基于灰水足跡的流域水環(huán)境評(píng)價(jià)

董 梁，賈艾晨，陳小強(qiáng)

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

0 引 言

水是生命之源，生產(chǎn)之要，生態(tài)之基，我國(guó)正重點(diǎn)解決河湖水空間占用、水質(zhì)惡化、用水過度、用水效率低下、生態(tài)退化等一系列水問題[1]。隨著全社會(huì)對(duì)環(huán)境問題認(rèn)識(shí)的提高和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這些問題中水資源短缺與水環(huán)境污染已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要問題[2]。大連市是我國(guó)典型的水資源短缺城市之一，而復(fù)州河承擔(dān)著大連瓦房店市地區(qū)的供水任務(wù)，近些年來，由于工業(yè)化與城鎮(zhèn)化步伐的加快，復(fù)州河不斷地接收流域內(nèi)工業(yè)、種植、養(yǎng)殖與生活污水，導(dǎo)致復(fù)州河流域水環(huán)境水資源壓力逐年增大，河流常年水質(zhì)較差[3]。目前，水環(huán)境與水資源問題已經(jīng)成為制約大連瓦房店地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要原因。

科學(xué)合理的評(píng)估流域水環(huán)境污染情況是制定流域水污染治理方案、提高水資源綜合利用的重要前提。許多學(xué)者在水環(huán)境評(píng)價(jià)方法方面進(jìn)行了大量的研究，比如內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法[4]、灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法[5]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[6]、物元可拓評(píng)價(jià)法[7]等，但這些方法在評(píng)價(jià)過程中主要考慮水質(zhì)問題，忽略了水量對(duì)水環(huán)境的影響。

水足跡理論為水環(huán)境評(píng)價(jià)提出一種新的思想與方法。2008年Hoekstra與Chapagain[8]首次提出灰水足跡，定義為以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染物負(fù)荷吸收同化所需的淡水的體積[9]。灰水足跡的提出實(shí)現(xiàn)了從水量角度進(jìn)行水環(huán)境評(píng)價(jià)，使得水污染程度可以與水資源量值進(jìn)行對(duì)比分析，并且與相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)結(jié)合進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析[10]。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從全球、國(guó)家、省級(jí)等大尺度層面進(jìn)行灰水足跡評(píng)價(jià)，但在小尺度層面，特別是流域尺度，灰水足跡研究成果較少，F(xiàn).Pellicer-martínez等[11]核算了西班牙賽古拉河流域的灰水足跡，并對(duì)流域水環(huán)境可持續(xù)性做出評(píng)價(jià)；張?chǎng)蔚萚12]對(duì)汾河流域農(nóng)業(yè)灰水足跡進(jìn)行了定性、定量的研究；黃萬(wàn)霞等[13]研究了大伙房水庫(kù)上游流域的灰水足跡，并進(jìn)行了預(yù)測(cè)。然而上述的研究大多只是針對(duì)流域內(nèi)某幾種污染源進(jìn)行核算，僅考慮流域內(nèi)農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等污染源，忽略了工業(yè)、居民生活等污染源，同時(shí)在核算過程中，各項(xiàng)參數(shù)并未能夠采用統(tǒng)一的選取原則，導(dǎo)致核算結(jié)果不完全準(zhǔn)確，相互對(duì)比性較差。

本文以大連市復(fù)州河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，分別從工業(yè)、居民生活污染、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)4個(gè)方面核算了復(fù)州河流域灰水足跡，分析了流域灰水足跡空間分布特征，評(píng)價(jià)了流域水環(huán)境現(xiàn)狀。本次研究更加全面的評(píng)價(jià)了流域灰水足跡，較好地解決了參數(shù)選取困難的問題，可推廣至其他流域，為流域水環(huán)境評(píng)價(jià)與水污染治理提供參考。

