基于水劣化足迹的城市发展的水环境效应评价

基于水劣化足迹的城市发展的水环境效应评价-以北京市为例
1 引言
水是人类生存和发展所必需的不可替代资源之一, 也是维持生态系统平衡的必备要素.随着人类社会经济的发展, 水资源短缺和水污染问题已经成为全球范围可持续发展的关键制约因素, 我国的水资源、水环境矛盾更是尤为严重.因此, 水资源环境相关评价与管理越来越受到重视, 成为研究者和决策者关注的重要领域.已有的水资源评价主要有两类, 一类是从水资源量的角度, 对区域水资源稀缺程度、水资源压力和水资源承载力进行评价, 通过将水资源指标与社会经济型指标结合, 评价人类活动对水资源量的影响.一类是从水环境污染的角度, 以一种或一类重点污染物作为研究对象, 对区域河流或湖泊的水污染程度进行评价.此外, 随着水质问题日益突出, 针对水质或水质-水量耦合的水资源评价成为一个重要发展方向.夏军等建了水质-水量联合的评价方法, 基于我国地表水标准中划分的五种水质类型, 分析了评价区域内每种水质类型的水资源数量.夏星辉等(提出了水资源功能容量(亏缺)、水环境功能容量(亏缺)的概念, 对黄河流域水资源进行了水质水量综合评价.
水足迹评价是水资源环境评价的一种主要工具.Hoekstra 最初提出了水足迹的概念, 随后在世界范围内得到了广泛的应用.我国学者也在水足迹理论框架下展开了许多水资源评价研究, 如基于水足迹的水资源短缺评价、水资源安全评价和水资源可持续利用评等.在水量-水质联合评价方面, 曾昭等基于灰水足迹评价理论, 提出通过计算区域灰水足迹, 从宏观角度对区域水量-水质关系进行定量化评价.
水足迹评价是一种基于生命周期的评价(Life Cycle Assessment, LCA), 且其评价框架和方法也在不断完善和进步.Ridoutt等出了基于LCA的产品水足迹评价方法, 徐长春等首次采用该方法计算了我国小麦生产的水足迹, 并指出基于LCA的水足迹评价能够体现区域特性, 便于不同区域产品之间水足迹的比较.2014年, 国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)提出了基于生命周期视角的水足迹标准
ISO14046(ISO, 2014), 对水足迹评价的原则、要求和评价方法做了统一的界定.该标准将水足迹定义为“与水相关潜在环境影响的指标”, 并将产品、过程或组织与水可利用性相关的潜在环境影响定义为水可用性足迹(water availability footprint), 将与水质相关的潜在环境影响的指标定义为水劣化足迹(water degradation footprint).标准认为水足迹评价可以作为生命周期评价的一部分, 因此, 在水足迹影响评价阶段, 其参考生命周期影响评价中划分的影响类型, 将水劣化足迹分为水体富营养化足迹(water eutrophication footprint)、水体酸化足迹(water acidification footprint)、水体生态毒性足迹(water ecotoxicity footprint)等类型, 在具体研究中可以选择代表性的影响类型进行评价.
水劣化足迹评价是水足迹评价的重要组成部分.与一般的水质评价(确定水质类型或测定某一污染物的污染程度)不同, 水劣化足迹考虑不同的影响类型, 能够更加全面地评估污染物排放对水质劣化的影响.ISO14046并未规定水劣化足迹的评价方法, 而提倡在具体研
究中根据评价目标及评价区域的实际情况, 选择相应的评价方法.水足迹评价框架与基于评价区域的水劣化足迹评价方法的集合, 既能够对关键问题、关键影响类型的把握, 又有利于评价方法和结果更加符合评价区域实际情况, 为区域水环境效应评价提供了新思路.
