基于灰水足跡理論的河南省經濟發展與水環境脫鉤關系研究

焦士興　王安周　陳林芳　張建偉　張馨歆　趙榮欽　張崇崇

摘 要：近年來，河南省經濟發展水平有了很大提高，與此同時，水環境問題逐步顯現出來。利用灰水足跡和脫鉤指數模型，對2005—2015年河南省經濟發展與水環境的脫鉤關系進行了研究。結果表明：①河南省灰水足跡年均減少0.85%且部門之間存在差異，農業、生活、工業約占總量的61.8%、23.1%、15.1%。②河南省剩余灰水足跡整體上為負值（不包括2012年、2013年），水資源量能夠完全稀釋污染物，尤其是水環境的治理力度增大，確保了較好的水環境質量。③河南省經濟發展與水環境從初步協調狀態（2006年）發展到優質協調狀態（2007—2015年），反映出經濟發展水平相對較高，但對水環境的破壞程度相對較低的情況。④農業部門對河南省水環境的破壞程度最大，工業最小，生活居中，且均呈現逐漸減弱趨勢，年均遞減率分別為5.4%、8.7%和7.8%。優化調整產業結構，提高科技含量；改善農業生產方式，發展節水農業；加大技術和資金投入，合理保護水環境等多措并舉才能實現河南省經濟社會的可持續發展。

關鍵詞：水資源動態；灰水足跡；脫鉤指數；產業原因；河南省

中圖分類號：X24 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0037（2018）6-32-5

DOI：10.19345/j.cxkj.1671-0037.2018.06.007

Abstract： In recent years， the economic development of Henan Province has been greatly improved， while the problem of water environment is gradually obvious. The decoupling relationship between economic development and water environment in Henan Province from 2005 to 2015 was studied by the grey water footprint and decoupling index model. The results showed： ① The average annual decrease of grey water footprint in Henan Province was 0.85%， and there were differences among departments， with agriculture， life and industry accounting for 61.8%， 23.1% and 15.1% of the total amount respectively. ② The overall residual grey water footprint in Henan Province （not including 2012， 2013） was negative； water resources amount can fully dilute pollutants； especially the increase of water environment regulation ensured a good water environment quality. ③ The relationship between economic development and water environment in Henan Province had developed from the preliminary coordination state （2006） to high-quality coordination status （2007—2015）， reflecting relatively high economic development level， while relatively low degree of damage to the water environment. ④ The agricultural sector had the greatest degree of damage to the water environment in Henan Province， the industrial sector had the lowest damage， and the living sector had the medium damage， they all showed a declining tendency， and the average annual decline rates are 5.4%， 8.7% and 7.8% respectively. Only by optimizing the industrial structure and improving the scientific and technological content； improving agriculture production mode and developing water-saving agriculture； increasing investment in technology and capital and protecting the water environment rationally could we achieve the sustainable economic and social development in Henan Province.

Key words： water resources dynamics； grey water footprint； decoupling index； industrial reasons； Henan Province

水是生命之源泉，是人類生存和發展基礎。近年來，隨著人口不斷增長和社會經濟發展，水環境問題日益凸顯。基于此，荷蘭學者Hoekstrc和Chapagain于2008年首次提出了灰水足跡概念 ，后經一系列的完善，定義為以現有的水質環境標準為基準，吸收一定的污染物負荷所需的淡水水量[1]，主要用于定量評價區域生產生活所造成的水污染。灰水足跡研究涵蓋全球[2]、國家[3]、流域[4-5]等空間尺度。國際上，Mekonnen和Hoekstra較早采用高空間分辨率評價了全球100多種作物的灰水足跡[1]；國內研究主要集中于糧食安全[6-7]、電子紡織[8-9]、水資源評價[10]等領域。具體而言，歐陽佚亭等研究了我國淡水池塘養殖魚類排污的灰水足跡和污染負荷[3]；王丹陽等改進灰水足跡計算方法，將污染物分解到不同水體，計算各種水體灰水足跡[11]。

針對河南省水資源短缺和水污染的狀況，基于灰水足跡理論和水環境脫鉤指數定量分析了河南省水環境與經濟發展之間關系，明確了水資源退化趨勢，以期為河南省水環境保護和可持續利用提供參考。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

