李勝楠,王 遠(yuǎn),羅 進(jìn),蔣培培,陳華陽(yáng)

1 福建師范大學(xué)地理研究所,福州 350007 2 福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007 3 自然資源部資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 101149

水資源是人類(lèi)生產(chǎn)生活不可或缺的重要自然資源。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的發(fā)展,人類(lèi)對(duì)水環(huán)境的影響越來(lái)越大,水污染問(wèn)題直接影響人民生活質(zhì)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。對(duì)水污染進(jìn)行量化、評(píng)價(jià)是解決水污染問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)。

Hoekstra和Chapagain[1]于2008年首次提出灰水足跡概念,其定義為以水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn),將水污染物稀釋至無(wú)害所需的淡水體積[2]。從研究區(qū)域上看,我國(guó)灰水足跡的研究主要集中在水污染問(wèn)題比較嚴(yán)重的北方地區(qū),尤其是河南省[3]、山東省[4]等農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū),而東南沿海地區(qū)的相關(guān)研究相對(duì)較少。從研究對(duì)象上看,灰水足跡已經(jīng)在農(nóng)業(yè)方面得到廣泛應(yīng)用,包括宏觀上對(duì)種植業(yè)[5]、畜牧業(yè)[6],以及微觀上針對(duì)某種農(nóng)作物產(chǎn)品[7]或某種畜禽[8]的研究;在工業(yè)方面,Gerbens Leenes[9]等對(duì)鋼鐵、水泥等工業(yè)產(chǎn)品的灰水足跡進(jìn)行研究,Melody Blythe Johnson[10]等對(duì)葡萄酒廠的灰水足跡進(jìn)行核算,與農(nóng)業(yè)相比,灰水足跡在工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用較少。區(qū)域整體的灰水足跡多采用點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染的灰水足跡相加而得[11-12]或選取兩者中的較大值[13- 14]。

對(duì)數(shù)平均迪式指數(shù)分解法(Logarithmic Mean Divisia Index Method, LMDI)是對(duì)影響因素進(jìn)行分解分析的一種方法,具有完全分解無(wú)殘差的優(yōu)點(diǎn)[15],多用于碳排放的因素分解,近年來(lái)也用作水污染驅(qū)動(dòng)因素研究。韓琴[11]等利用LMDI模型定量分析了多種驅(qū)動(dòng)因素對(duì)中國(guó)省際灰水足跡效率的影響。張智雄[16]等分析了多種因素對(duì)中國(guó)人均灰水足跡的驅(qū)動(dòng)作用,得出資本深化效應(yīng)和灰水足跡強(qiáng)度效應(yīng)是最主要的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)因素。在研究尺度上,目前研究多為全國(guó)范圍或區(qū)域間差異,對(duì)微觀尺度上的區(qū)域內(nèi)部灰水足跡總量、結(jié)構(gòu)及時(shí)空差異,以及影響這些時(shí)空差異的驅(qū)動(dòng)因素的相關(guān)研究較為缺乏。為此,本研究以國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)福建省為例,通過(guò)對(duì)全省及各地市2001—2017年的灰水足跡進(jìn)行核算,對(duì)灰水足跡總量、結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)指標(biāo)的時(shí)空變化進(jìn)行評(píng)價(jià),同時(shí)在時(shí)間尺度和空間尺度,使用擴(kuò)展的LMDI模型定量分析人口因素、經(jīng)濟(jì)因素、城鄉(xiāng)結(jié)構(gòu)因素、技術(shù)因素、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素對(duì)福建省灰水足跡的驅(qū)動(dòng)效應(yīng),以期豐富和拓展該領(lǐng)域的研究。

1 研究區(qū)域概況

福建省地處中國(guó)東南沿海,與浙江省、江西省、廣東省相鄰,與臺(tái)灣省隔臺(tái)灣海峽相望,位于北緯23°31′—28°18′,東經(jīng)115°50′—120°43′之間,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,地勢(shì)西北高東南低,河流多自西向東入海。福建省地跨閩江、晉江、九龍江、汀江四大水系,2017年水資源總量1055.62億m3,排全國(guó)第九[17]。福建省水資源具有總量較為豐富、時(shí)空分布不均的特點(diǎn)。時(shí)間上年際差異大,2017年水資源總量是2016年的49.95%;空間上東少西多,其中龍巖市2001—2017年水資源總量是廈門(mén)市的22.18倍。福建省水環(huán)境質(zhì)量總體較好,但近年來(lái)主要流域優(yōu)質(zhì)水比例下降,部分湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化,個(gè)別飲用水水源地水質(zhì)未能穩(wěn)定達(dá)標(biāo),部分小流域污染嚴(yán)重[18]等問(wèn)題仍然存在。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 灰水足跡核算

