楊友麒，賈小平 ，石磊

（1中國化工信息中心，北京 100029；2青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島 266042；3清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

引 言

我們所在的藍(lán)色地球似乎充滿著水，但是絕大部分是人類難以用的海水，只有2.5%是淡水。而這2.5%中又有 68.7%是冰川，30.1%是地下水，只有0.4%是地表水和大氣水[1]。如此，人類便于利用的新鮮淡水就并不豐富了。21世紀(jì)以來，隨著人口增長、工業(yè)化和城市化加速、耗水量急劇增加，水資源短缺成為全球面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

（1）水危機是全球性的，在中國尤為嚴(yán)重

20世紀(jì)世界人口增加近3倍，淡水消耗量增加了6倍，其中工業(yè)用水增加了26倍，但水資源并未增加。20世紀(jì)末人均占有水量僅為世紀(jì)初的1/18。地球上的可飲用水正在面臨枯竭。除資源性缺水之外，結(jié)構(gòu)性和水質(zhì)性缺水又進(jìn)一步加劇了問題的嚴(yán)重性。從世界范圍看由于工業(yè)發(fā)展迅速，全世界每年排放工業(yè)廢水 4260億立方米，排放的污水已使可供人類使用水量 1/3 的淡水資源受到污染，約20%的人口缺乏安全飲用水，26億人口缺乏充分的衛(wèi)生設(shè)施條件保障干凈的生活用水[2]。

水危機在中國尤為嚴(yán)重，表現(xiàn)在以下幾個方面：①水資源短缺，加上時空上分布不均更加重了危機：我國人口占世界的22%，而水資源只有世界的8%，我國人均水資源占有量約2200 m3，僅相當(dāng)于世界人均水資源占有量的 1/4，是聯(lián)合國認(rèn)定的“水資源緊缺國家”[2]。不僅如此，水資源在全國范圍的分布嚴(yán)重不均，從東南向西北遞減。占全國面積1/3的長江以南地區(qū)擁有全國4/5的水量，而面積廣大的北方地區(qū)只擁有不足1/5的水量，因此，黃淮海及內(nèi)陸河流域有11個省、區(qū)、市的人均水資源擁有量低于聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會研究確定的 1750 m3用水緊張線[2]。②環(huán)境污染造成進(jìn)一步水質(zhì)性缺水：我國水體污染日益嚴(yán)重，每年排放污水高達(dá)600億噸（其中生活污水約占66%，工業(yè)廢水占34%），部分污水未經(jīng)處理直接排入江河湖海，致使水質(zhì)嚴(yán)重惡化。2012年，在全國 20.1萬千米的河流水質(zhì)狀況中，全年Ⅲ類～劣Ⅴ類水河長占54.8%。在全國開發(fā)利用程度較高和面積較大的112個主要湖泊中，55.8%的湖泊面積為Ⅳ類～劣Ⅴ類水質(zhì)[3]。③用水效率低，浪費嚴(yán)重也加深了危機：我國大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)采用大水漫灌方式，水有效利用率僅為40%～50%。工業(yè)用水重復(fù)利用率只有30%左右，損耗量高出發(fā)達(dá)國家2倍。由于工業(yè)發(fā)達(dá)國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和污水回用率大幅度提高，從 20世紀(jì) 80年代起，雖然用水量上升，但新鮮水取水量呈下降趨勢。但我國 20世紀(jì)末，每年取水總量仍然呈每年1.3%增長率上升，21世紀(jì)初仍以約1%的增長率上漲。按 1995年美元不變價格計，以每立方米新鮮水創(chuàng)造的工業(yè)增加值為指標(biāo)衡量用水效率：日本用水效率為119.6 $·m?3，英國為47.2$·m?3，德國為 23.4 $·m?3[1]，而我國 2013 年用水效率只有17.5 $·m?3[4]；④水生態(tài)系統(tǒng)危機：水生態(tài)環(huán)境容量不能承載現(xiàn)有人類的經(jīng)濟社會活動，水生態(tài)系統(tǒng)已不能自我修復(fù)；進(jìn)而造成一系列嚴(yán)重的生態(tài)、經(jīng)濟、社會后果。我國淡水生態(tài)系統(tǒng)功能還將持續(xù)“局部改善、整體退化”的局面，其環(huán)境惡化的趨勢整體上還未得到遏制，破壞的范圍還在擴大，程度還在加劇，危害還在加重。

（2）水危機的對策

鑒于以上嚴(yán)峻情勢，國務(wù)院頒發(fā)了國發(fā)〔2012〕3號文件《國務(wù)院關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》。提出“以水定需、量水而行、因水制宜”的方針，目標(biāo)是“三條紅線”：到 2030年全國用水總量控制在 7000億立方米以內(nèi)；萬元工業(yè)增加值用水量比2010年下降30%以上，也即達(dá)到73.5 m3/萬元，到2020年，萬元工業(yè)增加值用水量降低到65 m3以下；確立水功能區(qū)限制納污紅線，到2030年主要污染物入河湖總量控制在水功能區(qū)納污能力范圍之內(nèi)，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提高到 95%以上[5]。與此同時，從“十二五”規(guī)劃起這10年將大大提高國家對水資源方面的投入，預(yù)計為上個 10年投資的4倍，達(dá)到4萬億元，以加快節(jié)水型社會建設(shè)[6]。

圖1 歷年關(guān)于water network文獻(xiàn)發(fā)表的統(tǒng)計情況Fig.1 Literatures retrieval for water network field

圖2 不同范疇的水網(wǎng)絡(luò)概念圖Fig.2 Different system boundaries for water network

（3）國內(nèi)外化學(xué)工程和環(huán)境工程界開展研究高潮

正是由于水危機的迫切性，21世紀(jì)起引起全世界過程系統(tǒng)工程學(xué)界的強烈關(guān)注，早期有Bagajewicz[7]，后來有 Foo[8]和 Jezowski[9]。都發(fā)表了很好的綜述文章。此外，從 20世紀(jì)末起還陸續(xù)出版了這方面的專著[10-12]，表現(xiàn)在國際性刊物上發(fā)表該課題的文章顯著增加，根據(jù)作者檢索國際9大化學(xué)工程雜志[包括中國化學(xué)工程學(xué)報（英文版）]和7大環(huán)境保護(hù)雜志上從1994～2012年發(fā)表的水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究文章，結(jié)果如圖 1 所示（此圖在文獻(xiàn)[9]基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)重新校正并擴充）。從圖上可發(fā)現(xiàn)，從2005年起這一主題的研究報告有一個發(fā)表高潮，這一高潮一直持續(xù)到如今，2011年Ind.Eng.Chem.Res.專門出了水網(wǎng)絡(luò)的?？痆13]。同時，在工業(yè)上也開始了大規(guī)模的實踐，取得了明顯的效益[12-16]。

國內(nèi)著名過程系統(tǒng)工程學(xué)者也紛紛加入了這一行列，作者重點檢索了他們圍繞這一課題 2013年前發(fā)表的文章，如西安交通大學(xué)/中國石油大學(xué)馮霄42篇；大連理工大學(xué)都健24篇；臺灣成功大學(xué)張玨庭22篇；臺灣大學(xué)陳誠亮28篇；河北工業(yè)大學(xué)劉智勇15篇；天津大學(xué)袁希鋼10篇；青島科技大學(xué)鄭世清10篇；中國海洋大學(xué)胡仰棟9篇。