數據來源于《中國統計年鑒》（2006—2016年）、《河南省水資源公報》（2005—2015年）和《河南省統計年鑒》（2006—2016年）。灰水足跡計算參數既包括糧食生長的氣象數據、產量數據，也包括不同作物化肥使用量及淋失率等信息，結合河南省實際情況及數據可獲得性，選取工業和生活部門氨氮與COD排放量、氮肥施用量、區域生產總值和水資源總量為研究指標。

1.2 研究方法

1.2.1 農業面源污染灰水足跡。農業面源污染是由于化肥和農藥過量施用所造成的水環境污染，前提是假定一部分面源污染物最終會到達地表水或地下水，進入水體污染物與使用量為一個固定比例。計算公式為[13]：

[WFagr-grey=Lcmax-cnat=?×Applcmax-cnat] （1）

其中：[WFagr-grey]為農業面源污染灰水足跡；[L]為排污量；[?]為進入水體某物質引起污染量占該物質施用量比例；[Appl]為施用化學物質量；[cmax]為達到環境水質標準情況下污染物最高濃度；[cnat]為受納水體自然本底濃度。

1.2.2 工業點源污染灰水足跡和生活部門灰水足跡。工業點源污染灰水足跡是以現有水環境水質標準為基礎，將污染負荷消納、稀釋至特定水質標準之上所需淡水體積。計算公式為[3]：

[WFigrey=Lcmax-cnat] （2）

其中：[WFigrey]為污染物[i]造成灰水足跡；[L]為排污量；[cmax]為達到環境水質標準情況下污染物最高濃度；[cant]為受納水體自然本底濃度。

生活部門灰水中的污染物主要以氨氮和化學需氧量為主，與工業類似，可以利用工業灰水足跡方法進行計算[13]。

1.2.3 區域總灰水足跡和剩余灰水足跡。區域總灰水足跡為農業部門、工業部門和生活部門的灰水足跡之和[12]。污水中通常含有多種污染物，灰水足跡總量符合“短板原理”，即由引起灰水足跡的各項污染物最大灰水足跡決定，據此可得出各部門灰水足跡[13]。

剩余灰水足跡為灰水足跡與水資源量的差值。在水污染比較嚴重的情況下，有限的水資源無法將污染物稀釋至無害水平，致使污染物不斷累積，水環境狀態持續變差[1]。

1.2.4 灰水足跡參數選取。以《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）和《地表水環境質量標準基本項目標準限值》（GB 3838—2002）為標準，確定污染物在環境中的標準（[cmax]）。其中，水體中COD和氨氮的排放達標濃度分別為60mg/L、15mg/L；農田氮肥淋失主要以硝態氮為主，氮肥采用硝酸鹽的標準濃度，取值10mg/L。氮肥施入農田后并沒有被農作物完全吸收，少量殘留在土壤中，大部分以徑流或下滲等形式散失，確定氮肥淋失率為7%[14]。

1.2.5 水環境脫鉤指數。脫鉤指數用于刻畫脫鉤程度和方向，是指某個系統中兩個或多個變量之間的響應關系。水環境脫鉤指數是將灰水足跡和GDP分別當作解釋變量和驅動變量[15]。計算思路為：一定時期內GDP變化率與灰水足跡變化率的差值，其結果可以衡量經濟增長與水環境協調程度。依據脫鉤指數、GDP變化率和灰水足跡變化率，經濟發展與水環境的關系分為優質協調、初步協調和不協調狀態[13]。

2 計算與分析

2.1 河南省灰水足跡與水資源分析

根據灰水足跡計算公式（公式1～2），對河南省灰水足跡進行計算（圖1）。

圖1表明：2005—2015年河南省灰水足跡呈整體下降趨勢。2005年灰水足跡為279.15×108m3，2015年灰水足跡為255.19×108m3，年均減少0.85%，剩余灰水足跡基本上為負值，說明河南省水環境質量良好。

