面向水資源可持續利用的綜合水足跡評價方法

陳 莎，呂 鶴，李素梅，劉影影，張雅娜，王宏濤，宋向東

(1.北京工業大學環境科學系,北京 100124； 2.中國質量認證中心,北京 100070)

水資源全球分布不均，加之人口增長、氣候變化等因素，世界許多地區水資源短缺問題愈發嚴重[1]。農業種植、工業生產和人類生活對水資源需求的不斷增加不僅加劇了水量的短缺，而且造成了水質不斷惡化。水污染對未來水資源的供應可能會產生巨大威脅[2]。水資源短缺和水污染已成為全球水資源可持續利用面臨的主要挑戰[3]。為實現水資源的可持續利用，保障經濟與社會的可持續發展，制定一個完善的評價方法和指標體系來評估水資源消耗、水質污染和水資源的可持續性尤為重要。

2002年Hoekstra[4]在虛擬水理論基礎上提出了水足跡概念。水足跡指任何已知人口(國家、地區或個人)在一定時間內消耗的所有產品和服務所需要的水資源數量，是衡量水消耗和水污染的綜合指標。區別于以往水資源以取水量研究為核心，水足跡不僅確定了消費者或生產者的直接用水，也確定了間接用水；既可應用于微觀產品水平，也可用于流域、地區或國家等宏觀區域水平。水足跡揭開了水資源與產品生產和消費之間的聯系，這一概念應用范圍的廣泛性和研究角度的開放性使其擁有良好的開發與改進空間。隨后水足跡網絡(water footprint network， WFN)開發了以量化供應鏈中直接用水與間接用水為基礎，以評價水資源可持續利用為目標的水足跡評價(water footprint assessment， WFA)[5]。

隨著水足跡研究與應用的不斷深入，基于生命周期評價(life cycle assessment， LCA)的研究方法被提出并完善[6]。基于生命周期評價的水足跡評價(LCA-WFA)考慮了一系列與水相關的潛在環境影響，采用傳統LCA模型評估水質影響，并不斷開發針對水量影響的評價模型[7]。經過多年發展，國際標準化組織于2014年制定了LCA-WFA國際標準ISO 14046，該準則提出了評價水消耗與污染的要求。隨后，對關于如何應用該標準又建立了補充說明性文件ISO/TR 14073，包括水足跡評價在不同產品中的應用性舉例，且每年進行更新說明。生命周期用水評價小組(WULCA)之后基于剩余可用水量建立了更加符合水文意義的AWARE模型，并推薦與生命周期相關的研究采用該協商一致的模型以解決多種模型間量化結果不具備可比性的問題[8]。

在WFN-WFA(基于水足跡網絡的水足跡評價)和LCA-WFA兩種評價方法中，水足跡代表不同的含義。在WFN-WFA中，水足跡以水資源管理為重點，主要目標是促進流域內水資源的公平和可持續使用，以耗水體積為指標；而LCA-WFA主要目標是通過量化水資源使用過程中產生的潛在環境影響，從而優化產品，尋求降低影響改進產品系統的新技術，以環境影響為指標。WFN-WFA和LCA-WFA的評價方法局限于單一評價體系內開展，忽略了可持續水資源管理中的一些問題。但二者的根本目標都是保護水資源，實現水資源的可持續利用，是在形式上遵循特定步驟、內容相互補充的兩種評價模式。兩種評價方法都認為應該從供應鏈或生命周期的角度開展水足跡評價[9]。根本目標的一致性和量化方法的互補性，使綜合兩種評價方法成為可能。黃凱等[10]對水足跡定量核算的模型與方法進行了比較，闡述了水足跡理論的應用進展。劉靜等[11]為實現水資源可持續利用，在明晰中國藍水足跡和灰水足跡空間分布規律的基礎上，提出了涵蓋水量和水質的水資源壓力指數計算方法，并對中國各省級行政區水資源壓力狀況進行了評價。孫克等[12]采用引力模型構建了中國省域灰水足跡的空間關聯網絡，應用社會網絡分析法，對省域水污染的空間關聯網絡結構特征及其效應進行了分析。任曉晶等[13]以乳制品企業為例，探索了WFN-WFA和LCA-WFA在實際應用中的優缺點和適用范圍。陳巖等[14]運用灰水足跡效率測算模型對淮河流域35個地級市的農業灰水足跡效率進行了測度和時空分布研究。韓宇平等[15]為量化冬小麥對水資源的消耗、合理利用區域水資源，基于彭曼公式、日尺度土壤水量平衡與通徑分析法核算了1958—2016年海河流域冬小麥水足跡，分析了氣象、農業生產投入因素對冬小麥水足跡的直接和間接影響。劉靜等[16]在量化江蘇省農業生產水足跡、消費水足跡及虛擬水流動基礎上，分析了與水資源消耗相關的環境影響，以及對人類健康、生態質量及資源的影響。這些研究凸顯了不同方法在解決適當問題時的優勢。綜合使用水足跡評價方法能為決策者提供互補的管理決策，有助于更加全面的水資源保護措施的制定。

