高 原,郑莎莎,张春玲,付意成

(1.北京市节水用水管理事务中心，北京 100142；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

随着人们生活水平的提高，食品种类不断增加，食品饮料行业也在迅速发展。北京市汇聚了百事可乐、可口可乐、健力宝、牵手、露露等全国知名饮料品牌企业，其中不乏可口可乐等百年不衰的饮料企业。近年软饮料制造的产量超过400万t，是北京深加工产业重要的领域。然而，饮料制造业是以水为主要原料进行生产的行业，生产过程用水环节多，因此，生产取用水量大是其重要特征。为规范和指导饮料制造业合理用水，国家发展改革委在2004—2014年期间，对用水敏感的啤酒、酒精、味精制造3个行业的取水定额进行了核实，规范了行业用水标准[1]。2007—2011年，中国饮料协会制定了一系列与取水、用水、耗水、排水指标有关的文件，如《饮料制造取水定额》等。国家、行业制定了啤酒、饮料的取水定额、用水标准，为规范地区用水与取水定额，北京市颁布了地方标准DB11/T 1696—2019《工业取水定额 饮料》、DB11/T 1695—2019《工业取水定额 啤酒》，有助于指导行业节水工作[2-3]。节水水平的判定和节水潜力的分析是影响行业节水水平提升的关键。目前，行业节水潜力研究主要以定性判断和模型概化计算为主，针对不同时空尺度的行业用水水平开展分区、分类、分时的节水潜力计算，对特定区域或行业的节水潜力进行了量化[4-6]。当前的研究较多关注产业用水量和节水潜力分析，易忽略不同用水群体差异性影响，对用水个体差异性考虑不足[7]。当前的节水主要集中在资源节水潜力方面，且工程节水潜力忽略了水的循环再利用和气候变化的影响，造成节水量偏离实际情况[8]。在对工业用水效率研究的基础上，学者重视对工业节水潜力的分析，且绝大部分重视对现实潜力的考察，忽略节水潜质对节水降耗的影响[9]。

行业节水量的大小很大程度上要归功于用水效率和节水意识的提高[10]。北京市水资源紧缺是不争的事实，把水资源作为最大的刚性约束，大力发展节水产业和技术，推进工业节水改造，推动高耗水行业节水增效，推动用水方式由粗放向节约集约转变，是落实《国家节水行动方案》重点行动的重要举措。北京市饮料制造企业需要积极行动，开展节约集约用水，充分挖潜节水潜力，这是其履行社会责任的关键之一。为进一步衡量饮料制造业的节水潜力，以《全国水资源综合规划技术大纲》为依托，着重阐述行业节水路径和潜力分析的重要内容，并构建计算模型开展节水潜力计算[11]。本文的研究成果利于推动饮料制造业加强节水管理，提升技术改造水平，引导行业提升内部节水意识，为建设资源节约型和环境友好型社会做出贡献[12-13]。

1 生产用水现状

饮料制造以水为主要原料进行生产。饮料的加工过程需要以纯净水作为基础原料，用水环节多。饮料生产过程的稀释、调配等主要环节以水作为重要原料，清洗、杀菌、罐装环节也需要水的参与(图1)。基于饮料制造过程的用水特征和用水量统计数据，饮料制造行业是北京市工业用水大户。随着社会饮料、啤酒等饮品消费量的增加，新鲜水取用量随着产量增加而增长。数据表明，2019年北京市包含软饮料制造的酒、饮料和精制茶制造业的新鲜水取用量达到1 820万m3，占全市工业用水总量的比例超过10%[14]。

图1 饮料制造工艺流程示意

通过对统计数据分析表明，饮料制造业生产用水量在全市工业用水总量约为5%，远高于其产值占全市工业产值占比1%。从同期单位产值水耗对比看，饮料制造行业用水效率相对较低，属于耗水量偏大的行业。因此，北京市深入创建节水型社会，实现全社会资源节约集约利用，对于饮料制造行业在合理优化产品类别及其生产规模的基础上，进一步强化饮料制造业用水管理，改进生产用水工艺，稳步提升行业用水效率。