本研究中灰水足跡(單位：億m3)核算以《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》[2]為依據(jù),并考慮污染源排放的污染物在進(jìn)入水體的過(guò)程中會(huì)有損失,計(jì)算公式為：

(1)

L=aD

(2)

式中,GWF為灰水足跡;L為進(jìn)入水體的污染物量;Cmax為環(huán)境最大容許濃度;Cnat為受納水體的自然本底濃度;α為入河系數(shù);D為污染物排放量。

由于各污染物的排放量與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不同,且稀釋過(guò)程可在同一水體中進(jìn)行,因此灰水足跡由最大值決定,其計(jì)算公式為：

GWF=MAX(GWF1,GWF2,…,GWFi)

(3)

式中：GWF為灰水足跡;GWFi為第i種污染物的灰水足跡。

結(jié)合各污染物排放量、環(huán)境敏感性和數(shù)據(jù)可獲取性,本研究以總氮(Total Nitrogen, TN)、總磷(Total Phosphorus, TP)和化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)作為主要污染物。本研究均以一年為時(shí)間單位。

2.1.1點(diǎn)源污染灰水足跡

點(diǎn)源污染指污染物通過(guò)直接連接地表水體的下水系統(tǒng)直接排入水體中造成的污染,主要來(lái)自工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)生活。點(diǎn)源污染的灰水足跡總量為：

GWFpoi=MAX(GWFpoi-TN, GWFpoi-TP, GWFpoi-COD)

(4)

其中

GWFpoi-TN=GWFind-TN+GWFurb-TN+GWFser-TN

GWFpoi-TP=GWFind-TP+GWFurb-TP+GWFser-TP

GWFpoi-COD=GWFind-COD+GWFurb-COD+GWFser-COD

(5)

式中：GWFpoi為點(diǎn)源污染灰水足跡;GWFpoi-TN、GWFpoi-TP、GWFpoi-COD分別表示點(diǎn)源污染以TN、TP、COD為污染物的灰水足跡;GWFind-TN、GWFurb-TN、GWFser-TN為工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、第三產(chǎn)業(yè)來(lái)源以TN為污染物的灰水足跡;GWFpoi-TP,GWFpoi-COD同理。

2.1.2非點(diǎn)源污染灰水足跡

非點(diǎn)源污染種類(lèi)繁多,農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是最主要的非點(diǎn)源污染[19]。造成農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的途徑包括種植業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村居民生活等。本研究核算的各途徑污染物來(lái)源,種植業(yè)取化肥,畜牧業(yè)取畜禽糞尿,水產(chǎn)養(yǎng)殖取淡水漁業(yè)的污染物排放,農(nóng)村居民生活取人糞尿、生活污水和生活垃圾。

GWFnon=MAX(GWFnon-TN, GWFnon-TP, GWFnon-COD)

(6)

GWFnon-TN=GWFpla-TN+GWFliv-TN+GWFaqu-TN+GWFrur-TN

GWFnon-TP=GWFpla-TP+GWFliv-TP+GWFaqu-TP+GWFrur-TP

GWFnon-COD=GWFpla-COD+GWFliv-COD+GWFaqu-COD+GWFrur-COD

(7)

式中：GWFnon為非點(diǎn)源污染灰水足跡;GWFnon-TN、GWFnon-TP、GWFnon-COD分別表示非點(diǎn)源污染以TN、TP、COD為污染物的灰水足跡;GWFpla-TN、GWFliv-TN、GWFrur-TN、GWFrur-TN為種植業(yè)、畜牧業(yè)、淡水養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活來(lái)源以TN為污染物的灰水足跡;GWFpoi-TP,GWFpoi-COD同理。

