水足跡評價方法對比及案例研究

任曉晶，白 雪，劉 丹，胡夢婷，吳 月，張忠國

(1．輕工業(yè)環(huán)境保護研究所，北京 100095；2.中國標準化研究院，北京 100191)

水資源是人類社會生產經營過程中的一個重要要素。面對全球日益嚴峻的水資源短缺和水環(huán)境污染問題，如何制定合理有效的水資源管理方案，應對和化解面臨的水資源風險，成為目前亟待解決的關鍵問題。在全球倡導可持續(xù)發(fā)展、推行綠色環(huán)保的大趨勢下，水足跡評價為制定靈活的水資源發(fā)展戰(zhàn)略提供了一個全新視角[1-2]。

目前，關于水足跡評價方法主要有兩種：

a. 基于水足跡網絡組織(Water Footprint Network，WFN)發(fā)布的《水足跡評價手冊(The Water Footprint Assessment Manual)》[3]。該手冊于2009年發(fā)布并于2011年2月進行了修訂，規(guī)范了水足跡中藍水、綠水和灰水足跡的核算方法及步驟，極大地推動了全球水足跡評價研究。

b. 基于國際標準化組織(International Standard Organization，ISO)于2014年8月發(fā)布的國際標準ISO14046“Environmental management—Water footprint—Principles，requirements and guidelines”[4]。該標準規(guī)定了基于生命周期評價(LCA)的觀點開展產品、過程或組織水足跡評價的原則、要求和指南。

本文在系統對比分析上述兩種水足跡評價方法的基礎上，以某乳制品企業(yè)為例，探索兩種方法在實際應用中的優(yōu)缺點和適用范圍，以期為我國企業(yè)水足跡核算與評價提供參考和依據。

1 水足跡評價方法對比

1.1 定義

WFN的水足跡即消費者或生產者直接和間接使用水資源的衡量指標，包括衡量水消耗的藍水足跡和綠水足跡，以及衡量水污染的灰水足跡。ISO14046的水足跡是量化與水相關潛在環(huán)境影響的指標，體現為水量和水質變化的綜合環(huán)境影響。僅考慮一方面時，只能使用限定詞，如僅考慮水量變化稱為“水稀缺足跡”(water scarcity footprint，WSF)，僅考慮水質變化稱為“水劣化足跡”(water degradation footprint，WDF)。根據特征污染物的不同，WDF又細分為水富營養(yǎng)化足跡(water eutrophication footprint，WEF)(考慮氮磷影響)、水酸化足跡(water acidification footprint，WAF)(考慮酸性物質影響)等。WFN的水足跡側重于“體積”，而ISO14046中的水足跡更注重“影響”，對水污染評價劃分得更為詳細和全面。

1.2 水足跡評價流程

表1給出了WFN和ISO 14046完整水足跡評價的4個階段。

表1 水足跡評價的4個階段

從表中可以看出，二者完整的水足跡評價流程都包括4個階段。第一階段均為確定研究目的和范圍，第四階段都是圍繞第二、三階段得出的結果進行分析，并給出建議。WFN的水足跡核算(第二階段)、水足跡可持續(xù)評價(第三階段)分別相當于 ISO 14046生命周期評價(LCA)中的水足跡清單分析(LCI)(第二階段)、水足跡影響評價(LCIA)(第三階段)。此外，WFN規(guī)定水足跡評價過程可根據不同的評價目的與范圍確定，評價范圍可包括以上所有階段，也可根據需要截止到水足跡核算、可持續(xù)性評價或政策制定中的任意階段[5]。類似地，ISO 14046也規(guī)定在開展企業(yè)水足跡評價時，可以根據水足跡評價的目的，選擇包含前3個階段的水足跡清單研究或包含4個完整階段的水足跡評價[4]。

1.3 水足跡核算和水足跡清單分析

WFN法對于企業(yè)層面水足跡的核算有兩種方法：一種是將企業(yè)內所有輸出產品的水足跡相加；另一種是把企業(yè)水足跡分成直接水足跡和間接水足跡分別計算，然后將這兩部分相加。直接水足跡包括與產品生產直接相關的過程水足跡和企業(yè)日常開支部分的水足跡，等于企業(yè)在運營過程中所消耗的藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡之和。間接水足跡是企業(yè)生產過程中所有投入產品的水足跡之和，通過投入產品的量(企業(yè)自己提供數據)乘以它們各自的產品水足跡(供貨商提供數據)并進行求和的方法進行計算。兩種核算途徑所得的計算結果基本相近，只是各自的側重點不同。第一種方法側重于計算產品水足跡，只需考慮產品相關生產過程的水足跡，不必區(qū)分直接水足跡和間接水足跡；第二種方法側重的是區(qū)分直接水足跡和間接水足跡。企業(yè)可以直接控制自身的運營水足跡，但供應鏈水足跡由別的企業(yè)或生產者決定，一般很難控制。目前，大多數關于企業(yè)水足跡計算的研究都采用第2種方法，涉及食品[5-6]、化工[7-8]、紡織[9-10]、造紙[11]、養(yǎng)殖[12]、制造[13]等多個行業(yè)。

