馮艷莉 張 明 陸趙情

(1.金東紙業(yè)股份有限公司研發(fā)中心，江蘇鎮(zhèn)江，212132;2.陜西科技大學輕工與能源學院陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021;3.南京林業(yè)大學江蘇省制漿造紙科學與技術(shù)重點實驗室，江蘇南京，210037)

水是生命之源，是包括人類在內(nèi)的所有生物賴以生存和活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生命體最重要的組成部分。地球上水的總儲存量約1.39×1018m3，但除去海洋等咸水資源外，只有2.53%為淡水，可利用的淡水資源更是匱乏，只有淡水總量的0.31%。隨著經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，水資源的供求關(guān)系嚴重失衡，缺水已經(jīng)成為全世界面臨的主要問題，制約著很多國家的可持續(xù)發(fā)展。水足跡評估可以為解決水資源短缺、水資源供需矛盾及水資源配置等提供理論和技術(shù)上的支持。

造紙行業(yè)是典型的經(jīng)濟循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展行業(yè)，同時也是水資源消耗和排污量較大的行業(yè)。我國造紙行業(yè)主要集中在黃淮海平原、長江中下游和東南沿海三個地區(qū)［1］。其中，黃淮海平原是我國水資源供求矛盾最突出的地方，水資源的嚴重短缺成為制約該地區(qū)造紙行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。長江中下游和東南沿海地區(qū)雖然水資源比較豐富，但由于該地區(qū)水污染程度高，水質(zhì)出現(xiàn)了很嚴重的危機現(xiàn)象，阻礙了造紙行業(yè)的快速發(fā)展。因此，對造紙行業(yè)進行水足跡的可持續(xù)性評估，可以清楚地掌握本行業(yè)對水資源的需求量，同時也能采取具有針對性的降低水資源消耗與污染的措施，從而推進造紙行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 水足跡的概念及起源

1992年，加拿大大不列顛哥倫比亞大學規(guī)劃與資源生態(tài)教授里斯 (William E.Rees)提出了生態(tài)足跡的概念［2-3］，即在一定技術(shù)條件和消費水平下，某個國家 (地區(qū)、個人)持續(xù)發(fā)展或生存所必需的生物生產(chǎn)性土地面積;生物承載力則指某個國家 (地區(qū))所能提供的生物生產(chǎn)性土地面積的總和，表征該地區(qū)的生態(tài)容量。生態(tài)足跡反映了人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響，其概念具體、形象，計算方法簡單易行，在很多國家和地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用研究。1993年，英國倫敦大學非洲和東亞研究學院的Tony Allan教授首次提出了虛擬水的概念［4］，即商品或服務(wù)的生產(chǎn)過程中所使用的水資源的數(shù)量，一般伴隨在商品貿(mào)易過程中來具體化。虛擬水的概念為解決缺水國家和地區(qū)水資源安全問題提供了一種途徑，成為農(nóng)產(chǎn)品水資源利用研究的熱點。

2002年，學者Hoekstra和Hung以虛擬水研究理論為基礎(chǔ)并類比生態(tài)足跡首次提出水足跡概念［5］，當時并未給出水足跡的明確定義，研究也主要針對農(nóng)作物虛擬水貿(mào)易，其計算是基于國內(nèi)的用水量和凈輸入的虛擬水量之和進行的。Hoekstra在2003年給出水足跡的初步定義，即任何已知個人 (一個國家、一個地區(qū)或一個人)在一定時間內(nèi)消費的所有產(chǎn)品及服務(wù)所需要的水資源數(shù)量。Hoekstra教授不但將水足跡的研究范圍擴展到單個消費者，而且指出人類的消費活動是水資源消耗的根源，至此，水足跡研究將消費模式和對水資源系統(tǒng)的影響聯(lián)系起來。2004年，Hoekstra和Chapagain進一步完善了水足跡的概念并確立其計算方法，這標志著水足跡從虛擬水研究中脫離出來，成為一個獨立的衡量淡水資源使用的綜合評價指標。

2 水足跡的評價體系

2.1 水足跡的分類

2.1.1 藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡

在水足跡的研究理論中，水資源分為藍水、綠水和灰水三種。所以，按照水資源類型劃分，水足跡可以分為藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡。

