一种改进的灰水足迹计算方法
王丹阳1, 李景保1,*, 叶亚亚1, 谭芬芳1,2
1. 湖南师范大学 资源与环境科学学院,长沙 410081
2. 长沙市环境科学研究所,长沙 410001

第一作者简介:王丹阳(1990- ),男,山东泰安人,硕士,研究方向为水污染和水资源保护。E-mail:danyang 144@163.com

*通信作者简介:李景保(1951- ),男,湖南郴州人,教授,研究方向为水循环及水资源保护。E-mail:lijingbao 1951@126.com

摘要

灰水足迹是为达到一定水质标准,将污染物稀释至该标准允许下最大浓度所需的水量。灰水足迹理论为定量评估水环境污染提供了新方法,但在实际计算中,由于未考虑对污染物的稀释实际由不同水体完成,且存在将污染物排放量大等同于产生的灰水足迹大的混淆,结果往往不够准确,也不能反映不同水体的污染程度。鉴于此,提出改进的灰水足迹计算方法,将污染物分解到不同水体,计算各水体的灰水足迹,再求和得到总灰水足迹,以湖南省为例进行实证分析。结果显示,近29 a来湖南省灰水足迹呈递增趋势,地表水与地下水灰水足迹之比约为7:3;地表水灰水足迹先后由氨氮和磷决定,地下水始终由磷决定;地表水环境荷载指数相对较低,环境状况优于地下水。

关键词: 水环境污染; 灰水足迹; 地表水; 地下水
中图分类号:X502;TV213.4 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2015)12-2120-11
An Improved Calculation Method of Grey Water Footprint
WANG Dan-yang1, LI Jing-bao1, YE Ya-ya1, TAN Fen-fang1,2
1.College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China
2.Changsha Institute of Environmental Science, Changsha 410001, China
Abstract

Presented by Hoekstra in 2002, grey water footprint is a method which describes the pollution status in quantitative way. Grey water footprint is defined as the fresh water volume needed to dilute the pollutant to the maximum concentration allowed by relevant water quality standards. Although this theory provides a new way to assess the condition of water environment pollution, it has several problems when taken in practical application. Firstly, the traditional grey water footprint computation does not consider the fact that the pollutant is usually diluted by different water bodies, so the result figured out only shows the total grey water footprint but fails to reflect the pollution severities of different water bodies; secondly, equating massive discharge of pollutant with large grey water footprint can lead to an incorrect computing result of grey water footprint. On account of these reasons, an improved computing method of grey water footprint is hereby presented. The improved method is a two-step ap-proach, which takes into consideration the fact that the same pollutant can be diluted by several water bodies, and attaches much importance to different demands on different pollutants by water quality standard, thus it can distinguish the two concepts of large grey water footprint and massive discharge of pollutant. The improved method firstly divides the whole quantity of discharged pollutant into several different water bodies and calculates the grey water footprint of each water body based on the “maximal counts” principle, and then sums up the grey water footprints of different water bodies to get the final grey water footprint. The concept of water environment load index is also introduced, and it is defined as the ratio between grey water footprint value of certain water body and volume of that water body. The improved method can not only describe the distribution of certain pollutant in different water bodies such as river, lake, sea, reservoir and underground water, etc. and demonstrate the combination structure of pollutants in certain water body, but also reflect the pollution severities of different water bodies, so it makes the result more accurate. After empirical analysis of Hunan province with the improved grey water footprint, the following results are obtained: during the years 1985-2013, the grey water footprint increased from 133.0 billion to 224.8 billion cubic meters with a steady annual growth rate of 1.89%, and the grey water footprint of surface water accounted for 70%, while the underground water for 30% approximately. The grey water footprint of surface water was determined by ammonia nitrogen in 1985-1991 and by phosphorus in 1992-2013, while the grey water footprint of underground water was always determined by phosphorus in 1985-2013. During the 29 years, the environment load index of surface water was always lower than that of underground water, and the difference between the two varied from 0.41 to 1.03 then to 0.76 demonstrating an inverted U shape. It means that the environment condition of surface water was better than that of underground water during the research time period, and the gap firstly increased and then decreased.

