基于“灰水足跡”測(cè)度的河北省水污染評(píng)估及影響因素

殷阿娜，盧改娟，王殿茹

(河北地質(zhì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北 石家莊 050031)

水資源是一切生物賴以生存的基本資源，水資源短缺與水污染已成為全世界范圍內(nèi)較為普遍的問(wèn)題。河北省位于中國(guó)華北地區(qū)北部，生態(tài)環(huán)境脆弱，長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)粗放式發(fā)展導(dǎo)致河北省水資源污染嚴(yán)重、土壤重金屬化和大氣霧霾頻現(xiàn)等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出。2020年河北省水資源總量為146.26億立方米，全省總用水量182.77億立方米，水資源供需缺口達(dá)36.51億立方米，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)用水量占比分別為59%、10%和31%[1]；2020年河北省監(jiān)測(cè)的210個(gè)地表水控?cái)嗝嬷?，達(dá)到或好于Ⅲ類的水質(zhì)斷面比例為65.24%，Ⅳ類水質(zhì)斷面比例為26.19%，Ⅴ類水質(zhì)斷面比例為6.19%，劣Ⅴ類水質(zhì)斷面比例為2.38%，水污染治理工作依然任重而道遠(yuǎn)[2]。因此，只有全面認(rèn)識(shí)河北省區(qū)域水資源污染來(lái)源及水污染發(fā)展趨勢(shì)，才能強(qiáng)化水資源環(huán)境的精準(zhǔn)治理與生態(tài)保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)人類發(fā)展與生態(tài)和諧的“美麗河北”的重大區(qū)域目標(biāo)。

水污染評(píng)價(jià)方法主要有兩類：一類是統(tǒng)計(jì)指標(biāo)法，主要包括單因子評(píng)價(jià)法、水污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法[3-5]，這類方法優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單和應(yīng)用廣泛，缺點(diǎn)是指標(biāo)設(shè)計(jì)的科學(xué)性容易受到質(zhì)疑，以及評(píng)估結(jié)果難以實(shí)現(xiàn)可比及推廣應(yīng)用；另一類是“灰水足跡”法，“灰水足跡”概念界定清晰、計(jì)算方法可操作性強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)時(shí)空水資源質(zhì)量對(duì)比分析，已成為水污染評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于全球水資源、流域及區(qū)域水污染的評(píng)價(jià)中[6-9]。

本文以河北省水污染為研究對(duì)象，以2000—2019年為研究時(shí)間跨度，以區(qū)域“灰水足跡”為研究方法，通過(guò)對(duì)產(chǎn)業(yè)細(xì)化領(lǐng)域測(cè)度，科學(xué)評(píng)估2000—2019年河北省區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所造成的水污染狀況，在此基礎(chǔ)上，使用IPAT及LMDI分解法，探討河北省水污染問(wèn)題及其關(guān)鍵影響因素，以期為河北省“十四五”時(shí)期進(jìn)一步加強(qiáng)水污染治理與水安全戰(zhàn)略，提供可參考的政策建議。

1 “灰水足跡”的概念與內(nèi)涵

“灰水足跡”起源于“水足跡”概念。荷蘭學(xué)者Hoekstra[10]于2002年基于“虛擬水”和“生態(tài)足跡”理論，首次提出“水足跡”概念：水足跡為一個(gè)國(guó)家、地區(qū)或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量。隨后，在“水足跡”研究中，依據(jù)水源不同，水足跡進(jìn)一步被分為藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡。Hoekstra等[11]在2008年出版的著作《水的全球化：共享地球的淡水資源》中對(duì)“灰水足跡”的概念進(jìn)行了界定，認(rèn)為“灰水足跡”是“排放到水體的污染負(fù)荷除以污染物的最大容許濃度”。2010年，由Hoekstra教授領(lǐng)導(dǎo)的水足跡網(wǎng)絡(luò)(WFN)對(duì)“灰水足跡”概念進(jìn)行了完善，將“灰水足跡”正式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體積[12]。其科學(xué)內(nèi)涵主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是“灰水足跡”引入到水污染治理的產(chǎn)業(yè)鏈思想，將人類活動(dòng)的水污染物排放量嵌入到淡水資源消耗中，為解釋人類生產(chǎn)活動(dòng)與淡水使用之間的關(guān)系提供了更廣闊的視角；二是“灰水足跡”改進(jìn)了衡量區(qū)域、流域等空間水污染狀況的評(píng)價(jià)方法，結(jié)合水污染量-時(shí)間-空間三個(gè)維度，考量長(zhǎng)期稀釋污染物所需的水資源體積，更好地反映了區(qū)域或流域內(nèi)水污染現(xiàn)狀及水資源安全問(wèn)題。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 河北省“灰水足跡”的測(cè)度方法

