水足跡視角下干旱區(qū)城市工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李嘯虎 楊德剛

摘要干旱區(qū)城市工業(yè)發(fā)展日益受到水資源供需矛盾加劇和水環(huán)境污染嚴重的約束，從水足跡視角估算工業(yè)部門耗水程度，進而優(yōu)化工業(yè)結(jié)構(gòu)以達到節(jié)水減污的目標，對于干旱區(qū)城市走新型工業(yè)化道路具有重要意義。本文構(gòu)建工業(yè)水足跡模型和基于水足跡的多目標優(yōu)化模型，選擇干旱區(qū)綠洲城市烏魯木齊市為典型案例區(qū)，研究工業(yè)內(nèi)部各部門的水足跡，并以此為基礎對工業(yè)部門進行聚類分析，根據(jù)聚類結(jié)果和烏魯木齊工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，運用優(yōu)化模型探討未來研究區(qū)工業(yè)發(fā)展的優(yōu)化方案。結(jié)果顯示：①以工業(yè)增加值、各工業(yè)部門藍、灰水足跡值為基礎，烏魯木齊工業(yè)部門可以劃分為：強經(jīng)濟貢獻、強耗水、強污染，強經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染，弱經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染，弱經(jīng)濟貢獻、強耗水、強污染4類。②以分類結(jié)果為依據(jù)，通過優(yōu)化分析確定可持續(xù)發(fā)展模式作為烏魯木齊市工業(yè)未來發(fā)展的基礎方案，此種模式下，2015年烏魯木齊市工業(yè)水足跡為313億 m3，其中，藍水足跡072億 m3，灰水足跡241億 m3，工業(yè)總產(chǎn)值為2 340億元，增加值達到1 342億元，和其他情境相比，它具有藍水、灰水足跡較低，工業(yè)投入產(chǎn)出水平較高的特點。③具體而言，烏魯木齊市工業(yè)應發(fā)展具有強經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染特征的采選業(yè)。積極培育弱經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染行業(yè)向高投入產(chǎn)出、環(huán)境友好型行業(yè)轉(zhuǎn)變，這些行業(yè)包括：食品業(yè)、飲料業(yè)、紡織業(yè)、家具業(yè)、非金屬業(yè)、設備業(yè)、機械及器材業(yè)等。引導石油煉焦業(yè)、電力、熱力及水的生產(chǎn)和供應業(yè)、金屬業(yè)等強耗水、強污染型行業(yè)向節(jié)水減污模式轉(zhuǎn)型。

關鍵詞水足跡；工業(yè)；聚類；優(yōu)化分析；烏魯木齊市

中圖分類號F0621

文獻標識碼A

文章編號1002-2104（2015）05-0170-07

近年來，隨著工業(yè)化進程的不斷加快，工業(yè)用水需求和廢水排放持續(xù)增加，造成水資源供需矛盾加劇、周邊生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題。這不僅威脅綠洲自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且嚴重制約干旱區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，分析工業(yè)內(nèi)部行業(yè)耗水特征，并以此為基礎優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)工業(yè)節(jié)水減污，將對干旱區(qū)城市走新型工業(yè)化道路具有重要的指導意義。水足跡分析方法較好地解決了工業(yè)耗水的核算問題。Hoekstra、Ercin、Bobban、Gerbens、Indika、Kathleen等分別提出食品加工業(yè)、飲料制造業(yè)、生物能源行業(yè)、水力發(fā)電業(yè)等工業(yè)行業(yè)的產(chǎn)品水足跡估算模型，并以此為基礎從定性或定量角度進行了工業(yè)企業(yè)層面的水足跡優(yōu)化分析；項學敏、賈佳、戚瑞、劉梅等研究者分別就工業(yè)企業(yè)水足跡的特點、組分、核算單位等內(nèi)容進行探討?，F(xiàn)有研究成果多從企業(yè)或產(chǎn)品等微觀視角出發(fā)核算單個企業(yè)或單類產(chǎn)品的耗水特征，很難透視工業(yè)部門整體耗水特征，不適用于指導工業(yè)內(nèi)部行業(yè)間的結(jié)構(gòu)調(diào)整。因此，本文構(gòu)建工業(yè)行業(yè)水足跡模型，并以烏魯木齊市為典型案例區(qū)，研究工業(yè)內(nèi)部各部門的水足跡，探討不同模式下研究區(qū)的工業(yè)發(fā)展方案，以期為其他干旱區(qū)城市工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于新疆維吾爾自治區(qū)中北部，屬典型大陸干旱型氣候區(qū)。作為新疆政治、經(jīng)濟、文化和科技中心，近年來，烏魯木齊市經(jīng)濟高速發(fā)展，到2011年，GDP已達到1 690億元，約占新疆的1/4。其中工業(yè)產(chǎn)值占39%，2003-2011年8年間，工業(yè)產(chǎn)值年增長率均值達到252%，目前已形成石化、冶金、紡織、機械制造、高新技術、建材、醫(yī)藥、食品、輕工業(yè)、電子信息十大產(chǎn)業(yè)集群。隨著工業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)年新增耗水和污水排放也在快速增加，截止2011年，兩項指標較2003年分別增加了8523%和9377%，“十二五”期間，烏魯木齊市將加快經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變、加速推進新型工業(yè)化建設。與此同時，也對高效利用水資源、降低環(huán)境污染提出了更高的要求。

