碳中和背景下的水資源利用與保護(hù)

張 茹，樓晨笛，張澤天*，黃曉榮，謝 晶，郝齊鈞，張嵐斌，李怡航，劉小玲

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

近現(xiàn)代人類利用自然、改造自然的步伐逐漸加快，對(duì)地球資源和環(huán)境的開發(fā)和利用也日趨升級(jí)，部分國(guó)家和地區(qū)開發(fā)利用程度已接近該地資源環(huán)境承載能力極限[1-2]。全球人類生存和可持續(xù)發(fā)展面臨氣候變暖、環(huán)境污染、資源匱乏等諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中，全球變暖是諸多挑戰(zhàn)中最受重視的氣候變化問題之一，也直接決定和影響著人類未來的生存空間和活動(dòng)方式。

為此，2015年《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第21次締約方舉行世界氣候大會(huì)并簽署《巴黎協(xié)定》，旨在通過全球共同努力，將全球未來升溫控制在2 ℃以下，避免溫升造成全球性洪澇、水短缺等災(zāi)害[3]。作為締約國(guó)之一，中國(guó)在2020年第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上向世界鄭重宣布：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”為應(yīng)對(duì)全球氣候變化問題貢獻(xiàn)中國(guó)力量和中國(guó)方案。

事實(shí)上，地球環(huán)境系統(tǒng)受控于多個(gè)重要的循環(huán)過程，其中以碳循環(huán)與水循環(huán)尤為重要，且兩者不可避免地交疊并相互影響，相輔相成又相互制約[4-6]。實(shí)現(xiàn)碳中和，其實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)人類活動(dòng)的二氧化碳排放量“收支相抵”，而實(shí)現(xiàn)零排放碳循環(huán)過程則需要高效水循環(huán)過程的輔助和支撐。眾所周知，水是生命之源、生態(tài)之基、生產(chǎn)之要[7]。實(shí)現(xiàn)水資源有效保護(hù)與利用，事關(guān)國(guó)家安全和民族振興，是國(guó)家推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)低碳技術(shù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，應(yīng)對(duì)全球氣候變化，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。然而，如何通過實(shí)現(xiàn)水資源安全高效利用與保護(hù)，助力碳中和戰(zhàn)略實(shí)施，成為未來較長(zhǎng)時(shí)期人類必須面對(duì)和解決的核心科技難題。

圍繞“碳中和、碳達(dá)峰”國(guó)家戰(zhàn)略需求，深入推進(jìn)水資源利用與保護(hù)理念和技術(shù)革新，不僅可助力長(zhǎng)江黃河等重要流域保護(hù)、推進(jìn)國(guó)家水資源利用重大戰(zhàn)略工程實(shí)踐（如國(guó)家水網(wǎng)、雅魯藏布江下游水電開發(fā)等），還可促進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和“3060”目標(biāo)（中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和）、完成國(guó)家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展重大戰(zhàn)略目標(biāo)。因此，當(dāng)前亟需針對(duì)碳中和背景下水資源利用與保護(hù)的戰(zhàn)略趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示水資源合理利用與保護(hù)對(duì)碳中和戰(zhàn)略實(shí)施的促進(jìn)機(jī)制，明確未來水資源利用與保護(hù)的革新發(fā)展方向和技術(shù)思路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳中和背景下中國(guó)水資源利用與保護(hù)理論和技術(shù)的跨越式發(fā)展。

1 碳中和背景下的水資源利用與保護(hù)戰(zhàn)略發(fā)展趨勢(shì)

1.1 水資源利用與保護(hù)歷史回顧

縱觀世界發(fā)展過程，人類對(duì)水資源的開發(fā)利用與保護(hù)大致可劃分為3個(gè)階段：?jiǎn)我焕秒A段、綜合利用階段和可持續(xù)階段[8-9]。前兩個(gè)階段主要為水資源開發(fā)利用階段，第3個(gè)階段在水資源開發(fā)利用的同時(shí)也重點(diǎn)關(guān)注了水資源保護(hù)問題。

水資源利用與保護(hù)1.0時(shí)代為單一利用階段，從人類社會(huì)出現(xiàn)至19世紀(jì)中后期。該階段水資源開發(fā)利用的目標(biāo)單一，以滿足生活需求和防患洪澇災(zāi)害為主。在這一階段，水資源可利用量遠(yuǎn)大于水資源需求量，但利用水資源的措施簡(jiǎn)單、方式原始，水資源利用率低。隨著社會(huì)發(fā)展，單一利用水資源的模式逐漸不能滿足人類各方面的需求，人類對(duì)水資源的利用有了更高的要求。

水資源利用與保護(hù)2.0時(shí)代為綜合利用階段，從19世紀(jì)中后期至20世紀(jì)中后期。該階段水資源開發(fā)利用由單一目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄繕?biāo)的綜合利用，包括灌溉、發(fā)電、防洪、供水、航運(yùn)、旅游等[10]。在這一階段水資源可利用量與水資源需求量逐漸趨于平衡，水資源利用技術(shù)有了極大發(fā)展，水資源利用率有了很大提高。但該階段對(duì)水資源肆無(wú)忌憚、近乎掠奪性的開發(fā)利用產(chǎn)生了環(huán)境污染、生態(tài)破壞等嚴(yán)重后果[11-12]，且由于工業(yè)革命時(shí)期大量化石燃料的燃燒，大氣中的CO2含量逐漸增加，多種問題同時(shí)出現(xiàn)迫使合理利用水資源成為新發(fā)展趨勢(shì)。

水資源利用與保護(hù)3.0時(shí)代為可持續(xù)階段，從20世紀(jì)中后期至今。該階段單純的水資源開發(fā)利用轉(zhuǎn)變?yōu)樗Y源利用、保護(hù)與管理有機(jī)結(jié)合[13-14]。為了實(shí)現(xiàn)水資源的利用與保護(hù)，采取了大量直接或間接的措施，如提高水資源利用效率和重復(fù)利用率、開發(fā)利用雨、洪水、人工補(bǔ)給地下水資源、建立水資源管理體制等[15]。在這一階段，人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)水資源的需求量急劇增加，碳排放量也持續(xù)增加，雖然發(fā)展了許多節(jié)水技術(shù)、低碳技術(shù)且取得了一定成效，但水資源短缺問題仍較為顯著[16]。