目前綜合使用兩種方法開展的水足跡研究多面向產品且以對比結果為主，沒有明確針對水資源可持續利用的水足跡評價方法。本文分析WFN-WFA和LCA-WFA兩種方法各階段的重點，明確不同方法對水資源可持續管理的作用，并建立綜合水足跡評價框架，確定綜合評價步驟，給出量化方法和評價指標適用范圍，最后綜合分析該評價方法的應用前景。

1 WFN-WFA和LCA-WFA的比較

有關WFN-WFA和LCA-WFA的比較見表1。通過比較，發現兩種評價體系在結構與內容上有很多相似之處。二者起始階段都以定量核算產品或單元過程耗水量為開端。LCA-WFA通過量化產品內部單元流程耗水量產生的環境影響向微觀層面開展研究，為優化產品系統提供決策信息；WFN-WFA通過將量化的產品耗水量應用于區域等水文地理級別向宏觀層面開展研究，為流域內水資源管理提供決策信息。LCA-WFA從生命周期角度強調了產品與產品間的聯系，生產某一產品消耗的直接用水相對于其他產品是間接用水；WFN-WFA從供應鏈角度強調了產品在區域間的聯系，一地區生產商品消耗的實體水相對于其他區域為虛擬水。以產品為核心，行業間不同產品的間接用水與地區間的虛擬水轉移使產品、行業和區域成為一個整體嵌套系統。說明兩種方法在目標與范圍的確定上是有機統一的，不同方法可以根據目標的不同在整個系統中劃定系統邊界，然后開展微觀層面或宏觀層面的水足跡評價。

表1 WFN-WFA和LCA-WFA各階段內容比較

兩種方法的不同主要是步驟二中衡量水消耗與污染程度的術語和步驟三中如何使用量化后的耗水量。WFN-WFA采用根據水文學和相對簡化的水資源循環模式為基礎創立的三色水足跡開展評價，以實體水量直觀反應水資源消耗與污染程度，使公眾意識到水資源在生活中的重要性，有助于生產部門與決策者之間進行積極溝通。而LCA-WFA采用符合水文規律和原則的術語以加權的方法開展評價，致力于建立各組織間通用一致的評價體系。

在水資源量化階段，早期WFN-WFA中藍水足跡未考慮水資源類型，以總量反映用水情況[17]。然而不同來源的藍水足跡對環境會產生不同的潛在影響[18]。隨后采用WFN-WFA方法的研究也開始對不同組分的藍水加以區分[19]。LCA-WFA在影響評價階段大多采用基于長期平均數據的影響因子量化水資源稀缺性[20]。而在量化農產品種植過程中的耗水量時，由于農業年用水總量取決于氣候和作物類型，二者又受時間與地理位置影響，因此不考慮季節、降水量的變化將掩蓋不同時間段高耗水量與低耗水量對淡水資源影響產生的差異，降低評價結果的實用性。而WFN-WFA通過在水資源量化階段納入時空差異分析，采用高時空分辨率的月度耗水量開展評價，能夠在很大程度上降低平均值帶來的影響。水足跡量化與影響評價之間的時空一致性至關重要，為此LCA方法在制定淡水稀缺性影響因子時也采用了耗水量與可用性之比，同時將時間、空間的變化作為考量因素之一。LCA方法也采用綠水足跡概念，量化綠水在土壤與大氣層上的變化對生態系統和自然資源的影響。

