馬逍天,洪靜蘭,翟一杰,申曉旭

1 山東大學,藍綠發(fā)展研究院,威海前沿交叉科學研究院, 威海 264209

2 山東大學,環(huán)境科學與工程學院, 青島 266237

當前,全球均面臨嚴重的水資源短缺與污染問題。隨著人口膨脹與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,水資源供需矛盾日益突出,這不僅威脅著糧食安全與人體健康,還引發(fā)了嚴重的生態(tài)環(huán)境退化[1—3]。因此針對人類活動所導致的水資源消耗和污染情況實現(xiàn)科學的管理已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。Hoekstra在虛擬水理論的基礎(chǔ)上提出了“水足跡”的理念,以實現(xiàn)針對不同的目標產(chǎn)業(yè)活動在不同地理和時間維度上所消耗的水資源情況和其導致的水污染情況的量化評估[4—5]?；谔摂M水理論的水足跡評價方法計算簡便、操作性強,在水環(huán)境管理中具有較好的預警作用[6]。但這種方法側(cè)重“體積”計算,未進行環(huán)境影響評價與風險評估,因此一些環(huán)境毒性大的污染物極易被忽略[7—8]。在國家十三五規(guī)劃綱要中,以環(huán)境質(zhì)量目標為導向的全過程環(huán)境風險管控已提升至國家戰(zhàn)略高度,因此需要一個新的方法針對水足跡的環(huán)境影響進行系統(tǒng)科學的量化評估。國際標準化組織發(fā)布了相關(guān)標準《ISO 14046 Environmental Management-Water Footprint-Principles, Requirements and Guidelines》,提出采用生命周期評價(Life Cycle Assessment, LCA)的方法進行水足跡評價以實現(xiàn)全過程水足跡影響分析[9]。我國于2017年轉(zhuǎn)化了該標準,鼓勵采用LCA的理念進行水環(huán)境管理[10]。ISO 14046標準同時發(fā)布了采用LCA方法進行水足跡影響評價的基本要求和方法框架(圖1)。但標準并未提出具體的水足跡影響評價模型,當前符合該標準的相關(guān)方法性研究仍較為稀缺[11—12]。ISO 14046標準[9]和Mikosch等[13]指出水足跡影響評價主要包含水稀缺足跡(Water Scarcity Footprint, WSF)、水可利用性足跡(Water Availability Footprint, WAF)和水劣化足跡(Water Degradation Footprint, WDF)評估。但當前研究主要集中于對WSF及WAF的評價,如Berger等[14]和Boulay等[15]基于“消耗-可利用性(Consumption-to-Availability, CTA)”系數(shù)分別提出了WAVE、AWARE模型,對水資源消耗導致的環(huán)境影響進行了量化評估,即進行了WSF量化。Bayart等[16]、Boulay等[17]以及Ridoutt和Pfister[18]則提出在WSF的基礎(chǔ)上引入水體質(zhì)量對水資源可利用性的影響完成WAF量化。目前針對WDF的評價則相對較少,如Ridoutt和Pfister[19]基于ReCiPe模型進行了WDF量化；Lovarelli等[20]提出了包含淡水富營養(yǎng)化、海洋富營養(yǎng)化和淡水生態(tài)毒性影響的WDF量化方法,但其未考慮水環(huán)境污染對人體健康的影響。此外,Huijbregts等[21]對ReCiPe模型進行了升級以提供全球化和區(qū)域化環(huán)境影響評價的特征化因子,同時補充了用水對人體健康、淡水及陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響路徑,為水足跡影響終點層次(即人體健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和資源損傷[9])的分析提供了理論支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但當前關(guān)于采用LCA方法進行水劣化足跡評價的研究主要存在兩個問題：第一是清單構(gòu)建時忽略了經(jīng)由大氣與土壤間接影響水質(zhì)的污染物,致使評價結(jié)果偏低；第二是影響評價時,部分學者直接采用生命周期評價模型提供的參數(shù)開展水足跡影響評估,因未剔除與水介質(zhì)無關(guān)的攝入途徑以及大氣與土壤介質(zhì)中殘留污染物的環(huán)境影響導致過度評估[12, 22]。此外,模型構(gòu)建過程中采用的地理、水質(zhì)、環(huán)境、人口等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有明顯的地域差異性,直接引用國外模型并不符合我國國情的需要[23]。因此該研究構(gòu)建了一個微觀(企業(yè))、中觀(行業(yè))、宏觀(區(qū)域/國家)層次通用的本土化全過程水足跡影響量化模型,以實現(xiàn)對人類活動所導致的水資源消耗和水環(huán)境污染的環(huán)境風險的量化,并可有效描繪人類產(chǎn)業(yè)活動和自然生態(tài)系統(tǒng)各要素之間的相互關(guān)系，從而鎖定關(guān)鍵污染節(jié)點。模型構(gòu)建及應(yīng)用過程中獲取的經(jīng)驗也可應(yīng)用到其他國家、區(qū)域的工業(yè)及其他行業(yè)的水足跡影響評價中,為實現(xiàn)水環(huán)境污染源頭預防、全過程控制和高效治理提供理論、數(shù)據(jù)和決策支持。

