中國水-能源紐帶關(guān)系雙向消耗核算研究

曾 萌，張園園，王紅瑞，楊亞鋒,3，洪思揚，趙 勇

(1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875; 2.北京師范大學水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100875；3.華北理工大學理學院，河北 唐山 063210；4.廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，廣東 廣州 510640；5.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048)

水和能源是人類生存和發(fā)展過程中不可或缺的兩類重要資源，前者作為基礎(chǔ)性自然資源，對人類的生存起著基本保障作用；后者作為關(guān)鍵的戰(zhàn)略資源，對國家安全及地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展、全球氣候變化引起的極端事件的頻繁發(fā)生和人口的持續(xù)增加，對于水與能源的需求加劇[1-3]，水資源短缺和能源過度使用所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題將成為阻礙未來社會發(fā)展的瓶頸。如何對水與能源合理配置，提高其利用效率，成為當下的熱點話題。2014年世界水日的宣傳主題被確定為“水與能源”，反映出水與能源問題已經(jīng)引發(fā)全球的關(guān)注[4]，因此，研究水-能源紐帶關(guān)系及其雙向消耗核算具有重要的意義。

水與能源的相關(guān)性由Gleick[5]于1994年首次提出，由此開展了一系列水-能源紐帶關(guān)系的研究，主要包括經(jīng)濟關(guān)聯(lián)與物理關(guān)聯(lián)兩個方面。前者指能源與水資源價格波動的相互影響；后者指能源開發(fā)利用中水資源消耗以及水資源開發(fā)利用中能源消耗的關(guān)系[6-7]。在經(jīng)濟關(guān)聯(lián)方面，Dale等[8]于2008年分析了加利福尼亞水資源和能源系統(tǒng)之間的聯(lián)系，提出了氣候變化對水資源和能源價格的影響，并評估了能源價格變化對水資源系統(tǒng)的影響；Maas等[9]于2019年定量分析了家庭用水和用電的交叉價格彈性，結(jié)果表明，如果將城市水價提高10%，美國西南地區(qū)的總用電量每年將減少大約130萬MW。在物理關(guān)聯(lián)方面，Mielke等[10]于2010年較全面地總結(jié)了原煤、原油、天然氣及生物質(zhì)能、太陽能、風能、地熱能、水力等可再生能源在開采、加工、轉(zhuǎn)換等一系列過程中的耗水量，具有代表性意義；2019年，Nouri等[11]在總結(jié)了煤炭、天然氣、水能、核能、風能、生物質(zhì)能以及太陽能等不同發(fā)電方式用水強度的基礎(chǔ)上，以美國加利福尼亞為例，根據(jù)不同發(fā)電技術(shù)的耗水強度數(shù)據(jù)建立數(shù)值模型，確定各種發(fā)電方案的取水量和耗水量及最優(yōu)發(fā)電技術(shù)組合方式，從而使用水量降至最低。

對于能源開發(fā)過程中的水資源消耗研究，學者多采用定量分析法和綜合評價法。Wang等[12]通過建立多地區(qū)投入產(chǎn)出模型，構(gòu)建中國水-能源的復雜網(wǎng)絡體系，模擬了不同能源組合情景下水資源的消耗情況；Li等[13]研究了NDC(nationally determined contribution)和WBD2(well below 2 degrees)目標下用水約束對能源基地發(fā)展帶來的影響，在WBD2模擬情景下預估2050年中國能源耗水量將達到98億m3；Li等[14]基于投入產(chǎn)出法，從生產(chǎn)和消費兩個維度分析了京津冀地區(qū)水-能源的紐帶關(guān)系，研究結(jié)果表明，北京、天津和唐山的能源生產(chǎn)和消費耗水量均為最大。對于水資源開發(fā)利用中的能源消耗研究，楊敏等[15]將比能耗分析法與單元能耗分析法相結(jié)合，對污水廠不同處理工藝的能耗值進行了對比分析，結(jié)果表明，改進的脈沖曝氣法具備顯著的節(jié)能效果，能耗降幅可達42.4%；Wang等[16]對農(nóng)用地下水的能耗值進行了評估，發(fā)現(xiàn)陜西省的能耗值最大，為0.64 kWh/m3，河南省的能耗值最低，為0.30 kWh/m3；高津京[17]的研究表明，獲取再生水等新型水源的耗電量遠高于傳統(tǒng)水源的耗電量，若保持現(xiàn)階段的用水趨勢不變，水資源開發(fā)利用的耗電量將逐年上升，至2050年耗電量將在原來的基礎(chǔ)上增加60%。

