水足迹评价方法对比及案例研究

任晓晶，白 雪，刘 丹，胡梦婷，吴 月，张忠国

(1．轻工业环境保护研究所，北京 100095；2.中国标准化研究院，北京 100191)

水资源是人类社会生产经营过程中的一个重要要素。面对全球日益严峻的水资源短缺和水环境污染问题，如何制定合理有效的水资源管理方案，应对和化解面临的水资源风险，成为目前亟待解决的关键问题。在全球倡导可持续发展、推行绿色环保的大趋势下，水足迹评价为制定灵活的水资源发展战略提供了一个全新视角[1-2]。

目前，关于水足迹评价方法主要有两种：

a. 基于水足迹网络组织(Water Footprint Network，WFN)发布的《水足迹评价手册(The Water Footprint Assessment Manual)》[3]。该手册于2009年发布并于2011年2月进行了修订，规范了水足迹中蓝水、绿水和灰水足迹的核算方法及步骤，极大地推动了全球水足迹评价研究。

b. 基于国际标准化组织(International Standard Organization，ISO)于2014年8月发布的国际标准ISO14046“Environmental management—Water footprint—Principles，requirements and guidelines”[4]。该标准规定了基于生命周期评价(LCA)的观点开展产品、过程或组织水足迹评价的原则、要求和指南。

本文在系统对比分析上述两种水足迹评价方法的基础上，以某乳制品企业为例，探索两种方法在实际应用中的优缺点和适用范围，以期为我国企业水足迹核算与评价提供参考和依据。

1 水足迹评价方法对比

1.1 定义

WFN的水足迹即消费者或生产者直接和间接使用水资源的衡量指标，包括衡量水消耗的蓝水足迹和绿水足迹，以及衡量水污染的灰水足迹。ISO14046的水足迹是量化与水相关潜在环境影响的指标，体现为水量和水质变化的综合环境影响。仅考虑一方面时，只能使用限定词，如仅考虑水量变化称为“水稀缺足迹”(water scarcity footprint，WSF)，仅考虑水质变化称为“水劣化足迹”(water degradation footprint，WDF)。根据特征污染物的不同，WDF又细分为水富营养化足迹(water eutrophication footprint，WEF)(考虑氮磷影响)、水酸化足迹(water acidification footprint，WAF)(考虑酸性物质影响)等。WFN的水足迹侧重于“体积”，而ISO14046中的水足迹更注重“影响”，对水污染评价划分得更为详细和全面。

1.2 水足迹评价流程

表1给出了WFN和ISO 14046完整水足迹评价的4个阶段。

表1 水足迹评价的4个阶段

从表中可以看出，二者完整的水足迹评价流程都包括4个阶段。第一阶段均为确定研究目的和范围，第四阶段都是围绕第二、三阶段得出的结果进行分析，并给出建议。WFN的水足迹核算(第二阶段)、水足迹可持续评价(第三阶段)分别相当于 ISO 14046生命周期评价(LCA)中的水足迹清单分析(LCI)(第二阶段)、水足迹影响评价(LCIA)(第三阶段)。此外，WFN规定水足迹评价过程可根据不同的评价目的与范围确定，评价范围可包括以上所有阶段，也可根据需要截止到水足迹核算、可持续性评价或政策制定中的任意阶段[5]。类似地，ISO 14046也规定在开展企业水足迹评价时，可以根据水足迹评价的目的，选择包含前3个阶段的水足迹清单研究或包含4个完整阶段的水足迹评价[4]。

1.3 水足迹核算和水足迹清单分析

WFN法对于企业层面水足迹的核算有两种方法：一种是将企业内所有输出产品的水足迹相加；另一种是把企业水足迹分成直接水足迹和间接水足迹分别计算，然后将这两部分相加。直接水足迹包括与产品生产直接相关的过程水足迹和企业日常开支部分的水足迹，等于企业在运营过程中所消耗的蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹之和。间接水足迹是企业生产过程中所有投入产品的水足迹之和，通过投入产品的量(企业自己提供数据)乘以它们各自的产品水足迹(供货商提供数据)并进行求和的方法进行计算。两种核算途径所得的计算结果基本相近，只是各自的侧重点不同。第一种方法侧重于计算产品水足迹，只需考虑产品相关生产过程的水足迹，不必区分直接水足迹和间接水足迹；第二种方法侧重的是区分直接水足迹和间接水足迹。企业可以直接控制自身的运营水足迹，但供应链水足迹由别的企业或生产者决定，一般很难控制。目前，大多数关于企业水足迹计算的研究都采用第2种方法，涉及食品[5-6]、化工[7-8]、纺织[9-10]、造纸[11]、养殖[12]、制造[13]等多个行业。

