基于全生命周期理论的水资源优化配置初步研究

基于全生命周期理论的水资源优化配置初步研究

基于全生命周期理论的水资源优化配置初步研究^[1]

张　伟　王　慧

（中国矿业大学管理学院）

摘　要:我国水资源短缺，用水效率偏低，成为制约我国社会经济可持续发展的首要问题。本文尝试把生命周期理念引入水资源配置中，通过国内外相关研究述评，界定我国水资源生命周期的内涵，分析该理论用于水资源配置的可行性和必要性，从而寻求下一步研究的切入点:将水资源置于社会—经济—环境（生态）构成的复合系统中，通过生命周期的视角审视水资源开发利用效果，从而为提高整体水资源综合利用率和利用价值奠定理论基础。

关键词:全生命周期；水资源配置；社会—经济—环境复合系统；水资源运营管理

一、引言

水是人类生存和经济社会发展所必不可少的基础性资源。我国属于水资源严重短缺国家，目前面临着用水效率低、水环境质量恶化等严重问题，水资源已经成为制约我国国民经济和社会发展的“瓶颈”，而水资源的合理利用和有效管理则是破解这一“瓶颈”的关键。近十几年来，我国水资源配置和管理效率在不断地提高，但与发达国家相比还存在很大的差距，说明在中国提高水资源配置和管理效率方面具有很大的潜力。

目前，国内外分别针对水资源配置和生命周期理论的相关研究比较多，但从生命周期视角对水资源配置进行的研究则很少。从理论上说，生命周期的基本涵义可以通俗地理解为“从摇篮到坟墓”的整个生命周期各阶段的总和。水资源作为一种特殊的资源也具有生命周期。本文尝试把生命周期理念引入水资源配置中，通过国内外相关研究述评，界定我国水资源生命周期的内涵，分析该理论用于水资源配置的可行性和必要性，从而寻求下一步研究的切入点，为提高整体水资源综合利用率和利用价值奠定理论基础。

二、国内外相关研究述评

联合国环境规划署（UNEP）1992年将“可持续发展”作为人类发展的一个政治目标。对于可持续发展，布朗特兰报告定义为环境、经济与社会三方面的可持续发展^［1］。新开发一个产品或对已有产品进行改进都应进行环境、经济与社会三方面的可持续评价，而对于环境可持续发展的评价工具为生命周期评价（life cycle assessment，简称LCA），对于经济可持续发展的评价工具为生命周期成本核算（life cycle costing，简称LCC），对于社会可持续发展的评价工具为社会生命周期评价（social life cycle assessment，简称SLCA）^［2］。

生命周期评价（LCA）是评价产品或服务在生产、使用、废弃等整个生命周期对环境造成负担程度的重要评价工具，即从摇篮到坟墓^［3］。LCA这一方法在各种产品和技术对环境影响的评价中得到了广泛应用^［4～5］。近年来，LCA方法在水资源方面的研究取得了一些初步进展，如废水处理技术选择、城市污水处理系统环境影响评价^［6］、城市供水系统环境影响^［7］等。但是将生命周期评价（LCA）的思路用于水资源配置以提高水资源利用价值方面的研究较少。生命周期成本核算（LCC）是评价一个产品和服务从生产、使用到废弃的整个生命周期中供应商、制造商、用户或消费者所发生的实际经济成本，LCC的执行过程与LCA执行过程基本相同，环境毒物学和化学协会（SETAC）欧洲分会专门写了一本LCC的执行标准手册^［8］。对于水资源的研究相对较少，仅有个别文献^［9］运用LCC研究了水的定价。生命周期的社会评价（SLCA）发展较晚，目前研究方法尚不成熟。主要研究企业社会责任、产品对人类健康和福利的影响等方面。目前对水资源增值的研究较为缺乏，考虑水资源的生命周期特性，并运用LCA、LCC的基本思想对水资源自然生产与社会生产过程中各类要素与能源消耗、发生成本进行评价，以分析其价值流的变化规律，这对提出新的水资源配置思路无疑具有重要意义。

国内基于生命周期评价（LCA）和生命周期成本核算（LCC）方法对水资源进行研究的文献较少，主要集中在水资源管理过程中的一些技术比较与选择。如杨健、陆雍森、施鼎方（2000）运用生命周期分析工具（LCA）评估和选择生物滤池法和活性污泥法这两种废水处理工艺，研究认为LCA技术是确定污水处理工艺的一种有效手段^［10］；杨飞（2006）应用LCA方法对建筑给水排水管材选择进行了研究^［11］；高会亮、王东明、高会艳等（2006）设计了LCA方法在用水网络设计中应用的技术框架^［12］；王晓昌、王巧、熊家晴（2006）对宝鸡生态城市水环境系统进行了生命周期评价^［13］；熊家晴、华莉芳、王巧等（2008）运用模糊数学、层次分析法等对再生水处理技术进行了生命周期性能指数、成本指数、环境影响指数评价，并构建了水处理技术综合价值指数模型。任明珍、潘登宇（2009）运用LCC方法在戈兰滩水电站施工供水设计中进行了成本核算和方案选择^［14］。

