李春林 胡遠滿 趙明華 劉 淼

（1.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室，遼寧沈陽 110164;2.中國科學院大學，北京 100049;3.山東師范大學人口·資源與環(huán)境學院，山東 濟南 250014）

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源的短缺和水環(huán)境的污染己成為世界各國最為突出的社會問題之一，許多國家都面臨著水環(huán)境污染的嚴重威脅。日趨嚴重的水污染不僅降低了水體的使用功能，而且嚴重危害著人們的身體健康［1］。因為水資源短缺與水環(huán)境污染，每年給我國工業(yè)造成的損失達2 000億元，給農(nóng)業(yè)造成的損失達1 500億元［2］。但隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，目前和今后一個相當長的時期內(nèi)的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍會以污染較重的農(nóng)業(yè)和工業(yè)為主［3］。未來我國的水環(huán)境狀況十分嚴峻，水環(huán)境已經(jīng)并將繼續(xù)成為制約我國很多地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。

我國對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的研究相對較晚，絕大多數(shù)研究成果都是針對具體區(qū)域的實證分析，研究主要集中在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與資源消耗［4－5］、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與環(huán)境污染［6－8］、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與可持續(xù)發(fā)展［9－10］這3個方面，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)開始在單純研究產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對經(jīng)濟增長的過程中考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對環(huán)境質(zhì)量的影響問題。但是目前，學術(shù)界的研究大多集中在有關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與環(huán)境保護或可持續(xù)發(fā)展關(guān)系方面，并且研究區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與資源或環(huán)境污染物排放的文獻比較多，如能源消耗或二氧化碳排放問題。而對如何進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以減少污染排放、節(jié)約水資源和促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)分析很少。

1 研究區(qū)概況

微山縣是山東省濟寧市轄下的行政縣，位于山東南部，與江蘇省徐州市交界，東依鄒滕丘陵，西臨蘇北平原，中間為微山湖、昭陽湖、獨山湖、南陽湖四湖，統(tǒng)稱南四湖，是我國北方最大淡水湖泊，面積為1 266 km2。

1.1 微山縣污染狀況

2004－2008年，南四湖的水質(zhì)狀況正在逐漸改善，由水質(zhì)達標率44.2%上升到現(xiàn)在的85%，但仍然存在Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)，未達到南水北調(diào)的水質(zhì)要求。

1.1.1 農(nóng)業(yè)污染源狀況

在南四湖流域種植業(yè)發(fā)展過程中，為了增加農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)效益，大量施用化肥、農(nóng)藥及地膜。2007年，微山縣種植業(yè)施用肥料總數(shù)為477.1 t/年，每畝耕地用肥量為1.15 kg（折純量），以氮肥、五氧化二磷、氧化鉀為主。微山縣2007年的農(nóng)藥施用總量約為0.22 t，其中乙草胺的用量最大，為0.128 t，占農(nóng)藥總量的58%。微山縣農(nóng)藥、化肥使用量逐年增加，但利用率較低，不合理使用化肥，導致土壤板結(jié)、地力下降，加劇了河流和湖泊水體的富營養(yǎng)化。

秸稈是農(nóng)作物在收獲籽實后的剩余部分，是一種具有多用途的可再生的生物資源，微山縣每年產(chǎn)生的秸稈總量為 1 370 t，其中1 022.43 t用來還田，87.85 t被用來堆肥，有效利用量占總量的81%，有效利用率比較高。

水產(chǎn)養(yǎng)殖是沿湖居民的重要產(chǎn)業(yè)，由于飼料和農(nóng)藥化肥直接投入水體，會對南四湖水環(huán)境有較大的影響。水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要方式是池塘養(yǎng)殖和網(wǎng)箱養(yǎng)殖，池塘養(yǎng)殖雖然與湖水相隔，但池塘水排入農(nóng)田后，最終仍會流入湖中。2010年微山縣排入農(nóng)田的池塘養(yǎng)殖用水有4 500萬m3，而且池塘養(yǎng)殖會大量投放飼料和藥物化肥，如2010年，池塘養(yǎng)殖的飼料總使用量是2.6萬t，藥物總使用量為70 t，化肥使用量為150 t，這將會使池塘水富營養(yǎng)化嚴重，最終污染到南四湖水質(zhì)。網(wǎng)箱養(yǎng)殖雖然基本不用投放飼料、藥物、肥料等，但由于是直接在南四湖水中養(yǎng)魚，對湖水有直接的影響。

