水足迹评估及其在造纸行业的应用

冯艳莉 张 明 陆赵情

(1.金东纸业股份有限公司研发中心，江苏镇江，212132;2.陕西科技大学轻工与能源学院陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021;3.南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏南京，210037)

水是生命之源，是包括人类在内的所有生物赖以生存和活动的物质基础，也是生命体最重要的组成部分。地球上水的总储存量约1.39×1018m3，但除去海洋等咸水资源外，只有2.53%为淡水，可利用的淡水资源更是匮乏，只有淡水总量的0.31%。随着经济和工业生产的飞速发展，水资源的供求关系严重失衡，缺水已经成为全世界面临的主要问题，制约着很多国家的可持续发展。水足迹评估可以为解决水资源短缺、水资源供需矛盾及水资源配置等提供理论和技术上的支持。

造纸行业是典型的经济循环和可持续发展行业，同时也是水资源消耗和排污量较大的行业。我国造纸行业主要集中在黄淮海平原、长江中下游和东南沿海三个地区［1］。其中，黄淮海平原是我国水资源供求矛盾最突出的地方，水资源的严重短缺成为制约该地区造纸行业可持续发展的重要因素。长江中下游和东南沿海地区虽然水资源比较丰富，但由于该地区水污染程度高，水质出现了很严重的危机现象，阻碍了造纸行业的快速发展。因此，对造纸行业进行水足迹的可持续性评估，可以清楚地掌握本行业对水资源的需求量，同时也能采取具有针对性的降低水资源消耗与污染的措施，从而推进造纸行业的可持续发展。

1 水足迹的概念及起源

1992年，加拿大大不列颠哥伦比亚大学规划与资源生态教授里斯 (William E.Rees)提出了生态足迹的概念［2-3］，即在一定技术条件和消费水平下，某个国家 (地区、个人)持续发展或生存所必需的生物生产性土地面积;生物承载力则指某个国家 (地区)所能提供的生物生产性土地面积的总和，表征该地区的生态容量。生态足迹反映了人类活动对生态系统的影响，其概念具体、形象，计算方法简单易行，在很多国家和地区得到了广泛的应用研究。1993年，英国伦敦大学非洲和东亚研究学院的Tony Allan教授首次提出了虚拟水的概念［4］，即商品或服务的生产过程中所使用的水资源的数量，一般伴随在商品贸易过程中来具体化。虚拟水的概念为解决缺水国家和地区水资源安全问题提供了一种途径，成为农产品水资源利用研究的热点。

2002年，学者Hoekstra和Hung以虚拟水研究理论为基础并类比生态足迹首次提出水足迹概念［5］，当时并未给出水足迹的明确定义，研究也主要针对农作物虚拟水贸易，其计算是基于国内的用水量和净输入的虚拟水量之和进行的。Hoekstra在2003年给出水足迹的初步定义，即任何已知个人 (一个国家、一个地区或一个人)在一定时间内消费的所有产品及服务所需要的水资源数量。Hoekstra教授不但将水足迹的研究范围扩展到单个消费者，而且指出人类的消费活动是水资源消耗的根源，至此，水足迹研究将消费模式和对水资源系统的影响联系起来。2004年，Hoekstra和Chapagain进一步完善了水足迹的概念并确立其计算方法，这标志着水足迹从虚拟水研究中脱离出来，成为一个独立的衡量淡水资源使用的综合评价指标。

2 水足迹的评价体系

2.1 水足迹的分类

2.1.1 蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹

在水足迹的研究理论中，水资源分为蓝水、绿水和灰水三种。所以，按照水资源类型划分，水足迹可以分为蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹。

(1)蓝水足迹 蓝水足迹是衡量人类消耗蓝色水资源的一项指标。蓝水主要指储存在河流、湖泊、湿地以及浅层地下水层中的淡水资源。对于工业产品来说，蓝水足迹包括生产过程蒸发掉的水分、留在产品中的水分，以及不能在同一时间内流回同一流域的水，其计算公式如下:过程蓝水足迹=蒸散发的水分+产品中的水分+不能在同一时间内流回同一流域的水量。

(2)绿水足迹 绿水足迹是对人们使用绿水资源的一种评价性指标。绿水源于降水，绿水足迹指生产过程中消耗的储存在非饱和土壤层中并通过植被蒸散消耗掉的绿水资源，与农作物产品和林业产品水足迹密切相关。

