1 引言

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

　　水足跡評價是水資源環境評價的一種主要工具.Hoekstra 最初提出了水足跡的概念, 隨后在世界范圍內得到了廣泛的應用.我國學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利用評等.在水量-水質聯合評價方面, 曾昭等基于灰水足跡評價理論, 提出通過計算區域灰水足跡, 從宏觀角度對區域水量-水質關系進行定量化評價.

　　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步.Ridoutt等出了基于LCA的產品水足跡評價方法, 徐長春等首次采用該方法計算了我國小麥生產的水足跡, 并指出基于LCA的水足跡評價能夠體現區域特性, 便于不同區域產品之間水足跡的比較.2014年, 國際標準化組織(International Organization for Standardization, ISO)提出了基于生命周期視角的水足跡標準ISO14046(ISO, 2014), 對水足跡評價的原則、要求和評價方法做了統一的界定.該標準將水足跡定義為“與水相關潛在環境影響的指標”, 并將產品、過程或組織與水可利用性相關的潛在環境影響定義為水可用性足跡(water availability footprint), 將與水質相關的潛在環境影響的指標定義為水劣化足跡(water degradation footprint).標準認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化足跡(water eutrophication footprint)、水體酸化足跡(water acidification footprint)、水體生態毒性足跡(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.與一般的水質評價(確定水質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劣化的影響.ISO14046并未規定水劣化足跡的評價方法, 而提倡在具體研究中根據評價目標及評價區域的實際情況, 選擇相應的評價方法.水足跡評價框架與基于評價區域的水劣化足跡評價方法的集合, 既能夠對關鍵問題、關鍵影響類型的把握, 又有利于評價方法和結果更加符合評價區域實際情況, 為區域水環境效應評價提供了新思路.

　　北京是一座快速發展中的城市, 城市發展對水環境也產生了巨大的影響.事實上, 在城市發展過程中, 北京市始終面臨著嚴峻的水資源與水環境問題.一方面, 水資源短缺問題嚴重, 人均水資源量遠低于全國平均水平和水資源短缺限值;另一方面, 城市水體水質惡化, 特別是城市水庫、湖泊的富營養化、大氣濕沉降污染及雨水徑流污染問題也持續存在(荊衛紅等, 2012).近年來, 城市水資源管理和水環境保護問題一直是北京市政府工作計劃中的重點內容.2014年南水北調中線開通后, 北京市將開始接納年均約10×108 m3的外調水, 水資源短缺問題得到一定程度的緩解.但其水環境問題尚未得到根本改善, 水環境污染形勢依然嚴峻.水劣化足跡評價能夠有效評估當前污染物排放的水質劣化效應、識別該效應的關鍵影響因素, 對于水質劣化問題控制、水質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劣化影響進行評價.考慮到北京市水體質量存在的主要問題為水體富營養化和酸化及重金屬污染, 主要對水體酸化足跡、水體富營養化以及生態毒性足跡進行評價.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量1)以及污染物排放量, 則水酸化足跡計算方式如公式(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, 按照SO2進行計算;Mai為污染物i的質量(kg).

　　2.2 水體富營養化足跡

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

　　式中, WFe為水體富營養化足跡, 單位為千克硝酸根離子當量(kg NO3- eq);NPi為污染物i的營養化潛力系數, 按NO3-當量計算;Mei為污染物i的質量(kg).

　　2.3 水體生態毒性足跡

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

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

　　本研究的數據主要來源為《北京市統計年鑒2005-2014》, 部分數據參考《北京市水資源公報2004-2013》以及國家統計局網站.研究中所需污染物的特征因子(酸化潛力、富營養化潛力系數以及生態毒性分類因子)參考文獻, 如表 1所示.

　　表 1 部分水劣化足跡污染物的特征因子

　　3 評價結果

3.1 水體酸化足跡

　　以工業二氧化硫和生活二氧化硫為主要污染物, 計算了2004-2013年北京市的水體酸化足跡.結果如圖 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二氧化硫更快.

　　3.2 水體富營養化足跡

　　以氨氮作為水體富營養化的特征污染物, 對水體富營養化足跡的評價結果顯示(圖 2), 其中2004-2009年及2010-2013年兩個時間段內, 北京市水體富營養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年水體富營養化足跡

　　水體富營養化的階段性變化這主要是由于采用的數據統計口徑發生了變化, 因此水足跡核算結果呈現出跳躍性變化的現象.但在從兩個時間段內來看, 數據統計口徑一致的情況下, 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據, 對北京市水體富營養化足跡進行了評價.其中, 水體富營養化足跡的特征污染物分別為氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP), 核算結果如圖 3所示.

