基于“灰水足迹”测度的河北省水污染评估及影响因素

殷阿娜，卢改娟，王殿茹

(河北地质大学 经济学院，河北 石家庄 050031)

水资源是一切生物赖以生存的基本资源，水资源短缺与水污染已成为全世界范围内较为普遍的问题。河北省位于中国华北地区北部，生态环境脆弱，长期的经济粗放式发展导致河北省水资源污染严重、土壤重金属化和大气雾霾频现等生态环境问题突出。2020年河北省水资源总量为146.26亿立方米，全省总用水量182.77亿立方米，水资源供需缺口达36.51亿立方米，农业、工业和服务业用水量占比分别为59%、10%和31%[1]；2020年河北省监测的210个地表水控断面中，达到或好于Ⅲ类的水质断面比例为65.24%，Ⅳ类水质断面比例为26.19%，Ⅴ类水质断面比例为6.19%，劣Ⅴ类水质断面比例为2.38%，水污染治理工作依然任重而道远[2]。因此，只有全面认识河北省区域水资源污染来源及水污染发展趋势，才能强化水资源环境的精准治理与生态保护，从而实现人类发展与生态和谐的“美丽河北”的重大区域目标。

水污染评价方法主要有两类：一类是统计指标法，主要包括单因子评价法、水污染指数法和综合污染指数法[3-5]，这类方法优点是计算简单和应用广泛，缺点是指标设计的科学性容易受到质疑，以及评估结果难以实现可比及推广应用；另一类是“灰水足迹”法，“灰水足迹”概念界定清晰、计算方法可操作性强，有利于实现时空水资源质量对比分析，已成为水污染评价的重要指标，被广泛应用于全球水资源、流域及区域水污染的评价中[6-9]。

本文以河北省水污染为研究对象，以2000—2019年为研究时间跨度，以区域“灰水足迹”为研究方法，通过对产业细化领域测度，科学评估2000—2019年河北省区域社会经济活动所造成的水污染状况，在此基础上，使用IPAT及LMDI分解法，探讨河北省水污染问题及其关键影响因素，以期为河北省“十四五”时期进一步加强水污染治理与水安全战略，提供可参考的政策建议。

1 “灰水足迹”的概念与内涵

“灰水足迹”起源于“水足迹”概念。荷兰学者Hoekstra[10]于2002年基于“虚拟水”和“生态足迹”理论，首次提出“水足迹”概念：水足迹为一个国家、地区或个人在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源数量。随后，在“水足迹”研究中，依据水源不同，水足迹进一步被分为蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹。Hoekstra等[11]在2008年出版的著作《水的全球化：共享地球的淡水资源》中对“灰水足迹”的概念进行了界定，认为“灰水足迹”是“排放到水体的污染负荷除以污染物的最大容许浓度”。2010年，由Hoekstra教授领导的水足迹网络(WFN)对“灰水足迹”概念进行了完善，将“灰水足迹”正式定义为以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定的污染物负荷吸收同化所需的淡水体积[12]。其科学内涵主要体现在以下两个方面：一是“灰水足迹”引入到水污染治理的产业链思想，将人类活动的水污染物排放量嵌入到淡水资源消耗中，为解释人类生产活动与淡水使用之间的关系提供了更广阔的视角；二是“灰水足迹”改进了衡量区域、流域等空间水污染状况的评价方法，结合水污染量-时间-空间三个维度，考量长期稀释污染物所需的水资源体积，更好地反映了区域或流域内水污染现状及水资源安全问题。

2 研究设计

2.1 河北省“灰水足迹”的测度方法

为了真实反映河北省水资源污染状况，本文从农业、工业和服务业3个产业部门分别进行灰水足迹测度。

2.1.1 农业灰水足迹农业可划分为种植业和养殖业，其污染属于面源污染，相比点源污染更复杂，记为GWFn1。由于种植业对区域地下水或地表水的污染主要来源于化肥使用量，因此本文选用氮肥淋失率来测算种植业所产生的水体污染物。种植业面源污染的灰水足迹(GWFn1)测度公式如式(1)：

(1)