當(dāng)下水資源危機(jī)與碳中和目標(biāo)兩大難題同時(shí)作用，水資源利用與保護(hù)將進(jìn)入4.0時(shí)代，呈現(xiàn)新的戰(zhàn)略發(fā)展趨勢(shì)，基于水資源利用與保護(hù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)對(duì)新形勢(shì)下的挑戰(zhàn)迫在眉睫。

1.2 水資源利用與保護(hù)戰(zhàn)略趨勢(shì)

《巴黎協(xié)定》為2020年后全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)做出了安排，各個(gè)國(guó)家與地區(qū)提出各自的碳中和目標(biāo)，出臺(tái)相關(guān)政策應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)[17]。實(shí)現(xiàn)碳中和主要沿減排與增匯兩條路走，各個(gè)領(lǐng)域都在依據(jù)自身特點(diǎn)探索具體舉措[18-20]，水資源的利用及保護(hù)對(duì)于碳的減排與增匯都有所助益。因此，在碳中和的背景下對(duì)水資源的利用與保護(hù)需要把握新階段戰(zhàn)略機(jī)遇，應(yīng)對(duì)發(fā)展中的重大挑戰(zhàn)。

碳中和背景下，水資源利用與保護(hù)將面臨助推碳減排的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。能源行業(yè)碳排放在二氧化碳排放源頭中占據(jù)主體，而水電作為清潔能源，其發(fā)展已為落實(shí)能源行業(yè)低碳化作出一定貢獻(xiàn)[21]。在碳中和的目標(biāo)下，仍需進(jìn)一步發(fā)揮水資源促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能源消納、能源清潔化發(fā)展等的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在提升碳利用效率、捕獲二氧化碳的相關(guān)技術(shù)中，額外用水同樣為水資源的利用帶來挑戰(zhàn)，為此，需提高水資源的利用效率，解決水資源在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題。

碳中和背景下，水資源利用與保護(hù)將面臨保障碳吸收的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)碳中和，必須保障生態(tài)系統(tǒng)的自然碳匯功能，而水資源作為生態(tài)之基，對(duì)其進(jìn)行利用與保護(hù)將利于生態(tài)系統(tǒng)的平衡。而部分地區(qū)存在突出的水土流失、地下水超采、生態(tài)破壞等現(xiàn)象[22]，導(dǎo)致自然碳匯能力減弱，為了解決這些問題，更快地達(dá)成碳中和的目標(biāo)，必須采取更好的方式利用與保護(hù)水資源。

水資源本身還面臨著水污染、水資源短缺、水土流失、用水不當(dāng)導(dǎo)致的水資源浪費(fèi)、生態(tài)環(huán)境破壞等問題，在解決這些問題的同時(shí)聚焦水資源對(duì)碳中和的促進(jìn)作用，要求水資源利用與保護(hù)更加注重系統(tǒng)治水、科學(xué)治水、節(jié)水優(yōu)先、空間均衡及兩手發(fā)力[23]，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展原則，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新體系發(fā)展，推進(jìn)建設(shè)智慧水利進(jìn)程。在碳中和背景下水資源的綜合智能利用與保護(hù)具有極為廣闊的發(fā)展空間。

2 碳中和背景下的水資源利用與保護(hù)的優(yōu)勢(shì)及作用

水資源集中區(qū)域一般都是主要的能源產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)域和生態(tài)功能保障區(qū)域，而隨著流域內(nèi)高耗能產(chǎn)業(yè)和重化工產(chǎn)業(yè)的粗獷開發(fā)，造成了流域內(nèi)灌溉用田面積萎縮、暴雨洪澇、水土流失、地下水污染等一系列水資源問題。碳中和目標(biāo)的提出，為中國(guó)能源行業(yè)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)行動(dòng)指明了重要的發(fā)展方向，將實(shí)現(xiàn)供給側(cè)低碳轉(zhuǎn)型和水資源優(yōu)化，從源頭上對(duì)水資源進(jìn)行有意識(shí)的保護(hù)，切實(shí)利用與保護(hù)水資源。

可見碳中和對(duì)水資源利用與保護(hù)具有重要推動(dòng)作用，同時(shí)，水資源的利用與保護(hù)也同實(shí)現(xiàn)“3060”雙碳目標(biāo)密切相關(guān)。水資源利用與保護(hù)同碳中和的關(guān)系如圖1所示。首先，水電作為清潔能源，在推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，構(gòu)建“高效、清潔、低碳、安全”的能源結(jié)構(gòu)的過程中起著關(guān)鍵作用。其次，水資源作為生產(chǎn)之要，在促進(jìn)能源行業(yè)的碳減排中也有著極大天然優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，合理利用、有效保護(hù)水資源有利于生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建，維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，從而促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收。

圖1 水資源利用與保護(hù)同碳中和的關(guān)系Fig.1 Relationship between water resources utilization and protection and carbon neutrality

2.1 水資源利用促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)低碳化

調(diào)節(jié)中國(guó)能源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源占比對(duì)于碳中和目標(biāo)達(dá)成起著決定性作用，然而清潔能源的增加對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。水電作為最具規(guī)模的可再生清潔能源，對(duì)于調(diào)節(jié)電網(wǎng)、大規(guī)模能源消納有著重要的積極促進(jìn)作用。同時(shí)，引導(dǎo)水風(fēng)光等清潔能源進(jìn)入高耗能產(chǎn)業(yè)集群，對(duì)于降低碳排放，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)有著重要意義。