Keyword: water environment pollution; grey water footprint; surface water; underground water

灰水足迹是一种定量描述水环境污染状况的方法。Hoekstra[1]于2002年最早提出其概念, 定义为以某类水质标准为基准, 将一定负荷的污染物稀释至该标准允许下的最大浓度时所需的淡水水量[2]。传统的灰水足迹认为同一水体可以稀释不同污染物, 不同污染物所需的稀释水量不具有叠加性, 在计算中将灰水足迹确定为由需要最大稀释水量的污染物决定[3, 4, 5]。但实际上, 同一污染物通常都是由不同水体分别稀释的。举例来说, 农业和工业生产都会产生氨氮, 但前者主要由土壤水和地下水稀释, 后者则一般由地表河湖水稀释[6, 7]。如果按照简单的“ 最大决定” 原则计算灰水足迹, 可能会导致结果出现偏差, 并掩盖一些水体受到污染的严重程度。因此, 本文提出一种新的灰水足迹计算方法, 即先以某类水体中需要稀释水量最大的污染物确定该类水体的灰水足迹, 再将各水体的灰水足迹代数相加, 得到总的灰水足迹, 并以湖南省为例, 参考1985— 2013年的污染物排放数据, 使用新的方法计算该省近29 a来的灰水足迹, 进行实证分析。

1 传统灰水足迹
1.1 基本理论和计算

传统的灰水足迹理论认为水体对污染物的稀释并不唯一, 已稀释一种污染物的水体仍可继续稀释另一种污染物, 最终的灰水足迹由造成灰水足迹最大的污染物决定。根据Hoekstra等著的《水足迹评价手册》[2], 现行灰水足迹计算方法如下:

总灰水足迹:

G=max{Pg1, Pg2, , Pgm}(1)

其中:

Pgi=PliCi-max-Ci-net(i=1, 2, , m)(2)

式中:G为总灰水足迹(m3), Pgi为第i种污染物的灰水足迹(m3), Pli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-net为第i种污染物在受纳水体中的初始浓度(kg/m3), 一般以零计入[3, 8]

1.2 实际应用情况

灰水足迹理论提出后, 引起了包括联合国环境规划署(UNEP)、联合国粮农组织(FAO)和世界粮食计划署(WFP)等多个国际组织和相关领域内国内外学者的重视。UNEP[9]在其公共网站公布了全球五大洲的人均灰水足迹; Chapagain等[10]评估了世界范围内棉花生产的灰水足迹; 盖力强等[11]讨论了华北地区小麦和玉米作物的灰水足迹。

在讨论造成灰水足迹的污染物时, 学者普遍从工业、农业和生活三个部门进行分 析[12, 13, 14, 15, 16]。在工业和生活部门, 由于化学需氧量(COD)在所有污染物排放量中占比重最大, 所以计算稀释COD所需的水量作为这两部门的灰水足迹。在农业部门, 一般认为化肥施用是主要污染源, 而氮肥施用量最多, 故计算稀释氮素污染消耗的水量作为农业部门的灰水足迹。其他工农业和生活产生的污染物则被认为因排放量相对较小, 造成的灰水足迹不会超过COD和氮素, 不会对总的灰水足迹计算结果产生影响, 所以不予考虑。之后, 比较工业和生活部门COD的灰水足迹和农业部门氮素的灰水足迹, 取较大者为总灰水足迹。

在确定水质环境标准时, 以往研究通常以《地表水环境质量标准》(GB 3838— 2002)[17](以下简称《地表水标准》)中的地表水III类水质规定的各类污染物的浓度上限作为Cmax代入公式计算, 不考虑其他水体的水质标准。

1.3 存在的问题

传统的灰水足迹计算主要存在以下几个问题:

