考虑时间维度的灰水足迹核算与评价
——以浑河大伙房水库上游段为例

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(沈阳农业大学 水利学院， 沈阳　110866)

灰水足迹的概念由Hoekstra等[1]于2008年首次提出，经过水足迹网络(Water Footprint Network)灰水足迹工作小组的不断完善，将其定义为以自然本底浓度和现有的水质环境标准为基准，吸收一定的污染物负荷所需的淡水水量。在流域尺度下灰水足迹的研究中，传统的方法对时间段的划分不够科学，多基于年际水平，而我国水资源在时间上分布不均，导致水质在枯水期、平水期、丰水期存在较大差异，传统方法会影响灰水足迹评价的详细程度，不能全面地反映年内水质的实际情况。因此，本文选用更高时间分辨率对灰水足迹进行核算与评价，提高研究的实际意义。以浑河大伙房水库上游流域为例，依据2004—2012年水库上游污染物排放量以及来水量等数据，采用本文提出的方法，核算该流域灰水足迹，并对其可持续性作出评价，结合流域的水质情况，进行实证分析。

1　传统灰水足迹及存在的问题

1.1　基本理论

传统流域尺度下灰水足迹的研究中，对年际水平下的灰水足迹和水污染程度值进行核算，基于年际水平进行灰水足迹的可持续性评价。根据Hoekstra等著的《水足迹评价手册》[1]，流域灰水足迹的计算方法为

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

其中,

式中：WFgrey为灰水足迹(m3/a)；WFgreyi为第i种污染物的灰水足迹(m3/a)；Li为第i种污染物的排放量(kg)；Ci-max为水质环境标准允许的第i种污染物的最大浓度(kg/m3)；Ci-nat为第i种污染物在受纳水体中的初始浓度(kg/m3)，一般以0计入[2-3]。

根据灰水足迹的环境可持续性研究[1]，流域灰水足迹的可持续性取决于流域中可容纳污染物的径流大小。若一个流域一定时间内环境水质标准得不到满足，即污染物的量消耗掉水体所有的纳污能力，便产生了灰水足迹的热点地区。

流域内水污染程度(Water Pollution Level,WPL)，是指已经消耗的纳污能力占总纳污能力的比例，是衡量一个流域污染程度的指标。流域的水污染程度等于一个流域的灰水足迹(∑WFgrey)与流域实际径流(Ract)的比值。水污染程度值达到100%意味着所有水体的纳污能力都已全部消耗，不能再容纳更多的污染物；超过100%，说明现有水质已超出了水质标准。时间t内流域x的水污染程度无量纲计算公式为

(3)

1.2　应用现状

灰水足迹理论被提出后受到了多个国际组织及相关领域国内外学者的广泛关注。灰水足迹理论在农业方面已经得到了广泛的应用。Bulsink等[4]核算了印尼水稻、玉米、木薯、黄豆和野豆等几种农作物的灰水足迹； Mekonnen和Hoekstra等[5-6]对全球范围内小麦的灰水足迹进行了核算与评价。国内对各地区农作物的灰水足迹核算也较普遍[7-9]，张郁等[10]及曹连海等[11]分别对黑龙江垦区和内蒙古河套灌区的粮食进行灰水足迹核算与评价，反映单位粮食产量的负面效应，并提出减少粮食生产灰水足迹的措施；张宇等[12]基于精细的县域尺度对华北平原冬小麦-夏玉米生产灰水足迹及其县域尺度变化特征加以研究。但是，针对流域尺度下的灰水足迹研究相对较少且存在不足之处。传统灰水足迹研究中多以特定年份或多年平均水平计算灰水足迹，通过灰水足迹与年径流量的比值得到水污染程度值，以此来评价年际水平下灰水足迹的可持续性。李玉文等[13]、曾昭[14]、刘清影[15]分别核算了我国钱塘江流域、黑河流域和黄旗海流域的灰水足迹，并通过水污染程度值(分别为2.13，1.6，14)这一指标对流域水资源进行可持续性评价。Mekonnen等[16]核算了2002—2010年世界主要河流的年际水平下的灰水足迹及其水污染程度，结果显示，水污染程度值>1的流域占全球总面积的17%。