(1)藍水足跡 藍水足跡是衡量人類消耗藍色水資源的一項指標。藍水主要指儲存在河流、湖泊、濕地以及淺層地下水層中的淡水資源。對于工業(yè)產(chǎn)品來說，藍水足跡包括生產(chǎn)過程蒸發(fā)掉的水分、留在產(chǎn)品中的水分，以及不能在同一時間內(nèi)流回同一流域的水，其計算公式如下:過程藍水足跡=蒸散發(fā)的水分+產(chǎn)品中的水分+不能在同一時間內(nèi)流回同一流域的水量。

(2)綠水足跡 綠水足跡是對人們使用綠水資源的一種評價性指標。綠水源于降水，綠水足跡指生產(chǎn)過程中消耗的儲存在非飽和土壤層中并通過植被蒸散消耗掉的綠水資源，與農(nóng)作物產(chǎn)品和林業(yè)產(chǎn)品水足跡密切相關(guān)。

(3)灰水足跡 灰水足跡是與污染有關(guān)的指標，定義為以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標準為基準，將一定污染物負荷吸收同化所需淡水的體積?；宜阚E概念不等同于稀釋水需求量，稀釋污染物并不能降低灰水足跡?；宜阚E是由污染物濃度和污水排放量共同決定的，只有在降低污染物濃度的同時減少污水排放量才能有效地控制灰水足跡。

2.1.2 運營水足跡和供應(yīng)鏈水足跡

從企業(yè)生產(chǎn)運營角度出發(fā)，水足跡可分為運營水足跡和供應(yīng)鏈水足跡。

(1)運營水足跡 運營水足跡也可稱為直接水足跡，是指企業(yè)經(jīng)營時直接消耗和污染的淡水量，包括產(chǎn)品內(nèi)的水、生產(chǎn)過程消耗和污染的水，以及企業(yè)日常生活中消耗的水。

(2)供應(yīng)鏈水足跡 供應(yīng)鏈水足跡相當于間接水足跡，是指該企業(yè)需要的所有投入產(chǎn)品所消耗和污染的淡水量，包括維持企業(yè)運營所投入的原材料的水足跡、企業(yè)日常消耗的能源和材料的水足跡，以及企業(yè)生產(chǎn)用設(shè)備的水足跡。

2.1.3 生產(chǎn)水足跡和消費水足跡、內(nèi)部水足跡和外部水足跡

從國家層面出發(fā)，水足跡還可分為生產(chǎn)水足跡和消費水足跡、內(nèi)部水足跡和外部水足跡。

生產(chǎn)水足跡是指一個國家在其本地產(chǎn)品生產(chǎn)與服務(wù)的過程中消耗的淡水資源量。消費水足跡是指一個國家居民消費的產(chǎn)品和服務(wù)所需的水資源總量。內(nèi)部水足跡是指生產(chǎn)于國內(nèi)且用于本國消費的商品和服務(wù)的水資源消耗量。外部水足跡也稱進口虛擬水，是指采用其他國家的水資源生產(chǎn)且用于本國居民消費的產(chǎn)品和服務(wù)的水足跡。

2.2 工業(yè)產(chǎn)品水足跡的計算方法

工業(yè)產(chǎn)品水足跡是指產(chǎn)品生產(chǎn)過程中直接或間接消耗的淡水資源。工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)系統(tǒng)一般都比較龐大、復雜，由許多個連續(xù)的子生產(chǎn)過程組成，如紙張的生產(chǎn)系統(tǒng)為:木材→蒸煮→洗滌→篩選→漂白→配漿→成形→壓榨→干燥→涂布→壓光→裁切→包裝→成品紙。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多環(huán)節(jié)都需要不斷地輸入多種原材物料，而且每一種原材物料都有其相應(yīng)的生產(chǎn)工藝，這就使得工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)系統(tǒng)變得非常復雜。因此，在對工業(yè)產(chǎn)品進行水足跡核算時，首先將工業(yè)產(chǎn)品的水足跡 (WF)分為輸入原材物料水足跡 (WFinput)、工業(yè)生產(chǎn)過程藍水足跡(WFproc，blue)和工業(yè)生產(chǎn)過程灰水足跡 (WFproc，grey)三部分，分別計算這三部分的水足跡，相加即可得到工業(yè)產(chǎn)品的總水足跡，計算公式如式 (1)。

2.2.1 輸入原材物料的水足跡

工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中需要輸入許多原材物料，包括原料、輔料、能源和燃料等，這些物料的需求量不同，水足跡大小也不盡相同。在計算輸入原材物料水足跡時，只需將各物料水足跡與其消耗量的乘積相加即可，計算公式如式 (2)。