下面分3個層次將水網(wǎng)絡(luò)和虛擬水的研究進(jìn)展做一綜述，即單個工業(yè)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)―跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)―跨地區(qū)/國家的虛擬水網(wǎng)絡(luò)。

1 工業(yè)企業(yè)內(nèi)水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化

1.1 單個水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1.1.1 單個水網(wǎng)絡(luò)涵蓋范疇 不同范疇的水網(wǎng)絡(luò)概念如圖2所示。

從水網(wǎng)絡(luò)的研究范疇來看，開始的研究主要集中在用水網(wǎng)絡(luò)（water-using network，WUN）。早在1980年日本的 Takama 等[17]就提出過多組分用水網(wǎng)絡(luò)的超結(jié)構(gòu)模型。但是直到1994年英國Wang等發(fā)表了著名的“廢水最小化”論文，提出水夾點方法，才算對用水網(wǎng)絡(luò)的新鮮水用量最小化求解有了里程碑式的突破[18]，同年他們就將該方法推廣到廢水處理網(wǎng)絡(luò)（wastewater treatment network，WWTN)[19]。作為WUN，又包含2個子領(lǐng)域：不帶再生系統(tǒng)的和帶再生系統(tǒng)的。有再生裝置使部分排污水可以回用當(dāng)然會降低新鮮水消耗，Kuo等[20]首先提出對有再生系統(tǒng)的用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化辦法。同年又提出總水網(wǎng)絡(luò)（total water network， TWN）的概念，也就是將前述二者結(jié)合起來，即TWN = WUN +WWTN。理由是：如果WUN后面沒有聯(lián)接WWTN，則出口會將幾種不同雜質(zhì)濃度的水流股合并成一股污水流，以最終達(dá)到污染物排放標(biāo)準(zhǔn)即可。但有了WWTN后，則WUN的出口就可分成多股濃度不同的污水，實現(xiàn)“清污分流”的原則，在 WWTN中進(jìn)行分布式優(yōu)化處理。這使得結(jié)果完全不同：TWN 不論在經(jīng)濟成本指標(biāo)上，還是在環(huán)保指標(biāo)上都會優(yōu)于WUN方案[21]。

2009年 Bagajewicz等[22]提出全水網(wǎng)絡(luò)（complete water network，CWN）的概念，即在TWN的前面增加一個預(yù)處理（water pretreatment，WPT）環(huán)節(jié)，即CWN = WPT + TWN，這樣可以進(jìn)一步降低新鮮水耗量。只要預(yù)處理環(huán)節(jié)允許其進(jìn)口水中的雜質(zhì)含量能接受任何用水單元排出水（哪怕是經(jīng)過稀釋的廢水），則當(dāng)然就會使最小水耗量下降。

20世紀(jì)研究水網(wǎng)絡(luò)WUN沒有和對環(huán)境的影響結(jié)合起來，到2006年才出現(xiàn)第1篇考慮水網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境的影響文章，Ku-Pineda等[23]將可持續(xù)過程指數(shù)結(jié)合到水網(wǎng)絡(luò)集成中，證明如果考慮環(huán)境影響，不見得新鮮水用量最小是最佳方案，必須在節(jié)水和降低環(huán)境影響二者之間進(jìn)行平衡。其后幾年陸續(xù)有這方面的研究發(fā)表[24-25]。近年來 El-Halwagi等[26]更進(jìn)一步研究新廠建設(shè)選址與河流流域環(huán)境的影響，模型涉及到工廠排放的污染物和居民生活污水、自然現(xiàn)象化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的組分變化，優(yōu)化的目的函數(shù)是年運行成本最?。òㄐ聫S設(shè)置成本、新鮮資源獲取成本、污水處理成本）。

1.1.2 解算方法概覽 大體上看WUN問題解算方法可粗略地分成兩大類：基于理解的方法（insight-based method）和數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化方法（mathematic programming method）。前者基于機理概念，主要是夾點集成原理的各種變化方法；后者基于超結(jié)構(gòu)模型的數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化解算。

（1）基于理解的方法

這類方法已經(jīng)有Foo[8]的綜述，可以粗略地說，主要是基于水夾點方法，而且集中于單雜質(zhì)組分的水網(wǎng)絡(luò)。Foo將所有已發(fā)表的文獻(xiàn)分為兩大類：第一類側(cè)重以傳質(zhì)為基礎(chǔ)的用水單元，把雜質(zhì)移除負(fù)荷固定，稱為“固定負(fù)荷問題”，這主要是歐洲學(xué)派在 1994～2000年期間發(fā)表的成果為主；第二類側(cè)重于從水源-水阱方面來考察問題，把它們之間流量當(dāng)成主要約束，稱為“固定流量問題”，這主要是亞洲學(xué)派 21世紀(jì)用得較多的方法。當(dāng)然，這二者只是處理方法不同，對于同一個問題是可以互相轉(zhuǎn)換的。

這種基于理解的圖表方法，從最開始的單一新鮮水源，發(fā)展到多個水源，到含有雜質(zhì)的不潔凈水源[27-35]；從只考慮回用發(fā)展到考慮回用-廢水再生回用/廢水循環(huán)利用[12,15,36-40]；從只考慮用水單元到考慮污水處理單元[19,21]，到考慮總水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)TWN[41-42]。近年來有人將原來只適應(yīng)單雜質(zhì)組分流推廣用于雙雜質(zhì)組分場合及多組分場合[43-45]。

應(yīng)當(dāng)指出，以El-Halwagi為代表的學(xué)派[35,46-48]開發(fā)的代數(shù)目標(biāo)化方法（algebraic targeting approach）表現(xiàn)為物料回收夾點圖，以累計移除雜質(zhì)負(fù)荷為縱坐標(biāo)，以累積流量為橫坐標(biāo)，形成一種新的水源-水阱組合曲線。這種方法具有消除分步迭代試差的優(yōu)點。

（2）數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化方法

雖然早在1980年Takama等[17]就提出用數(shù)學(xué)規(guī)劃法解算水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，但真正按這個思路深入研究確是 21世紀(jì)以來的事。雖然構(gòu)造超結(jié)構(gòu)模型來表達(dá)多組分復(fù)雜水網(wǎng)絡(luò)問題，數(shù)學(xué)規(guī)劃法具有明顯的優(yōu)勢。但是由于形成的復(fù)雜水網(wǎng)絡(luò)模型往往是非線性規(guī)劃（nonlinear programming，NLP）或混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題（mixed integer nonlinear programming，MINLP），存在非凸性和雙線性問題，難以求解，特別難以保證得到全局優(yōu)化解（global optimum）。所以研究主要側(cè)重在找尋各種解算途徑上，有學(xué)者將其做了以下分類。

① 直接線性化。首先適合單組分場合[49]，這自然容易線性化，后來推廣到“關(guān)鍵組分”的場合[50]，胡仰棟等[51]提出“逐次線性規(guī)劃法”，Tan等[52]提出“系統(tǒng)模糊線性規(guī)劃”，李保紅等[53]提出“分階段線性規(guī)劃法”，Jezowski等[54]提出利用選擇用水工藝參數(shù)的邏輯條件來使模型線性化的方法。

