水足跡評估及其在造紙行業的應用

馮艷莉 張 明 陸趙情

(1.金東紙業股份有限公司研發中心，江蘇鎮江，212132;2.陜西科技大學輕工與能源學院陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室，陜西西安，710021;3.南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇南京，210037)

水是生命之源，是包括人類在內的所有生物賴以生存和活動的物質基礎，也是生命體最重要的組成部分。地球上水的總儲存量約1.39×1018m3，但除去海洋等咸水資源外，只有2.53%為淡水，可利用的淡水資源更是匱乏，只有淡水總量的0.31%。隨著經濟和工業生產的飛速發展，水資源的供求關系嚴重失衡，缺水已經成為全世界面臨的主要問題，制約著很多國家的可持續發展。水足跡評估可以為解決水資源短缺、水資源供需矛盾及水資源配置等提供理論和技術上的支持。

造紙行業是典型的經濟循環和可持續發展行業，同時也是水資源消耗和排污量較大的行業。我國造紙行業主要集中在黃淮海平原、長江中下游和東南沿海三個地區［1］。其中，黃淮海平原是我國水資源供求矛盾最突出的地方，水資源的嚴重短缺成為制約該地區造紙行業可持續發展的重要因素。長江中下游和東南沿海地區雖然水資源比較豐富，但由于該地區水污染程度高，水質出現了很嚴重的危機現象，阻礙了造紙行業的快速發展。因此，對造紙行業進行水足跡的可持續性評估，可以清楚地掌握本行業對水資源的需求量，同時也能采取具有針對性的降低水資源消耗與污染的措施，從而推進造紙行業的可持續發展。

1 水足跡的概念及起源

1992年，加拿大大不列顛哥倫比亞大學規劃與資源生態教授里斯 (William E.Rees)提出了生態足跡的概念［2-3］，即在一定技術條件和消費水平下，某個國家 (地區、個人)持續發展或生存所必需的生物生產性土地面積;生物承載力則指某個國家 (地區)所能提供的生物生產性土地面積的總和，表征該地區的生態容量。生態足跡反映了人類活動對生態系統的影響，其概念具體、形象，計算方法簡單易行，在很多國家和地區得到了廣泛的應用研究。1993年，英國倫敦大學非洲和東亞研究學院的Tony Allan教授首次提出了虛擬水的概念［4］，即商品或服務的生產過程中所使用的水資源的數量，一般伴隨在商品貿易過程中來具體化。虛擬水的概念為解決缺水國家和地區水資源安全問題提供了一種途徑，成為農產品水資源利用研究的熱點。

2002年，學者Hoekstra和Hung以虛擬水研究理論為基礎并類比生態足跡首次提出水足跡概念［5］，當時并未給出水足跡的明確定義，研究也主要針對農作物虛擬水貿易，其計算是基于國內的用水量和凈輸入的虛擬水量之和進行的。Hoekstra在2003年給出水足跡的初步定義，即任何已知個人 (一個國家、一個地區或一個人)在一定時間內消費的所有產品及服務所需要的水資源數量。Hoekstra教授不但將水足跡的研究范圍擴展到單個消費者，而且指出人類的消費活動是水資源消耗的根源，至此，水足跡研究將消費模式和對水資源系統的影響聯系起來。2004年，Hoekstra和Chapagain進一步完善了水足跡的概念并確立其計算方法，這標志著水足跡從虛擬水研究中脫離出來，成為一個獨立的衡量淡水資源使用的綜合評價指標。

2 水足跡的評價體系

2.1 水足跡的分類

2.1.1 藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡

在水足跡的研究理論中，水資源分為藍水、綠水和灰水三種。所以，按照水資源類型劃分，水足跡可以分為藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡。

(1)藍水足跡 藍水足跡是衡量人類消耗藍色水資源的一項指標。藍水主要指儲存在河流、湖泊、濕地以及淺層地下水層中的淡水資源。對于工業產品來說，藍水足跡包括生產過程蒸發掉的水分、留在產品中的水分，以及不能在同一時間內流回同一流域的水，其計算公式如下:過程藍水足跡=蒸散發的水分+產品中的水分+不能在同一時間內流回同一流域的水量。

(2)綠水足跡 綠水足跡是對人們使用綠水資源的一種評價性指標。綠水源于降水，綠水足跡指生產過程中消耗的儲存在非飽和土壤層中并通過植被蒸散消耗掉的綠水資源，與農作物產品和林業產品水足跡密切相關。