2.1.1 水資源利用促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水電作為公認(rèn)的綠色、清潔、靈活、可靠的可再生能源，將在“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)中扮演重要角色。2019年，全國(guó)各行業(yè)碳排放總量約為10 174.68 t，其中，電力行業(yè)碳排放量占比46%[24]，是主要的碳排放行業(yè)。因此實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的首要任務(wù)便是實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)的低碳綠色發(fā)展。水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電量逐年增加，如圖2所示，其中，2020年水電發(fā)電量1.355 2 ×1012kW·h，其在可再生能源發(fā)電量占比約為61.19%[25]。可見，當(dāng)前及未來較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)水電在清潔能源中仍處于主導(dǎo)地位，以水電作為清潔能源革命的壓艙石，大力推進(jìn)水風(fēng)光一體化開發(fā)建設(shè)，形成水風(fēng)光電互補(bǔ)，對(duì)促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少碳排放意義重大。

圖2 2011—2050年清潔能源發(fā)電量統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)[26-27]Fig.2 Statistics and prediction of clean energy power generation from 2011 to 2050[26-27]

截至2020年中國(guó)水電裝機(jī)3.7×108kW（含抽水蓄能3.149×1011kW），開發(fā)程度約為53.8%；2060年碳中和背景下，水電裝機(jī)將達(dá)到7.0×108kW（抽水蓄能2×108kW），水電開發(fā)程度達(dá)到73%[25]。因此在接下來的40年中仍具備可觀的發(fā)展空間。在做好生態(tài)保護(hù)的前提下，積極穩(wěn)妥地開發(fā)水電，逐步提升水電等清潔發(fā)電方式在電力行業(yè)中的占比，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。

2.1.2 水資源利用推動(dòng)解決大規(guī)模能源消納問題

受流域氣候等原因影響，水風(fēng)光等清潔能源存在一定的棄水、棄光、棄風(fēng)等現(xiàn)象，2020年全國(guó)主要流域棄水電量約為301×108kW·h，棄風(fēng)電量約為166×108kW·h，棄光電量為52.6×108kW·h[28]。與此同時(shí)，碳中和背景下，風(fēng)、光裝機(jī)容量將分別從2020年的2.8×108、2.5×108kW，增長(zhǎng)至2050年的約24×108、27×108kW，屆時(shí)風(fēng)、光裝機(jī)容量在全國(guó)電源中占比將增加至72%[29-30]，預(yù)示著風(fēng)能、太陽(yáng)能等形式能量將逐漸發(fā)展為中國(guó)主要能源。嚴(yán)峻的棄光、棄風(fēng)等現(xiàn)象及風(fēng)、光能源的高速發(fā)展，使得解決新能源并網(wǎng)帶來的電網(wǎng)安全運(yùn)行難題及大規(guī)模能源消納難題成為推進(jìn)碳中和過程中的關(guān)鍵問題。

基于水資源利用的能源消納解決方法可歸納為常規(guī)水電[31]、抽水蓄能[32]、水風(fēng)光一體化[33]3方面。首先，充分依托中國(guó)在建或已建梯級(jí)水電站群儲(chǔ)能作用與多尺度靈活條件作用，提高流域梯級(jí)水能利用效率，滿足電網(wǎng)不同時(shí)段不同尺度的負(fù)荷響應(yīng)要求[31]。其次，大力推進(jìn)抽水蓄能電站的布局與建設(shè)，將棄風(fēng)、棄光等通過能源置換為水的位勢(shì)能，在電網(wǎng)調(diào)節(jié)需要時(shí)放水發(fā)電實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。最后，結(jié)合地理上水、風(fēng)、光發(fā)電天然的互補(bǔ)性[31]，規(guī)劃水風(fēng)光一體化建設(shè)，克服風(fēng)電與光伏發(fā)電間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，打捆輸出水風(fēng)光，從而減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊，可有效解決風(fēng)光能源的大規(guī)模消納問題，同時(shí)保障電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。

2.1.3 水資源利用促進(jìn)高耗能產(chǎn)業(yè)清潔化

解決水風(fēng)電能源的大規(guī)模消納，另一種途徑便是立足于水電開發(fā)建設(shè)，進(jìn)行水泥、鋼鐵、電解鋁、電解制氫等高耗能產(chǎn)業(yè)集群布局，引導(dǎo)局部過剩清潔能源逐漸向高耗能產(chǎn)業(yè)輸入[33-36]。

水泥、鋼鐵行業(yè)的碳排放主要來自能源供給側(cè)含碳燃料的直接燃燒，其碳排放量分別占總排放量的12%及11%，探索使用清潔能源替代傳統(tǒng)高碳排放能源直接燃燒利用，提高電氣化程度能有效降低碳排放[24,37-38]。電解鋁屬于典型的能源消耗密集型產(chǎn)業(yè)，電解生產(chǎn)1 t鋁需消耗電能13 500 kW·h[35]，利用富余的可再生電能進(jìn)行鋁提取，可有效降低高碳排放電能的消耗，從而達(dá)到碳減排的效果。結(jié)合高效電制氫技術(shù)，將棄水、棄風(fēng)、棄光等無(wú)法并網(wǎng)的可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能，從而可實(shí)現(xiàn)富余能源的消納與儲(chǔ)存[39-40]。氫能對(duì)于電力、工業(yè)、熱力等領(lǐng)域構(gòu)建未來低碳綜合能源體系擁有巨大潛力[39]，當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展仍處于起步階段，加大氫能相關(guān)科研投入，提升綠氫規(guī)模，是碳中和背景下結(jié)合水資源解決能源消納、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問題的又一有力手段。

2.2 水資源利用與保護(hù)促進(jìn)碳減排

人類活動(dòng)產(chǎn)生大量碳排放，致使大氣中主要溫室氣體濃度發(fā)生全球尺度上升，并造成全球海平面升高、植被遷徙、氣候帶移動(dòng)、極端氣候和災(zāi)害頻發(fā)、物種滅絕等嚴(yán)重自然問題。例如，2021年鄭州特大暴雨和德國(guó)西部洪水災(zāi)害，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全造成了巨大損害。而水資源的高效利用與保護(hù)，可提高碳利用效率和碳捕獲能力，實(shí)現(xiàn)碳減排，促進(jìn)碳中和，勢(shì)必有效減少極端氣候誘發(fā)災(zāi)害[3]，對(duì)于降低全球受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害程度均具有重要意義。

