基于碳足跡的區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型

黃顯峰，石志康，金國裕，方國華

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.昆山市水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 昆山 215300)

水環(huán)境惡化和水資源短缺問題日益突出，促使人類重視改善水環(huán)境和調(diào)整用水方式。城市用水過程中往往伴隨著大量的碳足跡[1]，增加了能源消耗和溫室氣體的排放。要解決城市發(fā)展和生態(tài)低碳之間的矛盾，需正確分析用水過程與碳排放的關(guān)系。低碳的概念在21世紀(jì)初從經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擴(kuò)展到社會發(fā)展各方面，國內(nèi)外學(xué)者也對碳足跡與水系統(tǒng)的聯(lián)系進(jìn)行了一些研究。Cucek等[2]對兩個或多個單獨(dú)足跡的復(fù)合足跡進(jìn)行評估，介紹了包括碳足跡計(jì)算器在內(nèi)的多種足跡評估工具。Smyth等[3]調(diào)查了北愛爾蘭實(shí)施家庭用水效率計(jì)劃的碳影響，發(fā)現(xiàn)減少水處理、泵送過程和生活用水供暖的碳排放能有效提高用水效率。Galli等[4]對生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡3個指標(biāo)之間的相似性和差異進(jìn)行了研究，說明這些指標(biāo)是如何相互重疊、相互作用和互補(bǔ)的。Fang等[5]選取生態(tài)足跡、能源足跡、碳足跡和水足跡作為指標(biāo)來定義足跡家族，用于評估與自然資源利用和廢物排放有關(guān)的環(huán)境影響。嚴(yán)登華等[6]基于流域自然-人工二元水循環(huán)過程提出面向生態(tài)的水資源合理配置方案。趙榮欽等[7]對區(qū)域水-土-能-碳耦合系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析了區(qū)域碳排放強(qiáng)度與水、土、能等子系統(tǒng)之間的關(guān)系。李金燕[8]通過量化區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水量，針對干旱區(qū)域的特點(diǎn)提出生態(tài)優(yōu)先的水資源合理配置模型。李健[9]以常州市為例，對城市水系統(tǒng)碳排放量核算進(jìn)行研究。

我國提出在建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的同時，實(shí)現(xiàn)與全球減排目標(biāo)相適應(yīng)的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展路徑[10-11]?？紤]碳排放因素的水資源配置是解決城市水資源問題的一種嘗試。為了緩解區(qū)域水資源供需矛盾，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，需要對低碳目標(biāo)下的水資源配置進(jìn)行研究。本文以減少區(qū)域水資源供用水過程的碳排放和提高區(qū)域水資源利用效率為目標(biāo)，構(gòu)建基于碳足跡的區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型，旨在為城市低碳可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 水資源系統(tǒng)碳足跡測算

1.1 對象識別

確立區(qū)域碳排放、碳吸收與水資源配置的關(guān)系，是基于碳足跡的區(qū)域水資源配置模型構(gòu)建的關(guān)鍵。綜合考慮供用水過程中的碳足跡，以每個配置對象在各個過程中碳的凈排放量為依據(jù)，識別碳源與碳匯[12]，其中碳源過程包括水源取水過程、水廠處理過程、供水管網(wǎng)輸水過程和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水過程，碳匯過程包括生態(tài)系統(tǒng)用水過程和再生水回用過程。

1.2 碳足跡測算模型

由水源取水過程、水廠處理過程、供水管網(wǎng)輸水過程、用水戶用水過程和再生水回用過程構(gòu)建碳足跡測算模型：

C=C1+C2+C3+C4-C5

(1)

其中C1=c1q1Q1C2=c1q2Q2C3=c1q3Q3

C4=c2Q4-c3Q5C5=c4Q6

式中：c1為單位電能的碳排放因子；q1為單方取水的耗電量；Q1為取水量；q2為處理單方水的耗電量；Q2為處理水量；q3為輸送單方水的耗電量；Q3為輸水量；c2為社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)單方水的碳排放系數(shù)；c3為生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)單方水的碳吸收系數(shù)；Q4為社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水量；Q5為生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)用水量；c4為使用單方再生水而減少的碳排放量；Q6為再生水使用量。