式(1)中：GWFn1指农业种植部门的灰水足迹(m3)；变量M表示农业年度施肥的总量(kg)；k表示氮肥淋失率，借鉴我国《地表水环境质量标准》和徐鹏等[13]对华北平原农田硝态氮淋溶率的研究，本文氮肥淋失率k设定为16%；Cmax为污染物的水质标准质量浓度(kg/m3)，根据我国《地表水环境质量标准》，氨氮的标准浓度限值为10 mg/L(即Cmax=0.01 kg/m3)；Cnat为水体中污染物的初始浓度，设定为0。

在养殖业中，由放牧、圈养等活动导致的粪便也造成了严重的水污染。本文选用猪、羊、牛、马、驴、骡、家禽排泄物作为主要研究对象，养殖业面源污染的灰水足迹计算公式如式(2)：

(2)

式(2)中：GWFn2指农业养殖部门的灰水足迹(m3)；GWFn2i指猪、羊、牛、马、驴、骡、家禽灰水足迹(m3)；变量D表示牲畜年末存栏量(头/只)；MC/MS表示河北省与全国总的肉类产量的比值；Pi、pi、Ki分别指牲畜年均排泄量、回收处理率、氮流失系数，牲畜排泄与氮流失系数数据来源于第二次全国污染源普查养殖业产业排污系数手册，如表1所示。

表1 牲畜排泄与氮流失系数

2.1.2 工业和服务业的灰水足迹工业和服务业的水污染隶属于点源污染，可直接采用灰水足迹的一般测算方法，记为GWFg(s)，如式(3)所示：

(3)

式(3)中：GWFg(s)是工业(或服务业)灰水足迹(m3)；L是部门排污量(kg)，本文选用工业和服务业化学需氧量(COD)指标来代表；ρmax为污染物的水质标准质量浓度(kg·m-3)，根据我国《地表水环境质量标准》，选取满足人民需求的最低标准Ⅲ类水质标准作为本文水质标准指标，其COD的标准浓度为20 mg/L(ρmax=0.02 kg·m-3)；ρnat指受纳水体的自然底本质量浓度(kg·m-3)，水体中污染物的初始浓度即ρnat设定为0。

2.1.3 河北省区域内灰水足迹将河北省农业、工业和服务业三个部门灰水足迹求和，即可求得河北省区域灰水足迹，计算公式如式(4)：

GWF=GWFg+GWFs+GWFn

(4)

2.2 河北省水污染影响因素分析

为了进一步分析河北省水污染的关键影响因素，本文借鉴美国著名人口学家Ehrlich等[14]提出的IPAT恒等式，将该模型应用于水污染影响因素分解，如式(5)所示。其中，GWFt为第t年的河北省灰水足迹(亿m3)；Pt为第t年河北省人口数量(万人)；At为第t年河北省经济发展程度(万元/人)；Tt为第t年河北省水处理技术水平；GDPt为第t年河北省国内生产总值(亿元)。

(5)

再依据LMDI[15-16]分解法，对式(5)中影响河北省水污染的人口规模、经济发展、技术进步因素进行定量化分解，如式(6)和式(7)。其中，GWFt、GWFt-1分别表示第t年和第t-1年的灰水足迹；ΔGP、ΔGA、ΔGT分别表示人口规模效应、经济发展效应、技术进步效应。若效应为正值，表示驱动因素的变化促使灰水足迹增加，为增量效应，反之，为减量效应。

ΔGWF=GWFt-GWFt-1=ΔGP+ΔGA+ΔGT

(6)

(7)

2.3 数据来源与整理

本文使用灰水足迹测度法分析河北省水污染的时空演变，使用IPAT和LMDI分解法研究河北省水污染的主要影响因素，时间范围为2001—2019年。其中，氮肥施用量、复合肥施用量、工业生活COD排放量、牲畜(猪、羊、牛、马、驴、骡、家禽)期末数量、河北省和全国肉类产量、第一二三产业增加值、人口等数据来源于历年《中国统计年鉴》《河北经济年鉴》《河北省水资源公报》和《中国环境统计年鉴》。部分缺失数据采用均值插补法填补，三次产业增加值和河北省GDP总量以2000年为基期进行了价格指数调整。

