基于灰水足跡的中國城市水資源可持續利用綜合評價

王雅晴,冼超凡,歐陽志云

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

水資源可持續利用是社會經濟健康發展的重要前提。人口與經濟快速發展導致用水危機及水環境惡化現象在大部分發展中國家尤為嚴重[1- 2]。水資源短缺和水生態環境惡化是目前影響中國水資源可持續利用的主要問題[3],從而影響中國實現聯合國2030年可持續發展議程17個可持續發展目標的整體進展[4]。中國淡水資源稟賦占全球的14%[5],然而由于人口膨脹,水資源水質堪憂及分布不均勻,進入新世紀以來中國水資源利用狀況一直不容樂觀[5], 城市化進程不斷深入導致城市用水量與污水排放量與日俱增,全國用水量由2000年5498×108m3增至2016年6040×108m3,同時廢污水排放也由415×108m3增至2016年711×108m3[6-7],水資源用量增幅10%而廢污水排放增幅高達71%。隨著人口不斷增加導致的人均水資源減少,很多位于華北平原及黃土高原的城市都面臨著水資源匱乏及水環境惡化的挑戰[8],水資源消耗及其對環境污染加重狀況成為阻礙中國可持續城市化的重要因素之一。城市作為區域經濟發展與人口聚集的增長極,也是水資源利用密集的主要地區,對區域水資源持續利用有重要影響[9]。

中國水資源問題的核心首先是城市用水效率問題[10- 11]。已有研究對中國省市區域的水資源利用效率進行評價[12],其中部分研究將研究尺度細化至地級以上的城市及其時空格局分析[5,9-11]。但在全國尺度綜合性評價城市水資源可持續利用的研究仍不多[5],主要還是關注于實體水資源消費效率,如相關研究表明,全國城市水資源利用技術效率普遍不高,多年改善變化趨勢不明顯[11],但較少關注如何有效衡量水資源利用后產生的污染效應[13],這突出了目前中國城市水資源評價著重于水資源 “量”消費效率,而對其消費完后環境污染“質”的方面重視不夠的問題。全面評估水資源利用需同時考慮水資源承載能力和水環境承載能力,前者就是從用水量的角度確定水資源能夠支撐經濟發展的程度(側重人和資源的關系),后者則是從污水排放的角度來確定(側重人和自然的關系),水體能承受多少污染排放物,兩者是相輔相成的[14],水資源可持續利用評價需同時兼顧以上兩者。

“灰水足跡”概念的提出為評價區域真實水污染狀況的研究提供方法[13],其能較好定量分析水資源量與水污染研究之間的關系[15],其定義為以水環境質量標準為基準,將污染負荷稀釋至高于特定環境水質標準所需淡水的體積[16]。其已被用于評估全球人類經濟活動對水資源利用的影響[17],其中包括中國在內的金磚國家貢獻了超過一半的全球灰水足跡,而中國也是最大的灰水足跡產生源[18]。近年來,我國區域灰水足跡研究逐漸從概念引進階段快速發展為本土消化階段,已有相關研究對省域尺度的灰水足跡進行時空及驅動力分析：農業活動在全國灰水足跡貢獻率最高,華北地區為高集聚區域[15], 大部分省域的灰水足跡增長推動全國水足跡的增長,加劇本土水體生態系統的衰退使其生態修復更加困難[19]。然而,對于城市化程度較高的單個城市而言,如北京、深圳等市,生活部門往往是城市灰水足跡的主要來源[20-21]。城市化是灰水足跡增長主要影響因素[22],而經濟發展帶動科技進步則是影響足跡強度減弱的主要原因[23]。從經濟效率角度而言,全國省域灰水經濟生產率(國民生產總值與灰水足跡比值)整體提高,東部地區顯著高于中、西部地區,其受益于全國范圍產業結構優化、城鎮化水平及社會福利提高[13,24]；從環境評價角度而言,灰水足跡指標計算可以體現中國各省市農業緩解非面源污染的需水量[25],河北省的研究案例說明了灰水足跡指標可以粗略地表征區域水質性缺水狀況[26],廣東省深圳市的研究案例突出了灰水足跡指標在評估快速城市化過程中水體污染風險程度的作用[21]。