部分學者認為，WFN-WFA忽略了水消耗對水資源和生態系統的潛在影響。雖然采用WFN-WFA方法開展的水足跡研究大多停留在水足跡核算階段，但量化得到的三色水足跡能夠很好地應用于產品或區域級的水量評價，這在LCA方法中沒有得到足夠重視。Hoekstra[21]也指出雖然WFN提出的方法具有很好的兼容性，然而試圖用一種方法解決水資源中的所有問題是不切實際的，因為不同角度的水足跡研究關注不同的問題。不同的方法應放入適當領域展開討論與研究，這樣才能揚長避短，發揮出實際價值。此外，水量評價與影響評價存在共性，都受效率思維模式影響。在解決水資源短缺問題上，水量評價強調直接減少用水量，影響評價同樣通過減少資源消耗量間接達到降低環境影響的目的。這兩種評價方法對水資源管理同樣重要，如一種高耗水量的產品不能因為在當地耗水產生的環境影響較低就不對其開展水資源管理。水量評價能為提升產品或區域水效率提出建議，因此水量評價也應是水資源可持續利用綜合評價中的重要一環，實施者應綜合兩種評價結果以制定更加合理的響應方案。

當前水資源可持續評價方法不夠完善，缺乏足夠的信息來支持政策分析。而水資源的可持續利用已經成為區域發展與企業生產的重要制約因素，單一水足跡評價方法不足以為制定水資源可持續利用方案提供全面的建議。如今人們雖然認識到了水資源的稀缺性，但很多地區仍然堅持把水資源當作是豐富的公共資源來使用。若決策繼續以經濟為導向而忽視環境污染與資源耗竭，將導致嚴重的生態危機。從供應鏈角度出發考量水資源在國家或地區間的聯系，能在宏觀上拓展傳統水資源管理模式，因此將水的影響納入優化區域或全球供應鏈的決策建議中是必要的。

2 綜合水足跡評價方法

2.1 框架的建立

水資源可持續利用應同時考慮水量、水質與效益，為此筆者在以上對比分析WFN-WFA和LCA-WFA的基礎上，結合二者優點建立了面向水資源可持續利用的綜合水足跡評價(sustainable use of water resources-water footprint assessment， SUWR-WFA)框架如圖1所示。該方法前兩個階段為目標和范圍的確定和清單分析，與WFN-WFA和LCA-WFA前兩個階段類似，但是有著不同的層面區分；評價階段包括水量評價、影響評價和可持續評價3個模塊，最終根據3種不同評價結果提出綜合決策意見。

圖1 面向水資源可持續利用的綜合水足跡評價框架

2.2 目標與范圍的確定

面向水資源可持續利用的綜合水足跡評價方法的目標與范圍以產品為核心，逐步擴展至區域，分為微觀和宏觀兩個層面。評價范圍包含單元過程、產品、行業和區域。在開展相應評價時將區域與產品看作一個有機的整體。研究目標涉及評價耗水量、環境影響和水資源的可持續性。根據目標確定受眾群體(包括直接生產者、上游供應鏈參與者和消費者)，依此確定最終系統邊界與功能單元。劃分地理邊界的原則遵循文獻[5]，產品系統邊界與功能單元的的確定遵循ISO 14046中的相應規則。