1 研究流域概況

本次研究選取復(fù)州河干流流經(jīng)的松樹鎮(zhèn)、趙屯鄉(xiāng)、得利寺鎮(zhèn)、瓦房店市區(qū)、太陽(yáng)街道、瓦窩鎮(zhèn)、老虎屯鎮(zhèn)、復(fù)州城鎮(zhèn)、楊家滿族鄉(xiāng)、九龍街道、三臺(tái)滿族鄉(xiāng)共11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為研究單元，圖1可見研究區(qū)域地理坐標(biāo)為北緯39°28′～39°57′、東經(jīng)121°34′～122°12′。復(fù)州河屬于大連市較大河流之一，發(fā)源于普蘭店同益鄉(xiāng)老帽山南麓，海拔高程848.0 m，于瓦房店市三臺(tái)子鄉(xiāng)西蘭旗的老羊頭注入渤海。復(fù)州河有一級(jí)支流8條，左岸四條，以嵐崮河為最大，右岸四條，以九道河為最大。復(fù)州河流域處于北半球中緯度地區(qū)，屬暖溫帶亞濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫8.6～10.5 ℃，年平均降水量654 mm，降雨主要集中在7、8月，多年平均徑流量為34 531 萬(wàn)m3，流域地形較復(fù)雜，山區(qū)丘陵占86%，平原占14%，中下游平原與丘陵交替地帶土質(zhì)較好，適宜農(nóng)業(yè)和水果生產(chǎn)。

圖1 復(fù)州河流域水系圖Fig.1 Water system map of Fuzhou River Basin

復(fù)州河流域工業(yè)污染源主要來自食品加工企業(yè)與軸承產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，食品加工企業(yè)一般均自建污水處理設(shè)施，處理后排放至復(fù)州河，軸承產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)的少量工業(yè)廢水與市區(qū)生活污水主要進(jìn)入龍山污水處理廠經(jīng)過處理后排入復(fù)州河的支流回頭河。畜禽養(yǎng)殖污染源主要為肉雞、蛋雞、豬和肉牛養(yǎng)殖，此外還有少量的奶牛養(yǎng)殖，各畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)多數(shù)采用干清糞的糞污清理方式，除少量養(yǎng)殖場(chǎng)采取了糞便堆發(fā)酵還田、尿液簡(jiǎn)單沉淀存儲(chǔ)還田等措施外，多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)基本沒有處理措施，直接由農(nóng)戶拉走堆肥還田。城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污染源主要為城鎮(zhèn)農(nóng)村居民生活污水排放，瓦房店市區(qū)生活污水經(jīng)瓦房店龍山污水處理廠處理后排放至復(fù)州河支流回頭河，其余居民生活污水均直接排放。種植業(yè)污染源主要來自于耕地與果園種植實(shí)施的氮肥和磷肥所產(chǎn)生的流失。

2 研究方法與參數(shù)選擇

2.1 流域灰水足跡核算方法

復(fù)州河流域污染源包括工業(yè)污染源、城鎮(zhèn)農(nóng)村生活污染源、畜禽養(yǎng)殖污染源與種植業(yè)污染源。本文參考《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》中的灰水足跡核算方法[9]，從以上4個(gè)方面進(jìn)行核算。計(jì)算公式為：

TGWF=IGWF+HGWF+LGWF+PGWF

(1)

式中：TGWF為總灰水足跡，m3；IGWF為工業(yè)灰水足跡，m3；HGWF為居民生活污染灰水足跡，m3；LGWF為畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡，m3；PGWF為種植業(yè)灰水足跡，m3。

2.1.1 工業(yè)灰水足跡

流域工業(yè)污染是指工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的污染負(fù)荷隨廢水直接或處理后排放至流域水體中形成的污染，一般以點(diǎn)源污染的形式直接排放到流域水中，排放廢水同時(shí)包含各類污染物質(zhì)，如CODCr、NH3-N、TN、TP等，根據(jù)灰水足跡“短板原理”[14]，工業(yè)灰水足跡應(yīng)由需稀釋水量最大的污染物決定，同時(shí)還應(yīng)該考慮工業(yè)廢水的排水量。參考《水足跡手冊(cè)》中灰水足跡核算方法，工業(yè)灰水足跡計(jì)算公式為：

(2)

IGWF=max(IGWFCOD,IGWFNH3-N,IGWFTN)

(3)

式中：IGEF為工業(yè)灰水足跡，m3；IGEFCOD為CODCr灰水足跡，m3；IGWFNH3-N為氨氮灰水足跡，m3；IGEFTN為總氮灰水足跡，m3。

2.1.2 居民生活污染灰水足跡

居民生活污染主要來自于流域城鎮(zhèn)與農(nóng)村居民生活污水，其中城鎮(zhèn)生活污水屬于點(diǎn)源污染，多數(shù)經(jīng)污水處理廠處理后排放；農(nóng)村生活污水屬于面源污染，多數(shù)直接排放。生活污水排放類似于工業(yè)污水，其中也同時(shí)包含各類污染物，因此參考工業(yè)灰水足跡核算方法，居民生活污染灰水足跡計(jì)算公式為：

