1 引言(Introduction)

随着人口的增长、经济的发展, 水资源稀缺和污染问题逐渐引起人们的重视.合理的评价水资源使用及污染状况, 对有效利用水资源, 应对水资源短缺的局面至关重要.水足迹是水资源占用的综合评价指标, 能够量化人类活动对水资源和水环境的影响, 为水资源的高效利用与可持续管理提供科学参考.目前主要存在两种水足迹评价方法, 一种是水足迹网络(Water Footprint Network)工作小组Hoekstra等(2011) 提出的水足迹评价方法(WFN水足迹评价方法), 另一种是国际标准委员会(ISO, 2014)发布的ISO14046:2014水足迹评价标准:环境管理-水足迹-原则、要求和指南(标准水足迹评价方法).

水足迹评价方法已被用来评价农产品及生物能源的水资源耗竭(Mekonnen et al., 2011;Wang, 2014;Vanham, 2014;Rodriguez et al., 2015;Su et al., 2015; Gerbens et al., 2009).通过研究的不断扩展, 水足迹评价也逐步应用到其他工业行业(Peña et al., 2014; Gu et al., 2015;Wang et al., 2014;Berger et al., 2012).水足迹揭示了不同领域的水资源需求和污染状况, 为不同领域的水资源高效利用提供了对策建议.

将水足迹方法应用于能源行业, 可为能源系统水资源科学有效管理提供理论基础.近年来, 有关能源系统的水资源利用评价研究相继发表.根据不同的研究方法, 主要可以分为两类:一类是采用WFN水足迹评价方法, 另一类是基于生命周期评价方法计算了能源的水资源利用情况, 这类研究在方法论中, 虽然没有明确是利用标准水足迹方法, 但其方法体系符合国际标准委员会发布的ISO14046:2014.

基于WFN 水足迹评价方法, Fulton等(2015) 计算了1990—2012年加利福尼亚的能源产品的蓝水足迹和绿水足迹.Okadera等(2015) 计算了我国辽宁省能源供应的水足迹及泰国的能源生产和供应的水足迹, 而相关数据则是引用其他文献里的水需求量(Water Requirement Content)(Okadera et al., 2014).还有一些学者则研究了交通运输用燃料的水足迹(Ayres, 2015)和不同发电方式的水足迹(Mekonnen et al., 2012；赵丹丹等, 2014).

基于生命周期评价方法, Zhang等(2013) 基于我国省级能源投入产出表, 计算了我国8类能源品种的生命周期取水、水消耗和废水排放3个指标, 并利用Pfister等(2009) 的方法计算了其环境影响.Harto等(2010) 计算了交通用燃料的生命周期水消耗, 还有一些学者计算了电力系统生命周期的水消耗情况(Fthenakis et al., 2010).

以上水足迹研究或者是基于生命周期水资源消耗评价, 或者是采用WFN水足迹评价方法, 利用虚拟水、投入产出表等数据计算能源行业的水足迹.这些研究没有明确提出基于生命周期生产过程的能源系统水足迹评价模型, 并且大多都没有涉及水资源的污染, 尤其是缺乏对灰水足迹的考虑.在评价水资源时仅仅考虑用水量而不考虑水质污染会低估水资源短缺程度.灰水足迹在总水足迹中占到了很大比例, 例如, 北京市1995年的灰水足迹为用水量的5倍(曾昭等, 2013).因此, 本文基于生命周期过程, 考虑水资源消耗量和水质恶化, 建立能源系统水足迹评价模型并计算煤炭生产的水足迹, 以期为能源系统水足迹评价提供方法理论, 并为以煤炭为原料或燃料的下游产品水足迹评价提供数据支撑.

2 水足迹评价方法(Water footprint evaluation method) 2.1 WFN水足迹评价方法

WFN水足迹评价方法由Hoekstra(2003) 于2002年提出, 后经不断完善(Hoekstra et al., 2007;2008) , 最终形成一套国际上认可度较高、应用较广泛的水足迹分析方法(Hoekstra et al., 2011).该方法将水足迹分为绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹.绿水足迹是指人类利用的地表蒸发流, 主要用于农作物和森林的生产；蓝水足迹是指存在于江、河、湖泊及含水层中的地表水和地下水的总和；灰水足迹是以现有的水质环境标准为基准, 吸取一定的污染物负荷所需要的淡水水量, 通常情况下等于污水稀释至负荷规定的水质标准所需要的淡水体积.WFN水足迹评价的基本思路是考虑了水资源的消耗(绿水和蓝水)和水资源的污染(灰水)两部分, 而水体的污染(灰水)由将污染稀释到水体可容纳的标准需要的水量来表示.

