基于公平性評估的濱湖城市水環(huán)境容量配置研究:以無錫市區(qū)COD配置為例*

孫 偉

(中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京210008)

水環(huán)境容量是承載區(qū)域發(fā)展的重要因素，人類經(jīng)濟社會活動的水污染物排放量要控制在環(huán)境容量允許的范圍內(nèi).隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水排放量都在持續(xù)增加，對水生態(tài)系統(tǒng)的健康和安全造成了嚴重的影響［1-4］.與此同時，水環(huán)境對人類開發(fā)活動的倒逼限制和容量約束也不斷增強，甚至成為影響發(fā)達地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和空間調(diào)整的關(guān)鍵因素［5］.由于地理差異性的存在，不同區(qū)域的水環(huán)境容量不同，允許容納的污染物排放量及其產(chǎn)生影響也是不同的.如果在環(huán)境容量高的地區(qū)利用不足，則會降低資源利用效率;在環(huán)境容量低的地區(qū)過度利用，則會導(dǎo)致水環(huán)境污染嚴重.然而，目前我國的水污染物排放量配置主要是通過規(guī)劃或計劃調(diào)控來完成的［6］，由國家到省、市、縣等自上而下按計劃逐級分配確定，但是由于水污染物排放量空間配置技術(shù)方法的支撐不足，現(xiàn)實操作中往往是通過上級政府和下級政府協(xié)商博弈產(chǎn)生的，配置結(jié)果或過度集中于促進經(jīng)濟增長效率方面，或平均分配，始終難以協(xié)調(diào)公平和效率的均衡問題.基于區(qū)域資源環(huán)境承載能力和經(jīng)濟發(fā)展水平的差異，如何解決水環(huán)境污染物排放的空間均衡配置技術(shù)問題，成為近年地理學(xué)、環(huán)境學(xué)乃至管理學(xué)研究的熱點之一.

近年地理學(xué)者將區(qū)域資源環(huán)境稟賦差異納入經(jīng)濟學(xué)一般均衡的分析框架，構(gòu)建了空間均衡理論模式，提出依據(jù)各地區(qū)經(jīng)濟、社會、資源環(huán)境條件和區(qū)位供給能力，進行經(jīng)濟社會開發(fā)與自然生態(tài)保護活動的合理空間配置，并通過建立人口、土地、環(huán)境容量空間配置規(guī)則予以實現(xiàn)［7-8］，為研究資源要素配置研究提供了嶄新的理論視角和科學(xué)范式.按照空間均衡的理念以及主體功能區(qū)的要求，理性的政策選擇必然是污染物排放總量優(yōu)先向環(huán)境容量大和需求高的地區(qū)多配置，環(huán)境容量小的地區(qū)少配置.然而，從配置實施的關(guān)鍵技術(shù)上看，如何判斷區(qū)域環(huán)境容量的大小?不同之間水污染物排放總量配置規(guī)模應(yīng)該相差多大?往往成為理論指導(dǎo)實踐、科學(xué)制定規(guī)劃及決策的操作性難題，這些問題既影響著有限污染物排放總量指標的配置效率，也涉及到指標分配的公平性問題.也正因如此，水污染物排放總量空間優(yōu)化配置需要在空間均衡理論的指導(dǎo)下，建立更加符合科學(xué)發(fā)展要求，又具有現(xiàn)實操作可能的理論分析框架和計量方法，為政府制定污染物排放總量指標空間配置決策提供針對性的參考意見和科學(xué)依據(jù).