1.3　存在的问题

灰水足迹和径流都存在年内变化，因此一年中水污染程度也会不断变化。传统的流域尺度下灰水足迹研究多基于年际水平，并没有对灰水足迹进行动态变化分析，对一年内流域水质变化情况的评价往往不够准确。举例来说，枯水期灰水足迹为2亿m3,径流量为1亿m3；丰水期灰水足迹为4亿m3,径流量为6亿m3；平水期灰水足迹为2亿m3,径流量为2亿m3。根据已知数据得到年际水平下的灰水足迹为8亿m3，年径流量为9亿m3，水污染程度值为0.89，<1，表明排放的污染物未超出水体的纳污能力，灰水足迹是可持续的。实际上，枯水期水污染程度值为2，平水期的水污染程度值为1，均≥1，在这2个时期内灰水足迹均不可持续。可见，传统的流域灰水足迹核算与评价方法会掩盖一年中某些时段水体污染的实际情况。

2　基于时间维度的灰水足迹

由于传统方法存在上述问题，本文基于传统灰水足迹及水污染程度值的计算方法，将时间因素考虑在内，提出基于时间维度的灰水足迹核算与评价方法。

2.1　灰水足迹的核算

分别计算枯水期、平水期和丰水期的灰水足迹，其公式为：

(4)

(5)

(6)

式中：WFgrey丰，WFgrey平，WFgrey枯分别是丰水期、平水期和枯水期的灰水足迹(m3/a)；L丰，L平，L枯分别是丰水期、平水期和枯水期污染物的排放量(kg)。

2.2　水污染程度

分别计算枯水期、平水期和丰水期的水污染程度值，公式为：

(7)

(8)

(9)

式中：WPL丰，WPL平，WPL枯分别是丰水期、平水期和枯水期的水污染程度值；Ract丰，Ract平，Ract枯分别是丰水期、平水期和枯水期的径流量。

3　实证分析——以浑河大伙房水库上游段为例

3.1　研究流域概况

大伙房水库属于带状河谷型水库，水库东西长约35 km、水面最宽处达4 km、最窄处约0.3 km。水库最大水深37 m，最大蓄水面积114 km2，最大库容量21.87亿m3，为大(I)型水库，入库河流为浑河、苏子河及社河。3条入库河流的污染源主要包括工业污染源和生活污水。工业污染源主要是造纸厂、食品厂、选矿厂等企业排放的废水。各项污染物浓度检测结果显示，总氮超标最严重，依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[17]和关键污染因子的选择方法[18]确定总氮为关键污染因子。《地表水环境质量标准》对III类水定义为“以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源”，并给出了该类水质下不同污染物的含量标准。本文基于此确定污染物在研究流域的环境浓度上限(Cmax)。根据《辽宁省水资源》(2006)[19]中大伙房水库上游段的水质情况将自然本底浓度值(Cnat)取Ⅰ类水体标准，相关计算数据来自抚顺市水文局。

3.2　基于时间维度的灰水足迹及水污染程度值的计算

图1　多年平均月入库流量

根据水库上游多年平均月入库流量拟定丰水期、枯水期和平水期[20]，多年平均月入库流量见图1。大伙房水库上游丰水期为4—9月份，期间入库流量>50 m3/s；枯水期为12月份—次年2月份，期间入库流量<15 m3/s；平水期为3月份、10月份及11月份，期间入库流量>20 m3/s且<30 m3/s。

水库上游污染源基本固定，在没有发生突发事件或新增较大点源污染的情况下，每个月的排污量变化不会太大。本文假设每个月的污染物排放量相等，故每个时期的污染物排放量已知。根据式(4)—式(9)可得每年各个时期的灰水足迹(表1)和水污染程度值(表2)，各时期水污染程度值变化曲线见图2。

表1　考虑时间维度的大伙房水库上游段灰水足迹

表2　考虑时间维度的大伙房水库上游段水污染程度值

图2　2004—2012年年际水平和丰水期、平水期、枯水期水污染程度值

3.3　传统灰水足迹及水污染程度值的计算

传统灰水足迹及水污染程度值的计算结果见表3。

3.4　结果和分析

3.4.1基于时间维度的灰水足迹评价与分析

3.4.1.1灰水足迹

每个月排污量相等，所以各个时期灰水足迹的不等源于丰水期、平水期和枯水期时间段长短的不同(本文研究流域丰水期长达6个月，平水期和枯水期各3个月)，故丰水期的灰水足迹最大。

