城市水系統(tǒng)水—能關(guān)系研究進(jìn)展

李 璐，陳遠(yuǎn)生 ，何希吾，顧定法

（1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，100101,北京；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，100049，北京）

城市的給水排水是高能耗行業(yè)，如果進(jìn)一步從城市水系統(tǒng)整體來(lái)考慮，研究城市水系統(tǒng)的水—能關(guān)系，計(jì)算水源開(kāi)發(fā)、供水、用水、排水等城市水系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的能耗，則城市與水資源開(kāi)發(fā)利用有關(guān)的能源消耗將更加凸顯。而隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，未來(lái)我國(guó)城市水系統(tǒng)的規(guī)模和能耗還將進(jìn)一步增大。

由全球性氣候變化導(dǎo)致的水資源不確定性的增加將加劇我國(guó)水資源分配不均和短缺的狀況。為保障城市供水安全，新的水源工程以及大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水工程的修建將成為重要的應(yīng)對(duì)措施之一，這也將導(dǎo)致城市供水成本的進(jìn)一步增加，尤其是水系統(tǒng)能源消耗的增加。

本文的水系統(tǒng)指的是城市人工水系統(tǒng)，包括與城市水資源開(kāi)發(fā)利用有關(guān)的水源取水、供水、輸水、用水、排水、污水處理與回用等環(huán)節(jié)。除了各個(gè)環(huán)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施的建造需要消耗大量的物資和能源之外，水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中也需要大量的能源投入，例如城市供水管網(wǎng)的輸配水能耗，污水處理廠進(jìn)行污水處理的能耗等。在城市水系統(tǒng)巨大能源消耗的背后是可觀的碳排放。在我國(guó)，已有研究和經(jīng)驗(yàn)表明給排水行業(yè)是城市的用電大戶(hù)，目前我國(guó)大多數(shù)供水企業(yè)的平均耗電量占總制水成本的20%~30%，城市水系統(tǒng)運(yùn)行中的碳排放不容忽視。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于城市水系統(tǒng)的復(fù)雜性，水系統(tǒng)的水—能關(guān)系研究涉及眾多方面。目前，城市水系統(tǒng)水—能關(guān)系領(lǐng)域的研究多數(shù)是單獨(dú)針對(duì)水系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)的研究，如水廠、污水處理廠、高樓供水等的能耗研究；這些研究是水系統(tǒng)能耗研究的基礎(chǔ)，但還達(dá)不到系統(tǒng)的層面，系統(tǒng)研究十分缺乏。本文側(cè)重從系統(tǒng)層面介紹城市水系統(tǒng)水—能關(guān)系的研究進(jìn)展。

1.國(guó)外研究進(jìn)展

城市水系統(tǒng)水—能關(guān)系研究是近年才興起的一個(gè)研究方向。2000—2008年陸續(xù)出現(xiàn)了一系列關(guān)于城市水系統(tǒng)水—能關(guān)系的研究專(zhuān)著和報(bào)告，其后兩年更多組織開(kāi)始關(guān)注和研究這一熱點(diǎn)問(wèn)題。

2000年，Wilkinson建立了計(jì)算水系統(tǒng)能源強(qiáng)度和能源總需求的模型，并首先在其專(zhuān)著中計(jì)算了美國(guó)加州地區(qū)水系統(tǒng)的能源強(qiáng)度，分析了水資源有效利用對(duì)節(jié)能的潛在效用。Wilkinson的方法是按照城市水系統(tǒng)水源取水、供水、配給、污水處理的開(kāi)發(fā)利用順序，分析每個(gè)環(huán)節(jié)相關(guān)的工程、工廠及設(shè)施的能耗情況、能耗影響因素和將來(lái)可能發(fā)生的變化，計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)的能源消耗，最后匯總得到整個(gè)水系統(tǒng)的能源強(qiáng)度（單位體積/質(zhì)量的水所消耗的總能量）和該地區(qū)水系統(tǒng)的總能源需求。Wilkinson還在此方法基礎(chǔ)上建立了一個(gè)工作表格，把它與地理信息系統(tǒng)耦合，以實(shí)現(xiàn)可視化輸出。Wilkinson的研究是系統(tǒng)論述一個(gè)地區(qū)水系統(tǒng)水—能關(guān)系的較早且具有代表性的研究，這種從水系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)具體設(shè)施的能耗研究整個(gè)系統(tǒng)由下至上的能耗分析方法，成為之后許多研究普遍采用的方法。