1.1.2 工業(yè)污染源狀況

微山縣工業(yè)排污主要集中在煤炭開采、食品加工、化工和醫(yī)藥等10類行業(yè)，此10類行業(yè)排放了占總量66.5%的廢水、65.4%的COD及29.2%的氨氮（見表1）。廢水排放量最多的是煤炭開采和洗選業(yè)，占全縣廢水排放量的60.7%;COD排放量前3位的依次是煤炭開采和洗選業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)和食品制造業(yè)。微山縣的企業(yè)主要以煤炭開采和洗選業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)和化學原料及化學制品制造業(yè)為主，因而污染企業(yè)個數(shù)也是這三個行業(yè)最多，占總數(shù)的35.1%。從萬元產(chǎn)值廢水排放量來看，最多的是造紙及紙制品業(yè)，每萬元產(chǎn)值排放37.4 t廢水;醫(yī)藥制造業(yè)每萬元產(chǎn)值廢水排放量為28.5 t，位列第二;而總量最大的煤炭開采和洗選業(yè)廢水排放量為8.54 t/萬元。由此可見，該地區(qū)工業(yè)結(jié)構(gòu)性污染較為突出。

表1 微山縣主要污染行業(yè)污染情況

1.2 微山縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)狀況

1.2.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)總體狀況

改革開放初期的微山經(jīng)濟結(jié)構(gòu)單一，農(nóng)業(yè)占據(jù)了國民經(jīng)濟很大比重，工業(yè)幾乎是空白，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)極不合理，嚴重制約了經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。經(jīng)過三十多年的經(jīng)濟發(fā)展和結(jié)構(gòu)調(diào)整，社會經(jīng)濟發(fā)生了巨大變化，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。在濟寧市的12個區(qū)縣中，微山縣2010年的GDP總量處于第3位，達243.7億元，其中第一二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分別為27.8億元、123 億元、92.9 億元，人均 GDP 處于第 5 位，為33 894元。目前微山縣經(jīng)濟水平處于濟寧市的中上游，形成了以工業(yè)主導經(jīng)濟發(fā)展，二三產(chǎn)業(yè)共同推動經(jīng)濟增長的新格局。

1.2.2 比較勞動生產(chǎn)率狀況

比較勞動生產(chǎn)率等于某產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的比重與該產(chǎn)業(yè)就業(yè)比重的比值，它反映1%的勞動力在該部門創(chuàng)造的產(chǎn)值（或收入）比重。比較勞動生產(chǎn)率越高，表明本部門的產(chǎn)值與勞動力比值越大。第一產(chǎn)業(yè)和第二、三產(chǎn)業(yè)的比較勞動生產(chǎn)率的差距越大，經(jīng)濟的二元性越顯著。各產(chǎn)業(yè)之間的比較勞動生產(chǎn)率越接近，表示產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)越協(xié)調(diào)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效益越高。

從圖1中可以看出，微山縣第一產(chǎn)業(yè)比較勞動生產(chǎn)率從1978－1990年在緩慢上升，1990－2007年則在緩慢下降，說明近17年微山縣第一產(chǎn)業(yè)仍存在大量的剩余勞動力沒有轉(zhuǎn)移出去，從而使第一產(chǎn)業(yè)的勞動生產(chǎn)率不斷降低，因此微山縣經(jīng)濟發(fā)展的一個重要方面就是合理解決一產(chǎn)的剩余勞動力問題。從改革開放以來，微山縣第二三產(chǎn)業(yè)的比較勞動生產(chǎn)率整體呈波動下降趨勢，但兩者又有所不同。微山縣第二產(chǎn)業(yè)比較勞動生產(chǎn)率由1978年的5.64下降到1985年的2.67后，從1985－2007年總體在2－3的范圍內(nèi)波動。而第三產(chǎn)業(yè)的比較勞動生產(chǎn)率從2001－2007年呈現(xiàn)不斷下降趨勢，主要原因是就業(yè)人員增長幅度大大高于第三產(chǎn)業(yè)在GDP中比重的增長幅度，就業(yè)人員數(shù)量不斷增長，說明第三產(chǎn)業(yè)具有很大的就業(yè)吸納力。

世界經(jīng)濟發(fā)展的歷史表明，產(chǎn)業(yè)之間比較勞動生產(chǎn)率逐漸縮小，是不發(fā)達國家與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展中結(jié)構(gòu)變動的必然趨勢。根據(jù)經(jīng)驗，一個地區(qū)如果產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比較優(yōu)化而且協(xié)調(diào)，那么其各次產(chǎn)業(yè)的比較勞動生產(chǎn)率都在標準值1上下波動（例如英國）［11］。而微山縣第三產(chǎn)業(yè)比較勞動生產(chǎn)率正逐漸趨向于1發(fā)展，表明沿海地區(qū)第三產(chǎn)業(yè)就業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正逐漸趨向協(xié)調(diào)發(fā)展，但第一二產(chǎn)業(yè)還需要進一步進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)整。