ISO的水足迹清单分析与WFN的水足迹核算不同的是，清单分析阶段是根据前一阶段确定的目的和范围，量化和评价所研究的产品、工艺或活动整个生命周期阶段资源和能量使用以及环境释放的过程。核心就是对单元过程中与水相关的输入和输出进行数据的收集、审定、关联与合并，从而形成完整的水足迹清单。根据ISO 14046的要求，完整的LCA水足迹清单包括直接水足迹清单和间接水足迹清单。但ISO中区分直接水足迹和间接水足迹是根据企业对生产过程是否具有绝对的经营和财务控制权。无论是WFN还是ISO，新鲜水消耗、污(废)水排放、产品结合水等均划归直接水足迹，而外购的材料、能源等均划归间接水足迹。

1.4 水足迹评价

WFN的《水足迹评价手册》中主要使用蓝水短缺程度(WSblue)和水污染程度(WPL)两项指标来衡量水足迹可持续性水平。某流域WSblue定义为该流域内蓝水足迹总量(或蓝水消耗总量)与流域内可利用蓝水资源量之比。可利用蓝水资源量考虑了流域内环境流的需求量。例如，当WSblue>1.0时，意味着流域内蓝水足迹总量大于考虑了环境流需求的可利用蓝水资源量，这时蓝水足迹总量对环境是不可持续的。当某企业在其所在流域产生蓝水足迹且该流域的WSblue>1.0时，则认为该企业的蓝水足迹不可持续。同理，WPL是灰水足迹总量与流域实际径流的比值。当WPL>1.0时，流域的污染消纳能力被完全消耗，灰水足迹不是环境可持续的。当某企业在其所在流域产生灰水足迹且流域的WPL>1.0时，该企业的灰水足迹不可持续。由此可见，WSblue和WPL的水足迹评价结果更偏向于定性评价。Coca-Cola公司[14]、国内某造纸厂[15]、西班牙某养猪场[16]等都采用了WFN方法开展企业水足迹可持续性评价，主要集中在产品供应链阶段。

ISO 14046在水足迹影响评价阶段将清单数据进一步与环境影响联系起来。水足迹清单结果可划分为两大类影响类型：水稀缺(水量变化造成的)和水劣化(水质变化造成的)。接着对清单物质进行特征化，这一过程主要釆用特征化因子，特征化的结果通常是一个定量的指标。最后得到一系列不同影响类型指标结果。还可采用GB/T 24044—2008或ISO 14044：2006《环境管理生命周期评价要求与指南》[17]规定的对比、归一、加权等方法将结果合并为一个单一的参数[18]。

ISO 14046只规定了进行水足迹评价的一般流程和要求，并没有给出每一类水足迹的具体特征化计算方法。根据目前的文献统计结果，使用者潜在剥夺(user deprivation potential)[19]、水稀缺指数(water scarcity index)[20]、水压力指数(Water Stress Index，WSI)[21-23]、稀缺性(scarcity)[24]、水压力指数α(water stress index，α)[25]、水稀缺指标(water scarcity indicator)[26]、水剥夺指数(water deprivation index)[27]等模型和方法常被用来评价水稀缺足迹。无论是哪种模型和方法，都需要明确计算出新鲜水的消耗量。这个数值可以是根据水平衡图计算得到的新鲜水消耗量，也可以是现场测量得到的新鲜水取用量。但新鲜水消耗量在实际计算过程不确定性更多，多为近似数值，研究者们更倾向于使用Va进行水足迹评价[28]。

对于WDF，一般有两种评价方法：针对不同环境问题的“当量系数法(equivalent factor)”[29]和将清单数据与环境标准联系起来的“临界稀释体积法”[30]。此外，WDF又可从不同类别特征污染物造成的潜在环境影响的大小和重要性这一角度，进一步采用LCA的“当量系数法”模型和方法分别评价水体富营养化(aquatic eutrophication)[31]、水体酸化(aquatic acidification)[32]、水生态毒性(aquatic ecotoxicity)[33-34]、热污染(thermal pollution)[35]。可以看出，不同于WFN的水足迹可持续性评价，ISO的水足迹影响评价结果是确定的数值，是定量评价。