由于同一水體可同時(shí)稀釋多種污染物,該區(qū)域同種污染灰水足跡的最大值即為區(qū)域內(nèi)灰水足跡,即GWFreg。

(8)

2.2 灰水足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)

灰水足跡強(qiáng)度是區(qū)域內(nèi)灰水足跡與該地區(qū)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product, GDP)的比值(單位：m3/萬(wàn)元),即單位GDP的灰水足跡,其公式為：

(9)

式中：GWFI為灰水足跡強(qiáng)度;GWF為灰水足跡;GDP為以2001年為基準(zhǔn)年的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。

人均灰水足跡是區(qū)域內(nèi)灰水足跡與該地區(qū)常住人口的比值(單位：m3/人),其公式為：

(10)

式中,GWFP為人均灰水足跡;P為常住人口。

剩余灰水足跡是區(qū)域內(nèi)灰水足跡與該地區(qū)水資源量的差值,可評(píng)價(jià)區(qū)域水資源可持續(xù)性,其公式為：

RGWF=GWF-WR

(11)

式中,RGWF為剩余灰水足跡;WR為水資源總量。

2.3 灰水足跡變化的LMDI指數(shù)分解

本研究采用LMDI模型進(jìn)行分解。首先利用人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的I=PAT恒等式[20- 21],構(gòu)建影響灰水足跡總量的恒等式：

(12)

式(12)中A、T進(jìn)一步拓展：

(13)

式中,GWF為灰水足跡;P為常住人口;A為人均GDP;T為灰水足跡強(qiáng)度;GDP為以2001年為基準(zhǔn)年的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值;W為人均GDP;U為城鄉(xiāng)結(jié)構(gòu);E為灰水足跡強(qiáng)度;S為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu);i為城鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村。其中城鄉(xiāng)GDP計(jì)算方法基于張應(yīng)祿[22]的研究并加以調(diào)整：

農(nóng)村GDP=第一產(chǎn)業(yè)GDP-農(nóng)村地域內(nèi)的二、三產(chǎn)業(yè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)增加值

(14)

城鎮(zhèn)GDP=區(qū)域GDP-農(nóng)村GDP

(15)

根據(jù)LMDI分解方法[23],在加法分解形式下：

ΔG=ΔGP+ΔGW+ΔGU+ΔGE+ΔGS

(16)

式中,ΔG為灰水足跡變動(dòng)量;ΔGp、ΔGW、ΔGU、ΔGE、ΔGS分別表示人口因素、經(jīng)濟(jì)因素、城鄉(xiāng)結(jié)構(gòu)因素、技術(shù)因素、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素變動(dòng)對(duì)灰水足跡變動(dòng)的貢獻(xiàn)量。

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值》(GB 3838—2002)[24]為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),使用Ⅲ類(lèi)水的污染物濃度為環(huán)境最大容許濃度,其中COD的濃度標(biāo)準(zhǔn)為20 mg/L,TP為0.2 mg/L,TN僅對(duì)湖泊、水庫(kù)的濃度制定標(biāo)準(zhǔn),為1 mg/L,本研究使用此標(biāo)準(zhǔn),自然本底濃度以0計(jì)[1]。

不同來(lái)源的污染物排放量、排污系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)自《福建統(tǒng)計(jì)年鑒》、各市統(tǒng)計(jì)年鑒、《全國(guó)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對(duì)策》[25]、《生活源產(chǎn)排污系數(shù)及使用說(shuō)明》[26]、《中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《第一次全國(guó)污染源普查水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[27]。

其中,復(fù)合肥中氮磷鉀比例取1:0.8:0.7[28];工業(yè)廢水以氨氮(NH3-N)代替TN,各市缺失的數(shù)據(jù)根據(jù)各市工業(yè)廢水排放量和福建省工業(yè)廢水排放量之比,將福建省總量按比例分配;工業(yè)廢水中TP濃度參考俞是聃[29]通過(guò)廢水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)的NH3-N與TP濃度存在的顯著線(xiàn)性關(guān)系,表達(dá)式為:

y=0.543x+0.417 (R2=0.5951)

(17)

式中,x為NH3-N濃度,y為T(mén)P濃度,單位為mg/L;R為回歸系數(shù)。

部分?jǐn)?shù)據(jù),如家兔[30]、農(nóng)村生活污水排放量[31]及污染物含量[31]、農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量[32]及污染物含量[33]、農(nóng)村人糞尿中污染物排放量[34]等,來(lái)自有關(guān)學(xué)者的研究。