2 水環(huán)境約束下的微山縣多目標優(yōu)化模型

圖1 微山縣比較勞動生產(chǎn)率狀況

當今社會，經(jīng)濟社會的發(fā)展不光要實現(xiàn)經(jīng)濟的增長，更重要的是要保證環(huán)境不受破壞和污染，最終實現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護雙贏的發(fā)展狀態(tài)。因此本文選用多目標優(yōu)化模型，把經(jīng)濟增長目標和污染控制目標作為該模型的兩大目標，選擇與水環(huán)境和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)的多個指標作為約束條件，建立起多目標優(yōu)化模型，從而求解適合微山縣發(fā)展的優(yōu)化方案。

2.1 微山縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的目標

2.1.1 經(jīng)濟增長目標

反映經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模的指標有很多，本文采用最能反映經(jīng)濟增長的指標，GDP作為優(yōu)化目標之一。

Xi為微山縣分產(chǎn)業(yè)的GDP產(chǎn)值，單位是萬元。

2.1.2 污染控制目標

環(huán)境污染主要包括廢水污染、廢氣污染與固體廢棄物污染，本文是在水環(huán)境約束下探討微山縣的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因而選擇水污染作為控制目標。水污染物種類繁多，本文以《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》確定的實施排放總量控制的兩項污染物為研究對象，即化學需氧量（COD）和氨氮（NH4）污染最小化。

aij，bij為微山縣三次產(chǎn)業(yè)COD和氨氮的萬元GDP污染量系數(shù)。

2.2 模型約束條件2.2.1 水資源約束

地區(qū)的各個行業(yè)的總用水量要小于地區(qū)的可用水資源量。ci為各產(chǎn)業(yè)的萬元GDP的用水量系數(shù)，W為可用水資源。

2.2.2 污染物約束

aij，bij為微山縣三次產(chǎn)業(yè)COD和氨氮的萬元GDP污染量系數(shù)，H為該地區(qū)允許排放的COD和氨氮總量。

2.2.3 地區(qū)經(jīng)濟增長約束

經(jīng)濟增長應該保持在8% －15%的合理增速之內(nèi)，因而確定地區(qū)經(jīng)濟總量的邊界值。

ε為以2000－2010年的最低經(jīng)濟增長率推算出的經(jīng)濟總量，λ為地區(qū)2000年－2010年的最高經(jīng)濟增長率推算的經(jīng)濟總量。

2.2.4 非負約束

2.3 多目標優(yōu)化模型構(gòu)建

2.4 模型參數(shù)的確定

評價函數(shù)法是多目標規(guī)劃的基本方法之一，其基本思想是:借助于幾何或應用中直觀背景，構(gòu)造評價函數(shù)，從而將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題，然后利用單目標優(yōu)化的求解方法求出最優(yōu)解，并把該解作為多目標規(guī)劃的最優(yōu)解［12］。本文使用Stata軟件回歸和預測各個參數(shù)，然后用Matlab編程求解多目標優(yōu)化模型。

3 結(jié)果與討論

本模型中有兩個優(yōu)化目標，根據(jù)對兩個目標的側(cè)重不同，對經(jīng)濟增長權(quán)重（W1）和環(huán)境保護權(quán)重（W2）選取不同

表2 微山縣2020年三次產(chǎn)業(yè)優(yōu)化結(jié)果

的值，形成五個優(yōu)化方案。在Matlab中分別編程，求解得出水環(huán)境約束下的2020年微山縣三次產(chǎn)業(yè)優(yōu)化方案。

微山縣三次產(chǎn)業(yè)優(yōu)化結(jié)果中，從方案一到方案五，經(jīng)濟增長目標的權(quán)重在不斷增大，污染控制目標的權(quán)重在不斷減小，說明從方案一到五越來越重視經(jīng)濟增長而輕視污染控制。而優(yōu)化結(jié)果顯示從方案一到五，GDP在不斷增大，由596億元增加到1 204億元，增長了102%，同時COD和氨氮的排放總量也分別由5 816 kg和909 kg增長到9 543 kg和1 743 kg，與方案一相比增加了64%和92%。可以看出方案中經(jīng)濟大幅增長的同時，帶來的是污染的加劇。