ISO的水足跡清單分析與WFN的水足跡核算不同的是，清單分析階段是根據前一階段確定的目的和范圍，量化和評價所研究的產品、工藝或活動整個生命周期階段資源和能量使用以及環(huán)境釋放的過程。核心就是對單元過程中與水相關的輸入和輸出進行數據的收集、審定、關聯與合并，從而形成完整的水足跡清單。根據ISO 14046的要求，完整的LCA水足跡清單包括直接水足跡清單和間接水足跡清單。但ISO中區(qū)分直接水足跡和間接水足跡是根據企業(yè)對生產過程是否具有絕對的經營和財務控制權。無論是WFN還是ISO，新鮮水消耗、污(廢)水排放、產品結合水等均劃歸直接水足跡，而外購的材料、能源等均劃歸間接水足跡。

1.4 水足跡評價

WFN的《水足跡評價手冊》中主要使用藍水短缺程度(WSblue)和水污染程度(WPL)兩項指標來衡量水足跡可持續(xù)性水平。某流域WSblue定義為該流域內藍水足跡總量(或藍水消耗總量)與流域內可利用藍水資源量之比?？衫盟{水資源量考慮了流域內環(huán)境流的需求量。例如，當WSblue>1.0時，意味著流域內藍水足跡總量大于考慮了環(huán)境流需求的可利用藍水資源量，這時藍水足跡總量對環(huán)境是不可持續(xù)的。當某企業(yè)在其所在流域產生藍水足跡且該流域的WSblue>1.0時，則認為該企業(yè)的藍水足跡不可持續(xù)。同理，WPL是灰水足跡總量與流域實際徑流的比值。當WPL>1.0時，流域的污染消納能力被完全消耗，灰水足跡不是環(huán)境可持續(xù)的。當某企業(yè)在其所在流域產生灰水足跡且流域的WPL>1.0時，該企業(yè)的灰水足跡不可持續(xù)。由此可見，WSblue和WPL的水足跡評價結果更偏向于定性評價。Coca-Cola公司[14]、國內某造紙廠[15]、西班牙某養(yǎng)豬場[16]等都采用了WFN方法開展企業(yè)水足跡可持續(xù)性評價，主要集中在產品供應鏈階段。

ISO 14046在水足跡影響評價階段將清單數據進一步與環(huán)境影響聯系起來。水足跡清單結果可劃分為兩大類影響類型：水稀缺(水量變化造成的)和水劣化(水質變化造成的)。接著對清單物質進行特征化，這一過程主要釆用特征化因子，特征化的結果通常是一個定量的指標。最后得到一系列不同影響類型指標結果。還可采用GB/T 24044—2008或ISO 14044：2006《環(huán)境管理生命周期評價要求與指南》[17]規(guī)定的對比、歸一、加權等方法將結果合并為一個單一的參數[18]。

ISO 14046只規(guī)定了進行水足跡評價的一般流程和要求，并沒有給出每一類水足跡的具體特征化計算方法。根據目前的文獻統計結果，使用者潛在剝奪(user deprivation potential)[19]、水稀缺指數(water scarcity index)[20]、水壓力指數(Water Stress Index，WSI)[21-23]、稀缺性(scarcity)[24]、水壓力指數α(water stress index，α)[25]、水稀缺指標(water scarcity indicator)[26]、水剝奪指數(water deprivation index)[27]等模型和方法常被用來評價水稀缺足跡。無論是哪種模型和方法，都需要明確計算出新鮮水的消耗量。這個數值可以是根據水平衡圖計算得到的新鮮水消耗量，也可以是現場測量得到的新鮮水取用量。但新鮮水消耗量在實際計算過程不確定性更多，多為近似數值，研究者們更傾向于使用Va進行水足跡評價[28]。