(3)灰水足跡 灰水足跡是與污染有關的指標，定義為以自然本底濃度和現有的環境水質標準為基準，將一定污染物負荷吸收同化所需淡水的體積。灰水足跡概念不等同于稀釋水需求量，稀釋污染物并不能降低灰水足跡。灰水足跡是由污染物濃度和污水排放量共同決定的，只有在降低污染物濃度的同時減少污水排放量才能有效地控制灰水足跡。

2.1.2 運營水足跡和供應鏈水足跡

從企業生產運營角度出發，水足跡可分為運營水足跡和供應鏈水足跡。

(1)運營水足跡 運營水足跡也可稱為直接水足跡，是指企業經營時直接消耗和污染的淡水量，包括產品內的水、生產過程消耗和污染的水，以及企業日常生活中消耗的水。

(2)供應鏈水足跡 供應鏈水足跡相當于間接水足跡，是指該企業需要的所有投入產品所消耗和污染的淡水量，包括維持企業運營所投入的原材料的水足跡、企業日常消耗的能源和材料的水足跡，以及企業生產用設備的水足跡。

2.1.3 生產水足跡和消費水足跡、內部水足跡和外部水足跡

從國家層面出發，水足跡還可分為生產水足跡和消費水足跡、內部水足跡和外部水足跡。

生產水足跡是指一個國家在其本地產品生產與服務的過程中消耗的淡水資源量。消費水足跡是指一個國家居民消費的產品和服務所需的水資源總量。內部水足跡是指生產于國內且用于本國消費的商品和服務的水資源消耗量。外部水足跡也稱進口虛擬水，是指采用其他國家的水資源生產且用于本國居民消費的產品和服務的水足跡。

2.2 工業產品水足跡的計算方法

工業產品水足跡是指產品生產過程中直接或間接消耗的淡水資源。工業產品的生產系統一般都比較龐大、復雜，由許多個連續的子生產過程組成，如紙張的生產系統為:木材→蒸煮→洗滌→篩選→漂白→配漿→成形→壓榨→干燥→涂布→壓光→裁切→包裝→成品紙。在實際工業生產過程中，很多環節都需要不斷地輸入多種原材物料，而且每一種原材物料都有其相應的生產工藝，這就使得工業產品的生產系統變得非常復雜。因此，在對工業產品進行水足跡核算時，首先將工業產品的水足跡 (WF)分為輸入原材物料水足跡 (WFinput)、工業生產過程藍水足跡(WFproc，blue)和工業生產過程灰水足跡 (WFproc，grey)三部分，分別計算這三部分的水足跡，相加即可得到工業產品的總水足跡，計算公式如式 (1)。

2.2.1 輸入原材物料的水足跡

工業產品的生產過程中需要輸入許多原材物料，包括原料、輔料、能源和燃料等，這些物料的需求量不同，水足跡大小也不盡相同。在計算輸入原材物料水足跡時，只需將各物料水足跡與其消耗量的乘積相加即可，計算公式如式 (2)。

式中，WFi為第i種物料的水足跡;mi為第i種物料的消耗量。

2.2.2 生產過程藍水足跡

工業產品生產過程的藍水足跡等于過程中清水取用量與排出廢水量的差值，計算公式如式 (3)。

WFproc，blue=WW － Effl (3)式中，WW為生產過程清水的取用量;Effl為生產過程產生的廢水量。

2.2.3 生產過程灰水足跡

工業廢水中污染物的種類很多，一般包括化學需氧量、生物需氧量、氨氮、金屬等。在核算灰水足跡時，選擇幾種主要污染物進行計算，最終灰水足跡為各污染物對應灰水足跡的最大值，即WFproc，grey=Max(WFgrey)。

灰水足跡為污染物負荷除以該污染物環境水質最大允許濃度與受納水體中自然本底濃度的差值，其中污染負荷等于廢水排放量與廢水中污染物濃度的乘積減去清水取用量與清水中污染物實際濃度的乘積，計算公式如式 (4)。

式中，L為污染負荷;Effl為廢水排放量;Ceffl為廢水中污染物的濃度;Abstr為從外界提取的自然水量;Cact為提取水中污染物的實際濃度;Cmax為污染物的環境水質標準 (最大可接受濃度);Cnat為污染物的自然本底濃度。

