基于水劣化足跡的城市發(fā)展的水環(huán)境效應評價(jià)-以北京市為例

1 引言

　　水是人類(lèi)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)系統平衡的必備要素.隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展, 水資源短缺和水污染問(wèn)題已經(jīng)成為全球范圍可持續發(fā)展的關(guān)鍵制約因素, 我國的水資源、水環(huán)境矛盾更是尤為嚴重.因此, 水資源環(huán)境相關(guān)評價(jià)與管理越來(lái)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(jià)主要有兩類(lèi), 一類(lèi)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(jìn)行評價(jià), 通過(guò)將水資源指標與社會(huì )經(jīng)濟型指標結合, 評價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對水資源量的影響.一類(lèi)是從水環(huán)境污染的角度, 以一種或一類(lèi)重點(diǎn)污染物作為研究對象, 對區域河流或湖泊的水污染程度進(jìn)行評價(jià).此外, 隨著(zhù)水質(zhì)問(wèn)題日益突出, 針對水質(zhì)或水質(zhì)-水量耦合的水資源評價(jià)成為一個(gè)重要發(fā)展方向.夏軍等建了水質(zhì)-水量聯(lián)合的評價(jià)方法, 基于我國地表水標準中劃分的五種水質(zhì)類(lèi)型, 分析了評價(jià)區域內每種水質(zhì)類(lèi)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(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(jià).

　　水足跡評價(jià)是水資源環(huán)境評價(jià)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(xué)者也在水足跡理論框架下展開(kāi)了許多水資源評價(jià)研究, 如基于水足跡的水資源短缺評價(jià)、水資源安全評價(jià)和水資源可持續利用評等.在水量-水質(zhì)聯(lián)合評價(jià)方面, 曾昭等基于灰水足跡評價(jià)理論, 提出通過(guò)計算區域灰水足跡, 從宏觀(guān)角度對區域水量-水質(zhì)關(guān)系進(jìn)行定量化評價(jià).

　　水足跡評價(jià)是一種基于生命周期的評價(jià)(Life Cycle Assessment, LCA), 且其評價(jià)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(jià)方法, 徐長(cháng)春等首次采用該方法計算了我國小麥生產(chǎn)的水足跡, 并指出基于LCA的水足跡評價(jià)能夠體現區域特性, 便于不同區域產(chǎn)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(jià)的原則、要求和評價(jià)方法做了統一的界定.該標準將水足跡定義為“與水相關(guān)潛在環(huán)境影響的指標”, 并將產(chǎn)品、過(guò)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)境影響的指標定義為水劣化足跡(water degradation footprint).標準認為水足跡評價(jià)可以作為生命周期評價(jià)的一部分, 因此, 在水足跡影響評價(jià)階段, 其參考生命周期影響評價(jià)中劃分的影響類(lèi)型, 將水劣化足跡分為水體富營(yíng)養化足跡(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(lèi)型, 在具體研究中可以選擇代表性的影響類(lèi)型進(jìn)行評價(jià).

　　水劣化足跡評價(jià)是水足跡評價(jià)的重要組成部分.與一般的水質(zhì)評價(jià)(確定水質(zhì)類(lèi)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(lèi)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并未規定水劣化足跡的評價(jià)方法, 而提倡在具體研究中根據評價(jià)目標及評價(jià)區域的實(shí)際情況, 選擇相應的評價(jià)方法.水足跡評價(jià)框架與基于評價(jià)區域的水劣化足跡評價(jià)方法的集合, 既能夠對關(guān)鍵問(wèn)題、關(guān)鍵影響類(lèi)型的把握, 又有利于評價(jià)方法和結果更加符合評價(jià)區域實(shí)際情況, 為區域水環(huán)境效應評價(jià)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(guò)程中, 北京市始終面臨著(zhù)嚴峻的水資源與水環(huán)境問(wèn)題.一方面, 水資源短缺問(wèn)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(zhì)惡化, 特別是城市水庫、湖泊的富營(yíng)養化、大氣濕沉降污染及雨水徑流污染問(wèn)題也持續存在(荊衛紅等, 2012).近年來(lái), 城市水資源管理和水環(huán)境保護問(wèn)題一直是北京市政府工作計劃中的重點(diǎn)內容.2014年南水北調中線(xiàn)開(kāi)通后, 北京市將開(kāi)始接納年均約10×108 m3的外調水, 水資源短缺問(wèn)題得到一定程度的緩解.但其水環(huán)境問(wèn)題尚未得到根本改善, 水環(huán)境污染形勢依然嚴峻.水劣化足跡評價(jià)能夠有效評估當前污染物排放的水質(zhì)劣化效應、識別該效應的關(guān)鍵影響因素, 對于水質(zhì)劣化問(wèn)題控制、水質(zhì)劣化污染物的有效管理有重要意義.

　　2 評價(jià)方法

　　本研究參考ISO14046提出的水劣化足跡評價(jià)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(jià).考慮到北京市水體質(zhì)量存在的主要問(wèn)題為水體富營(yíng)養化和酸化及重金屬污染, 主要對水體酸化足跡、水體富營(yíng)養化以及生態(tài)毒性足跡進(jìn)行評價(jià).評價(jià)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.

(1)

　　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(jìn)行計算;Mai為污染物i的質(zhì)量(kg).

　　2.2 水體富營(yíng)養化足跡

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

(2)

　　式中, WFe為水體富營(yíng)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(yíng)養化潛力系數, 按NO3-當量計算;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, 計算方法如公式(3)所示.

