1 引言

　　水是人類生存和發(fā)展所必需的不可替代資源之一, 也是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的必備要素.隨著人類社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 水資源短缺和水污染問題已經(jīng)成為全球范圍可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵制約因素, 我國的水資源、水環(huán)境矛盾更是尤為嚴(yán)重.因此, 水資源環(huán)境相關(guān)評價與管理越來越受到重視, 成為研究者和決策者關(guān)注的重要領(lǐng)域.已有的水資源評價主要有兩類, 一類是從水資源量的角度, 對區(qū)域水資源稀缺程度、水資源壓力和水資源承載力進(jìn)行評價, 通過將水資源指標(biāo)與社會經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)結(jié)合, 評價人類活動對水資源量的影響.一類是從水環(huán)境污染的角度, 以一種或一類重點(diǎn)污染物作為研究對象, 對區(qū)域河流或湖泊的水污染程度進(jìn)行評價.此外, 隨著水質(zhì)問題日益突出, 針對水質(zhì)或水質(zhì)-水量耦合的水資源評價成為一個重要發(fā)展方向.夏軍等建了水質(zhì)-水量聯(lián)合的評價方法, 基于我國地表水標(biāo)準(zhǔn)中劃分的五種水質(zhì)類型, 分析了評價區(qū)域內(nèi)每種水質(zhì)類型的水資源數(shù)量.夏星輝等(提出了水資源功能容量(虧缺)、水環(huán)境功能容量(虧缺)的概念, 對黃河流域水資源進(jìn)行了水質(zhì)水量綜合評價.

　　水足跡評價是水資源環(huán)境評價的一種主要工具.Hoekstra 最初提出了水足跡的概念, 隨后在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用.我國學(xué)者也在水足跡理論框架下展開了許多水資源評價研究, 如基于水足跡的水資源短缺評價、水資源安全評價和水資源可持續(xù)利用評等.在水量-水質(zhì)聯(lián)合評價方面, 曾昭等基于灰水足跡評價理論, 提出通過計(jì)算區(qū)域灰水足跡, 從宏觀角度對區(qū)域水量-水質(zhì)關(guān)系進(jìn)行定量化評價.

　　水足跡評價是一種基于生命周期的評價(Life Cycle Assessment, LCA), 且其評價框架和方法也在不斷完善和進(jìn)步.Ridoutt等出了基于LCA的產(chǎn)品水足跡評價方法, 徐長春等首次采用該方法計(jì)算了我國小麥生產(chǎn)的水足跡, 并指出基于LCA的水足跡評價能夠體現(xiàn)區(qū)域特性, 便于不同區(qū)域產(chǎn)品之間水足跡的比較.2014年, 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization, ISO)提出了基于生命周期視角的水足跡標(biāo)準(zhǔn)ISO14046(ISO, 2014), 對水足跡評價的原則、要求和評價方法做了統(tǒng)一的界定.該標(biāo)準(zhǔn)將水足跡定義為“與水相關(guān)潛在環(huán)境影響的指標(biāo)”, 并將產(chǎn)品、過程或組織與水可利用性相關(guān)的潛在環(huán)境影響定義為水可用性足跡(water availability footprint), 將與水質(zhì)相關(guān)的潛在環(huán)境影響的指標(biāo)定義為水劣化足跡(water degradation footprint).標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為水足跡評價可以作為生命周期評價的一部分, 因此, 在水足跡影響評價階段, 其參考生命周期影響評價中劃分的影響類型, 將水劣化足跡分為水體富營養(yǎng)化足跡(water eutrophication footprint)、水體酸化足跡(water acidification footprint)、水體生態(tài)毒性足跡(water ecotoxicity footprint)等類型, 在具體研究中可以選擇代表性的影響類型進(jìn)行評價.