圖1 水足跡評價流程和基本要求

1 本土化水足跡影響評價模型構(gòu)建

1.1 分析邊界與模型框架的確定

該研究構(gòu)建的模型的分析邊界依據(jù)ISO 14046標準建立。即在進行清單分析時,不僅包含了目標產(chǎn)業(yè)活動或產(chǎn)品生命周期中的水消耗數(shù)據(jù)和水體污染物排放數(shù)據(jù),還包含了排放到其他環(huán)境介質(zhì)中的污染物。因為這部分物質(zhì)能夠通過遷移轉(zhuǎn)化進入到水環(huán)境中,進而威脅人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。在進行影響評價時僅考慮了與水體有關(guān)的影響,即在進行環(huán)境宿命解析時,僅考慮穩(wěn)態(tài)時水體中的污染物。而在進行暴露分析時,僅考慮了飲水和直接與水環(huán)境有關(guān)的飲食(如水產(chǎn)等)暴露的影響。模型包含了中間點和終點兩個層次的分析(圖2),對于人體健康損傷的評估,同時包含了因水稀缺所導致的糧食短缺進而引發(fā)的營養(yǎng)不良的影響,以及污染物引發(fā)的致癌性和非致癌性疾病的影響。在評價對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的影響時,則同時考慮了水資源短缺、生態(tài)毒性、富營養(yǎng)化和酸性化的影響。

圖2 基于生命周期的本土化水足跡影響評價模型框架

1.2 清單構(gòu)建方法

依據(jù)不同層次的清單構(gòu)建方法,該研究構(gòu)建的模型能夠?qū)崿F(xiàn)多維度應(yīng)用,即其可從微觀(企業(yè))、中觀(行業(yè))乃至宏觀(區(qū)域/國家)多個層次上在不同的地理區(qū)域或時間尺度內(nèi)針對不同情景模式開展水足跡影響評價。微觀層次的清單構(gòu)建方法采用基于過程的生命周期評價(Process-based Life Cycle Assessment, PLCA)清單構(gòu)建方法[24—25]：

(1)

式中,WFIi為水足跡清單分析中污染物i的排放量,pj為目標產(chǎn)業(yè)活動或產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所有排放污染物i的流程(如生產(chǎn)過程、污染物排放和廢棄物現(xiàn)場處置等),k、m為供應(yīng)鏈中的上游流程,Q為供應(yīng)鏈級數(shù)。由此可見PLCA法的數(shù)據(jù)收集過程是一個龐大的網(wǎng)絡(luò),因此研究一般只收集pj的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)[26],供應(yīng)鏈上的輸入輸出數(shù)據(jù)則通過基于過程的中國生命周期水足跡分析數(shù)據(jù)庫(The Chinese process-based life cycle inventory database for water footprint analysis, CPLCID-WF)獲取[22]。中觀層次的清單構(gòu)建方法采用混合生命周期評價(Hybrid Life Cycle Assessment, HLCA)清單構(gòu)建方法(圖3)[27—28]。宏觀層次的水足跡影響評價清單可基于政府頒布的環(huán)境排放數(shù)據(jù)和資源消耗數(shù)據(jù)、投入產(chǎn)出法(Input-Output method, IO)等進行構(gòu)建[29]。

圖3 中觀層次水足跡影響評價清單構(gòu)建方法

1.3 中間點特征化參數(shù)計算

中間點層次的水足跡影響評價是在清單分析的基礎(chǔ)上,依據(jù)環(huán)境影響機理建立清單物質(zhì)與各中間點影響類型之間的聯(lián)系,即通過特征化參數(shù)實現(xiàn)各種環(huán)境干擾因素的當量因子的轉(zhuǎn)換,從而方便比較[30]。該研究構(gòu)建的本土化水足跡影響評價模型包含6個中間點影響類型,對于水稀缺足跡的量化評估采取WAVE+模型[14, 31]提供的方法與參數(shù),如下所示：

(2)

(3)