當下對于水-能源關(guān)系的研究多從能源耗水或水耗能源單向角度進行分析探討，不能很好地反映出二者之間的紐帶關(guān)系。基于此，本文從能源開發(fā)利用中的水資源消耗和水資源開發(fā)利用中的能源消耗兩個角度進行雙向消耗核算，探究水-能源的紐帶關(guān)系，可為水-能源的協(xié)同發(fā)展與安全保障提供借鑒與參考。

1 中國水資源與能源概況

中國每年可更新的淡水資源量約為2.81萬億m3，占世界第5位，僅次于巴西、俄羅斯、加拿大和印度尼西亞，但是人均淡水占有水平卻很低，約為世界平均水平的34%[18]。在平水年，中國逾660座城市中，近400個城市面臨供水不足，110個城市嚴重缺水，人口超過100萬的32個大型城市中，30個城市的用水需求無法得到滿足。就目前的供水能力而言，中國每年供水缺口約為300 億～400億m3，在干旱年份供需矛盾更大。水質(zhì)方面，由于中國在工業(yè)化發(fā)展前期和中期一直采用粗放型的發(fā)展模式，使水資源遭受嚴重污染。截至2016年，中國廢污水排放總量為765億t，仍處于較高水平，且中國廢水處理比例增長較慢，水環(huán)境污染使得本已緊張的用水形勢更加嚴峻。

改革開放以來，中國經(jīng)濟一直保持快速增長的趨勢，在這一過程中，能源起到了重要的支撐作用，同時也帶來能源消費需求的不斷擴大。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒2016》[19]統(tǒng)計結(jié)果，中國2016年能源消費總量為43.6億萬t標準煤，相較于1978年增加了665%，占世界能源消費總量的23%?；谥袊?jīng)濟發(fā)展進入新時代的現(xiàn)狀, 從新一輪產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)展勢頭來看，未來一段時間內(nèi)中國能源消費的需求還將進一步增長，到2050年世界占比可能高達60%[19]。長期以來，中國能源發(fā)展面臨結(jié)構(gòu)不合理的狀況，以煤炭、石油、天然氣等一次能源為主導[20]，2016年這3種能源消費總量占比達到87.2%，遠遠高于世界平均水平。一方面，這些能源作為天然能源，在自然界中的儲量是有限的，無法滿足持續(xù)增長的人口以及經(jīng)濟發(fā)展的需求；另一方面，這些能源作為化石能源，在燃燒的過程中會產(chǎn)生大量的大氣污染物，導致中國生態(tài)環(huán)境惡化，空氣污染紅色預警持續(xù)增加。為緩解能源危機，近些年來中國一直在強調(diào)發(fā)展可再生能源，但是依賴于化石能源的消費模式在短時間內(nèi)不會發(fā)生明顯改變。開發(fā)可再生能源，推廣可再生能源利用技術(shù)，提高可再生能源利用量和消費比重是中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要內(nèi)容。

2 中國水-能源雙向消耗核算

近年來，中國經(jīng)濟平穩(wěn)迅速增長，對世界經(jīng)濟增長的貢獻率步步攀升，但是經(jīng)濟的迅猛發(fā)展往往伴隨自然資源的過度消耗，水資源短缺與能源的過度消耗已成為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要障礙。因此，計算中國能源生產(chǎn)過程中的水耗以及水資源利用過程中的能耗，厘清水-能源紐帶關(guān)系，具有重要的現(xiàn)實意義[21-23]。由于資料的有限性以及能源與水資源的多樣性，本文采用定額法估算全國主要能源產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀總用水量與水資源利用的總耗能量。

人類社會生活和生產(chǎn)中的4類主要能源為原煤、原油、天然氣、火力發(fā)電，在對能源開采使用的過程中，幾乎都離不開水資源的消耗。本文在搜集全國能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合行業(yè)用水定額，采用定額法對4類能源生產(chǎn)過程中的水耗進行核算，除此之外，太陽能發(fā)電、水力發(fā)電也在本文核算的范圍內(nèi)。對于水資源利用中的能源消耗量，根據(jù)各類水資源的特點，結(jié)合其開采和利用的過程及數(shù)據(jù)的完整性，主要核算地下水開采、地表水利用、供水及污水處理回用的能源消耗。