2.2 国际标准水足迹评价方法

水足迹评价国际标准ISO 14046:2014于2014年8月发布, 为水足迹评价研究提供了原则、要求和指南.该标准对水足迹评价的定义是对产品、过程或组织利用水资源的输入、输出及潜在环境影响的汇编和评估.另外, 该标准认为水足迹评价必须充分考虑与环境的相关性.所以, 水足迹是量化的与水相关的潜在环境影响指标.该标准规定利用生命周期评价框架展开水足迹评价研究, 因此, 水足迹评价应包括生命周期评价的4个阶段:目的与范围的确定、水足迹清单分析、水足迹影响评价和结果解释.

2.3 能源水足迹评价模型

本文基于ISO 标准水足迹方法建立了能源系统的水足迹模型, 并在水污染评价部分借鉴了WFN水足迹方法.首先, 能源系统水足迹评价模型从生命周期出发, 尽量涵盖生命周期中的所有工艺过程.能源的生命周期涉及采掘、处理、加工转化、使用、废弃物处理等过程.因此, 能源系统的水足迹包括这些生命周期过程中的直接水足迹, 以及在这些过程中的材料和能源投入所带来的间接水足迹.其次, 关于水污染的考虑, WFN水足迹方法中的灰水足迹表征污染状况在国内外学者中形成了共识.如果基于ISO的水足迹评价方法计算水污染, 需要清单数据量大, 数据可获得性差, 导致数据质量不高, 并且在此基础上的水足迹环境影响评价方法尚未统一, 还在发展之中.因此, 本文选取灰水足迹来衡量能源系统导致的水污染状况.能源系统的水足迹只包括蓝水足迹和灰水足迹, 因为绿水足迹通常是指农业生产所消耗的雨水量.本文建立的能源系统的水足迹模型用以下公式表示:

(1)

式中, W_E指能源产品的水足迹(m³), W_direct是指能源产品生产过程的直接水足迹(m³), W_indirect能源产品生产过程的间接水足迹(m³), W_{b, d}是指能源产品生产过程的蓝水足迹(m³), W_{g, d}是指能源产品生产过程的灰水足迹(m³).

考虑到生命周期的所有过程, 能源系统的水足迹应为各个生命周期阶段水足迹的加和, 由以下公式表示:

(2)

式中, W_{i(b, d)}指第i生产过程的蓝水足迹(m³), W_{i(g, d)}指第i生产过程的灰水足迹(m³), W_j(indirect)指第j类能源投入的水资源消耗(m³).

根据水足迹的定义, 灰水足迹则是在生产过程中被污染的水稀释到排放标准所需要的水量.灰水足迹的计算公式如下(Arjen, 2011):

(3)

式中, L是单位能源生产废水排放量(m³·GJ^-1), V_p是排放废水中污染物的量(mg·m^-3), G=L×V_P是单位能源生产的污染物排放量(mg·GJ^-1), C_max是指水中可接受的污染物浓度(mg·m^-3), C_nat是指自然水的污染物的浓度(mg·m^-3).

废水中有多种污染物排放, 灰水足迹由最关键的污染物决定, 因此, 通常选取污染物排放量最大的作为灰水足迹计算的指标(曾昭等, 2013).对于能源系统, 化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)是最重要的污染物排放衡量指标, 因此, 本研究选取COD作为能源系统灰水足迹计算的指标.C_max为水中可接受的污染物浓度, 本文选取污染物排放标准来确定；C_nat是指没有被污染的自然水中污染物的存量, 本研究设为零.

3 煤炭生产的水足迹评价(Water footprint evaluation of coal production)

我国的能源结构以煤炭为主, 在一次能源生产和消费中煤炭长期占有80%左右的份额(国家统计局能源统计司, 2013).煤炭生产导致的水资源不断衰竭、水环境不断恶化已经引起广泛关注(郑文君, 2013; 杨俊军, 2010).基于前文建立的能源系统水足迹评价方法, 本文计算了煤炭生产的水足迹, 功能单位为m³·GJ^-1.煤炭的生命周期包括开采、洗选、运输、使用(加工或燃烧)等过程, 本文只考虑了煤炭的开采和洗选.运输过程的水资源消耗暂时没有可参考的数据, 所以本文予以忽略.虽然我国煤炭洗选率低, 仅为56%, 但煤炭洗选能够降低煤炭燃烧排放的环境污染物, 充分利用资源, 是我国煤炭行业发展的重要方向(王文斌, 2015), 因此, 本文将洗选过程考虑在系统边界内.

3.1 煤炭生产水足迹核算

根据公式(2) , 煤炭生产的水足迹包括蓝水足迹、灰水足迹和间接水足迹.煤炭生产的蓝水足迹包括煤炭采掘和处理过程中的水资源消耗.耗水工艺过程包括钻井、矸石山冲扩堆、设备冷却、绿化、防止扬尘、选煤等(马英等, 2012).煤炭生产的灰水足迹是指稀释煤炭采掘和洗选过程COD量达到排放标准所需的水量.煤炭生产的间接水足迹是指煤炭开采和洗选过程投入的能源生产所消耗的水资源.煤炭生产环节耗水和污染物排放数据主要来源于煤炭清洁生产标准(环境保护部, 2008).