第一, 未考虑对污染物的稀释实际上是由不同水体完成。以居民生活中的衣物洗涤为例, 居住在河流附近的居民倾向于使用河水洗涤衣物, 洗衣粉中所含的磷酸盐多被河流带走, 而居住在湖泊附近的居民则多使用湖水, 磷酸盐多为湖泊所接纳。这样, 污染物同样是磷酸盐, 但却分别被河流水和湖泊水受纳和稀释。传统的灰水足迹在计算中并未区分不同水体对污染物的分别稀释, 这就有可能使计算结果不够准确, 并掩盖某些水体的实际污染状况。举例来说, 已知《地表水标准》中III类水质对氰化物浓度的要求为不超过0.2 mg/L(20 t/108m3), 假若有10 t和30 t的氰化物分别进入水量均为1× 108m3的河流水和湖泊水中, 按照传统计算方法, 不考虑受纳污染物的水体不同, 要将这40 t氰化物稀释至20 t/108m3, 刚好需要2× 108m3的水量, 换句话说, 以现有的河流湖泊水体水量之和, 正好可以将这40 t氰化物稀释至达到III类水质标准。而若考虑实际上氰化物被不同水体稀释这一事实, 则会发现, 10 t氰化物进入1× 108m3的河流水, 其浓度已然在III类水质标准之内, 而即使1× 108m3的湖泊水全部用做稀释, 排入湖泊的氰化物浓度也无法达到标准。因此, 忽视对污染物的稀释由不同水体完成这一事实, 可能会掩盖某些水体的实际污染状况。

第二, 将污染物排放量大等同于产生的灰水足迹大。水质标准对不同污染物的浓度要求不同, 这可能会抵消污染物排放量的差别。举例来说, 《地表水标准》中III类水质对地表水中COD的浓度要求为不超过20 mg/L(2 000 t/108m3), 对汞的浓度要求为不超过0.000 1 mg/L(0.01 t/108m3), 假若实际排入河流的COD和汞类分别为20 t和0.1 t, 则稀释COD和汞类产生的灰水足迹分别为0.01× 108m3和10× 108m3, 所以尽管汞类的排放量仅为COD的0.5%, 但却成为了决定灰水足迹的污染物。可见, 如果简单将总排放量中占比例不大的污染物予以排除, 就有可能导致计算结果出现偏误。

第三, Cmax的选择标准唯一化。由于未区分稀释污染物的水体的不同, 以往的研究都简单参照《地表水标准》确定Cmax。而事实上, 不同水体的环境标准是有区别的, 以磷素为例, 要达到III类水质, 河流水中磷素的浓度需不超过0.2 mg/L, 而湖泊水库水则为0.05 mg/L, 倘若参考河流水的标准计算湖库水的灰水足迹, 会使结果偏小, 导致对湖库水体的污染状况估计较实际乐观, 而若参考湖库水体的浓度标准计算河流水的灰水足迹, 则会使得结果偏大, 导致对河流水体的污染状况估计较实际悲观。因此, 不同的水体使用同样的质量标准计算, 也会影响结果的准度。

2 改进的灰水足迹
2.1 基于不同受纳水体的灰水足迹计算

为解决上述问题, 考虑到同一污染物的受纳水体的不唯一性, 并且不同水体用于稀释污染物的水量即灰水足迹可以叠加, 本文提出一种基于不同受纳水体的改进的灰水足迹计算公式:

总灰水足迹由各水体灰水足迹求和得到:

G=Wgj(j=1, 2, , n)(3)

某类水体的灰水足迹:

Wgj=max{Pg1j, Pg2j, , Pgmj}(4)

其中:

Pgij=PlijCij-max-Cij-net(i=1, 2, , mj=1, 2, , n)(5)

且:

Plij=λij·TPli(6)

式中:Wgj为第j种水体的灰水足迹, Pgij为第i种污染物造成的第j种水体的灰水足迹, Plij为第i种污染物在第j种水体中的排放量, Cij-max为环境水质标准允许的第i种污染物在第j种水体中的最大浓度, Cij-net为第i种污染物在第j种水体中的初始浓度, 仍以零计入, TPli为第i种污染物的总排放量, λ ij为第i种污染物的总排放量分解到第j种水体中的比例系数。

此外, 由于大气圈、岩石圈和生物圈的阻滞, 一些污染物只以总排放量的一定比例进入各类水体, 记这一比例为流失率, 这时公式(6)变为:

Plij=λij·μi·TPli(7)