在中國,城市是水資源管理利用的基本單元,其水資源利用評價僅考慮單個指標難以滿足質量分析的客觀性要求[27]。鑒于此,本文通過灰水足跡核算及其衍生指標評價,結合常規水資源利用效率指標,包括近年來在全國水資源評價領域得到有效運用的效率指標(萬元GDP水耗)[10]與(灰水經濟生產率)[24],以及壓力指標(水資源開發率)[28]與(灰水足跡荷載系數)[15],建立城市水資源可持續利用評價指標體系(圖1)。四類指標相互關聯,息息相關,貫穿水資源消費 “開發利用—經濟產出—環境污染”周期過程,而灰水足跡為直接影響水資源總量的關鍵要素。在城市經濟發展仍為首要任務的大背景下,指標體系需滿足水資源可持續利用評價 “量”與“質”的需求。相較于前期側重于水資源“量”利用技術效率的全國城市研究[11],本研究選取2016年中國大陸295個地級市為研究對象,基于更多的城市樣本通過灰水足跡核算進而綜合評估城市水資源可持續利用程度,旨在為解決區域水資源利用問題提供合理依據。

圖1 基于質量分析需求的城市水資源可持續利用評價指標體系Fig.1 The system of indexes in assessment of the sustainable utilization of urban water resources based on quality and quantity analysis

1 方法和數據來源 (Method and Data Sources)

1.1 指標選取與計算

1.1.1水資源利用效率評價指標

選取水資源開發率與萬元GDP水耗作為體現城市水資源利用效率“量”方面的標桿指標。前者作為衡量水資源稀缺程度的指標,比人均水資源量指標優越在于其隱含考慮了生態用水,認為人類對水資源開發利用程度越高,水系統及相關自然生態受到的壓力就越大[28]。后者作為常規評價指標,其受客觀因素影響不明顯,其可基于城市發展特點揭示單位經濟增長總量所需水資源投入量[10]。計算如下所示：

(1)

(2)

式中,We和Wc分別表示水資源開發率與萬元GDP水耗指標,前者計算基于供水總量Ws(m3/a)與本地區水資源總量Wt(m3/a)的比值,后者由供水總量Ws與本地區當年國民生產總值GDP(億元)相比得出。依據國家統計局的指標解釋,供水總量是指公用自來水和自備水源的社會單位全年的供水總量,包括居民生活及經濟生產的有效供水量及損失水量。

1.1.2水資源利用環境影響評價指標

選取灰水足跡指標及其衍生效率指標作為體現城市水資源利用 “質”方面的標桿指標。基于《水足跡評價手冊》[16]中灰水足跡的計算方法并結合前人研究的成果[15,20-21],將城市灰水足跡按經濟生產和居民生活的不同方面計算。一般而言,污水中包含多種形式的污染物,灰水足跡的核算則由其中最關鍵污染物確定。

(1)農業灰水足跡核算

農業生產過程中,種植業和畜禽業導致的化肥大量施用與畜禽糞便隨意排放都會對水體造成不同程度污染。參照《水足跡評價手冊》的常用模型,種植業生產導致的灰水足跡核算可基于化肥施用(包括氮肥與復合肥)過程淋失導致的氮元素進入水體估算[15]。其公式如下：

(3)

式中,WFCc為城市種植業灰水足跡(m3/a),a為化肥流失率,其根據城市所處區域分別取值為19.5%(中國北部)、6.6%(中國東部)、1.9%(中國西南)和12.3%(中國西北)[25]。變量Appln和Applc分別表示氮肥和復合肥年施用量(kg/a),Cn和Cc分別為氮肥與復合肥的氮含量46%和30%[29]。Cmax為污染物水質標準濃度(kg/m3),Cnat為收納水體的自然本地濃度(kg/m3)。

隨著中國養殖業不斷發展,放牧、畜舍與圈地沖洗等活動導致的糞便隨意排放造成了嚴重水污染,主要體現為水體氮污染物負荷的累積增加[30],畜禽養殖業已成為全國農業水體氮污染的主要來源[29]。選取畜禽(馬、驢、騾、豬、羊與家禽)養殖排污作為主要考量對象,針對其養殖過程中未處理回用的畜禽排污部分,計算公式表達如下：