煤炭清洁生产标准中规定清洁生产指标分3个等级, 一级、二级、三级的资源消耗和污染物排放依次增加.我国煤矿主要分布于25个省(市、自治区)内, 总计1.27万座矿井, 这些矿井生产能力不同, 技术水平不一, 为了覆盖全国煤矿的情况, 本文选取三级指标进行计算.煤炭采掘过程中耗水量为0.3 m³·t^-1, 洗选过程的耗水量为0.15 m³·t^-1.通过单位换算为每GJ煤炭生产, 两个过程的蓝水足迹见表 1.

煤炭清洁生产标准中规定开采和洗选过程的COD量分别为200 g·t^-1和30 g·t^-1.煤炭工业污染物排放标准(国家环境保护总局, 2006)规定煤炭行业的COD不超过70 mg·L^-1.根据公式(3) 计算开采和洗选过程的灰水足迹分别为0.1366 m³·GJ^-1和0.0273 m³·GJ^-1(表 1).

关于煤炭生产的间接水足迹计算, 是将煤炭生产过程中的能源投入的水资源消耗进行加和得到.根据我国能源表2013平衡表, 2013年, 我国煤炭开采和洗选的能源投入如表 2所示(国家统计局能源统计司, 2013).不同能源品种的水资源消耗数据来源于标准和文献, 具体数据如表 3所示.

3.2 煤炭水足迹分析

我国煤炭生产的水足迹为0.1894 m³·GJ^-1, 其中, 2%来源于间接水足迹.从不同生命周期阶段分析(图 1a), 煤炭生产的水足迹80%来源于采掘过程, 18%来源于洗选过程.从不同水足迹类型分析(图 1b), 煤炭生产的水足迹主要来源于灰水足迹, 比例达到87%, 灰水足迹是蓝水足迹的8倍.

从煤炭生产总量的水足迹分析, 2013年, 我国煤炭产量为39.74亿t, 煤炭水足迹为157.4亿m³, 占整个工业用水的11%(工业用水总量1406.4亿m³)(中国统计局, 2015).所以, 煤炭行业节水对整个工业节水有着举足轻重的作用.根据水足迹构成比例, 间接水足迹为3.15亿m³, 灰水足迹达到137.0亿m³.

煤炭水足迹的研究结果表明, 煤炭行业水资源有效利用不仅要关注直接水足迹, 也要关注间接水足迹.应将生命周期思想应用到水资源管理, 生命周期管理是煤炭行业水资源管理的科学方法；不仅要关注蓝水足迹, 更要关注灰水足迹.要减少生产过程中的直接用水, 更要减缓煤炭的水污染状况, 加强生产过程的水污染防治与处理是煤炭行业水资源管理的重点.

4 讨论(Discussion)

基于WFN水足迹评价方法及ISO水足迹评价方法, 本文建立的能源系统水足迹评价模型, 考虑了水资源的消耗和污染.本文利用灰水足迹来量化水污染仅仅是来说明与水消耗相对应的水资源污染状况, 这种方法在水资源污染量化研究中得到了广泛的应用.但在我国水污染控制工作中, 是通过污染物处理而不是稀释来达到排放标准的.因此, 为了进一步明确水资源的污染状况, 水足迹评价方法在水污染评估方面应该进一步完善, 区分不同类别的污染物和由此带来的环境影响是未来水足迹方法研究的主要方向.

本文建立的能源系统水足迹评价模型从生命周期角度计算能源系统的水足迹, 并且考虑了水消耗和水污染, 此模型为能源系统水资源评价提供基本理论方法.在此基础上, 本文计算的煤炭采掘与洗选的水足迹清单, 能够为下游电力、焦炭、焦炉煤气等产品, 以及材料、产品生产提供水足迹评价基础数据.

5 结论(Conclusions)

1) 基于本文建立的能源水足迹评价模型, 我国煤炭生产的水足迹为0.19 m³·GJ^-1.间接水足迹虽然只占2%的比例, 但考虑到2013年我国煤炭生产总量, 间接水足迹量达到3.15 亿m³, 不容忽视.因此, 生命周期思想是管理煤炭行业水资源消耗和污染的科学方法.

2) 从不同水足迹类型分析, 单位煤炭供应的灰水足迹占总水足迹比例为87%.从2013年煤炭生产总量分析, 灰水足迹达到137亿m³.因此, 在注重煤炭行业节约用水的同时, 更要注重治理煤炭行业的水污染状况.

3) 煤炭生产的灰水足迹是蓝水足迹的8倍, 这表明在评价和管理水资源过程中, 忽视水质污染将会低估水资源短缺程度.