2.1 主要能源生產(chǎn)耗水量計算

能源產(chǎn)業(yè)用水量指的是在能源生產(chǎn)過程中直接消耗的水資源。原煤的水耗包括開采和洗選兩部分；原油和天然氣的水耗主要由開采和加工產(chǎn)生；火力發(fā)電的水耗是機組冷卻所用的水資源，根據(jù)是否循環(huán)使用，分為循環(huán)冷卻水和直流冷卻水，不同形式下的耗水量有較大差異。北方地區(qū)由于水資源較為短缺，為緩解水資源供需矛盾，火力發(fā)電基本上采用循環(huán)冷卻；南方地區(qū)由于水量豐富，大多采用直流冷卻。但總體而言，我國大部分火力發(fā)電廠仍采用循環(huán)冷卻的供水方式，因此，在計算火力發(fā)電過程中的耗水量時，均采用循環(huán)冷卻方式的單位發(fā)電量用水量。太陽能發(fā)電的耗水主要指清潔和冷卻所消耗的水資源；水力發(fā)電本身并不耗水，其水耗主要來源于發(fā)電過程中的蒸發(fā)和水庫下滲[21]。考慮到水資源稟賦、生產(chǎn)工藝、政策等方面的影響，不同區(qū)域間的單位能源生產(chǎn)耗水量有較大差異，因此，以我國除西藏和港澳臺以外的30個省級行政區(qū)(以下簡稱省區(qū))作為基礎(chǔ)單元，結(jié)合各省區(qū)行業(yè)用水定額(表1)以及《中國能源統(tǒng)計年鑒2016》中統(tǒng)計的能源生產(chǎn)量，核算能源耗水量。

表1 各地區(qū)能源生產(chǎn)用水定額 單位：m3/t

定額法計算公式為

Wi=Eiqi

(1)

式中：Wi為第i類能源生產(chǎn)的耗水總量，m3；Ei為第i類能源的生產(chǎn)量，t；qi為第i類能源生產(chǎn)用水定額，m3/t。

部分省區(qū)采煤、洗煤或原油開采和加工用水定額統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺失，主要是由于該地區(qū)煤炭或石油的生產(chǎn)量較少，未將其納入用水定額統(tǒng)計中。統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn)，能源產(chǎn)量與用水定額存在一定的相關(guān)關(guān)系，總體來說，產(chǎn)量高的地區(qū)用水定額相對較低，所以計算時采用煤炭或原油產(chǎn)量相近地區(qū)的用水定額值。根據(jù)部分地區(qū)已有的天然氣開采用水定額數(shù)據(jù)，計算天然氣開采用水量時，缺失數(shù)據(jù)的地區(qū)采用天然氣開采用水定額均值進行核算，均選用2.86 m3/t的定額值。除火力發(fā)電外，水能、太陽能等自然能源發(fā)電耗水都包括在本文核算內(nèi)，定額數(shù)值采用Davies等[24-25]的成果，計算結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在6類能源中，火力發(fā)電耗水量最大，水力發(fā)電次之，其次分別為原煤、原油、天然氣，太陽能生產(chǎn)耗水量最小。從空間分布上看，原煤生產(chǎn)與火力發(fā)電的耗水量區(qū)域分布特征較為相似，主要是由于大多火力發(fā)電廠以煤炭作為一次能源產(chǎn)生熱能，所以煤炭主產(chǎn)區(qū)，如內(nèi)蒙古、新疆等地，火力發(fā)電量較大，相應的耗水量也比較大。雖然陜西煤炭生產(chǎn)量高，但大部分煤炭調(diào)往外省，火力發(fā)電量不高；廣東和江蘇雖然本地煤炭產(chǎn)量低，但為煤炭調(diào)入大省，所以這些省份原煤生產(chǎn)與火力發(fā)電耗水量空間分布不匹配。原油和天然氣生產(chǎn)耗水量分布與能源分布差別較大，原油生產(chǎn)耗水量較大的地區(qū)主要為東北、西北地區(qū)以及山東、山西等省，天然氣生產(chǎn)耗水量較大的地區(qū)則主要為中西部地區(qū)，這是因為不同地區(qū)原油和天然氣用水定額相差不大，因此耗水總量主要由能源生產(chǎn)量決定。太陽能發(fā)電耗水量較大的地區(qū)多分布在內(nèi)蒙古、新疆等西北地區(qū)，主要是因為西北地區(qū)日照充足，太陽輻射較強[26]，太陽能發(fā)電量大；水力發(fā)電耗水量分布則與水資源空間分布特征較為吻合，南方地區(qū)水資源充沛，水電站數(shù)量也較北方地區(qū)多，水力發(fā)電耗水量也呈現(xiàn)出南多北少的特點。將以上6類能源耗水量相加，得出2016年中國主要能源產(chǎn)業(yè)耗水量約為190億m3。除了以上6類能源外，由于風能發(fā)電、核能發(fā)電耗水量少，且數(shù)據(jù)不全面，因此此次核算未包括在內(nèi)；生物質(zhì)能等可再生能源生產(chǎn)耗水量也比較大，但由于缺少統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所以未計算該部分耗水量。