福建省和廈門(mén)市第二、三產(chǎn)業(yè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)增加值數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)年鑒》和《中國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)及農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)年鑒》,部分年份的數(shù)據(jù)通過(guò)擬合方程(福建省R2=0.99,廈門(mén)市R2=0.80)補(bǔ)充,其余地市按其第二、三產(chǎn)業(yè)GDP等比例分配。平潭綜合試驗(yàn)區(qū)2011年成立,部分?jǐn)?shù)據(jù)單獨(dú)統(tǒng)計(jì),在核算時(shí)歸入福州市。各污染源產(chǎn)生的污染物的入河系數(shù)如表1所示。

表1 各污染源入河系數(shù)

3 福建省灰水足跡時(shí)空變化

3.1 灰水足跡總量及結(jié)構(gòu)

福建省的總灰水足跡由TN決定,2001—2017年呈現(xiàn)出先增后減趨勢(shì)(圖1),灰水足跡從1947.19億m3降至1760.64億m3,降幅9.58%。結(jié)合國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展五年規(guī)劃來(lái)看,福建省灰水足跡經(jīng)歷了上升、波動(dòng)、下降和快速下降四個(gè)階段。“十五”期間是上升階段,該時(shí)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,工業(yè)污染物排放量、農(nóng)業(yè)化肥施用量和畜禽養(yǎng)殖量大幅增加,導(dǎo)致灰水足跡上升?！笆晃濉逼陂g是先降后升的波動(dòng)階段,2006—2007年福建省多市加大環(huán)境監(jiān)管力度,加快工業(yè)企業(yè)技術(shù)改造,集中整治工業(yè)聚集區(qū)的環(huán)境違法問(wèn)題,灰水足跡開(kāi)始下降,但2007—2010年,隨著城鎮(zhèn)化水平的提高使城鎮(zhèn)生活污染物排放量增大,點(diǎn)源污染是該階段灰水足跡增長(zhǎng)的主要原因,工業(yè)污染物排放量也在快速下降之后開(kāi)始緩慢上升?！笆濉逼陂g是下降階段,黨的十八大以來(lái)關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略部署,將實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度作為生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容,福建省通過(guò)實(shí)施大水網(wǎng)建設(shè)和強(qiáng)化水資源管理,提高全省水資源利用效率和效益。2016年以來(lái)的“十三五”前期為快速下降階段,在此階段,國(guó)家《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》、《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等相關(guān)文件的出臺(tái),水生態(tài)文明城市建設(shè)的持續(xù)推進(jìn),福建省各源頭污染防治的有效開(kāi)展,重點(diǎn)行業(yè)清潔改造、工業(yè)集聚區(qū)污染集中治理的強(qiáng)化,使得水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到極大的改善。

圖1 福建省灰水足跡總量及其組成結(jié)構(gòu)變化Fig.1 Varies of grey water footprint and its structure in Fujian Province

對(duì)福建省灰水足跡進(jìn)行結(jié)構(gòu)變化分析(圖1),在“十五”到“十三五”前期四個(gè)時(shí)間段內(nèi),非點(diǎn)源污染占比高于點(diǎn)源污染,分別為68%、66%、64%、64%,呈下降趨勢(shì)。城鎮(zhèn)生活和種植業(yè)來(lái)源分別是福建省點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染中最大的污染源。點(diǎn)源污染灰水足跡中,第三產(chǎn)業(yè)灰水足跡占比穩(wěn)定,約為3%;城鎮(zhèn)生活灰水足跡和區(qū)域灰水足跡變動(dòng)一致,呈先上升后下降趨勢(shì),說(shuō)明前期隨著城鎮(zhèn)化率的增加和城鎮(zhèn)居民生活水平的提高,排放的污染物增多,灰水足跡增加,但之后隨著城市污水處理設(shè)施的建設(shè)完善,灰水足跡逐漸下降。工業(yè)源灰水足跡占比下降顯著,說(shuō)明福建省對(duì)工業(yè)廢水中NH3-N治理取得了顯著效果,但由于僅以NH3-N代替TN計(jì)算工業(yè)污染的灰水足跡,其結(jié)果可能會(huì)有所偏差。