② 生成好的搜索起始點。通常利用一個簡化的超結(jié)構(gòu)模型（如用現(xiàn)有的處理工藝序貫來安排結(jié)構(gòu)）[55]。

③ 序貫求解法。歐洲學(xué)派學(xué)者提出將濃度分區(qū)，以極限最大濃度為固定出口濃度，形成線性化的混合整數(shù)規(guī)劃（mixed integer linear programming，MILP）問題，從而獲得各流股的流量作為線性模型（linear programming，LP）的起點，通過MILP-LP模型反復(fù)迭代，最終收斂到MINLP的最終解[56-58]。

④ 隨機優(yōu)化法。早在2001年Chang等[59]就開始應(yīng)用遺傳算法（genetic algorithm，GA）來隨機搜索水網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)解，證明這種辦法有很高的效率，后來Jezowski等[60]也在此方向上做出改進(jìn)。

⑤ 全局優(yōu)化法。這是 Grossmann為代表的學(xué)派十幾年一直研究的方向，其最新的成果可參見文獻(xiàn)[61]。

（3）啟發(fā)式與數(shù)學(xué)規(guī)劃相結(jié)合的方法

由于數(shù)學(xué)規(guī)劃法構(gòu)造的 MINLP超結(jié)構(gòu)模型往往過于龐大復(fù)雜，為了防止超結(jié)構(gòu)規(guī)模過大，MINLP維數(shù)太高，求解困難，就會想到采用把水夾點分析提供的工程見解和數(shù)學(xué)規(guī)劃工具結(jié)合起來，用基于理解的方法簡化超結(jié)構(gòu)，降低搜索維度。Aiva-Argaez等[62]最早提出用這種方法研究廢水最小化。

李英等[63]提出用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中對單雜質(zhì)和多雜質(zhì)系統(tǒng)的基于水夾點原理的新鮮水使用、廢水排放、回用的判斷規(guī)則剔除不必要結(jié)構(gòu)，以簡化超結(jié)構(gòu)模型。劉強等[64]則提出水質(zhì)分析的方法來降低回用結(jié)構(gòu)以簡化模型。Feng等[65]提出用過程分解（濃度分解）策略來進(jìn)一步降低新鮮水耗的一般性方法。梁肇銘等[66]綜合了夾點規(guī)則、排序思路等經(jīng)驗，提出了基于經(jīng)驗規(guī)則的數(shù)學(xué)規(guī)劃法來快速設(shè)計多雜質(zhì)用水網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果證明：這些采用啟發(fā)式經(jīng)驗規(guī)則的數(shù)學(xué)規(guī)劃算法比完全不采用的數(shù)學(xué)規(guī)劃算法往往可成倍縮短CPU計算時間，有的甚至可以下降一個數(shù)量級。

1.1.3 單個水網(wǎng)絡(luò)中的特殊問題 這里主要是3類特殊問題，即冷卻循環(huán)水系統(tǒng)問題、有中水道水網(wǎng)絡(luò)和間歇水網(wǎng)絡(luò)問題。

冷卻循環(huán)水系統(tǒng)是一種與換熱器系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的專門水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于過去都將換熱器設(shè)計成平行設(shè)置，即所有進(jìn)口冷卻水溫度是相同的，出口溫度也相同（通常進(jìn)出口溫差約8～10℃），這就造成循環(huán)水用水效率低下，存在循環(huán)水節(jié)水的巨大潛力。Kim 等[67-68]最早提出冷卻水網(wǎng)絡(luò)中的水夾點原理，也即找尋循環(huán)水串級利用使用量最小化的T-H圖方法。后來Kim等[69]及其他作者[70-74]將這類問題表述為超結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題以使冷卻水系統(tǒng)得以整體優(yōu)化（包括設(shè)計參數(shù)和操作變量）。用這種方法對一個實際工廠案例研究表明：循環(huán)冷卻水用量可下降40%以上。Panjeshahi等[75]開發(fā)了一種“先進(jìn)夾點設(shè)計（advanced pinch design，APD）方法”，其目標(biāo)是使回用水量最大及冷卻水用量最小前提下，使投資和操作成本最小化，該方法允許涼水塔性能和換熱器網(wǎng)絡(luò)之間互動。Gololo 等[76-79]把涼水塔性能優(yōu)化與冷卻水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)合起來，該方法的好處是可以使涼水塔解瓶頸，即使現(xiàn)有的涼水塔能處理更高的熱負(fù)荷。Wang等[80]提出一種兩步法來優(yōu)化設(shè)計循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

具有中水道（間接水回用）的水網(wǎng)絡(luò)問題是Feng等[81]提出的，理由是這可以增加水網(wǎng)絡(luò)的操作彈性，就其作用和中間儲槽相當(dāng)，都是有一個濃度均一的緩沖區(qū)作為調(diào)節(jié)手段。后來沿這個方向也發(fā)表了一系列文章[82-86]。

最早將用水網(wǎng)絡(luò)研究從連續(xù)過程擴展到間歇過程的是Wang等[87]，他們將水夾點的幾何圖解法推廣到間歇過程。其后 Majozi 等[88]進(jìn)一步做了改進(jìn)，但均限于進(jìn)水量和出水量一致的場合。到2004年 Kim 等[89]第一次采用超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化方法來處理間歇水網(wǎng)絡(luò)，增加了用水操作的分割，即時間分隔，從而形成為MINLP模型。從此掀起一個間歇水網(wǎng)絡(luò)研究高潮，發(fā)表了一系列的文章[90-114]。

1.2 同時優(yōu)化水用量和能耗最小

雖然優(yōu)化用能的換熱器網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化用水配置的水網(wǎng)絡(luò)早在20世紀(jì)80年代就開始了，但是將二者結(jié)合起來同時優(yōu)化的研究卻是20世紀(jì)末開始的，這類問題可稱之為水配置和換熱網(wǎng)絡(luò)（water allocation and heat exchange network，WAHEN）[115]。Savulescu等[116]開始用夾點圖示法的概念（二維網(wǎng)格圖）來求解，但這只能局限于單污染雜質(zhì)。沿著這條路線也不斷有新的發(fā)展[117-130]。

Bagajewicz 等[117]、Feng 等[118]和 Du[119]均提出用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法來優(yōu)化WAHEN問題。用數(shù)學(xué)規(guī)劃法又可分成兩大類：序貫法和聯(lián)立求解法。前者分成2步來求解：第一步先用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計找到水耗最小的目標(biāo)值，這是一個NLP問題；第二步再找到這一水網(wǎng)絡(luò)的最小能耗方案，這是 MINLP問題；后者是將水網(wǎng)絡(luò)和換熱網(wǎng)絡(luò)同時表達(dá)成一個大型MINLP問題，但這樣就由于變量過多難以求解。于是又有混合方法的提出，即采用夾點技術(shù)來縮小可行解的搜索范圍[126-129]。

