài)恢復能力差、水環(huán)境污染風險大.大力發(fā)展高效、生態(tài)安全農(nóng)業(yè),重點發(fā)展郊區(qū)無公害、綠色、有機農(nóng)產(chǎn)品;突出發(fā)展與水源涵養(yǎng)、生態(tài)防護等功能的林業(yè)經(jīng)濟;控制水庫、塘壩養(yǎng)殖規(guī)模,減少投餌強度,有效控制地表徑流氮磷污染.

圖5 農(nóng)業(yè)集聚空間優(yōu)化分區(qū)Fig.5 Optimization of agricultural cluster partitions

(3)一般調整區(qū).主要分布在常州、無錫、蘇州的市區(qū)及太倉市、吳江市的大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn),以及宜興市區(qū)周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元.水環(huán)境容量較高,土壤肥沃、農(nóng)業(yè)發(fā)達.建設綠色食品基地和標準化的綠色農(nóng)產(chǎn)品加工基地,優(yōu)化現(xiàn)有種植業(yè)結構,農(nóng)用化學品投入減量化;實行規(guī)?；鍧嶐B(yǎng)殖,同時要因地制宜地發(fā)展林果業(yè).

3.3.2 工業(yè)集聚優(yōu)化布局及管制要求 通過水環(huán)境容量指數(shù)與工業(yè)點源污染強度的疊加分析,將水環(huán)境容量低且工業(yè)污染重的單元劃分為重點調整區(qū);水環(huán)境容量高且工業(yè)污染重、水環(huán)境容量低且工業(yè)污染輕的單元劃分為優(yōu)化調整區(qū);水環(huán)境容量高且工業(yè)污染輕的單元劃分為一般調整區(qū)(圖6).

(1) 重點調整區(qū).主要分布在常州、無錫、和蘇州的中心城區(qū).該區(qū)經(jīng)濟發(fā)達,工業(yè)化水平高,而且紡織、化工、造紙、鋼鐵、電鍍和食品制造業(yè)等傳統(tǒng)污染密集型企業(yè)比較集中,工業(yè)的集聚發(fā)展排污強度大,對水生態(tài)系統(tǒng)影響大.重點專項整治重污染工業(yè)企業(yè):用高新技術改造提升規(guī)模以上的重點污染企業(yè)生產(chǎn)工藝水平;采取“淘汰、改造、集中”的方式綜合整治規(guī)模以下的重點污染企業(yè).

表2 工業(yè)集聚空間優(yōu)化Table2 Optimization of industry cluster partition space

(2) 優(yōu)化調整區(qū).主要位于太湖一、二級保護區(qū)范圍內以及重點調整區(qū)的外圍,水環(huán)境敏感性強.優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構,工業(yè)向園區(qū)集中,對企業(yè)實行強制性清潔生產(chǎn)審核,建設生態(tài)工業(yè)園、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟;確保望虞河、德勝河等清水廊道沿岸工業(yè)企業(yè)限期搬遷,提高企業(yè)進入本區(qū)的環(huán)境門檻.

(3) 一般調整區(qū).主要位于水文調蓄農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和水土保持生態(tài)功能區(qū),整體上屬于限制開發(fā)區(qū).限制鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)集中區(qū)規(guī)模盲目擴大,改造、搬遷或關閉污染較重的企業(yè),騰出環(huán)境容量和發(fā)展空間;適當放寬產(chǎn)業(yè)準入門檻,嚴格要求污染物達標排放;禁止或限制開山采石、布置礦點.

圖6 工業(yè)集聚空間優(yōu)化分區(qū)Fig.6 Optimization of industry cluster partitions

4 結論

4.1 太湖流域(蘇錫常)的水環(huán)境容量地域差異性較大,呈現(xiàn)從東北沿江地區(qū)向西南沿湖地區(qū)逐步遞減的格局.水環(huán)境容量較高的地區(qū)主要包括常州和蘇州的太倉市、常熟市、張家港和戚墅堰的沿江平原地區(qū),由于水體通達性好,交換能力強,水環(huán)境承載力比較高.而太湖、滆湖和長蕩湖沿岸以及西南部丘陵地區(qū)則是水環(huán)境容量相對較低的區(qū)域,受飲用水源、清水通道及沿湖重要濕地保護區(qū)的影響,水環(huán)境較為敏感,對社會經(jīng)濟發(fā)展的承載能力低.

4.2 太湖流域(蘇錫常)產(chǎn)業(yè)集聚引起的污染總體上以太湖、滆湖及長蕩湖沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布較多,對太湖流域保護區(qū)和沿湖重要濕地、清水通道的保護產(chǎn)生很大壓力,與水環(huán)境容量的空間分布格局不吻合.

4.3 農(nóng)業(yè)集聚空間優(yōu)化要重點調整位于太湖一級保護區(qū)、滆湖、長蕩湖沿岸區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展,著力發(fā)展高效、生態(tài)安全農(nóng)業(yè),控制農(nóng)業(yè)面源污染;優(yōu)化調整位于太湖二級保護區(qū)及南部山丘崗地區(qū),重點發(fā)展郊區(qū)無公害、綠色、有機農(nóng)產(chǎn)品,有效控制地表徑流污染;一般調整常州、無錫、蘇州市區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展,優(yōu)化現(xiàn)有種植業(yè)結構,農(nóng)用化學品投入減量化,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集聚空間布局的優(yōu)化.

4.4 工業(yè)集聚空間優(yōu)化要重點調整常州、無錫和蘇州中心城區(qū)的工業(yè)發(fā)展,整治重污染工業(yè)企業(yè),用高新技術改造提升規(guī)模以上的重點污染企業(yè)生產(chǎn)工藝水平,采取“淘汰、改造、集中”的方式綜合整治規(guī)模以下的重點污染企業(yè);優(yōu)化調整太湖一、二級保護區(qū)范圍內以及重點調整區(qū)外圍,優(yōu)化工業(yè)結構,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,確保望虞河、德勝河等清水廊道沿岸工業(yè)企業(yè)限期搬遷,提高企業(yè)進入門檻;而對于一般調整區(qū)則限制鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)集中區(qū)規(guī)模盲目擴大,改造、搬遷或關閉污染較重的企業(yè),騰出環(huán)境容量和發(fā)展空間,嚴格要求污染物達標排放,禁止或限制開山采石、布置礦點.

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