(a)原煤

2.2 水資源利用能耗計算

水資源利用中的能耗計算應考慮取水和供水兩部分內(nèi)容，具體來說，包括地下水抽取，地表水的蓄水、引水、提水、調(diào)水過程，污水處理回用，自來水廠通過輸水管道向用戶供水等環(huán)節(jié)。由于計算時涉及環(huán)節(jié)較多，所需數(shù)據(jù)量大且難以獲取，本研究通過查閱相關(guān)文獻、統(tǒng)計年鑒等確定各環(huán)節(jié)的單位能耗值，計算結(jié)果較為粗略。

2.2.1地下水抽取

地下水抽取耗能量取決于地下水埋深、水泵效率、抽取量等因素。Rothausen等[27]根據(jù)研究得出，當泵的工作效率達到100%時，將1 m3的水提升1 m需消耗0.002 73 kW·h電能。Wang等[16]根據(jù)上述研究成果，在考慮水泵效率和用水效率的基礎(chǔ)上，提出地下水抽取的能耗計算公式：

(2)

式中：EG為地下水抽取總耗能量，kW·h；V1為抽水量，m3；h1為抽水揚程，m；η1為抽水設(shè)備的效率；L為輸電損耗(僅在電力設(shè)備計算時考慮)。

地下水抽取主要有以電動機、柴油機為動力機械帶動水泵抽取和人工抽取3種方式，因此在計算時應從地下水抽取量中剔除人工取水量。以省區(qū)作為基礎(chǔ)單元，根據(jù)《全國第一次水利普查公報》獲取各省區(qū)人力井取水量，并假設(shè)2016年該值不變。在已有研究[28]基礎(chǔ)上，設(shè)機電井和柴油泵抽水量占比分別為24%和76%，水泵效率分別為40%和15%。根據(jù)《2016中國電力年鑒》，估計電網(wǎng)系統(tǒng)的輸電損耗為7%。

通過查閱地下水動態(tài)公報，獲取松遼平原、黃淮海平原、山西省及西北地區(qū)盆地和平原、江漢平原的地下水平均埋深值，共涉及18個省區(qū)，在計算這些地區(qū)的地下水抽取能耗時，地下水埋深采用平均值。其他省區(qū)地下水位數(shù)據(jù)通過《中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測地下水位年鑒》獲取，對分布在各省區(qū)的國家級地下水監(jiān)測點利用ArcGIS進行空間插值，統(tǒng)計各地區(qū)的地下水平均埋深。各省區(qū)地下水利用量數(shù)據(jù)從2016年水資源公報中獲取，如表2所示。依據(jù)式(2)計算出地下水取水能耗為27.89 TW·h。

表2 各省區(qū)地下水埋深與利用量

2.2.2地表水利用

在供水方面，地表水的蓄水過程是指利用水庫或蓄水池儲存水資源，引水則是指將水資源從蓄水處引入城市供水工程處，大多是利用重力勢能從地勢高的地區(qū)引到地勢低的地區(qū)，因此，這兩個環(huán)節(jié)能耗較小，可忽略不計。取水主要是利用水泵、水車等動力設(shè)備將水資源從河道、湖泊等地勢低的地區(qū)提取到地勢高的地區(qū)，能耗較大，采用以下公式[29]計算：

(3)

式中：ET為地表水提水總耗能，kW·h；ρ為水的密度，kg/m3；V2為取水量，m3；h2為取水設(shè)備揚程，m；g為重力加速度，m/s2；η2為提水設(shè)備的效率，一般取0.75。

