考慮時(shí)間維度的灰水足跡核算與評(píng)價(jià)
——以渾河大伙房水庫(kù)上游段為例

　，，

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院， 沈陽(yáng)　110866)

灰水足跡的概念由Hoekstra等[1]于2008年首次提出，經(jīng)過(guò)水足跡網(wǎng)絡(luò)(Water Footprint Network)灰水足跡工作小組的不斷完善，將其定義為以自然本底濃度和現(xiàn)有的水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，吸收一定的污染物負(fù)荷所需的淡水水量。在流域尺度下灰水足跡的研究中，傳統(tǒng)的方法對(duì)時(shí)間段的劃分不夠科學(xué)，多基于年際水平，而我國(guó)水資源在時(shí)間上分布不均，導(dǎo)致水質(zhì)在枯水期、平水期、豐水期存在較大差異，傳統(tǒng)方法會(huì)影響灰水足跡評(píng)價(jià)的詳細(xì)程度，不能全面地反映年內(nèi)水質(zhì)的實(shí)際情況。因此，本文選用更高時(shí)間分辨率對(duì)灰水足跡進(jìn)行核算與評(píng)價(jià)，提高研究的實(shí)際意義。以渾河大伙房水庫(kù)上游流域?yàn)槔?，依?jù)2004—2012年水庫(kù)上游污染物排放量以及來(lái)水量等數(shù)據(jù)，采用本文提出的方法，核算該流域灰水足跡，并對(duì)其可持續(xù)性作出評(píng)價(jià)，結(jié)合流域的水質(zhì)情況，進(jìn)行實(shí)證分析。

1　傳統(tǒng)灰水足跡及存在的問(wèn)題

1.1　基本理論

傳統(tǒng)流域尺度下灰水足跡的研究中，對(duì)年際水平下的灰水足跡和水污染程度值進(jìn)行核算，基于年際水平進(jìn)行灰水足跡的可持續(xù)性評(píng)價(jià)。根據(jù)Hoekstra等著的《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》[1]，流域灰水足跡的計(jì)算方法為

WFgrey=max{WFgrey1,WFgrey2,…,WFgreym} 。(1)

其中,

式中：WFgrey為灰水足跡(m3/a)；WFgreyi為第i種污染物的灰水足跡(m3/a)；Li為第i種污染物的排放量(kg)；Ci-max為水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)允許的第i種污染物的最大濃度(kg/m3)；Ci-nat為第i種污染物在受納水體中的初始濃度(kg/m3)，一般以0計(jì)入[2-3]。

根據(jù)灰水足跡的環(huán)境可持續(xù)性研究[1]，流域灰水足跡的可持續(xù)性取決于流域中可容納污染物的徑流大小。若一個(gè)流域一定時(shí)間內(nèi)環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)得不到滿(mǎn)足，即污染物的量消耗掉水體所有的納污能力，便產(chǎn)生了灰水足跡的熱點(diǎn)地區(qū)。

流域內(nèi)水污染程度(Water Pollution Level,WPL)，是指已經(jīng)消耗的納污能力占總納污能力的比例，是衡量一個(gè)流域污染程度的指標(biāo)。流域的水污染程度等于一個(gè)流域的灰水足跡(∑WFgrey)與流域?qū)嶋H徑流(Ract)的比值。水污染程度值達(dá)到100%意味著所有水體的納污能力都已全部消耗，不能再容納更多的污染物；超過(guò)100%，說(shuō)明現(xiàn)有水質(zhì)已超出了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間t內(nèi)流域x的水污染程度無(wú)量綱計(jì)算公式為

(3)