式中,WFWS為水稀缺足跡,cfWS為其特征化參數(shù)。n、m為流域和月份。FW、WW、ER、VR、BIER、R、P、WDI分別為淡水取水量、排放到流域中的廢水量、蒸散發(fā)循環(huán)量、化學反應(yīng)匯中合成的蒸汽循環(huán)量、通過降水返回到流域的蒸散發(fā)量、長期平均徑流、總降水量和耗水指數(shù)(Water Depletion Index, WDI)。毒性影響類型(致癌性、非致癌性和淡水生態(tài)毒性足跡)在Li等[32]和Zhang等[33]研究的基礎(chǔ)上計算：

(4)

cftox,i為毒性影響類型的特征化參數(shù),FFi,water為通過Mackay三級逸度模型[34]計算的污染物i的歸宿因子,該研究只包含了穩(wěn)態(tài)時水體中污染物i的影響。XFi,water為污染物i的暴露因子,EFi為影響因子。對于XFi,water的計算,只考慮了與水環(huán)境有關(guān)的經(jīng)口攝入,皮膚、呼吸暴露等并不包含在內(nèi)：

(5)

XFi,H為污染物i的人體健康毒性足跡(致癌性和非致癌性足跡)的暴露因子。BAFi、PRODi、POP、MASSj分別為污染物i的生物蓄積系數(shù)(無量綱)、單位時間內(nèi)污染物i的攝入量[mg/(kg·days)]、暴露區(qū)域人口總體重(kg)和暴露區(qū)域內(nèi)食品j的總質(zhì)量(kg)。ci、exfi、edi、IRi分別為污染物i在水介質(zhì)或食品中的濃度(mg/L或mg/kg)及暴露頻率(d/a)、暴露持續(xù)時間(a)和攝入率(L/d或kg/d)。BW、LTh為人體平均體重(kg)和終身暴露時間(70年)。影響因子則可根據(jù)如下公式計算[35]：

(6)

(7)

(8)

(9)

1.4 人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷評價

該研究中人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷評價是在中間點環(huán)境影響的基礎(chǔ)上依據(jù)ReCiPe報告提供的方法進行[30, 37]。ReCiPe模型通過建立環(huán)境污染事實和人體健康與生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷之間的因果鏈,確立各中間點對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的損傷路徑。據(jù)此實現(xiàn)從各中間點到其對應(yīng)終點轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算,最終獲得各污染物的終點損傷參數(shù),如表1所示。其中,本研究在中間點到生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷的轉(zhuǎn)換參數(shù)計算過程中采用了中國的背景數(shù)據(jù)。而人體健康損傷相關(guān)的轉(zhuǎn)換參數(shù)因缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)選取了ReCiPe模型提供的全球通用型影響因子。

表1 基于生命周期的本土化水足跡影響評價模型中間點至終點轉(zhuǎn)換參數(shù)

2 應(yīng)用示例

2.1 系統(tǒng)邊界

該研究以某鎳鐵合金生產(chǎn)企業(yè)為例,運用構(gòu)建的本土化水足跡影響評價模型進行了微觀層次的示例分析,以展示模型運行結(jié)果。中觀、宏觀層次的水足跡評價可通過HLCA、IO等方法和統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)建的污染物排放和資源使用清單,結(jié)合本文構(gòu)建的水足跡影響評價模型實施,如Ma等[22]實施的我國煤電行業(yè)水足跡影響評價等。本研究選取1 t鎳鐵合金作為功能單位,其系統(tǒng)邊界如圖4所示。該研究生產(chǎn)的鎳鐵合金以紅土鎳礦為原材,采用回轉(zhuǎn)窯-電爐(Rotary Kiln-Electric Furnace, RKEF)技術(shù)生產(chǎn),含鎳量為16%。該研究的系統(tǒng)邊界內(nèi)包含鎳礦開采、鎳鐵冶煉和廢棄物處置等流程,且上述所有流程均包含原材料的生產(chǎn)、運輸(假設(shè)100 km通過卡車)、能源消耗、污染物直接排放(如粉塵、鎳、二氧化硫和氮氧化物等)和土地占用等流程。

圖4 系統(tǒng)邊界圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

鎳鐵合金冶煉階段的數(shù)據(jù)來自江西某企業(yè),鎳礦開采階段數(shù)據(jù)來自云南某企業(yè),詳細的水足跡影響評價清單取自Ma等發(fā)布的鎳鐵合金生命周期評價清單[38],其他生命周期階段的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)由CPLCID-WF數(shù)據(jù)庫提供,水足跡影響評價的實施采用SimaPro 8.4軟件。