2004年，美國(guó)自然資源保護(hù)委員會(huì)和太平洋研究所的Ronnie Cohen和Gary Wolff等改進(jìn)了Wilkinson構(gòu)建的水系統(tǒng)能源強(qiáng)度計(jì)算模型，并在地區(qū)尺度上加以應(yīng)用，詳細(xì)論述了加州三個(gè)地區(qū)水系統(tǒng)的水—能關(guān)系。他們?cè)赪ilkinson的模型中加入了 “水的終端使用”環(huán)節(jié)，計(jì)算了研究區(qū)城市用水的能源消耗、農(nóng)業(yè)用水的能源消耗以及水電的能源消耗，分析了水系統(tǒng)能耗的影響因素。研究結(jié)果表明：①城市終端用水的能源強(qiáng)度占水系統(tǒng)總體能源強(qiáng)度的50%以上，水在終端使用過(guò)程中的能耗大于輸水和水處理的能耗，因此減少用水能夠節(jié)約大量能源；②再生水是高能效的水源，不論是城市用水還是農(nóng)業(yè)用水，污水處理再利用的能源強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于從已有的任一水源取水的能源強(qiáng)度；③水系統(tǒng)能源強(qiáng)度的影響因素（除相關(guān)工藝水平外）主要有水源類(lèi)型、抽水井埋深、輸水距離、終端熱水使用情況、水質(zhì)指標(biāo)等；④水資源和能源的綜合規(guī)劃蘊(yùn)含著巨大的節(jié)能潛力。

2006年，Podolak和Tracy等研究了美國(guó)愛(ài)達(dá)荷州市政供水系統(tǒng)的水—能關(guān)系。他們采用了Pelli和Hitz的供水能耗指數(shù)方法，根據(jù)地形高差利用水力學(xué)公式計(jì)算水廠到用戶(hù)的輸水能耗，并結(jié)合Gummerman在水廠水處理能耗方面研究的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了愛(ài)達(dá)荷州各個(gè)供水系統(tǒng)及各個(gè)城鎮(zhèn)供水的能耗。但是這一研究?jī)H考慮供水端能耗，即水源取水和輸送、水處理和管網(wǎng)配給的能耗，而沒(méi)有包含終端使用和污水處理方面的能耗，因此其研究成果只能反映水系統(tǒng)供水端的水—能關(guān)系。

同年，美國(guó)能源部向國(guó)會(huì)提交了一份水資源和能源相互依賴(lài)性的專(zhuān)題報(bào)告，論述了美國(guó)水系統(tǒng)的能源消耗問(wèn)題，其觀點(diǎn)主要是來(lái)自美國(guó)電力研究所（EPRI）在《水與可持續(xù)性》第四卷——《下半個(gè)世紀(jì)美國(guó)水供應(yīng)和處理的能源消耗》中的研究成果。2002年，EPRI發(fā)布了《水與可持續(xù)性》的研究專(zhuān)著，其中第四卷分析了美國(guó)當(dāng)年供水和污水處理的能耗，預(yù)測(cè)了2050年的相應(yīng)能耗，并第一次按經(jīng)濟(jì)部門(mén)分別計(jì)算了供水和污水處理能耗。

