工业水足迹评价与应用

大规模的工业生产不但消耗了大量的水资源,同时产生了大量的工业废水,这是造成和加剧全球或区域水资源危机和水环境问题最重要的原因之一。对工业生产过程的水资源综合影响进行科学有效评估是目前资源环境管理领域研究的重要问题之一,是采取有效措施、提升工业生产的水资源利用效率和管理水平的重要前提和基础。以发展和完善工业生产过程的水资源综合影响的评价系统和方法体系为目标,基于水足迹理论,提出了工业水足迹的概念,即用以测量由某一产品、工业企业、行业或区域的工业生产过程引发的水资源利用增量的一个多维指标。以此概念为理论基础,进而首先分析了工业水足迹的内涵,包括直接工业水足迹与间接工业水足迹两部分。另外,区别于全生命周期的水足迹,工业水足迹评价是针对工业生产过程中由于工业原料、辅料、能源和水的输入,以及废水、废物与产品的输出产生的水足迹,其系统边界不包括分销零售、消费使用与废物处理等环节。其次,在确定的系统边界内构建了工业水足迹的核算框架和基础方法体系,即从生产、公共及运输3个方面收集数据、处理并核算。最后,从产品、企业、行业和区域4个层面对工业水足迹的应用及其意义进行了展望。     

水足迹研究进展

水为生命之源,水资源的合理分配与科学管理是区域可持续发展与流域综合管理的核心环节;水足迹作为一种全面核算人类活动对水资源真实占用的综合指标,将人类消费终端与水资源利用密切关联,为维护流域水资源安全、提高区域水资源利用效率提供了重要的科学依据,已成为当前国际水资源管理的前沿研究领域。在明确水足迹及水资源生态足迹相关概念的基础上,对比分析了水足迹与生态足迹、水资源生态足迹模型的异同,明晰了过程、产品及区域等不同研究对象的水足迹核算方法,系统梳理了产品和区域水足迹评价、基于水足迹的区域水资源安全研究、区域水足迹可持续性分析等水足迹主要研究内容的近今进展,并展望了进一步的重点研究方向,即水足迹综合研究、水足迹评价不确定性分析、水足迹与物质流核算的关联研究,以及基于足迹整合的可持续发展多维测度等。     

我国几种典型棉纺织产品的工业水足迹评价

产品水足迹评价能够揭示人类活动在产品全生命周期中的水资源综合影响,可以为提高水资源利用与管理水平和引导绿色消费提供重要的科学依据和技术手段,是当前水资源评价与管理领域的热点研究方向。纺织品是日常生活最主要的消费品之一,其工业生产过程需要利用大量的水资源,同时排放出的工业废水还会对周围水环境造成严重影响。为了揭示纺织品生产过程的水资源综合影响,运用工业水足迹的概念与原理,探讨和明确了纺织品工业水足迹评价的系统边界与内容,建立了相应的核算方法,并选择了花灰布、漂白布、染色布、色织布等四种典型棉纺织产品进行了工业水足迹评价。结果显示,漂白布的工业水足迹较小为36.51L/lb,花灰布次之为37.84L/lb,染色布的平均工业水足迹为61.52L/lb,色织布水足迹最大,平均值为81.51L/lb。比较同种类型、不同颜色纺织品的工业水足迹,由大到小依次为深色中色浅色,即颜色越深对水资源的影响程度最大。从水足迹构成来看,棉纺织产品的工业水足迹主要来自于直接工业水足迹,间接工业水足迹占比较小;在直接工业水足迹的构成中,蓝水足迹的贡献较大。     

三江平原粮食作物生产水足迹时空特征及影响因素

水足迹是评价人类活动对水资源开采和水环境污染程度的重要方法,对农作物生长过程的绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹进行量化和分析,可以为农业用水综合评价和用水管理提供指导。以三江平原为研究区域量化粮食作物生产水足迹的时空特征,揭示粮食生产对区域水资源的占用情况,并分析水足迹的影响因素。结果表明:(1)三江平原粮食生产水足迹总量在2005-2018年间呈显著增加趋势,其中绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹在水足迹总量中的占比历年平均为28%、8%和64%;(2)粮食生产水足迹空间差异明显,在地市尺度,佳木斯市水足迹最高,占三江平原总量的47%,在县区尺度,富锦市、依兰县和桦南县是水足迹热点地区;(3)只考虑蓝水足迹,粮食生产给三江平原水资源造成轻度压力,而同时考虑蓝水和灰水足迹,粮食生产给三江平原水资源造成重度压力;各地市间水资源压力有较大差异,其中佳木斯市负担了该区域将近一半的粮食产量,水资源压力最高,鹤岗市则水资源压力最低;(4)降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用量、粮食种植结构和作物单产水平等都会影响粮食作物生产水足迹,其中蓝水足迹响应种植结构的变化最敏感,灰水足迹响应化肥施用量的变化最敏感,而水足迹总量响应作物单产水平的变化最敏感。因此,建议减少化肥施用量、提高作物单产水平和优化作物种植结构纳入区域水资源可持续管理之中。     