式中，WFi為第i種物料的水足跡;mi為第i種物料的消耗量。

2.2.2 生產(chǎn)過程藍水足跡

工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的藍水足跡等于過程中清水取用量與排出廢水量的差值，計算公式如式 (3)。

WFproc，blue=WW － Effl (3)式中，WW為生產(chǎn)過程清水的取用量;Effl為生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢水量。

2.2.3 生產(chǎn)過程灰水足跡

工業(yè)廢水中污染物的種類很多，一般包括化學需氧量、生物需氧量、氨氮、金屬等。在核算灰水足跡時，選擇幾種主要污染物進行計算，最終灰水足跡為各污染物對應(yīng)灰水足跡的最大值，即WFproc，grey=Max(WFgrey)。

灰水足跡為污染物負荷除以該污染物環(huán)境水質(zhì)最大允許濃度與受納水體中自然本底濃度的差值，其中污染負荷等于廢水排放量與廢水中污染物濃度的乘積減去清水取用量與清水中污染物實際濃度的乘積，計算公式如式 (4)。

式中，L為污染負荷;Effl為廢水排放量;Ceffl為廢水中污染物的濃度;Abstr為從外界提取的自然水量;Cact為提取水中污染物的實際濃度;Cmax為污染物的環(huán)境水質(zhì)標準 (最大可接受濃度);Cnat為污染物的自然本底濃度。

2.3 水足跡與碳足跡的區(qū)別與聯(lián)系

水足跡與碳足跡既互為補充，又有所區(qū)別。兩者的相似之處在于水足跡和碳足跡都是足跡家族的成員之一，都是從供應(yīng)鏈的角度出發(fā)，分別反映了淡水短缺問題和氣候變化問題。水足跡衡量的是用水量，碳足跡衡量的是溫室氣體的產(chǎn)生量，二者反映的都是數(shù)量，而不是對水或環(huán)境的影響。水足跡和碳足跡最重要的區(qū)別在于是否具有地域性，從宏觀角度而言，水足跡具有嚴格的地域性，也就是說某一地域的節(jié)水措施并不能緩解另一個地域的水匱乏狀態(tài);而碳足跡則沒有地域性，即在某一地域減少的碳排放量可以抵消另一地域上升的碳排放量。更重要的是，水的耗費和污染更具有隱蔽性、長期持續(xù)影響性和資源不可替代性。全球變暖，水的循環(huán)周期首當其沖發(fā)生變化，為減緩全球變暖所采取的全部措施中，約有80%與水的消費有關(guān)。因此，水足跡和碳足跡一樣，都是推動全球可持續(xù)戰(zhàn)略發(fā)展的核心指標。

2.4 水足跡與虛擬水的差異

虛擬水指的是商品或服務(wù)的生產(chǎn)過程中所使用的水資源的數(shù)量，又被稱為凝結(jié)在產(chǎn)品和服務(wù)中的隱形水，通常體現(xiàn)在商品貿(mào)易過程中。而水足跡指的是已知人口在一定時間內(nèi)消費的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的淡水資源量，包括生產(chǎn)和消費過程的直接用水和間接用水。水足跡是根據(jù)虛擬水理論并類比生態(tài)足跡而演化而來的，所以，如果單從生產(chǎn)某種產(chǎn)品或服務(wù)所消耗的水量來看，產(chǎn)品的虛擬水和水足跡是可以相互替代的。但是，水足跡的概念應(yīng)用更加廣泛，不僅包含水的類型還包含用水時間和地點，這些附加信息評價水足跡對當?shù)氐挠绊懼陵P(guān)重要。

3 國內(nèi)外水足跡研究動態(tài)及其在造紙行業(yè)的應(yīng)用研究

3.1 國外水足跡的研究動態(tài)

水足跡的概念源自國外，故其在國外的發(fā)展水平遠高于國內(nèi)。2008年，Hoekstra和Chapagain對水足跡完成了一個更為廣泛的評價工作［6］，并且成立了水足跡網(wǎng)絡(luò) (WFN)。2009年，WFN發(fā)表了《Water Footprint Manual:State of the Art 2009》，率先制定了全球首個水足跡計量標準，為政府和企業(yè)開展水足跡研究奠定了基礎(chǔ)。2011年，水足跡網(wǎng)絡(luò)對2009年發(fā)表的水足跡評估手冊進行修訂和完善，進一步明確和量化水足跡研究的計算和評估方法。此外，Bulsink等人［7］對印度尼西亞各個地區(qū)農(nóng)作物的水足跡進行了詳細的研究，得出印度尼西亞人均消費的農(nóng)作物水足跡是1895 m3/a·人，不同地區(qū)農(nóng)作物的水足跡差別較大，分布在859～1895 m3/a·人范圍內(nèi)，其主要原因是氣候條件、農(nóng)業(yè)技術(shù)及消費量不同。Chapagain和Orr開展了對西班牙番茄的水足跡研究，發(fā)現(xiàn)西班牙番茄的藍水和綠水水足跡為297 Mm3/a，灰水水足跡為29 Mm3/a，其中歐盟國家消費的西班牙番茄的藍水和綠水水足跡為71 Mm3/a，灰水水足跡為7 Mm3/a［8］。