(3)灰水足迹 灰水足迹是与污染有关的指标，定义为以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定污染物负荷吸收同化所需淡水的体积。灰水足迹概念不等同于稀释水需求量，稀释污染物并不能降低灰水足迹。灰水足迹是由污染物浓度和污水排放量共同决定的，只有在降低污染物浓度的同时减少污水排放量才能有效地控制灰水足迹。

2.1.2 运营水足迹和供应链水足迹

从企业生产运营角度出发，水足迹可分为运营水足迹和供应链水足迹。

(1)运营水足迹 运营水足迹也可称为直接水足迹，是指企业经营时直接消耗和污染的淡水量，包括产品内的水、生产过程消耗和污染的水，以及企业日常生活中消耗的水。

(2)供应链水足迹 供应链水足迹相当于间接水足迹，是指该企业需要的所有投入产品所消耗和污染的淡水量，包括维持企业运营所投入的原材料的水足迹、企业日常消耗的能源和材料的水足迹，以及企业生产用设备的水足迹。

2.1.3 生产水足迹和消费水足迹、内部水足迹和外部水足迹

从国家层面出发，水足迹还可分为生产水足迹和消费水足迹、内部水足迹和外部水足迹。

生产水足迹是指一个国家在其本地产品生产与服务的过程中消耗的淡水资源量。消费水足迹是指一个国家居民消费的产品和服务所需的水资源总量。内部水足迹是指生产于国内且用于本国消费的商品和服务的水资源消耗量。外部水足迹也称进口虚拟水，是指采用其他国家的水资源生产且用于本国居民消费的产品和服务的水足迹。

2.2 工业产品水足迹的计算方法

工业产品水足迹是指产品生产过程中直接或间接消耗的淡水资源。工业产品的生产系统一般都比较庞大、复杂，由许多个连续的子生产过程组成，如纸张的生产系统为:木材→蒸煮→洗涤→筛选→漂白→配浆→成形→压榨→干燥→涂布→压光→裁切→包装→成品纸。在实际工业生产过程中，很多环节都需要不断地输入多种原材物料，而且每一种原材物料都有其相应的生产工艺，这就使得工业产品的生产系统变得非常复杂。因此，在对工业产品进行水足迹核算时，首先将工业产品的水足迹 (WF)分为输入原材物料水足迹 (WFinput)、工业生产过程蓝水足迹(WFproc，blue)和工业生产过程灰水足迹 (WFproc，grey)三部分，分别计算这三部分的水足迹，相加即可得到工业产品的总水足迹，计算公式如式 (1)。

2.2.1 输入原材物料的水足迹

工业产品的生产过程中需要输入许多原材物料，包括原料、辅料、能源和燃料等，这些物料的需求量不同，水足迹大小也不尽相同。在计算输入原材物料水足迹时，只需将各物料水足迹与其消耗量的乘积相加即可，计算公式如式 (2)。

式中，WFi为第i种物料的水足迹;mi为第i种物料的消耗量。

2.2.2 生产过程蓝水足迹

工业产品生产过程的蓝水足迹等于过程中清水取用量与排出废水量的差值，计算公式如式 (3)。

WFproc，blue=WW － Effl (3)式中，WW为生产过程清水的取用量;Effl为生产过程产生的废水量。

2.2.3 生产过程灰水足迹

工业废水中污染物的种类很多，一般包括化学需氧量、生物需氧量、氨氮、金属等。在核算灰水足迹时，选择几种主要污染物进行计算，最终灰水足迹为各污染物对应灰水足迹的最大值，即WFproc，grey=Max(WFgrey)。

灰水足迹为污染物负荷除以该污染物环境水质最大允许浓度与受纳水体中自然本底浓度的差值，其中污染负荷等于废水排放量与废水中污染物浓度的乘积减去清水取用量与清水中污染物实际浓度的乘积，计算公式如式 (4)。

式中，L为污染负荷;Effl为废水排放量;Ceffl为废水中污染物的浓度;Abstr为从外界提取的自然水量;Cact为提取水中污染物的实际浓度;Cmax为污染物的环境水质标准 (最大可接受浓度);Cnat为污染物的自然本底浓度。

