1.宁波市规划设计研究院 浙江 宁波 315040
2.宁波市鄞州区规划设计院 浙江 宁波 315040
【摘 要】生态环境效应的定量评价是城市空间规划中一个重要方法。为避免城市产业增长过程中造成的环境污染、生态退化，本文以昌吉市南部地区为例，基于生态承载力和环境容量，对该区域产业增长极限进行了不同方面的阐释、定量计算与模拟。建设用地适宜性的评价中，选取了林地、地下水、水系等十三个因子进行叠加分析，获得了多因子叠加的建设用地适宜性综合分析图；水资源承载力的评价中对数量、空间压力及负载指数进行分析，测算得出生活、农林业、工业、物流业需水量及能够承载的用地规模；在大气环境的分析中，对大气环境容量进行测算，基于1倍、2倍、4倍大气环境容量进行了污染模拟，通过SO2、NO2上升浓度及影响说明了规模控制的意义；由于规划区区段地表水常年无水，水环境容量主要考虑由污水管网产生的系统性渗漏对地下水影响，推算出规划区允许产生的最大污水规模。本文以生态环境效应的定量评价为准则，在产业增长极限方向进行了一定的探索，以期对后续规划、研究提供一定的参考。
【关键词】生态环境；定量评价；产业；增长极限；城市空间规划
1 引言
昌吉市南部地区是指位于昌吉市中心城区以南的天山北坡山前缓坡区。其准确地理范围是指乌奎高速以南、三屯河以东、头屯河以西、天山山脉810米等高线以北的片区。规划区范围约 152.7平方公里，距昌吉市约13公里，距乌鲁木齐市43公里。土地资源丰富，但地处西北干旱区，自然降水少，地表蒸发量大，生态系统脆弱，水资源相对匮乏。
随着昌吉市南部地区工业的快速发展，产业园区面积的急剧扩张，区域生态安全受到严重威胁，产业受到水资源的制约明显。此外，南部地区处于地下水涵养区及地下径流通道，以及城市上风向，区域内大规模开发建设可能会对地下水环境产生严重影响，大气污染物也可能会影响到昌吉市中心城区，地下水安全与大气环境影响不容忽视。
为避免城市产业增长过程中造成的环境污染、生态退化，本文以昌吉市南部地区为例，基于生态承载力和环境容量，对该区域产业增长极限进行了不同方面的阐释，以期通过对偏重生态适宜性与生态敏感性的建设用地适宜性分析、水资源承载力、大气环境容量测算与污染模拟、水环境容量四个方面的探索，从多个角度获得适于南部地区可持续发展的产业增长极限。
2 建设用地适宜性
根据昌吉南部地区各种生态系统类型的结构与空间分布特征，通过对区域地形地貌条件、用地类型、生物多样性、水源保护区、水文地质条件等方面分析评价，形成生态适宜性分析和生态敏感性分析，在空间上加以综合，最终叠加成建设用地适宜性综合分析图，界定不适合建设地区、有条件建设地区、适宜建设地区和已建设地区，同时提出空间管制规则。
图1 建设用地适宜性分析图（单因子分析图依次为林地、基本农田、高程、坡度、道路、地下水、地震断裂带、文物保护、水系、水源保护、高压线、石油管线、基础设施，最后为多因子叠加的综合分析图）
分析表明，不适宜建设区为18.88平方公里，占南部地区总面积的18.88%，该部分主要包括河流、干渠、冲沟、引水井、林地等周边，不适宜城市建设；有条件建设区为30.88平方公里，占南部地区总面积的20.57%，该区域包括三工渠以南，坡度较大地区等生态保护区域为基底，城镇建设用地尽可能避让该类地区；适宜建设区为88.82平方公里，占南部地区总面积的59.21%，城镇开发建设的首选空间，注意保护生态廊道，引导产业和人口集中；已经建设区为11.42平方公里，占南部地区总面积的7.61%，主要应优化城市生态环境。
3 水资源承载力
3.1 昌吉市南部地区水资源总量、水资源可利用量
依据《昌吉市城市发展总体规划水资源专题研究报告》和《昌吉市努尔加水库城镇供水工程项目建议书》，昌吉市南部地区水资源总量为地表水与地下水可利用量之和，即5221万立方米/年（表1）。
南部地区水资源可利用量为地表水、地下水可利用量、区外调水量与中水量之和。随着污水资源化进程加快，可利用中水量逐年增加，预计南部地区近期可利用中水量为400万立方米/年，远期可利用中水量为4380万立方米/年。由此可知，昌吉市南部地区近期水资源可利用总量为9521万立方米，远期为18596万立方米/年（表1）。
3.2 水资源分析与评价