北京市饮料制造业产品主要有碳酸饮料类(汽水)、包装饮用水类、果汁和蔬菜汁饮料类，以及少量含乳饮料和植物蛋白饮料、茶饮料及其他功能性饮料。碳酸饮料指含有CO2的软饮料，是在液体饮料中充入CO2制作而成，制作过程包含糖浆的制备和调和、碳酸化、洗瓶罐装杀菌过程，冷却检验后出厂等。此外，包装饮用水是不含杂质的水，是采用电渗析器法、离子交换器法、反渗透法、蒸馏法及其他适当的加工方法制得的纯净水。果汁和蔬菜汁饮料是直接以新鲜或冷藏果蔬(也有一些采用广果)为原料，经过清洗、挑选后，采用物理方法(如压榨、浸提、离心)得到的果蔬汁液，再以果蔬汁为基料，加水、糖、酸或香料调配而成。统计数据表明，2019年北京市碳酸饮料类(汽水)、包装饮用水类、果汁和蔬菜汁饮料类产品生产取水总量783万m3。北京市饮料制造行业产品生产及其单位产品水耗变化见图2。

图2 北京市饮料制造行业生产用水量与耗水量比对

各类饮料产品的生产企业由于生产工艺、产量规模、节水管理举措的差异，单位产品的水耗也有所差异。生产果汁和蔬菜汁饮料的单位产品水耗相对较高，约为3 m3/t；包装饮用水生产的单位产品的水耗基本在2.5～3.0 m3/t；碳酸饮料生产的单位产品的水耗通常在2 m3/t左右。北京市饮料制造企业生产设备与工艺在全国范围较为先进，整体节水意识较强，单位产品的水耗控制也相对较好，用水效率在世界上处于领先水平，但原料筛选、加工生产、产品检测等环节中，与国际市场要求、产业的升级及可持续发展要求的用水定额、耗水标准尚存在一定差别。因此，北京市饮料制造企业需继续努力，不断深入探索节水路径，充分挖掘并提升节水水平[15]。

北京市作为中国的政治中心、文化中心和科技创新中心，当前已形成统筹疏解非首都功能、构建高精尖经济结构的发展规划。未来北京市工业将以高精尖产业创新发展为主，一般制造业企业将逐步退出。在过去的5年北京市软饮料制造产量基本稳定在300万t左右，其中耗水量相对较大的果汁和蔬菜汁饮料制造产品产量每年以10%的速率减少，产量由2014年的53.7万t减少至2019年的32.8万t。包装饮用水制造产品产量由2014年的153.6万t增加至2019年的205.1万t，年增长6%。碳酸饮料制造业产量相对稳定(图4)。因此，鉴于北京市水资源紧缺，从产品结构上，饮料制造业也在不断优化，高耗水产品逐步减少，相对低耗水产品有所增长，以满足民众的消费需求。

图3 北京市饮料制造行业产品生产及其单位产品水耗变化

图4 北京市饮料制造行业生产产品结构

2 节水路径与理论分析

由于北京市饮料行业产品品类多，包装形式与生产工艺不尽相同，不同饮料品类及包装形式不同对应的取水定额不同，同时，由于饮料行业企业规模和装备水平参差不齐，用水量差别较大。北京市食品饮料行业节水水平较高，2019年抽选的企业产品用水量都在市行业用水定额标准值范围内。食品饮料行业作为高耗用水行业，当前的行业用水水平仍具有较大潜力。

