山东省灰水足迹区域均衡性分析

申 浩，陈致君，刘 健，郑昭佩

（山东师范大学地理与环境学院，济南250358）

0 引 言

水资源作为人类生存和发展不可或缺的资源，对社会进步和经济发展起着重要的支撑作用。中国水资源十分短缺，虽然总量排名世界第六，但人均水资源占有量不足世界人均水平的1/4[1]。山东省缺水严重，随着经济的发展，需水量不断增加，水污染造成的水质性缺水进一步加剧了山东省水资源紧缺程度。迫于水资源数量的有限性，水环境质量的提升可以在一定程度上缓解山东省水资源紧缺的压力。为了解山东省整体水环境状况，需要计算和评价各地市水污染程度。水污染评价的方法有很多，例如综合污染指数法、模糊数学方法、人工神经网络分析方法等，但它们都未定量描述水污染和水资源之间的关系[2]。灰水足迹是一种新的定量描述水污染的方法，它从水量角度出发，建立起水质与水量之间的关系，近些年被广泛应用于水环境、水资源评价的研究中。其优势非常明显，可以更加直观、便捷地计算水污染对水环境、水资源影响的程度，在较大尺度区域的研究中非常实用。

Hoekstra 和Chapagain 在2008年创造性地提出“灰水足迹”[3]。灰水足迹(Grey Water Footprint)指的是在一定自然本底浓度的环境条件下，将一定量的污染物负荷稀释到一定环境水质标准所需的淡水量，单位为m3/a[4]。国外对于灰水足迹的研究主要集中在农业、工业生产灰水足迹的核算评价上，其中大部分为农业产品的灰水足迹研究[5-7]。国内关于灰水足迹的研究主要集中于灰水足迹的核算评价和驱动因素的研究上。灰水足迹研究区域的尺度较大，多以全国、省区、流域为研究区，对于省区以下的区域研究较少[8-10]。大尺度的研究对于了解整体的水环境状况非常适用，小尺度的研究对地方的规划帮助更大。从研究对象来看，主要集中于农业灰水足迹的研究，尤其是粮食生产灰水足迹的研究[11,12]。工业部门的灰水足迹研究相对较少，第三产业鲜有涉及。工业灰水足迹的研究以水污染较高的行业为主，例如纺织印染行业、电子行业[13,14]。近些年我国关于灰水足迹驱动因素的研究逐渐增多，其中扩展的Kaya 恒等式和LMDI 模型是应用较为广泛的方法[15-17]。此外也有不少学者针对传统灰水足迹核算方法存在的诸多缺陷提出一系列改进的措施[18,19]。

国内外关于衡量和评价地区间均衡性的方法有很多，在经济学中可分为实证测度与规范测度两类，实证测度以基尼系数为代表，规范测度以阿特金森指数、泰尔指数为代表[20]。其中基尼系数和泰尔指数应用较为广泛，其使用已经大大超出经济学领域。在水资源、水环境均衡性研究中，基尼系数应用最为广泛[21-23]。此外不平衡指数也可以反映某种属性的空间均衡状况，只是使用量相对较少。不平衡指数只能反映出相对大小，没有明确的界限标准，但它的优点在于其中的匹配距离可以较好的分析地区指标匹配状况。近年来不平衡指数应用逐渐增多，尤其是在水资源领域[24-26]。

综上所述，前人对灰水足迹的核算评价、驱动因素及测算方法的改进研究较多，很少对区域的灰水足迹均衡性进行分析，并且前人分析的区域多为整个国家。基尼系数在多个领域被广泛使用，用于灰水足迹范畴的研究甚少。基尼系数能够反映整个区域的均衡状况，但难以反映区域内部各部分的匹配情况，而不平衡指数中的匹配距离可以较好的反映各组成部分的匹配情况。为此本文以山东省17 个地市为例，计算各地市2005-2017年农业、工业、生活以及地区灰水足迹，选取人口、水资源量、GDP 三个指标，采用基尼系数和不平衡指数进行灰水足迹区域均衡性评价。此外，针对现有均衡性存在的问题提出了一些改善建议，以此来提高山东省各地市灰水足迹区域均衡性和匹配性，从而为改善山东省水生态环境、水资源管理与利用提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 灰水足迹

