社会水循环系统水能碳纽带关系及低碳调

本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》年第4期

作者：王建华，朱永楠，李玲慧，李嘉欣，姜珊，何国华

社会水循环系统水–能–碳纽带关系及低碳调控策略研究[J].中国工程科学,,25(4):-.

编者按

水是社会经济系统中最活跃、最关键的因素，伴随水的取用和处理，温室气体排放规模不断增加，因而研究社会水循环系统中的能源消耗和碳排放规律对推动实现“双碳”目标具有重要意义。

中国工程院院刊《中国工程科学》年第4期刊发中国水利水电科学研究院王建华正高级工程师研究团队的《社会水循环系统水–能–碳纽带关系及低碳调控策略研究》一文。文章从水资源利用中水?能?碳排放之间的动态关系出发，梳理社会水循环各个环节中的能源消耗和碳排放过程，分析—年社会水循环能源消耗和碳排放变化趋势，探讨碳排放总量及强度变化的主要影响因素以及存在的问题和挑战；研究“双碳”目标下的社会水循环系统中水?能?碳综合管理策略，提出减排降碳的方法和措施，支撑碳中和目标下的能源与水协同安全保障。

一、前言

20世纪以来，全球用水需求增长了6倍，与此同时气候变化导致水资源的时空分异使得水安全保障问题更加突出。为应对水资源短缺，世界各国致力于水资源保护，从水利基础设施建设、水科学技术发展、现代化水管理等方面均作出了努力。人类活动对自然水循环过程的扰动日益增加，形成了大规模的“取水?供水?用水?排水”侧枝循环过程；随着区域间贸易的发展，蕴含在产品中的“虚拟水”在不同地区社会经济系统中运移、转化，原有的自然水系统逐渐转变为“自然?社会”二元水循环系统。与主要依靠太阳辐射、地心引力等自然能驱动的自然水循环相比，社会水循环通过水利工程控制和调配将水资源引向社会经济系统，改变了原有自然水循环路径；各个环节受机械力、电能和热能等人工驱动力的影响，均需要消耗能源，如利用地表水或地下水需要筑坝蓄水、渠道引水、跨流域调水、泵站提水。随着城镇化进程的不断加快，城市供水量快速增长，年我国城市供水量为6.×m3，较年增长44.5%，供水系统能耗随之增加。为缓解缺水地区的水资源供需矛盾，具有能源密集型、高耗能特征的海水淡化、污水处理回用等非常规水利用量逐年增加，加剧了社会水循环的能源消耗，扩大了碳排放的规模。

我国是水资源紧缺的国家，近年来通过全面实施国家节水行动，水资源利用效率持续提高，以世界6%的水资源量养育了世界近20%的人口，支撑着经济社会的高质量发展和生态环境的高水平保护。我国也是能源消耗和温室气体排放大国，面对经济社会水资源和能源消耗增加、积极应对气候变化的现实需求，“水?能?碳”纽带关系逐渐成为研究热点。通过系统配置及模拟将自然社会碳排放与水资源系统联系起来，提出了基于低碳发展模式的水资源合理配置方法；针对电力行业，梳理了“水?能”耦合关系，认为应综合评估“水?能”耦合关系，分析温室气体排放等环境问题；从“水?土?能?碳”耦合角度，解析了系统的耦合机制，指出自然条件、经济水平、生产效率、技术水平是影响系统发展的主要因素。生产与消费数量的不匹配形成了商品的调运与流通，利用投入产出表开展各省份消费足迹研究，发现不同省份“水?能?碳”外部足迹呈正相关，需要建立更全面的“水?能?碳”框架以描述生产及消费环节的耦合机制。

在我国提出碳达峰、碳中和（“双碳”）目标后，水利工作者围绕实现“双碳”目标对水利的需求开展探讨，目前关于水利碳中和的研究集中在实现“双碳”目标的总体思路和研究框架，具体包括加快水电开发利用与发展低碳能源、提高水生态系统固碳能力、寻求水利基础设施建设及运行期的低碳发展路径等；对水资源利用过程中的碳排放研究则集中在城市水系统，特别是污水处理环节，也以典型城市为例核算了社会水循环系统的碳排放。然而，缺乏对我国社会水循环全过程碳排放研究，特别是不同地区、不同环节、不同工艺下的水系统能源消耗和碳排放特点的对比研究，需要深入谋划水利碳减排的贡献途径，以促进系统绿色低碳发展。