(4)

式中：HGWFi為生活污水中第i種污染物灰水足跡，m3；Wdh為生活污水排放量，m3。

Li=Wdh×ni=(PcWpcnhiγ+PnWpnnhiγ)th

(5)

式中：nhi為污水中某種污染物濃度，未處理的城鎮(zhèn)生活污水主要污染物指標(biāo)參考龍山污水處理廠進(jìn)水指標(biāo)，按照氨氮21 mg/L、CODCr270 mg/L、城鎮(zhèn)總磷4.0 mg/L、農(nóng)村總磷3.4 mg/L估算；Pc為城鎮(zhèn)區(qū)域人口數(shù)量；Pn為農(nóng)村區(qū)域人口數(shù)量；Wpc為城鎮(zhèn)平均日綜合生活用水定額，L/(人·d)；Wpn為農(nóng)村最高日居民生活用水定額，L/(人·d)；γ為生活污水產(chǎn)生系數(shù)；th為時(shí)間，d。

HGWF=max(HGWFCOD,HGWFNH3-N,HGWFTP)

(6)

式中：HGWF為居民生活污染灰水足跡，m3；HGWFCOD為CODCr灰水足跡，m3；HGWFNH3-N為氨氮灰水足跡，m3；HGWFTP為總磷灰水足跡，m3。

2.1.3 畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡

畜禽養(yǎng)殖污染主要由畜禽養(yǎng)殖排放糞尿中的污染物所造成，根據(jù)復(fù)州河流域的養(yǎng)殖情況，養(yǎng)雞場(chǎng)與小型養(yǎng)牛場(chǎng)基本采用干清糞工藝清理糞便，養(yǎng)豬場(chǎng)與大型養(yǎng)牛場(chǎng)同樣采用干清糞工藝清理糞便，同時(shí)使用少量清洗水對(duì)殘余糞便進(jìn)行沖洗，多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)沒有處理措施，直接排入流域水體或由農(nóng)戶拉走堆肥還田。畜禽養(yǎng)殖排放的糞尿主要污染物為CODCr、TP和TN，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分污水，參考《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》中灰水足跡核算方法[9]，畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡計(jì)算公式為：

(7)

式中：LGWFi為畜禽養(yǎng)殖糞尿中第i種污染物灰水足跡，m3；Wdli為畜禽養(yǎng)殖污水排放量，m3。

此外，核算污染物負(fù)荷量時(shí)，若同時(shí)考慮畜禽的存欄和出欄量，會(huì)造成重復(fù)計(jì)算的問題[15]。針對(duì)肉牛、奶牛和蛋雞飼養(yǎng)周期為一年或不出欄的家禽，計(jì)算時(shí)采用年末存欄量，而針對(duì)肉雞、生豬和鵝在一整年中可以完成大于一次的飼養(yǎng)期家禽，計(jì)算時(shí)采用年末出欄量較年末存欄量在核算污染物負(fù)荷上更加準(zhǔn)確。計(jì)算公式為：

Li=mtlnliλ

(8)

式中：m為某種畜禽的飼養(yǎng)數(shù)量，頭、羽；tl為某種畜禽的飼養(yǎng)周期，d；nli為畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)即畜禽排泄物中某種污染物含量，g/(頭·d)；λ為畜禽糞尿水體流失率。

Wdli=mωi

(9)

式中：ωi為畜禽養(yǎng)殖業(yè)干糞工藝允許排水量標(biāo)準(zhǔn)值，m3/(百頭·d)。

LGWF=max(LGWFCOD,LGWFTN,LGWFTP)

(10)

式中：LGWF為畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡，m3；LGWFCOD為CODCr灰水足跡，m3；LGWFTN為總氮灰水足跡，m3；LGWFTP為總磷灰水足跡，m3。

2.1.4 種植業(yè)灰水足跡

種植業(yè)污染主要來自種植過程中化肥和農(nóng)藥的施用，合理的施用化肥和農(nóng)藥可以提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，但過量施用會(huì)導(dǎo)致氮磷流失，因此種植業(yè)產(chǎn)生的污染物主要為總氮和總磷，且屬于面源污染，時(shí)空范圍分布廣闊，流失過程不確定，其計(jì)算復(fù)雜，同樣符合灰水足跡核算中的“短板原理”[14]。本文參考曹連海等人提出的面源灰水足跡核算方法[14]與《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》提出作物生長(zhǎng)過程灰水足跡核算方法[9]確定流域種植業(yè)灰水足跡核算方法。計(jì)算公式為：