Boix等[130]提出新的 2步法：第一步用混合整數(shù)線性規(guī)劃解多目標(biāo)優(yōu)化問題，涉及4個目標(biāo)：F1-新鮮水耗量；F2-能耗；F3-交互聯(lián)接數(shù)目；F4-換熱器數(shù)目。先將 F3和 F4設(shè)為固定值以求Min[F1,F2]的 Pareto前沿解。第二步在Pareto前沿解中尋找成本最小的目標(biāo)函數(shù)，這是一個 MINLP問題。應(yīng)注意，為了達(dá)到能耗最小，新鮮水耗量可能就并非最小。他們用此法對一個造紙廠的實際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了案例核算，證明可使能耗下降20%。

在WAHEN問題中，將水流股直接混合換熱是水網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)換熱的獨有方式，這方面的研究是關(guān)于WAHEN研究的重要方面。袁希鋼等[131-133]深入地研究了該問題，討論了WAHEN中非等溫混合對能量目標(biāo)的影響，提出了分割溫度的概念和非等溫混合規(guī)則。該混合規(guī)則用來判斷是否存在能量懲罰（energy penalty），以及如何通過設(shè)計混合溫度來避免能量懲罰。對于同性混合，系統(tǒng)的公用工程需求不會減少，但可能減少換熱器數(shù)量。對于異性混合，通過確定分割溫度并比較分割溫度以上區(qū)間混合流股的熱量之和與低溫區(qū)間所需的熱量，可確定系統(tǒng)公用工程會增加、減少或保持不變。

1.3 多種工藝與能、水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同時集成優(yōu)化

近期有兩大學(xué)派同時開展了多種工藝與能、水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同時集成優(yōu)化研究。一派是以 Grossmann為代表的，他們面向巴西、美國等大規(guī)模地采用生物質(zhì)原料（主要是玉米）制造車用乙醇燃料的工業(yè)需求，研究如何找到能耗/水耗最小的工藝路線[134-137]。另一派是以Floudas為代表，他們針對運輸用燃油原料的多樣化，包括通過費托合成將煤液化（coal to liquids，CTL）、生物質(zhì)液化（biomass to liquids，BTL）、天然氣液化（natural gas to liquids，TL）以及它們的混合路線：煤-生物質(zhì)液化（coal/biomass to liquids，CBTL）、煤-天然氣液化（coal/gas to liquids，CGTL）及煤-生物質(zhì)-天然氣液化（coal/biomass/gas to liquids，CBGTL）等多種路線，究竟哪個更有競爭力呢？以往工作僅模擬計算某一特定工藝路線的生產(chǎn)成本，以判斷其與石油化工傳統(tǒng)路線比較的競爭力，這無法在統(tǒng)一的條件下進(jìn)行公平客觀比較。為了科學(xué)地評判就需要統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，將能量/水網(wǎng)絡(luò)均已達(dá)到優(yōu)化最小值的條件下來對比才有意義[138-144]。

Floudas 等[141]已將 2012年以前的工作做了很好的綜述。這種綜合性網(wǎng)絡(luò)集成，既包括單一原料，也包括多種原料；既包括單個工藝路線，也包括全國性的能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（如生物質(zhì)能源就包括收集—儲存—運輸—配送等環(huán)節(jié)）。這種集成包括了熱集成、水集成、電集成和工藝綜合。采用的方法是構(gòu)建考慮所有可能性的超級結(jié)構(gòu)模型，從而形成一個非線性規(guī)劃（nonlinear programming，NLP）問題，而由于存在大量的聯(lián)接流股的0-1選擇，所以成為一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。應(yīng)當(dāng)指出：這種包括熱/水/工藝路線集成的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一個十分復(fù)雜的超結(jié)構(gòu)模型，僅就水資源而言，除了要使GTL煉廠的新鮮水和排污水最小化之外，還要加上地區(qū)水資源的限制：取水源不得超過半徑5英里（約8047 m）外；取水量不得超過當(dāng)?shù)乜h歷年報告總用量的15%，以防過度消耗當(dāng)?shù)毓霉こ?。同時輸水管線的成本需納入總供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)成本。

2 跨企業(yè)多個水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化

如果將水網(wǎng)絡(luò)集成的尺度放大一個層次，集成的范圍不限于一個企業(yè)內(nèi)部，那么就會發(fā)現(xiàn)更多的優(yōu)化機會。如由于生產(chǎn)工藝的限制，一個工業(yè)過程內(nèi)部往往產(chǎn)生本企業(yè)內(nèi)部難以消解的廢水，但這些廢水可能滿足附近另外一個企業(yè)的某些工業(yè)過程中用水單元的用水要求，因此，研究跨企業(yè)多個水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實意義。自從Olesen等[145]基于夾點技術(shù)第一次進(jìn)行跨企業(yè)多過程間的水系統(tǒng)集成后，水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化研究和應(yīng)用從單個企業(yè)內(nèi)水網(wǎng)絡(luò)集成（intra-plant water network）演變到跨企業(yè)多水網(wǎng)絡(luò)集成（inter-plant water network，IPWN）；相應(yīng)地，其集成方法和技術(shù)也發(fā)生了變化。

2.1 IPWN集成優(yōu)化策略

根據(jù)有無在企業(yè)間增設(shè)公用工程設(shè)施（如中間儲槽等），對多個企業(yè)間不同水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成又可分為直接集成和間接集成策略[146]，如圖3所示。與直接集成和間接集成相似，Chew等[147-148]將跨企業(yè)能量集成中有關(guān)的概念類推到跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)研究中，提出了無輔助集成策略和輔助集成策略，相對而言，輔助集成能夠最大化地對物質(zhì)進(jìn)行回用，但同時增加了管道成本，因此在選擇這兩種方法時需要在資源稀缺性和經(jīng)濟上做出權(quán)衡。Chew等[149-150]利用博弈方法分別對直接集成和間接集成策略進(jìn)行了研究。

（1）直接集成策略

該策略中，一個水網(wǎng)絡(luò)中用水單元的出水，作為水源直接成為另一個水網(wǎng)絡(luò)中用水單元的進(jìn)水。任何企業(yè)中的用水單元的流股以水源和水阱的方式直接通過跨企業(yè)的管線進(jìn)行集成優(yōu)化。因此，無企業(yè)邊界的概念，即跨企業(yè)多個水網(wǎng)絡(luò)等同于一個更大的水網(wǎng)絡(luò)。為了獲得最大的節(jié)水減排效果，整個水網(wǎng)絡(luò)會被高度集成，以至于各用水單元之間連接緊密。此時如果生產(chǎn)中有某一企業(yè)的某用水單元的水量、水質(zhì)狀況發(fā)生變化時，將影響其他用水單元的運行。如此，由于水網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜，有可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)柔性不足，不便于運行和控制。另外，管道成本也會比較高。

圖3 IPWN策略[146]Fig.3 IPWN schemes[146]