2008年，Kenway等人應(yīng)用Ronnie Cohen等人改進(jìn)的Wilkinson模型方法調(diào)查分析了澳大利亞悉尼、墨爾本、布里斯班等7個(gè)城市水系統(tǒng)的能耗狀況。他們?cè)趯?duì)公共供水公司能源消費(fèi)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了各個(gè)城市給水處理和配給、污水處理和配給以及家庭熱水使用相關(guān)的能耗與相應(yīng)的溫室氣體排放量，并應(yīng)用情景分析的方法預(yù)測(cè)了高、中、低三種生活用水水平下2030年研究區(qū)域給排水設(shè)施運(yùn)行的能耗和家庭熱水使用的能耗。其結(jié)論主要有：2006年研究區(qū)水資源供應(yīng)和消費(fèi)的總能耗約為2.8億kWh，占其總能耗的1.5%；其中，區(qū)域公共供水和污水處理設(shè)施的能耗占總能耗的0.2%。對(duì)于每個(gè)城市而言該比例存在著較大區(qū)別，主要原因在于人均需水量和水處理工藝及要求的不同；家庭熱水的能耗占總能耗的1.3%，如果家庭熱水使用量減少15%，那么所節(jié)約的能源就能夠補(bǔ)償公共給排水設(shè)施的總能耗。Kenway等人的研究結(jié)論再次凸顯了家庭用水——水資源終端消費(fèi)環(huán)節(jié)對(duì)于整個(gè)水系統(tǒng)的能耗有著重要影響，且存在巨大的節(jié)水和節(jié)能潛力。

2009年，Wendy Wilson在水系統(tǒng)能耗分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算了水系統(tǒng)的碳排放。Wilson在《水的碳足跡》的研究報(bào)告中根據(jù)美國(guó)各個(gè)經(jīng)濟(jì)部門(mén)的用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，把各種水源的供給能源強(qiáng)度、污水處理廠的能源強(qiáng)度乘以相應(yīng)的用水量，再加上住宅和商業(yè)用水的能耗，得出了全美國(guó)水資源利用的總能耗；在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了美國(guó)水資源利用有關(guān)的總碳排放量——美國(guó)水資源的碳足跡。主要結(jié)論有：美國(guó)2005年與水相關(guān)的能源消耗至少為5 210億kWh，是美國(guó)當(dāng)年電能消費(fèi)總量的13%；相應(yīng)的碳排放量約為2.9億t，占美國(guó)碳排放總量的5%等。報(bào)告最后總結(jié)分析了低影響發(fā)展（low impact development）、提高終端用水效率等技術(shù)方法或管理措施帶來(lái)的節(jié)水效果與相應(yīng)的節(jié)能減排效應(yīng)。

2010年，Retamal等人從全球環(huán)境變化的角度探討了城市供水能耗問(wèn)題。他們指出通過(guò)增加水的供給能力以應(yīng)對(duì)干旱和氣候變化的供給側(cè)思想傾向會(huì)加大給排水部門(mén)的能耗及溫室氣體的排放量，并最終作用于長(zhǎng)期的氣候變化，從而形成干旱—高能耗的水系統(tǒng)—城市能源需求增加—化石燃料消耗量增加—溫室氣體排放增加—?dú)夂蜃兓珊颠@一惡性循環(huán)。而只有深入研究水系統(tǒng)的水—能關(guān)系，通過(guò)利用綜合資源規(guī)劃方法（Integrated Resources Planning）把能耗因素納入到水資源規(guī)劃和管理中，才可能實(shí)現(xiàn)水—能源—?dú)夂虻牧夹匝h(huán)。

另外，美國(guó)“河網(wǎng)”組織于2009年10月26日舉辦了主題為“節(jié)約用水，節(jié)約能源：應(yīng)對(duì)氣候變化和保護(hù)河流的綜合方法”的研討會(huì)，其主要議題就是水—能、節(jié)水和節(jié)能的關(guān)系。相信隨著全球氣候變化導(dǎo)致的水資源供給不穩(wěn)定性加劇以及能源緊缺，該領(lǐng)域?qū)?huì)成為未來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