2.2.1 水資源利用與保護(hù)提升能源行業(yè)中的碳利用效率

在能源的開采、加工生產(chǎn)及使用全過程中，水資源以媒介或反應(yīng)介質(zhì)等角色提供了重要的支撐作用且有效提高了碳利用效率。在能源開采過程中，以石油與頁(yè)巖氣開采為例：石油開采過程中的油田注水是保證油層壓力并提高采收率的重要措施，且對(duì)水的懸浮物、溶解氧、腐蝕性等水質(zhì)指標(biāo)要求較高[41]；頁(yè)巖氣開采中所用到的水力壓裂技術(shù)便是利用水注入地層，壓裂頁(yè)巖形成裂隙網(wǎng)格，從而提升滲透率，其過程伴隨著大量的水資源消耗[42]。在能源的加工生產(chǎn)過程中，以水煤漿的生產(chǎn)與火力發(fā)電為例，將褐煤研磨后，結(jié)合工業(yè)廢水（污水）、造紙黑液等原料，可通過制漿工業(yè)制得水煤漿[43-44]，水的加入使得高水分、低發(fā)熱量的褐煤轉(zhuǎn)變成了清潔煤燃料與氣化原料，實(shí)現(xiàn)了含碳資源的高效利用。在火力發(fā)電中，耗水主要體現(xiàn)于冷卻與除塵方面，合理利用水資源也會(huì)提高碳利用效率，如使用蒸汽冷卻能較大地提升燃?xì)廨啓C(jī)效率[45]，從而降低能量的消耗以達(dá)到碳減排目的。在能源的使用過程中，水的減排作用同樣不容忽視，如在煤炭的燃燒過程中，水蒸氣作為反應(yīng)介質(zhì)的加入將與煤發(fā)生較強(qiáng)的水煤氣反應(yīng)，從而降低燃燒溫度，提高燃燒效率，并減小SO2的析出量[46]。值得指出的是，水與能源相互依存，加之中國(guó)能源與水資源稟賦特征差異明顯，加強(qiáng)廢水回收利用，實(shí)現(xiàn)科學(xué)用水、可持續(xù)用水對(duì)于進(jìn)一步提升能源行業(yè)碳利用效率意義重大。

2.2.2 水資源利用與保護(hù)保障未來碳捕獲技術(shù)效益

盡管非化石能源如水電、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源的發(fā)展減少了CO2排放，但與化石燃料的豐富性、使用性和穩(wěn)定性相比，其使用成本和效率使非化石能源在短期內(nèi)難以徹底取代化石能源。在2060年前的近40年碳中和過程中，中國(guó)仍需要煤炭發(fā)揮基礎(chǔ)能源作用，做好經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的能源兜底保障[47]。這意味著短期內(nèi)，中國(guó)碳減排將依然集中在以末端化石燃料燃燒碳減排為基礎(chǔ)的道路上。因此未來對(duì)火力發(fā)電廠進(jìn)行碳捕集改造十分必要。

通常來說，化學(xué)吸收法捕集CO2的解吸過程一般利用熱法再生，該技術(shù)的工藝流程[48]如圖3所示。脫硫脫硝后的煙氣首先通過直接接觸式冷卻器進(jìn)行冷卻，貧胺基溶劑在吸收塔中從煙氣中吸收CO2，再用水去除任何殘留的氨；然后，將富含CO2的溶劑泵送到再生塔，通過加熱分離CO2，濃縮的CO2被壓縮并運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)存地點(diǎn)。在此過程中，需要水來支持直接接觸式冷卻器、吸收塔和再生塔的冷卻環(huán)節(jié)，同時(shí)需要水蒸氣為再生塔中分離CO2提供熱量。上述技術(shù)需要的額外消耗性用水量將比普通火力發(fā)電廠提升83%～91%[49]。

圖3 典型的煙氣CO2捕集化學(xué)吸收系統(tǒng)流程圖[48]Fig.3 Typical chemical absorption system for CO2 recovery from flue gas[48]

通過南水北調(diào)、西電東送等國(guó)家重大工程在一定程度上緩解了中國(guó)能源與水資源分配不均的問題，但未來碳減排相關(guān)技術(shù)的落實(shí)對(duì)中國(guó)水資源利用與保護(hù)提出了更高要求。特別是中國(guó)北部與西北部6個(gè)缺水省份約占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的70%，導(dǎo)致中國(guó)電力需求和火力發(fā)電中心的空間、資源分布極不匹配[50]，碳捕集技術(shù)所需的接近一倍的額外冷卻用水量將進(jìn)一步打破該地區(qū)電力需求與水資源供應(yīng)的平衡。在未來碳減排趨勢(shì)下，相關(guān)部門在制定政策方面不應(yīng)受制于各部門自身的利益偏好[51]，應(yīng)在保證水資源可持續(xù)發(fā)展分配的基礎(chǔ)上，權(quán)衡氣候變化以緩解效益和碳減排對(duì)水資源造成的更大壓力；提高農(nóng)業(yè)灌溉效率，大力發(fā)展水風(fēng)光發(fā)電技術(shù)，限制缺水地區(qū)的火力發(fā)電額度[50]；通過政府機(jī)構(gòu)-火力電廠-水域資源三方相互調(diào)節(jié)、相互保護(hù)、相互促進(jìn)，并且，通過提高中國(guó)部分地區(qū)對(duì)水資源利用與保護(hù)的能力，為碳減排各技術(shù)的普及落地提供水資源保障，也進(jìn)一步促進(jìn)中國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的保質(zhì)、保量完成。