目前，国内还没有运用生命周期评价（LCA）和生命周期成本核算（LCC）方法对水资源配置方面的研究。

三、水资源生命周期的内涵

1.水资源生命周期

生命周期（life cycle）的概念来自于生物学，后来，经济学家和管理学家将其引入到企业和产品中来，创立了企业生命周期理论和产品生命周期理论。经过不断发展和完善，生命周期的概念已被广泛应用到政治、经济、环境、技术、社会等诸多领域，其基本涵义可以通俗地理解为“从摇篮到坟墓”的整个生命周期各阶段的总和。水资源作为一种特殊的资源也具有生命周期，通过研究水资源生命周期各个阶段的使用和管理，探讨水资源配置的机制和模式，可以有效地提高水资源利用效率，对于解决目前我国面临的水危机意义重大。

水资源作为一种特殊的资源，不仅具有自然资源的特征，而且还具有生产资料和生活资料的双重经济特征，同时水资源还是整个人类社会的共同财富，故而也具有社会特征。因此，水资源与一般产品有明显的差异，其生命周期的内涵与一般产品的生命周期内涵自然也有显著差别，主要表现在其来源的特殊性和废弃后产生的效应不同。

目前，除少数的讨论外，还很少有人就水资源生命周期问题进行研究。卢兵友（2001）认为水资源生命周期过程应该包括5个步骤:一是对降水的自然蓄存；二是靠生物作用蓄存和涵养降水；三是靠农艺措施蓄存降水，包括生物蓄水和农艺如耕作措施拦蓄降水等；四是引导降水蓄存到工程中的同时，实现生物、农艺和工程措施利用的结合；五是对蓄存降水的综合利用^［15］。陈志松、王慧敏（2008）提出水市场生命周期的概念，认为水市场从无到有，存在着引入期、成长期、成熟期和完美期4个不同阶段。然而，上述论述并未对水资源生命周期的内涵与特征进行深入分析^［16］。

水资源是人类一切活动的物质基础，按是否生产产品将水资源划分为天然水资源和商品水资源两类。天然水资源虽然不是劳动产品，却是最基本的生活和生产资料，具有使用价值和资源价值属性。商品水资源是指水利基础设施部门，为有效满足经济社会用水的需求对天然水资源进行开发利用，经过资本、劳动投入，运用知识和生产技能、技术生产出的水产品或提供的水服务。

天然水资源的生命周期，是指水资源经过降水、径流、蒸发再回到自然的过程，整个过程构成了天然水资源的生命周期。商品水资源的生命周期是“从摇篮到坟墓”的整个生命周期阶段的总和，包括水资源的获得、贮存、处理、输送、使用或消费以及排放又回到自然的过程，这个过程构成了一个完整的水资源生命周期。商品水资源的生命周期是处于经济—社会—环境—生态复合系统的生命周期。本课题研究的水资源生命周期主要是指“开发—利用—废弃”全过程的生命周期。

2.水资源生命周期评价

水是人类和生态系统不可或缺的重要资源，人类的福利和生态系统的健康受地球水循环系统的广泛影响。同时，可被人类社会和生态系统利用的淡水资源又是及其稀缺的，淡水资源的开发、利用和废弃对人类健康和生态系统质量起着至关重要的作用。生命周期评价方法（LCA）是近年来环境科学研究的热点，它通过对工农业产品从“诞生到消亡”、“从摇篮至坟墓”整个生命周期的全过程评价，对工农业生产中物质、能源和废弃物的代谢规律及其环境压力进行辨识、量化和评价，目的在于评估能量和物质利用对环境的影响，寻求改善环境影响的机会，以促进资源的有效利用和环境的正面影响。目前，将LCA方法应用于水资源开发与利用的研究还较少，已有的一些研究主要侧重于污水处理阶段和污泥的处理与处置，如污水处理厂对环境所产生的影响和污泥的不同处理方法对环境的负荷计算等^［17］。因此，在全球水资源危机越来越严重，水资源开发利用对人类社会可持续发展和生态系统健康稳定运行越来越重要的今天，开展水资源生命周期评价研究具有重要的理论和现实意义，它有助于人们充分认识和了解水源取水、工业用水、农业用水和生活用水对生态系统、人类健康和不可再生水资源产生的影响，有利于提高水资源管理水平，也为水资源开发与利用政策的制定提供科学的依据。