(11)

式中：PGWFi為種植業(yè)中第i種污染物灰水足跡，m3；αi為某種肥料的流失系數(shù)；Ai為某種作物的種植面積，hm2；vi為某種作物單位面積折純施肥量，kg/ hm2。

PGWF=max(PGWFTN,PGWFTP)

(12)

式中：PGWF為種植業(yè)灰水足跡，m3；PGWFTN為總氮灰水足跡，m3；PGWFTN為總磷灰水足跡，m3。

2.1.5 灰水足跡的環(huán)境可持續(xù)性

流域水環(huán)境是否可持續(xù)性的維持，主要取決于污染物負(fù)荷和流域中的徑流剩余的納污能力，若一個(gè)流域中污染物的數(shù)量消耗掉水體所有的納污能力，便產(chǎn)生了灰水足跡熱點(diǎn)地區(qū)。本次研究中采用《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》[9]提出的流域水污染程度(WPL)作為流域水環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，指的是已經(jīng)消耗的納污能力占總的納污能力的比例，是衡量一個(gè)流域污染程度的指標(biāo)。水污染程度達(dá)到100%意味著所有水體的納污能力都已經(jīng)全部使用，不能再容納更多的污染物；超過100%說明現(xiàn)有水質(zhì)超出了相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間t內(nèi)流域x的水污染程度計(jì)算如下[9]：

(13)

式中：WPL(x,t)為2018年復(fù)州河流域水污染程度，%；∑WFgrey(x,t)為2018年復(fù)州河流域的灰水足跡，m3；Ract為流域?qū)嶋H徑流量，復(fù)州河流域多年平均徑流量為34 531 萬(wàn)m3 [16]；t為時(shí)間，本次研究中取年為單位。

2.2 流域灰水足跡核算參數(shù)選擇

(1)環(huán)境最大允許濃度Cmax。《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》[17]規(guī)定：地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)需氧量(CODCr)最大允許排放值為20 mg/L，氨氮(NH3-N)最大允許排放值為1.0 mg/L，總磷(TP)最大允許排放值為0.2 mg/L，總氮(TN)最大允許排放值為1.0 mg/L。復(fù)州河流域水功能區(qū)劃分多為飲用水區(qū)與農(nóng)業(yè)用水區(qū)，要求執(zhí)行地表Ⅲ類水以上標(biāo)準(zhǔn)，因此，選擇地表Ⅲ類水中污染物的最大允許排放值作為 。

(2)環(huán)境中的本底濃度Cnat。復(fù)州河流域地理面積較大，本次研究選取的污染源種類復(fù)雜，且量值在年內(nèi)經(jīng)常不斷變化，導(dǎo)致環(huán)境中自然本底濃度數(shù)據(jù)往往難以獲取，且復(fù)州河流域多劃分為飲用水區(qū)，對(duì)水質(zhì)要求較高，河流長(zhǎng)，水量大，同時(shí)為與不同流域的相關(guān)研究結(jié)果比較，本文參考《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》[9]，可簡(jiǎn)單認(rèn)為Cnat=0。

(3)城鎮(zhèn)平均日綜合生活用水定額Wpc?！妒彝饨o水設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50013-2006)》[18]規(guī)定復(fù)州河流域所在的遼寧省地區(qū)屬于二區(qū)中、小城市，平均日綜合生活用水定額在110～180 L/(人·d)之間，結(jié)合《復(fù)州河流域水體達(dá)標(biāo)方案》中對(duì)城鎮(zhèn)農(nóng)村生活污染源的調(diào)查結(jié)果，本次研究中對(duì)流域內(nèi)瓦房店市區(qū)平均日綜合生活用水定額取200 L/(人·d)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)取110 L/(人·d)。