　　水劣化足跡評價是水足跡評價的重要組成部分.與一般的水質(zhì)評價(確定水質(zhì)類型或測定某一污染物的污染程度)不同, 水劣化足跡考慮不同的影響類型, 能夠更加全面地評估污染物排放對水質(zhì)劣化的影響.ISO14046并未規(guī)定水劣化足跡的評價方法, 而提倡在具體研究中根據(jù)評價目標(biāo)及評價區(qū)域的實(shí)際情況, 選擇相應(yīng)的評價方法.水足跡評價框架與基于評價區(qū)域的水劣化足跡評價方法的集合, 既能夠?qū)﹃P(guān)鍵問題、關(guān)鍵影響類型的把握, 又有利于評價方法和結(jié)果更加符合評價區(qū)域?qū)嶋H情況, 為區(qū)域水環(huán)境效應(yīng)評價提供了新思路.

　　北京是一座快速發(fā)展中的城市, 城市發(fā)展對水環(huán)境也產(chǎn)生了巨大的影響.事實(shí)上, 在城市發(fā)展過程中, 北京市始終面臨著嚴(yán)峻的水資源與水環(huán)境問題.一方面, 水資源短缺問題嚴(yán)重, 人均水資源量遠(yuǎn)低于全國平均水平和水資源短缺限值;另一方面, 城市水體水質(zhì)惡化, 特別是城市水庫、湖泊的富營養(yǎng)化、大氣濕沉降污染及雨水徑流污染問題也持續(xù)存在(荊衛(wèi)紅等, 2012).近年來, 城市水資源管理和水環(huán)境保護(hù)問題一直是北京市政府工作計(jì)劃中的重點(diǎn)內(nèi)容.2014年南水北調(diào)中線開通后, 北京市將開始接納年均約10×108 m3的外調(diào)水, 水資源短缺問題得到一定程度的緩解.但其水環(huán)境問題尚未得到根本改善, 水環(huán)境污染形勢依然嚴(yán)峻.水劣化足跡評價能夠有效評估當(dāng)前污染物排放的水質(zhì)劣化效應(yīng)、識別該效應(yīng)的關(guān)鍵影響因素, 對于水質(zhì)劣化問題控制、水質(zhì)劣化污染物的有效管理有重要意義.

　　2 評價方法

　　本研究參考ISO14046提出的水劣化足跡評價框架方法, 對北京市污染物排放的水質(zhì)劣化影響進(jìn)行評價.考慮到北京市水體質(zhì)量存在的主要問題為水體富營養(yǎng)化和酸化及重金屬污染, 主要對水體酸化足跡、水體富營養(yǎng)化以及生態(tài)毒性足跡進(jìn)行評價.評價方法如下.

　　2.1 水酸化足跡

　　水酸化足跡即為污染物排放對水體酸化的影響, 考慮污染物釋放H+的能力(即酸化潛力, 以單位二氧化硫的酸化潛力為當(dāng)量1)以及污染物排放量, 則水酸化足跡計(jì)算方式如公式(1)所示.

　　式中, WFai水酸化足跡(kg SO2 eq);APi為污染物i的酸化潛力系數(shù), 按照SO2進(jìn)行計(jì)算;Mai為污染物i的質(zhì)量(kg).

　　2.2 水體富營養(yǎng)化足跡

　　水體富營養(yǎng)化足跡是指污染物產(chǎn)生的水體富營養(yǎng)化效應(yīng).考慮污染物在水體中生成物質(zhì)的能力(即為富營養(yǎng)化潛力, 以硝酸根離子的營養(yǎng)化潛力為當(dāng)量1)以及污染物排放的質(zhì)量, 折算為硝酸根離子當(dāng)量, 即為水體富營養(yǎng)化足跡(公式(2)).

　　式中, WFe為水體富營養(yǎng)化足跡, 單位為千克硝酸根離子當(dāng)量(kg NO3- eq);NPi為污染物i的營養(yǎng)化潛力系數(shù), 按NO3-當(dāng)量計(jì)算;Mei為污染物i的質(zhì)量(kg).

　　2.3 水體生態(tài)毒性足跡

　　污染物排放引起的水體生態(tài)毒性污染的水量即為水體生態(tài)毒性足跡, 計(jì)算方法如公式(3)所示.