（2）間接集成策略

該策略中，一個水網(wǎng)絡(luò)中用水單元的出水，首先排放到中間儲罐或再生裝置，然后再從中間水池或再生裝置作為另一個水網(wǎng)絡(luò)中用水單元的水源。所有用水單元的流股以水源和水阱的方式不能直接通過跨企業(yè)的管線進(jìn)行集成優(yōu)化，必須經(jīng)過設(shè)在企業(yè)間的公用工程設(shè)施來重新分配；該策略中企業(yè)有明顯的系統(tǒng)邊界概念。作為緩沖罐的公用工程設(shè)施，可以是一級或多級儲罐，也可以是一級或多級再生設(shè)備，抑或集中或分散存在的若干儲罐與若干再生設(shè)備的組合[151]。

由于所有用水單元只與公用工程設(shè)施相連接，彼此之間相互不能相通。如此，可避免生產(chǎn)過程中一些用水單元的水質(zhì)發(fā)生波動對其他用水單元的直接影響。使得系統(tǒng)的柔性增加，系統(tǒng)中水質(zhì)的控制以及操作易于進(jìn)行。應(yīng)用該策略進(jìn)行跨企業(yè)多個水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化，新鮮水用量會減少，廢水排放量也相應(yīng)地減少；如果公用工程設(shè)施設(shè)置越多，新鮮水會進(jìn)一步減少，但是也增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，投資也會相應(yīng)地增加。研究結(jié)果表明，與直接集成相比，間接集成策略的年均總成本高，間接集成消耗的新鮮水量大，但是整個水網(wǎng)絡(luò)的柔性和實用性增強[146]，而且在給定集中式公用工程設(shè)施數(shù)情況下，集中式公用工程較多時年均總費用較少[147]。

（3）無輔助集成

該策略中，首先對各個企業(yè)的水網(wǎng)絡(luò)單獨進(jìn)行集成，得到各個水網(wǎng)絡(luò)的夾點，根據(jù)最高夾點濃度和最低夾點濃度的大小，可以確定一個夾點區(qū)域。然后將不同企業(yè)的水源和水阱當(dāng)成同一個企業(yè)的水源和水阱進(jìn)行集成，若得到的最小新鮮水消耗量等于單個企業(yè)新鮮水消耗量的總和，此類問題往往采用無輔助集成策略。在此策略中，跨企業(yè)流股處于該夾點區(qū)域內(nèi)[147]。

（4）輔助集成

將不同企業(yè)的水源和水阱當(dāng)成同一個企業(yè)的水源和水阱進(jìn)行集成后，得到的最小新鮮水消耗量與單個企業(yè)新鮮水消耗量的總和不相等時，若采用無輔助集成策略將會減少水的最大回用，換句話說，將消耗更多的新鮮水，因此，此類問題往往采用輔助集成策略。在該策略中，跨企業(yè)流股可能處于該夾點區(qū)域內(nèi)，也可能處于夾點區(qū)域外，將夾點區(qū)域外的跨企業(yè)流股和從具有較高夾點濃度的水網(wǎng)絡(luò)回用給較低夾點濃度的水網(wǎng)絡(luò)的跨企業(yè)流股稱為輔助物流。相對而言，輔助集成能夠最大化地對物質(zhì)進(jìn)行回用，但同時增加了管道成本，因此在選擇這兩種方法時需要在資源稀缺性和經(jīng)濟上做出權(quán)衡[148]。

2.2 IPWN優(yōu)化方法

（1）常規(guī)集成方法及若干改良

常規(guī)集成方法及若干改進(jìn)的水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成方法，如自動定目標(biāo)化法、極限負(fù)荷曲線圖（limiting composite curve）、水節(jié)余圖（water surplus diagram）、物料回收夾點圖（material recovery pinch diagram）、水級聯(lián)分析（water cascade analysis）、數(shù)學(xué)規(guī)劃法[152-154]，均在單個水網(wǎng)絡(luò)問題有很好的應(yīng)用。不少研究者將其擴展到跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化。Olesen等[145]利用各個子區(qū)域的夾點濃度不同，將夾點濃度較低的子區(qū)域的水跨區(qū)域供給夾點濃度高的子區(qū)域利用，可減少低夾點濃度區(qū)域的廢水排放，同時減少高夾點濃度區(qū)域的新鮮水消耗[145]。與極限負(fù)荷曲線和水節(jié)余圖相比，水級聯(lián)分析法可快速精準(zhǔn)地找到夾點位置和確定夾點源流股，而且對于物質(zhì)傳遞模型或非物質(zhì)傳遞模型均適用，當(dāng)用水過程發(fā)生變化或存在多個夾點時，水級聯(lián)分析法仍然適用。Foo[36]利用水級聯(lián)分析法對廠區(qū)間水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。Foo等[147]指出利用水級聯(lián)分析法對跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析有一個前提就是在確定最小水流量之前，必須產(chǎn)生水網(wǎng)絡(luò)集成方案，當(dāng)用水網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量比較大時，計算過程變得比較復(fù)雜且效率低。對于多個新鮮資源的網(wǎng)絡(luò)而言，應(yīng)用圖示法和水級聯(lián)分析法獲得結(jié)果不一定最優(yōu)[155]。Foo等結(jié)合了圖示法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法的優(yōu)點，提出了一種單個水網(wǎng)絡(luò)的新的自動定目標(biāo)化方法[156]，并將它擴展到跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)集成[157]。

Liao等[158]提出一種新的結(jié)合夾點技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法求解復(fù)雜的多個廠區(qū)用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，得到各裝置的柔性用水網(wǎng)絡(luò)。Bandyopadhyay等[159]在確定分區(qū)定目標(biāo)問題（segregated targeting problem）的資源最優(yōu)化利用時，提出了一種通用的分解方法，并將其應(yīng)用于跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)集成。以再利用、再循環(huán)和再生處理的超結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，Rubio-Castro等[160]提出了基于物性的跨企業(yè)多個水網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化集成方法，求得總年費用最小的全局最優(yōu)解。

（2）基于博弈論（game theory）優(yōu)化集成方法

眾多研究表明，基于工業(yè)共生思想的IPWN策略比單企業(yè)的水集成策略節(jié)水多。但是，在進(jìn)行跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)集成時，需要考慮各企業(yè)間的相互作用以及參與水網(wǎng)絡(luò)集成的各企業(yè)業(yè)主自身的利益等因素，從而使跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)集成更加復(fù)雜。雖然上述的傳統(tǒng)集成優(yōu)化方法可以使新鮮水用量或運行成本最小化，但是不能保證所有參與集成的各個水網(wǎng)絡(luò)的業(yè)主的利益最大化，也不能完全反映各個業(yè)主按自身利益運行時會不會與跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)集成的總目標(biāo)發(fā)生矛盾。實際上，由于諸多企業(yè)的多樣性和對水質(zhì)要求的不同，既存在較大的共生關(guān)系，又存在水資源量和水質(zhì)的分配利益沖突的問題。