灰水足迹表示将污染物稀释至达到环境水质标准所需水量，根据《水足迹评价手册》，其计算公式如下：

式中：GWF为灰水足迹，m3/a；L为污染物排放负荷，kg/a；Cmax为达到环境水质标准下的污染物最高浓度，kg/m3；Cnat为受纳水体的初始浓度，kg/m3。受纳水体的初始浓度指自然条件下某种污染物的浓度。

1.1.1 农业灰水足迹

根据前人的研究，氮素是农业中产生水污染的主要污染物，所以选取氮素来计算农业的灰水足迹[27]。氮素主要来源于氮肥和复合肥，其中复合肥中养分含量按照N 150 g/kg、P2O5150 g/kg、K2O 150 g/kg 来计算[28]。氮肥在施用后并不是全部进入水体的，造成水污染的氮肥量与氮肥施用总量的比值是固定值，即氮肥淋失率，设定化肥中氮肥淋失率为11%[27,28]。选取总氮（TN）作为农业灰水足迹计算的指标，计算公式如下：

式中：GWFagr(TN)为农业灰水足迹；a为氮肥的淋失率；Appl为总氮的量；CTN,max为TN 的环境最大允许浓度；CTN,nat为TN 的自然本底浓度；As为氮肥使用量（折纯）；Ac为复合肥施用量；θ为复合肥中含氮量。

1.1.2 工业灰水足迹

工业水污染属于点源污染，工业废水中COD 和氨氮所占的比例最大。采用COD 和氨氮两种指标进行测算，并取较高者作为工业污染的灰水足迹。计算公式如下：

式中：GWFind为工业灰水足迹；GWFind(i)表示工业第i类污染物的灰水足迹；Lind(i)表示工业第i类污染物的排放量。

1.1.3 生活灰水足迹

生活污水与工业污水同样属于点污染，其主要污染物与工业污水相同，所以同样选取COD、氨氮两种污染物指标进行计算。计算公式如下：

式中：GWFdom为生活灰水足迹；GWFdom(i)为第i类污染物的生活灰水足迹；Ldom(i)为生活第i类污染物的排放量。

1.1.4 地区灰水足迹

地区灰水足迹是整个区域稀释污染物所需淡水量的总和，即农业、工业、生活灰水足迹之和[29]：

1.2 基尼系数

基于基尼系数的内涵，本文引入人口-灰水足迹基尼系数、水资源-灰水足迹基尼系数、GDP-灰水足迹基尼系数来分析山东省灰水足迹相对于人口、水资源、GDP 三个指标的均衡状况。采用熵值法对各指标赋权，并计算综合基尼系数，以此来表示灰水足迹整体均衡性状况。用灰水足迹与水资源的比值表示水环境压力，灰水足迹与GDP 的比值表示灰水足迹强度。基尼系数的算法有很多，为便于计算，采用下梯形面积法计算基尼系数，计算公式如下：

式中：xi为第i个地市人口数、水资源量和GDP的累计百分比；yi为第i地市灰水足迹累计百分比。

按照国际通用标准，通常把0.4 作为基尼系数的警戒值，0～0.2 为高度平均，0.2～0.4 为相对平均，0.4～0.5 为差距较大，大于0.5为差距悬殊，本文也采用该划分方法。

1.3 不平衡指数

为了定量分析各地市灰水足迹与各指标的匹配程度，借鉴不平衡指数中匹配距离的方法来分析各地市灰水足迹与人口、水资源、GDP的匹配情况。在笛卡尔坐标系中以ai为横坐标，以bi为纵坐标得到点(ai,bi)，ai,bi差异较小时与直线b=a的距离(di)更近，即二者匹配程度较高，反之二者匹配程度较低[26]。其计算公式如下：

式中：ai、bi分别为各地市灰水足迹和各指标（人口、水资源、GDP）占全省的比重；di为各地市的匹配距离。当di＞0 时，说明该市灰水足迹所占比例超过了某一指标所占比例，灰水足迹相对偏大。当di＜0 时，说明该市灰水足迹所占的比例低于某一指标所占百分比，灰水足迹相对偏小。