　　式中, WFet為水體生態(tài)毒性足跡(m3 H2O eq);ECAi為污染物的水體生態(tài)毒性分類因子(即單位污染物造成水體生態(tài)毒性污染的水的體積);Mei為污染物i的質(zhì)量(kg).

　　本研究的數(shù)據(jù)主要來源為《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒2005-2014》, 部分?jǐn)?shù)據(jù)參考《北京市水資源公報(bào)2004-2013》以及國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站.研究中所需污染物的特征因子(酸化潛力、富營養(yǎng)化潛力系數(shù)以及生態(tài)毒性分類因子)參考文獻(xiàn), 如表 1所示.

　　表 1 部分水劣化足跡污染物的特征因子

　　3 評價結(jié)果

3.1 水體酸化足跡

　　以工業(yè)二氧化硫和生活二氧化硫?yàn)橹饕�污染�? 計(jì)算了2004-2013年北京市的水體酸化足跡.結(jié)果如圖 1所示.

　　圖 1北京市2004-2013年水酸化足跡

　　2004-2013年, 北京市水酸化足跡逐年降低, 由2004年的19.1×107 kg SO2 eq到2013年降低為8.7×107 kg SO2 eq, 減少了約54.5%.2004-2008年變化速率較快, 之后變化速率有所減緩.從其組成變化來看, 工業(yè)水酸化足跡所占比重較大, 生活水酸化足跡比重較小且仍在減少.說明工業(yè)和生活二氧化硫的排放量均有所減少, 但生活二氧化硫排放量減少的速度較工業(yè)二氧化硫更快.

　　3.2 水體富營養(yǎng)化足跡

　　以氨氮作為水體富營養(yǎng)化的特征污染物, 對水體富營養(yǎng)化足跡的評價結(jié)果顯示(圖 2), 其中2004-2009年及2010-2013年兩個時間段內(nèi), 北京市水體富營養(yǎng)化足跡分別呈總體減少的趨勢, 但后者絕對值總體高于前者.2004-2013年, 水體富營養(yǎng)化足跡從6.2×107減少到4.7×107 kg NO3- eq, 減少了約24.2%.第2時間階段內(nèi)降低了0.8×107 kg NO3- eq, 減少了10%.

　　圖 2北京市2004-2013年水體富營養(yǎng)化足跡

　　水體富營養(yǎng)化的階段性變化這主要是由于采用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑發(fā)生了變化, 因此水足跡核算結(jié)果呈現(xiàn)出跳躍性變化的現(xiàn)象.但在從兩個時間段內(nèi)來看, 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑一致的情況下, 水足跡的變化均呈逐漸減少的趨勢.

　　基于2011-2013年新增的污染物排放數(shù)據(jù), 對北京市水體富營養(yǎng)化足跡進(jìn)行了評價.其中, 水體富營養(yǎng)化足跡的特征污染物分別為氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP), 核算結(jié)果如圖 3所示.

　　圖 3北京市2011-2013年水體富營養(yǎng)化足跡

　　結(jié)果顯示, 2011-2013年, 基于氨氮、總氮和總磷的水體富營養(yǎng)化足跡總體有所減少, 由2011年的29.1×107 kg NO3- eq降低為2013年的26.7×107 kg NO3- eq.從其組成來看, 對水體富營養(yǎng)化足跡貢獻(xiàn)最大的是總磷, 其3年均值為12.2×107 kg NO3- eq, 約為總氮的1.5倍, 氨氮的1.6倍.其次是總氮, 約為氨氮的1.12倍.氨氮最小, 3年均值為7.5×107 kg NO3- eq.

　　3.3 水體生態(tài)毒性足跡

　　選取鉛(Pb)、汞(Hg)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、砷(As)共5種重金屬污染物作為水體生態(tài)毒性的主要污染物, 對北京市2011-2013年水體生態(tài)毒性足跡進(jìn)行了核算, 結(jié)果圖 4所示.