對于WDF，一般有兩種評價方法：針對不同環(huán)境問題的“當量系數法(equivalent factor)”[29]和將清單數據與環(huán)境標準聯系起來的“臨界稀釋體積法”[30]。此外，WDF又可從不同類別特征污染物造成的潛在環(huán)境影響的大小和重要性這一角度，進一步采用LCA的“當量系數法”模型和方法分別評價水體富營養(yǎng)化(aquatic eutrophication)[31]、水體酸化(aquatic acidification)[32]、水生態(tài)毒性(aquatic ecotoxicity)[33-34]、熱污染(thermal pollution)[35]?？梢钥闯?，不同于WFN的水足跡可持續(xù)性評價，ISO的水足跡影響評價結果是確定的數值，是定量評價。

2017年發(fā)布的GB/T 34341—2017《組織水足跡評價和報告指南》[36]規(guī)定了組織層面水足跡評價的術語和定義、總則、目的和范圍的確定、清單分析、影響評價、結果解釋、報告內容，適用于指導開展組織層面水足跡清單研究和水足跡影響評價。該標準為依據ISO14046進行企業(yè)水足跡評價的具體實施提供了方法參考。

2 案例分析

2.1 研究目的和范圍

某企業(yè)從事乳制品的開發(fā)、生產和銷售，擁有完整的乳業(yè)產業(yè)鏈，是一家大規(guī)模的乳制品生產和銷售企業(yè)之一。選取企業(yè)產業(yè)鏈中最具代表性、且與水管理關系最為密切的一個牧場和乳制品加工廠，采用基于WFN和ISO 14046的兩種方法進行水足跡評價。所選牧場是該企業(yè)高端乳制品的特供基地，飼養(yǎng)管理具有國際先進水準，生鮮乳質量達到歐盟標準。所選加工廠為該企業(yè)最重要的乳制品生產基地，該工廠生產的乳制品品類齊全、生產工藝先進、管理體系完善，是當下中國最具代表性的乳品加工廠。評價時間為2012年，采用“搖籃到大門邊界”進行水足跡評價研究。

2.2 數據收集

根據ISO 14046的要求，收集牧場和加工廠計算邊界上的所有輸入和輸出。所收集的數據均為2012年的企業(yè)實測數據，不包括基礎設施、設備和能源。對牧場而言，輸入的數據包括外購的飼料和新鮮水。其中外購的飼料玉米、大麥、豆粕、甜菜粕、小麥分別為18 504 t、2 455 t、1 431 t、1 528 t、11 613 t。牧場新鮮水消耗主要由生產用水和員工生活用水組成。生產用水主要包括各過程水蒸發(fā)量、奶牛飲水量及體內吸收水量、奶牛呼吸過程導致的蒸騰損失量、糞肥中水量；生活用水主要包括員工日常使用水量。牧場廢水主要來自牛尿、牛糞固液分離污水，擠奶設備清洗以及員工生活污水。牧場廢水經管網收集后進入牧場廢水處理站處理，達到DB 31/199—1997《上海污水綜合排放標準》的污水排放三級標準后通過市政污水管網進入二級污水處理廠。加工廠新鮮水消耗主要包括鍋爐、冷卻塔等的蒸發(fā)損耗。加工廠廢水主要來源于設備和器具的清洗水、奶罐車沖洗水、不合格產品報廢污水和生活用水等。加工廠廢水經管網收集后進入自建廢水處理站處理，達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中一級標準后，排入Ⅲ類地表水體。牧場和加工廠與水相關的輸入和輸出數據見表2。

表2 牧場和加工場與水相關的輸入和輸出數據

2.3 結果分析

根據《水足跡評價手冊》[3]和GB/T 34341—2017[36]計算企業(yè)和產品的水足跡。牧場和加工廠的水足跡核算和評價包括飼料原料的間接水足跡，以及由廠內生產過程產生的直接水足跡(表2計算所得)兩部分。評價ISO14046的水稀缺足跡時，新鮮水消耗的當地特征化因子采用文獻[22]的方法。牧場飼料原料的間接水足跡計算采用文獻[37]的數據，飼料原料產地的特征化因子均使用中國平均水壓力指數(0.478)。采用臨界稀釋體積法和當量系數法分別計算計算牧場及加工廠的水劣化足跡和水富營養(yǎng)化足跡[36]。為避免重復計算，牧場外購飼料原料產生的間接水稀缺足跡只在牧場中進行計算，由牧場供給加工廠的原料奶(牧場產品)產生的間接水稀缺足跡不在加工廠的水足跡中重復計算。結果見表3和表4。