3 实证结果与分析

3.1 河北省水污染评估结果

从河北省三次产业水污染状况来看，2000—2019年，在河北省区域人类生产活动造成的灰水足迹总量中，农业灰水足迹年贡献率最高，平均年贡献率为53.42%，其次为服务业和工业，服务业和工业灰水足迹年平均贡献率分别为24.51%和22.07%；2000—2019年，农业生产造成的灰水足迹量平稳中略有下降，农业灰水足迹年均在280亿m3左右，2018年和2019年略有下降；工业生产造成的灰水足迹量呈现逐年减少的良好发展趋势，从2000年工业灰水足迹高达174亿m3降至59亿m3，年均下降速度为5.5%；服务业生产造成的灰水足迹量呈现先增后降的发展趋势，2007年后服务业年新增灰水足迹超过工业年新增灰水足迹，2008年后河北省服务业灰水足迹也呈现出逐年下降的良好趋势。

3.2 河北省水污染影响因素实证分析

采用IPAT和LMDI分解法，对2000—2019年河北省灰水足迹变化因素进行实证分析，实证结果如表2所示，可以看出：2000—2019年，人口规模和经济增长对河北省灰水足迹的变化起到增量驱动作用，经济增长是造成河北省水污染即灰水足迹增加的主要因素，对新增灰水足迹产生量的年贡献率平均为93%，而人口规模对灰水足迹年增加量贡献率平均为7%。但随着时间推移，河北省人口规模与经济增长对区域灰水足迹的增量效应呈逐年减少的发展趋势，2001—2019年河北省人口规模与经济增长对灰水足迹的边际增量年平均下降率为4.2%和4.4%。2000—2019年，技术进步对河北省灰水足迹的变化起到减量驱动作用，即技术进步是降低河北省水污染的关键因素，2007年后，河北省技术进步对灰水足迹的减量效应大于其经济增长导致的水污染增量效应，但技术进步的边际水污染减量效应近年来有所降低。

表2 2001—2019年河北省灰水足迹影响因素LMDI分析结果

4 结论与建议

4.1 研究结论

本文借助灰水足迹法，以河北省为研究对象，评估了河北省区域内人类生产活动对水资源的污染状况及变化趋势，探讨了人口规模、经济增长和技术进步对河北省区域水污染的影响效应。主要研究结论有：1)2000—2019年，河北省灰水足迹呈现显著的倒U型曲线特征，2007年后河北省每年新增灰水足迹以年均7.7%的速度逐年下降，水污染状况明显改善。2)三次产业中，河北省农业灰水足迹贡献率最高，年贡献率为50%～60%，2007年后服务业灰水足迹年贡献率超过工业年贡献率，2019年河北省服务业和工业灰水足迹贡献率分别为26.09%和14.43%。3)经济增长是导致河北省区域水污染增加的主要因素，其灰水足迹年均贡献率高达93%；人口规模的上升导致水污染问题加剧，其灰水足迹年均贡献率为7%；长期持续性技术进步有效降低了河北省区域灰水足迹、提升了水资源质量，但近年来技术进步的边际效应有所减弱。

4.2 政策建议

基于以上研究，为进一步改善河北省水污染现状和保障水资源安全，实现区域内人口、经济与水资源健康协调发展，提出以下几点建议：1)重点瞄准农业和服务业，强化重点领域水污染监督管理。转变以工业为主的环境治理模式，树立科学性治污、动态化调整治理模式。河北省目前应以农业和服务业为水污染治理重点领域，构建重点领域水污染监督管理制度体系，加强顶层规划与机制构建。2)有效融入“京津冀”协同发展战略，构建水污染协同治理体系。积极构建基于物联网的“京津冀”立体环境监测系统和风险管理模式，实现“京津冀”环保、国土、气象、水利和环境科研系统资源与信息共享，实现跨区域统一联合监察执法。3)加快推进数字技术创新及应用，打造“数字+”产业融合发展。以数字化转型和新一代信息技术为动力，加快推进农业、工业和服务业数字化转型，以数字化新模式提高绿色转型效益，有效减少区域水污染。4)大力促进政策融合创新，实现政策联动高效率精准治污。水污染与空气污染、土壤污染在物理上具有连锁反应和相互影响，在“双碳”目标背景下，加强大气、土壤和水环境监督的综合治理，提升政策实施效率，促进区域生态环境的整体改善。