但是，不同產業部門灰水足跡存在明顯差異。農業部門灰水足跡最大，年均184.71×108m3，約占總量61.8%，原因在于河南省為農業大省，農業生產中大量施用化肥和農藥，使得農業對水資源的依賴性和破壞性較大；生活部門次之，年均69.23m3，約占總量23.1%，主要由于河南省是人口大省，居民用水總量較大；工業部門灰水足跡最小，約占總量15.1%，原因在于河南省工業對水資源造成的污染較小。

不同產業部門灰水足跡發展趨勢存在差異。農業灰水足跡呈上升趨勢，說明河南省農業發展不合理；生活灰水足跡整體趨于穩定，但2011年卻有明顯上升趨勢，說明人均用水量變幅較小且用水規模基本穩定；工業灰水足跡呈現下降趨勢，表明河南省工業發展方式得到改善并趨于合理。

河南省剩余灰水足跡整體為負值，水環境的質量較好。2004—2012年呈現出明顯的波動趨勢，其中僅有2012年為正值，達到3.35×108m3，其余年份均為負值，較大負值為-279.41×108m3；2013—2015年呈現逐年降低趨勢，從49.51×108m3下降至-31.98×108m3，表明水資源量可以將污染物完全稀釋至通用的環境水質標準，從而不會導致剩余灰水足跡逐年累積，尤其是水環境治理的投資力度有所增大，確保了水環境質量較好。

2.2 河南省經濟發展與水環境的脫鉤關系

河南省經濟發展水平與水環境總體上處于優質協調狀態，表明經濟發展水平相對較高而對水環境的破壞相對較低。依據水環境脫鉤指數計算模型[13]，得到2006—2015年河南省水環境脫鉤指數并繪制成圖（圖2）。2006年河南省脫鉤指數、灰水足跡和GDP變化率為正值，表明河南省經濟發展水平與其對水環境的破壞程度處于初步協調狀態；2007—2015年（2010年除外）河南省脫鉤指數和GDP變化率為正值，灰水足跡為負值，表明近年來經濟發展水平較高，對水環境破壞程度較低，二者處于優質協調狀態。

2.3 各部門單位GDP灰水足跡

農業部門對河南省水環境的破壞程度最大，工業最小、生活居中，且均呈現逐漸減弱趨勢。由圖3可知，河南省各部門單位GDP灰水足跡排序：農業>生活>工業，表明農業部門對水資源破壞程度最大，在綜合考慮水環境成本時，發展農業性價比最低而工業性價比最高。河南省各部門單位GDP灰水足跡呈現明顯減少趨勢，且農業部門單位GDP灰水足跡從0.09m3/元降至0.04m3/元，年均下降5.4%；工業部門下降速度最快，年均下降8.7%；生活部門年均下降為7.8%。表明河南省農業、工業、生活三大部門對水環境的破壞程度不斷減弱，水環境發展態勢良好。

3 結論與討論

基于灰水足跡理論，對河南省2005—2015年經濟發展與水環境進行了研究，結論如下：

①河南省灰水足跡呈下降趨勢且部門之間存在明顯差異。河南省灰水足跡從2005年的279.15×108m3下降到2015年的255.19×108m3，年均減少0.85%，農業、生活、工業約占總量的61.8%、23.1%、15.1%。

②河南省剩余灰水足跡整體上為負值（不包括2012年、2013年），水資源量能夠將污染物完全稀釋，同時水環境的治理力度增大，確保了較好的水環境質量。

③河南省經濟發展水平與水環境從初步協調狀態（2006年）發展到優質協調狀態（2007—2015年），反映出經濟發展水平相對較高但對水環境的破壞相對較低。

④農業部門對河南省水環境的破壞程度最大，工業最小，生活居中，且均呈現逐漸減弱趨勢，年均遞減率分別為5.4%、8.7%和7.8%。

⑤河南省地區灰水足跡相對于同類成果偏小。主要在于計算農業灰水足跡時，忽略了養殖業對水環境造成的污染。

多措并舉是實現河南省經濟發展與水環境良性發展的重要途徑。首先要不斷調整三大產業結構，大力發展工業和第三產業，同時提高生產過程中的科技含量；其次改善農業生產方式，發展節水農業，高效利用水肥資源；再次加大技術和資金投入，合理保護水環境才能實現河南省經濟社會可持續發展。

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