2.1 行业节水路径探讨

落实节约用水需要通过相应措施的实施以减少生产生活用水的消耗量并提高用水效率，通常区域和产业发展节水的基本途径可从3个方面考虑，即加强用水管理、促进技术进步和实现结构优化。北京市饮料制造业的节水水平相对较高。为进一步挖掘节水潜力，需提高节水意识及工业用水重复率，促进节水良性发展[16-17]。

a)管理型节水。借助节水考核、完善节水奖励制度等行政手段加强用水管理，强化节水意识，规范生产与生活过程的用水行为，提升行业节水水平。管理型节水作为非接触型节水方式，不需要增加资金投入即可获得明显的节水效果，而且是促进其他节水措施实施的基础。

b)技术进步型节水。依靠科学进步，可有效提高水资源利用效率，完善节水环节及考核机制。在水资源耗用量稳定的情况下，增加社会总生产效益，从而降低单位产值的用水量，实现节水。对于饮料制造业，结合行业特点和生产工艺，从以下2点降低行业用水量：①抓行业内部循环用水，提高水资源重复利用率，长期节水举措的实施可取得投资少、见效快、效益高的节水效果；②改造生产设备，争取少用水，降低生产过程的单位耗水量，实现源头节水。

c)结构型节水。在缺水地区尽可能地鼓励单位产值耗水小的产业或产品生产部门的发展，同时又适当照顾北京市饮料制造业部门的体系完整性和生产力布局的合理性，使得在发展过程中经济整体的单位产值耗水率大幅度下降，从而降低产业系统用水量。

对于区域节水来讲，结构调整型节水、技术进步型节水和管理型节水在实施过程中，以结构调整型节水的综合效益为最大[18]。其中，技术进步型节水和管理型节水都是以促进用水效率提高来体现，结构调整型节水通过改变产品类别及其产量规模以调整水量消耗，达到节水的目的。尽管北京市饮料制造行业的单位产出水耗相对较低，但是通过进一步加强上述3种节水途径的深入，还可继续深化挖掘节水潜力，尤其是合理调整行业产品生产规模，优化生产结构，实现最大程度节水[16]。

2.2 行业节水理论分析

确定饮料制造业生产的节水潜力，需从行业的增量与存量生产情况进行分析。其中增量节水主要分析新增生产用水效率提高带来的潜在节水，存量节水则需要同时分析区域行业生产结构调整和用水效率提高带来的潜在节水量。行业生产中的总体节水潜力是行业结构调整和用水效率提高两方面因素的综合作用结果[19-21]。

a)单纯考虑产业生产用水效率提高节水潜力。在区域产业结构不变的情况下，由于各生产工艺技术的改进、节水型器具的使用、水价杠杆的激励作用和节水管理制度落实等，使得饮料制造业及其内部单位产值的用水量降低，引起总用水量减少，整体用水效率提升。在现有产出(产值)不变的情况下，产业内部在用水效率提升到一定的水平前后总用水量之间的差值，即体现为饮料制造采取改善生产工艺等节水措施后所节省的水量，也可以认为是不变的产出(产值)考虑现状单位产出(产值)用水量指标值后达到更为先进或领先水平的指标值前后用水量的差异值，为本阶段所能达到的产业生产节水潜力。

b)纯粹由产业结构调整引起用水量变化的节水潜力。饮料制造业内部用水定额(单位产值的用水量)存在差异，部门间高耗水部门生产用水定额通常大于低耗水部门生产用水定额，行业间高耗水行业用水定额大于低耗水行业用水定额。在建设节水型社会的形势下，产业(或行业)结构调整通常是降低用水定额大的产业(或行业)所占比例，增大用水定额相对较小的产业(或行业)所占比例。这种产业结构的调整势必降低对新鲜水的需求量，实现节水的目标。结合区域经济发展，科学优化行业结构的节水量即为该方式对应的节水潜力。

c)结构调整与效率提高节水效果。实际中，实施产业结构调整与用水效率提高产生的节水效果会有所重叠，产业结构调整节水潜力的计算需借助数学方法将结构调整的节水作用与用水效率提高的节水作用分离开来。现实工作中，这2种降低用水的途径可能存在交叉混合的作用，必要时应考虑混合作用的效果。