1.2　應(yīng)用現(xiàn)狀

灰水足跡理論被提出后受到了多個(gè)國(guó)際組織及相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注?；宜阚E理論在農(nóng)業(yè)方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。Bulsink等[4]核算了印尼水稻、玉米、木薯、黃豆和野豆等幾種農(nóng)作物的灰水足跡； Mekonnen和Hoekstra等[5-6]對(duì)全球范圍內(nèi)小麥的灰水足跡進(jìn)行了核算與評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)對(duì)各地區(qū)農(nóng)作物的灰水足跡核算也較普遍[7-9]，張郁等[10]及曹連海等[11]分別對(duì)黑龍江墾區(qū)和內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的糧食進(jìn)行灰水足跡核算與評(píng)價(jià)，反映單位糧食產(chǎn)量的負(fù)面效應(yīng)，并提出減少糧食生產(chǎn)灰水足跡的措施；張宇等[12]基于精細(xì)的縣域尺度對(duì)華北平原冬小麥-夏玉米生產(chǎn)灰水足跡及其縣域尺度變化特征加以研究。但是，針對(duì)流域尺度下的灰水足跡研究相對(duì)較少且存在不足之處。傳統(tǒng)灰水足跡研究中多以特定年份或多年平均水平計(jì)算灰水足跡，通過(guò)灰水足跡與年徑流量的比值得到水污染程度值，以此來(lái)評(píng)價(jià)年際水平下灰水足跡的可持續(xù)性。李玉文等[13]、曾昭[14]、劉清影[15]分別核算了我國(guó)錢(qián)塘江流域、黑河流域和黃旗海流域的灰水足跡，并通過(guò)水污染程度值(分別為2.13，1.6，14)這一指標(biāo)對(duì)流域水資源進(jìn)行可持續(xù)性評(píng)價(jià)。Mekonnen等[16]核算了2002—2010年世界主要河流的年際水平下的灰水足跡及其水污染程度，結(jié)果顯示，水污染程度值>1的流域占全球總面積的17%。

1.3　存在的問(wèn)題

灰水足跡和徑流都存在年內(nèi)變化，因此一年中水污染程度也會(huì)不斷變化。傳統(tǒng)的流域尺度下灰水足跡研究多基于年際水平，并沒(méi)有對(duì)灰水足跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化分析，對(duì)一年內(nèi)流域水質(zhì)變化情況的評(píng)價(jià)往往不夠準(zhǔn)確。舉例來(lái)說(shuō)，枯水期灰水足跡為2億m3,徑流量為1億m3；豐水期灰水足跡為4億m3,徑流量為6億m3；平水期灰水足跡為2億m3,徑流量為2億m3。根據(jù)已知數(shù)據(jù)得到年際水平下的灰水足跡為8億m3，年徑流量為9億m3，水污染程度值為0.89，<1，表明排放的污染物未超出水體的納污能力，灰水足跡是可持續(xù)的。實(shí)際上，枯水期水污染程度值為2，平水期的水污染程度值為1，均≥1，在這2個(gè)時(shí)期內(nèi)灰水足跡均不可持續(xù)?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)的流域灰水足跡核算與評(píng)價(jià)方法會(huì)掩蓋一年中某些時(shí)段水體污染的實(shí)際情況。

2　基于時(shí)間維度的灰水足跡

由于傳統(tǒng)方法存在上述問(wèn)題，本文基于傳統(tǒng)灰水足跡及水污染程度值的計(jì)算方法，將時(shí)間因素考慮在內(nèi)，提出基于時(shí)間維度的灰水足跡核算與評(píng)價(jià)方法。

2.1　灰水足跡的核算

分別計(jì)算枯水期、平水期和豐水期的灰水足跡，其公式為：

(4)

(5)

(6)

式中：WFgrey豐，WFgrey平，WFgrey枯分別是豐水期、平水期和枯水期的灰水足跡(m3/a)；L豐，L平，L枯分別是豐水期、平水期和枯水期污染物的排放量(kg)。

2.2　水污染程度

分別計(jì)算枯水期、平水期和豐水期的水污染程度值，公式為：

(7)

(8)

(9)

式中：WPL豐，WPL平，WPL枯分別是豐水期、平水期和枯水期的水污染程度值；Ract豐，Ract平，Ract枯分別是豐水期、平水期和枯水期的徑流量。

3　實(shí)證分析——以渾河大伙房水庫(kù)上游段為例

3.1　研究流域概況

大伙房水庫(kù)屬于帶狀河谷型水庫(kù)，水庫(kù)東西長(zhǎng)約35 km、水面最寬處達(dá)4 km、最窄處約0.3 km。水庫(kù)最大水深37 m，最大蓄水面積114 km2，最大庫(kù)容量21.87億m3，為大(I)型水庫(kù)，入庫(kù)河流為渾河、蘇子河及社河。3條入庫(kù)河流的污染源主要包括工業(yè)污染源和生活污水。工業(yè)污染源主要是造紙廠、食品廠、選礦廠等企業(yè)排放的廢水。各項(xiàng)污染物濃度檢測(cè)結(jié)果顯示，總氮超標(biāo)最嚴(yán)重，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[17]和關(guān)鍵污染因子的選擇方法[18]確定總氮為關(guān)鍵污染因子。《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)III類(lèi)水定義為“以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水水源”，并給出了該類(lèi)水質(zhì)下不同污染物的含量標(biāo)準(zhǔn)。本文基于此確定污染物在研究流域的環(huán)境濃度上限(Cmax)。根據(jù)《遼寧省水資源》(2006)[19]中大伙房水庫(kù)上游段的水質(zhì)情況將自然本底濃度值(Cnat)?、耦?lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)自撫順市水文局。