2.3 水資源利用與保護(hù)促進(jìn)自然碳匯

自然碳匯是應(yīng)對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和”最經(jīng)濟(jì)的方式之一，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)中，森林生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)了約80%的固碳量，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)固碳量的貢獻(xiàn)約占12%，灌叢生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度約為8%，草地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支基本處于平衡狀態(tài)[52]。碳匯功能主要通過森林、草地、濕地等生態(tài)系統(tǒng)中的植物進(jìn)行光合作用將CO2轉(zhuǎn)換為有機(jī)碳固定在植被或土壤中而實(shí)現(xiàn)[53]。而水作為重要的生態(tài)因子，影響著植物的生命活動(dòng)及土壤狀態(tài)，從而影響生態(tài)系統(tǒng)固碳能力[54-55]，水資源利用與保護(hù)與自然碳匯增減關(guān)系[56]如圖4所示。

圖4 水資源利用及保護(hù)與自然碳匯[56]Fig.4 Utilization and protection of water resources and natural carbon sink[56]

2.3.1 水資源利用對(duì)自然碳匯的促進(jìn)作用

水資源的科學(xué)利用，意味著發(fā)揮水資源的功能性、保證利用的有效性。

發(fā)揮水資源的功能性，可以實(shí)現(xiàn)受損濕地的修復(fù)、對(duì)干旱荒漠地區(qū)的改造及鹽水淹沒地區(qū)植被的恢復(fù)，激發(fā)濕地、干旱地區(qū)及沿海洪泛區(qū)自然碳匯的潛能。研究發(fā)現(xiàn)，通過實(shí)施淡水修復(fù)、生態(tài)補(bǔ)水工程，東居延海濕地13年間濕地面積增加了近一倍[57]，塔里木河下游碳匯區(qū)域由2001年占研究區(qū)的1.54%增長(zhǎng)至2020年的7.80%[58]，莫里河和密西西比河沿岸洪泛區(qū)森林生產(chǎn)力顯著提高[59]。以上實(shí)例均說明，對(duì)于水文條件改變、缺水及土壤鹽量過高等導(dǎo)致的植被生長(zhǎng)不佳、自然碳匯削弱的情況，通過調(diào)配利用水資源對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)改善可使植被得到極大恢復(fù)，碳匯區(qū)域得以增長(zhǎng)。

在水資源緊缺的當(dāng)下，更要注意水資源利用的有效性，確定植物生長(zhǎng)或生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的最適需水量及水文條件等，以最優(yōu)水資源配置最大限度地促進(jìn)自然碳匯作用。農(nóng)林草灌溉方面，確定不同植物不同生長(zhǎng)階段的需水量，結(jié)合噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，合理利用水資源可以保證農(nóng)作物、林木、牧草良好的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，提高農(nóng)業(yè)、林業(yè)、草業(yè)凈碳匯[60-61]。在濕地修復(fù)過程中，更有許多學(xué)者開展?jié)竦厮目茖W(xué)研究[62-64]，確定輸水最佳時(shí)間與控制水位等[65]，從而設(shè)計(jì)適宜的方案用于恢復(fù)濕地，增加濕地碳庫(kù)。

水在不同生態(tài)系統(tǒng)中均發(fā)揮著無(wú)可比擬的重要作用，針對(duì)不同需求，應(yīng)當(dāng)尋求最科學(xué)的方式對(duì)其進(jìn)行充分利用以促進(jìn)自然碳匯，為“碳達(dá)峰、碳中和”的實(shí)現(xiàn)作出實(shí)際貢獻(xiàn)。

2.3.2 水資源保護(hù)對(duì)自然碳匯的促進(jìn)作用

人類活動(dòng)可能導(dǎo)致水資源污染、水土流失等問題，而由于生態(tài)系統(tǒng)的正反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，水與植物間進(jìn)一步產(chǎn)生雙向影響，如水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致沉水植物難以生長(zhǎng)，從而使水質(zhì)進(jìn)一步變差，生態(tài)系統(tǒng)崩潰；水土流失導(dǎo)致土質(zhì)下降，植物生長(zhǎng)受到影響；植物根系固定作用的缺失則加重水土流失。植物生長(zhǎng)及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響必然削弱自然碳匯。因此，應(yīng)將水資源保護(hù)與植被恢復(fù)同步納入促進(jìn)自然碳匯的過程中，一方面，在保護(hù)水資源的過程中采取植生態(tài)林等措施可直接促進(jìn)自然碳匯的增多；另一方面，注重對(duì)水資源的保護(hù)改善植物生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)自然碳匯的重建。

在具體舉措上，可考慮兼顧經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的生態(tài)水利建設(shè)模式。目前，設(shè)計(jì)或利用植被再植實(shí)踐修復(fù)河道[66]，或建設(shè)基塘工程、林澤工程等生態(tài)工程保證庫(kù)區(qū)生態(tài)安全[67]，將生態(tài)水利工程的建設(shè)或補(bǔ)充納入考慮，有效改善水環(huán)境的同時(shí)給予植被良好生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)了自然碳匯。而對(duì)水土流失區(qū)域則應(yīng)采取保水措施涵養(yǎng)水源促進(jìn)植被恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)研究與工程實(shí)例[68-69]證明，若對(duì)水土流失區(qū)域采取增加植被覆蓋的生物措施或修建反坡臺(tái)地、水平溝等工程措施進(jìn)行保水改善生態(tài)環(huán)境，可以達(dá)到涵養(yǎng)水資源與增大植被面積的雙重正向效應(yīng)，增加自然碳匯。

治理水污染、改善水土流失同植被恢復(fù)相輔相成，在碳中和的背景下，需要依據(jù)“山水林田湖草沙是生命共同體”的系統(tǒng)思想，推進(jìn)生態(tài)環(huán)境綜合治理[70]，發(fā)揮水資源保護(hù)對(duì)自然碳匯的促進(jìn)作用，貫徹落實(shí)“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念[71]。