3.2 國內(nèi)水足跡的研究動態(tài)

國內(nèi)在虛擬水和水足跡方面的相關(guān)研究也有一定的進展。何浩等人［9］運用水足跡的理論和方法計算了湖南省水稻水足跡，并分析了其歷史變化和構(gòu)成特征，水稻的水足跡包括水稻作物生長、產(chǎn)品加工等過程中所消耗的水資源數(shù)量。王艷陽等人［10］采用從下到上的方法計算了北京市的水足跡，通過評價北京市的水消費特征，為節(jié)約水資源，提高水資源的有效利用率提供了理論依據(jù)。同時研究還表明，虛擬水的流入只能降低本地水資源的消耗量，并不能減少北京市的總水足跡，它只是把本地水資源的壓力轉(zhuǎn)移到了其他地區(qū)。蓋力強等人［11］計算了華北平原小麥、玉米作物生長的水足跡，并分析了綠水的重要性和灰水對環(huán)境的不利影響。結(jié)果表明，綠水在當?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)中占有重要的地位，綠水的使用與作物的生長特點及作物生長周期有關(guān);小麥、玉米總水足跡約為當?shù)厮Y源總量的2.2倍，減少小麥、玉米作物生產(chǎn)水足跡對華北平原具有重要的意義。

3.3 國內(nèi)外造紙行業(yè)水足跡的研究現(xiàn)狀

目前，國外造紙行業(yè)水足跡的研究剛剛起步，而國內(nèi)造紙行業(yè)水足跡研究還幾乎處于空白。所以，關(guān)于水足跡在造紙行業(yè)研究的文獻寥寥無幾，研究的深度也有待探討，只有少數(shù)幾篇文獻值得借鑒。Stora Enso的Skoghall廠［12］依據(jù)液體包裝紙板的生產(chǎn)工藝對各種原料 (漿、淀粉)、能源物質(zhì) (電、生物燃料)以及紙廠生產(chǎn)過程的水足跡進行了詳細計算，研究結(jié)果表明，液體包裝紙板的總水足跡為2194 m3/t紙板，其中99.6%的水足跡源自樹木和農(nóng)作物原材料。從2007到2011年，公司取水量減少了15%，而企業(yè)水足跡只占取水量的5%左右。Van Oel和Hoekstra［13-14］對造紙產(chǎn)品水足跡的計算方法進行了深入研究，分析和探討了不同國家各種木材制造紙制品水足跡，研究發(fā)現(xiàn)使用廢紙可以有效地降低紙制品水足跡。如生產(chǎn)1 t印刷書寫紙，不使用二次纖維則至少需要消耗753 m3水;如果使用二次纖維耗水量只有321 m3。UPM對其在歐洲的5家制漿造紙廠的水足跡進行了研究，得出的結(jié)論是造紙廠水足跡的99%來自供應(yīng)鏈，只有1%是來自紙廠生產(chǎn)過程［15］。一張A4大小的不含磨木漿的涂布紙和未涂布紙的水足跡分別為20 L和13 L，其中綠水60%、藍水1%、灰水39%。

總之，無論是國內(nèi)還是國外，水足跡的研究還處于初級階段，尚不成熟。大部分研究都集中在分析和探討各個國家或地區(qū)農(nóng)作物及其衍生產(chǎn)品的水足跡，對造紙企業(yè)及其紙制品水足跡的研究鮮有報道。