2.國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)對(duì)于該領(lǐng)域的相關(guān)研究大多還停留在水泵機(jī)組能效、泵站工程、給水或污水處理能耗等方面，屬于水系統(tǒng)中單個(gè)環(huán)節(jié)的能耗研究，缺乏針對(duì)城市或區(qū)域?qū)用娴乃到y(tǒng)整體水—能關(guān)系的研究，對(duì)水在終端消費(fèi)環(huán)節(jié)的能耗研究也基本處于空白狀態(tài)。這種情況的產(chǎn)生主要是由于過(guò)去對(duì)給排水能耗的研究多是從企業(yè)成本角度出發(fā)，目的是提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，沒(méi)有從城市節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的角度關(guān)注城市水資源開(kāi)發(fā)利用的能耗。

Cheng Lichen在對(duì)臺(tái)灣城市居民用水能耗的研究中分析了臺(tái)灣的水—能關(guān)系。Cheng首先根據(jù)能量守恒原理建立了樓房加壓供水所需要消耗的能量計(jì)算公式，然后根據(jù)家庭洗浴用熱水和沸水的比例，估算了家庭熱水使用的能耗，再對(duì)城市水供應(yīng)系統(tǒng)中的水處理廠、供水站和廢水處理廠的單位能耗進(jìn)行了核算，最后對(duì)上述三個(gè)方面的能耗進(jìn)行合并，得到了臺(tái)灣居民生活用水的總能源強(qiáng)度是6.5 kWh/m3的結(jié)論。但是，Cheng Lichen對(duì)家庭水資源終端消費(fèi)過(guò)程的能耗研究過(guò)于簡(jiǎn)單化，僅根據(jù)家庭洗浴用水和飲用熱水的經(jīng)驗(yàn)比例來(lái)計(jì)算家庭用水過(guò)程中的能耗，忽略了盥洗、刷碗等其他用水項(xiàng)目的能耗，因此6.5 kWh/m3應(yīng)低于實(shí)際家庭用水的能源強(qiáng)度。同時(shí)，文章也缺乏對(duì)家庭節(jié)水設(shè)備、家庭類(lèi)型以及用水結(jié)構(gòu)對(duì)家庭用水能耗影響的進(jìn)一步分析。

另外，Kahrl和 Roland-Host對(duì)中國(guó)整體的水—能關(guān)系進(jìn)行了研究。他們根據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和水利部公布的用電和用水?dāng)?shù)據(jù)以及中國(guó)的投入產(chǎn)出表，計(jì)算出了我國(guó)非農(nóng)業(yè)用水對(duì)應(yīng)的單位能耗。該方法與前文所述的采用逐步分析方法的研究不同，是應(yīng)用投入產(chǎn)出模型，計(jì)算水資源產(chǎn)品和供給的能耗。該研究指出目前中國(guó)非農(nóng)業(yè)供水的能耗占中國(guó)總能耗的比例較小，但是，隨著中國(guó)水處理能力的提高和水利設(shè)施的增加（如南水北調(diào)等），該比例會(huì)不斷增大。

二、討論與展望

整體來(lái)看，城市水系統(tǒng)水—能關(guān)系研究還處于起步階段?，F(xiàn)有研究在研究方法上可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是通過(guò)分析、計(jì)算水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（如圖1所示）的能源強(qiáng)度掌握某一特定水系統(tǒng)的能源消耗情況，這種方法可稱(chēng)之為過(guò)程分析法，其優(yōu)點(diǎn)在于它能針對(duì)一個(gè)特定的水系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，分析水系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗和影響因素。另一類(lèi)是通過(guò)投入產(chǎn)出表計(jì)算各行業(yè)（包含水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)）的能源投入，屬于經(jīng)濟(jì)學(xué)上的投入—產(chǎn)出分析法。投入產(chǎn)出法能提供宏觀結(jié)果，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的分析，但是該方法受限于統(tǒng)計(jì)資料，不能針對(duì)特定的水系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。目前，大多數(shù)水系統(tǒng)水—能關(guān)系研究采用的是過(guò)程分析方法。