從空間格局上看,福建省灰水足跡西北低東南高(圖2)。漳州市灰水足跡總量較高,但2001—2017年下降了65.19億m3,降幅16.08%,居全省首位,漳州市2002年提出從農(nóng)業(yè)優(yōu)先到工業(yè)立市的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移,產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展極大地減少了灰水足跡的產(chǎn)生量;三明市是福建省的老工業(yè)區(qū),工業(yè)污染物排放量大,“十一五”時(shí)期三明市通過(guò)關(guān)停、減產(chǎn)合成氨制造企業(yè)以及福建三鋼集團(tuán)技術(shù)改造等有效方式,全市工業(yè)NH3-N排放量下降51.92%,2001—2017年灰水足跡降幅為12.08%,居全省第二;廈門(mén)市是研究期內(nèi)灰水足跡唯一正增長(zhǎng)的地區(qū),增加7.79億m3,增幅6.96%,城市人口大幅增長(zhǎng)導(dǎo)致生活污水增加是主要原因。

對(duì)福建省各市的灰水足跡結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分析(圖2),可見(jiàn)內(nèi)陸三市和漳州市非點(diǎn)源污染占比較高,在“十三五”前期均達(dá)70%以上,沿海城市非點(diǎn)源污染占比相對(duì)較少。自“十五”時(shí)期至“十三五”前期,廈門(mén)市非點(diǎn)源污染占比最少且下降明顯,由33.66%降至15.31%;三明市近年來(lái)積極推動(dòng)工業(yè)污染治理,點(diǎn)源污染占比由31.29%降至25.17%;南平市是福建省生豬養(yǎng)殖的重點(diǎn)區(qū)域,隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大,畜禽養(yǎng)殖業(yè)的灰水足跡總量不斷增加,非點(diǎn)源污染占比由75.87%升至85.49%,但2017年起南平市集中開(kāi)展的畜禽養(yǎng)殖污染治理效果明顯,非點(diǎn)源污染治理存在良好預(yù)期。

3.2 剩余灰水足跡

剩余灰水足跡可以反映各地區(qū)的污染物在水體中累積的水平及水生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性。福建省剩余灰水足跡在2001—2017年期間呈下降趨勢(shì)但波動(dòng)較大(圖3),說(shuō)明福建省水環(huán)境問(wèn)題有所好轉(zhuǎn),但水環(huán)境可持續(xù)性仍存在挑戰(zhàn)。

圖3 福建省剩余灰水足跡時(shí)空變化Fig.3 Spatio-temporal changes of remaining grey water footprint in Fujian Province

剩余灰水足跡在空間分布上呈現(xiàn)西北低東南高的特征(圖3),南平市、龍巖市、寧德市的剩余灰水足跡均為負(fù)值,區(qū)域的水污染程度在當(dāng)?shù)厮Y源承載能力范圍內(nèi),水環(huán)境具有一定的可持續(xù)性,但余地較小,情況仍不容樂(lè)觀。其余7市剩余灰水足跡均為正值,廈門(mén)市和莆田市由于區(qū)域水資源總量少(表2),資源承載力低,剩余灰水足跡呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境保護(hù)之間矛盾突出。

3.3 人均灰水足跡

2001—2017年福建省常住人口呈線(xiàn)性增長(zhǎng),人均灰水足跡總體變化趨勢(shì)和灰水足跡總量一致。在以五年計(jì)劃劃分的時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)出增長(zhǎng)、波動(dòng)、下降、快速下降的特征(圖4),由2001年的5652.22m3降至2017年的4501.76m3,降幅為20.3%,再次表明進(jìn)入新千年以來(lái)特別是“十二五”計(jì)劃以來(lái)福建省水環(huán)境污染治理成效明顯。

表2 福建省各市2001—2017年平均水資源總量/(億m3)

圖4 福建省人均灰水足跡時(shí)空變化Fig.4 Spatio-temporal changes of per capita grey water footprint in Fujian Province