2017年发布的GB/T 34341—2017《组织水足迹评价和报告指南》[36]规定了组织层面水足迹评价的术语和定义、总则、目的和范围的确定、清单分析、影响评价、结果解释、报告内容，适用于指导开展组织层面水足迹清单研究和水足迹影响评价。该标准为依据ISO14046进行企业水足迹评价的具体实施提供了方法参考。

2 案例分析

2.1 研究目的和范围

某企业从事乳制品的开发、生产和销售，拥有完整的乳业产业链，是一家大规模的乳制品生产和销售企业之一。选取企业产业链中最具代表性、且与水管理关系最为密切的一个牧场和乳制品加工厂，采用基于WFN和ISO 14046的两种方法进行水足迹评价。所选牧场是该企业高端乳制品的特供基地，饲养管理具有国际先进水准，生鲜乳质量达到欧盟标准。所选加工厂为该企业最重要的乳制品生产基地，该工厂生产的乳制品品类齐全、生产工艺先进、管理体系完善，是当下中国最具代表性的乳品加工厂。评价时间为2012年，采用“摇篮到大门边界”进行水足迹评价研究。

2.2 数据收集

根据ISO 14046的要求，收集牧场和加工厂计算边界上的所有输入和输出。所收集的数据均为2012年的企业实测数据，不包括基础设施、设备和能源。对牧场而言，输入的数据包括外购的饲料和新鲜水。其中外购的饲料玉米、大麦、豆粕、甜菜粕、小麦分别为18 504 t、2 455 t、1 431 t、1 528 t、11 613 t。牧场新鲜水消耗主要由生产用水和员工生活用水组成。生产用水主要包括各过程水蒸发量、奶牛饮水量及体内吸收水量、奶牛呼吸过程导致的蒸腾损失量、粪肥中水量；生活用水主要包括员工日常使用水量。牧场废水主要来自牛尿、牛粪固液分离污水，挤奶设备清洗以及员工生活污水。牧场废水经管网收集后进入牧场废水处理站处理，达到DB 31/199—1997《上海污水综合排放标准》的污水排放三级标准后通过市政污水管网进入二级污水处理厂。加工厂新鲜水消耗主要包括锅炉、冷却塔等的蒸发损耗。加工厂废水主要来源于设备和器具的清洗水、奶罐车冲洗水、不合格产品报废污水和生活用水等。加工厂废水经管网收集后进入自建废水处理站处理，达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中一级标准后，排入Ⅲ类地表水体。牧场和加工厂与水相关的输入和输出数据见表2。

表2 牧场和加工场与水相关的输入和输出数据

2.3 结果分析

根据《水足迹评价手册》[3]和GB/T 34341—2017[36]计算企业和产品的水足迹。牧场和加工厂的水足迹核算和评价包括饲料原料的间接水足迹，以及由厂内生产过程产生的直接水足迹(表2计算所得)两部分。评价ISO14046的水稀缺足迹时，新鲜水消耗的当地特征化因子采用文献[22]的方法。牧场饲料原料的间接水足迹计算采用文献[37]的数据，饲料原料产地的特征化因子均使用中国平均水压力指数(0.478)。采用临界稀释体积法和当量系数法分别计算计算牧场及加工厂的水劣化足迹和水富营养化足迹[36]。为避免重复计算，牧场外购饲料原料产生的间接水稀缺足迹只在牧场中进行计算，由牧场供给加工厂的原料奶(牧场产品)产生的间接水稀缺足迹不在加工厂的水足迹中重复计算。结果见表3和表4。