　　圖 4北京市2004-2013年水體(重金屬)生態(tài)毒性足跡

　　結(jié)果顯示, 2011-2013年, 重金屬的水體生態(tài)毒性足跡略有增加, 水體生態(tài)毒性足跡從4234×106增加到4653×106 m3 H2O eq.從組成來看, Cd排放對于水體生態(tài)毒性的貢獻(xiàn)最大, 占總體水體生態(tài)毒性足跡的50%以上, 而As的貢獻(xiàn)最小, 占比小于1%.

　　4 水劣化足跡與城市發(fā)展的關(guān)系分析(Correlation between water degradation footprints and urban development indices)

　　城市的發(fā)展是人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、社會文化等多因素協(xié)同變化的過程, 而這些因素的變化對污染物排放及其對水質(zhì)的影響有十分重要的影響.考慮到水體富營養(yǎng)化和酸化的污染特征, 選取常住人口數(shù)量、第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重以及農(nóng)業(yè)化肥用量4個指標(biāo)(數(shù)據(jù)如表 2所示), 對城市發(fā)展過程的水質(zhì)劣化效應(yīng)進(jìn)行相關(guān)性分析和討論.

　　表 2 2004-2013年北京市人口、第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重以及農(nóng)業(yè)化肥施用量

　　為了定量分析水劣化足跡與所選城市發(fā)展指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系, 運(yùn)用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件, 分別對水體酸化足跡、水體富營養(yǎng)化足跡及以上4個指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析.其中由于水體富營養(yǎng)化足跡的跳躍性變化, 相關(guān)性分析也分別針對兩個階段展開, 分析結(jié)果如表 3所示.

　　表 3 水劣化足跡與城市發(fā)展指標(biāo)的相關(guān)性系數(shù)

　　結(jié)果顯示, 水酸化足跡與常住人口數(shù)量、第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重以及化肥施用量都存在高度的相關(guān)性(p>0.8).其中, 水酸化足跡與常住人口數(shù)量及第三產(chǎn)業(yè)比重呈負(fù)相關(guān), 與第二產(chǎn)業(yè)比重及化肥施用量呈正相關(guān).2004-2013年, 北京市常住人口數(shù)量及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重明顯增加, 而第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重及化肥施用量總體有所減少, 水體酸化足跡有所減少.

　　水體富營養(yǎng)化足跡也與城市發(fā)展指標(biāo)呈現(xiàn)較為顯著地相關(guān)性.水體富營養(yǎng)化足跡分別與常住人口數(shù)量及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重呈負(fù)相關(guān), 與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重呈正相關(guān).根據(jù)相關(guān)關(guān)系分析, 對于第1階段, 常住人口增加以及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重增加, 則水體富營養(yǎng)化足跡減少.而第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重以及化肥施用量減少, 同樣水體富營養(yǎng)化足跡減少.第2階段中城市發(fā)展指標(biāo)變化與第一階段相同, 因此這一階段的水體富營養(yǎng)化足跡也相應(yīng)減少.相關(guān)性分析結(jié)果與水足跡評價結(jié)果(圖 2)一致.

　　結(jié)合北京市水劣化足跡評價結(jié)果進(jìn)行分析, 可以發(fā)現(xiàn), 雖然常住人口總量持續(xù)增加, 但增長速度有所放緩, 結(jié)合圖 1也可發(fā)現(xiàn)生活水酸化足跡所占比重有所減少, 說明常住人口增速減緩對于水體酸化足跡及水體富營養(yǎng)化足跡的改善有積極作用.其次, 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整有利于二氧化硫以及氮磷污染物排放量的減少, 因而有利于水酸化及富營養(yǎng)化效應(yīng)的改善.再者, 農(nóng)業(yè)化肥用量的減少直接關(guān)系到氮磷污染物及其它酸性污染物排放量的減少, 有利于水體酸化和水體富營養(yǎng)化的改善.相關(guān)性分析得出的水劣化足跡變化趨勢與水劣化足跡評價結(jié)果一致, 說明所選城市發(fā)展指標(biāo)與兩種類型的水劣化足跡相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果較為可靠.由此可以說明, 可以通過控制人口數(shù)量的增加, 對生活污水、二氧化硫以及氮磷污染物的排放量進(jìn)行控制;通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 推行清潔生產(chǎn)技術(shù)以減少工業(yè)污染物的排放, 以及合理控制化肥施用量, 減少化肥濫用帶來的土壤及水體污染, 實(shí)現(xiàn)對污染物排放的水體酸化和富營養(yǎng)化效應(yīng)進(jìn)行改善.