3.2.1 数量压力分析
采用昌吉市南部地区水资源总量、人口数量进行计算，根据瑞典水文学家Malin Falkenmark提出的水紧缺指标(Water-Stress index)进行评估（表2）。结果表明，昌吉市南部地区人均水资源量为2413.55立方米/年，为水资源相对富余地区。
3.2.2 空间压力分析
中国科学院（牛文元，1992）的研究成果指出，每年每平方公里可重复使用淡水资源20万立方米，即径流深200毫米，是水资源的“空间压力”指数的临界标志 [2]。昌吉市南部地区水资源空间压力指数为34.80万立方米/平方公里，未低于“空间压力”的临界值，说明该区域水资源相对于空间没有造成压力，但需要合理调配水资源使用。
3.2.3 水资源负载指数
水资源负载指数表达的是一定区域内水资源与人口、经济发展之间的关系，反映了区域水资源利用程度与开发潜力。其计算公式为：
式中：C为水资源负载指数；K为与降水有关的系数,；P为人口数量(万人)；G为GDP国内生产总值(亿元)；W为水资源量(亿立方米)。
水资源负载指数分级评价标准见表3。
计算可得，昌吉市南部地区水资源负载指数为14.97，水资源利用开发潜力小，开发困难，有条件时需要外流域调水。
3.2.4 南部地区水资源承载力匡算
3.2.4.1 生活需水量及居住用地规模分析
依据承载人口规模，可采用以下公式计算承载人口生活用水量：
式中：W为研究对象的承载人口生活用水量；W0为规划区的水资源总量；λ为水资源利用系数； W0 *λ为水资源可利用量；σ为生活用水占用水总量的比重，根据当地实际用水情况与未来用水预测，此处取6%。
参考《城市给水工程规划规范》（GB50282-98）和南部地区的实际情况，确定居住用地用水量指标近期为60吨/日•公顷，远期为45吨/日•公顷。
计算可得，南部地区近期承载人口生活用水量为571万立方米/年，可承载居住用地规模为2.5平方公里；远期承载人口生活用水量1116万立方米/年，可承载居住用地规模为6.6平方公里。
3.2.4.2 农林业需水量分析
随着高效节水灌溉面积的增加，灌溉定额逐步下降。根据南部地区净灌溉定额、农业种植结构面积和灌溉水综合利用系数等综合指标，预测各水平年农业灌溉毛需水量。
计算可得，南部地区近期农林业需水量为3243万立方米/年；远期农林业需水量为1911万立方米/年。
3.2.4.3 生态需水量分析
河道生态用水在计算地表水可利用量时已经预留，其他生态用水在农林业需水量中已经包括，故不再单独罗列生态环境需水量。
3.2.4.4 工业、物流业可用水量及中水北输分析
南部地区水资源除生活、农林业、生态需水量外，其余部分的可利用水资源（不包括灌区地表水剩余）可用于发展高效集约型工业、现代物流业，富余中水通过管网输送至北部荒漠区进行生态建设等，这部分水资源量近期为4709万立方米/年，远期为13239万立方米/年。
（1）工业需水量与工业用地规模推算
参考《城市给水工程规划规范》（GB50282-98）指标和南部地区发展定位，一类工业用地用水量指标：近期为1.2万m3/km2·d，远期为 1.0万m3/km2·d；二类工业用地用水量指标：近期为2.0万m3/km2·d，远期为1.8万m3/km2·d；生产天数取340天/年。
计算可得，南部地区近期最多可同时承载一类工业用水量1569万立方米/年、二类工业用水量2507万立方米/年，可同时承载一类工业用地规模为3.85km2、二类工业用地规模为3.69km2；远期最多可同时承载一类工业用水量6363万立方米/年、二类工业用水量2714万立方米/年，可同时承载一类工业用地规模为18.70km2、二类工业用地规模为4.43km2。
（2）物流业需水量与物流用地规模推算
参考《城市给水工程规划规范》（GB50282-98）指标和南部地区发展定位，物流用地用水量指标：近期为0.21万m3/km2·d，远期为0.20万m3/km2·d；生产天数取360天/年。
计算可得，南部地区近期物流业需水量为633万立方米/年，可承载物流用地规模为8.3km2；远期物流业需水量为1062万立方米/年，可承载物流用地规模为14.7km2。
4 大气环境容量
4.1 大气环境容量测算