2.3 水足迹与碳足迹的区别与联系

水足迹与碳足迹既互为补充，又有所区别。两者的相似之处在于水足迹和碳足迹都是足迹家族的成员之一，都是从供应链的角度出发，分别反映了淡水短缺问题和气候变化问题。水足迹衡量的是用水量，碳足迹衡量的是温室气体的产生量，二者反映的都是数量，而不是对水或环境的影响。水足迹和碳足迹最重要的区别在于是否具有地域性，从宏观角度而言，水足迹具有严格的地域性，也就是说某一地域的节水措施并不能缓解另一个地域的水匮乏状态;而碳足迹则没有地域性，即在某一地域减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，水的耗费和污染更具有隐蔽性、长期持续影响性和资源不可替代性。全球变暖，水的循环周期首当其冲发生变化，为减缓全球变暖所采取的全部措施中，约有80%与水的消费有关。因此，水足迹和碳足迹一样，都是推动全球可持续战略发展的核心指标。

2.4 水足迹与虚拟水的差异

虚拟水指的是商品或服务的生产过程中所使用的水资源的数量，又被称为凝结在产品和服务中的隐形水，通常体现在商品贸易过程中。而水足迹指的是已知人口在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的淡水资源量，包括生产和消费过程的直接用水和间接用水。水足迹是根据虚拟水理论并类比生态足迹而演化而来的，所以，如果单从生产某种产品或服务所消耗的水量来看，产品的虚拟水和水足迹是可以相互替代的。但是，水足迹的概念应用更加广泛，不仅包含水的类型还包含用水时间和地点，这些附加信息评价水足迹对当地的影响至关重要。

3 国内外水足迹研究动态及其在造纸行业的应用研究

3.1 国外水足迹的研究动态

水足迹的概念源自国外，故其在国外的发展水平远高于国内。2008年，Hoekstra和Chapagain对水足迹完成了一个更为广泛的评价工作［6］，并且成立了水足迹网络 (WFN)。2009年，WFN发表了《Water Footprint Manual:State of the Art 2009》，率先制定了全球首个水足迹计量标准，为政府和企业开展水足迹研究奠定了基础。2011年，水足迹网络对2009年发表的水足迹评估手册进行修订和完善，进一步明确和量化水足迹研究的计算和评估方法。此外，Bulsink等人［7］对印度尼西亚各个地区农作物的水足迹进行了详细的研究，得出印度尼西亚人均消费的农作物水足迹是1895 m3/a·人，不同地区农作物的水足迹差别较大，分布在859～1895 m3/a·人范围内，其主要原因是气候条件、农业技术及消费量不同。Chapagain和Orr开展了对西班牙番茄的水足迹研究，发现西班牙番茄的蓝水和绿水水足迹为297 Mm3/a，灰水水足迹为29 Mm3/a，其中欧盟国家消费的西班牙番茄的蓝水和绿水水足迹为71 Mm3/a，灰水水足迹为7 Mm3/a［8］。

3.2 国内水足迹的研究动态

国内在虚拟水和水足迹方面的相关研究也有一定的进展。何浩等人［9］运用水足迹的理论和方法计算了湖南省水稻水足迹，并分析了其历史变化和构成特征，水稻的水足迹包括水稻作物生长、产品加工等过程中所消耗的水资源数量。王艳阳等人［10］采用从下到上的方法计算了北京市的水足迹，通过评价北京市的水消费特征，为节约水资源，提高水资源的有效利用率提供了理论依据。同时研究还表明，虚拟水的流入只能降低本地水资源的消耗量，并不能减少北京市的总水足迹，它只是把本地水资源的压力转移到了其他地区。盖力强等人［11］计算了华北平原小麦、玉米作物生长的水足迹，并分析了绿水的重要性和灰水对环境的不利影响。结果表明，绿水在当地农作物生产中占有重要的地位，绿水的使用与作物的生长特点及作物生长周期有关;小麦、玉米总水足迹约为当地水资源总量的2.2倍，减少小麦、玉米作物生产水足迹对华北平原具有重要的意义。