(4)

式中,WFLc為城市養殖業灰水足跡(m3/a),WFLi分別為牛、馬、驢、騾、豬、羊與家禽養殖導致的灰水足跡(m3/a),Li為城市所在省份對應畜禽年末存欄量(頭/只),Mc和Mp表示城市與所在省份肉類產量(t),EXc、Pr和Nl表示畜禽年均排泄物生產量、回用處理率和氮流失系數[31-32],如表1所示:

表1 各類畜禽排泄與氮素流失相關系數

(2)工業和生活灰水足跡核算

城市工業生產與居民生活導致的廢水排放是水體點源污染的主要影響因素,相較于農業灰水足跡主要基于面源氮污染核算而言,COD和氨氮是排放水體中的主要污染物,故采用COD和氨氮作為衡量指標核算城市工業和生活灰水足跡。其計算公式如下：

(5)

(6)

式中,WFIc為城市工業灰水足跡(m3/a),表示以第i類污染物為標準的工業灰水足跡,Lc表示城市所在省份i類污染物排放負荷(kg/a)。Wc和Wp分別表示城市與所在省份廢污水排放總量(m3/a)。城市生活灰水足跡WFRc核算與之相似。

(3)灰水經濟生產率與荷載系數

城市總灰水足跡由農業灰水足跡、工業灰水足跡和生活灰水足跡三部分組成,城市總灰水足跡WFc可由下式計算可得：

WFc=WFC+WFL+WFI+WFR

(7)

為反映經濟建設中水資源利用的環境技術效率水平,采用灰水經濟生產率指標WFEc[24]來與萬元GDP水耗指標協同分析水資源環境與經濟發展的關系,其計算公式如下：

(8)

然而,灰水足跡核算及其經濟產出效率不能反應出城市發展對其水環境壓力,采用灰水足跡荷載系數指標[15],建立灰水足跡(污染排放)與水資源總量(自然稟賦)之間的關系,用于表征城市水污染壓力程度,系數越大,該城市水資源利用對水體的污染壓力越大。荷載系數指標大于1,說明本地區水資源量已無法滿足灰水足跡稀釋需求,計算如下：

(9)

1.2 水資源可持續利用評價

上述水資源利用效率及環境影響評價指標可以從水資源利用的“量”和“質”方面較為全面反映城市水資源可持續利用狀況,但是,為了清晰凸顯城市間的差異性,需要構建一個綜合指數從總體上評價城市水資源可持續利用程度。本文基于中國城市低碳發展水平評估的方法[33],綜合水資源開發率、萬元GDP水耗、灰水經濟生產率和灰水足跡荷載系數等指標從總體上評價城市水資源可持續利用程度。采用極差標準化方法對上述指標進行無量綱處理,其中灰水經濟生產率為正向指標,其余則為負向指標,計算分別如下：

(10)

(11)

式中,Xi為第i項城市水資源可持續利用指標的標準化評價值,Ai為城市水資源可持續利用指標的原始值；Aimax為城市水資源可持續利用指標原始值的最大值,Aimin為城市水資源可持續利用指標原始值的最小值。

繼而采用變異系數法對各指標進行權重確定,最后采用指標加權求和的方法構建城市水資源可持續利用程度指數,如下述公式所示：

(12)

(13)

(14)

1.3數據來源

本文以2016年中國295個地級及以上城市為研究對象,各省轄自治州,及港澳臺地區因數據缺乏故不納入研究。相關農業、環境、水利與社會經濟等數據取自《中國城市統計年鑒》、《中國環境統計年鑒》、《中國區域經濟統計年鑒》以及各省市統計年鑒與水資源公報；因2016年省域污染物排放量統計數據沒有進行工業源與生活源區分,本研究采用鄰近年份2015年的數據。

根據《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)中一級排放標準,COD和NH3的排放達標濃度分別為60、15 mg/L[15,24]。鑒于研究樣本數目較多,為保持核算口徑統一,默認收納水體的自然本地濃度為0[15]。為深入分析中國地區經濟與自然條件的差異對灰水足跡的影響,中國城市所屬地區按東中西部劃分[24],城市類型根據國務院《關于調整城市規模劃分標準的通知》按人口規模劃分為：超大型、特大型、大型和中小型城市四類。