大气环境容量是指一定区域内保证人体健康和区域生态环境安全的最大大气污染物容纳量。大气环境容量测算与分析是大气污染防治规划的基础，是城市空间布局调整及采取其它环境保护措施的重要依据。
本研究拟采用一种改进的箱模式对昌吉南部地区大气环境容量进行估算。假设大气扩散场是一个箱体，箱内污染物混合均匀，其剩余环境容量为：
式中：Q为剩余环境容量；U为混合层平均风速（m/s）；H为箱体高度，取为混合层高度（m）；C为箱体上风向某污染物浓度（mg/m3）；C0为该污染物的环境可承受浓度（mg/m3）；S为该区域面积（km2）。
计算过程中，混合层高度取新疆省平均值，为400m，混合层风速按整个昌吉市多年平均值计算，为1.82m/s。主要污染因子考虑SO2、NO2和PM10，环境质量标准取国家空气质量标准（GB3095-2012）。具体计算结果见表6：
计算可得，南部地区SO2与NO2仍有一定环境容量。可吸入颗粒物（PM10)已经超出可容纳的范围，成为限制南部地区工业发展的首要制约因素。
4.2 成因分析
南部地区已建成工业较少，大气环境质量较好，但环境容量却剩余不多。
主要由于大气污染物扩散速度快、传播范围广，是一种流动性的污染物，南部地区大气污染物排放，较大尺度地区都会受到影响；昌吉中心城区人群集中，是环境空气敏感区，南部地区大气污染物将直接威胁昌吉中心城区的居民健康；在建设南部地区时，除了南部地区自身大气环境质量，还应重点考虑南部地区工业排放对昌吉中心城区的影响；昌吉中心城区现有大气污染物排放已趋近饱和容量，可继续接纳污染物量少；如需南部地区大气污染物排放量增大，则需要合理减少昌吉市周边排放源、及其他工业园区的排放量。
4.3 污染模拟
采用概念化的模型，探究南部地区大气排放对昌吉中心城区、及对南部地区自身大气环境的影响。
昌吉市南部地区大气条件春夏季宜选用B稳定度，秋冬季宜选用A稳定度。平均风速为1.82m/s，主导风向为西南风，其次为西北风。取1/2最大环境容量分别为南部地区两个工业园区的各自排放量，排放中心的选取分别为两个园区的几何中心。
基于计算所得的南部地区环境容量，根据区域大气稳定度、风速，按照高斯扩散模型，利用Matlab对昌吉南部地区大气污染物扩散情况进行模拟，获得大气污染物浓度（S02与NO2）与排放源距离的关系。
4.3.1 排放量等于大气环境容量
大气稳定度A情况下下，排放源地区SO2浓度为0.0713mg/m³，NO2浓度为0.0484mg/m³ ，大气稳定度B情况下，排放源地区SO2浓度为0.0679mg/m³ ，NO2浓度为0.0458mg/m³，均略低于2012年出台的二级标准。
计算极端情况，即风向为南风时影响最大，使昌吉中心城区SO2浓度春、夏、秋、冬分别升高0.0022mg/m³、0.0019mg/m³、0.0007mg/m³、0.0016mg/m³。NO2浓度春、夏、秋、冬分别升高0.0016mg/m³、0.0013mg/m³、0.0005mg/m³、0.0008mg/m³。
排放量为测算所得大气环境容量时，不会对昌吉市南部地区、中心城区大气环境质量造成较大影响。
4.3.2 排放量等于2倍大气环境容量
大气稳定度A情况下下，排放源地区SO2浓度为0.1399mg/m³，NO2浓度为0.0913mg/m³ ，大气稳定度B情况下，排放源地区SO2浓度为0.1079mg/m³ ，NO2浓度为0.0716mg/m³，浓度为二级标准的2倍。
计算极端情况，即风向为南风时影响最大，使昌吉中心城区SO2浓度春、夏、秋、冬分别升高0.0036mg/m³、0.0030mg/m³、0.0016mg/m³、0.0021mg/m³。NO2浓度春、夏、秋、冬分别升高0.0022mg/m³、0.0017mg/m³、0.0009mg/m³、0.0012mg/m³。
4.3.4 小结
模拟分析了可能造成最大程度污染情况下，南部地区污染物浓度值和对昌吉中心城区浓度影响，而依据实测风向，污染情况将略优于预测情况。若遵循标准，对南部地区大气污染物排放总量严格控制，对昌吉中心城区的大气环境质量影响较小；若超量排放，将对南部地区、昌吉中心城区造成严重的大气污染。
5 水环境容量