2 模型構(gòu)建

2.1 總體思路

傳統(tǒng)水資源配置模型一般以社會公平和經(jīng)濟(jì)高效為目標(biāo)[13]，而基于碳足跡的區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型通過合理壓縮社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水量，制定科學(xué)合理的水資源可持續(xù)利用發(fā)展規(guī)劃和行業(yè)水資源分配方案與供用水方案，來達(dá)到低碳發(fā)展的目標(biāo)。

2.2 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

a. 目標(biāo)函數(shù)。以一定供水條件下配置單元缺水率和碳凈排放量最小為目標(biāo)，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)f：

f={f1(x),f2(x)}

(2)

式中：f1(x)為單元缺水率函數(shù)，f2(x)為單元碳凈排放量函數(shù)；xm,db為計(jì)算單元m水源b供給用水戶d的水量；Qm,d為規(guī)劃水平年計(jì)算單元m用水戶d的需水量；Cm,d為計(jì)算單元m用水戶d使用單方水的碳排(碳吸)系數(shù)；M、D、B分別為計(jì)算單元數(shù)、用水戶數(shù)、水源數(shù)。

b. 約束條件?；谔甲阚E的區(qū)域水資源優(yōu)化配置約束主要考慮水源供水約束、碳排放約束、引提水量約束、生態(tài)需水量約束、最小供水保證率約束和非負(fù)約束，表達(dá)式為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

xm,db≥0

(8)

2.3 模型求解

3 實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)概況

豐縣位于江蘇省西北部，屬于江蘇省徐州市，處于蘇豫魯皖4省交界處。豐縣易澇易旱，全縣年均降水量少且年內(nèi)年際時空分布不均，屬典型的資源型缺水地區(qū)，也兼有工程型缺水和水質(zhì)型缺水問題，全縣用水無法得到保證。2018年，徐州市政府制定《徐州市“十三五”控制溫室氣體排放實(shí)施方案》，要求在“十三五”期間豐縣單位GDP碳排放強(qiáng)度下降24.72%。因此，對豐縣規(guī)劃年的水資源進(jìn)行低碳目標(biāo)的優(yōu)化配置勢在必行。

《豐縣水資源規(guī)劃》中根據(jù)區(qū)域地形地貌、耕地情況、供水水源等情況的類似性和差異性，按流域?qū)⒇S縣劃分為復(fù)新河分區(qū)、苗城河分區(qū)、大沙河分區(qū)及鄭集南支河分區(qū)共4片。到2030年，規(guī)劃豐縣自來水廠規(guī)模擴(kuò)建至30萬m3/d，工業(yè)地表水廠規(guī)模擴(kuò)建至25萬m3/d，復(fù)興河分區(qū)豐縣再生水廠總規(guī)模擴(kuò)建至6萬m3/d。翻水線兩條:南線范樓閘規(guī)劃新增翻水能力至35 m3/s，水源來自微山湖；北線李樓站翻水能力提高到35 m3/s，水源來自昭陽湖。豐縣未來水平年供水系統(tǒng)配置網(wǎng)絡(luò)見圖1。

圖1 豐縣未來水平年供水系統(tǒng)配置網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.2 決策變量設(shè)定

根據(jù)豐縣供水現(xiàn)狀和《豐縣水資源規(guī)劃》，豐縣2030年生活用水全部來自徽山湖；農(nóng)業(yè)用水大部分來自邵陽湖以及徽山湖，主要是依靠南北兩條調(diào)水線路從外地調(diào)水；工業(yè)用水主要來源于本地水以及徽山湖引水；第三產(chǎn)業(yè)用水主要來源于本地水；生態(tài)用水主要是依靠本地水及再生水。