2 研究結果 (Result)

2.1 中國城市灰水足跡特征

根據上述公式計算結果可知,全國地級市灰水足跡總量高達6903.17×108m3,比相關研究[15]僅基于省域核算的2012年結果4400.85×108m3大。總體上中國城市灰水足跡平均水平較低,城均為23.40×108m3, 標準偏差為18.21×108m3,約53%中國城市灰水足跡在20.00×108m3以下(表2)。然而,城市間灰水足跡水平差異大,如灰水足跡最高的五城包括重慶市(132.17×108m3)、通遼市(93.84×108m3)、成都市(89.90×108m3)、石家莊市(82.63×108m3)和長春市(80.64×108m3),其幾乎為全國均值4倍以上。全國城市灰水足跡水平如圖2所示,城市灰水足跡較高的城市主要分布在東北平原、華北平原與四川盆地地區。作為區域經濟發展引擎,省會城市普遍灰水足跡偏高。重慶市在地級市樣本中常住人口最多,擁有接近3400萬人口,導致其生活灰水足跡高達35.22×108m3,但仍低于成都、武漢與深圳等市。然而,重慶市的農業灰水足跡高達88.56×108m3,僅次于國家重要農牧生產基地的通遼市。居高不下的農業與生活源灰水足跡導致重慶城市整體灰水足跡最高。除了重慶市,直轄市灰水足跡水平均低于50.00×108m3,呈北京市<上海市<天津市,其中北京市為29.94×108m3,比其2009年水平降低約40%[20]。

圖2 2016年全國地級市灰水足跡空間分布Fig.2 The spatial distribution of urban grey water footprint in prefecture-level cities in China in 2016

表2 2016年不同灰水足跡水平下的地級市數量

就全國城市灰水足跡構成而言,農業源灰水足跡為主要構成部分,可見農業面源污染仍是中國城市灰水足跡的主要來源,其中,絕大部分城市(90%)的農業養殖灰水足跡高于農業施肥灰水足跡,只有30個城市農業施肥灰水足跡較高,且主要集中在山西省、吉林省及陜西省。由表2可知,絕大部分城市的農業源灰水比例都在80%以上,其中21%城市的比例更高達90%以上。城市工業源灰水足跡比例比較低,75%城市所占比例都在10%以下,相對而言,全國范圍內銀川、烏魯木齊和克拉瑪依等西北地區城市的灰水足跡工業源所占比例比較高,高于30%。城市生活源灰水足跡所占比例也普遍較低,主要集中在20%以下,但約有10%城市的生活源灰水比例超過總體的一半,部分城市比例甚至高于70%,如慶陽、伊春、朔州和合肥等市。不同于以往基于省域尺度的研究,本研究基于城市尺度分析發現,中國城市農業源灰水足跡比例占比主要在70%以上,工業源比例占比主要在20%以下,而生活源比例占比在40%以下,也說明了近年全國灰水足跡構成比例仍是農業最大、生活次之、工業最小情況,工業部門的點源污染已得到有效控制,農業部門的面源污染仍不容樂觀的趨勢[15,22]。