3結(jié)果與分析

31參數(shù)求解

311工業(yè)水足跡及產(chǎn)值比重

工業(yè)部門藍、灰水足跡求解包含兩個步驟：①直接藍、灰水足跡，直接藍水足跡是將調(diào)

查所得全市規(guī)模以上企業(yè)耗水數(shù)據(jù)合并為15個行業(yè)耗水量，并計算各行業(yè)企業(yè)耗水比重，

通過2011年《烏魯木齊水資源公報》中工業(yè)耗水總量折算出各行業(yè)直接藍水足跡；直接灰

水足跡通過實際調(diào)研及查閱《2012烏魯木齊市統(tǒng)計年鑒》、《工業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)手冊》獲得

各行業(yè)產(chǎn)品名稱、年產(chǎn)量及產(chǎn)品的COD排污系數(shù)，根據(jù)公式（2）思路估算得到各部門直接

灰水足跡。②間接藍、灰水足跡，通過《2012烏魯木齊市統(tǒng)計年鑒》獲得15個行業(yè)2011

年26種能源年消耗量，根據(jù)《綜合能耗計算通則》統(tǒng)一折算為標準煤產(chǎn)量，通過標準煤水

足跡轉(zhuǎn)換系數(shù)得到各行業(yè)間接藍、灰水足跡（見表1）。

產(chǎn)值比重根據(jù)《烏魯木齊市統(tǒng)計年鑒》（2006-2012）各工業(yè)部門總產(chǎn)值整理得到

2005-2011年間各部門比重的最大、最小值，并以此為規(guī)劃依據(jù)（見表1）。

312規(guī)劃參數(shù)

2015年藍、灰水足跡設定為2011年工業(yè)藍、灰水足跡值，工業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)增加值以《烏魯木齊市十二五社會和經(jīng)濟發(fā)展規(guī)范綱要》提出的目標為規(guī)劃期參數(shù)值（見表2）。

32結(jié)果分析

321烏魯木齊市工業(yè)部門分類

為了直觀地反映烏魯木齊市各工業(yè)部門對工業(yè)GDP的貢獻程度與耗水、污染的差異，需要對上述部門進行分類，并以此作為制定未來工業(yè)發(fā)展方案的重要依據(jù)，本文采用聚類方法中基于層次的聚類算法，此種算法具有計算

方法靈活多樣，能適應不同的要求，有效實現(xiàn)對聚類對象劃分的特點。

首先，以表1中工業(yè)部門增加值作為其年經(jīng)濟貢獻率的代表，以各工業(yè)部門藍、灰水足跡作為不同部門耗水、污染程度的代表，采用聚類分析，指定聚類數(shù)為4，結(jié)合聚集成員表和聚類分析樹形圖（圖1） 可得，15個行業(yè)聚為 4 類，分別為﹛1﹜、﹛12﹜、﹛7，15﹜和﹛2、3、4、5、6、8、9、10、11、13、14﹜。即：Ⅰ型行業(yè)屬于強經(jīng)濟貢獻、強耗水、強污染，Ⅱ型行業(yè)屬于強經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染，Ⅲ型行業(yè)屬于弱經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染，Ⅳ型行業(yè)屬于弱經(jīng)濟貢獻、強耗水、強污染（見表3）。