3 碳中和背景下的水資源利用與保護(hù)發(fā)展革新

如何高效智慧的利用與保護(hù)水資源一直是世界各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)問題，也是碳中和實(shí)現(xiàn)的一大關(guān)鍵。目前，中國(guó)的水資源利用依然面臨著諸多問題，水資源并不豐富且時(shí)空分布不均，供需矛盾突出且用水效率整體水平不高，造成了缺水與浪費(fèi)水現(xiàn)象并存，而水資源開發(fā)過程誘發(fā)的生態(tài)問題也愈發(fā)突出。伴隨著智慧社會(huì)的發(fā)展和中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的持續(xù)調(diào)整，充分高效利用水資源、科學(xué)智慧發(fā)展水資源，將為中國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略目標(biāo)啟動(dòng)加速鍵。

圍繞著現(xiàn)代社會(huì)碳減排的共性目標(biāo)，水資源的利用與保護(hù)應(yīng)向智慧化、一體化、充分化、綠色化和統(tǒng)籌化五大革新方向發(fā)展，如圖5所示，即：1）規(guī)劃運(yùn)行智慧化。將新一代信息通信技術(shù)融入到現(xiàn)代水利工程的規(guī)劃運(yùn)行過程中，構(gòu)建起實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的智慧水利信息網(wǎng)絡(luò)[72]，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的定位識(shí)別和監(jiān)控優(yōu)化。2）生態(tài)能源一體化。針對(duì)全流域水環(huán)境問題及水資源綜合開發(fā)難題，踐行流域一體化的保護(hù)和發(fā)展方針，實(shí)現(xiàn)流域水資源的綜合管理和保護(hù)。3）空間利用充分化。除地表有限資源外，高效利用地下特殊空間，建立地下空間抽水蓄能電站[73]，聯(lián)合風(fēng)光水火發(fā)電體系，形成高效清潔能源調(diào)配閉環(huán)。4）設(shè)計(jì)建造綠色化。碳中和背景下，水利工程設(shè)計(jì)和建造過程中近零碳化將有效助力碳減排，建設(shè)零碳排放水電站[74]，同時(shí)提高水利工程及鄰域的自然碳匯能力。5）改造發(fā)展統(tǒng)籌化。加大對(duì)中小型水電站的裝置改造和規(guī)范并網(wǎng)，合理調(diào)配上網(wǎng)電量，減少小水電多發(fā)、大水電棄水現(xiàn)象，并開發(fā)離網(wǎng)型水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)[75]，有效避免資源浪費(fèi)現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 碳中和背景下水資源利用與保護(hù)發(fā)展框架Fig.5 Water resources utilization and protection innovation system under the background of carbon neutrality

3.1 水資源利用與保護(hù)的規(guī)劃運(yùn)行智慧化

中國(guó)水資源利用效率低，2020年農(nóng)業(yè)灌溉水的有效利用系數(shù)僅為56.5%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的70%～80%，而單方水的GDP產(chǎn)出僅為世界平均水平的1/3～1/2[76]，科學(xué)管理的缺失不容忽視。同時(shí)，中國(guó)水系復(fù)雜、水利工程點(diǎn)多面廣等特點(diǎn)也為高效發(fā)展水資源提出了高要求。針對(duì)水資源調(diào)配動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、預(yù)期性不定等特點(diǎn)，引入新一代信息通信技術(shù)，以流域?yàn)閱卧⒁越铀禐榻?jīng)絡(luò)、以水利工程為節(jié)點(diǎn)，搭建起實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、智能的水信互聯(lián)系統(tǒng)，即為智慧水利[77-78]。智慧水利的構(gòu)建充分利用云計(jì)算、云服務(wù)高效率、低成本、綠色節(jié)能的巨大優(yōu)勢(shì)，并可以有效促進(jìn)流域規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行的智慧化，提高用水效率和用水安全性，改善流域生態(tài)環(huán)境，助力推進(jìn)碳減排和碳循環(huán)。

碳中和背景下，水資源利用與保護(hù)的規(guī)劃運(yùn)行智慧化，如圖6所示，其發(fā)展方向主要包括：1）新一代信息通信和處理技術(shù)應(yīng)用。信息是水資源智慧化的關(guān)鍵，引入大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，做到水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)相配合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的智能識(shí)別、跟蹤定位、模擬預(yù)測(cè)、優(yōu)化分配和監(jiān)控管理，間接促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改革升級(jí)。2）水資源需求決策和優(yōu)化調(diào)配。結(jié)合徑流監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、生態(tài)環(huán)境承載力與給水需求，聯(lián)動(dòng)地表水、地下水、再生水等多方水源形式，設(shè)計(jì)科學(xué)的水資源分配模式，實(shí)現(xiàn)高效水資源利用，保障流域生態(tài)需水和健康發(fā)展用水。3）需水預(yù)測(cè)云計(jì)算。通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)對(duì)大量廣泛的水信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成徑流流量和需水預(yù)報(bào)多目標(biāo)參量模型，預(yù)測(cè)可能需水量和水資源供需關(guān)系，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)分配水資源[72]。

圖6 水資源利用與保護(hù)的規(guī)劃運(yùn)行智慧化發(fā)展方向[72]Fig.6 Development direction for planning and operation intellectualization of water resources utilization and protection[72]

3.2 水資源利用與保護(hù)的生態(tài)能源一體化

中國(guó)各大流域均存在多種水問題交織且日益嚴(yán)重的現(xiàn)象，如西北內(nèi)陸河缺水嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境退化，地下水超采嚴(yán)重；黃河流域泥沙淤積，水資源總量短缺；長(zhǎng)江流域上游生態(tài)退化而中下游水污染嚴(yán)重；珠江流域河口咸潮上溯問題嚴(yán)峻等[79]。流域的發(fā)展和保護(hù)涉及多部門、多學(xué)科、多因素、多數(shù)據(jù)、精準(zhǔn)控制困難等諸多問題，為系統(tǒng)解決全流域水環(huán)境問題及綜合開發(fā)難題，融入智慧水利技術(shù)，踐行“流域統(tǒng)籌，綜合發(fā)展”的流域一體化模式應(yīng)運(yùn)而生。建立一體化的流域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)保護(hù)一體化，考慮全流域水利資源的合理利用開發(fā)量值，實(shí)現(xiàn)流域資源開發(fā)一體化，綜合發(fā)展全流域，將極大地促進(jìn)生態(tài)保護(hù)和合理化能源開發(fā)。