為了真實(shí)反映河北省水資源污染狀況，本文從農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)3個(gè)產(chǎn)業(yè)部門分別進(jìn)行灰水足跡測(cè)度。

2.1.1 農(nóng)業(yè)灰水足跡農(nóng)業(yè)可劃分為種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)，其污染屬于面源污染，相比點(diǎn)源污染更復(fù)雜，記為GWFn1。由于種植業(yè)對(duì)區(qū)域地下水或地表水的污染主要來(lái)源于化肥使用量，因此本文選用氮肥淋失率來(lái)測(cè)算種植業(yè)所產(chǎn)生的水體污染物。種植業(yè)面源污染的灰水足跡(GWFn1)測(cè)度公式如式(1)：

(1)

式(1)中：GWFn1指農(nóng)業(yè)種植部門的灰水足跡(m3)；變量M表示農(nóng)業(yè)年度施肥的總量(kg)；k表示氮肥淋失率，借鑒我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和徐鵬等[13]對(duì)華北平原農(nóng)田硝態(tài)氮淋溶率的研究，本文氮肥淋失率k設(shè)定為16%；Cmax為污染物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度(kg/m3)，根據(jù)我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，氨氮的標(biāo)準(zhǔn)濃度限值為10 mg/L(即Cmax=0.01 kg/m3)；Cnat為水體中污染物的初始濃度，設(shè)定為0。

在養(yǎng)殖業(yè)中，由放牧、圈養(yǎng)等活動(dòng)導(dǎo)致的糞便也造成了嚴(yán)重的水污染。本文選用豬、羊、牛、馬、驢、騾、家禽排泄物作為主要研究對(duì)象，養(yǎng)殖業(yè)面源污染的灰水足跡計(jì)算公式如式(2)：

(2)

式(2)中：GWFn2指農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖部門的灰水足跡(m3)；GWFn2i指豬、羊、牛、馬、驢、騾、家禽灰水足跡(m3)；變量D表示牲畜年末存欄量(頭/只)；MC/MS表示河北省與全國(guó)總的肉類產(chǎn)量的比值；Pi、pi、Ki分別指牲畜年均排泄量、回收處理率、氮流失系數(shù)，牲畜排泄與氮流失系數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于第二次全國(guó)污染源普查養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)業(yè)排污系數(shù)手冊(cè)，如表1所示。

表1 牲畜排泄與氮流失系數(shù)

2.1.2 工業(yè)和服務(wù)業(yè)的灰水足跡工業(yè)和服務(wù)業(yè)的水污染隸屬于點(diǎn)源污染，可直接采用灰水足跡的一般測(cè)算方法，記為GWFg(s)，如式(3)所示：

(3)

式(3)中：GWFg(s)是工業(yè)(或服務(wù)業(yè))灰水足跡(m3)；L是部門排污量(kg)，本文選用工業(yè)和服務(wù)業(yè)化學(xué)需氧量(COD)指標(biāo)來(lái)代表；ρmax為污染物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度(kg·m-3)，根據(jù)我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，選取滿足人民需求的最低標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為本文水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，其COD的標(biāo)準(zhǔn)濃度為20 mg/L(ρmax=0.02 kg·m-3)；ρnat指受納水體的自然底本質(zhì)量濃度(kg·m-3)，水體中污染物的初始濃度即ρnat設(shè)定為0。

2.1.3 河北省區(qū)域內(nèi)灰水足跡將河北省農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)三個(gè)部門灰水足跡求和，即可求得河北省區(qū)域灰水足跡，計(jì)算公式如式(4)：

GWF=GWFg+GWFs+GWFn

(4)