福建省人均灰水足跡區(qū)域差別顯著(圖4),沿海市(除漳州市)小于內(nèi)陸市,與灰水足跡總量的空間分布規(guī)律相反,與福建省人口分布及變化特征相吻合(表3),內(nèi)陸地區(qū)的常住人口不斷減少,而沿海地區(qū)特別是廈門(mén)市、福州市、泉州市人口富集,導(dǎo)致福州市和泉州市灰水足跡總量多但人均少,內(nèi)陸地區(qū)總量少但人均高。在研究期內(nèi),各市人均灰水足跡同樣保持下降趨勢(shì),其中福州及閩三角的廈門(mén)、泉州、漳州降幅均超過(guò)了全省平均降幅,分別為27.6%、41.6%、24.2%和24.3%。這表明了省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和城市化水平高的地區(qū)的水資源利用率和城鎮(zhèn)污水處理等環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的綜合服務(wù)能力和水平提升較大。

表3 福建省各市常住人口2001—2017年增長(zhǎng)率

3.4 灰水足跡強(qiáng)度

灰水足跡強(qiáng)度是單位GDP的灰水足跡,灰水足跡強(qiáng)度越低,表明單位灰水足跡產(chǎn)生的GDP越高,即灰水足跡的效率越高。2001—2017年,福建省灰水足跡強(qiáng)度逐年下降(圖5),降幅84.17%,灰水足跡效率顯著提高,這與該時(shí)期福建省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,工業(yè)廢水處理技術(shù)快速升級(jí)相關(guān)。

圖5 福建省灰水足跡強(qiáng)度時(shí)空變化Fig.5 Spatio-temporal changes of grey water footprint intensity in Fujian Province

全省灰水足跡強(qiáng)度在空間上西高東低(圖5),省內(nèi)差別較大,區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度及經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的生態(tài)質(zhì)量不均衡。各市灰水足跡強(qiáng)度降幅均在80%—90%之間,其中龍巖市降幅最大、廈門(mén)市下降最少,與區(qū)域的灰水足跡總量、結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相關(guān)。但盡管如此,龍巖市灰水足跡強(qiáng)度仍顯著高于福建省平均水平,而廈門(mén)市則低于全省平均水平。這表明龍巖灰水足跡強(qiáng)度仍具有較大降幅空間。

3.5 人均-強(qiáng)度灰水足跡指標(biāo)

綜合分析人均灰水足跡與灰水足跡強(qiáng)度,可判斷灰水足跡的水污染-效率類(lèi)型。將福建省及各市四個(gè)時(shí)間段的灰水足跡強(qiáng)度從大到小賦值為1—40,人均灰水足跡從小到大賦值為1—40(圖6)。研究期內(nèi),福建省整體水污染-效率類(lèi)型有所好轉(zhuǎn), “十二五”期間由高污染低效率進(jìn)入高污染高效率類(lèi)型,“十三五”前期進(jìn)入低污染高效率類(lèi)型,說(shuō)明福建省在一定程度上兼顧了環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。各市水污染-效率類(lèi)型均有好轉(zhuǎn),并且區(qū)域性特征明顯,福州市、泉州市和廈門(mén)市的效率提升最快,在“十一五”期間進(jìn)入了低污染高效率類(lèi)型,莆田市和寧德市也在“十二五”期間進(jìn)入了低污染高效率類(lèi)型,這與莆田市制造業(yè)發(fā)展和寧德市新型工業(yè)(新能源科技)發(fā)展有關(guān)。內(nèi)陸三市及漳州市效率提升較慢,在“十二五”和“十三五”期間由高污染低效率轉(zhuǎn)型為高污染高效率,該區(qū)域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中農(nóng)業(yè)占比較大,非點(diǎn)源污染嚴(yán)重,而農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)增加值較低,加之人口流失等問(wèn)題,導(dǎo)致污染-效率類(lèi)型轉(zhuǎn)型困難。

圖6 福建省各市水污染-效率類(lèi)型 Fig.6 Water pollution-efficiency types for different cities in Fujian Province

圖7 福建省灰水足跡驅(qū)動(dòng)因素累計(jì)貢獻(xiàn)量 Fig.7 Cumulative contribution of driving factors of grey water footprint in Fujian Province