3.3 国内外造纸行业水足迹的研究现状

目前，国外造纸行业水足迹的研究刚刚起步，而国内造纸行业水足迹研究还几乎处于空白。所以，关于水足迹在造纸行业研究的文献寥寥无几，研究的深度也有待探讨，只有少数几篇文献值得借鉴。Stora Enso的Skoghall厂［12］依据液体包装纸板的生产工艺对各种原料 (浆、淀粉)、能源物质 (电、生物燃料)以及纸厂生产过程的水足迹进行了详细计算，研究结果表明，液体包装纸板的总水足迹为2194 m3/t纸板，其中99.6%的水足迹源自树木和农作物原材料。从2007到2011年，公司取水量减少了15%，而企业水足迹只占取水量的5%左右。Van Oel和Hoekstra［13-14］对造纸产品水足迹的计算方法进行了深入研究，分析和探讨了不同国家各种木材制造纸制品水足迹，研究发现使用废纸可以有效地降低纸制品水足迹。如生产1 t印刷书写纸，不使用二次纤维则至少需要消耗753 m3水;如果使用二次纤维耗水量只有321 m3。UPM对其在欧洲的5家制浆造纸厂的水足迹进行了研究，得出的结论是造纸厂水足迹的99%来自供应链，只有1%是来自纸厂生产过程［15］。一张A4大小的不含磨木浆的涂布纸和未涂布纸的水足迹分别为20 L和13 L，其中绿水60%、蓝水1%、灰水39%。

总之，无论是国内还是国外，水足迹的研究还处于初级阶段，尚不成熟。大部分研究都集中在分析和探讨各个国家或地区农作物及其衍生产品的水足迹，对造纸企业及其纸制品水足迹的研究鲜有报道。

4 水足迹评估的意义

4.1 水足迹评估的意义

淡水是人类的生存之本，也是工农业发展和经济建设的基础性资源。世界上许多国家或地区长期大量取用地下水和生态用水，导致出现严重的水污染和水枯竭问题，对经济和社会的发展造成了不少负面影响。水足迹概念的引入，不仅可以有效地缓解水资源匮乏问题，而且对水资源可持续发展具有很重要的指导意义。首先，水足迹涵盖了绿色水、蓝色水和灰色水，将水消耗和水污染进行统筹和量化，从而拓宽了传统水资源评价体系的外延和内涵;其次，水足迹将实物形态的水与虚拟形态的水联系起来，从而准确地反映人类对水资源的真实占有和消耗;第三，通过水足迹研究可以提高公众对水资源使用的认识，有利于公众区分实体水和虚拟水对水资源消耗的影响，帮助消费者明确哪些产品是高耗水产品，促使消费者认识到人类的消费活动是水资源消耗和污染的直接原因，从而提高公众节约水资源的环保意识。

4.2 水足迹评估对造纸行业的重要意义

造纸行业是典型的经济循环和可持续发展产业，同时也是水资源消耗较高的产业。随着国家对各行业水资源利用的相关政策法规日趋严格，人们的环保意识不断提高，对造纸行业开展水足迹可持续评价的研究具有十分重要的意义。

(1)对政府而言，核算造纸行业水足迹，可以帮助淘汰水资源管理落后的企业，鼓励节能环保技术的推广和发展。

(2)对行业而言，通过核算造纸产业的水足迹，可提高整个行业的节水环保意识，为行业的可持续性发展提供有利条件，塑造优秀的行业形象。

(3)对企业而言，可通过核算自己产品的水足迹，了解生产流程，寻求可以节约用水的环节，使企业节约成本，形成差异化的竞争优势，提高环保方面的竞争力，同时还能满足消费者对水足迹信息的需求。

(4)对消费者而言，可提高消费者了解产品在生产过程中用水的透明度，增强消费者对产品的认知度，引导消费者的环保性消费。

5 造纸行业水足迹评估存在的问题

造纸行业水足迹是将生产链所有环节中的耗水考虑在内而估算出的用水总量，包括农业生产与工业生产两部分［16］。由于其产业链太长，涉及的行业领域范围较广，所以在实际核算过程中存在一定的问题。

(1)比较精确地核算产品种植阶段水足迹存在较大困难。因为影响种植阶段水使用量的主要因素是自然条件，需要庞大的关于产地气候、环境的数据，在我国现阶段各种基础气象环境数据匮乏的条件下，核算难度非常大。