2.3 清單分析

清單分析主要任務是量化淡水資源的消耗量和污染物排放量。現階段已經發展出多種水足跡量化方法，主要分為自下而上和自上而下兩類。方法的選擇主要依據研究問題的性質、水文系統的復雜性、量化范圍等。對于以產品為核心的SUWR-WFA，量化產品耗水量為該階段的第一步。同時對于不同的方法或模型來說，底層數據的質量至關重要，因此采用自下而上的量化方法。清單分析遵循LCA方法中的原則，農業上通過結合作物水文模型量化耗水量，工業上則采用分布積累法開展水足跡量化工作。由于評價方法中的不同評價模塊對數據信息要求不同，因此該階段水足跡清單應該包括用水量、用水形式、水資源類型、地理位置以及時間變異性。為了使量化結果更加準確且有意義地應用于不同評價模塊，本方法在該階段采用WFN-WFA中的水足跡概念，但重新確定了該階段所需量化的水足跡。

WFN-WFA中水足跡量化階段以藍水、綠水和灰水簡單相加后的數據提供最終結果，但這一過程存在很大爭議，且缺乏合理性。首先這一過程忽略了三者之間機會成本與環境影響不同的這一事實；其次藍(綠)水與灰水性質不同，前兩者是實際消耗的水量，而灰水是根據假設模型推算得到的潛在耗水量，有很強的主觀因素；最后在水足跡可持續評價中并沒有應用這一結果，而是采用不同的指標針對三色水足跡分別開展評價研究，這造成量化階段與評價階段缺少關聯性。因此在SUWR-WFA中清單分析階段放棄加和這一步，只核算藍水、綠水足跡以及相關的污染物排放量，以便量化結果直接關聯3類評價，增強方法框架完整性。此外灰水足跡應用稀釋體積法，類似于以體積核算為基礎，以消耗的清潔水量來表征污染物造成的環境影響。本文采用與Lovarelli等[22]相同的做法，將其與LCA方法中的水污染中點評價指標平行使用，納入影響評價階段，以全面反映水資源污染程度。

2.4 水量評價

SUWR-WFA中水量評價直接使用清單數據，從生產者、消費者和貿易3種不同角度評價產品、行業或特定地理區域的相關用水效率。從生產者角度可以評價產品系統用水效率，通過與現有最佳技術比較以確定提升用水效率的相應改善措施[23]。從消費者角度來看，用水效率采用傳統體積單位衡量個人消耗產品中包含的淡水資源總量的方式使其易被公眾理解并接受[24]。通過提高公眾認知，促進消費者選擇低耗水量產品。從貿易角度評價產品生產在區域上的整體用水效率，這將各個國家或地區聯系起來，通過在產品生產的上游供應鏈中選擇耗水量更低的原材料以達到各個區域共同提升用水效率[25]。該評價模塊只使用藍水與綠水足跡，不考慮灰水足跡。水量評價結果直觀，模型操作簡單，能從生產者與消費者雙向考慮二者對提升用水效率的作用。

2.5 影響評價

SUWR-WFA中該評價模塊同時涵蓋水量影響評價和水質影響評價。水量影響評價方面選擇LCA-WFA中的水資源稀缺性評價指標；水質影響評價指標則分為兩部分，包括LCA-WFA中的水污染評價指標和WFN-WFA中的灰水足跡。其中基于LCA方法的影響指標采用Jolliet等[26]在最新的環境生命周期影響評價指標全球指南中以終端損害為導向的對應人體健康、生態系統質量、自然資源3方面的相應中點指標。水量影響評價包括基于取水與可用性的水資源壓力指數(water stress index, WSI)和基于消耗與可用性的AWARE(available water remaining)。已有研究表明WSI和AWARE應用于實例研究中時，系統邊界內部各階段對潛在影響的貢獻具有相似的排名[27]。作為傳統水資源稀缺性評價指標，WSI已有大量研究，擁有數據基礎；而AWARE更加符合水文意義，但作為全新方法,其實例研究相對較少。因此水量影響評價同時采用WSI和AWARE能提高評價結果的準確性。