2.3 水足跡與碳足跡的區別與聯系

水足跡與碳足跡既互為補充，又有所區別。兩者的相似之處在于水足跡和碳足跡都是足跡家族的成員之一，都是從供應鏈的角度出發，分別反映了淡水短缺問題和氣候變化問題。水足跡衡量的是用水量，碳足跡衡量的是溫室氣體的產生量，二者反映的都是數量，而不是對水或環境的影響。水足跡和碳足跡最重要的區別在于是否具有地域性，從宏觀角度而言，水足跡具有嚴格的地域性，也就是說某一地域的節水措施并不能緩解另一個地域的水匱乏狀態;而碳足跡則沒有地域性，即在某一地域減少的碳排放量可以抵消另一地域上升的碳排放量。更重要的是，水的耗費和污染更具有隱蔽性、長期持續影響性和資源不可替代性。全球變暖，水的循環周期首當其沖發生變化，為減緩全球變暖所采取的全部措施中，約有80%與水的消費有關。因此，水足跡和碳足跡一樣，都是推動全球可持續戰略發展的核心指標。

2.4 水足跡與虛擬水的差異

虛擬水指的是商品或服務的生產過程中所使用的水資源的數量，又被稱為凝結在產品和服務中的隱形水，通常體現在商品貿易過程中。而水足跡指的是已知人口在一定時間內消費的所有產品和服務所需要的淡水資源量，包括生產和消費過程的直接用水和間接用水。水足跡是根據虛擬水理論并類比生態足跡而演化而來的，所以，如果單從生產某種產品或服務所消耗的水量來看，產品的虛擬水和水足跡是可以相互替代的。但是，水足跡的概念應用更加廣泛，不僅包含水的類型還包含用水時間和地點，這些附加信息評價水足跡對當地的影響至關重要。

3 國內外水足跡研究動態及其在造紙行業的應用研究

3.1 國外水足跡的研究動態

水足跡的概念源自國外，故其在國外的發展水平遠高于國內。2008年，Hoekstra和Chapagain對水足跡完成了一個更為廣泛的評價工作［6］，并且成立了水足跡網絡 (WFN)。2009年，WFN發表了《Water Footprint Manual:State of the Art 2009》，率先制定了全球首個水足跡計量標準，為政府和企業開展水足跡研究奠定了基礎。2011年，水足跡網絡對2009年發表的水足跡評估手冊進行修訂和完善，進一步明確和量化水足跡研究的計算和評估方法。此外，Bulsink等人［7］對印度尼西亞各個地區農作物的水足跡進行了詳細的研究，得出印度尼西亞人均消費的農作物水足跡是1895 m3/a·人，不同地區農作物的水足跡差別較大，分布在859～1895 m3/a·人范圍內，其主要原因是氣候條件、農業技術及消費量不同。Chapagain和Orr開展了對西班牙番茄的水足跡研究，發現西班牙番茄的藍水和綠水水足跡為297 Mm3/a，灰水水足跡為29 Mm3/a，其中歐盟國家消費的西班牙番茄的藍水和綠水水足跡為71 Mm3/a，灰水水足跡為7 Mm3/a［8］。

3.2 國內水足跡的研究動態

國內在虛擬水和水足跡方面的相關研究也有一定的進展。何浩等人［9］運用水足跡的理論和方法計算了湖南省水稻水足跡，并分析了其歷史變化和構成特征，水稻的水足跡包括水稻作物生長、產品加工等過程中所消耗的水資源數量。王艷陽等人［10］采用從下到上的方法計算了北京市的水足跡，通過評價北京市的水消費特征，為節約水資源，提高水資源的有效利用率提供了理論依據。同時研究還表明，虛擬水的流入只能降低本地水資源的消耗量，并不能減少北京市的總水足跡，它只是把本地水資源的壓力轉移到了其他地區。蓋力強等人［11］計算了華北平原小麥、玉米作物生長的水足跡，并分析了綠水的重要性和灰水對環境的不利影響。結果表明，綠水在當地農作物生產中占有重要的地位，綠水的使用與作物的生長特點及作物生長周期有關;小麥、玉米總水足跡約為當地水資源總量的2.2倍，減少小麥、玉米作物生產水足跡對華北平原具有重要的意義。

3.3 國內外造紙行業水足跡的研究現狀

目前，國外造紙行業水足跡的研究剛剛起步，而國內造紙行業水足跡研究還幾乎處于空白。所以，關于水足跡在造紙行業研究的文獻寥寥無幾，研究的深度也有待探討，只有少數幾篇文獻值得借鑒。Stora Enso的Skoghall廠［12］依據液體包裝紙板的生產工藝對各種原料 (漿、淀粉)、能源物質 (電、生物燃料)以及紙廠生產過程的水足跡進行了詳細計算，研究結果表明，液體包裝紙板的總水足跡為2194 m3/t紙板，其中99.6%的水足跡源自樹木和農作物原材料。從2007到2011年，公司取水量減少了15%，而企業水足跡只占取水量的5%左右。Van Oel和Hoekstra［13-14］對造紙產品水足跡的計算方法進行了深入研究，分析和探討了不同國家各種木材制造紙制品水足跡，研究發現使用廢紙可以有效地降低紙制品水足跡。如生產1 t印刷書寫紙，不使用二次纖維則至少需要消耗753 m3水;如果使用二次纖維耗水量只有321 m3。UPM對其在歐洲的5家制漿造紙廠的水足跡進行了研究，得出的結論是造紙廠水足跡的99%來自供應鏈，只有1%是來自紙廠生產過程［15］。一張A4大小的不含磨木漿的涂布紙和未涂布紙的水足跡分別為20 L和13 L，其中綠水60%、藍水1%、灰水39%。