北京是一座快速发展中的城市, 城市发展对水环境也产生了巨大的影响.事实上, 在城市发展过程中, 北京市始终面临着严峻的水资源与水环境问题.一方面, 水资源短缺问题严重, 人均水资源量远低于全国平均水平和水资源短缺限值;另一方面, 城市水体水质恶化, 特别是城市水库、湖泊的富营养化、大气湿沉降污染及雨水径流污染问题也持续存在(荆卫红等, 2012).近年来, 城市水资源管理和水环境保护问题一直是北京市政府工作计划中的重点内容.2014年南水北调中线开通后, 北京市将开始接纳年均约10×108 m3的外调水, 水资源短缺问题得到一定程度的缓解.但其水环境问题尚未得到根本改善, 水环境污染形势依然严峻.水劣化足迹评价能够有效评估当前污染物排放的水质劣化效应、识别该效应的关键影响因素, 对于水质劣化问题控制、水质劣化污染物的有效管理有重要意义.
2 评价方法
本研究参考ISO14046提出的水劣化足迹评价框架方法, 对北京市污染物排放的水质劣化影响进行评价.考虑到北京市水体质量存在的主要问题为水体富营养化和酸化及重金属污染, 主要对水体酸化足迹、水体富营养化以及生态毒性足迹进行评价.评价方法如下.
2.1 水酸化足迹
水酸化足迹即为污染物排放对水体酸化的影响, 考虑污染物释放H+的能力(即酸化潜力, 以单位二氧化硫的酸化潜力为当量1)以及污染物排放量, 则水酸化足迹计算方式如公式(1)所示.
(1)
式中, WFai水酸化足迹(kg SO2 eq);APi为污染物i的酸化潜力系数, 按照SO2进行计算;Mai为污染物i的质量(kg).
2.2 水体富营养化足迹
水体富营养化足迹是指污染物产生的水体富营养化效应.考虑污染物在水体中生成物质的能力(即为富营养化潜力, 以硝酸根离子的营养化潜力为当量1)以及污染物排放的质量, 折算为硝酸根离子当量, 即为水体富营养化足迹(公式(2)).
(2)
式中, WFe为水体富营养化足迹, 单位为千克硝酸根离子当量(kg NO3- eq);NPi为污染物i的营养化潜力系数, 按NO3-当量计算;Mei为污染物i的质量(kg).
2.3 水体生态毒性足迹
污染物排放引起的水体生态毒性污染的水量即为水体生态毒性足迹, 计算方法如公式(3)所示.
(3)
式中, WFet为水体生态毒性足迹(m3 H2O eq);ECAi为污染物的水体生态毒性分类因子(即单位污染物造成水体生态毒性污染的水的体积);Mei为污染物i的质量(kg).
本研究的数据主要来源为《北京市统计年鉴2005-2014》, 部分数据参考《北京市水资源公报2004-2013》以及国家统计局网站.研究中所需污染物的特征因子(酸化潜力、富营养化潜力系数以及生态毒性分类因子)参考文献, 如表 1所示.
表 1 部分水劣化足迹污染物的特征因子
3 评价结果
3.1 水体酸化足迹
以工业二氧化硫和生活二氧化硫为主要污染物, 计算了2004-2013年北京市的水体酸化足迹.结果如图 1所示.
图 1北京市2004-2013年水酸化足迹
2004-2013年, 北京市水酸化足迹逐年降低, 由2004年的19.1×107 kg SO2 eq到2013年降低为8.7×107 kg SO2 eq, 减少了约54.5%.2004-2008年变化速率较快, 之后变化速率有所减缓.从其组成变化来看, 工业水酸化足迹所占比重较大, 生活水酸化足迹比重较小且仍在减少.说明工业和生活二氧化硫的排放量均有所减少, 但生活二氧化硫排放量减少的速度较工业二氧化硫更快.
3.2 水体富营养化足迹
以氨氮作为水体富营养化的特征污染物, 对水体富营养化足迹的评价结果显示(图 2), 其中2004-2009年及2010-2013年两个时间段内, 北京市水体富营养化足迹分别呈总体减少的趋势, 但后者绝对值总体高于前者.2004-2013年, 水体富营养化足迹从6.2×107减少到4.7×107 kg NO3- eq, 减少了约24.2%.第2时间阶段内降低了0.8×107 kg NO3- eq, 减少了10%.