表3 基于WFN的水足迹核算结果

表4 基于ISO 14046的水足迹评价结果

由于水稀缺足迹计算中只考虑新鲜水消耗量而不考虑水质，所以表4中的直接水稀缺足迹相当于WFN的直接蓝水足迹(新鲜水消耗量)乘以各场(厂)所处的当地特征化水稀缺指数得到。间接水稀缺足迹相当于WFN的间接蓝水足迹(作物灌溉耗水(蒸发)量)与各作物产地的当地特征化因子水稀缺指数相乘所得。虽然对于直接水足迹和间接水足迹的计算方法有所区别，但从表3中可以看出，两种计算方法都可以得到相同的结论：①牧场的间接水足迹和间接水稀缺足迹贡献很大，分别占其总水足迹和总水稀缺足迹的99.7%和96.1%，这表明在乳制品产业链上养殖环节对环境水资源稀缺程度的贡献相对较大，上游牧场的水足迹减量仍是今后乳制品行业可持续发展战略的关注热点；②牧场的直接蓝水足迹和直接水稀缺足迹均大于加工厂。但是，基于LCA的水足迹考虑了分工厂所在地的水资源稀缺程度，使得位于上海(水稀缺指数为1.0)的牧场比位于南京(水稀缺指数为0.703)的加工厂对水资源的依赖程度更明显，对当地水资源短缺的贡献更突出，表现为牧场与加工厂的直接水稀缺足迹比值(2.5倍)大于牧场与加工厂直接蓝水足迹的比值(1.8倍)。说明若企业处于不同地理位置时，仅考虑“体积”的水足迹会因为忽略了企业所处流域或区域的水资源稀缺程度，造成评价结果的大小和重要性有所差别。

表3和表4中牧场和加工厂的水劣化足迹均大于其各自的直接灰水足迹。这是由于当多种污染物存在时，选择各污染物中灰水足迹最大值(本文只计算了COD)作为企业的灰水足迹，而ISO 14046中水劣化足迹计算是将所有污染物的水劣化足迹进行等权加和。由于只考虑直接排放到水中的污染物，而没有考虑排放到空气或土壤中影响水质的污染物，WFN的灰水足迹相当于ISO中的部分水劣化足迹，核算方法也类似“临界稀释体积法”。但由WFN的方法得到加工厂的直接灰水足迹较大，而ISO 14046的方法得到牧场的水劣化足迹较大。其原因可能有两点：①加工厂由于是达标后排入Ⅲ类地表水体，因而执行了更为严格的污水排放标准，导致直接灰水足迹较大；②水劣化足迹不仅考虑COD，还考虑了氮磷污染物，表4的数据也表明牧场的污染物排放总量大于加工厂，尤其是氨氮的排放量，牧场约为加工厂的4倍。但是根据GB/T 34341—2017计算得到的特征化因子α相差不大，因此由GB/T 34341—2017的公式(4)所得到的牧场水劣化足迹要大于加工厂。

表5 水劣化足迹构成比例

表5中牧场和加工厂的水劣化足迹构成比例表明，两厂(场)含氮污染物的贡献最大，COD的贡献反而最小，牧场的含氮污染物影响最为突出。这也说明，在某种情况下，WFN的灰水足迹计算结果容易掩盖企业真实的排放状况及造成的水环境影响。表4中根据GB/T 34341—2017的公式(5)计算了牧场和加工厂的水富营养化足迹。可以看出，牧场及其产品的富营养化足迹分别是加工厂及其产品的4和5倍。所研究的企业中牧场对水体潜在富营养化影响较大，氮磷污染物(尤其是含氮污染物)需要得到有效治理。

3 结 论

a. 两种计算方法既相互区别又互有联系。由案例分析可以看出，直接水稀缺足迹与直接蓝水足迹、间接水稀缺足迹与间接蓝水足迹、直接灰水足迹和水劣化足迹等一系列水足迹核算和评价指标的侧重点不尽相同，但得到的结论基本一致。

b. 两种计算方法各有优缺点。WFN的水足迹核算将水量和水质统一成以绝对体积量表示的水足迹，原理简明、操作性强，水足迹核算结果具有直观的可比性，但在灰水足迹计算中存在遮蔽效应，此外对水资源消耗和水污染的潜在环境影响缺乏关注。由于只考虑直接排放到水中的污染物，而没有考虑排放到空气或土壤中影响水质的污染物，WFN的灰水足迹相当于ISO中的部分水劣化足迹。ISO 14046 基于LCA观点采用水稀缺足迹和水劣化足迹对水量和水质进行分别评价。水劣化足迹又可进一步分析不同类别特征污染物造成潜在环境影响(如WEF、WAF等)的大小和重要性。