總之，無論是國內還是國外，水足跡的研究還處于初級階段，尚不成熟。大部分研究都集中在分析和探討各個國家或地區農作物及其衍生產品的水足跡，對造紙企業及其紙制品水足跡的研究鮮有報道。

4 水足跡評估的意義

4.1 水足跡評估的意義

淡水是人類的生存之本，也是工農業發展和經濟建設的基礎性資源。世界上許多國家或地區長期大量取用地下水和生態用水，導致出現嚴重的水污染和水枯竭問題，對經濟和社會的發展造成了不少負面影響。水足跡概念的引入，不僅可以有效地緩解水資源匱乏問題，而且對水資源可持續發展具有很重要的指導意義。首先，水足跡涵蓋了綠色水、藍色水和灰色水，將水消耗和水污染進行統籌和量化，從而拓寬了傳統水資源評價體系的外延和內涵;其次，水足跡將實物形態的水與虛擬形態的水聯系起來，從而準確地反映人類對水資源的真實占有和消耗;第三，通過水足跡研究可以提高公眾對水資源使用的認識，有利于公眾區分實體水和虛擬水對水資源消耗的影響，幫助消費者明確哪些產品是高耗水產品，促使消費者認識到人類的消費活動是水資源消耗和污染的直接原因，從而提高公眾節約水資源的環保意識。

4.2 水足跡評估對造紙行業的重要意義

造紙行業是典型的經濟循環和可持續發展產業，同時也是水資源消耗較高的產業。隨著國家對各行業水資源利用的相關政策法規日趨嚴格，人們的環保意識不斷提高，對造紙行業開展水足跡可持續評價的研究具有十分重要的意義。

(1)對政府而言，核算造紙行業水足跡，可以幫助淘汰水資源管理落后的企業，鼓勵節能環保技術的推廣和發展。

(2)對行業而言，通過核算造紙產業的水足跡，可提高整個行業的節水環保意識，為行業的可持續性發展提供有利條件，塑造優秀的行業形象。

(3)對企業而言，可通過核算自己產品的水足跡，了解生產流程，尋求可以節約用水的環節，使企業節約成本，形成差異化的競爭優勢，提高環保方面的競爭力，同時還能滿足消費者對水足跡信息的需求。

(4)對消費者而言，可提高消費者了解產品在生產過程中用水的透明度，增強消費者對產品的認知度，引導消費者的環保性消費。

5 造紙行業水足跡評估存在的問題

造紙行業水足跡是將生產鏈所有環節中的耗水考慮在內而估算出的用水總量，包括農業生產與工業生產兩部分［16］。由于其產業鏈太長，涉及的行業領域范圍較廣，所以在實際核算過程中存在一定的問題。

(1)比較精確地核算產品種植階段水足跡存在較大困難。因為影響種植階段水使用量的主要因素是自然條件，需要龐大的關于產地氣候、環境的數據，在我國現階段各種基礎氣象環境數據匱乏的條件下，核算難度非常大。

(2)產品種植階段水足跡在產品整個生產鏈中占很大的比例，基本在80%左右，計算精度低，不能充分發揮產品水足跡對水資源管理方面的重要作用。

(3)造紙產業鏈中用到大量的助劑，這些添加劑往往來自不同的生產廠家，其生產工藝也不盡相同，因此核算水足跡也有難度。

(4)從農業到工業的生產鏈太長，不確定因素較多，無論采用鏈式求和方法還是逐布累積法，都需要了解生產過程中的每一步驟及產品的水足跡數據，因此計算最終產品的水足跡較困難。

6 展望

在過去的十余年里，水足跡理論得到了較快的發展，研究領域不斷拓展，研究成果也不斷多樣化。雖然水足跡評估在造紙行業的應用研究才剛剛起步，且面臨著許多問題，但是相信在不久的將來，水足跡評估作為一種新型的水資源管理方法，一定會為造紙行業的可持續發展提供有力的理論指導。未來造紙行業關于水足跡研究的主要任務是建立標準的水足跡核算模型及可共享的數據系統。

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