2.2 中國城市水資源利用特征

通過城市灰水足跡核算進而得出城市灰水經濟生產率和灰水足跡荷載系數(表3)。全國灰水經濟生產率在12.45—857.31元/m3范圍內,平均值為123.52元/ m3,地區差異明顯。根據相關基于省域尺度的研究[24],中國灰水經濟生產率平均值在2000—2014年期間持續增長,從19.85元/ m3持續增至107.93元/ m3,本研究結果也驗證了2014年后灰水經濟生產率的持續增加趨勢。同時,有95個城市(約占全國城市數33%)本地水資源總量無法有效納污經濟發展所導致的灰水足跡,灰水足跡荷載系數均大于1,盡管其中部分城市灰水經濟生產率較全國平均水平高。全國整體灰水足跡荷載系數平均值為1.16,水資源利用及排放已對整體水環境產生污染壓力,用水不可持續,其中高度荷載區包括延安、慶陽、隴南等7市,其荷載系數大于5。相關研究[15]表明,1998—2012年間全國平均荷載系數一直維持很低水平,在0.15—0.21徘徊,而本研究得出的平均數結果遠遠大于上述范圍,且大于1。究其原因,相較于省域尺度,城市往往是灰水足跡產生的熱點,因其通常為高強度的社會經濟活動發生地,而其所轄的水資源往往不如同省域內自然稟賦較好的縣級市與其他鄉郊地區,尤其是在西部西藏、新疆、青海和云南等水資源豐富的區域,故導致全國地級市荷載系數平均水平高很多,但卻可更直觀地反映出城市化發展過程水資源利用對水環境的污染壓力。

基于上述灰水足跡相關指標,結合傳統水資源利用效率指標,從地理分區、行政區劃和城市規模三個方面對中國城市水資源利用進行綜合分析(表3)。就三大地帶而言,東、中、西部城市水資源開發率與萬元GDP水耗都呈現東部利用效率最高,西部次之,中部較低的格局狀況,與相關研究結論[9]一致。從水資源利用經濟產出的環境影響角度而言,東部灰水經濟生產率遠大于中部與西部,呈現東部>中部>西部格局狀況,這與東中部城市的經濟生產和產業優化水平普遍高于西部城市的情況有關。不同于萬元GDP水耗指標著重于單位水資源利用經濟效率最大化的目的,灰水經濟生產率指標更為強調清潔生產在水資源保護的作用,即如何減少廢水排放的同時提高其經濟效益。而從灰水足跡荷載系數方面來看,呈現東部<中部<西部格局狀況,這更突出青藏高原以外西部較不發達城市水資源短缺、污染壓力大的情況。在西部城市工業快速發展的大背景下,同等污染物排放造成的水體污染壓力較其他地區大。值得注意的是,東部城市平均荷載系數小于1,除了部分華東地區城市水資源豐富納污能力較強外,嚴格的環境措施對城市點源污染物排放減少起很大作用。

表3 2016年中國城市水資源利用與保護狀況

由表3可知,中國不同行政級別城市水資源利用在水資源開發率,灰水足跡荷載系數與經濟生產率等方面上都呈現直轄市>省會市>地級市情況,在萬元GDP耗水量方面呈現省會市>直轄市>地級市,直轄市因其大體量經濟發展和高聚集人口消費需求,不斷加大對本地區水資源開發,規模增長較粗放[9],同時污染物排放也隨之增加,加大水體污染壓力,盡管經濟產出也相應明顯提高。從城市規模而言,除了4個直轄市,其他人口1000萬以上的超大型城市也同樣面臨著上述情況,包括若干主要位于河南與河北省內的地級市,如周口、保定和南陽等城市。與超大型城市類似,中小型城市水資源開發率較高,遠高于特大型與大型城市,但單位經濟產出的水資源消耗量和污水排放量遠大于其他人口更多的城市,同時對區域水體造成污染壓力也高于大型城市。相對于數目占比(10%)較小的中小城市,占全國地級市一半以上(59%)的大型城市水資源利用與保護狀況較佳,其水資源開發利用只有前者一半水平,但相同單位經濟產出耗水量為前者一半水平,同時對水環境污染壓力較低。而人口更多的特大型城市(31%)在水資源利用經濟效率方面優于大型城市,但在水資源利用的環境保護方面總體不及大型城市。

人類用水關系始于水資源開發,終于消費完排污至水體環境(圖1)。有學者[12,34]提出了一個觀點,即水資源擁有量與水資源利用效率呈現出顯著負相關關系。那么水資源擁有量是否與水環境污染壓力也存在相似的相關關系？本研究基于地級市水資源利用樣本,分析得出城市水資源擁有量與表征水環境污染壓力的灰水足跡荷載系數間并不存在顯著的負相關關系(圖3),然而,城市水資源開發率與灰水足跡荷載系數卻呈一定程度的正相關關系,即基于城市區域的水資源量,當年水資源開發利用程度越高,其對當地水環境造成的污染壓力越大,這也側面說明了城市對水資源“量”的開發利用與對水資源“質”的污染壓力具有一定的協同關系。