其中μ i为第i种污染物的流失率, 其他同上。

使用公式(3)至(7)计算灰水足迹, 先将污染物分解到不同的受纳水体, 再确定每一受纳水体稀释各类污染物所需的水量并以最大者作为该类水体的灰水足迹, 最后将所有水体的灰水足迹相加, 得到最终灰水足迹。相比传统的计算方法, 改进后的灰水足迹在计算过程中不仅能够描述某一污染物在江、河、湖、海、冰川、积雪、水库、池塘、地下水和大气水中的不同分布状况, 还能够描述造成上述这些水体污染的污染物组合特征; 而在计算结果上, 改进后的灰水足迹不仅使得到的结果更准确, 还能反映和比较不同水体环境受到污染的程度。

2.2 水环境荷载指数

为更好地通过灰水足迹反映各水体的污染程度, 提出水环境荷载指数(Lwe)。定义水环境荷载指数为污染物对某类水体造成的灰水足迹(Wg)与该类水体水量(Q)的比值:

Lwe=WgQ(8)

水环境荷载指数反映水体受到污染程度的大小, 取值范围为(0, +∞ )。当这一指数大于1时, 说明对于某类水体来说, 现有的水量已无法将其中的污染物浓度稀释至环境标准以内。指数越大, 水体受到污染就越严重。

3 实证分析— — 以湖南省为例
3.1 研究区域概况和数据来源

湖南省地处我国中部, 长江中游地区, 属亚热带季风气候, 四季分明, 雨热同期, 年降水量在1 200~1 700 mm之间, 湘、资、沅、澧四水是其主要河流。全省面积约21.18× 104km2, 2013年总人口7 147.28× 104人, 其中城镇人口3 427.84× 104人; 实现地区生产总值24 500× 108元, 公共财政收入3 315× 108元, 三次产业比重为13:47:40; 排放化学需氧量(COD)124.9× 104t, 氨氮15.77× 104t。

受到资料数据的限制, 在下面计算中, 水体只区分为地表水和地下水, 即令j=2, 污染物只考虑工业、农业和居民生活三部门产生的可获得较全面数据的污染物, 地表和地下水体的水资源量以多年平均值计入。

我国《地下水质量标准》(GB/T 14818— 9)[18]和《地表水环境质量标准》(GB 3838— 2002)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地表和地下水体中的环境浓度上限(Cmax)。相关计算数据来自《湖南省统计年鉴》、《湖南农村统计年鉴》、《湖南省环境状况公报》和《湖南省水资源公报》。

3.2 污染物的选择及面向受纳水体的分解

理论上说, 考虑到排放量小的污染物造成的灰水足迹未必小, 应尽量将全部污染物纳入计算, 但是这就造成了工作量的增大。因此, 在计算前可以先按照下面的公式排除一些污染物:

w=PlxjPlyj-Cxj-maxCyj-max(9)

式中:PlxjPlyj分别为xy两种污染物排放到第j种水体的量, Cxj-maxCyj-max分别为水质环境标准允许的xy两种污染物在第j种水体中的最大浓度。若ω < 0, 排除污染物x, 即计算第j种水体的灰水足迹时不考虑污染物x; 若ω > 0, 排除污染物y; 若ω =0, 则意味着xy两种污染物造成的第j种水体的灰水足迹相等, 需再与其他污染物进行比较。

根据公式(9), 并考虑数据的可得性, 选取工业和生活部门的COD和氨氮(主要是NH4+和NH3), 农业部门的硝态氮(NO3--N)、磷、石油类和COD共五类污染物进行分析。

工业生产和居民生活产生的主要是点源污染, 污染物由固定的排水管道进入河湖中。COD是以化学方法处理水样时消耗氧化剂的数量, 反映水体中还原性污染物的多少, 在工业和生活部门排放的污染物中所占比重最大, 除此之外氨氮也占有一定的比重。点源污染的污染物不存在部分流失情况, 因此在本文的计算中, 将工业和生活部门产生的COD和氨氮确定为全部流失, 即μ =1, 并全部由地表水体受纳。