3.4.1.2水污染程度

由图2可知，2004—2012年浑河大伙房水库上游流域丰水期的水污染程度值均<1，说明水体的纳污能力没有完全消耗，其灰水足迹可持续；大部分年份的平水期以及枯水期水污染程度值均>1，枯水期更为显著，最大值已达到9.2，即此时间段内的灰水足迹是其径流量的9.2倍，排放的污染物负荷已远远超过水体纳污能力，灰水足迹不可持续，水体受到严重污染；与枯水期相比，平水期和丰水期水污染程度值相对稳定，水质变化不大。

造成丰水期和枯水期水质差异大的主要原因是枯水期水资源量有限，纳污能力小，而丰水期水资源量较丰富，因而丰水期水质一直优于枯水期。由图2可以看出，2008年枯水期水质最差，2008年以后至2012年年际枯水期水污染程度值呈下降趋势，水质有所改善，主要原因是2008年枯水期来水量在历年中最小，2008年以后枯水期来水量逐年增加，见表4。

表4　各时期的来水量

表5　大伙房水库上游水质状况统计

3.4.2传统的灰水足迹评价与分析

3.4.2.1灰水足迹

根据表3绘制年际水平下灰水足迹变化曲线，见图3。由图3可看出，2010年灰水足迹达到最大值13.05亿m3，其余各年灰水足迹总体趋于稳定。

图3　2004—2012年年际灰水足迹变化曲线 Fig.3　Interannual variation of grey water footprint from 2004 to 2012

3.4.2.2水污染程度

年际水平下水污染程度值均<1(表3)，总体来说水质尚符合标准，没有超出水体的纳污能力。但图2中显示，年际水平下水污染程度值与枯水期的水污染程度值相差很大，与丰水期和平水期相比也有一定差距，并没有全面地反映出流域灰水足迹的可持续性，掩盖了各个时期水体的实际污染情况。

2010年灰水足迹最大，但其水污染程度值并没有达到最大(图2)，这是由于2010年在历年中来水量最大，高达45.89亿m3(表4)。可见，水污染程度并不只取决于灰水足迹，还与来水量有关。

3.4.3对水质现状的对比描述与分析

浑河大伙房水库上游全年、汛期和非汛期地表水水质状况见表5。由表5可知，除了全年、汛期以及非汛期都未达标的河段外，大伙房水库上游汛期水质基本都已达标。且非汛期水质达标的河段只有4个，从达标河段的数量来看汛期水质优于全年和非汛期水质，非汛期水质最差，污染最严重。对比可知，大伙房水库上游段水质状况与图2中基于时间维度的灰水足迹评价结果(全年水质总体良好，枯水期水体污染最严重，丰水期水质最好)完全一致。

4　结论与讨论

传统的灰水足迹核算与评价方法没有考虑丰水期、平水期和枯水期水质的差异，忽视了对时间段的划分，导致核算和评价结果不准确，掩盖了个别时段水体污染的严重程度，不能真实反映各时期水质状况。为此，本文提出基于时间维度的灰水足迹核算与评价方法，针对不同时段分别计算水污染程度值，并进行灰水足迹的可持续性评价，从而全面、有效地反映各时期水体污染情况。

以浑河大伙房水库上游流域为例进行实证分析。结果显示，浑河大伙房水库上游流域2004—2012年枯水期以及大多年份的平水期水污染程度值>1，其灰水足迹均不可持续；丰水期水污染程度值<1，其灰水足迹均可持续；2008年水污染程度值达到最大，水体污染最严重，2008年以后呈下降趋势，水质有所改善；平水期和丰水期水污染程度值趋于稳定，水质变化不大；丰水期水质一直优于平水期和枯水期。

值得注意的是，丰水期、平水期和枯水期的灰水足迹不能进行比较。一方面，3个时期的时间长短不同，污染物排放量不同；另一方面，3个时期的来水量差异显著。所以，灰水足迹小并不等同于水质好。通常情况下，按月计算已经能够很好地反映水污染程度的变化；在一些特殊情况下，可能需要更小时间尺度的计算。

由于面源污染数据难以获取，本文不予以考虑。面源污染与点源污染不同，一年内各个时期污染物排放量存在较大差异，所以不能平均到月。浑河大伙房水库上游包括浑河、苏子河和社河3条河流，由于缺乏各支流单独的排污数据，所以只能总体考虑。今后将针对各支流的面源污染和点源污染的排污数据分别核算及评价其各个时期的灰水足迹，以便全面、准确地反映水污染程度，进而采取有效措施改善水质。