匹配距离有正负之分，故将匹配距离值取绝对值，利用熵值法对各指标赋予权重，计算灰水足迹综合匹配距离，以此来反映各地市灰水足迹区域匹配状况。

1.4 数据来源

山东省17 个地市农业部门化肥的施用量数据、工业和生活部门的COD 和氨氮排放量数据来自于《山东省统计年鉴》（2006-2018年）；山东省各地市的水资源量数据取自《山东省水资源公报》（2006-2018年）；山东省各地市人口数据和各部门GDP 取自《山东省统计年鉴》（2006-2018年），其中农业、工业和生活部门GDP 分别用第一、二、三产业GDP 来表示；污染物COD、氨氮和总氮的环境标准极限值采用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅴ类水标准（COD：40 mg/L，NH3-N：2 mg/L，TN:2 mg/L）。根据《水足迹评价手册》，本文假设自然本底浓度Cnat为0。

2 结果与分析

2.1 山东省灰水足迹计算结果分析

山东省地区灰水足迹在2005-2017年总体呈现出波动下降的趋势，降幅约为16.78%。说明随着社会的发展，人们生态保护意识不断增强，污染物排放量逐渐下降。其中2010-2011年地区灰水足迹增长明显，在农业和工业灰水足迹逐渐下降的趋势下，生活灰水足迹的增多使得地区灰水足迹出现了增长的趋势。山东省各地市多年灰水足迹平均值最大的为菏泽市，其次为潍坊市和德州市（表1）。这三市农业规模较大，大部分灰水足迹来自于农业生产。多年灰水足迹平均值最小的为莱芜市，莱芜市面积最小，人口最少，这是它灰水足迹产生较少的主要原因。农业灰水足迹是山东省灰水足迹的主要组成部分，约有75%的灰水足迹来自于农业，生活灰水足迹次之，工业灰水足迹最小。农业灰水足迹在2005-2017年减少量最大，约为244 亿m3。工业灰水足迹由最初的162.81 亿m3/a 降至23.6 亿m3/a，降幅约为85.5%。2011年山东省生活污水排放量25.6 亿t，高于2010年的22.8 亿t，并且其中的COD和氨氮等污染物含量明显高于2010年，所以生活灰水足迹在2010-2011年出现了明显的增长（见图1）。

表1 2005--2017年山东省各地市灰水足迹 亿m3/aTab.1 The grey water footprint of cities in Shandong province from 2005 to 2017

图1 山东省地区灰水足迹及各部门灰水足迹变化Fig.1 Changes in the grey water footprint of region and various departments in Shandong Province

2.2 灰水足迹均衡性分析

2.2.1 农业灰水足迹基尼系数分析

由图2(a)可知，农业灰水足迹综合基尼系数呈现出波动上升的趋势并且其基尼系数值大部分大于0.2，处于相对均衡的状态。从各指标来看，灰水足迹与水资源基尼系数波动幅度最大，并且其基尼系数明显大于其他两者。灰水足迹与水资源基尼系数在0.2～0.4 范围内波动，处于相对均衡的状态。灰水足迹与GDP 和人口之间的基尼系数全部呈现上升趋势，并且先于后者进入相对均衡状态。由此看来，山东省农业灰水足迹均衡性在逐渐的下降，由绝对均衡变为了相对均衡状态。山东省各地市农业发展状况不同，而且各地市农业技术水平差异也较大，使得不同地区农业得到单位效益所造成的污染情况不同。这种差异越来越大，不利于农业的协调可持续发展，所以必须予以重视。

2.2.2 工业灰水足迹基尼系数分析

由图2(b)可知，工业灰水足迹多数年份的基尼系数值都位于0.4之上，处于不均衡状态，但是其基尼系数值由0.527 9降至0.396 4，均衡性有了明显的提高。其中自2008年至2011年，灰水足迹均衡性提升最为明显。随着工业环保查处力度的加大，许多地区高污染企业被关停，地区污染排放差异逐渐缩小，基尼系数也相应的降低。从各指标来看，灰水足迹与水资源基尼系数变化是最明显的，呈现出波动下降的趋势，但是其均衡性最差，长期处于不均衡状态。灰水足迹与GDP和人口两个指标的基尼系数值在2011年降至0.4之下，已由不均衡状态变为相对均衡状态。总的来说，工业灰水足迹基尼系数值较高，需要较长的时间来提高和维持其均衡性。此外工业部门造成的水环境压力地区差异较大， 需要采取有力措施来提高其均衡性。