昌吉市南部地区区段内头屯河与三屯河常年无水，故此处不考虑地表水环境容量。本文中，主要考虑南部地区污水管网应用过程中的系统渗漏对南部地区地下水可能产生的影响，利用地下水潜力环境容量模型，得出南部地区允许产生的最大污水规模。
5.1 地下水潜力环境容量模型
选取中国地质大学（邵景力等，2010年）提出的方法对南部地区区域地下水环境容量进行计算。该模型指出，地下水环境容量为稀释容量、自净容量、迁移量之和，扣除目前地下水对污染物的自净量和流出量，则为地下水潜力环境容量，即地下水还能容许接纳污染物的最大量[3]。
地下水潜力环境容量（Qpermit）可用下式计算：
式中：T为所定义的时期（d)，考虑地下水永续利用原则，T趋于无限长；i为计算区内的计算顺序号,i= 1, 2, …., n, n 为计算单元总数；Cis为所给定的污染物的目标浓度(mg/L)；Ci0为地下水中污染物的本底值或初始浓度值(mg/L)，取3.49；Vi为地下水的体积(m3)；Ki为不同砂颗粒含水层对污染物的一级动力学衰减系数，此处取0.0017；pi为地下水的开采量(103m3/d)；qout为流出的地下水的量(103m3/d)。
5.2 南部地区允许产生的污水规模
采用污水管网设计、地下水监测共有的代表性污染物总氮计算。污水厂设计进水水质总氮浓度为40 mg/L。计算可得，地下水潜力环境容量（以总氮计）为258.90 kg/d。在污水管网渗漏率为5%的情况下，昌吉市南部地区允许产生的污水规模为12.9万立方米/天。若提高污水管网修建技术，控制渗漏率，随渗漏率下降，南部地区允许产生的污水规模增大，当污水管网渗漏率为3%时，允许产生的污水规模为21.58万立方米/天。
6 结语
经过以上分析，昌吉市南部地区基于生态承载力和环境容量的产业极限应当符合如下限制条件：
（1）空间布局应当符合偏重生态适宜性和敏感性的建设用地示意图提出的空间管制规则；
（2）近、远期可承载一类工业用水量分别为1569万、6363万立方米/年，用地规模为3.85、18.70平方公里；近、远期可承载的二类工业用水量分别为2507万、2714万立方米/年，用地规模为3.69、4.43平方公里；近、远期可承载物流业用水量分别为633万、1062万立方米/年，用地规模为8.3、14.7平方公里；
（3）大气污染物SO2、NO2和PM10的剩余环境容量分别为2685.34、1150.86和-470吨/年；
（4）地下水潜力环境容量（以总氮计）为250.90千克/天，在污水管网渗漏率为5%的情况下，允许产生的最大污水规模为12.9万立方米/天。
生态环境效应的定量评价为规划区域产业增长极限的分析提供了一个良好准则。本文以昌吉市南部地区为例，在保证区域自然演进过程及生态循环正常运行的前提下，通过对自然提供生态潜力与生态限制的分析，确定产业规模扩张带来的水资源压力、大气环境效应、水环境效应，提出产业发展的节能减排目标及生态环境控制标准，促进人口、经济、社会和环境、资源的协调可持续发展。为城市空间的合理规划、区域的合理发展提供了生态依据，也为后续进一步探索与改进提供借鉴。
参考文献：
[1]Malin Falkenmark. Water Scarcity and Population Growth：A Spiralling Risk[J]. Ecodeision, 1992,21(9):498-502.
[2]牛文元. 持续发展导论[M].北京：科学出版社，1994.
[3]邵景力，谢振华，李志萍，姜媛. 地下水环境容量的基本理论和计算方法[J]. 地学前缘. 2010,17(6):39-46.
作者简介：第一作者：田轲，男，（1982.10—），硕士，浙江省宁波市，宁波市规划设计研究院 主任工程师，邮编315040
第二作者：刘颖奇，（1983.04 —）硕士，宁波市鄞州区规划设计院，主任助理，邮编315040
论文作者:田轲,刘颖奇
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第15期
论文发表时间:2016/11/7
标签：昌吉市论文; 南部地区论文; 水资源论文; 昌吉论文; 容量论文; 地下水论文; 需水量论文; 《低碳地产》2016年8月第15期论文;