這五種方案中，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)都是第一產(chǎn)業(yè)所占比例最小，第三產(chǎn)業(yè)所占比例最大。而第五種方案的第三產(chǎn)業(yè)比重最大，為48.3%，其第三產(chǎn)業(yè)所排放的COD和氨氮也是最多的，分別為3 772 kg和735 kg。第二產(chǎn)業(yè)雖然產(chǎn)值低于第三產(chǎn)業(yè)，但是其COD排放量遠高于第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)的排放量，而氨氮排放量除方案五以外，也是最高的。第二產(chǎn)業(yè)是高耗能、高污染的行業(yè)，而且第二產(chǎn)業(yè)是影響地區(qū)碳排放強度的主要因素［13］，因而在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中應該注重產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，將經(jīng)濟發(fā)展的重心由第二產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到低污染、低碳的第三產(chǎn)業(yè)上來，大力發(fā)展服務業(yè)。

污染物排放效率指的是每個行業(yè)污染物排放的比例與產(chǎn)值比例的比值，反映了一個行業(yè)每1%產(chǎn)值的排污大小。五個方案中第二產(chǎn)業(yè)的COD排放效率是最高的，在1.18－1.25之間，第一產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的COD排放效率較低，在0.8左右。說明第二產(chǎn)業(yè)每生產(chǎn)1%的產(chǎn)值就要排放1.18% －1.25%的COD。氨氮的排放效率則是第一產(chǎn)業(yè)最高，達到1.5－1.9。從污染物排放效率可以看出，第一產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生較多的氨氮，第二產(chǎn)業(yè)能排放較多的COD，而第三產(chǎn)業(yè)的COD和氨氮排放效率都在1以下，因此為了減少污染物排放，保護環(huán)境，應注重第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 對策建議

4.1 發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，提高產(chǎn)業(yè)化水平

進一步優(yōu)化糧食品種結(jié)構(gòu)，實施優(yōu)質(zhì)糧種工程。圍繞高產(chǎn)、生態(tài)、安全、優(yōu)質(zhì)目標，大力發(fā)展各類特色經(jīng)濟作物。集中建成一批無公害蔬菜基地，提高大蒜、蘆筍、雙孢菇、西瓜、土豆、圓蔥和反季節(jié)蔬菜等特色經(jīng)濟作物生產(chǎn)水平;適應南水北調(diào)東線工程湖區(qū)水位、水質(zhì)的變化，調(diào)整湖區(qū)種養(yǎng)結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展水生經(jīng)濟植物，擴大芡實、菱、蓮藕等種植面積。抓住南水北調(diào)湖水位相對穩(wěn)定的有利機遇，完善湖區(qū)功能區(qū)劃，適時實施大湖人工增殖放流，推行限額捕撈和禁漁保護制度。積極發(fā)展生態(tài)漁業(yè)、精品漁業(yè)、休閑觀光漁業(yè)和出口創(chuàng)匯漁業(yè)，著力培育漁業(yè)經(jīng)濟新的增長點。

4.2 優(yōu)化工業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式

依據(jù)微山縣資源優(yōu)勢和區(qū)位優(yōu)勢，進一步拉長煤炭產(chǎn)業(yè)鏈條，發(fā)展壯大非煤產(chǎn)業(yè)，推動工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，使微山工業(yè)結(jié)構(gòu)更加完善和合理。以增強企業(yè)競爭力為核心，以市場為導向，引進現(xiàn)代管理機制，運用先進技術(shù)，促進經(jīng)濟增長方式由粗放型向集約型的轉(zhuǎn)變。鞏固煤炭及涉煤產(chǎn)業(yè)為主導的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，加快煤炭接續(xù)產(chǎn)品開發(fā)，培植煤炭資源新優(yōu)勢。以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化龍頭企業(yè)為依托，加快引進先進的淡水魚產(chǎn)品加工技術(shù)，推進漁湖產(chǎn)品深度加工，提高產(chǎn)品附加值。利用微山湖豐富的漁湖產(chǎn)品資源優(yōu)勢，做大做強漁湖產(chǎn)品加工基地。

4.3 以旅游業(yè)為龍頭，促進服務業(yè)跨越式發(fā)展

圍繞增加就業(yè)、擴大消費，以旅游業(yè)為龍頭，加快交通運輸、商貿(mào)流通、餐飲等傳統(tǒng)服務業(yè)的改造提升，培育壯大市場潛力大、帶動能力強的新興服務業(yè)，全面提高服務業(yè)檔次和水平。推進旅游產(chǎn)業(yè)化進程。對旅游景區(qū)景點實行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)、企業(yè)化管理和市場化經(jīng)營，實現(xiàn)由旅游資源大縣向旅游經(jīng)濟強縣的轉(zhuǎn)變。鼓勵民間資本投資旅游產(chǎn)業(yè)，利用市場機制整合資源，組建大型旅游企業(yè)集團，搞好與國內(nèi)外大型旅游企業(yè)的合作交流。

（編輯:王愛萍）

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