基于ISO 14046的工业产品水足迹评价研究——以电缆为例

水足迹国际标准(ISO 14046)于2014年发布,基于生命周期评价(LCA)的思想,水足迹被定义为量化与水相关潜在环境影响的指标。在ISO14046的原则、要求和方法学框架基础上,介绍了工业产品水足迹的计算和评价方法,并以铜电缆和铝合金电缆为例进行研究,分别评价了两类电缆生命周期过程产生的与水相关环境影响。与水足迹网络(WFN)的方法侧重于计算生产产品所需要的水资源总量不同,ISO的方法更关注于产品全生命周期过程的环境影响评价。案例研究表明:铜电缆生命周期全过程耗水量与铝合金电缆相比少24.8%,水短缺足迹相比则少97.9%。这是因为铜电缆生产地江苏的水压力指数(WSI)小于铝合金电缆生产地河北的WSI。由此,在江苏地区生产电缆使用的水资源对当地水环境压力造成的影响远小于在河北地区生产电缆造成的影响。采用科学合理的水足迹评价方法,量化工业产品全生命周期带来的环境影响,能为我国实现工业布局的合理规划和水资源的可持续利用提供科学依据。     

农产品水足迹研究进展

水是人类生产生活的重要资源,科学合理地评价人类活动对水资源的影响是实现水资源可持续利用的重要保障.水足迹概念的提出创新性地将人类活动消耗的水资源区分为绿水、蓝水和灰水,拓展了水资源可持续利用的评价思路.基于虚拟水(VW)的水足迹理论和基于生命周期(LCA)的水足迹理论将水质与水量的概念相结合,成为了农业水资源管理研究的热点内容.基于VW的水足迹理论主要包括绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹的计算,以及水环境可持续性评价,而基于LCA的水足迹理论体现了水资源的消耗和污染及其对环境造成的综合影响.本文详细介绍了这两种水足迹理论的计算方法与环境可持续评价的研究进展,对比分析两种水足迹理论在描述农产品生产用水及其环境影响方面的差异性,并对其研究前景进行了展望.     

基于旅游生态足迹模型的西安市旅游可持续发展评估

基于生态足迹模型、结合旅游者的生态消费及结构特征,将旅游生态足迹引入区域旅游可持续发展评估,阐述了旅游生态足迹的概念,并构建了旅游交通、住宿、餐饮、购物、游览等旅游生态足迹计算子模型。以西安市作为实证研究对象,计算分析了2004年西安市游客的旅游生态足迹。研究结果表明:2004年西安市游客的人均旅游生态足迹为0.1194hm2,人均旅游生态承载力为0.0198hm2,人均旅游生态赤字达0.0996hm2,反映出西安市的旅游业处于"不可持续发展状态",因此必须采取有效措施,合理利用生态资源,才能保证旅游业持续发展。     

乐山市动物类产品水足迹测算分析

产品水足迹能反映人类活动在产品全生命周期中对水资源的消耗情况, 为水资源的合理分配和利用提供科学依据。以乐山市为例, 运用水足迹的理论和方法, 测算了动物从出生到出栏过程中的虚拟水量以及出栏后加工成肉类产品期间的生产用水量。结果显示: 乐山市动物产品总水足迹在2000-2011 年呈上升趋势, 2011 年较2000 年总水足迹增加了22.23 亿立方米。比较不同种类动物产品水足迹, 由大到小为牛肉>羊肉>猪肉>其它禽肉>兔肉>水产品>禽蛋>奶类。从水足迹构成看, 年虚拟水量占总水足迹的比重在56.03-60.70%之间。动物产品的耗水环节主要为饲料用水以及出栏后动物产品的加工过程, 建议采取改善饲料成分、改变养殖模式以及加强虚拟水贸易等措施, 从而有效降低动物产品的水足迹。     