面对“双碳”目标要求，积极应对气候变化和社会经济需水不断增加的现实需求，文章从水资源利用中水?能?碳排放之间的动态关系出发，梳理社会水循环各个环节中的能源消耗和碳排放过程，分析—年社会水循环能源消耗和碳排放变化趋势，探讨碳排放总量及强度变化的主要影响因素以及存在的问题和挑战；研究“双碳”目标下的社会水循环系统中水?能?碳综合管理策略，提出减排降碳的方法和措施，支撑碳中和目标下的能源与水协同安全保障。

二、社会水循环系统水-能-碳纽带关系解析

水在社会经济系统中形成的“取水?供水?用水?排水”循环过程，即为社会水循环。近年来，社会水循环系统不断向多样化、机械化、电气化发展，整个系统的运转过程实际上是以机械能换势能、换水量、换水质、换压力的过程，伴随着巨大的水和能源消耗，存在着复杂的水?能?碳纽带关系（见图1）。根据温室气体核算体系，碳排放包括化石燃料使用、投放药剂和氧化过程中产生的直接碳排放，使用电力、热力产生的间接碳排放以及行业运行过程中上、下游产生的其他碳排放。

图1社会水循环主要耗能及碳排放环节

取水是社会水循环的始端，包括直接从江河、湖泊、海洋或地下含水层等取水，根据导流形式的不同细分为蓄水、引水、提水、调水等。其中，提水工程由于存在供水和受水两地高程差，需要借助抽水泵以机械能换取势能完成提水，一些调水工程也需要进行提水。从用水对象来看，城市生活与工业取水工程以电力驱动为主，间接产生碳排放；农业灌排泵则多为分散式分布，配套动力以柴油与电动机并重的模式；工程应急需要少量使用柴油抽水泵，使用期间会直接产生碳排放。近年来，结合区域资源优势，建成热能、水能、风力或太阳能等环保型泵站，践行绿色低碳发展。

供水是将水资源由水源地通过管道或水泵输送至农业、工业、生活等用水户的过程。农业灌溉供水系统主要由输水渠、控制闸、抽水站等控制系统组成，地表或地下水经由各级输水渠输送并分配到田间。生活用水和大部分工业对水质有更高的要求，需通过水厂净化后向用户供水。目前，我国城市供水技术以混凝、沉淀、过滤、消毒等流程为主，取水、送水、加药系统等环节均是水厂间接碳排放的主要环节。输配水管网是连接水厂和用水户的重要系统，随着我国城市规模的扩大，输配水管网形成了结构复杂，规模庞大的体系。为满足末端用水户的需求，管网压力需保持在较高的范围，系统在消耗电力的同时产生间接碳排放。降低泵站耗能、控制管网漏损，是实现供水系统高效节能、城镇供水系统安全运行的重点问题。

用水系统是社会水循环的核心环节，按照用水主体可分为农业、工业、生活及生态用水。不同灌溉模式是造成农业用水相关耗能差异的主要原因；与传统雨养或漫灌模式相比，喷灌和滴灌模式可以使水资源利用效率显著提高，但能耗强度较高。在用水环节中，工业、家庭生活及商业用水的能耗相较其他环节更高。水是工业生产的重要原料之一，目前众多工业行业的生产环节都和水有直接或间接的关系；根据用水类型可分为生产用水、辅助生产用水、附属生产用水三大类，用水过程需使用电力或化石能源对水加热或形成工艺系统水循环。家庭生活用水环节需消耗的能量主要是加热耗能和机械耗能。随着城乡经济发展、居民生活水平的不断提升，生活用水系统已达到较高的电气化水平，用水机械耗能以电力消耗为主，间接产生碳排放；用水加热耗能环节则使用电力、天然气、煤气、太阳能等，同时存在直接和间接碳排放。