　　5 結(jié)論

　　1)2004-2013年, 北京市水酸化效應(yīng)總體有所改善, 水酸化足跡由2004年的19.1×107 kg SO2 eq降低為2013年的8.7×107 kg SO2 eq, 減少了54.5%.生活水酸化足跡的比重較小且在不斷變小.

　　2)2004-2009年和2010-2013年兩個時間段內(nèi), 北京市水體富營養(yǎng)化足跡均呈逐漸降低的變化趨勢.第一個時間段(2004-2009年)內(nèi), 水體富營養(yǎng)化足跡由6.22 kg NO3- eq降低為4.73 kg NO3- eq, 減少了約24.0%;第2階段(2010-2013年)總體減少了10.0%, 變化速率有所減緩且水體富營養(yǎng)化絕對量總體高于前一時間段.水體富營養(yǎng)化足跡“跳躍式”變化的主要原因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)口徑的變化.基于2011到2013年新增數(shù)據(jù)計(jì)算的水體富營養(yǎng)化足跡整體有所減少, 由2011年的29.1×107 kg NO3- eq降低為2013年的26.7×107 kg NO3- eq.從其組成來看, 對水體富營養(yǎng)化足跡貢獻(xiàn)最大的是總磷.

　　3)2011-2013年, 北京市水體生態(tài)毒性足跡呈現(xiàn)總體先增加后減少的趨勢, 但變化幅度不大, 基本在4500×106 m3 H2O eq上下范圍內(nèi)浮動.從其組成來看, 貢獻(xiàn)最大的是鎘, 最小的是砷.可見, 對鎘排放量的控制是改善重金屬的水體生態(tài)毒性的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

　　4)2004-2013年, 水體酸化足跡及水體富營養(yǎng)化足跡與常住人口數(shù)量及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重均呈負(fù)相關(guān), 與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重及化肥施用量呈正相關(guān).在此期間, 北京市常住人口數(shù)量及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加, 第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值及化肥施用量總體有所減少, 水體酸化及富營養(yǎng)化足跡減少.可見相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果與水劣化足跡評價結(jié)果一致, 說明其分析結(jié)果具有參考性.

　　5)人口數(shù)量增速減緩、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整(第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化)以及農(nóng)業(yè)化肥用量的減少, 對于水劣化足跡的改善有積極作用.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　6 展望

　　基于ISO14046的水足跡評價框架, 采用生命周期的評價方法對區(qū)域水劣化足跡進(jìn)行評價, 是區(qū)域水質(zhì)劣化定量評估的新思路, 對于評價區(qū)域污染物的水質(zhì)劣化效應(yīng)、辨識水質(zhì)劣化的關(guān)鍵因素具有重要意義.但其應(yīng)用和研究尚處于起步階段, 其核算方法還存在一定的不足之處.例如, 評價過程對數(shù)據(jù)質(zhì)量有較高的要求, 而長時間序列的污染物排放數(shù)據(jù)較難獲取.因此，核算過程主要基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 其結(jié)果將受到統(tǒng)計(jì)方法、口徑、時間序列等因素的局限.限于數(shù)據(jù)的一致性, 水劣化足跡的評價結(jié)果尚存在局限性, 但在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑一致的情況下, 其變化趨勢能夠較為客觀地描述污染物排放的水環(huán)境效應(yīng).另一方面, 在水劣化足跡評價中, 污染物的特征因子是國際研究的結(jié)果, 其對我國區(qū)域評價可能具有一定的誤差.在后續(xù)的研究中, 需要根據(jù)評價區(qū)域建立相應(yīng)的系數(shù)體系, 以更加準(zhǔn)確地刻畫區(qū)域污染物排放的水質(zhì)劣化效應(yīng).