基于空间面板STIRPAT模型的水足迹影响因素分析——以山东省为例

随着中国水资源供需矛盾加剧，虚拟水成为地区水资源管理中不可或缺的一环，为提高地区水资源综合利用效率和探索水资源区域一体化管理提供了新思路。采用"自下而上"法核算了山东省17个城市农业、工业、生活、生态与灰水足迹，在分析2009-2018年水足迹时空分布规律基础上，综合运用探索性空间数据分析方法、面板数据STIRPAT模型和空间杜宾模型，揭示了水足迹的空间自相关特征，量化分析了人口数量、富裕程度、技术进步、城镇化和产业升级等影响因素对水足迹的本地影响效应与空间溢出效应。结果显示：①2009-2018年山东省水足迹总量均呈现波动上升的变化趋势；空间布局上呈现东部沿海和西部平原水足迹高，中部山地水足迹低的特点。②山东省水足迹具有正向的空间自相关性，相比地理位置相邻，水足迹的空间相关性受人口数量因素影响更大，表现出明显的"高高"聚集和"低低"聚集特征，但是受到经济因素的主要影响，区域间水足迹空间相关性随时间发展逐渐下降。③人口数量是山东省水足迹增长的重要来源，经济增长是推动各地区间水资源竞争关系的最重要因素。城镇化能够缓解本地水资源压力，技术进步和产业升级不仅能缓解本地水资源压力，而且通过空间溢出效应有效缓解临近地区水资源压力，是实施水资源区域一体化管理策略的重要着眼点。     

旅游生态足迹:测度旅游可持续发展的新方法

生态足迹分析方法是近年发展起来的一种主要用面积来定量测度人类对自然资源利用程度和可持续发展的新方法。旅游生态足迹是生态足迹理念在旅游研究中的应用,有助于对旅游活动的生态需求与环境影响关系的理解,可以用面积来对旅游可持续发展进行定量测度。论述旅游生态足迹基本概念,并以线路旅游产品为例,在阐述生态足迹的计算步骤和方法的基础之上,主要探讨旅游生态足迹在旅游可持续发展中6个方面的测度功能旅游产业、旅游产品、旅游目的地、企业生态、旅游者及大众旅游,对旅游生态足迹的进一步研究具有重要理论指导意义。     

湄洲岛旅游可持续发展的生态足迹分析研究

旅游生态足迹分析是评估区域旅游可持续发展能力的有效方法。基于现场调查与调研资料, 对湄洲岛2012年旅游生态足迹进行了测算与分析。结果表明, 2012 年湄洲岛人均旅游生态足迹为0.0510 hm2, 人均旅游生态承载力为0.0016 hm2, 人均旅游生态赤字达0.0494 hm2, 反映出湄洲岛的旅游业处于不可持续发展状态, 对其它区域的资源环境造成了不利影响。旅游距离和交通方式是决定湄洲岛旅游生态足迹大小的关键因素。应鼓励短途旅游和低碳出行,采取有效措施降低能源消耗, 确保海岛旅游的生态化和可持续性。     

基于效益分摊的水电水足迹计算方法——以密云水库为例

随着中国经济的飞速发展,可再生能源的开发利用已经被提到重要的议事日程,其中水力发电是重中之重。但水力发电过程也消耗大量的水资源,使得水电水足迹的核算成为当前水足迹研究热点。多功能水库同时具有发电、供水、防洪、旅游、水产等多种生态系统服务功能。传统水足迹核算方法往往将水库的水足迹等同于水电水足迹,忽略了水库的多功能性,因而高估了水电的水足迹。对传统水电水足迹的核算方法进行了改进,考虑到水库不同的生态系统服务功能,加入了水电效益分摊系数这一指标,将水电水足迹从水库水足迹中分离出来。以华北最大水库北京密云水库为例,采用传统的方法和改进的方法计算了密云水库1988—2004年水电水足迹。研究结果显示:倘若不考虑效益分摊,按照传统的方法,密云水库1988—2004年平均水电水足迹为897 m3/GJ;按照效益分摊的方法计算得到的平均水电水足迹为127 m3/GJ,仅为不考虑效益分摊情况下计算的水电水足迹的14%。水力发电是密云水库初期建设的主要目的,但自1998年之后发电量逐年减少,近年来基本不发电。传统方法下的2004年单位水电水足迹为4529.5 m3/GJ,为单位水电水足迹最大的年份;但应用改进方法后该年的单位水电水足迹仅为67.3 m3/GJ,反而成为单位水电水足迹最大的年份。考虑效益分摊更能够体现水电水足迹的真实情况,为多功能水库水电水足迹核算提供了新的思路和方法。     