4 福建省灰水足跡變化驅(qū)動(dòng)因素分解分析

4.1 福建省灰水足跡變化驅(qū)動(dòng)因素逐年分解分析

分析福建省灰水足跡各驅(qū)動(dòng)因素的累積貢獻(xiàn)量(圖7),經(jīng)濟(jì)因素、城鄉(xiāng)結(jié)構(gòu)因素和人口因素對(duì)灰水足跡總量變化具有促進(jìn)作用,其中經(jīng)濟(jì)因素的影響最大,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)伴隨著水環(huán)境污染問(wèn)題;技術(shù)因素和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素對(duì)灰水足跡總量的變動(dòng)有抑制作用,技術(shù)因素的削減量最大,說(shuō)明清潔生產(chǎn)技術(shù)和污水處理技術(shù)升級(jí)是目前福建省水環(huán)境污染治理的主要措施。

總體來(lái)看,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是灰水足跡的主要正向驅(qū)動(dòng)因素,這與其他學(xué)者對(duì)灰水足跡驅(qū)動(dòng)因素分解[11]以及碳排放驅(qū)動(dòng)因素分解[39]的相關(guān)研究結(jié)果一致,說(shuō)明經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是碳排放、大氣污染、水污染等一系列環(huán)境污染的主要驅(qū)動(dòng)力,經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程迫切需要將環(huán)境污染成本納入考量。本研究中經(jīng)濟(jì)因素對(duì)灰水足跡的貢獻(xiàn)量呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)(圖8),表明以犧牲環(huán)境為代價(jià)的粗放型發(fā)展方式正在逐步轉(zhuǎn)型為綠色發(fā)展為導(dǎo)向的高質(zhì)量發(fā)展方式,經(jīng)濟(jì)發(fā)展的灰水足跡效率不斷提高;城鄉(xiāng)結(jié)構(gòu)因素的正向貢獻(xiàn)量較小且呈下降趨勢(shì),隨著福建省城鄉(xiāng)差異的逐步減小,其對(duì)灰水足跡變化的影響也在減弱;人口因素對(duì)灰水足跡的驅(qū)動(dòng)作用較小;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)因素起負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用,應(yīng)加強(qiáng)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,大力發(fā)展新農(nóng)業(yè)、新工業(yè);技術(shù)因素作為累計(jì)負(fù)向貢獻(xiàn)量最大的因素,有巨大的減排潛力,可以通過(guò)技術(shù)升級(jí)減少污染物產(chǎn)生量和排放量,完善污水處理系統(tǒng),進(jìn)一步提高灰水足跡效率。

圖8 2001—2017年福建省灰水足跡變動(dòng)驅(qū)動(dòng)因素分解Fig.8 Decomposition of driving factors for the change of grey water footprint in Fujian Province from 2001 to 2017

4.2 各市灰水足跡變化驅(qū)動(dòng)因素分解分析

對(duì)福建省各市灰水足跡的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分解分析(圖9)。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是各市灰水足跡變動(dòng)的主要正向驅(qū)動(dòng)因素;常住人口流失對(duì)三明市、南平市、龍巖市、寧德市的灰水足跡變動(dòng)起負(fù)向驅(qū)動(dòng)作用,人口因素對(duì)廈門(mén)市灰水足跡正向貢獻(xiàn)量為76.05m3,僅次于經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素,廈門(mén)市應(yīng)重視人口因素的正向驅(qū)動(dòng),加強(qiáng)城鎮(zhèn)生活污水治理力度;泉州市、漳州市和福州市城鄉(xiāng)結(jié)構(gòu)因素的正向驅(qū)動(dòng)作用相對(duì)較強(qiáng);技術(shù)因素是最主要的負(fù)向驅(qū)動(dòng)因素,其中漳州市、泉州市和福州市的技術(shù)因素負(fù)向貢獻(xiàn)量較高;泉州市和漳州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的負(fù)向驅(qū)動(dòng)力較強(qiáng),表明泉州市工業(yè)的快速發(fā)展和漳州市從農(nóng)業(yè)向工業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變?nèi)〉昧溯^好的水環(huán)境保護(hù)效益。漳州市灰水足跡負(fù)向變動(dòng)量最大,表明在這一時(shí)期漳州市的戰(zhàn)略調(diào)整成果顯著,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)兼顧工業(yè)污染物減排和生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展;廈門(mén)市是唯一在研究期間灰水足跡變動(dòng)為正的地區(qū),水環(huán)境可持續(xù)性降低。