水質影響評價包括灰水足跡評價，因為其描述了水體吸收污染負荷所需的水量，以耗水量衡量污染最嚴重的物質給水資源帶來的影響。《水足跡評價手冊》建議采用3層方法量化灰水足跡[10]，規則指出第一層方法簡單地使用現有數據，不能描述一種化學物質從土壤表面到地表水或地下水的不同途徑，以及不同化學物質之間的相互作用和轉化，強調量化結果僅為粗略估計。同時Franke等[28]指出現階段灰水足跡研究一直基于第一層的方法，且一段時間內在企業和政府的實際應用中情況仍會如此。采用灰水足跡能夠直觀反映水污染的總體情況。水質影響評價指標也包括LCA-WFA中的水污染評價指標，這彌補了灰水足跡評價結果準確性較低的不足。通過這類中點指標能夠量化不同污染物產生的環境影響。因此在水質影響評價中同時使用灰水足跡和LCA方法中水污染評價指標，能夠更全面地反映主要污染物所造成的水污染程度，更清楚地顯示水污染狀況。模型的選擇上灰水足跡采用《水足跡評價手冊》中第一層模型；水質影響評價指標則包括4類中點指標：淡水富營養化、淡水生態毒性、水體酸化和人體毒性。

2.6 可持續性評價

可持續性評價定位在區域水平，通過對比系統邊界內藍(綠)(灰)水足跡與區域內可利用水資源總量確定水資源是否可持續，為提高區域內水資源公平分配和可持續利用提出進一步的改善措施。資源型缺水針對藍水足跡和綠水足跡分別開展評價，水質型缺水采用灰水足跡開展評價。藍(綠)(灰)水足跡總量等于區域內所有生產生活消耗的藍(綠)水足跡與產生的灰水足跡。特定時間段內可利用藍水資源量等于自然凈流量減去環境流需求量；可利用綠水資源量為土地中來自降水的蒸散發總量減去該地區自然植被的蒸散量和土地產生的蒸散量中未利用于植物生產的部分；可利用的納污水資源總量等于流域實際徑流量。

SUWR-WFA中可持續性評價強調供需關系在水資源管理中的作用，區域內所有參與者應共同削減水資源使用量。可持續評價結果將推動研究范圍內不同群體采取不同措施：生產者提高自身用水效率，工業部門選擇更加節水的生產技術，農業部門采用更高效的灌溉技術。決策者可以制定政策，在滿足區域綠水資源可持續的情況下，促使農業生產者種植保持作物多樣性和經濟價值的作物以更換現有的作物來節約水資源。消費者提升節水意識、改善飲食和生活習慣，選用更低耗水量的產品。此外，可持續性評價提升了水資源管理的層次，使水資源的可持續利用改進措施不僅局限于產品本身。雖然與水相關的影響是局部的，需要在產品、流域水平量化，但也能在全球水平解決區域性問題。產品對環境的總體影響中有很大一部分通常歸因于上游過程，供應鏈中上游和下游相關利益者應共同參與解決水資源短缺問題。因此，企業可以在戰略決策層面選擇用水效率高的供應商，降低產品中虛擬水含量，從而提高企業自身的運營用水效率。

2.7 制定綜合決策意見

制定綜合決策意見旨在為水資源可持續利用提供更全面的建議。通過整合3類評價模塊可從不同的角度為制定決策提供參考。水量評價為降低產品直接耗水量，影響評價為優化整個產品系統，可持續性評價促進區域內所有關聯者進行水資源的公平分配。同時考慮水足跡的水量評價與影響評價，能夠幫助實施者在微觀層面為產品制定決策時更好地權衡水量與影響之間的關系，避免結果不夠全面而對決策者產生誤導。在此基礎上引入宏觀層面的可持續性評價，能夠使決策目標統一、方向一致，避免微觀戰術措施與宏觀戰略決策出現分歧，最終通過開展微觀和宏觀層面的多維決策形成一套全面的水資源管理綜合決策意見。再根據意見返回階段三，提出針對不同評價模塊的改進方案，實現水資源的可持續利用。

3 結 語

根據決策過程的自然層次，提出了一套新的水資源可持續利用評價方法。該方法從水量和水質兩方面進行整體分析，采用3個評價模塊，最后權衡3類評價結果制定涵蓋微觀層面和宏觀層面的多維決策。SUWR-WFA為制定區域水資源可持續利用整體方案提供了理論基礎，在實際應用中能在用水效率提升、水污染防治和用水總量控制方面制定合理的解決方案。