生态足迹模型在区域旅游可持续发展评价中的改进

改进了基于生态足迹的区域旅游可持续发展评价模型,提出了可转移生态足迹、不可转移生态足迹和根生态赤字/盈余的概念。改进模型减小了由于贸易因素而导致区域旅游可持续发展评价结果的偏差。不可转移生态足迹反映了旅游区域承受人类活动产生的环境影响压力的真实情况,而可转移生态足迹对本地旅游可持续发展影响不大。旅游目的地不可转移生态足迹由居民不可转移生态足迹与旅游者不可转移生态足迹组成。通过研究根生态赤字/盈余来判断旅游发展的规模是否处于合理状态。以张家界市为实证研究对象,研究结果表明：张家界市2006年居民不可转移生态足迹为190.05万hm^2,旅游者不可转移生态足迹为22.10万hm^2,生态赤字为94.45万hm^2,根生态盈余为7.62万hm^2,反映出2006年张家界旅游发展规模合理。     

基于水足迹理论的煤制油产业布局评价

煤制油是我国应对石油危机的重要途径之一,但其高耗水的特点使其备受争议。利用水足迹理论对全国五大煤炭基地2015年规划的煤制油产业进行了蓝水足迹和灰水足迹的测算,分析了煤制油产业对这些区域水资源的耗用情况及冲击程度。结果显示,神东、晋东和新疆伊犁3个基地的煤制油产业蓝水足迹超过了1亿t、灰水足迹超过了3亿t,其中神东地区作为最大的煤制油产地两项数值分别达到1.9亿t和4.1亿t与当地水资源总量对比,宁东地区煤制油耗水冲击最大,占当地水资源总量的28.2%;新疆伊犁地区比例最小,为0.36%。通过对这5个煤炭基地以区域为尺度的水足迹结构分析和评价比较,得出了两种煤制油工艺的水资源消耗差异,并且为煤制油产业在五大基地的合理布局给出了依据,与此同时为接下来煤制油产业的技术革新和流程优化也提出了相应的建议。     

福州市旅游生态足迹动态

基于生态足迹的理论,分析了城市旅游生态足迹的概念内涵、测算依据和计算方法。从旅游者消费结构特征出发,将城市旅游生态足迹模型分为旅游交通、餐饮、住宿、购物、游览、娱乐等6个子模型,并对1996年、2001年和2006年福建省福州市的旅游生态足迹分别进行了测评,计算出1996年、2001年和2006年福州市的人均均衡旅游生态足迹分别为0.053550、0.039537hm2和0.042167hm2。实证分析结果表明:(1)人均旅游生态足迹与游客量并不一定呈正相关关系;(2)影响城市旅游生态足迹总体变化的关键因子主要有旅游流的数量与方式、旅游者的消费水平和结构、旅游者的空间行为和旅游目的地(景区)的利用与经营发展水平等因素;(3)旅游饭店的能源生态消费实际上比建筑生态消费大,但随着旅游业的发展和游客需求的变化,特别是对高星级饭店需求的增加,这种规律有弱化的趋势;(4)旅游交通生态足迹一直是各年旅游生态占用中最大的部分,并且有逐步增大的趋势,倡导交通工具的合理选择与安排,是减少旅游生态占用,实现城市旅游可持续发展的最有效途径;(5)2006年福州市旅游者人均均衡旅游生态足迹是当地人均生态足迹的10.59倍,超过当地生态承载力的26.41倍,城市旅游活动是一种对自然资源需求和消耗较高的生活方式。     

北京市水足迹及农业用水结构变化特征

运用水足迹的理论和方法计算评价了1990—2005年北京市水足迹及水资源利用的可持续性,在此基础上进一步分析了北京市农业用水结构的变化特征。结果表明:(1)北京市水足迹从1990年的81.5亿m3上升至2005年的168.6亿m3,人均水足迹由750.1m3上升为1096.0m3;(2)北京市水资源匮乏度不断升高,1995年以来水资源自给率呈下降趋势,与之相对应的水资源依赖度越来越高;(3)农业部门用水量在本地用水量中的比例平均每年为55.1%,虚拟水净输入量在虚拟水净输入总量中的比例平均每年达到89.1%;(4)高耗水型作物产品生产用水比例升高加大了农业用水压力,动物产品生产用水量呈增加趋势,2001—2005年动物产品生产引入的虚拟水占到其虚拟水总量的81.3%。北京市水资源利用呈不可持续状态,通过农业系统内部结构的优化调整,实现农业部门水资源的高效利用是缓解北京市水资源紧缺问题的关键。     