322優(yōu)化結(jié)果分析

將表1數(shù)據(jù)代入公式（4）-（9），運行LINGO進行工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，得到兩種發(fā)展模式下三種不同情境的工業(yè)發(fā)展方案（見表4）。

以《烏魯木齊市十二五社會和經(jīng)濟發(fā)展規(guī)范綱要》中提出的“繼續(xù)支持石油化工、煤化工、鋼鐵等主導產(chǎn)業(yè)做大做強，努力提升機械裝備制造、輕紡、食品加工、家具制造等傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)”為依據(jù)，增加上述工業(yè)部門產(chǎn)值的比重，得到側(cè)重工業(yè)產(chǎn)值增加和側(cè)重減少藍水、灰水兩種不同情境發(fā)展方案。其中：在側(cè)重增加工業(yè)產(chǎn)值情境下，2015年工業(yè)總產(chǎn)值、增加值均達到十二五規(guī)劃要求的4 200億元和1 400億元，分別比2011年增加10689%和14736%，單位工業(yè)產(chǎn)值增加值為033元，較2011年增加2222%，經(jīng)濟發(fā)展效果顯著。但同時，水足跡比2011年增加10795%，其中：藍水足跡和灰水足跡分別增加9549%和

11369%，從工業(yè)內(nèi)部各部門發(fā)展情況看，由于增加了強耗水、強污染的石油煉焦業(yè)和金屬業(yè)的產(chǎn)值比重，導致工業(yè)發(fā)展對水資源依賴和水環(huán)境污染的程度進一步加大，工業(yè)粗放型發(fā)展模式仍在延續(xù)。

側(cè)重減少藍水、灰水情境突出了節(jié)水減污的重要性，并且兼顧經(jīng)濟發(fā)展的目標，適當調(diào)低石油煉焦業(yè)、金屬業(yè)、食品業(yè)、飲料業(yè)、紡織業(yè)等十二五規(guī)劃重點發(fā)展行業(yè)的產(chǎn)值增速，得到：此種情境下的工業(yè)總產(chǎn)值和增加值分別達到3 200億元和877億元，比2011年分別增加5976%和544%，單位工業(yè)產(chǎn)值增加值為027元，和2011年持平；工業(yè)總水足跡比2011年增加了6449%，其中：藍水足跡和灰水足跡分別增加6216%和6556%，較前一種情境有明顯回落，表明：和2011年相比，工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整沒有帶來單位工業(yè)產(chǎn)值增加值的增加，工業(yè)發(fā)展投入產(chǎn)出水平和盈利能力沒有進一步發(fā)展。同時，雖然結(jié)構(gòu)調(diào)整也在一定程度上減緩了耗水排污增加的速度，但很難起到節(jié)水減污的效果。

可持續(xù)發(fā)展模式是從控制藍水、灰水總量原則出發(fā)，以工業(yè)分類結(jié)果為依據(jù)，調(diào)減強耗水、強污染型工業(yè)部門產(chǎn)值比重，相應增加弱耗水、弱污染型工業(yè)部門產(chǎn)值比重。結(jié)果顯示：工業(yè)水足跡為313億m3，比2011年下降了1107%，其中，灰水足跡與2011年相同，藍水足跡較之下降了3514%，節(jié)水控污效果明顯。工業(yè)總產(chǎn)值較2011年增加1527%，單位產(chǎn)值增加值增幅達到111%，工業(yè)投入產(chǎn)出水平有顯著提高。表明：降低石油、金屬等重工業(yè)比重，穩(wěn)定電、熱、水生產(chǎn)供應業(yè)比重，增加采選、食品、飲料等行業(yè)比重有利于烏魯木齊市工業(yè)朝低耗水、低污染、高效益方向發(fā)展。