　　圖 3北京市2011-2013年水體富營養化足跡

　　結果顯示, 2011-2013年, 基于氨氮、總氮和總磷的水體富營養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, 對水體富營養化足跡貢獻最大的是總磷, 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毒性的主要污染物, 對北京市2011-2013年水體生態毒性足跡進行了核算, 結果圖 4所示.

　　圖 4北京市2004-2013年水體(重金屬)生態毒性足跡

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

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

　　城市的發展是人口、產業結構、社會文化等多因素協同變化的過程, 而這些因素的變化對污染物排放及其對水質的影響有十分重要的影響.考慮到水體富營養化和酸化的污染特征, 選取常住人口數量、第二、三產業產值比重以及農業化肥用量4個指標(數據如表 2所示), 對城市發展過程的水質劣化效應進行相關性分析和討論.

　　表 2 2004-2013年北京市人口、第二、三產業產值比重以及農業化肥施用量

　　為了定量分析水劣化足跡與所選城市發展指標之間的相關關系, 運用SPSS數據分析軟件, 分別對水體酸化足跡、水體富營養化足跡及以上4個指標進行相關性分析.其中由于水體富營養化足跡的跳躍性變化, 相關性分析也分別針對兩個階段展開, 分析結果如表 3所示.

　　表 3 水劣化足跡與城市發展指標的相關性系數

　　結果顯示, 水酸化足跡與常住人口數量、第二、三產業產值比重以及化肥施用量都存在高度的相關性(p>0.8).其中, 水酸化足跡與常住人口數量及第三產業比重呈負相關, 與第二產業比重及化肥施用量呈正相關.2004-2013年, 北京市常住人口數量及第三產業產值比重明顯增加, 而第二產業產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.

　　水體富營養化足跡也與城市發展指標呈現較為顯著地相關性.水體富營養化足跡分別與常住人口數量及第三產業產值比重呈負相關, 與第二產業產值比重呈正相關.根據相關關系分析, 對于第1階段, 常住人口增加以及第三產業產值比重增加, 則水體富營養化足跡減少.而第二產業產值比重以及化肥施用量減少, 同樣水體富營養化足跡減少.第2階段中城市發展指標變化與第一階段相同, 因此這一階段的水體富營養化足跡也相應減少.相關性分析結果與水足跡評價結果(圖 2)一致.

　　結合北京市水劣化足跡評價結果進行分析, 可以發現, 雖然常住人口總量持續增加, 但增長速度有所放緩, 結合圖 1也可發現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化足跡的改善有積極作用.其次, 產業結構的調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化效應的改善.再者, 農業化肥用量的減少直接關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化的改善.相關性分析得出的水劣化足跡變化趨勢與水劣化足跡評價結果一致, 說明所選城市發展指標與兩種類型的水劣化足跡相關關系分析結果較為可靠.由此可以說明, 可以通過控制人口數量的增加, 對生活污水、二氧化硫以及氮磷污染物的排放量進行控制;通過調整產業結構, 推行清潔生產技術以減少工業污染物的排放, 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, 實現對污染物排放的水體酸化和富營養化效應進行改善.

　　5 結論

　　1)2004-2013年, 北京市水酸化效應總體有所改善, 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, 北京市水體富營養化足跡均呈逐漸降低的變化趨勢.第一個時間段(2004-2009年)內, 水體富營養化足跡由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化絕對量總體高于前一時間段.水體富營養化足跡“跳躍式”變化的主要原因為統計口徑的變化.基于2011到2013年新增數據計算的水體富營養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, 對水體富營養化足跡貢獻最大的是總磷.

　　3)2011-2013年, 北京市水體生態毒性足跡呈現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上下范圍內浮動.從其組成來看, 貢獻最大的是鎘, 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毒性的關鍵環節.

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

　　5)人口數量增速減緩、產業結構調整(第二產業向第三產業轉化)以及農業化肥用量的減少, 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.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

　　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域水劣化足跡進行評價, 是區域水質劣化定量評估的新思路, 對于評價區域污染物的水質劣化效應、辨識水質劣化的關鍵因素具有重要意義.但其應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, 評價過程對數據質量有較高的要求, 而長時間序列的污染物排放數據較難獲取.因此，核算過程主要基于統計數據, 其結果將受到統計方法、口徑、時間序列等因素的局限.限于數據的一致性, 水劣化足跡的評價結果尚存在局限性, 但在數據統計口徑一致的情況下, 其變化趨勢能夠較為客觀地描述污染物排放的水環境效應.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果, 其對我國區域評價可能具有一定的誤差.在后續的研究中, 需要根據評價區域建立相應的系數體系, 以更加準確地刻畫區域污染物排放的水質劣化效應.