2.2.3 生活灰水足迹基尼系数分析

由图2(c)可知，生活灰水足迹均衡性波动较大，生活灰水足迹综合基尼系数在2011-2012年出现明显的波峰，在2015年后出现了明显增长的趋势，并可能会出现第二个波峰。从各指标来看，生活灰水足迹与水资源基尼系数呈现出波动下降的趋势，在2014-2016年低于0.2，变为绝对均衡的状态。灰水足迹与GDP 和人口两个指标的基尼系数与综合基尼系数波动变化相近，不同的是灰水足迹与GDP 基尼系数表现出波动上升的趋势，在2017年已经超过0.4，变为不均衡状态。灰水足迹与人口基尼系数虽然波动幅度较大，但其一直保持在0.2 以下，均衡性状况最好。由此可见，生活灰水足迹强度地区差异越来越大，急需进行控制和调整。

2.2.4 地区灰水足迹基尼系数分析

由图2(d)可知，山东省地区灰水足迹综合基尼系数在0.2～0.3 之间波动，处于相对均衡状态，在2010年均衡性达到最高。在3个指标中，地区灰水足迹与水资源基尼系数波动变化最为明显，并且绝大部分年份处于相对平衡状态。水资源在山东省不同地市的时空分布不均限制了其均衡性和稳定性，合理的水资源配置可以降低其波动的幅度，逐渐向均衡性、稳定性方向发展。地区灰水足迹与GDP 之间基尼系数呈现出缓慢上升的趋势，均衡性逐渐下降。其基尼系数值全部高于0.3，均衡性较差，如果不采取措施来改变其发展趋势，未来很有可能进入不平衡状态。地区灰水足迹与人口基尼系数一直保持在0.2之下，均衡性最高。

图2 山东省灰水足迹与各指标均衡性变化Fig.2 The Balanced Changes of Grey Water Footprint and Various Indicators in Shandong Province

2.2.5 各部门灰水足迹均衡性分析

由图3 可知，地区灰水足迹综合基尼系数在0.2～0.3 之间波动且波动幅度较小，均衡性较好。从各部门灰水足迹来看，农业部门的均衡性最好，生活部门次之，工业部门最差。农业灰水足迹综合基尼系数保持缓慢波动上升的状态，在2011年后保持在0.2 之上，处于相对均衡状态。其缓慢增长的趋势短时间内不会出现严重的问题，但是如果不采取任何措施，未来可能就会进入不均衡状态的行列，所以需要给予适当的关注。工业灰水足迹综合基尼系数最大，大多数年份保持在0.4 之上，处于不均衡状态。其基尼系数的发展经历了一个明显下降的过程，尤其是2008-2011年，均衡性得到了很大的提高。但是在2011年后，基尼系数在0.4上下波动，均衡性的再提高受到了一定的阻力。因此，工业部门灰水足迹均衡性的提高是增强山东省灰水足迹均衡性最重要的内容。生活灰水足迹综合基尼系数表现为波动发展，在2011年达到波峰，2015年后到达波谷后又开始迅猛增长。如果不加以控制，未来波峰可能会更高，均衡性会变得更差。

图3 各部门灰水足迹均衡性状况Fig.3 Balance of Grey Water Footprint of each department

2.3 灰水足迹匹配性分析

2.3.1 农业灰水足迹匹配距离分析

由图4(a)可知，农业灰水足迹综合匹配距离较大地市为菏泽市、临沂市、德州市和聊城市。其中，菏泽、德州和聊城市农业灰水足迹与3个指标的匹配距离均为正值，农业灰水足迹超量严重。德州市和聊城市水资源指标匹配距离值在所有地市中较大，水资源量相对较少，农业污染造成的水环境压力较大。菏泽市GDP 指标匹配距离值最大，说明其农业灰水足迹强度大，农业发展相对落后，技术水平较低。临沂市水资源指标匹配距离值最小，说明其水资源相对丰富，农业部门水污染造成的水环境压力较小。

2.3.2 工业灰水足迹匹配距离分析

由图4(b)可知，工业灰水足迹综合匹配距离较大的地市为滨州市、淄博市、潍坊市、临沂市和烟台市。其中，滨州市、淄博市和潍坊市工业灰水足迹与各指标匹配距离均为正值，工业灰水足迹超量严重。滨州市各指标的匹配距离均较大，工业灰水足迹超量情况最为严重，急需进行治理和改善。而临沂市和烟台市工业灰水足迹与各指标匹配距离均为负值，说明其工业灰水足迹状况良好。临沂市的水资源指标匹配距离最小，水资源相对丰富，工业污水造成的水环境压力较小。烟台市GDP 指标的匹配距离较小，说明烟台市工业技术水平相对较高，能以较低的污染获取较高的收益。