綜合以上分析，基于對烏魯木齊市水資源高效利用和水環(huán)境保護的考慮，確定可持續(xù)發(fā)展模式為烏魯木齊市工業(yè)未來發(fā)展的基礎方案。具體而言，目前應從以下三方面調(diào)整工業(yè)結(jié)構(gòu)：①根據(jù)烏魯木齊市工業(yè)特點，重點發(fā)展采選業(yè)，由于此類行業(yè)具有單位產(chǎn)值藍、灰水足跡低，同時單位產(chǎn)值增加值高的特點，未來可以進一步做大做強；②積極培育食品業(yè)、飲料業(yè)、紡織業(yè)、家具業(yè)、非金屬業(yè)、設備業(yè)、機械及器材業(yè)等行業(yè)發(fā)展，由于此類行業(yè)具有弱耗水、弱污染和弱經(jīng)濟貢獻的特點，今后應進一步挖掘其發(fā)展?jié)?/p>

力，提高經(jīng)濟效益，同時制定好產(chǎn)業(yè)發(fā)展的環(huán)境規(guī)則，促使其形成環(huán)境友好型的發(fā)展模式；③對于石油煉焦業(yè)、電力、熱力及水的生產(chǎn)和供應業(yè)、金屬業(yè)這些強耗水、強污染型行業(yè)，由于其關系到國民經(jīng)濟命脈，未來產(chǎn)業(yè)規(guī)模應保持在一定區(qū)間內(nèi)，同時進一步做好產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和發(fā)展政策，著重提升生產(chǎn)技術水平，提高水資源利用效率，降低污水排放和環(huán)境污染，促進產(chǎn)業(yè)升級。

4結(jié)論與討論

41主要結(jié)論

通過研究，文章得出以下結(jié)論：

（1）烏魯木齊工業(yè)部門按經(jīng)濟貢獻和水資源消耗、污染強弱程度可以劃分為4類，依次為：強經(jīng)濟貢獻、強耗水、強污染型行業(yè)，包括石油煉焦業(yè)、電力、熱力及水的生產(chǎn)和供應業(yè)；強經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染型行業(yè)，包括采選業(yè)；弱經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染型行業(yè)，包括食品業(yè)、飲料業(yè)、紡織業(yè)、家具業(yè)、印刷業(yè)、化學品業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、橡膠塑料業(yè)、非金屬業(yè)、設備業(yè)、機械及器材業(yè)；弱經(jīng)濟貢獻、強耗水、強污染型行業(yè)，包括金屬業(yè)。

（2）可持續(xù)發(fā)展模式可作為烏魯木齊市工業(yè)未來發(fā)展的基礎方案。和其他情境相比，它具有藍水、灰水足跡較低，投入產(chǎn)出水平較高的特點；

（3）目前可通過發(fā)展具有強經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染型行業(yè)，積極培育弱經(jīng)濟貢獻、弱耗水、弱污染行業(yè)向高投入產(chǎn)出、環(huán)境友好型行業(yè)轉(zhuǎn)變，引導強耗水、強污染型行業(yè)向節(jié)水減污模式轉(zhuǎn)型等措施來進行工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

42討論

文章還需要有進一步研究的地方：

（1）工業(yè)廢水中有多種污染物，但限于數(shù)據(jù)的制約，本文只以COD為參數(shù)估算了工業(yè)的灰水足跡，一定程度上影響了工業(yè)灰水足跡的計算結(jié)果。

（2）研究方法方面，優(yōu)化模型尚未結(jié)合虛擬水貿(mào)易的機會成本來探討進口高間接耗水的工業(yè)原料和能源對本地工業(yè)部門間接水足跡節(jié)余產(chǎn)生的影響。

（3）優(yōu)化結(jié)果只是從定量的角度描述了未來烏魯木齊市工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整方向，還未結(jié)合研究區(qū)具體工業(yè)布局特征從空間角度分析工業(yè)部門的優(yōu)化布局模式。這些都是下一步應該重點思考的問題。

（編輯：田紅）

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