(4)農(nóng)村最高日居民生活用水定額Wpn。農(nóng)村地區(qū)并未有過多公共建筑和設(shè)施用水，但存在居民散養(yǎng)畜禽、散用汽車拖拉機(jī)、家庭小作坊生產(chǎn)用水，《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范(SL687-2014)》[19]更好的切合于農(nóng)村地區(qū)?！洞彐?zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范(SL687-2014)》[19]規(guī)定復(fù)州河流域?qū)儆诙^(qū)，且有洗滌池，少量衛(wèi)生設(shè)施情況的地區(qū)，最高日居民生活用水定額在45～70 L/(人·d)之間，結(jié)合《復(fù)州河流域水體達(dá)標(biāo)方案》中對(duì)城鎮(zhèn)農(nóng)村生活污染源的調(diào)查結(jié)果，本次研究中對(duì)流域內(nèi)農(nóng)村地區(qū)最高日居民生活用水定額取60 L/(人·d)。

(5)生活污水產(chǎn)生系數(shù)γ。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[20]及《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50331-2002)》[21]，結(jié)合復(fù)州河流域生活實(shí)際情況，本次研究中城鎮(zhèn)居民生活污水產(chǎn)生系數(shù)取0.85，農(nóng)村居民生活污水產(chǎn)生系數(shù)取0.80。

(6)畜禽飼養(yǎng)周期tl。根據(jù)對(duì)復(fù)州河流域部分畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)地調(diào)查，考慮飼養(yǎng)品種、飼料類型，對(duì)本文涉及到的畜禽飼養(yǎng)周期取以下時(shí)間，其中肉牛、奶牛、蛋雞的飼養(yǎng)周期為365 d、肉雞飼養(yǎng)周期為60 d、生豬飼養(yǎng)周期為150 d。

(7)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)nl。表1為我國(guó)東北區(qū)域的禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)，根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[22]與《全國(guó)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查技術(shù)報(bào)告》[23]所確定。

表1 東北地區(qū)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù) g/(頭·d)Tab.1 Pollutant production coefficient of livestock and poultry breeding in Northeast China

(8)畜禽糞尿水體流失率λ。表2為畜禽糞便污染物進(jìn)入水體流失率，本次研究采取《全國(guó)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查技術(shù)報(bào)告》[23]中畜禽糞便污染物水體流失率。

表2 畜禽糞便污染物進(jìn)入水體流失率 %Tab.2 Loss rate of fecal pollutants from livestock and poultry entering water body

(9)養(yǎng)殖業(yè)干糞凈化工藝允許排水量標(biāo)準(zhǔn)值 。表3為畜禽養(yǎng)殖干糞凈化工藝允許排水量，采取《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18596-2001)》[24]中畜禽養(yǎng)殖業(yè)干糞凈化工藝允許排水量標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 畜禽養(yǎng)殖干糞凈化工藝允許排水量Tab.3 Allowable drainage of dry manure purification process for livestock breeding

(10)肥料的流失系數(shù) 。氮肥一般通過徑流、滲漏、揮發(fā)和反硝化等方式流失，其中徑流與滲漏占比最大。磷肥一般通過徑流、侵蝕和淋溶等方式流失，其中徑流占比最大。表4為東北地區(qū)地表徑流肥料流失系數(shù)，本次研究?jī)H考慮流入地表水體中的污染物含量，采用《第一次全國(guó)污染源普查----農(nóng)業(yè)污染源肥料流失系數(shù)手冊(cè)》[25]中東北地區(qū)半濕潤(rùn)地區(qū)地表徑流肥料流失系數(shù)。

表4 東北地區(qū)地表徑流肥料流失系數(shù) %Tab.4 Fertilizer loss coefficient of surface runoff in Northeast China

3 數(shù)據(jù)來源

收集流域污染數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確核算流域灰水足跡的重要基礎(chǔ)，本次研究采用2018年間復(fù)州河流域內(nèi)11個(gè)城鎮(zhèn)的污染數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容與來源見表5。

表5 本次研究相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容與來源Tab.5 Data content and source of this study

4 結(jié)果與分析

4.1 灰水足跡的量值與空間分布

4.1.1 工業(yè)灰水足跡

本次研究核算了2018年復(fù)州河流域22家大型企業(yè)灰水足跡，其中污水直接排放15家，經(jīng)污水處理廠處理后排放8家。以COD、氨氮、TN為污染物所計(jì)算的流域工業(yè)灰水足跡分別為0.039 億、0.116 億、0.272 億m3，由于水體可同時(shí)稀釋各類污染物，所以選擇TN為流域工業(yè)灰水足跡的決定性污染物。表6是以TN為污染物，對(duì)研究區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)具體工業(yè)灰水足跡量化得到的結(jié)果。由表6可知，復(fù)州河流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)灰水足跡為0～0.088 億m3，最大值為太陽(yáng)街道，達(dá)到0.088 億m3，得利寺鎮(zhèn)、松樹鎮(zhèn)與三臺(tái)子滿族鄉(xiāng)由于無(wú)大型排污企業(yè)，因此計(jì)算結(jié)果為0，處理后排放8家企業(yè)均地處瓦房店市區(qū)，工業(yè)灰水足跡共0.043 億m3。