2.2 河北省水污染影響因素分析

為了進(jìn)一步分析河北省水污染的關(guān)鍵影響因素，本文借鑒美國(guó)著名人口學(xué)家Ehrlich等[14]提出的IPAT恒等式，將該模型應(yīng)用于水污染影響因素分解，如式(5)所示。其中，GWFt為第t年的河北省灰水足跡(億m3)；Pt為第t年河北省人口數(shù)量(萬(wàn)人)；At為第t年河北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度(萬(wàn)元/人)；Tt為第t年河北省水處理技術(shù)水平；GDPt為第t年河北省國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(億元)。

(5)

再依據(jù)LMDI[15-16]分解法，對(duì)式(5)中影響河北省水污染的人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步因素進(jìn)行定量化分解，如式(6)和式(7)。其中，GWFt、GWFt-1分別表示第t年和第t-1年的灰水足跡；ΔGP、ΔGA、ΔGT分別表示人口規(guī)模效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展效應(yīng)、技術(shù)進(jìn)步效應(yīng)。若效應(yīng)為正值，表示驅(qū)動(dòng)因素的變化促使灰水足跡增加，為增量效應(yīng)，反之，為減量效應(yīng)。

ΔGWF=GWFt-GWFt-1=ΔGP+ΔGA+ΔGT

(6)

(7)

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與整理

本文使用灰水足跡測(cè)度法分析河北省水污染的時(shí)空演變，使用IPAT和LMDI分解法研究河北省水污染的主要影響因素，時(shí)間范圍為2001—2019年。其中，氮肥施用量、復(fù)合肥施用量、工業(yè)生活COD排放量、牲畜(豬、羊、牛、馬、驢、騾、家禽)期末數(shù)量、河北省和全國(guó)肉類產(chǎn)量、第一二三產(chǎn)業(yè)增加值、人口等數(shù)據(jù)來(lái)源于歷年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》《河北省水資源公報(bào)》和《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》。部分缺失數(shù)據(jù)采用均值插補(bǔ)法填補(bǔ)，三次產(chǎn)業(yè)增加值和河北省GDP總量以2000年為基期進(jìn)行了價(jià)格指數(shù)調(diào)整。

3 實(shí)證結(jié)果與分析

3.1 河北省水污染評(píng)估結(jié)果

從河北省三次產(chǎn)業(yè)水污染狀況來(lái)看，2000—2019年，在河北省區(qū)域人類生產(chǎn)活動(dòng)造成的灰水足跡總量中，農(nóng)業(yè)灰水足跡年貢獻(xiàn)率最高，平均年貢獻(xiàn)率為53.42%，其次為服務(wù)業(yè)和工業(yè)，服務(wù)業(yè)和工業(yè)灰水足跡年平均貢獻(xiàn)率分別為24.51%和22.07%；2000—2019年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的灰水足跡量平穩(wěn)中略有下降，農(nóng)業(yè)灰水足跡年均在280億m3左右，2018年和2019年略有下降；工業(yè)生產(chǎn)造成的灰水足跡量呈現(xiàn)逐年減少的良好發(fā)展趨勢(shì)，從2000年工業(yè)灰水足跡高達(dá)174億m3降至59億m3，年均下降速度為5.5%；服務(wù)業(yè)生產(chǎn)造成的灰水足跡量呈現(xiàn)先增后降的發(fā)展趨勢(shì)，2007年后服務(wù)業(yè)年新增灰水足跡超過(guò)工業(yè)年新增灰水足跡，2008年后河北省服務(wù)業(yè)灰水足跡也呈現(xiàn)出逐年下降的良好趨勢(shì)。

3.2 河北省水污染影響因素實(shí)證分析

采用IPAT和LMDI分解法，對(duì)2000—2019年河北省灰水足跡變化因素進(jìn)行實(shí)證分析，實(shí)證結(jié)果如表2所示，可以看出：2000—2019年，人口規(guī)模和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)河北省灰水足跡的變化起到增量驅(qū)動(dòng)作用，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是造成河北省水污染即灰水足跡增加的主要因素，對(duì)新增灰水足跡產(chǎn)生量的年貢獻(xiàn)率平均為93%，而人口規(guī)模對(duì)灰水足跡年增加量貢獻(xiàn)率平均為7%。但隨著時(shí)間推移，河北省人口規(guī)模與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)區(qū)域灰水足跡的增量效應(yīng)呈逐年減少的發(fā)展趨勢(shì)，2001—2019年河北省人口規(guī)模與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)灰水足跡的邊際增量年平均下降率為4.2%和4.4%。2000—2019年，技術(shù)進(jìn)步對(duì)河北省灰水足跡的變化起到減量驅(qū)動(dòng)作用，即技術(shù)進(jìn)步是降低河北省水污染的關(guān)鍵因素，2007年后，河北省技術(shù)進(jìn)步對(duì)灰水足跡的減量效應(yīng)大于其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)導(dǎo)致的水污染增量效應(yīng)，但技術(shù)進(jìn)步的邊際水污染減量效應(yīng)近年來(lái)有所降低。