表3 基于WFN的水足跡核算結果

表4 基于ISO 14046的水足跡評價結果

由于水稀缺足跡計算中只考慮新鮮水消耗量而不考慮水質，所以表4中的直接水稀缺足跡相當于WFN的直接藍水足跡(新鮮水消耗量)乘以各場(廠)所處的當地特征化水稀缺指數得到。間接水稀缺足跡相當于WFN的間接藍水足跡(作物灌溉耗水(蒸發(fā))量)與各作物產地的當地特征化因子水稀缺指數相乘所得。雖然對于直接水足跡和間接水足跡的計算方法有所區(qū)別，但從表3中可以看出，兩種計算方法都可以得到相同的結論：①牧場的間接水足跡和間接水稀缺足跡貢獻很大，分別占其總水足跡和總水稀缺足跡的99.7%和96.1%，這表明在乳制品產業(yè)鏈上養(yǎng)殖環(huán)節(jié)對環(huán)境水資源稀缺程度的貢獻相對較大，上游牧場的水足跡減量仍是今后乳制品行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關注熱點；②牧場的直接藍水足跡和直接水稀缺足跡均大于加工廠。但是，基于LCA的水足跡考慮了分工廠所在地的水資源稀缺程度，使得位于上海(水稀缺指數為1.0)的牧場比位于南京(水稀缺指數為0.703)的加工廠對水資源的依賴程度更明顯，對當地水資源短缺的貢獻更突出，表現為牧場與加工廠的直接水稀缺足跡比值(2.5倍)大于牧場與加工廠直接藍水足跡的比值(1.8倍)。說明若企業(yè)處于不同地理位置時，僅考慮“體積”的水足跡會因為忽略了企業(yè)所處流域或區(qū)域的水資源稀缺程度，造成評價結果的大小和重要性有所差別。

表3和表4中牧場和加工廠的水劣化足跡均大于其各自的直接灰水足跡。這是由于當多種污染物存在時，選擇各污染物中灰水足跡最大值(本文只計算了COD)作為企業(yè)的灰水足跡，而ISO 14046中水劣化足跡計算是將所有污染物的水劣化足跡進行等權加和。由于只考慮直接排放到水中的污染物，而沒有考慮排放到空氣或土壤中影響水質的污染物，WFN的灰水足跡相當于ISO中的部分水劣化足跡，核算方法也類似“臨界稀釋體積法”。但由WFN的方法得到加工廠的直接灰水足跡較大，而ISO 14046的方法得到牧場的水劣化足跡較大。其原因可能有兩點：①加工廠由于是達標后排入Ⅲ類地表水體，因而執(zhí)行了更為嚴格的污水排放標準，導致直接灰水足跡較大；②水劣化足跡不僅考慮COD，還考慮了氮磷污染物，表4的數據也表明牧場的污染物排放總量大于加工廠，尤其是氨氮的排放量，牧場約為加工廠的4倍。但是根據GB/T 34341—2017計算得到的特征化因子α相差不大，因此由GB/T 34341—2017的公式(4)所得到的牧場水劣化足跡要大于加工廠。

表5 水劣化足跡構成比例

表5中牧場和加工廠的水劣化足跡構成比例表明，兩廠(場)含氮污染物的貢獻最大，COD的貢獻反而最小，牧場的含氮污染物影響最為突出。這也說明，在某種情況下，WFN的灰水足跡計算結果容易掩蓋企業(yè)真實的排放狀況及造成的水環(huán)境影響。表4中根據GB/T 34341—2017的公式(5)計算了牧場和加工廠的水富營養(yǎng)化足跡。可以看出，牧場及其產品的富營養(yǎng)化足跡分別是加工廠及其產品的4和5倍。所研究的企業(yè)中牧場對水體潛在富營養(yǎng)化影響較大，氮磷污染物(尤其是含氮污染物)需要得到有效治理。

3 結 論

a. 兩種計算方法既相互區(qū)別又互有聯系。由案例分析可以看出，直接水稀缺足跡與直接藍水足跡、間接水稀缺足跡與間接藍水足跡、直接灰水足跡和水劣化足跡等一系列水足跡核算和評價指標的側重點不盡相同，但得到的結論基本一致。

b. 兩種計算方法各有優(yōu)缺點。WFN的水足跡核算將水量和水質統一成以絕對體積量表示的水足跡，原理簡明、操作性強，水足跡核算結果具有直觀的可比性，但在灰水足跡計算中存在遮蔽效應，此外對水資源消耗和水污染的潛在環(huán)境影響缺乏關注。由于只考慮直接排放到水中的污染物，而沒有考慮排放到空氣或土壤中影響水質的污染物，WFN的灰水足跡相當于ISO中的部分水劣化足跡。ISO 14046 基于LCA觀點采用水稀缺足跡和水劣化足跡對水量和水質進行分別評價。水劣化足跡又可進一步分析不同類別特征污染物造成潛在環(huán)境影響(如WEF、WAF等)的大小和重要性。