表6 復(fù)州河流域工業(yè)灰水足跡Tab.6 Grey water footprint value of industrial in Fuzhou River Basin

圖2是以TN為污染物核算的研究區(qū)域工業(yè)灰水足跡空間分布圖。由圖2可知工業(yè)灰水足跡空間分布在流域內(nèi)有著明顯的差異，總體上呈現(xiàn)由河流中游向東北、西南方向降低的趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在復(fù)州河中游太陽(yáng)街道，達(dá)到了0.088 億m3，最低值出現(xiàn)在復(fù)州河上游松樹鎮(zhèn)為0 億m3。此外，復(fù)州河中游地區(qū)太陽(yáng)街道工業(yè)灰水足跡較高主要由于瓦房店龍城肉食品加工有限公司、大連中佳食品有限公司產(chǎn)生的污染負(fù)荷較大，而瓦房店市區(qū)主要由于供暖公司較多產(chǎn)生的污染負(fù)荷較大，但經(jīng)過龍山污水處理廠處理后灰水足跡明顯降低。

圖2 工業(yè)灰水足跡空間分布(單位：億m3)Fig.2 Spatial distribution of industrial grey water footprint

4.1.2 居民生活污染灰水足跡

本次研究核算了2018年復(fù)州河流域十一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)與農(nóng)村居民生活污染灰水足跡。人口數(shù)量是決定居民生活污染灰水足跡的主要因素。以COD、氨氮、TP為污染物所計(jì)算的流域居民生活污染灰水足跡分別為3.944 億、6.310 億、5.832 億m3，由于水體可同時(shí)稀釋各類污染物，所以選擇氨氮為流域居民生活污染灰水足跡的決定性污染物。表7是以氨氮為污染物，對(duì)研究區(qū)域城鎮(zhèn)與農(nóng)村居民生活污染灰水足跡量化得到的結(jié)果。由表7可知城鎮(zhèn)居民生活產(chǎn)生的灰水足跡約為農(nóng)村居民的5倍，達(dá)到了5.224 億m3，而農(nóng)村居民生活產(chǎn)生的灰水足跡僅1.086 億m3，瓦房店市區(qū)的居民產(chǎn)生的灰水足跡最高，約占到流域居民生活污染灰水足跡的82%，達(dá)到了5.124 億m3。

圖3是以氨氮為污染物核算的研究區(qū)域居民生活污染灰水足跡空間分布圖。由圖3可知，除瓦房店市區(qū)外，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)空間分布差異不大，總體呈現(xiàn)河流左岸高于河流右岸的狀態(tài)，沿河流自東向西先增加后減少，最高區(qū)域出現(xiàn)在河流中游瓦房店市區(qū)，為5.124 億m3，這種分布規(guī)律與研究區(qū)域的人口數(shù)量的空間分布規(guī)律較為一致，城鎮(zhèn)人口數(shù)量越高，居民生活污染灰水足跡越高，反之亦然。

圖3 居民生活污染灰水足跡空間分布(單位：億m3)Fig.3 Spatial distribution of domestic pollution grey water footprint

4.1.3 畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡

本次研究核算了2018年復(fù)州河流域5種畜禽養(yǎng)殖業(yè)(肉牛、奶牛、蛋雞、肉雞、生豬)灰水足跡。以COD、TN、TP為污染物所計(jì)算的流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡分別為9.015、9.90、13.027 億m3，由于水體可同時(shí)稀釋各類污染物，所以選擇TP為流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡的決定性污染物。表8是以TP為污染物，對(duì)研究區(qū)域養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡量化得到的結(jié)果。產(chǎn)生養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡量值最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為楊家滿族鄉(xiāng)，達(dá)到2.545 億m3，占總的養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡量值的19.5%。六類畜禽養(yǎng)殖中，肉雞的灰水足跡值最大，達(dá)到了8.623 億m3，占總的養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡量值的66%，各類畜禽的灰水足跡量值主要受到由飼養(yǎng)數(shù)量、飼養(yǎng)方法等因素的影響。