圖9 2001—2017年福建省各市灰水足跡驅(qū)動(dòng)因素分解Fig.9 Decomposition of driving factors of grey water footprint in different cities of Fujian Province from 2001 to 2017

5 結(jié)論及建議

本研究對(duì)福建省水污染的時(shí)空變化進(jìn)行定量分析,結(jié)合LMDI方法建立了灰水足跡總量變化的因素分解模型,對(duì)人口、經(jīng)濟(jì)、城鄉(xiāng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)5個(gè)因素的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)度和分析,得出以下結(jié)論：

1)TN是影響福建省灰水足跡總量的主要污染物,其中點(diǎn)源污染的TN主要來(lái)自城鎮(zhèn)生活廢水,占比87.80%,非點(diǎn)源污染的TN主要來(lái)自種植業(yè),占比52.97%。

2)2001—2017年福建省灰水足跡及各項(xiàng)指標(biāo)都有所下降,各市灰水足跡強(qiáng)度降幅超過(guò)80%,污染-效率類(lèi)型均有所好轉(zhuǎn)。全省水環(huán)境質(zhì)量有所改善,呈現(xiàn)灰水足跡總量及剩余灰水足跡東南高(福州、泉州、漳州等市)西北低(寧德、南平、龍巖等市),人均灰水足跡及灰水足跡強(qiáng)度東低(寧德、福州、莆田、泉州、廈門(mén)等市)西高(南平、三明、龍巖、漳州等市)的空間特征。

3)經(jīng)濟(jì)因素是最大正向驅(qū)動(dòng)因素,產(chǎn)生2932.96億m3的貢獻(xiàn)量;技術(shù)因素是最大負(fù)向驅(qū)動(dòng)因素,產(chǎn)生-2630.31億m3的貢獻(xiàn)量。推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量綠色發(fā)展、提高節(jié)能減排生產(chǎn)技術(shù)與污染物處理技術(shù)是降低灰水足跡的關(guān)鍵。

結(jié)合本研究的結(jié)論,對(duì)福建省水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提出以下建議：1)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),推廣綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展、新型工業(yè)化、區(qū)域特色旅游等,推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。2)開(kāi)展非點(diǎn)源污染專(zhuān)項(xiàng)防治。合理科學(xué)施用化肥農(nóng)藥,嚴(yán)控化肥施用量;安裝農(nóng)村沼氣設(shè)施,提高畜禽糞尿的再利用率;加快推進(jìn)農(nóng)村生活污水集中處理,提高水資源循環(huán)利用;在全省推廣綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的樣板經(jīng)驗(yàn)。3)提高城鎮(zhèn)生活污水處理水平。加快完善城鎮(zhèn)生活污水處理系統(tǒng),提高污水處理能力。4)落實(shí)生態(tài)補(bǔ)償制度。福建省2017年建立了全流域生態(tài)補(bǔ)償長(zhǎng)效機(jī)制[40]。通過(guò)生態(tài)補(bǔ)償制度,下游受益者如福州、莆田、泉州等市提供資金,讓上游保護(hù)者如南平、三明、龍巖等市得到合理補(bǔ)償,加大水環(huán)境治理資金投入,鼓勵(lì)減少水污染物排放,調(diào)動(dòng)全省水環(huán)境保護(hù)積極性。5)加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管力度,對(duì)污染物排放不合格的企業(yè)單位嚴(yán)格執(zhí)罰,支持、推進(jìn)清潔生產(chǎn)技術(shù)和污水處理技術(shù)升級(jí),減少水污染物排放量。

由于數(shù)據(jù)的不可獲得性,本研究在污染源核算中沒(méi)有考慮集中式處理設(shè)施產(chǎn)生的污染、重金屬水污染物(如汞、鎘等)、部分水污染物直接排放入海的影響,并對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和入河系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)一化處理。沒(méi)有考慮水體自?xún)艋芰σ约傲饔蛏舷掠沃g污染物的傳遞,可能導(dǎo)致針對(duì)淡水環(huán)境的分析有所偏差。在今后的研究中,可以構(gòu)建水文模型以更加精確地計(jì)算進(jìn)入水體的污染物量,對(duì)流域尺度下豐水期、枯水期的灰水足跡開(kāi)展更加深入和全面的研究。