图 2北京市2004-2013年水体富营养化足迹
水体富营养化的阶段性变化这主要是由于采用的数据统计口径发生了变化, 因此水足迹核算结果呈现出跳跃性变化的现象.但在从两个时间段内来看, 数据统计口径一致的情况下, 水足迹的变化均呈逐渐减少的趋势.
基于2011-2013年新增的污染物排放数据, 对北京市水体富营养化足迹进行了评价.其中, 水体富营养化足迹的特征污染物分别为氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP), 核算结果如图 3所示.
图 3北京市2011-2013年水体富营养化足迹
结果显示, 2011-2013年, 基于氨氮、总氮和总磷的水体富营养化足迹总体有所减少, 由2011年的29.1×107 kg NO3- eq降低为2013年的26.7×107 kg NO3- eq.从其组成来看, 对水体富营养化足迹贡献最大的是总磷, 其3年均值为12.2×107 kg NO3- eq, 约为总氮的1.5倍, 氨氮的1.6倍.其次是总氮, 约为氨氮的1.12倍.氨氮最小, 3年均值为7.5×107 kg NO3- eq.
3.3 水体生态毒性足迹
选取铅(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)、镉(Cd)、砷(As)共5种重金属污染物作为水体生态毒性的主要污染物, 对北京市2011-2013年水体生态毒性足迹进行了核算, 结果图 4所示.
图 4北京市2004-2013年水体(重金属)生态毒性足迹
结果显示, 2011-2013年, 重金属的水体生态毒性足迹略有增加, 水体生态毒性足迹从4234×106增加到4653×106 m3 H2O eq.从组成来看, Cd排放对于水体生态毒性的贡献最大, 占总体水体生态毒性足迹的50%以上, 而As的贡献最小, 占比小于1%.
4 水劣化足迹与城市发展的关系分析(Correlation between water degradation footprints and urban development indices)
城市的发展是人口、产业结构、社会文化等多因素协同变化的过程, 而这些因素的变化对污染物排放及其对水质的影响有十分重要的影响.考虑到水体富营养化和酸化的污染特征, 选取常住人口数量、第二、三产业产值比重以及农业化肥用量4个指标(数据如表 2所示), 对城市发展过程的水质劣化效应进行相关性分析和讨论.
表 2 2004-2013年北京市人口、第二、三产业产值比重以及农业化肥施用量
为了定量分析水劣化足迹与所选城市发展指标之间的相关关系, 运用SPSS数据分析软件, 分别对水体酸化足迹、水体富营养化足迹及以上4个指标进行相关性分析.其中由于水体富营养化足迹的跳跃性变化, 相关性分析也分别针对两个阶段展开, 分析结果如表 3所示.
表 3 水劣化足迹与城市发展指标的相关性系数
结果显示, 水酸化足迹与常住人口数量、第二、三产业产值比重以及化肥施用量都存在高度的相关性(p>0.8).其中, 水酸化足迹与常住人口数量及第三产业比重呈负相关, 与第二产业比重及化肥施用量呈正相关.2004-2013年, 北京市常住人口数量及第三产业产值比重明显增加, 而第二产业产值比重及化肥施用量总体有所减少, 水体酸化足迹有所减少.
水体富营养化足迹也与城市发展指标呈现较为显著地相关性.水体富营养化足迹分别与常住人口数量及第三产业产值比重呈负相关, 与第二产业产值比重呈正相关.根据相关关系分析, 对于第1阶段, 常住人口增加以及第三产业产值比重增加, 则水体富营养化足迹减少.而第二产业产值比重以及化肥施用量减少, 同样水体富营养化足迹减少.第2阶段中城市发展指标变化与第一阶段相同, 因此这一阶段的水体富营养化足迹也相应减少.相关性分析结果与水足迹评价结果(图 2)一致.