Chew等[149]用博弈論方法分析了采用直接集成策略集成的跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)，參與集成的各個廠區(qū)均為理性參與者，求解得到全局Pareto最優(yōu)解。Chew等[150]考慮了生態(tài)工業(yè)園管理者的干預(yù)對跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)的影響，將博弈方法用來分析采用間接集成策略集成的跨企業(yè)間接水網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果表明，采用該合作博弈策略得到的各個參與者的收益勝過非合作博弈策略各個參與者的收益。劉永忠等 提出了基于博弈論的水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化定量分析方法，以具有中間水道水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方案的決策為例進(jìn)行了方案的分析與評價。Lou等[162]利用層次帕累托優(yōu)化方法（hierarchical pareto optimization）對工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，由于該方法采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要增加或減少系統(tǒng)的企業(yè)成員，并為整個系統(tǒng)以及其中的個體企業(yè)提供綜合分析和可持續(xù)性優(yōu)化。羅柳紅[163]對園區(qū)內(nèi)水資源梯級利用模式開展了博弈分析，從微觀經(jīng)濟學(xué)的角度對各利益主體參與水資源梯級利用的動因和積極性進(jìn)行了經(jīng)濟學(xué)的分析，得出生態(tài)工業(yè)園區(qū)中水資源梯級利用體系能否達(dá)成“物盡其用、廢物最小化”的目標(biāo)，取決于不同利益者的博弈結(jié)果。水資源價格和排污收費價格的提高，可以減少新鮮水資源的購買量和最終的排污量，有利于促進(jìn)園區(qū)內(nèi)企業(yè)間的水資源梯級利用；而梯級利用的過程，也是各級消費者之間的一場博弈，博弈結(jié)果將決定再生水資源的售出價格。

2.3 生態(tài)工業(yè)園的水網(wǎng)絡(luò)集成

生態(tài)工業(yè)園（eco-industrial park，EIP）是自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)融合的復(fù)雜系統(tǒng)，而水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正是這種聯(lián)合的紐帶。EIP能有效地共享資源（信息、物資、水、能源、基礎(chǔ)設(shè)施等），尋求能源和原材料消耗的最小化、廢物產(chǎn)生的最小化，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境質(zhì)量的改善?！笆晃濉币詠?，我國生態(tài)工業(yè)園迅猛發(fā)展，省級以上化工園區(qū)數(shù)量增長近20倍[164]。

工業(yè)園區(qū)是多個工業(yè)企業(yè)和過程的集合，在工業(yè)園區(qū)尺度上既存在著過程尺度上的水優(yōu)化管理問題，也存在區(qū)域尺度上的水資源優(yōu)化和水生態(tài)保護(hù)的問題。通常EIP水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)是：通過梯級利用使水綜合利用率最高、對外部供水需求最小。按照生態(tài)工業(yè)園區(qū)的發(fā)展理念，加強企業(yè)之間的廢水交換和梯級利用，權(quán)衡廢水集中處理與分散處理，加強用水和水處理在基礎(chǔ)設(shè)施方面的共享等。所使用的方法從過程系統(tǒng)工程角度并未超出上節(jié)的IPWN集成優(yōu)化方法。

Spriggs等[165]在生態(tài)工業(yè)園尺度上利用多企業(yè)之間的物質(zhì)回收夾點圖進(jìn)行最小新鮮水量定目標(biāo)化。Chew等[166]對廠區(qū)間水網(wǎng)絡(luò)的定目標(biāo)化的詳細(xì)步驟進(jìn)行了總結(jié)。Zeng等[167]在水質(zhì)分級和水夾點技術(shù)的基礎(chǔ)上，以園區(qū)總的新鮮水用來最小為目標(biāo)，提出了設(shè)計生態(tài)工業(yè)園區(qū)企業(yè)間水網(wǎng)絡(luò)的方法和步驟，可對企業(yè)之間的水回用和再生水的合理分配提供指導(dǎo)。Rubio-Castro等[168]建立生態(tài)工業(yè)園的不同企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)的 MINLP模型，并改進(jìn)廠區(qū)內(nèi)和廠區(qū)間的水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如替換或重新布置已有廢水處理單元、提高已有廢水處理單元的處理效率、增設(shè)公用廢水處理設(shè)施等。案例分析結(jié)果表明：設(shè)計的生態(tài)工業(yè)園水網(wǎng)絡(luò)和單個改進(jìn)的水網(wǎng)絡(luò)相比，年均總費用可節(jié)省19%，新鮮水量消耗減少47%，廢水排放量減少47%；設(shè)計的生態(tài)工業(yè)園水網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的水網(wǎng)絡(luò)相比，年均總費用可節(jié)省47%，新鮮水消耗量可減少約67%，水排放量減少67%，具有很好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。Boix等[169]以新鮮水量、再生水量和網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)最小為目標(biāo)，建立多目標(biāo)MILP模型優(yōu)化工業(yè)園區(qū)水網(wǎng)絡(luò)，分別分析了園區(qū)內(nèi)無再生單元、每個企業(yè)擁有各自的再生單元和所有企業(yè)共用一個再生單元的情景。

跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化可能會導(dǎo)致額外的投資和操作費用，另外，還有一些實際問題的約束，如某些企業(yè)的產(chǎn)品可能會根據(jù)市場和季節(jié)的變化會有所調(diào)整，從而導(dǎo)致下游企業(yè)的水網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)地變化；參與跨企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)集成的各個企業(yè)的相互作用以及水價等因素對園區(qū)水網(wǎng)絡(luò)的影響等。Aviso等[170]利用模糊數(shù)學(xué)規(guī)劃法將廠區(qū)間的合作嵌入模型中，結(jié)果表明，單廠區(qū)的求解結(jié)果最優(yōu)并不能保證全工業(yè)園的求解結(jié)果最優(yōu)。Tan等[171]提出了一種模糊雙層規(guī)劃方法來優(yōu)化生態(tài)工業(yè)園區(qū)廠區(qū)間的水網(wǎng)絡(luò)，該方法從園區(qū)管理者的角度，以新鮮水、廢水排放費和水再利用補貼為刺激手段進(jìn)行優(yōu)化。該模型既滿足了園區(qū)管理者的愿望新鮮水消耗最小，又能使各個廠的成本最小。由于以往研究過程中水的流率和水質(zhì)都是確定的，但在實際用水過程中存在許多不確定性。在上述研究中，水價確定，供水無限制，但水資源越來越緊缺，用水過程存在很多不確定性，賈小平等[172]以新鮮水價格變化為驅(qū)動力，提出新鮮水價格區(qū)間與其對應(yīng)的用水網(wǎng)絡(luò)綜合關(guān)系。周建仁[173]從工業(yè)過程內(nèi)部、工業(yè)過程之間及區(qū)域范圍3個層次，通過研究水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成模型及其應(yīng)用研究，建立相應(yīng)的水資源高效利用、廢水最小化技術(shù)方法。針對區(qū)域范圍內(nèi)的多種新鮮水源（包括地下水、河水、湖水、水庫蓄水、外調(diào)水等）、污水處理廠達(dá)標(biāo)出水在各產(chǎn)業(yè)間缺乏合理配置的問題，建立了區(qū)域各產(chǎn)業(yè)間水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成超結(jié)構(gòu)模型，對環(huán)境影響最小和年度總費用最小兩個目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行權(quán)衡。