基于投入产出表的中国水足迹走势分析

水足迹是近年来国内外研究水资源压力的常用方法.基于投入产出表的水足迹分析方法,分析了我国1997-2007年的水足迹状况,改进了耗水系数的计算方法,研究了基于稀释理论的灰水足迹计算方法,计算了外部水足迹及额外水足迹负重以及相应系数,分析了我国水足迹消费的商品(服务)结构.结果表明,1997-2007年我国年均水足迹总量为2.83万亿m3,总体呈现下降趋势,其中蓝水足迹为2183亿m3,灰水足迹为2.62万亿m3(以Ⅲ类水标准核算).在水足迹总量中,间接水足迹占据比例达到90％,可见水资源压力的产生主要基于商品或服务的消费.我国水足迹基本上依靠自给,同时我国承担其他国家的水资源压力的比例很大,但是整体上呈现下降趋势.从水足迹消费商品(服务)结构上看,与饮食相关的商品或服务占较大比例.     

人口、富裕及技术对2000年中国水足迹的影响

21世纪水资源短缺问题将成为全球资源环境的首要问题,由于水资源的诸多问题与人类活动密不可分,因此辨明人类活动各因素对水资源影响作用的大小,并依此找寻发展的对策是当前水资源可持续利用研究的一个核心问题.在计算2000年中国的水足迹的基础上,应用STIRPAT模型分析了中国水足迹的影响因素,分解了人口、富裕和技术等对中国水资源的环境影响.结果表明：2000年,中国水资源的消费足迹为7678.45亿m^3,人均609.3m^3/a.人口数量是当前我国水足迹的一个主要驱动因子,富裕程度的提高会增加人类对水资源的总消费,气候因素和区位条件对水足迹具有显著影响,而提高土地生产能力对减少水足迹具有重要作用.在观测数据范围内,分析结果并不支持环境Kuznets曲线存在的论断.最后分析讨论了水足迹研究需要进一步完善的问题以及STIRPAT模型实证分析的政策意义.     

基于生命周期评价的本土化水足迹影响评价模型构建

水足迹作为评价水资源消耗和污染情况的综合性指标,能够对水环境面临的环境风险进行科学系统的量化、评估和管理。针对传统水足迹影响方法未进行环境影响评估等问题,研究构建了一个符合ISO 14046国际标准的基于生命周期评价的通用型本土化水足迹影响评价模型。研究通过多介质逸度模型模拟了多介质污染物排放在环境中的迁移转换,从而剔除最终未进入到水介质的部分,同时仅考虑了与水环境有关的经口摄入途径,首创了集水稀缺影响、水污染生态与健康风险量化为一体的且适用于我国国情的水足迹评价模型。模型的构建可帮助实现水系统优化,有效控制二次污染及污染转移,实现精准管控。同时由于模型具有普适性,其也可为其他国家或区域开展生命周期水足迹影响评价提供理论支持和实践经验。此外,研究以某企业镍铁合金生产的水足迹影响评价为例,对模型的应用进行了示例研究。研究发现为该企业镍铁合金生产的水足迹影响主要来源于交通运输、焦炭生产、发电、压缩空气以及电极糊制备等间接过程。同时,为降低其环境负荷,需控制氮、磷、二氧化硫及铬、砷、汞、铜等重金属的排放。     

舟山群岛旅游交通生态足迹评估

可持续旅游发展应与可持续交通观念相联系,旅游交通是旅游过程中消耗能源最多的部分,其对旅游业实现可持续发展起着重要作用。运用生态足迹方法,选取2008年为评价基准年份,以实地调研、问卷调查和访谈等获得的数据为基础,对舟山群岛旅游交通生态足迹进行了评估。结果表明:①舟山群岛旅游交通生态足迹为62408.2164 hm²,人均旅游交通生态足迹为0.011569 hm²;普陀金三角长途及国际交通生态足迹为52748.7799 hm²,占旅游交通总生态足迹的84.52%。②舟山群岛旅游交通产生温室气体为291770.04 t 等量CO₂,人均产生温室气体为54.09 kg 等量CO₂;飞机交通排放的温室气体为151061.58 t 等量CO₂,占温室气体排放总量的51.77%。③舟山群岛旅游交通生态足迹较高,占其生态承载力的10.13%;旅游交通生态足迹有87.19%发生在区域外,旅游业的发展给舟山群岛区域外的生态环境带来了较大的压力。