關(guān)于區(qū)域水環(huán)境容量差異的評估，一般以流域等自然地理單元為基礎(chǔ)，通過選擇地形地貌、水質(zhì)目標、清水通道、水體通達性、集中式飲用水源地分布等指標，評估水環(huán)境容量供給能力的相對差異［9-10］.在水污染物排放總量配置方面，國外主要考慮水生態(tài)系統(tǒng)的最大污染承受能力，基于水環(huán)境功能區(qū)劃進行總量指標配置的研究工作［11-12］.由于我國水環(huán)境管理與國外體制不同，因而在水污染物排放總量分配方面考慮的因素與國外大不相同，配置單元以行政區(qū)單元為主.一方面?zhèn)戎赜谖⒂^企業(yè)主體間污染排放的分配，影響因素主要包括企業(yè)現(xiàn)狀排污強度、企業(yè)產(chǎn)出規(guī)模、職工人數(shù)等［13-14］;另一方面?zhèn)戎赜趨^(qū)域分配實現(xiàn)總體調(diào)控，主要考慮人口規(guī)模、經(jīng)濟產(chǎn)值、排污口情況、土地面積、水資源量、水質(zhì)現(xiàn)狀等指標［15-17］.此后，有學(xué)者提出要在社會因素中增加城市化水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、文化水平等指標，同時要考慮單位經(jīng)濟產(chǎn)出的污染排放、污染物處理能力、科技進步貢獻率等技術(shù)管理指標［18-19］.總體上，原有研究基于行政區(qū)自上而下設(shè)定減排任務(wù)，基本上一刀切，忽視空間功能的差異，這樣既會導(dǎo)致水環(huán)境容量利用效率的損失，也會因欠缺公平導(dǎo)致現(xiàn)實中難以操作.因而，近年有學(xué)者開始嘗試在構(gòu)建污染負荷分配模型時將公平作為分配準則，但在公平性的定量度量技術(shù)上仍顯薄弱［20-22］.因此，本文擬將經(jīng)濟學(xué)度量收入分配的基尼系數(shù)法引入水環(huán)境污染物總量分配的公平性評估中，嘗試解決資源要素空間配置及其公平性定量測度的技術(shù)問題.

1 研究區(qū)域概況

無錫市區(qū)位于長江三角洲的長江和太湖之間的走廊地區(qū)(圖1)，總面積1650 km2太湖流域水資源保護局.太湖流域及東南諸河省界水體水資源質(zhì)量狀況通報，2012.，其中水域面積占40%左右，是城區(qū)距太湖最近的沿湖大城市之一.改革開放以來，經(jīng)濟社會發(fā)展成就顯著，2010年地區(qū)生產(chǎn)總值達到5760億元，人口密度達到2150人/km2太湖流域水資源保護局.太湖流域及東南諸河省界水體水資源質(zhì)量狀況通報，2012.，開發(fā)強度接近40%，是我國工業(yè)化和城市化水平最高的城市之一.但是支撐經(jīng)濟總量的制造業(yè)中，如紡織業(yè)、石油化工行業(yè)、冶金業(yè)等污染型制造業(yè)約占工業(yè)增加值40%左右，污染排放量卻占到全部行業(yè)的85%以上，特別是污染型企業(yè)大部分延續(xù)著原有的分散布局，較少考慮水環(huán)境容量限制，帶來入湖營養(yǎng)物大量增加，對太湖及其流域的生態(tài)環(huán)境影響明顯［23］.2007年，太湖藍藻暴發(fā)，臨近無錫城市的太湖水域成為水體富營養(yǎng)化最明顯、藍藻水華暴發(fā)最嚴重的湖區(qū)①.太湖水危機暴發(fā)后，省市兩級政府明確提出太湖污染排放“零容量”，倒逼無錫根據(jù)環(huán)境容量差異和限制性要求對污染企業(yè)進行布局調(diào)整.到2008年，無錫市區(qū)污染企業(yè)較2004年減少一半以上，布局也更為集中(圖2).截至2012年4月，竺山灣、貢湖灣和梅梁灣的水質(zhì)雖然仍處于劣Ⅴ類，但水體已由原來的富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度營養(yǎng)化②.可見，水體水質(zhì)的好轉(zhuǎn)，不僅限于湖泊水體自身污染的修復(fù)，還要從區(qū)域環(huán)境容量的差異出發(fā)，合理確定各地區(qū)污染物排放總量規(guī)模.因此，開展基于水環(huán)境容量供給能力和需求的污染物排放總量配置方法研究，對于指導(dǎo)濱湖城市合理利用水環(huán)境容量，促進水環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的率先轉(zhuǎn)型、科學(xué)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義.