2.3.3 生活灰水足迹匹配距离分析

由图4(c)可知，生活灰水足迹综合匹配距离较大的地市为青岛市、临沂市、济南市和菏泽市。其中青岛市和济南市生活灰水足迹与两个指标匹配距离为正值，其生活灰水足迹偏大。临沂市和菏泽市生活灰水足迹与两个指标匹配距离为负值，说明其生活灰水足迹状况相对较好。菏泽市GDP 指标匹配距离在所有地市中最大，说明其生活灰水足迹强度较大，第三产业发展相对较慢。而青岛市GDP 指标匹配距离在所有地市中最小，代表其生活灰水足迹强度最小，第三产业发展水平较高。济南市和青岛市水资源指标匹配距离值在所有地市中较大，水资源相对短缺，生活污染造成的水环境压力较大。临沂市的水资源指标匹配距离最小，水资源相对丰富，生活污水造成的水环境压力较小。

2.3.4 地区灰水足迹匹配距离分析

由图4(d)可知，地区灰水足迹综合匹配距离较大的地市为临沂市、菏泽市、德州市、青岛市和聊城市。其中，菏泽市、德州市和聊城市灰水足迹与3个指标的匹配距离均为正值，其地区灰水足迹超量严重。而临沂市和青岛市灰水足迹与两个指标的匹配距离为负值，说明其地区灰水足迹状况相对较好。其中临沂市水资源指标值在所有地市中最小，说明其水资源相对丰富，水污染对水环境压力较小。青岛市GDP指标匹配距离值在所有地市中最小，说明青岛市经济水平较高，能以较小的污染获取较大的收益。菏泽市GDP 指标值在所有地市中最大，说明其灰水足迹强度较大，经济发展水平相对较低。

图4 山东省各地市灰水足迹匹配状况Fig.4 Matching status of grey water footprints in various cities in Shandong Province

3 结论和建议

3.1 结 论

(1)山东省地区灰水足迹在2005-2017年总体呈现出波动下降的趋势，在灰水足迹组成中，农业所占比例最大，约有75%，其次是生活，工业所占比例最小。山东省农业灰水足迹和工业灰水足迹都出现了明显的下降，农业灰水足迹减少量最大，工业灰水足迹降幅最大。生活灰水足迹出现增长的趋势，在2010-2011年尤为明显。

(2)山东省农业灰水足迹均衡性在逐渐下降，由绝对均衡变为了相对均衡状态；工业灰水足迹均衡性有了较大的提升，但其进一步的提升却受到了一定的阻力；生活灰水足迹地区差异在2015年后越来越大，急需进行控制和调整。从地区灰水足迹来看，人均灰水足迹地区差异较小，而灰水足迹强度和水环境压力地区差异较为明显。在3个部门中，农业灰水足迹均衡性最好，生活灰水足迹均衡性次之，工业灰水足迹均衡性最差。

(3)菏泽市、德州市和聊城市农业灰水足迹过大，滨州市、淄博市和潍坊市工业灰水足迹过大，青岛市和济南市生活灰水足迹过大，菏泽市、德州市和聊城市的地区灰水足迹过大。在山东省17 个地市中，临沂市的水环境压力最小，青岛市的灰水足迹强度最小，菏泽市灰水足迹强度最大。

3.2 建 议

就灰水足迹均衡性来说，将工作重心放到工业灰水足迹均衡性的提高上。首先加强工业部门污染排放的监管和惩治力度；其次促进产业结构调整、工业企业布局优化；支持和引领经济相对落后地市的发展，加快此类地市生活污水处理设施的建设。推动先进农业生产技术在全省的推广，因地制宜进行农业生产。优化水资源的合理配置，适当情况下进行区域调水。

就灰水足迹区域匹配性来说，菏泽、德州和聊城市应减少化肥农药的投入，积极引进农业新技术，例如灌溉技术、施肥技术、生物农药技术等，要大力发展生态农业；加强滨州市、淄博市和潍坊市工业污染物排放的监管力度，引导其工业设施优化升级，加大环保设施的投入，做好工业废水污染物的检测以及工业用水的重复利用；青岛市和济南市要加强水资源重复利用的宣传，提高污水处理场的污水处理水平。最重要的是减少浪费，合理利用资源，从根源上降低污染物的数量。加强菏泽市、德州市和聊城市水质监测与水环境状况评价，确保其地区灰水足迹降到一个合理的水平。