3.2　基于時(shí)間維度的灰水足跡及水污染程度值的計(jì)算

圖1　多年平均月入庫(kù)流量

根據(jù)水庫(kù)上游多年平均月入庫(kù)流量擬定豐水期、枯水期和平水期[20]，多年平均月入庫(kù)流量見(jiàn)圖1。大伙房水庫(kù)上游豐水期為4—9月份，期間入庫(kù)流量>50 m3/s；枯水期為12月份—次年2月份，期間入庫(kù)流量<15 m3/s；平水期為3月份、10月份及11月份，期間入庫(kù)流量>20 m3/s且<30 m3/s。

水庫(kù)上游污染源基本固定，在沒(méi)有發(fā)生突發(fā)事件或新增較大點(diǎn)源污染的情況下，每個(gè)月的排污量變化不會(huì)太大。本文假設(shè)每個(gè)月的污染物排放量相等，故每個(gè)時(shí)期的污染物排放量已知。根據(jù)式(4)—式(9)可得每年各個(gè)時(shí)期的灰水足跡(表1)和水污染程度值(表2)，各時(shí)期水污染程度值變化曲線見(jiàn)圖2。

表1　考慮時(shí)間維度的大伙房水庫(kù)上游段灰水足跡

表2　考慮時(shí)間維度的大伙房水庫(kù)上游段水污染程度值

圖2　2004—2012年年際水平和豐水期、平水期、枯水期水污染程度值

3.3　傳統(tǒng)灰水足跡及水污染程度值的計(jì)算

傳統(tǒng)灰水足跡及水污染程度值的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

3.4　結(jié)果和分析

3.4.1基于時(shí)間維度的灰水足跡評(píng)價(jià)與分析

3.4.1.1灰水足跡

每個(gè)月排污量相等，所以各個(gè)時(shí)期灰水足跡的不等源于豐水期、平水期和枯水期時(shí)間段長(zhǎng)短的不同(本文研究流域豐水期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，平水期和枯水期各3個(gè)月)，故豐水期的灰水足跡最大。

3.4.1.2水污染程度

由圖2可知，2004—2012年渾河大伙房水庫(kù)上游流域豐水期的水污染程度值均<1，說(shuō)明水體的納污能力沒(méi)有完全消耗，其灰水足跡可持續(xù)；大部分年份的平水期以及枯水期水污染程度值均>1，枯水期更為顯著，最大值已達(dá)到9.2，即此時(shí)間段內(nèi)的灰水足跡是其徑流量的9.2倍，排放的污染物負(fù)荷已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)水體納污能力，灰水足跡不可持續(xù)，水體受到嚴(yán)重污染；與枯水期相比，平水期和豐水期水污染程度值相對(duì)穩(wěn)定，水質(zhì)變化不大。

造成豐水期和枯水期水質(zhì)差異大的主要原因是枯水期水資源量有限，納污能力小，而豐水期水資源量較豐富，因而豐水期水質(zhì)一直優(yōu)于枯水期。由圖2可以看出，2008年枯水期水質(zhì)最差，2008年以后至2012年年際枯水期水污染程度值呈下降趨勢(shì)，水質(zhì)有所改善，主要原因是2008年枯水期來(lái)水量在歷年中最小，2008年以后枯水期來(lái)水量逐年增加，見(jiàn)表4。

表4　各時(shí)期的來(lái)水量

表5　大伙房水庫(kù)上游水質(zhì)狀況統(tǒng)計(jì)

3.4.2傳統(tǒng)的灰水足跡評(píng)價(jià)與分析

3.4.2.1灰水足跡

根據(jù)表3繪制年際水平下灰水足跡變化曲線，見(jiàn)圖3。由圖3可看出，2010年灰水足跡達(dá)到最大值13.05億m3，其余各年灰水足跡總體趨于穩(wěn)定。

圖3　2004—2012年年際灰水足跡變化曲線 Fig.3　Interannual variation of grey water footprint from 2004 to 2012