圖1 無錫市區(qū)在長三角的位置Fig.1 Location of Wuxi City in Yangtze Delta

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

水環(huán)境污染物是指直接或間接向水體排放的，能導(dǎo)致水體污染的物質(zhì)，監(jiān)測指標包括COD、氨氮、總磷、大腸菌群、重金屬等①環(huán)境保護部.水污染物名稱代碼(HJ525-2009)，2009年12月30日發(fā)布.，本文僅以國家明確的實施排放總量控制的COD為例進行研究.污染物排放總量規(guī)模是指標分配的前提，其需求預(yù)測方法的研究也非常重要，本文重點在于污染物排放總量空間配置方法，COD排放總量直接采用江蘇省下達給無錫市的總量規(guī)模.土地利用數(shù)據(jù)解譯自1.5 m分辨率Spot5遙感影像，地形數(shù)據(jù)來自于1∶50000地形圖，水環(huán)境數(shù)據(jù)主要根據(jù)水利局的《水環(huán)境功能區(qū)劃》和《水資源公報》，環(huán)保局的《環(huán)境統(tǒng)計公報》、《部分重點行業(yè)主要污染物排放情況統(tǒng)計(2008年)》、《無錫集中式飲用水源地分布》和《無錫市污染源普查技術(shù)報告》等綜合整理.重要生態(tài)功能區(qū)數(shù)據(jù)根據(jù)江蘇省環(huán)境保護廳的《江蘇省重要生態(tài)功能保護區(qū)區(qū)域規(guī)劃》以及無錫市相關(guān)專項規(guī)劃整理而成.其他統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括經(jīng)濟發(fā)展、人口規(guī)模、城市建設(shè)等數(shù)據(jù)，主要源于《無錫市統(tǒng)計年鑒》、《無錫市建設(shè)統(tǒng)計年報》等，提供部門包括統(tǒng)計局、建設(shè)局、公安局等.

圖2 無錫市區(qū)污染企業(yè)集聚程度的核密度分析Fig.2 Kernel density analysis of agglomeration degree of polluting enterprises in Wuxi City

2.2 水環(huán)境容量分配方法

水環(huán)境容量指標分配既要考慮區(qū)域水環(huán)境容量的供給能力，也要考慮經(jīng)濟社會發(fā)展的現(xiàn)實需求，通過兩方面要素的綜合評價確定環(huán)境容量分配指數(shù).在此基礎(chǔ)上，建立容量分配指數(shù)與環(huán)境容量總量指標分配的同比例關(guān)聯(lián)法，據(jù)此開展水環(huán)境容量指標分配.

水環(huán)境容量供給條件反映了流域水體納污能力的大小，選用地形地貌、水質(zhì)目標、清水通道和水體通達性來表征;水環(huán)境容量需求一方面表征人類活動對水環(huán)境的脅迫作用，另一方面表征空間開發(fā)、人口集聚、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等人類活動污染排放對水環(huán)境容量的需求，主要選用表征經(jīng)濟社會發(fā)展的指標來評價，具體包括建設(shè)用地比例、人口密度、產(chǎn)業(yè)布局狀況、相對污染排放強度等指標(圖3).

水環(huán)境容量供給能力評價主要選取流域單元，根據(jù)地形圖、遙感影像圖和水功能區(qū)劃圖，將無錫市區(qū)劃分為望虞河、直湖港、梁溪河、小溪河4個一級流域單元，在此基礎(chǔ)上，選擇骨干河道為經(jīng)絡(luò)，按照所含河流的主導(dǎo)流向、分水區(qū)位置、干支流交匯特點、上中下游不同河段及兩側(cè)陸域匯水排水狀況等，進一步劃分107個二級流域單元.水環(huán)境壓力主要選擇經(jīng)濟社會發(fā)展相關(guān)指標，考慮到指標的性質(zhì)和可獲性，主要選取500 m×500 m的網(wǎng)格單元進行評價，不包括太湖水面共計5535個.按照流域管理的現(xiàn)實要求，最終將各指標通過空間一致性方法賦值到流域單元［10］.

權(quán)重的確定主要考慮指標差異性和重要性，對于水環(huán)境容量要素還要考慮其可修復(fù)性和替代性，水環(huán)境需求指標主要考慮導(dǎo)向性.為了使結(jié)果更為準確和科學(xué)，通過特爾非法和熵值法相結(jié)合確定各指標的計算權(quán)重(表1).

圖3 水環(huán)境容量評價指標Fig.3 Factors of water environmental capacity

對上述各指標采用逐級分層歸并方法，將平行獨立的指標根據(jù)公式(1)進行標準化，將指標值轉(zhuǎn)換為［0，1］之間的無量綱數(shù)值，然后根據(jù)公式(2)加權(quán)求和，得到各評價單元的水環(huán)境容量供給指數(shù)和需求指數(shù).從指標選擇與組合來看，水環(huán)境容量供給與需求指數(shù)對于環(huán)境容量指標分配均為正向影響要素，即該項因素分值越高，分配的環(huán)境容量目標規(guī)模越大.但是，兩類要素表征的空間內(nèi)涵卻是完全不同的，并非簡單的數(shù)學(xué)加權(quán)關(guān)系，因此采用空間矩陣向量模型計算各單元的環(huán)境容量分配指數(shù).