圖3 城市灰水足跡荷載系數與水資源總量及水資源開發率的關系Fig.3 The potential relationships between urban grey water footprint load coefficients and total amounts of urban water resource as well as exploitation rates

2.3 中國城市水資源可持續利用程度分析

基于上述指標核算結果(表3),通過水資源可持續利用評價可知,2016年我國城市水資源開發率指標在我國城市水資源可持續利用過程中所占權重為0.35,隨后依次為灰水足跡荷載系數(0.29),灰水經濟生產率(0.20)和萬元GDP水耗(0.16)。權重較大的指標皆與城市水資源存量有關,城市水資源生態稟賦在2016年城市水資源可持續利用過程扮演著重要角色。目前城市普遍使用權重較小的萬元GDP水耗指標作為本地區用水效率考核評比依據,其雖能滿足于目前以經濟建設為中心的城市發展需求,但不能較為全面反映水資源利用與保護的可持續發展要求,易誤導城市片面追求用水技術改進,提高用水經濟效率,而忽略水體生態保護,進而減少本地區可用清潔水資源的存量,從而引發城市對稀缺優質水源的角逐,加大對區域水資源的開發力度,同時也加重區域水資源納污承載壓力,進而陷入“惡性循環”,不利于城市水資源的可持續利用。

2016年參評城市水資源可持續利用程度指數整體較高(圖4),平均值為0.74,高于0.80的城市占比在10%,主要集中于東部地區,但城市間差異較大。最高十名依次為中山市、舟山市、金華市、臺州市、無錫市、鎮江市、溫州市、蘇州市、麗水市與嘉興市,主要為位于東部浙江與江蘇兩省的地級市,絕大多數為大型城市(70%),其水資源稟賦較為豐富。在政策方面,2016年浙江省制定《浙江省水污染防治“十三五”規劃》,實施最嚴格水資源管理制度,對經濟發展過程水資源利用與生態保護作進一步要求。而最低十名依次為銀川市、青島市、石嘴山市、吳忠市、太原市、東莞市、鄭州市、克拉瑪依市、深圳市和本溪市,絕大多數為特大型及其以上的城市,其中包括多個省會市,特征為淡水資源稀缺的內陸與沿海城市。對上述參評的城市代表制作水資源可持續利用程度指數堆積圖(圖5),分析各項指標的評價得分對水資源可持續利用程度的影響。由圖可知,指數排名較高城市的水資源開發率和灰水足跡荷載系數評價得分所占比例較大,灰水經濟生產率評價得分占比較小,萬元GDP水耗評價得分保持穩定,盡管金華市與臺州市灰水經濟生產率評價得分較低,但較高水資源開發率評價得分使其仍能排位前五名。反之,指數排名較低的城市各項指標評價得分構成差異大,其中以青島市與深圳市為代表的沿海較發達城市排名較低,因其龐大的經濟與人口規模導致水資源需求不斷上升,驅使水資源開發強度居高不下,此項指標評價得分較低,影響了深圳市的整體指數排名,也是青島市排名低的主要因素。本溪市雖在水資源經濟效益指標得分最低,但整體評價得分明顯高于銀川、青島、石嘴山、吳忠等市,其中,銀川市涉及灰水足跡的環境影響指標得分最低。整體而言,按城市級別劃分,除了杭州市指數高于0.80,其余省會市及四個直轄市指數均低于全國平均值,且集中在0.55至0.75區間。按城市規模分類,包括四個直轄市在內的超大型城市指數平均值為0.69,低于全國平均值；特大型城市、大型城市與中小型城市平均值分別為0.74、0.75和0.66,城市數目占比較大的大型城市指數普遍較高,總體而言,2016年水資源可持續利用程度大型城市>特大型城市>超大型城市>中小型城市。

圖4 2016年全國主要地級市水資源可持續利用程度指數空間分布Fig.4 The spatial distribution of the indexes of sustainable water resource utilization in major prefecture-level cities in China in 2016