结合北京市水劣化足迹评价结果进行分析, 可以发现, 虽然常住人口总量持续增加, 但增长速度有所放缓, 结合图 1也可发现生活水酸化足迹所占比重有所减少, 说明常住人口增速减缓对于水体酸化足迹及水体富营养化足迹的改善有积极作用.其次, 产业结构的调整有利于二氧化硫以及氮磷污染物排放量的减少, 因而有利于水酸化及富营养化效应的改善.再者, 农业化肥用量的减少直接关系到氮磷污染物及其它酸性污染物排放量的减少, 有利于水体酸化和水体富营养化的改善.相关性分析得出的水劣化足迹变化趋势与水劣化足迹评价结果一致, 说明所选城市发展指标与两种类型的水劣化足迹相关关系分析结果较为可靠.由此可以说明, 可以通过控制人口数量的增加, 对生活污水、二氧化硫以及氮磷污染物的排放量进行控制;通过调整产业结构, 推行清洁生产技术以减少工业污染物的排放, 以及合理控制化肥施用量, 减少化肥滥用带来的土壤及水体污染, 实现对污染物排放的水体酸化和富营养化效应进行改善.
5 结论
1)2004-2013年, 北京市水酸化效应总体有所改善, 水酸化足迹由2004年的19.1×107 kg SO2 eq降低为2013年的8.7×107 kg SO2 eq, 减少了54.5%.生活水酸化足迹的比重较小且在不断变小.
2)2004-2009年和2010-2013年两个时间段内, 北京市水体富营养化足迹均呈逐渐降低的变化趋势.第一个时间段(2004-2009年)内, 水体富营养化足迹由6.22 kg NO3- eq降低为4.73 kg NO3- eq, 减少了约24.0%;第2阶段(2010-2013年)总体减少了10.0%, 变化速率有所减缓且水体富营养化绝对量总体高于前一时间段.水体富营养化足迹“跳跃式”变化的主要原因为统计口径的变化.基于2011到2013年新增数据计算的水体富营养化足迹整体有所减少, 由2011年的29.1×107 kg NO3- eq降低为2013年的26.7×107 kg NO3- eq.从其组成来看, 对水体富营养化足迹贡献最大的是总磷.
3)2011-2013年, 北京市水体生态毒性足迹呈现总体先增加后减少的趋势, 但变化幅
度不大, 基本在4500×106 m3 H2O eq上下范围内浮动.从其组成来看, 贡献最大的是镉, 最小的是砷.可见, 对镉排放量的控制是改善重金属的水体生态毒性的关键环节.
4)2004-2013年, 水体酸化足迹及水体富营养化足迹与常住人口数量及第三产业产值
比重均呈负相关, 与第二产业产值比重及化肥施用量呈正相关.在此期间, 北京市常住人口数量及第三产业产值增加, 第二产业产值及化肥施用量总体有所减少, 水体酸化及富营养化足迹减少.可见相关关系分析结果与水劣化足迹评价结果一致, 说明其分析结果具有参考性.
5)人口数量增速减缓、产业结构调整(第二产业向第三产业转化)以及农业化肥用量的减少, 对于水劣化足迹的改善有积极作用.具体参见污水宝商城资料或
更多相关技术文档。

6 展望
基于ISO14046的水足迹评价框架, 采用生命周期的评价方法对区域水劣化足迹进行评价, 是区域水质劣化定量评估的新思路, 对于评价区域污染物的水质劣化效应、辨识水质劣化的关键因素具有重要意义.但其应用和研究尚处于起步阶段, 其核算方法还存在一定的不足之处.例如, 评价过程对数据质量有较高的要求, 而长时间序列的污染物排放数据较难获取.因此，核算过程主要基于统计数据, 其结果将受到统计方法、口径、时间序列等因素的局限.限于数据的一致性, 水劣化足迹的评价结果尚存在局限性, 但在数据统计口径一致的情况下, 其变化趋势能够较为客观地描述污染物排放的水环境效应.另一方面, 在水劣化足迹评价中, 污染物的特征因子是国际研究的结果, 其对我国区域评价可能具有一定的误差.在后续的研究中, 需要根据评价区域建立相应的系数体系, 以更加准确地刻画区域污染物排放的水质劣化效应.。