3.4.2.2水污染程度

年際水平下水污染程度值均<1(表3)，總體來(lái)說(shuō)水質(zhì)尚符合標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有超出水體的納污能力。但圖2中顯示，年際水平下水污染程度值與枯水期的水污染程度值相差很大，與豐水期和平水期相比也有一定差距，并沒(méi)有全面地反映出流域灰水足跡的可持續(xù)性，掩蓋了各個(gè)時(shí)期水體的實(shí)際污染情況。

2010年灰水足跡最大，但其水污染程度值并沒(méi)有達(dá)到最大(圖2)，這是由于2010年在歷年中來(lái)水量最大，高達(dá)45.89億m3(表4)?？梢?jiàn)，水污染程度并不只取決于灰水足跡，還與來(lái)水量有關(guān)。

3.4.3對(duì)水質(zhì)現(xiàn)狀的對(duì)比描述與分析

渾河大伙房水庫(kù)上游全年、汛期和非汛期地表水水質(zhì)狀況見(jiàn)表5。由表5可知，除了全年、汛期以及非汛期都未達(dá)標(biāo)的河段外，大伙房水庫(kù)上游汛期水質(zhì)基本都已達(dá)標(biāo)。且非汛期水質(zhì)達(dá)標(biāo)的河段只有4個(gè)，從達(dá)標(biāo)河段的數(shù)量來(lái)看汛期水質(zhì)優(yōu)于全年和非汛期水質(zhì)，非汛期水質(zhì)最差，污染最嚴(yán)重。對(duì)比可知，大伙房水庫(kù)上游段水質(zhì)狀況與圖2中基于時(shí)間維度的灰水足跡評(píng)價(jià)結(jié)果(全年水質(zhì)總體良好，枯水期水體污染最嚴(yán)重，豐水期水質(zhì)最好)完全一致。

4　結(jié)論與討論

傳統(tǒng)的灰水足跡核算與評(píng)價(jià)方法沒(méi)有考慮豐水期、平水期和枯水期水質(zhì)的差異，忽視了對(duì)時(shí)間段的劃分，導(dǎo)致核算和評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確，掩蓋了個(gè)別時(shí)段水體污染的嚴(yán)重程度，不能真實(shí)反映各時(shí)期水質(zhì)狀況。為此，本文提出基于時(shí)間維度的灰水足跡核算與評(píng)價(jià)方法，針對(duì)不同時(shí)段分別計(jì)算水污染程度值，并進(jìn)行灰水足跡的可持續(xù)性評(píng)價(jià)，從而全面、有效地反映各時(shí)期水體污染情況。

以渾河大伙房水庫(kù)上游流域?yàn)槔M(jìn)行實(shí)證分析。結(jié)果顯示，渾河大伙房水庫(kù)上游流域2004—2012年枯水期以及大多年份的平水期水污染程度值>1，其灰水足跡均不可持續(xù)；豐水期水污染程度值<1，其灰水足跡均可持續(xù)；2008年水污染程度值達(dá)到最大，水體污染最嚴(yán)重，2008年以后呈下降趨勢(shì)，水質(zhì)有所改善；平水期和豐水期水污染程度值趨于穩(wěn)定，水質(zhì)變化不大；豐水期水質(zhì)一直優(yōu)于平水期和枯水期。

值得注意的是，豐水期、平水期和枯水期的灰水足跡不能進(jìn)行比較。一方面，3個(gè)時(shí)期的時(shí)間長(zhǎng)短不同，污染物排放量不同；另一方面，3個(gè)時(shí)期的來(lái)水量差異顯著。所以，灰水足跡小并不等同于水質(zhì)好。通常情況下，按月計(jì)算已經(jīng)能夠很好地反映水污染程度的變化；在一些特殊情況下，可能需要更小時(shí)間尺度的計(jì)算。

由于面源污染數(shù)據(jù)難以獲取，本文不予以考慮。面源污染與點(diǎn)源污染不同，一年內(nèi)各個(gè)時(shí)期污染物排放量存在較大差異，所以不能平均到月。渾河大伙房水庫(kù)上游包括渾河、蘇子河和社河3條河流，由于缺乏各支流單獨(dú)的排污數(shù)據(jù)，所以只能總體考慮。今后將針對(duì)各支流的面源污染和點(diǎn)源污染的排污數(shù)據(jù)分別核算及評(píng)價(jià)其各個(gè)時(shí)期的灰水足跡，以便全面、準(zhǔn)確地反映水污染程度，進(jìn)而采取有效措施改善水質(zhì)。