圖5 2016年參評城市水資源可持續利用程度指數堆積圖Fig.5 Ranking of cities based on the degrees of sustainable water resource utilization in 2016

3 討論 (Discussion)

從本研究水資源可持續利用評價結果可知,大型城市水資源可持續利用程度較高,城市發展有助于水資源利用效率提高,經濟欠發達城市無法為水資源供給與保護提供足夠的資金保障,其依賴水資源生存的壓力遠高于水資源可持續利用的重要性,隨著經濟發展帶來的投入增加會在一定限度內促進水資源利用效率的提升,但過度增加投入提高水資源利用效率易造成水資源邊際遞減[11]。城市經濟與人口規模快速發展促使水資源開發率隨之提高來應對不斷上升的用水需求,但當經濟與人口規模發展到一定程度時,城市用水易超出區域水資源與水環境的承載力,一味提高水資源開發率不僅不能緩和水資源供需矛盾,還會對水體環境產生明顯的污染壓力,導致城市用水不可持續。以中國超大型城市上海市為例,盡管其擁有長江水資源供給稟賦,同時通過大量投資建設新水庫與完善水資源供給系統來提高水資源開發率,以增加本地可用水資源量,但未來仍面臨水資源短缺的威脅[35]。2016年上海市人口與GDP規模均為全國地級市前列,但上海市水資源可持續利用程度指數僅為0.67,低于全國地級及以上城市整體平均水平,這類人口經濟規模大與水資源可持續利用程度低并存的現象普遍現于當年其他超大與特大城市,如上述深圳與青島等市。相關研究提出,提高城市污水“量”和“質”的處理能力為突破此類城市水資源可持續利用瓶頸的有效途徑[21,35],其不僅能提供更多低污可用的中水用于常規水資源補充,減輕常規水資源開發力度,同時也能減少更多污染物排河,減輕水體污染稀釋壓力,進而促進城市水資源利用“良性循環”。

目前大部分研究僅從水資源投入產出技術效率方面去分析城市用水效率,以直轄市為代表的大城市往往得益于其龐大經濟規模帶來的用水技術效率與經濟效益提高[11],這類城市易憑借較優的經濟產出被評價為用水效率水平高[9],但在目前經濟城市化大背景下一味追逐最優用水經濟效益的同時,此類城市取水與排水過程對水體環境形成的壓力也越大。相關研究發現,中國城市經濟發展水平對水環境壓力具有“雙刃劍”作用[36],此類現象在本研究城市水資源可持續利用程度評價也有所體現。不同于以往基于省域尺度的灰水足跡分析的研究,本研究創新點在于從更小尺度的城市灰水足跡分析的基礎上,同時結合傳統水資源利用效率指標對城市水資源可持續利用程度進行綜合評價,滿足水資源利用評估的“質”和“量”要求。研究發現,結合灰水足跡指標的水資源可持續利用評價結果能更好突出城市水資源利用與保護狀況,克服以往僅憑水資源利用技術效率指標或僅以污水排放量指示環境壓力所不能兼顧的水環境保護的問題。基于本研究的結果,可以推斷出,城市發展一定程度上有助于水資源可持續利用,即水資源利用效率較高及水環境保護程度較好,隨著不斷提高的城市化水平和人口密度帶來的城市聚集效應對當地水環境影響加重[36],盡管用水經濟產出效率不斷提高,但其對水資源消耗及對水環境污染壓力可能反而相應增加。與城市研究學家Henderson提出的相關學說相似,即大城市相關要素的過度集中反而可能會產生規模不經濟現象[9]。對于水資源利用過程,大城市相關要素過度集中可能會造成經濟效益方面的用水高產和環境保護方面的護水低效現象。然而,因數據可獲性限制等因素,本研究相關結論是僅基于一年的城市水資源利用數據得出,不一定適用于長時間水資源利用狀況評估,未來仍需更多針對長時間序列的研究對其進行驗證及補充。同時,本研究灰水足跡估算過程所用的部分轉換系數不是基于城市當地情況,而是基于區域或全國參數,此外，污染物濃度標準選取的是一級排放標準，不可避免地比采用III類地表水污染物濃度標準得出的結果低。這可能為后續估算結果帶來誤差性。但本研究構建的水資源可持續利用評價體系,既可擺脫傳統水資源評價研究指標冗多的困擾,也可兼顧水資源利用的環境影響因素,通過四個主要水資源利用與保護指標對城市水資源可持續利用程度進行評價,其強調水資源利用的開發獲取、經濟產出、水體保護與節水推廣等環節,可同時滿足水資源可持續評價的“社會可持續性”、“經濟可持續性”、“環境可持續性”和“制度可持續性”四個準則[37],旨在為日后全面評價中國水資源可持續利用邁出探索的一步。