化肥农药施用和畜禽养殖是主要农业污染源。在我国, 化肥施用以氮、磷、钾肥和复合肥料为主, 其中又以氮肥最多[19]。考虑钾素在土壤中部分为土壤胶体所吸附, 部分存在于次生矿物层之间, 水溶性钾占比例较小, 且钾肥使用量相对较小的情况[20, 21, 22], 本文计算时排除了钾素的污染影响, 只考虑氮肥使用造成的硝态氮的灰水足迹和磷肥使用产生磷素的灰水足迹。复合肥料中氮、磷的比重参考中国农业科学院土壤肥料研究所主编的《中国肥料》[23]提出的复合肥料中氮磷钾的合理配比1:0.5:0.4确定。

湖南省农业生产中主要施用的农药有毒死蜱(0.77%)、氟虫腈(1.13%)、吡虫啉(1.36%)、乙草胺(5.87%)、阿特拉津(20.74%)、有机磷素(30.78%)、酯类化合物(34.89%)和其他类(4.46%)[24]。毒死蜱、氟虫腈、吡虫啉、乙草胺和阿特拉津均不溶、难溶或微溶于水且易被土壤阻滞, 故在计算时只考虑有机磷素和酯类化合物农药施用造成的磷素和石油类污染的灰水足迹。

畜禽养殖是COD的另一个重要来源, 2007年全国COD排放3 028.96× 104t, 畜禽养殖就贡献了41.87%[25]。此外畜禽养殖也会造成少量的氮、磷污染, 但由于数据难以获得, 本文只将其造成的COD纳入计算。

化肥农药施用和畜禽养殖产生的污染物, 一部分残留在农作物和土壤中, 另一部分在自重力和外力作用下, 以一定的流失率转移到地表径流和地下水。根据相关研究和统计资料[7, 25, 26, 27, 28], 并在咨询专业人员的基础上, 确定农业生产中硝态氮、磷、石油类和COD的流失率分别为18%、15%、12%和22%。

农业生产是非点源污染的主要污染源, 没有固定的排污地点, 污染物通过地表径流或地下渗漏过程进入水体而造成污染[29], 参考统计数据, 确定将农业生产污染物的60.68%分解到地表河流水, 39.32%分解到地下水[25]

综合上述分析, 共确定了工农业生产和居民生活三部门的5类污染物, 并将其分解到两种水体之中, 以计算灰水足迹(表1)。

表1 五类污染物的来源、流失率及在地表和地下水体中的分解 Table 1 Source, loss rate and distribution in surface/underground water of five pollutants
3.3 结果和分析

3.3.1 灰水足迹的变化趋势和构成

1985— 2013年间, 湖南省灰水足迹从1 801× 108m3增长到3 072× 108m3, 年平均增长率1.93%(图1)。以2000年为界, 1985— 2000年的年平均增长率为1.64%, 2001— 2013年为2.47%, 增速有所加快。除1989— 1991、1992— 1993、1994— 1996、2000— 2002年有4次幅度不超过4%的下降之外, 其余年份均为递增趋势。

图1 1985— 2013年湖南省灰水足迹变化趋势Fig. 1 Changing trend of grey water footprint in Hunan Province during 1985-2013

1985— 2013年间, 地表水灰水足迹从1 330× 108m3增长到2 248× 108m3, 年平均增长率约为1.89%, 略低于总灰水足迹的1.93%。地表水灰水足迹的变化趋势可以分为两个阶段, 1985— 1996年为波动增长阶段, 在这12 a间, 其环比增长率最高达到14.27%, 最低为-2.85%, 但总体保持了递增的态势; 1997— 2013年为稳定增长阶段, 在此期间, 地表水灰水足迹保持了年平均2.52%的增速, 超过整个研究时间段的平均增速, 并且没有出现负增长。

地下水灰水足迹在1985— 2013年间从471× 108m3增长到824× 108m3, 年平均增长率约为1.95%, 略高于总灰水足迹的1.93%。地下水灰水足迹的变化趋势也可以分为两个阶段, 1985— 2003年波动增长, 19 a间的年均增长率约为2.81%; 2004— 2013年的10 a低速稳定增长, 年均增长率约1.09%。