3 結(jié)果

3.1 水足跡影響評價結(jié)果

針對示例案例采用研究構(gòu)建的本土化水足跡影響評價模型進行水足跡影響評價,研究同時運用不確定性分析計算了幾何標準差的平方(Squared Geometric Standard Deviation, GSD2)用以描述評價結(jié)果在95%置信區(qū)間下的波動范圍[39—41],如表2所示。研究以水稀缺足跡這一中間點為例對水足跡影響評價和不確定性分析結(jié)果進行說明,生產(chǎn)1 t鎳鐵合金的水稀缺足跡為31.87 m3。但受清單數(shù)據(jù)質(zhì)量和模型特征化參數(shù)計算過程的影響,研究結(jié)果存一定的波動范圍。其GSD2為1.32,這意味著在鎳鐵合金的生命周期中,每生產(chǎn)1 t產(chǎn)品對水稀缺造成的潛在環(huán)境影響范圍為24.10 m3至42.14 m3。

表2 水足跡影響評價結(jié)果

3.2 關(guān)鍵因子分析

研究分析了鎳鐵合金生產(chǎn)水足跡影響的關(guān)鍵影響類型、物質(zhì)和流程，以鎖定關(guān)鍵污染節(jié)點,助力于科學的水環(huán)境管控,如圖5所示。對于人體健康損傷,致癌性足跡的貢獻最為突出,其貢獻比高達71.1%,致癌性足跡和水稀缺足跡次之。對于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷,貢獻最為突出的中間點類型為淡水生態(tài)毒性足跡,其貢獻比為77.2%,水體富營養(yǎng)化和酸性化的影響次之,水稀缺的貢獻幾乎可忽略不計。導致致癌性足跡的關(guān)鍵污染物為重金屬鉻和砷的排放,對于非致癌性足跡則為砷和汞的排放,對于淡水生態(tài)毒性足跡則為銅、鍶等重金屬的排放。導致水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵污染物為總磷、總氮等,酸性化足跡的關(guān)鍵污染物則為二氧化硫。上述污染物主要來自于交通運輸、焦炭生產(chǎn)、發(fā)電、壓縮空氣制備以及電極糊制備等間接過程的排放,鎳鐵合金生產(chǎn)過程中直接消耗的水資源或排放的污染物對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷的貢獻僅為5.1%和2.7%。值得注意的是,直接過程中排放到空氣和土壤中的污染物貢獻較為突出,說明在清單構(gòu)建過程中將這部分污染物的排放數(shù)據(jù)納入分析是十分必要的。

圖5 關(guān)鍵因子分析：導致人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷關(guān)鍵流程和污染物

3.3 敏感性分析

依據(jù)ISO 14046標準,研究針對關(guān)鍵流程進行了敏感性分析,如表3所示。研究以發(fā)電這一流程的健康損傷為例進行說明,若發(fā)電階段的水足跡影響增加或減少5%,鎳鐵合金生產(chǎn)階段的水足跡對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷的影響將分別增加或減少5.4×10-6傷殘調(diào)整生命年。該研究采用的電力為煤電,但若采用核電、水電、風電、太陽能發(fā)電等清潔能源[38],1 t鎳鐵合金生產(chǎn)的水足跡對人體健康損傷的影響將分別降低17.2%、16.0%、18.4%、17.8%,而生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量損傷則分別下降19.4%、17.8%、20.0%和19.8%。

表3 敏感性分析結(jié)果

4 結(jié)論

針對當前符合ISO 14046國際標準的基于生命周期評價的本土化水足跡影響評價模型稀缺等問題,研究基于我國地理、環(huán)境、人口等現(xiàn)狀構(gòu)建了一個包含6個中間點影響類型和2個終點保護目標的評價模型。模型分析了排放到大氣、土壤和水體中的3千余種物質(zhì)對水環(huán)境的影響,最終形成了囊括了35374個中間點參數(shù)的水足跡影響評價模型。本文同時提供了微觀、中觀到宏觀層次的清單構(gòu)建方法,使得模型具有較好的普適性,能夠作為一個有效量化不同地理范圍內(nèi)不同層次的產(chǎn)業(yè)活動的水足跡影響的通用性模型,為用水結(jié)構(gòu)調(diào)整、區(qū)域水資源配置以及其他環(huán)境介質(zhì)污染的協(xié)同治理提供參考性信息。

該研究同時以某企業(yè)鎳鐵合金生產(chǎn)的水足跡影響為例進行了示例分析,研究發(fā)現(xiàn)在其生命周期中需重點關(guān)注的關(guān)鍵污染節(jié)點為交通運輸、焦炭生產(chǎn)、發(fā)電、壓縮空氣制備以及電極糊制備等間接過程,直接過程影響相對降低。需重點控制的污染物為鉻、砷、汞、銅等重金屬的排放以及總氮、總磷、二氧化硫等物質(zhì)的排放。