在研究?jī)?nèi)容上，水系統(tǒng)水—能關(guān)系的研究可以歸納為三個(gè)遞進(jìn)的層面，第一個(gè)層面就是水系統(tǒng)五大環(huán)節(jié)和水系統(tǒng)總體的能源強(qiáng)度研究；第二個(gè)層面是城市水系統(tǒng)的能源需求量研究；第三個(gè)層面是城市水系統(tǒng)的碳排放與節(jié)能減排研究，具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2是在總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上提出的城市水系統(tǒng)水—能關(guān)系研究的概念框架。在概念框架中，城市水系統(tǒng)的能源強(qiáng)度研究是其他研究的基礎(chǔ)，在該基礎(chǔ)之上，分析水源類(lèi)型和條件、水處理工藝、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等各種影響因子對(duì)能源強(qiáng)度的影響程度和影響機(jī)制，以期掌握造成不同區(qū)域或各個(gè)水系統(tǒng)能源強(qiáng)度差異的原因，從而有助于節(jié)能型城市水系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理。然后，結(jié)合城市用水水平可以計(jì)算城市水系統(tǒng)的能源消耗總量，通過(guò)對(duì)比分析歷史用水?dāng)?shù)據(jù)和不同時(shí)期的城市水資源管理實(shí)踐所對(duì)應(yīng)的能源消耗量，能夠揭示城市水系統(tǒng)能耗隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，以及不同水資源管理策略對(duì)水系統(tǒng)能耗的影響。最后，可以計(jì)算城市水系統(tǒng)的碳排放量，分析節(jié)能減排的途徑。

從目前的研究情況來(lái)看，不論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)于水在終端使用過(guò)程中的能耗特征都缺乏深入、全面的研究，而這一環(huán)節(jié)的能源強(qiáng)度實(shí)際上超過(guò)了其他所有環(huán)節(jié)的能源強(qiáng)度，在這一環(huán)節(jié)節(jié)約用水將有可能以最小的成本帶來(lái)最大的節(jié)水節(jié)能效應(yīng)，這也是需求側(cè)管理思想的核心。因此，水系統(tǒng)水—能關(guān)系未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在水資源的終端消費(fèi)領(lǐng)域，探討家庭、行業(yè)節(jié)水與節(jié)能的相互關(guān)系，從而通過(guò)需水管理達(dá)到水資源和能源的可持續(xù)利用，促進(jìn)城市節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展。

[1]汪恕誠(chéng).中國(guó)水資源安全問(wèn)題及對(duì)策[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010(9).

[2]邵益生.城市水系統(tǒng)控制與規(guī)劃原理[J].城市規(guī)劃，2004(10).

[3]Bevan Griffiths-Sattenspiel,Wendy Wilson.The Carbon Footprint of Water[R].U.S.:River Network,2009.

[4]Robert C.Wilkinson.Methodology for Analysis of the Energy Intensity of California’s Water Systems,and an Assessment of Multiple Potential Benefits through Integrated Water-Energy Efficiency Measures[M].Santa Barbara,CA:University of California,Environmental Studies Program,2000.

[5]Ronnie Cohen,Barry Nelson,Gary Wolff.Energy Down the Drain-The Hidden Costs of California’s Water Supply[R].Oakland,california:Natural Resources Defense Council,2004.

[6]王圃，龍騰銳，陸柯，等.城市給水處理廠能耗進(jìn)展研究[J].給水排水，2005(1).

[7]高旭，龍騰銳，郭勁松.城市污水處理能耗能效研究進(jìn)展[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002(6).

[8]楊凌波，曾思育，鞠宇平，等.我國(guó)城市污水處理廠能耗規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析與定量識(shí)別[J].給水排水，2008(10).

[9]Fredrich Kahrl,David Roland-Holst.China’s water-energy nexus[J].Water Policy,2008(10).