总的来说, 地表和地下水灰水足迹的变化趋势与总灰水足迹的变化趋势基本吻合, 即前期波动, 中后期稳定, 总体呈较低增长率的正增长。

从构成上看, 在研究时段内, 地表水灰水足迹和地下水灰水足迹对总灰水足迹的贡献稳定在7:3(约2.33)左右。1992年这一比值最小, 约为1.93, 说明该年地下水灰水足迹对总灰水足迹的贡献最大; 1985年这一比值最大, 约为2.82, 说明该年地表水灰水足迹对总灰水足迹的贡献最大。湖南省地表和地下多年平均水资源量分别为1 682× 108m3和392× 108m3, 地表和地下水量对总水量的贡献比约为4.29, 这一数字高于2.33, 说明地表水受到污染的严重程度要低于地下水。

3.3.2 各类污染物对地表和地下水造成的灰水足迹

1985— 1991年间, 地表水稀释氨氮所需的水量在所有污染物中最多, 因此氨氮是这一时段地表水灰水足迹的决定性污染物; 1992— 2013年间, 磷成为了地表水灰水足迹的决定性污染物, 地表水灰水足迹为将磷吸收至环境标准允许范围所需的水量(图2)。

图2 1985— 2013年各类污染物造成的地表水灰水足迹Fig. 2 Grey water footprint of surface water caused by pollutants during 1985-2013

COD和石油类造成的灰水足迹相对最少, 但原因不同。在所有污染物中COD的排放量是最大的, 但按环境标准, COD的最大允许浓度是20 mg/L, 分别是氨氮、硝态氮、磷和石油类的20、20、100和400倍, 因此尽管COD的排放量大, 但所需的稀释水量却较少。而对石油类污染物来说, 虽然其环境允许浓度在五类污染物中最低, 但由于排放量小, 所以造成的灰水足迹也较小。

氨氮、硝态氮和磷始终是造成地表水灰水足迹最大的三类污染物。地表水中的氨氮污染主要来自工业和生活, 而硝态氮则主要来自农业氮肥施用。环境标准对氨氮和硝态氮的浓度要求相同, 因此图2中氨氮和硝态氮造成的灰水足迹的变化趋势也就反映了进入地表水体中的氨氮和硝态氮的量的变化趋势, 即氨氮逐渐减少, 而硝态氮逐渐增加, 这与工业生活氨氮排放逐渐减少和氮肥施用不断增加的趋势一致。磷的污染主要来自农业磷肥施用, 由于环境标准要求其在水中的浓度为0.2 mg/L, 所以尽管排放量小于氨氮和硝态氮, 但1992年之后仍成为了地表水灰水足迹的决定性污染物。

1985— 2013年间, 地下水的灰水足迹始终由磷决定, 即在研究时段内, 稀释磷所需的地下水在所有污染物中最多(图3)。地下水的COD和石油类污染主要来自畜禽养殖的粪便排放和农药施用, 这两类污染物造成的灰水足迹始终不大, 原因与上面所述相同。相比磷素, 氮素造成的灰水足迹始终略低, 其原因在于尽管地下水水质标准对磷素浓度的规定是氮素的5倍, 但是实际化肥施用中, 氮肥施用量要接近磷肥的5倍, 故虽然未能成为地下水灰水足迹的决定性污染物, 氮素造成的灰水足迹也只是略低于磷素。

图3 1985— 2013年各类污染物造成的地下水灰水足迹Fig. 3 Grey water footprint of underground water caused by pollutants during 1985-2013

3.3.3 地表和地下水环境荷载指数

从增速上看, 2003年之前, 地表水环境荷载指数处于不稳定上升阶段, 增长率在 -2.53%到14.29%之间波动, 2003年之后没有再发生负增长, 保持年均3.28%的速度稳定从0.97上升至1.34(图4)。从数值上看, 1985— 2003年间, 地表水环境荷载指数始终小于1, 说明在这19 a里, 以湖南省地表水资源总量, 能够将所有排放入地表水体的污染物稀释直至达到III类水的水质标准; 2004年后该指数突破1并不断增长, 这意味着自2004年后, 以湖南省现有的地表水资源总量, 已无法保证地表水体水质均处在III类及III类以上, 并且地表水质还有恶化的趋势。

图4 1985— 2013年地表和地下水环境荷载指数Fig. 4 Surface/underground water environment load index during 1985-2013