3 节水潜力模型构建

根据行业节水理论分析，论文建立行业节水量分析计算模型开展饮料制造业节水潜力分析。

模型构建时，给出如下设定：设Pt为行业第t年产出总量，Pti为第t年i产品的产出总量，q0、qt分别为起始年份与第t年平均用水定额(单位产出的用水量)，α0i、αti分别为起始年份与第t年i产品占行业总产出的比例(α0i=P0i/P0、αti=Pti/Pt)，q0i、qti分别为起始年份与第t年i产品的用水定额(单位产出的用水量)。

第t年产出总量Pt的行业结构与行业用水定额都发生了变化，年实际用水量Wt可表示为：

(1)

考虑第t年产出总量Pt的行业结构与行业用水定额保持与起始年份保持不变时的用水量为：

(2)

从而，产出总量Pt时各产品的用水定额降低和经济结构调整所产生的节水总量可表示为：

(3)

由数学换算公式：ac-bd=a(c-d)+c(a-b)-(a-b)(c-d)，式(3)可转化为式(4)：

(4)

4 节水潜力计算分析

近年，为加强工业用水计划管理，深化企业节水，北京市质量监督管理局协同北京市水务局联合发布了系列取用水定额地方标准，其中2019年编制发布了DB11/T 1696—2019《工业取水定额 饮料》，对多种饮料的生产用水定额分通用值、先进值和领先值做出了明确规定。北京市饮料制造业节水潜力分析一方面可以通过优化产品生产结构减少的用水量，另一方面通过现状用水效率对标地方标准确定的用水定额领先值或先进值，以分析效率提升的节水量。生产结构调整考虑饮料制造行业产品进一步优化，减少用水单耗大的果汁和蔬菜汁饮料产品产量、适度增加包装饮用水产品产量，碳酸饮料类(汽水)、包装饮用水类、果汁和蔬菜汁饮料类三大类饮料产品的产量结构由27∶63∶10调整为27∶65∶8。

以2019年各类饮料产品产量及生产的单位产品水耗为基准，参考过去5年各类产品产量变化趋势，对标《工业取水定额 饮料》对应的碳酸饮料类(汽水)、包装饮用水类、果汁和蔬菜汁饮料类产品的用水定额领跑值用水定额，分别分析2025、2030年进一步提升的节水潜力。结合节水量计算模型分析发展至2025年北京市饮料制造行业发展，产品结构调整三类饮料生产综合节水量ΔWa为12万m3，对标用水定额领跑值当前北京市三类饮料生产的用水效率可进一步提升实现节水量达到393万m3，2025年综合节水量达到428万m3，即北京市三大饮料产品制造业发展至2025年将具备332万m3的节水潜力。进一步分析发展2030年北京市三大饮料产品制造业将具备的节水潜力为548万m3(表1)。

表1 北京市饮料制造行业产品结构调整与用水效率提升节水潜力

在对北京市饮料制造业的用水定额进行科学编制的基础上，根据饮料制造业的发展特点和用水特性，确定北京市饮料制造业节水策略和实施路线。从用水现状、用水规模、用水影响因素入手，找出对行业用水产生影响的关键制约因素。结合用水定额的发展情况，科学计算单位产品用水量，合理开展饮料制造业节水潜力定量分析，给出节水措施和节水建议。

5 结论

北京市饮料制造主要有碳酸饮料类(汽水)、包装饮用水类、果汁和蔬菜汁饮料类三大产品，饮料制造企业可通过加强用水管理和促进技术进步提高用水效率，以及优化产品结构，降低高耗水产品生产，达到促进生产节水的目的。当前，北京市饮料制造行业依然存在进一步节水的潜力，通过构建节水量计算模型分析行业发展至2025年能实现产品结构调整节水量为12万m3，用水效率提升节水量达到393万m3，综合节水潜力达到428万m3；发展至2030年能实现产品结构调整节水量为18万m3，用水效率提升节水量达到484万m3，综合节水潜力达到548万m3；主要为用水效率提升节水的贡献，贡献率在88%左右。