目前关于生命周期评价主要存在三种较具代表性的定义:一是国际环境毒理学和化学学会（SETAC）的定义，该组织关于LCA的定义为“LCA是一个评价与产品、工艺或行动相关的环境负荷的客观过程，它通过识别和量化能源与材料使用和环境排放，评价这些能源与材料使用和环境排放的影响，并评估和实施影响环境改善的机会。该评价涉及产品、工艺或活动的整个生命周期，包括原材料提取和加工，生产、运输和分配，使用、再使用和维护，再循环以及最终处置”；二是联合国环境规划署（UNEP）的定义，该组织关于LCA的定义为“LCA是评价一个产品系统生命周期整个阶段——从原材料的提取和加工，到产品生产、包装、市场营销、使用、再使用和产品维护，直至再循环和最终废物处置——的环境影响的工具”；三是国际标准化组织（ISO）的定义，该组织关于LCA的定义为“LCA是对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价”。

根据国际上对LCA的定义，我们认为水资源生命周期评价是指在水资源的开发、利用和废弃的过程中，评价工农业生产和居民生活对淡水资源利用与消费，以及水资源开发利用对生态环境、人类健康和社会经济环境等产生的影响。由于水资源在社会经济环境中占有重要地位，在水资源生命周期内，各种生产和生活活动都会消耗淡水资源，同时水资源的开发利用也都会对社会经济环境产生重要的影响，只是在不同的阶段，影响的因素和程度存在差异。如在开发阶段，对生态环境的影响占有很重要的位置，过度的开发还会导致地下水等不可再生水资源的消失；在利用阶段，水资源作为一种投入物投入到生产领域，共同创造价值对经济发展做出贡献，同时水资源本身被大量消耗和利用；在排放阶段，主要是对生态环境质量和人类健康的影响。如果从产品的角度来考察，水资源生命周期评价是生产某产品周期内对水资源的消耗以及水资源环境的影响。如在产品的原料采集阶段对水资源的消耗以及水资源环境的影响、生产阶段对水资源的消耗以及水资源环境的影响、产品使用完毕废弃对水资源的消耗以及水资源环境的影响等。

上述有关水资源生命周期评价的定义还应强调以下四个方面的内容:一是由于水资源是一种重要的自然资源，同时水资源环境也是生态环境重要的组成部分，因此，现有的LCA研究中或多或少都会涉及水资源生命周期评价的内容，但没有针对性、不成系统，缺乏对水资源生命周期全过程的了解；二是水资源生命周期评价，既包括对水资源消费与利用的评价，也包括水资源开发利用对其他生态环境要素的影响评价，两者是相互联系；三是水资源生命周期评价，除了关注水资源开发利用对生态环境的影响评价外，还应特别强调水资源开发利用对人类健康的影响，因为与其他的物质消耗与环境要素相比，如能源、矿产、温室气体等，水资源直接与人类的生命系统相关联，饮用水是否安全是判断水资源开发利用可持续性的重要指标；四是水资源生命周期评价可以广泛借鉴现有LCA分析成果，特别是LCA分析中关于物质消耗和健康影响评价的研究成果。

四、生命周期理论用于水资源配置的必要性和可行性分析

随着水资源危机的持续蔓延，人们对水资源的认识逐步深入，水资源成为基础性、稀缺性、战略性的生活资源和物质资源；而水资源短缺则成为制约社会经济的发展的首要资源环境问题。“转变用水观念，创新发展模式”是2006年中国纪念“世界水日”和开展“中国水周”活动的宣传主题和口号，它也是我国相当长一段时间内可持续利用水资源的重点工作之一。将生命周期思想引入水资源配置，探讨在现有水资源条件下如何科学调配水资源量，实现水资源利用效用最大化是在转变传统用水观念、提高水资源利用率和利用效率、科学评价水资源开发利用整体效果方面所进行的科学尝试。

开展生命周期条件下水资源配置研究对于合理开发、优化配置、高效利用水资源具有重要的理论与实践意义，主要表现在以下几个方面:

1.水资源优化配置是解决水资源短缺重要的有效途径

目前，社会经济环境的发展对水资源的依赖性越来越显著，水资源短缺及由此而引发的各种水资源环境问题成为国家或地区发展的“瓶颈”，严重地制约中国及世界社会经济的可持续发展，引起世界众多国家的关注和不安。国际水资源管理中心预测，2025年全世界78%的人口将生活在不同程度的缺水地区。我国水资源问题更加严重，水资源危机成为制约经济社会可持续发展的首要环境问题。据预测，21世纪我国人口将达16亿峰值，即使采取多种措施，全国将缺水400亿～500亿m₃。同时由于我国水资源的特性，在时间和空间均具有不均衡性，要解决水资源危机，同时不影响社会经济环境的可持续发展，重要的有效途径就是在满足经济、环境、社会效用最大化的前提下，从时间和空间两个维度对有限的水资源量进行优化配置，从而提高水资源利用价值。

2.从生命周期视角研究水资源优化配置为提高整体水资源综合利用率奠定理论基础

目前，用水效率低下是发展中国家普遍存在的问题。我国的用水效率不高，与国际先进水平相比存在较大差距，我国平均单方灌溉水粮食产量约为1公斤，而世界上发达国家，如以色列平均单方灌溉水粮食产量达2.5～3公斤。2005年，我国万元工业增加值用水量为167m³，工业用水重复利用率约为60%左右，而发达国家万元工业增加值用水量一般在50m³以下，工业用水重复利用率一般在80%～85%以上。如美国、日本在2000年万元工业增加值用水量分别为15m³、18m³，工业用水重复率分别为94.5%、80%以上，我国现在工业用水重复利用率仅相当于发达国家20世纪80年代初的水平。要突破用水效率低下，实现既定的目标，需要技术、理论支撑，从生命周期视角研究水资源的配置和管理，有助于整体提高水资源综合利用率和利用价值。为突破我国用水效率低下困境提供具有重要借鉴参考价值的基础理论。

3.研究成果可综合评价水资源开发利用效果，有利于水资源可持续利用

我国水资源生态环境问题严重，加剧了水资源供需紧张矛盾。2004年《中国水资源公报》表明，根据对13万公里河流水质评价，我国Ⅳ类水河长占40.6%，劣Ⅴ类水河长占21.8%。全国已形成地下水降落漏斗100多个，面积达15万hm₂。华北平原深层地下水已形成了跨冀、鲁、京、津的区域地下水沉降漏斗，有近7万hm₂的地下水位低于海平面。区域地下水位下降使平原或盆地湿地萎缩或消失，地表植被破坏、导致生态环境退化。这些问题的出现，迫使我们必须重新审视水资源开发利用的利弊，建立新的从综合的角度评价水资源开发利用效果的理论和方法。生命周期视角下水资源配置和管理的研究正是针对此问题设计的，它克服了只考虑一个过程而忽视整体影响的弊端，从水资源开发中、水资源利用时和利用废弃后全过程开展评价，具有综合性、系统性、创新性的特征，对于水资源可持续利用是非常有益的。

4.拓展了生命周期理论的应用领域

现今生命周期理论主要应用于产品系统的环境评价，很少涉及资源综合效用评价领域，本研究既拓展了生命周期理论的应用范围也拓展了评价范围，即由一般产品环境评价拓展至资源经济、环境、社会综合效用评价。

综上所述，开展生命周期视角下水资源配置和管理研究具有重要的理论和实践意义，是非常必要的。

五、结论及下一步研究的方向

我国水资源短缺，用水效率偏低，与水有关的生态环境问题严重，水资源成为制约我国社会经济可持续发展的首要资源环境问题，提高水资源利用率和利用价值，优化配置有限的水资源成为突破水资源“瓶颈”的关键。本文尝试把生命周期理念引入水资源配置中，通过国内外相关研究分析其必要性和可行性，在接下来的研究中，将进一步将水资源置于社会—经济—环境（生态）构成的复合系统中，以水资源综合效用最大化为核心，探讨在整个“开发—利用—废弃”生命周期条件下如何实现水资源效用最大化；提出生命周期条件下水资源配置理论、最优配置策略与保障机制，寻求通过生命周期的视角审视水资源开发利用效果，加强水资源全过程管理，并最终通过可视化决策支持系统来实现，以期为提高我国整体水资源综合利用率奠定理论基础。

参考文献

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［17］王晓昌，王巧，熊家晴.宝鸡市城市水环境系统LCA研究［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2006，6:6-10.

【注释】

[1]本文系教育部人文社会科学研究青年基金项目（11YJC630205），水资源配置中的期权契约设计及其最优策略研究——以南水北调东线为例；中国矿业大学社会科学基金项目（0J091179），水资源配置中的期权契约设计及其最优策略研究——以南水北调东线为例；中国矿业大学211工程三期重点学科建设项目（A90202），煤炭产业发展战略与煤矿安全管理。