地下水环境荷载指数在研究时段内从1985年的1.20上升至2013年的2.10, 总体上保持了较为平稳的增势, 但1989— 1996年间的波动性较为明显, 这8 a间的增长率最高达到15.06%, 最低则为 -5.69%, 相差超过20个百分点。地下水环境荷载指数在研究时段内始终大于1, 表明稀释进入地下水的污染物所需的水量始终超过地下水的总水量, 即在研究时段内, 全部地下水水质均在III类及III类之上的情况没有发生。

对比两条曲线, 地下水环境荷载指数始终高于地表水环境荷载指数, 这主要是因为地下水资源量有限, 而地表水资源量较丰富。分析地下水与地表水环境荷载指数之差可以发现, 1985年, 地下水与地表水环境荷载指数之差最小, 为0.41, 说明在这一年地下水环境状况最接近地表水; 之后这一差值逐渐增大, 至1994年达到拐点最大值1.03后出现缩小趋势, 到2013年缩小为0.76。这一倒U型的变化轨迹表明地下水与地表水的水质差别经历了先扩大再缩小的过程, 并且在这一过程中, 地表水水质始终优于地下水。

此外, 以2003年为界, 地表水和地下水环境荷载指数在1985— 2003年间的增长率分别为1.15%和2.18%, 而在2004— 2013年间则分别为3.28%和1.72%, 这意味着在2003年之前, 地表水环境的恶化速度要低于地下水, 而2003年之后则相反。

4 讨论

使用传统方法计算湖南省1985— 2013年的灰水足迹, 并与本文方法进行对比(表2), 在不影响分析的前提下, 限于篇幅, 仅列出近10 a数据。

表2 两种方法计算的灰水足迹对比 Table 2 Comparison of grey water footprints calculated by two methods

近10 a, 使用改进方法计算得到的灰水足迹始终超过传统方法, 超出比例在11.70%~17.70%之间。这是因为使用传统方法计算时, 仅考虑了排放量大的COD和氮, 没有考虑虽然排放量小但环境标准要求浓度更低的磷, 而实际上近10 a的灰水足迹正是由磷素决定的。但是, 由于氮素和磷素造成的灰水足迹差别不大, 所以反映在数据上差别也不大。此外, 传统的灰水足迹计算结果只能给出宏观上的水污染状况, 无法具体到某类水体, 计算得到的数据缺乏可比性。可见, 改进的灰水足迹计算在保留了原始逻辑过程的同时, 在污染物的选取、不同水体对污染物的分别稀释和不同水体的环境标准浓度上进行了完善, 所得结果更加准确, 反映信息更加全面。

5 结论

传统灰水足迹在计算时没有考虑不同受纳水体对同一污染物的稀释, 并以排放量的多少为依据选择纳入灰水足迹计算的污染物, 忽视了同一水质标准对不同污染物浓度要求的不同可能抵消排放量的差别。这些问题都可以导致结果出现偏差, 并掩盖某些水体受到污染的严重程度。本文提出基于不同受纳水体的改进灰水足迹计算方法, 按照先最大再加总的原则, 以各类水体的灰水足迹之和作为总的灰水足迹, 能够使计算结果更加准确, 并反映不同水体的污染情况。

使用改进的灰水足迹计算方法, 以湖南省为例进行了实证分析。结果显示, 湖南省的灰水足迹总体呈增长态势, 地表水和地下水的灰水足迹比例维持在7:3左右; 地表水灰水足迹先后由氨氮和磷决定, 地下水灰水足迹始终由磷决定; 地表水环境荷载指数小于地下水, 但差值逐渐缩小, 说明地表水体的环境状况优于地下水, 但两者差距在不断缩小。值得一提的是, 差距缩小的原因在于地表水质的恶化速度快于地下水, 而并不是地下水的环境质量在逐渐变好。

灰水足迹能够从总体上对水环境状况进行评价, 但具体到某一区域, 还需结合当地污染排放情况、水体自净能力和环境质量要求等因素进行具体分析。基于灰水足迹, 从水质水量综合的角度进行水环境评价, 是后续可深化的一个研究方向。

The authors have declared that no competing interests exist.

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