表8 復(fù)州河流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡Tab.8 Grey water footprint value of livestock breeding industry in Fuzhou River Basin

圖4是以總磷為污染物核算的研究區(qū)域畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡空間分布圖。由圖4可知，復(fù)州河流域養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡在流域上整體呈現(xiàn)下游西南部高于上游東北部的規(guī)律。較高值主要出現(xiàn)在下游地區(qū)，其中楊家滿族鄉(xiāng)的養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡最大，達(dá)到2.545 億m3；較低值主要出現(xiàn)在上游地區(qū)，其中得利寺鎮(zhèn)的養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡最小，僅0.158 億m3。流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡空間分布整體與流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量分布相似，肉雞與生豬的養(yǎng)殖對(duì)流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡影響最大。

圖4 畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡空間分布(單位：億m3)Fig.4 Spatial distribution of livestock breeding industry grey water footprint

4.1.4 種植業(yè)灰水足跡

本次研究核算了2018年復(fù)州河流域糧食作物、園林水果和經(jīng)濟(jì)作物3類種植業(yè)灰水足跡。以TN、TP為污染物所計(jì)算的流域種植業(yè)灰水足跡分別為9.616 億、0.602 億m3，由于水體可同時(shí)稀釋各類污染物，所以選擇TN為流域種植業(yè)灰水足跡的決定性污染物。表9是以TN為污染物，對(duì)研究區(qū)域種植業(yè)灰水足跡量化得到的結(jié)果。3類種植業(yè)灰水足跡差異不大，糧食作物對(duì)種植業(yè)灰水足跡貢獻(xiàn)最大，達(dá)到了4.032 億m3，占比約42%，園林水果和經(jīng)濟(jì)作物的灰水足跡占比為36%和22%。復(fù)州城鎮(zhèn)、太陽(yáng)街道與楊家滿族鄉(xiāng)產(chǎn)生的種植業(yè)灰水足跡最大，三者總占比約48.5%，達(dá)到了4.671 億m3。

表9 復(fù)州河流域種植業(yè)灰水足跡量值Tab.9 Grey water footprint value of planting industry in Fuzhou River Basin

圖5是以TN為污染物核算的研究區(qū)域種植業(yè)灰水足跡空間分布圖。由圖5可知，種植業(yè)灰水足跡在流域上整體呈現(xiàn)由南部向北部增加，由上游向下游升高的趨勢(shì)。最高值出現(xiàn)在中下游地區(qū)的復(fù)州城鎮(zhèn)，達(dá)到了1.615 億m3，而最低值出現(xiàn)在距離復(fù)州河干流最遠(yuǎn)的九龍街道，僅有0.154 億m3。流域種植業(yè)水足跡主要受到種植面積的影響，而水資源總量也在一定程度上決定了鄉(xiāng)鎮(zhèn)的種植業(yè)發(fā)展水平。

圖5 種植業(yè)灰水足跡空間分布(單位：億m3)Fig.5 Spatial distribution of planting industry grey water footprint

4.1.5 總灰水足跡

本次研究核算了2018年復(fù)州河流域工業(yè)、居民生活污染、養(yǎng)殖業(yè)和畜禽種植業(yè)灰水足跡，四類灰水足跡核算所選取的決定性污染物分別為TN、氨氮、TP和TN，對(duì)四項(xiàng)加和后得到復(fù)州河流域總灰水足跡。表10是研究區(qū)域的總灰水足跡量化結(jié)果。四類灰水足跡中，養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡產(chǎn)生量最大，達(dá)到13.027 億m3，而工業(yè)灰水足跡最小，僅有0.272 億m3。瓦房店市區(qū)受居民生活污染灰水足跡的影響，成為復(fù)州河流域灰水足跡最高的區(qū)域，達(dá)到了6.117 億m3，其次是楊家滿族鄉(xiāng)、復(fù)州城鎮(zhèn)和老虎屯鎮(zhèn)，為4.221 億、3.636 億和3.342 億m3，主要受到畜禽養(yǎng)殖業(yè)的影響。