3.3 模型建立

豐縣可劃分為4個計(jì)算單元，每個單元分為生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生態(tài)5個用水戶。由于取水、處理和供水過程中損失的水量占比很小，可忽略不計(jì)，且取水、水處理和供水過程均由水廠負(fù)責(zé)，故供應(yīng)單方水的耗電量可由水廠統(tǒng)一折算，則可確立各目標(biāo)函數(shù)：

f1(x)=

(9)

f2(x)=min[g1(x)-g2(x)+g3(x)-g4(x)]

(10)

式中：g1(x)為水廠供水過程產(chǎn)生的碳排放量；g2(x) 為再生水回用而減少的碳排放量；g3(x)為社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水戶的碳排放量；g4(x)為生態(tài)系統(tǒng)用水戶的碳吸收量。

根據(jù)國家生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對氣候變化司《2017年度減排項(xiàng)目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》，華東地區(qū)單位電能碳排因子c1為0.804 6 t/(MW·h)；根據(jù)豐縣自來水廠年供水量和年耗電量，計(jì)算得供應(yīng)單方水的耗電量qd取值為0.24 (kW·h)/m3；根據(jù)LCWRA模型[18]，對于豐縣地區(qū)，社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)單方水碳排放系數(shù)c2和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)單方水碳吸收系數(shù)c3的均值取為7.7 kg/m3、2.2 kg/m3；使用單方再生水減少的碳排放量c4由qd和c1換算得0.193 1 kg/m3。

3.4 模型求解

徐州市豐縣水資源常規(guī)配置情況下，根據(jù)經(jīng)濟(jì)、社會及人口發(fā)展情況對2030年需水情況進(jìn)行預(yù)測。生活需水分為城鎮(zhèn)生活需水和農(nóng)村生活需水，均采用定額法進(jìn)行預(yù)測；生產(chǎn)需水量分為農(nóng)業(yè)需水、工業(yè)需水和第三產(chǎn)業(yè)需水，其中農(nóng)業(yè)需水根據(jù)農(nóng)林牧漁畜業(yè)發(fā)展規(guī)劃中的預(yù)測數(shù)量，采用定額法進(jìn)行預(yù)測；工業(yè)需水考慮到收集實(shí)際資料的難度，采用萬元工業(yè)增加值法對規(guī)劃年工業(yè)需水量進(jìn)行預(yù)測，第三產(chǎn)業(yè)需水采用萬元增加值用水量法進(jìn)行預(yù)測；生態(tài)需水包括河道內(nèi)生態(tài)需水、濕地生態(tài)需水和城鎮(zhèn)綠地需水三部分，河道內(nèi)生態(tài)需水采用Q90法預(yù)測，即90%頻率下最小月平均凈流量，濕地生態(tài)需水可借鑒相關(guān)研究成果預(yù)測，城鎮(zhèn)綠地需水采用定額法預(yù)測。考慮豐縣供水現(xiàn)狀，結(jié)合《豐縣水資源規(guī)劃》中的規(guī)劃工程進(jìn)行供水量補(bǔ)充計(jì)算。豐縣2030年常規(guī)水資源配置供需平衡分析結(jié)果見表1。

根據(jù)豐縣未來水平年供水配置網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算得到豐縣2030年50%保證率下各水源地可供水量，其中徽山湖14 206萬m3，邵陽湖13 312萬m3，本地水9 284萬m3，再生水2 190萬m3，合計(jì)38 992萬m3?；诘吞寄繕?biāo)合理預(yù)測需水量，通過邵陽湖和徽山湖調(diào)水增容，再生水廠增加向苗城河分區(qū)、大沙河分區(qū)和鄭集南支河分區(qū)供水，運(yùn)用基于碳足跡的區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型，求得低碳目標(biāo)下的水資源配置方案。常規(guī)水資源配置方案(方案1)和低碳水資源配置(方案2)對比分析見表1。

表1 豐縣2030年水資源供需平衡分析結(jié)果(P =50%)