3 虛擬水與產(chǎn)品水足跡

3.1 概念辨析

虛擬水的概念由Allan[174]在1997年提出，是指“嵌入”產(chǎn)品中的水量。如果一個國家出口或進(jìn)口某種產(chǎn)品，就意味著以虛擬的形式出口或進(jìn)口了水。虛擬水的提出不僅是為了量化產(chǎn)品生產(chǎn)或消費過程中的水資源消耗，更重要的是它表明可以通過貿(mào)易來解決國家或者地區(qū)的水資源危機。因此，虛擬水在國際貿(mào)易研究中得到了越來越多的關(guān)注。虛擬水的計算有兩大類方法[175]。一種是 Hoekstra等[176]提出的“生產(chǎn)樹法”，也就是說從生產(chǎn)者的角度，依據(jù)不同產(chǎn)地的產(chǎn)品生產(chǎn)情況以及水資源利用情況，來核算產(chǎn)品的虛擬水含量；另一種就是Zimmer等[177]提出以消費者的角度，把產(chǎn)品消費分為不同類型，根據(jù)不同類型進(jìn)行產(chǎn)品的區(qū)別計算。

水足跡的概念出現(xiàn)于 2002年，是類比于生態(tài)足跡的概念，是指一個國家、地區(qū)或個人在一定時間內(nèi)消費或生產(chǎn)所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源總量[178]。由于“足跡”可以形象地表達(dá)出用水單元對水資源環(huán)境的壓力，因此水足跡概念提出后迅速應(yīng)用到國家、區(qū)域、流域、企業(yè)、產(chǎn)品和消費者等尺度[179]。水足跡在應(yīng)用時往往會區(qū)分出藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡。藍(lán)水足跡是指產(chǎn)品在其供應(yīng)鏈中對地表水和地下水資源的消耗；綠水足跡是指對綠水（不會成為徑流的雨水）資源的消耗；灰水足跡是與污染有關(guān)的指標(biāo)，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。之所以要區(qū)分不同的水足跡，主要目的在于這些水足跡所對應(yīng)的實際含義、減排措施和政策手段不同。藍(lán)水足跡強調(diào)了實際可利用水資源的耗用，綠水足跡強調(diào)了對雨水的利用，而灰水足跡則強調(diào)了水污染所帶來的環(huán)境影響。

與化工過程密切相關(guān)的水足跡主要有：過程水足跡、產(chǎn)品水足跡、企業(yè)水足跡和行業(yè)水足跡。過程水足跡是指單位時間內(nèi)對象過程系統(tǒng)的總用水量；產(chǎn)品水足跡是指生產(chǎn)某產(chǎn)品直接或間接消耗的總用水量，它不僅包括生產(chǎn)該產(chǎn)品的所有直接生產(chǎn)過程所耗用的水量，也包括供應(yīng)鏈上原輔材料生產(chǎn)過程所耗用的水量，因此是一個產(chǎn)品生命周期含義上的水足跡；企業(yè)水足跡是指支撐和運營一個企業(yè)直接或間接消耗的水資源量，包括運營水足跡（直接水足跡）和供應(yīng)鏈水足跡（間接水足跡）。運營水足跡指企業(yè)經(jīng)營時消耗的淡水量，供應(yīng)鏈水足跡指企業(yè)所購原材料或能源所蘊含的水足跡，二者又可進(jìn)一步分為與產(chǎn)品生產(chǎn)有直接關(guān)系的水足跡和日常開支部分的水足跡[177]；行業(yè)水足跡是指以一定區(qū)域內(nèi)某一行業(yè)為評價對象的水足跡，以表征區(qū)域內(nèi)該行業(yè)的水資源與水環(huán)境影響。行業(yè)水足跡可以用來反映行業(yè)整體用水效益和水平以及企業(yè)之間的差異，能夠警示管理部門或決策者來限制和規(guī)范高耗水與高污染物排放行業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而降低國家或區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展過程中環(huán)境成本。

行業(yè)是由生產(chǎn)同一類產(chǎn)品的企業(yè)構(gòu)成的；企業(yè)可以生產(chǎn)一種或多種產(chǎn)品，可以包含一個或多個生產(chǎn)過程；產(chǎn)品生產(chǎn)所涉及的過程往往有多個，產(chǎn)業(yè)鏈則是由一系列的生產(chǎn)過程所組成。因此，上述 4種水足跡存在密切的關(guān)聯(lián)，在計算時需要界定系統(tǒng)邊界以及進(jìn)行過程單元的劃分。其中，單一過程的水足跡是所有水足跡核算的基礎(chǔ)；計算產(chǎn)品水足跡必須劃定產(chǎn)品所涵蓋的生產(chǎn)系統(tǒng)邊界，在考慮過程單元關(guān)系的基礎(chǔ)上計算加和。企業(yè)水足跡等于該企業(yè)輸出產(chǎn)品的水足跡之和；企業(yè)供應(yīng)連水足跡等于投入產(chǎn)品的水足跡之和。計算企業(yè)的水足跡和計算企業(yè)主要產(chǎn)品的水足跡大致相同，但側(cè)重點不同。計算企業(yè)水足跡側(cè)重于劃分運營水足跡和供應(yīng)鏈水足跡。這主要是從政策角度出發(fā)，因為企業(yè)可以直接控制自身的運營水足跡，但對于供應(yīng)鏈水足跡只能間接控制。計算一種產(chǎn)品的水足跡時，通常只考慮生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)過程的水足跡，不會區(qū)分直接和間接水足跡，也不考慮生產(chǎn)系統(tǒng)由哪家企業(yè)控制或經(jīng)營。通常計算特定產(chǎn)品水足跡，一般將產(chǎn)品水足跡和企業(yè)水足跡核算聯(lián)系在一起。行業(yè)水足跡是行業(yè)內(nèi)所有企業(yè)水足跡和消耗的商品、服務(wù)的水足跡總和。

按照“水足跡評價手冊”，產(chǎn)品的虛擬水含量和產(chǎn)品的水足跡這兩個概念是可以相互替代的[178]。水足跡也有消費者和生產(chǎn)者兩種視角，對產(chǎn)品和服務(wù)的消費所產(chǎn)生的水足跡可以稱為消費者水足跡，對產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)所產(chǎn)生的水足跡可以稱為生產(chǎn)者水足跡。所不同的是，水足跡的概念不像虛擬水含量那樣簡單地指水的體積，水足跡是一個綜合的指標(biāo)，不僅指用水量，還會明確水足跡產(chǎn)生的時間、地點以及何種水源，這些信息有利于評價產(chǎn)品水足跡對當(dāng)?shù)氐挠绊憽?/p>

3.2 研究進(jìn)展

與過程水足跡、企業(yè)水足跡和行業(yè)水足跡比較，產(chǎn)品水足跡的政策含義更加明確，因此也得到了更為廣泛的重視和應(yīng)用。農(nóng)作物的產(chǎn)品水足跡就是農(nóng)作物的虛擬水，因此農(nóng)作物例如棉花、玉米、小麥、大米等的水足跡最先得到了研究。后來，產(chǎn)品水足跡逐漸擴展到面包、黃油、啤酒、農(nóng)產(chǎn)品或畜牧產(chǎn)品（如肉類）等，這很大程度上是因為這些產(chǎn)品的加工過程耗水量大，并且大部分是人類直接利用的消費品。如歐盟的研究表明，150 g牛肉漢堡平均水足跡2350 L，比同量的黃豆?jié)h堡158 L高近 15倍。以色列的研究表明這個國家水利用的高效率，他們?nèi)司阚E為 1391 m3/(人·年)，是人均水資源占有量的3.16倍。文獻(xiàn)報道的農(nóng)產(chǎn)品和工業(yè)品的虛擬水與水足跡見表1。