(3)

　　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(lèi)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).

　　本研究的數據主要來(lái)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(wǎng)站.研究中所需污染物的特征因子(酸化潛力、富營(yíng)養化潛力系數以及生態(tài)毒性分類(lèi)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(jià)結果

3.1 水體酸化足跡

　　以工業(yè)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(lái)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(shuō)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(yíng)養化足跡

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

　　水體富營(yíng)養化的階段性變化這主要是由于采用的數據統計口徑發(fā)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(gè)時(shí)間段內來(lái)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(yíng)養化足跡進(jìn)行了評價(jià).其中, 水體富營(yíng)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(yíng)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(yíng)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(lái)看, 對水體富營(yíng)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(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(lái)看, Cd排放對于水體生態(tài)毒性的貢獻最大, 占總體水體生態(tài)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(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)結構、社會(huì )文化等多因素協(xié)同變化的過(guò)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(yíng)養化和酸化的污染特征, 選取常住人口數量、第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重以及農業(yè)化肥用量4個(gè)指標(數據如表 2所示), 對城市發(fā)展過(guò)程的水質(zhì)劣化效應進(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)展指標之間的相關(guān)關(guān)系, 運用SPSS數據分析軟件, 分別對水體酸化足跡、水體富營(yíng)養化足跡及以上4個(gè)指標進(jìn)行相關(guān)性分析.其中由于水體富營(yíng)養化足跡的跳躍性變化, 相關(guān)性分析也分別針對兩個(gè)階段展開(kāi), 分析結果如表 3所示.

　　表 3 水劣化足跡與城市發(fā)展指標的相關(guān)性系數

　　結果顯示, 水酸化足跡與常住人口數量、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量及第三產(chǎn)業(yè)比重呈負相關(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(yíng)養化足跡也與城市發(fā)展指標呈現較為顯著(zhù)地相關(guān)性.水體富營(yíng)養化足跡分別與常住人口數量及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重呈負相關(guān), 與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重呈正相關(guān).根據相關(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(yíng)養化足跡減少.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(yíng)養化足跡減少.第2階段中城市發(fā)展指標變化與第一階段相同, 因此這一階段的水體富營(yíng)養化足跡也相應減少.相關(guān)性分析結果與水足跡評價(jià)結果(圖 2)一致.

　　結合北京市水劣化足跡評價(jià)結果進(jìn)行分析, 可以發(fā)現, 雖然常住人口總量持續增加, 但增長(cháng)速度有所放緩, 結合圖 1也可發(fā)現生活水酸化足跡所占比重有所減少, 說(shuō)明常住人口增速減緩對于水體酸化足跡及水體富營(yíng)養化足跡的改善有積極作用.其次, 產(chǎn)業(yè)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(yíng)養化效應的改善.再者, 農業(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(yíng)養化的改善.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(jià)結果一致, 說(shuō)明所選城市發(fā)展指標與兩種類(lèi)型的水劣化足跡相關(guān)關(guān)系分析結果較為可靠.由此可以說(shuō)明, 可以通過(guò)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(jìn)行控制;通過(guò)調整產(chǎn)業(yè)結構, 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(lái)的土壤及水體污染, 實(shí)現對污染物排放的水體酸化和富營(yíng)養化效應進(jìn)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(gè)時(shí)間段內, 北京市水體富營(yíng)養化足跡均呈逐漸降低的變化趨勢.第一個(gè)時(shí)間段(2004-2009年)內, 水體富營(yíng)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(yíng)養化絕對量總體高于前一時(shí)間段.水體富營(yíng)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(yíng)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(lái)看, 對水體富營(yíng)養化足跡貢獻最大的是總磷.

　　3)2011-2013年, 北京市水體生態(tài)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(dòng).從其組成來(lái)看, 貢獻最大的是鎘, 最小的是砷.可見(jiàn), 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.

　　4)2004-2013年, 水體酸化足跡及水體富營(yíng)養化足跡與常住人口數量及第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重均呈負相關(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(yíng)養化足跡減少.可見(jiàn)相關(guān)關(guān)系分析結果與水劣化足跡評價(jià)結果一致, 說(shuō)明其分析結果具有參考性.

　　5)人口數量增速減緩、產(chǎn)業(yè)結構調整(第二產(chǎn)業(yè)向第三產(chǎn)業(yè)轉化)以及農業(yè)化肥用量的減少, 對于水劣化足跡的改善有積極作用.

　　6 展望

　　基于ISO14046的水足跡評價(jià)框架, 采用生命周期的評價(jià)方法對區域水劣化足跡進(jìn)行評價(jià), 是區域水質(zhì)劣化定量評估的新思路, 對于評價(jià)區域污染物的水質(zhì)劣化效應、辨識水質(zhì)劣化的關(guān)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(jià)過(guò)程對數據質(zhì)量有較高的要求, 而長(cháng)時(shí)間序列的污染物排放數據較難獲取.因此，核算過(guò)程主要基于統計數據, 其結果將受到統計方法、口徑、時(shí)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(jià)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(guān)地描述污染物排放的水環(huán)境效應.另一方面, 在水劣化足跡評價(jià)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(jià)可能具有一定的誤差.在后續的研究中, 需要根據評價(jià)區域建立相應的系數體系, 以更加準確地刻畫(huà)區域污染物排放的水質(zhì)劣化效應.