4 水足跡評估的意義

4.1 水足跡評估的意義

淡水是人類的生存之本，也是工農(nóng)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)的基礎(chǔ)性資源。世界上許多國家或地區(qū)長期大量取用地下水和生態(tài)用水，導致出現(xiàn)嚴重的水污染和水枯竭問題，對經(jīng)濟和社會的發(fā)展造成了不少負面影響。水足跡概念的引入，不僅可以有效地緩解水資源匱乏問題，而且對水資源可持續(xù)發(fā)展具有很重要的指導意義。首先，水足跡涵蓋了綠色水、藍色水和灰色水，將水消耗和水污染進行統(tǒng)籌和量化，從而拓寬了傳統(tǒng)水資源評價體系的外延和內(nèi)涵;其次，水足跡將實物形態(tài)的水與虛擬形態(tài)的水聯(lián)系起來，從而準確地反映人類對水資源的真實占有和消耗;第三，通過水足跡研究可以提高公眾對水資源使用的認識，有利于公眾區(qū)分實體水和虛擬水對水資源消耗的影響，幫助消費者明確哪些產(chǎn)品是高耗水產(chǎn)品，促使消費者認識到人類的消費活動是水資源消耗和污染的直接原因，從而提高公眾節(jié)約水資源的環(huán)保意識。

4.2 水足跡評估對造紙行業(yè)的重要意義

造紙行業(yè)是典型的經(jīng)濟循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，同時也是水資源消耗較高的產(chǎn)業(yè)。隨著國家對各行業(yè)水資源利用的相關(guān)政策法規(guī)日趨嚴格，人們的環(huán)保意識不斷提高，對造紙行業(yè)開展水足跡可持續(xù)評價的研究具有十分重要的意義。

(1)對政府而言，核算造紙行業(yè)水足跡，可以幫助淘汰水資源管理落后的企業(yè)，鼓勵節(jié)能環(huán)保技術(shù)的推廣和發(fā)展。

(2)對行業(yè)而言，通過核算造紙產(chǎn)業(yè)的水足跡，可提高整個行業(yè)的節(jié)水環(huán)保意識，為行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展提供有利條件，塑造優(yōu)秀的行業(yè)形象。

(3)對企業(yè)而言，可通過核算自己產(chǎn)品的水足跡，了解生產(chǎn)流程，尋求可以節(jié)約用水的環(huán)節(jié)，使企業(yè)節(jié)約成本，形成差異化的競爭優(yōu)勢，提高環(huán)保方面的競爭力，同時還能滿足消費者對水足跡信息的需求。

(4)對消費者而言，可提高消費者了解產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中用水的透明度，增強消費者對產(chǎn)品的認知度，引導消費者的環(huán)保性消費。

5 造紙行業(yè)水足跡評估存在的問題

造紙行業(yè)水足跡是將生產(chǎn)鏈所有環(huán)節(jié)中的耗水考慮在內(nèi)而估算出的用水總量，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與工業(yè)生產(chǎn)兩部分［16］。由于其產(chǎn)業(yè)鏈太長，涉及的行業(yè)領(lǐng)域范圍較廣，所以在實際核算過程中存在一定的問題。

(1)比較精確地核算產(chǎn)品種植階段水足跡存在較大困難。因為影響種植階段水使用量的主要因素是自然條件，需要龐大的關(guān)于產(chǎn)地氣候、環(huán)境的數(shù)據(jù)，在我國現(xiàn)階段各種基礎(chǔ)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)匱乏的條件下，核算難度非常大。

(2)產(chǎn)品種植階段水足跡在產(chǎn)品整個生產(chǎn)鏈中占很大的比例，基本在80%左右，計算精度低，不能充分發(fā)揮產(chǎn)品水足跡對水資源管理方面的重要作用。

(3)造紙產(chǎn)業(yè)鏈中用到大量的助劑，這些添加劑往往來自不同的生產(chǎn)廠家，其生產(chǎn)工藝也不盡相同，因此核算水足跡也有難度。

(4)從農(nóng)業(yè)到工業(yè)的生產(chǎn)鏈太長，不確定因素較多，無論采用鏈式求和方法還是逐布累積法，都需要了解生產(chǎn)過程中的每一步驟及產(chǎn)品的水足跡數(shù)據(jù)，因此計算最終產(chǎn)品的水足跡較困難。

6 展望

在過去的十余年里，水足跡理論得到了較快的發(fā)展，研究領(lǐng)域不斷拓展，研究成果也不斷多樣化。雖然水足跡評估在造紙行業(yè)的應(yīng)用研究才剛剛起步，且面臨著許多問題，但是相信在不久的將來，水足跡評估作為一種新型的水資源管理方法，一定會為造紙行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的理論指導。未來造紙行業(yè)關(guān)于水足跡研究的主要任務(wù)是建立標準的水足跡核算模型及可共享的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

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