随着商贸物流的高速发展，产品流通的规模和范围逐年扩大。无论是食品、日用品、服饰，还是五金、化工产品，几乎所有产品在生产和加工过程中都需要水；产品加工消耗的水随着商品在不同产业和部门之间、生产部门与消费者之间流通，形成虚拟水转移。相对于实体水资源而言，商品更便于运输，因而虚拟水战略被认为是一种可以缓解水资源短缺的有效手段。产品在以汽车、火车、飞机、轮船等方式运输的过程中需要消耗能源，同时产生直接和间接碳排放，形成贸易隐含水?能?碳关联关系。

排水系统根据用水主体可分为农业排水和城市排水两类。农业排水系统主要收集农田中多余的地表水、土壤水及地下水；城镇排水系统主要收集居民生活污水和工业废水，涉及污水收集、输送、处理、回用、排放等环节。污水中含有大量有机物，因此相应厌氧和好氧过程将直接释放CH4、NO、CO2。污水处理行业属于电力密集型行业，污水及污泥提升泵、物理净化、生物处理、污泥处置等设施和环节均需消耗大量的电力，加之污水处理过程需外加药剂，电力消耗和药剂消耗均会带来间接碳排放。

社会水循环作为自然水循环的侧枝，一方面受到区域地理特征、气候水资源本底条件等自然因素的制约，另一方面受到社会、经济、科技、管理等的多方因素的影响和作用，不同区域水系统结构及水?能?碳关联关系可能存在差异。同时，节水节能、减污降碳存在复杂的非线性动态耦合关系，仍需深入解析并量化系统各个环节、各种技术之间的水?能?碳动态关系。

三、社会水循环耗能与碳排放现状

研究根据温室气体核算体系，计算了—年我国社会水循环全过程的能源消耗量和碳排放量，重点分析了不同环节、重点地区、单位水量能耗及碳排放的差异。以我国31个省级行政区（不包含港澳台）为主要研究对象，计算过程包括取水、供水、用水、排水等诸多环节，涉及不同环节、不同地区的水量、能源消耗和碳排放数据，相应数据主要来源于统计年鉴、参考文献、典型行业调查及估算等。水量数据主要来自水利部发布的《中国水资源公报》、住房和城乡建设部发布的《中国城乡建设统计年鉴》，供水及排水环节耗能与药剂投入数据主要来自中国城镇供排水协会发布的《城市供水统计年鉴》《城镇排水统计年鉴》，跨流域调水、海水淡化、“三产”用水等能耗及碳排放数据主要通过典型调查获得，具体指标和方法详见表1。值得指出的是，社会水循环受地理位置、资源条件、社会经济结构、设备技术水平等诸多因素的影响，存在明显的区域特征，因而能耗及碳排放计算精确度不可避免地受到研究尺度的影响，存在一定的不确定性。

表1数据来源及参考计算方法

（一）社会水循环各环节能耗及碳排放

我国总用水量呈现平稳波动的趋势，年、年全国总用水量分别为5.×m3、5.×m3（见表2）。年，我国社会水循环实体水耗能为1.2×kW·h，占我国能源消费量的2.5%；碳排放量为2.6×t，占我国碳排放总量的2.2%；社会水循环系统中取水、供水、用水、排水等环节的设备电气化程度较高，使得碳排放占比低于耗能占比。

表2年及年我国用水结构对比

取水、供水、用水、排水环节的碳排放量分别占社会水循环碳排放总量的4.3%、4.1%、77.7%、13.9%（见图2）。取水环节主要包括河湖提水、跨流域调水、地下水开采、海水取用等。—年，我国总取水量基本不变，跨流域调水量、海水取用量大幅增加，分别从年的1.×m3、4.×m3增加到了年的2.×m3、1.×m3，而地下水取水量减少约22%。由于不同水源取用比例的变化，取水过程的能源消耗略有增长，增幅约为12.2%。随着城镇和农村供水的规模化发展，供水管网基础设施呈现规模宏大、结构复杂的特点，与年相比，年我国供水环节的碳排放强度增加了23.2%，总耗能、碳排放量分别增加了57.8%、65.8%。