與常規(guī)水資源配置方案相比，需水總量降低871萬m3，其中生活和生產(chǎn)需水量分別降低 1 209萬m3、2 747萬m3，生態(tài)需水量增加3 085萬m3。供水量增加1 696萬m3，主要來自邵陽湖和徽山湖的調(diào)水增容。缺水量減少2 567萬m3，缺水率降低6.2%。碳排放量和碳的凈排放量分別減少了 0.93萬t 和1.58萬t，預(yù)期可實(shí)現(xiàn)碳減排5.8%。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，缺水量集中在生態(tài)和生產(chǎn)需水，這是由于生態(tài)用水的碳匯效益低于生產(chǎn)用水的碳源效益，減少大量的生產(chǎn)用水用于生態(tài)系統(tǒng)，不利于缺水率的降低，低碳水資源配置方案通過合理預(yù)測需水量、增加供水量和優(yōu)化供水方案對缺水率和碳減排進(jìn)行了平衡?？梢姡谔甲阚E的區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型對于緩解豐縣水資源供需矛盾，提高用水效率，達(dá)成節(jié)能減排目標(biāo)有著顯著的幫助。

3.5 提高豐縣水資源利用率、減少碳排放的建議

a. 調(diào)水增容。目前豐縣已有南北兩條調(diào)水線路，為進(jìn)一步改善水源條件，建議實(shí)施兩線增容工程建設(shè)。在國家南水北調(diào)東線工程實(shí)施的基礎(chǔ)上，南線增容在范樓、梁寨兩處增建閘站，保障豐縣的工農(nóng)業(yè)用水；北線調(diào)水工程增容改建李樓站、袁莊閘站、王梨園閘站等骨干河道上的控制性工程，提高引提水能力；同時疏浚相應(yīng)過水河道，更新改造骨干翻水站。

b. 區(qū)域供水工程建設(shè)。南水北調(diào)東線一期工程建成通水后，豐縣調(diào)水能力提高，凈供水量明顯增加。建議以微山湖為水源，建設(shè)地面水廠，實(shí)施區(qū)域供水工程建設(shè)，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)施配套建設(shè)。

c. 應(yīng)急備用水源工程與清水廊道工程建設(shè)。建議在大沙河備用水源地建設(shè)備用取水口，實(shí)施水源地生態(tài)保護(hù)及修復(fù)工程，水質(zhì)預(yù)警在線監(jiān)測，建設(shè)大沙河、沙支河、豐徐河清水廊道工程，在經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)建設(shè)再生水處理廠，實(shí)施再生水回用工程，增鋪雨污管網(wǎng)。

d. 加快發(fā)展非化石能源，優(yōu)化利用化石能源。推進(jìn)生物質(zhì)能利用，積極實(shí)施城市生活垃圾的資源化利用，建設(shè)清潔高效的垃圾焚燒和填埋氣發(fā)電工程。優(yōu)化工業(yè)能源利用結(jié)構(gòu)，鼓勵工業(yè)企業(yè)以天然氣替代煤炭、柴油、燃料油；優(yōu)化交通能源利用結(jié)構(gòu)，建立完善通氣設(shè)施；優(yōu)化居民能源利用結(jié)構(gòu)，全面消除民用散煤。

e. 加快發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)，增加生態(tài)系統(tǒng)碳匯。結(jié)合豐縣實(shí)際，合理選用間歇滴灌、深水灌溉等技術(shù)，保護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)，建立和完善濕地保護(hù)管理體系，建設(shè)生態(tài)文明教育基地，完善修復(fù)濕地公園生態(tài)系統(tǒng)，增強(qiáng)濕地儲碳能力。

4 結(jié) 語

碳足跡測算模型中對于社會經(jīng)濟(jì)用水與碳排放、生態(tài)環(huán)境用水與碳吸收之間的關(guān)系還需進(jìn)一步研究，同時在水循環(huán)過程中碳排放的度量還需進(jìn)一步細(xì)化和完善，從而更全面地反映水資源配置過程中碳足跡的變化。