碳中和背景下，水資源利用與保護(hù)的生態(tài)能源一體化，如圖7所示，其發(fā)展方向主要包括：1）多部門多源信息監(jiān)測(cè)體系。探索并聯(lián)動(dòng)水文、氣象、農(nóng)業(yè)、國(guó)土等多部門，形成覆蓋天空、地表、流域、地下等全方面多源的監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)絡(luò)，有效結(jié)合常規(guī)水資源監(jiān)測(cè)與空天遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)全流域水利、土壤、氣象、動(dòng)植物等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行演繹歸納和分析，實(shí)現(xiàn)水資源的綜合管理和保護(hù)[80]。2）充分利用水利資源優(yōu)勢(shì)。在流域沿線拓展風(fēng)電、光伏等新能源開發(fā)，充分發(fā)揮水能資源的靈活調(diào)節(jié)能力和儲(chǔ)能作用，實(shí)現(xiàn)流域水風(fēng)光統(tǒng)一規(guī)劃[33]。3）能源開發(fā)符合社會(huì)需求和生態(tài)保護(hù)。秉承一條流域整體開發(fā)，充分考慮流域航運(yùn)要求、工業(yè)耗水、農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水等，在生態(tài)環(huán)境可以承受的條件下，合理進(jìn)行水資源的梯級(jí)開發(fā)或區(qū)段開發(fā)，布局開發(fā)時(shí)序、開發(fā)強(qiáng)度，并配以生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施和流域魚類保護(hù)工作。

圖7 水資源利用與保護(hù)的生態(tài)能源一體化發(fā)展方向[33,79]Fig.7 Development direction for ecology and energy integration of water resources utilization and protection[33,79]

3.3 水資源利用與保護(hù)的空間利用充分化

伴隨著中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的持續(xù)調(diào)整，風(fēng)電、光伏等清潔能源所占比例將逐年遞增，但目前這類新能源調(diào)節(jié)能力較弱且并網(wǎng)后有較強(qiáng)的波動(dòng)性，導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象凸顯。為此，充分利用水利資源靈活的調(diào)節(jié)能力建立抽水蓄能電站，可有效降低電網(wǎng)中的棄風(fēng)棄光率，合理優(yōu)化現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，建立水風(fēng)光儲(chǔ)一體化的能源波動(dòng)系統(tǒng)，大力推進(jìn)碳減排。但常規(guī)的抽水蓄能電站需要耗費(fèi)大量有限地表資源，且易受地形、地貌和水文條件等影響，近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了基于抽水蓄能原理的落差型地下蓄能設(shè)施[73,81]，其技術(shù)原理相對(duì)成熟，能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%左右，可充分利用特殊地下空間，減小對(duì)地表資源的占用和改造，未來發(fā)展前景巨大。

碳中和背景下，水資源利用與保護(hù)的空間利用充分化，如圖8所示，其發(fā)展方向主要包括：1）自然地下空間利用及改造。部分地區(qū)地下巖溶系統(tǒng)長(zhǎng)期發(fā)育演化[82]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序穩(wěn)定、管道交錯(cuò)，充分研究地下空間封隔、防滲及建造技術(shù)，發(fā)展地下儲(chǔ)能空間。2）人類活動(dòng)產(chǎn)生的地下空間利用及改造。人類活動(dòng)留下的地下蓄排水管廊和礦產(chǎn)開發(fā)遺留的礦井結(jié)構(gòu)[83]相對(duì)穩(wěn)定，具有大規(guī)模儲(chǔ)藏能源、物資、輻射物等方面的潛質(zhì)，研究深部特殊地下空間的利用與改造技術(shù)，循環(huán)利用地下空間，為能源開發(fā)創(chuàng)造二次價(jià)值。3）構(gòu)建清潔能源調(diào)節(jié)閉環(huán)。地下空間的綜合利用，有望形成地下能源自循環(huán)系統(tǒng)，并聯(lián)合風(fēng)光火水發(fā)電體系，建立波動(dòng)清潔能源快速自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式按需供電及高效率能源轉(zhuǎn)換。

圖8 水資源利用與保護(hù)的空間利用充分化示意圖[81,84]Fig.8 Schematic diagram for space-utilized adequation of water resources utilization and protection[81,84]

3.4 水資源利用與保護(hù)的設(shè)計(jì)建造綠色化

水利工程的開發(fā)提高了水資源的綜合利用水平，極大地減輕了洪旱等自然災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起到了重大作用，但人類活動(dòng)和水利工程的不規(guī)范建設(shè)卻加劇了水域生態(tài)退化，如部分河流湖泊及鄰域的水土流失、岸線萎縮、植被驟減、水質(zhì)降低等問題[85]，給作為碳減排一大重要組成的自然碳匯造成了惡劣影響。水資源的粗獷開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化等都迫使人們深刻反思如何構(gòu)建符合人類發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的綠色水利工程，尋求水資源合理開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的平衡點(diǎn)。在這期間水利工程也逐漸由工業(yè)發(fā)展需求過渡到生態(tài)功能統(tǒng)籌，綠色開發(fā)和利用水資源將為碳中和的實(shí)現(xiàn)增添助益。