表2 2001—2019年河北省灰水足跡影響因素LMDI分析結(jié)果

4 結(jié)論與建議

4.1 研究結(jié)論

本文借助灰水足跡法，以河北省為研究對(duì)象，評(píng)估了河北省區(qū)域內(nèi)人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)水資源的污染狀況及變化趨勢(shì)，探討了人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和技術(shù)進(jìn)步對(duì)河北省區(qū)域水污染的影響效應(yīng)。主要研究結(jié)論有：1)2000—2019年，河北省灰水足跡呈現(xiàn)顯著的倒U型曲線特征，2007年后河北省每年新增灰水足跡以年均7.7%的速度逐年下降，水污染狀況明顯改善。2)三次產(chǎn)業(yè)中，河北省農(nóng)業(yè)灰水足跡貢獻(xiàn)率最高，年貢獻(xiàn)率為50%～60%，2007年后服務(wù)業(yè)灰水足跡年貢獻(xiàn)率超過(guò)工業(yè)年貢獻(xiàn)率，2019年河北省服務(wù)業(yè)和工業(yè)灰水足跡貢獻(xiàn)率分別為26.09%和14.43%。3)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是導(dǎo)致河北省區(qū)域水污染增加的主要因素，其灰水足跡年均貢獻(xiàn)率高達(dá)93%；人口規(guī)模的上升導(dǎo)致水污染問(wèn)題加劇，其灰水足跡年均貢獻(xiàn)率為7%；長(zhǎng)期持續(xù)性技術(shù)進(jìn)步有效降低了河北省區(qū)域灰水足跡、提升了水資源質(zhì)量，但近年來(lái)技術(shù)進(jìn)步的邊際效應(yīng)有所減弱。

4.2 政策建議

基于以上研究，為進(jìn)一步改善河北省水污染現(xiàn)狀和保障水資源安全，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)人口、經(jīng)濟(jì)與水資源健康協(xié)調(diào)發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)建議：1)重點(diǎn)瞄準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和服務(wù)業(yè)，強(qiáng)化重點(diǎn)領(lǐng)域水污染監(jiān)督管理。轉(zhuǎn)變以工業(yè)為主的環(huán)境治理模式，樹立科學(xué)性治污、動(dòng)態(tài)化調(diào)整治理模式。河北省目前應(yīng)以農(nóng)業(yè)和服務(wù)業(yè)為水污染治理重點(diǎn)領(lǐng)域，構(gòu)建重點(diǎn)領(lǐng)域水污染監(jiān)督管理制度體系，加強(qiáng)頂層規(guī)劃與機(jī)制構(gòu)建。2)有效融入“京津冀”協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)建水污染協(xié)同治理體系。積極構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的“京津冀”立體環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和風(fēng)險(xiǎn)管理模式，實(shí)現(xiàn)“京津冀”環(huán)保、國(guó)土、氣象、水利和環(huán)境科研系統(tǒng)資源與信息共享，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域統(tǒng)一聯(lián)合監(jiān)察執(zhí)法。3)加快推進(jìn)數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用，打造“數(shù)字+”產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。以數(shù)字化轉(zhuǎn)型和新一代信息技術(shù)為動(dòng)力，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以數(shù)字化新模式提高綠色轉(zhuǎn)型效益，有效減少區(qū)域水污染。4)大力促進(jìn)政策融合創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)政策聯(lián)動(dòng)高效率精準(zhǔn)治污。水污染與空氣污染、土壤污染在物理上具有連鎖反應(yīng)和相互影響，在“雙碳”目標(biāo)背景下，加強(qiáng)大氣、土壤和水環(huán)境監(jiān)督的綜合治理，提升政策實(shí)施效率，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的整體改善。