表10 復(fù)州河灰水足跡量值Tab.10 Grey water footprint value of Fuzhou River Basin

圖6是流域總灰水足跡空間分布圖。由圖6可知，流域總灰水足跡整體呈現(xiàn)由中下游地區(qū)高于上游地區(qū)的分布規(guī)律。其中瓦房店市區(qū)的灰水足跡最大，達(dá)到了6.117 億m3，而位于河流上游的得利寺鎮(zhèn)與松樹鎮(zhèn)灰水足跡較小，分別為0.769 億與0.727 億m3，同時(shí)對(duì)比前述的居民生活污染、畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡，流域總灰水足跡的空間分布規(guī)律與其相似，說明這兩項(xiàng)對(duì)流域總灰水足跡影響較大。

圖6 灰水足跡空間分布(單位：億m3)Fig.6 Spatial distribution of grey water footprint

4.2 復(fù)州河流域水環(huán)境評(píng)價(jià)

由上述分析可知，復(fù)州河流域水環(huán)境關(guān)鍵污染物主要為氮磷元素，磷元素污染主要來源于畜禽養(yǎng)殖業(yè)，氮元素的污染主要來源于種植業(yè)與居民生活污染，而工業(yè)污染對(duì)流域水環(huán)境影響并不嚴(yán)重。流域內(nèi)，瓦房店市區(qū)污染最為嚴(yán)重，主要由居民生活污染引起；楊家滿族鄉(xiāng)、復(fù)州城鎮(zhèn)與老虎屯鎮(zhèn)污染也較為嚴(yán)重，主要由養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)引起。在灰水足跡核算的基礎(chǔ)上，采用流域水污染程度(WPL)為指標(biāo)，以整體流域?yàn)樵u(píng)價(jià)單元，利用公式(13)可計(jì)算復(fù)州河流域水污染程度為846.35%，這說明流域現(xiàn)有的水質(zhì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地表Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)，污染情況比較嚴(yán)重，僅靠天然來水量無(wú)法恢復(fù)流域水質(zhì)，甚至以現(xiàn)有流域污染源狀況，流域水質(zhì)污染情況有可能進(jìn)一步惡化。

4.3 建 議

復(fù)州河流域水污染目前情況不容樂觀，應(yīng)當(dāng)控制種植業(yè)面源污染、推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖污染處理、強(qiáng)化城鎮(zhèn)生活污水治理，通過科學(xué)的種植、養(yǎng)殖與污水處理措施，減少流域灰水足跡，改善流域水質(zhì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于灰水足跡理論，以復(fù)州河流域內(nèi)11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究單元，分別從工業(yè)、居民生活、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)4個(gè)污染源分析了2018年復(fù)州河流域灰水足跡量值與空間特征，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步核算了流域水污染程度，對(duì)復(fù)州河流域水環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)。主要研究結(jié)論如下。

(1)灰水足跡量化與空間分布結(jié)果。2018年復(fù)州河流域灰水足跡為29.23 億m3，其中工業(yè)灰水足跡為0.27 億m3，居民生活污染灰水足跡為6.31 億m3，畜禽養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡為13.03 億m3，種植業(yè)灰水足跡為9.62 億m3。灰水足跡量值較低的城鎮(zhèn)有得利寺鎮(zhèn)、松樹鎮(zhèn)與瓦窩鎮(zhèn)，大約在0.5～2 億m3；灰水足跡量值處于正常水平的城鎮(zhèn)為趙屯鄉(xiāng)、九龍街道、太陽(yáng)街道與三臺(tái)子滿族鄉(xiāng)；灰水足跡量值較高的城鎮(zhèn)有太陽(yáng)街道、老虎屯鎮(zhèn)、復(fù)州城鎮(zhèn)與楊家滿族鄉(xiāng)，大約在3～4 億m3；瓦房店市區(qū)灰水足跡已超過6 億m3，屬于超高水平。從空間分布結(jié)果來看，流域灰水足跡整體沿河流自上游向下游逐漸遞增，在入海口處有所降低。

(2)復(fù)州河流域水污染程度。2018年復(fù)州河流域水污染程度為846.35%，流域內(nèi)地表水納污能力已全部耗盡，無(wú)法吸收凈化流域內(nèi)每年產(chǎn)生的污染物數(shù)量。流域特征污染物為氮、磷污染，主要來自種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)與居民生活污染。養(yǎng)殖業(yè)污染是造成流域灰水足跡較高的主要因素，此外，灰水足跡超高水平的瓦房店地區(qū)主要由居民生活污染造成，灰水足跡較高的太陽(yáng)街道、楊家滿族鄉(xiāng)、復(fù)州城鎮(zhèn)與老虎屯鎮(zhèn)主要由養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)污染造成。

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