(2)产品种植阶段水足迹在产品整个生产链中占很大的比例，基本在80%左右，计算精度低，不能充分发挥产品水足迹对水资源管理方面的重要作用。

(3)造纸产业链中用到大量的助剂，这些添加剂往往来自不同的生产厂家，其生产工艺也不尽相同，因此核算水足迹也有难度。

(4)从农业到工业的生产链太长，不确定因素较多，无论采用链式求和方法还是逐布累积法，都需要了解生产过程中的每一步骤及产品的水足迹数据，因此计算最终产品的水足迹较困难。

6 展望

在过去的十余年里，水足迹理论得到了较快的发展，研究领域不断拓展，研究成果也不断多样化。虽然水足迹评估在造纸行业的应用研究才刚刚起步，且面临着许多问题，但是相信在不久的将来，水足迹评估作为一种新型的水资源管理方法，一定会为造纸行业的可持续发展提供有力的理论指导。未来造纸行业关于水足迹研究的主要任务是建立标准的水足迹核算模型及可共享的数据系统。

［1］ CHEN Yuan-sheng，SU Ren-qiong．Water Problems of the Development of China's Paper Industry［J］．China Pulp ＆ Paper，2005，24(3):54．陈远生，苏人琼．我国造纸工业发展的水资源问题［J］．中国造纸，2005，24(3):54．

［2］ Rees W E．Ecological footprint and appropriated carrying capacity what urban economics leaves out［J］．Environment and Urbanization，1992，4(2):121．

［3］ Wackemagel M，Rees W E．Our Ecological Footprint:Reducing Human Impact on the Earth［M］．Gabriola Island:New Society Publishers，1996．

［4］ Allan J A．Fortunately there arc substitutes for water otherwise our hydro-political futures would be impossible［C］//Priorities for water resources allocation and management．London:ODA，1993:3．

［5］ Hoekstra A K，Chapagain A K，Aldaya M M，et al．Water footprint manual:State of the Art 2009［R］．Water Footprint report，2009．

［6］ Chapagain A K，Hoekstra A Y．The water footprint of coffee and tea consumption in the Netherlands［J］．Ecological Economics，2007，64(1):109．

［7］ Bulsink F，Hoekstra A Y，Booij M J．The water footprint of indonesian provinces related to the consumption of crop products［J］．Hydrology and Earth System Sciences，2010，14(1):119．

［8］ Chapagain A K，Orr S．An improved water footprint methodology linking global consumption to local water resources:a case of Spanish tomatoes［J］． Journal of Environmental Management，2009，90(2):1219．

［9］ He Hao，Huang Jing，Huai Heju，et al．The water footprint calculation and change analysis of rice crop in Hunan［J］．Chinese Agricultural Science Bulletin，2010，26(14):294．何 浩，黄 晶，淮贺举，等．湖南省水稻水足迹计算及其变化特征分析［J］．中国农学通报，2010，26(14):294．

［10］ Wang Yanyang，Wang Huixiao，Cai Yan．Water Footprint Calculation and Analysis of Beijing［J］．Chinese Ecological Agriculture，2011，19(4):954．王艳阳，王会肖，蔡 燕．北京市水足迹计算与分析［J］．中国生态农业学报，2011，19(4):954．

［11］ Gai Liqiang，Xie Gaodi，Li Shimei，et al．Water footprint of wheat and corn in North China Plain［J］．Resource Sciences，2010，32(11):2066．盖力强，谢高地，李士美，等．华北平原小麦、玉米作物生产水足迹的研究［J］．资源科学，2010，32(11):2066．

［12］ Water Use and Treatment in the Pulp and Paper Industry［R］．Boston，America:Sappi Fine Paper，2012，5:1．

［13］ Van Oel P R，Hoekstra A Y．Towards quantification of the water footprint of paper:A first estimate of its consumptive component［J］Water Resources Management，2012，26(3):733．

［14］ Van Oel P R，Hoekstra A Y．The green and blue water footprint of paper products:methodological considerations and quantification［C］//Netherlands:Value of Water Research Report Series No．48，UNESCO-IHE，2010．

［15］ Jesse Rep．From forest to paper，the story of our water footprint［R］．Helsinki，Finland，2011．

［16］ Chapagain A K，Hoekstra A Y．The global component of freshwater demand and supply:An assessment of virtual water flows between nations as a result of trade in agricultural and industrial products［J］．Water International，2008，33(1):19． CPP