4 結論與建議 (Conclusion and Suggestion)

本文通過分析2016年全國地級市灰水足跡及其衍生指標并對城市水資源可持續利用程度進行評價,得到以下結果。

4.1 主要結論

(1)2016年中國地級市灰水足跡總量高達6903.17×108m3,平均值為23.40×108m3, 城市間灰水足跡水平差異大,但主要集中在20.00×108m3以下。省會城市灰水足跡水平普遍偏高,灰水足跡最大的五個城市包括重慶市、通遼市、成都市、石家莊市和長春市。農業養殖導致的面源污染仍是城市灰水足跡的主要來源。中國城市農業源灰水足跡比例占比主要在70%以上,工業源比例占比主要在20%以下,而生活源比例占比主要在40%以下。

(2)2016年城市灰水經濟生產率在12.45—857.31元/m3范圍內,平均值為123.52元/ m3,地區差異明顯。33%城市灰水足跡荷載系數均大于1,全國整體灰水足跡荷載系數平均值為1.16,城市水資源利用已對水環境產生污染壓力,用水不可持續。三大地帶方面,灰水經濟生產率呈現東部>中部>西部格局,灰水足跡荷載系數呈現東部<中部<西部格局,其中東部城市平均灰水足跡荷載系數小于1；城市行政級別方面,水資源開發率,灰水足跡荷載系數與經濟生產率等都呈現直轄市>省會市>地級市情況。城市水資源開發率與灰水足跡荷載系數呈一定程度的正相關關系,說明當年城市發展對水資源的“量”和“質”的壓力作用具有一定的協同關系。

(3)2016年城市水資源可持續利用程度指數整體較高,平均值為0.74,但城市間差異較大,水資源開發率與灰水足跡荷載系數在當年水資源可持續利用中扮演著重要角色,東部大型城市水資源可持續利用程度指數普遍較高,全國范圍呈現大型城市>特大型城市>超大型城市>中小型城市。城市發展一定程度上有助于水資源可持續利用,但發展規模過大可能會造成用水高產而護水低效的現象。在我國快速城市化背景下,未來城市水資源利用與保護需考慮到此點。

4.2 建議

針對上述結論,對城市水資源可持續利用改善提出以下建議：

(1)遵循水資源可持續利用的內在機理,實行水資源循環經濟發展模式。以城市水資源生態本底為基礎,科學配置水資源開發上限,需擺脫一味追求用水經濟效益的提高而忽略水體水質保護的慣性發展思維,根據城市發展階段從節水與護水角度逐步實現清潔生產工藝的全面推廣以及高耗高污技術的及時淘汰機制；同時,應考慮大規模循環利用非常規水資源,如擴大處理中水、雨水回用的規模,并在沿海城市逐步推廣海水利用,使其用途不在局限于工業冷卻,拓展上述非常規水資源在城市農業與生活用水方面的應用,方能有效減少對城市區域有限淡水資源的開發,實現多源取水,分質供水,同時能減少城市發展對地區水體納污承載力的壓力。

(2)倡議特大型及以上城市地區適時建立灰水足跡核算及管理體系,水資源利用管理不在局限于凸顯技術效率與經濟效益為主的常規考核統計指標,需更多考慮及納入水環境影響因素,灰水足跡概念及其衍生指標可提供較好的管理抓手,可通過深化污染源普查及水體污染濃度本底調查完善城市灰水足跡核算。城市用水需由強調水資源利用量的效率提升為主轉變為水資源利用量質并重、以質為先的可持續利用策略,從而促進全國實現聯合國2030年可持續發展議程中水資源可持續管理的目標。