式中，Ai指第i單元的環(huán)境容量供給指數(shù)，Bi指第i單元的環(huán)境容量需求指數(shù)，Xij指第i單元的第j要素值，Wj指第j要素值的權(quán)重，Pi表示i單元環(huán)境容量分配指數(shù).

根據(jù)各單元環(huán)境容量分配指數(shù)占評價區(qū)域全部單元環(huán)境容量分配指數(shù)之和的比例，再乘目標年評價區(qū)域水環(huán)境容量總規(guī)模，得到各單元t目標年的COD環(huán)境容量(公式(4));若該單元所分配的環(huán)境容量小于i單元的最大納污能力()，則方案成立;否則，該單元分配的環(huán)境容量為其可用的最大環(huán)境容量，多分配的環(huán)境容量將重新計入總量參與循環(huán)分配.

式中，Cit表示i單元t年時的水環(huán)境容量;Ct表示到t年時研究區(qū)域全部環(huán)境容量;n表示單元數(shù);表示 i單元可利用的最大環(huán)境容量.

2.3 公平性評估方法

上述指數(shù)分配法綜合考量了各地區(qū)環(huán)境容量的自然本底條件和現(xiàn)實需求，環(huán)境容量供給能力強、需求旺盛的區(qū)域分配較多的容量份額，供給能力相對不足、需求小的地區(qū)分配較少的份額，這充分體現(xiàn)了空間均衡的理念，是一種比較理想的分配狀態(tài).實際上，這種環(huán)境容量份額的分配也是區(qū)域發(fā)展權(quán)的重新配置，環(huán)境容量分配少的地區(qū)未來的排污會受到更大的限制，特別是在環(huán)境容量平均配置的現(xiàn)實狀況下，分配較少環(huán)境容量的區(qū)域，意味著要承擔更大的減排任務(wù)，如果分配差距過大，則會出現(xiàn)公平性欠缺的問題.為此，本文將經(jīng)濟學(xué)衡量收入公平性的基尼系數(shù)法引入到環(huán)境容量分配中，嘗試建立水環(huán)境容量配置的公平性評估方法.

基尼系數(shù)(Gini coefficient)是意大利經(jīng)濟學(xué)家基尼于1922年提出的，主要是根據(jù)勞倫茨曲線所定義的判斷收入分配公平程度的指標.如圖4a，橫軸代表人口數(shù)比例x，縱軸代表該比例的人口擁有的財富占社會總財富的比率y，黑色虛線代表絕對平均狀態(tài)下，財富占比等于人口數(shù)占比;紫線實線代表實際情況，虛線和紫色實線中間的面積越小，收入分配越平等，即基尼系數(shù)越小，分配水平越平均.學(xué)術(shù)界一般認為，Gini＞0.5差距懸殊;0.4≤Gini＜0.5 差距較大;0.3≤Gini＜0.4 較為合理;0.2≤Gini＜0.3 相對平均;Gini＜0.2 高度平均.

對于水環(huán)境容量分配來說，其分配份額取決于環(huán)境容量分配指數(shù)的大小，也就是取決于各指標的差異程度及其在區(qū)域總體評價中的影響.也就是說，指標間差距越大，環(huán)境容量分配的差距越大，反之亦然.據(jù)此，可以考慮用水環(huán)境容量份額替代收入，用各指標標準值替代人口規(guī)模，計算水環(huán)境容量分配的基尼系數(shù)及洛倫茲曲線(圖4b).