图2全国社会水循环耗能及碳排放变化（—年）

用水是整个社会水循环的最大能量消耗环节。农业是用水最多的生产部门，年农业用水量占我国总用水量的61.6%；主要受太阳能、重力势能等自然能的驱动，与水直接相关的耗能仅有灌溉用水、牲畜喂养等环节，因而碳排放强度较低。工业是第二大用水部门，近年来工业企业不断推进节水减排，工业用水呈现显著下降趋势；年的工业用水量为1.05×m3，较年下降了24.5%，用水平均碳排放量占社会水循环碳排放量的36.1%。年，我国城镇和农村生活用水合计为9.×m3，与年相比增加了21.5%。生活中的用水与用能高度相关，饮水、烹饪、清洁卫生等均存在用水耗能和器具耗水，相关的碳排放量约占社会水循环碳排放量的35%。

排水主要包括污水的收集、处理、排放以及再生水处理等环节。污水中含有大量有机物，因而在排水及污水处理有机物降解的过程中会产生碳排放，直接碳排放量约占排水环节总碳排放量的40%。年，我国城市污水排放量达6.×m3，比年增加了68.4%；我国污水处理能力也在逐年提升，年相应能力为2.1×m3/d，是年的1.3倍；由于污水处理规模增加、出水水质提高，相应碳排放量增加了2.6倍。

（二）不同环节及工艺的能源消耗、碳排放强度对比

以省份为研究单元，比较各环节及典型工艺的能源强度、碳排放强度。其中，能源强度指单位水量的能源消耗量，碳排放强度指单位水量的碳排放量。

对比发现，由于水资源本底条件及产业结构的差异，我国各地区水循环耗能及碳排放强度存在较大差异（见图3）。整体来看，取水环节的综合能源消耗及碳排放强度最小。这是由于地表水蓄水及引水工程以自流为主，该部分水量约占地表水取用量的1/2，整体削弱了取水环节的碳排放强度。供水环节的单位耗能及碳排放强度在各省份较为接近，自来水厂制水、输配水的平均耗能强度分别为0.3kW·h/m3、0.4kW·h/m3。由于供水规模差异，全国供水碳排放表现为东南部高、西北部低的空间分布状态，其中广东、江苏、山东三省的碳排放量较高（均超过9×t）。

图3社会水循环耗能及碳排放强度（年）

用水环节的“三产”碳排放强度存在显著的行业及区域差异，其中工业用水相关碳排放强度最高（约为1~6kg/m3），农业用水相关碳排放强度最小（约为0.3kg/m3）。生活用水受居民生活方式、器具差异影响显著，相关碳排放强度约为0.2~4kg/m3。从生活用水环节来看，饮食、洗浴等能耗高，受季节、个人习惯等因素的影响较大；洗浴环节用水耗能强度约为5~25kW·h/m，碳排放强度约为3.4~17.1kg/m3。污水处理工艺、排水执行标准则是影响排水环节碳排放强度的主要因素。以北京市污水处理厂的碳排放分析结果为例，厌氧?缺氧?好氧生物脱氮除磷工艺（AAO）碳排放强度较低（约为1.0kg/m3），膜生物反应器（MBR）工艺碳排放强度较高（1.8kg/m3）。年，我国排水环节碳排放平均强度相比年增加了78.6%

四、社会水循环系统低碳发展存在的问题及挑战

（一）主要环节向高耗能、高碳排放发展

随着居民生活水平的不断提高，对水质、水环境的要求也越来越高。上海、苏州、雄安新区等地相继实施高品质供水示范项目，通过臭氧活性炭和纳滤膜等深度处理工艺将自来水提升至饮用水标准。为保护水环境，各地区逐步提高污水处理厂出水水质要求，如河北保定、山东潍坊等地通过工艺改造、新建厂等方式建设高标准污水处理厂，出水主要检测指标已达到《地表水环境质量标准》（GB—）中的三类水要求。供水和排水系统水质的提高主要依靠改造、增加工艺流程或增加药剂使用，这些处理均需新增能源动力，直接增加了水系统的能耗及碳排放。以北京市污水处理系统为例，执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB—）一级B标准的污水处理厂碳排放强度约为1.09kg/m3，而执行北京市地标一级A标准的平均碳排放强度提高至1.36kg/m3。

整体来看，社会水循环系统主要环节均呈现从低能耗转向高能耗、高碳排放的发展态势。除供水、排水环节外，用水环节的低碳运行也应予以重视。近年来，现代物流不断发展，商品生产与流通逐步分离，虚拟水贸易作为缺水地区解决水资源问题的战略受到更多

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