隨著水足跡概念的進(jìn)一步傳播以及測算方法的成熟，大宗工業(yè)品例如鋼鐵、印染、造紙和電力等產(chǎn)品水足跡研究近些年也活躍起來。研究發(fā)現(xiàn)：不同行業(yè)水足跡結(jié)構(gòu)差異很大，如德國對3種大眾轎車水足跡研究表明，其全生命周期的用水量在52～84 m3/車，95%消耗在生產(chǎn)階段；而造紙業(yè)相反，樹木生長耗水占主要部分，99%的水耗在供應(yīng)鏈上，只有 1%消耗在紙張生產(chǎn)過程。對于汽車、半導(dǎo)體等高度復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品，盡管也出現(xiàn)了水足跡研究，但并沒有形成氣候。其中一個主要原因在于，工業(yè)產(chǎn)品的水足跡計算相對復(fù)雜，系統(tǒng)邊界的界定和過程單元的分割存在難度。

虛擬水主要用于地區(qū)/國際貿(mào)易領(lǐng)域的研究。水資源稟賦以及水資源利用效率的差異，導(dǎo)致不同國家和地區(qū)生產(chǎn)相同產(chǎn)品的水資源成本不盡相同。如以色列經(jīng)濟學(xué)家指出，出口水資源密集型的產(chǎn)品對于嚴(yán)重缺水的以色列來說是不經(jīng)濟的。荷蘭國際水文和環(huán)境工程研究所支持下，Hoekstra等[178]對世界上 100 多個國家由糧食和動物產(chǎn)品貿(mào)易所引起的虛擬水流動研究。Chen等[180]基于多地區(qū)投入產(chǎn)出模型測算了2004年112個國家虛擬水的貿(mào)易圖景（圖4）。結(jié)果表明，農(nóng)產(chǎn)品引致的虛擬水比率不到35%，但卻占用了69%的取水。虛擬水用戶最大的國家是印度、美國和中國。人均水足跡的變化很大，中非洲國家最小為29 m3，盧森堡最大為3290 m3。世界虛擬水貿(mào)易量是世界新鮮取水量的30%左右，其中 57%的虛擬水貿(mào)易蘊含在非食品貿(mào)易中。中國是世界上最大的虛擬水出口國，出口了 204 Gm3，進(jìn)口了142 Gm3。美國是最大的進(jìn)口國（178 Gm3），日本是世界上最大的虛擬水凈進(jìn)口國（77 Gm3）[180]。

表1 文獻(xiàn)報道的農(nóng)產(chǎn)品和工業(yè)品的虛擬水與水足跡Table 1 Literatures retrieval for virtual water and water footprint of agro-products and industrial products

Table 1 (continued)

Table 1 (continued)

圖4 全球112個國家的虛擬水貿(mào)易情況[180]Fig.4 Major virtual water flows embodied in international trade in 2004

3.3 研究展望

產(chǎn)品水足跡研究是水足跡發(fā)展的起源與基礎(chǔ)，也是最為廣泛的研究領(lǐng)域，而未來工業(yè)產(chǎn)品以及第三產(chǎn)業(yè)類服務(wù)的水足跡將會成為重要研究方向，但難點在于如何準(zhǔn)確追蹤和量化工業(yè)產(chǎn)品的供應(yīng)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的水流動以及工業(yè)產(chǎn)品系統(tǒng)的邊界界定問題。未來，隨著國內(nèi)外政策對于水足跡、環(huán)境足跡的重視以及生命周期評價軟件的普及，復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)的水足跡研究將越來越多。

同時，隨著越來越多工業(yè)產(chǎn)品水足跡的測算，國家之間、地區(qū)之間的虛擬水貿(mào)易將會受到新一輪的重視。也就是說，過去虛擬水只關(guān)注了農(nóng)作物及其農(nóng)副產(chǎn)品，那么現(xiàn)在將更多關(guān)注工業(yè)產(chǎn)品貿(mào)易所帶來的水問題。同時，由于工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈一般都很長，區(qū)域產(chǎn)業(yè)鏈配置以及產(chǎn)業(yè)布局問題將會得到重視。

就國內(nèi)而言，在研究區(qū)域上，現(xiàn)有水足跡研究多針對北方或較發(fā)達(dá)地區(qū)，南方及偏遠(yuǎn)區(qū)域的研究較少，同時省域或城市尺度的比較研究薄弱。在研究對象上，大多數(shù)研究都以單個產(chǎn)品為研究對象，目前主要側(cè)重在農(nóng)作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品，對工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)水足跡的研究雖很有必要但仍較少，未來研究將拓展到更多復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)，同時會出現(xiàn)多種產(chǎn)品或服務(wù)的綜合水足跡研究，從而能夠從系統(tǒng)層面探討產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)業(yè)集群或產(chǎn)業(yè)布局上的水足跡量化及其流動規(guī)律，解析更高層次上的水足跡政策涵義，服務(wù)于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和結(jié)構(gòu)升級。在研究方法上，隨著數(shù)據(jù)可得性的進(jìn)一步改善，水足跡的時空分異性研究將得到重視。

4 結(jié) 論

（1）由于水危機越來越嚴(yán)重，在國家政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界也越來越受到關(guān)注，國內(nèi)外越來越多的PSE 界人士投入水系統(tǒng)的研究，這是非常必要和有益的。但由于水作為國家戰(zhàn)略資源優(yōu)化配置問題的重要性，包括水網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的水的系統(tǒng)工程和管理研究還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步引起整個工程界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

（2）水生態(tài)系統(tǒng)是多尺度、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)，PSE的過程集成和優(yōu)化方法不僅可在尋求節(jié)水減排優(yōu)化方案中發(fā)揮重要作用，而且可以為過程工業(yè)技術(shù)路線決策、生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)建設(shè)政策制定提供理論依據(jù)。實際上，過去十幾年來已在煉油、化工、鋼鐵、醫(yī)藥和造紙等過程工業(yè)的節(jié)水減排中發(fā)揮了顯著作用。但國內(nèi)目前研究還多集中在單個水網(wǎng)絡(luò)的集成方面，跨企業(yè)多個水網(wǎng)絡(luò)集成、水-能-原料同時優(yōu)化集成、企業(yè)水網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境集成等方面也應(yīng)開展工作?？傮w而言，目前我國對水網(wǎng)絡(luò)的研究與其重要性相比還顯得薄弱，無法滿足當(dāng)前國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的需要，亟需進(jìn)一步加強。

（3）虛擬水和水足跡研究進(jìn)一步拓寬了水系統(tǒng)研究領(lǐng)域。它雖然是才開展近十余年的新研究方法，但在研究國家、地區(qū)之間水的實際流動走向、水的利用效率和產(chǎn)品全生命周期的耗水等方面，可以對政策決策提供重要依據(jù)，在城市地區(qū)-國家宏觀層面上對水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)具有重要作用。今后這方面研究的深度和廣度有待進(jìn)一步提高和加強。

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