圖4 基尼系數(shù)的洛倫茲曲線(a)及其在環(huán)境容量分配中的修正(b)Fig.4 Lorenz curve of Gini coefficient(a)and its amendment in environmental capacity allocation(b)

3 結(jié)果與分析

3.1 初始分配方案

按照上述方法將無錫市區(qū)的環(huán)境容量分配到各流域單元，整體上西南部太湖上游地區(qū)和東南部望虞河等入湖河道所在區(qū)域的環(huán)境容量分配較少，符合控制太湖入湖河道地區(qū)污染物排放的預(yù)期.但是，與現(xiàn)狀的水環(huán)境容量配置格局比較來看，無錫市區(qū)整體排污削減13%，而按此分配方案削減最少的區(qū)域削減量不足1%，而最高的達到70%(圖5).采用基尼系數(shù)法對此方案進行評估，各指標的基尼系數(shù)值基本上都在0.5～0.6之間，總體基尼系數(shù)也達到了0.54，屬于分配差距懸殊的方案，雖然體現(xiàn)了污染排放高度集中的發(fā)展趨勢，但公平性有所欠缺，短期難以實現(xiàn)(圖6).

圖5 水環(huán)境容量分配削減比率Fig.5 Allocation reduction ratio of water environmental capacity

圖6 初始分配的基尼系數(shù)評估(標準化區(qū)間為［0，1］)Fig.6 Gini coefficient assessment of initial allocation(normalized interval［0，1］)

圖7 調(diào)整方案的基尼系數(shù)評估(標準化區(qū)間為［0.2，0.8］)Fig.7 Gini coefficient assessment of adjustment scheme(normalized interval［0.2，0.8］)

3.2 基尼系數(shù)法分配優(yōu)化

分配的差距主要源于指標標準值之間的差距和權(quán)重的選擇.其中，權(quán)重采用主客觀多重方法結(jié)合確定，相對較為合理，因而方案調(diào)整主要基于指標標準值的調(diào)整.在初始分配方案中，各指標的標準化區(qū)間為［0，1］，如果將標準化區(qū)間不斷壓縮，則在相同指標和權(quán)重下，分配的差距仍將是縮小的.為此，采用［0.2，0.8］和［0.4，0.6］兩種標準化區(qū)間，重新進行水環(huán)境容量分配指數(shù)的計算和方案調(diào)整.對于標準化區(qū)間位于［0.2，0.8］的方案來說，各指標的基尼系數(shù)值大多在0.4 ～0.5 之間，整體基尼系數(shù)為0.39，仍屬于差距較大的分配方案(圖7);對于標準化區(qū)間位于［0.4，0.6］的方案來說，各指標的基尼系數(shù)值大多在0.35～0.45之間，整體基尼系數(shù)為0.45，按照基尼系數(shù)標準，屬于公平性較為合理的分配方案(圖8)，按此方案污染物排放削減量最大的不超過40%，最小也有近10%，現(xiàn)實的操作性相對較強.

4 結(jié)論和討論

本文以經(jīng)濟發(fā)達的無錫市為例，探討COD環(huán)境容量配置及其公平性評估方法，以期為濱湖城市地區(qū)合理利用水環(huán)境容量，促進經(jīng)濟社會發(fā)展與流域水質(zhì)保護相協(xié)調(diào)提供了重要科學(xué)依據(jù)，對于未來合理有序進行流域資源開發(fā)和水環(huán)境容量利用具有一定的指導(dǎo)意義.按照基于公平性度量的水環(huán)境容量配置方案，位于太湖上游的大部分地區(qū)和望虞河沿岸地區(qū)未來配置較低的環(huán)境容量，需要推進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，嚴格限制甚至調(diào)整遷出制造業(yè)特別是污染制造業(yè)企業(yè)，培育發(fā)展環(huán)境友好型的綠色產(chǎn)業(yè)等.中心城區(qū)的環(huán)境容量配額也有所減少，未來重點發(fā)展現(xiàn)代服務(wù)業(yè)和以科技創(chuàng)新為核心的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，將污染排放控制在水環(huán)境可承受的范圍之內(nèi).

圖8 調(diào)整方案的基尼系數(shù)評估(標準化區(qū)間為［0.4，0.6］)Fig.8 Gini coefficient assessment of adjustment scheme(normalized interval［0.4，0.6］)

從研究方法來看，基尼系數(shù)方法可以較好地應(yīng)用于水環(huán)境容量配置的公平性評估，也為基于適宜性分區(qū)評價的要素配置方案優(yōu)選提供了較好的支撐，有助于提高要素配置方法的科學(xué)性和操作性.當然，這一方法仍是基于指標數(shù)據(jù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，方案優(yōu)選的關(guān)鍵實際上是不同水環(huán)境容量配置所帶來的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會效益，而關(guān)于這種效益的定量評估以及與分配方案相匹配的產(chǎn)業(yè)準入及財政政策支撐等，都需要進一步深化研究.

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