碳中和背景下，水資源利用與保護(hù)的設(shè)計(jì)建造綠色化，如圖9所示，其發(fā)展方向主要包含：1）發(fā)展生態(tài)水利工程。在設(shè)計(jì)建造過程中，統(tǒng)籌考慮生態(tài)環(huán)境、社會(huì)發(fā)展與水資源間的供需關(guān)系[85]，規(guī)劃生態(tài)水利工程，進(jìn)行低碳工程建設(shè)，開發(fā)合理運(yùn)行模式，同時(shí)，加大對(duì)流域及鄰域的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)，充分發(fā)揮流域的自然碳匯能力。2）踐行河長(zhǎng)制、湖長(zhǎng)制。建立完善的流域責(zé)任制度，以地方黨政機(jī)構(gòu)為負(fù)責(zé)主體，構(gòu)建分責(zé)明確、協(xié)調(diào)有序、監(jiān)管有力的流域管理制度[86]，有效有力監(jiān)管流域生態(tài)問題、工程建設(shè)問題、資源開發(fā)問題。3）合理開發(fā)制氫產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建零碳水電站系統(tǒng)[74]。通過水電站發(fā)電系統(tǒng)與制氫裝置相連，將所產(chǎn)氫能儲(chǔ)存、輸出或供給站內(nèi)耗電裝置，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)能源供給閉環(huán)和零碳排放。

3.5 水資源利用與保護(hù)的改造發(fā)展統(tǒng)籌化

中小型水電站是電網(wǎng)供給的有力補(bǔ)充，在水電開發(fā)工程中數(shù)量占比巨大，其主要分布在山區(qū)地帶，在節(jié)能減排和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過多年快速發(fā)展，中小型水電站已形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。但是，中小型水電站山區(qū)負(fù)荷分散、變電站偏少、監(jiān)測(cè)難度大，且多數(shù)小水電站為缺乏庫(kù)容調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站[87]，易造成無(wú)序發(fā)電和能源浪費(fèi)。改造、并網(wǎng)中小水電站，建立低碳環(huán)保、電量供給合理的綠色電網(wǎng)是切實(shí)可行的發(fā)展之路。對(duì)于部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，建立離網(wǎng)型的水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)離網(wǎng)地區(qū)能源的清潔供給，統(tǒng)籌發(fā)展水資源將極大地促進(jìn)資源合理化、能源高效化、碳排放歸零化。

碳中和背景下，水資源利用與保護(hù)的改造發(fā)展統(tǒng)籌化，如圖10所示，其發(fā)展方向主要包含：1）中小型水電站改造。投產(chǎn)較久的中小型水電站機(jī)組有較大的增容能力，研究改造和擴(kuò)容水電機(jī)組技術(shù)，完善對(duì)引水管道、廠房用電設(shè)施改造技術(shù)，同時(shí)研制適合中小型水電站的實(shí)時(shí)廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2）中小型水電站優(yōu)化并網(wǎng)。優(yōu)化地區(qū)電網(wǎng)，明確中小水電站的調(diào)度關(guān)系，加強(qiáng)中小水電站的信息采集并統(tǒng)一規(guī)劃管理，優(yōu)化調(diào)度效率，設(shè)置水電關(guān)口計(jì)量裝置。建立和完善地區(qū)電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，合理布局電網(wǎng)中各時(shí)段風(fēng)光水火發(fā)電占比和大中小型水電站分時(shí)段輸電量配比[88]。3）離網(wǎng)型水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)構(gòu)建。對(duì)于偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)，利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏陣列作為發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能，將地表水箱和開口水井分別作為抽水蓄能系統(tǒng)的上水庫(kù)和下水庫(kù)，建立小型離網(wǎng)式風(fēng)-光-抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)[75]，可實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)清潔能源穩(wěn)定供給。

圖10 水資源利用與保護(hù)的改造發(fā)展統(tǒng)籌化發(fā)展方向[75]Fig.10 Development direction for transformation and development overall planning of water resources utilization and protection[75]

4 結(jié)論與展望

為應(yīng)對(duì)氣候變化，中國(guó)提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的莊嚴(yán)承諾，對(duì)中國(guó)水資源的高效利用與保護(hù)提出了新的更高要求?；仡櫲祟惱门c保護(hù)水資源的歷程，經(jīng)歷了從單一利用階段到綜合利用階段再到保護(hù)發(fā)展并行的階段，而面對(duì)當(dāng)下水資源危機(jī)與碳中和目標(biāo)兩大挑戰(zhàn)，水資源利用與保護(hù)將邁入4.0時(shí)代。

現(xiàn)有工程實(shí)踐及研究表明，水資源利用與保護(hù)對(duì)于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高碳減排、增加自然碳匯均具有重要促進(jìn)作用。在此背景下，結(jié)合中國(guó)水資源保護(hù)與利用現(xiàn)狀，提出了規(guī)劃運(yùn)行智慧化、生態(tài)能源一體化、空間利用充分化、設(shè)計(jì)建造綠色化和改造發(fā)展統(tǒng)籌化5大革新發(fā)展方向，并凝練智慧水利信息網(wǎng)絡(luò)及反饋調(diào)控、多源信息監(jiān)測(cè)體系及一體化模式、特殊地下空間利用及地下蓄能設(shè)施、生態(tài)水利工程及零碳水電站系統(tǒng)、中小型水電站改造并網(wǎng)及離網(wǎng)型水風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)等水資源保護(hù)與利用的核心技術(shù)手段，對(duì)碳中和背景下的水資源有效保護(hù)與合理利用、達(dá)成碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)均具有重要促進(jìn)意義。

面對(duì)世界百年未有之大變局和中華民族實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興戰(zhàn)略全局，對(duì)水資源利用與保護(hù)的研究應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起促進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略的使命擔(dān)當(dāng)，筑牢保障國(guó)家可持續(xù)能源安全“綠色基石”的時(shí)代重任。應(yīng)充分發(fā)揮水資源自身優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，開辟新的水資源利用與保護(hù)理論和技術(shù)框架，促進(jìn)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)和“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略實(shí)施，推動(dòng)流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展，助力國(guó)家富強(qiáng)和民族復(fù)興。