取水設(shè)備的揚程可近似為河床和地面的高程差，可根據(jù)各省區(qū)的地勢條件取值，平原地區(qū)一般取5 m，山區(qū)的取水高程遠遠大于平原地區(qū)，取平均值為20 m。根據(jù)式(3)計算出地表水取水能耗為35.66 TW·h。

調(diào)水工程是指跨越水資源一級區(qū)或獨立流域的供水工程，中國的調(diào)水工程主要包括南水北調(diào)、引灤入津、引黃濟青、引江濟太、東深引水等工程。根據(jù)以往研究成果，中國單位長度(每km)調(diào)水工程的單位輸水能耗為0.004 5 kW·h/m3，結(jié)合中國重點調(diào)水工程的調(diào)水量及輸水長度等信息，最終計算出調(diào)水工程總能耗為27.59 TW·h。

2.2.3供水

供水過程包括兩部分：處理和輸配。由于各地區(qū)是以自來水廠為單位進行供水，原則上應獲取各自來水廠的年耗電量，但是全國有3 000多座自來水處理設(shè)施，數(shù)據(jù)量太大，難以獲取。因此，統(tǒng)計京津冀地區(qū)的北京市自來水集團、北京市石景山區(qū)自來水公司等12個規(guī)模較大的水廠用電情況與年供水量，將其耗電量平均值作為全國單位制水和輸配水耗電量綜合定額，平均值為0.374 kW·h/m3?？紤]到自來水廠提供的自來水主要用于居民的生活，由此估算2016年中國常規(guī)水供水能耗總量為30.73 TW·h。

據(jù)國家海洋局公布的數(shù)據(jù)，截至2016年底，全國應用反滲透技術(shù)的工程111個，產(chǎn)水規(guī)模792 615 t/d，單位體積海水淡化耗電量為2.3～6.8 kW·h/m3；應用低溫多效技術(shù)的工程16個，產(chǎn)水規(guī)模369 150 t/d，單位體積海水淡化耗電量為2.5～9.0 kW·h/m3；應用多級閃蒸技術(shù)的工程1個，產(chǎn)水規(guī)模6 000 t/d，單位體積海水淡化耗電量為2.5～4.4 kW·h/m3；應用電滲析技術(shù)的工程2個，產(chǎn)水規(guī)模300 t/d，單位體積海水淡化耗電量為16.0～20.0 kW·h/m3[30]。最終計算得出中國2016年海水淡化能耗總量為1.01 TW·h。

2.2.4污水處理回用

Xie等[31]對中國2009年1 856個污水處理廠的能耗狀況進行了統(tǒng)計，并對污水處理廠的規(guī)模及運行效率對能耗的影響進行了分析。結(jié)果表明，污水處理廠的平均能耗為0.254 kW·h/m3，且能耗隨處理規(guī)模及運行負載率的提高而降低。而再生水回用與污水處理相比，能耗更大。參考世界資源研究所發(fā)布的報告[32]，單位再生水回用能耗值為0.82 kW·h/m3。通過查閱2016年《水資源管理年報》獲取全國污水處理量及再生水回用量分別為485.28億m3和82.48億m3，其對應的總能耗分別為12.33 TW·h和6.76 TW·h。

3 結(jié) 論

a.中國6類主要能源生產(chǎn)的耗水情況為火力發(fā)電耗水量最大，水力發(fā)電次之，其后分別為原煤、原油、天然氣生產(chǎn)，太陽能發(fā)電耗水量最小，2016年中國主要能源生產(chǎn)過程中耗水量約為190億m3，約占當年全國用水總量的3.14%。

b.將水資源劃分為地表水、地下水、調(diào)水工程供水、海水淡化和再生水回用等類別，核算出2016年中國水資源利用過程中的能耗約為142 TW·h，其中地表水取水總能耗最大，非常規(guī)水源利用總能耗較小。

c.核算中國能源生產(chǎn)過程中耗水量時涵蓋的能源種類需更加全面。除了以上6類能源外，生物質(zhì)能等可再生能源生產(chǎn)耗水量也比較大，未來隨著此類數(shù)據(jù)的補充和更新，核算方法應不斷細化和完善，從而得到更準確、全面的核算結(jié)果。

d.采用定額法對中國能源生產(chǎn)過程中耗水量和水資源利用過程中能耗的核算結(jié)果可為水資源和能源的合理配置提供參考。