水利工程領(lǐng)域在減碳方面的措施與進(jìn)展

李 奕 劉 佳 張 炯

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250014)

水利工程歷來(lái)是治國(guó)安邦的大事,是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)事業(yè),與減碳、控碳密切關(guān)系[1]。 本文從近年來(lái)國(guó)內(nèi)外水利領(lǐng)域在減碳方面所做的工作出發(fā),由水利施工、生態(tài)水利、水利水電和水利發(fā)展新方向四個(gè)方面對(duì)水利領(lǐng)域減碳措施進(jìn)行分類(lèi)總結(jié),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行展望。

1 水利施工中的減碳措施

黃躍群等[2]的研究表明,水利工程建設(shè)階段的碳排放量占全過(guò)程碳排放總量的92.3%,而投入運(yùn)行后的碳排放量則相對(duì)較少,因此,為了有效控制碳排放,應(yīng)該在建設(shè)階段就采取有效的措施,減少施工中碳排放量。 ZHANG et al.[3]經(jīng)過(guò)核算大型水電項(xiàng)目的碳足跡,同樣得出碳足跡的主要貢獻(xiàn)來(lái)自于建設(shè)階段的結(jié)論。 因此,水利工程建設(shè)階段的碳排放控制尤為重要,這就對(duì)水利施工提出了新的要求。 一方面,合理的施工技術(shù)能夠直接提升工程效率和質(zhì)量,有效節(jié)約時(shí)間成本;另一方面,綠色建材的使用可有效降低工程的總碳排放量,節(jié)約成本。

王鼎等[4]鼓勵(lì)項(xiàng)目參與和實(shí)施單位采取安全可靠的新工藝、新技術(shù)、新方法,以盡可能地降低能源消耗,并利用廢棄物。 琚兵[5]則認(rèn)為,合理控制混凝土搭配比,進(jìn)一步優(yōu)化砂漿劑量、攪拌水溫度控制、拆除時(shí)機(jī)等因素,并采取直螺紋連接技術(shù),有利于增加整體框架的穩(wěn)定性,從而減低對(duì)建材的消耗,節(jié)省費(fèi)用。 曹珊珊[6]提出,應(yīng)積極探索新興護(hù)岸材質(zhì),如植草專用磚、石籠、膜袋等,并不斷深入研究這些新型建材的工藝技術(shù),以實(shí)現(xiàn)真正的環(huán)保理念,進(jìn)而為水利工程減碳建設(shè)提供有效支持。 新興的信息技術(shù)有助于降低水利施工階段的碳排放量,王顯平[7]通過(guò)AI、GIS 和人工智能控制,將工程3D 模型、建筑材料種類(lèi)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械運(yùn)行路徑等數(shù)據(jù)應(yīng)用到施工機(jī)械設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)土石壩的無(wú)人攤鋪、無(wú)人碾壓,大大提升了施工效率,降低了成本,同時(shí)也有助于減少碳排放。 張笑程等[8]認(rèn)為,大部分施工原材料還能被二次利用,比如壩坡殘余的砂石,還能用來(lái)保護(hù)壩腳,不僅能節(jié)約原材料,還能降低能耗,還能降低碳排放。 同樣,固廢垃圾可以再應(yīng)用于水利堤壩基礎(chǔ)工程建設(shè)中,從而減少自然環(huán)境中土石挖掘量,在提高建筑垃圾利用率的同時(shí),降低水利施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響[9]。

將綠色材料在合理可行范圍內(nèi)應(yīng)用于工程建設(shè)已有驗(yàn)證與實(shí)例。 王崢等[10]總結(jié)了一系列可行的生產(chǎn)減碳固碳材料的前沿技術(shù),這些材料已經(jīng)被證明具有顯著的減碳固碳效果,并且這些技術(shù)具備大規(guī)模應(yīng)用的潛力,包括混凝土固碳技術(shù)、混凝土添加劑技術(shù)、鎂質(zhì)水泥以及混凝土新型膠凝材技術(shù)等,可以有效地減少水利施工過(guò)程中的碳排放量,從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。另一類(lèi)則是具有減碳效益的替代材料,LV et al.[11]在大壩建設(shè)階段利用鐵礦石尾礦骨料(IOTA)替代普通骨料(NA),并進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià),得出利用IOTA 制備的混凝土不僅具有更好的耐久性,而且與NA 相比具有更少的碳排放量的結(jié)論。 除了綠色材料的使用外,通過(guò)先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和管理措施,將水利工程建設(shè)中的廢棄物轉(zhuǎn)化為再利用資源,同樣是降低碳排放的途徑。 曹文潔[12]借鑒國(guó)內(nèi)建設(shè)工程廢水回收再利用的經(jīng)驗(yàn),提出了混凝土拌和系統(tǒng)處理工藝、砂石篩分站廢水處理工藝、含油廢水處理工藝以及隧洞施工廢水處理工藝等,應(yīng)用于新疆阿爾塔什水電站工程中,能達(dá)到滿足工程需求、生態(tài)環(huán)保的目的。 這一系列施工技術(shù)、綠色材料的應(yīng)用和建材再利用的措施,有助于降低水利施工建設(shè)階段的工程碳排放量,為碳減排做出貢獻(xiàn)。

2 生態(tài)水利建設(shè)中減碳措施

生態(tài)保護(hù)與工程建設(shè)是密不可分的。 崔保山等[13]提出,生態(tài)水利是一個(gè)新興的學(xué)科研究領(lǐng)域,它將有助于單一的、局部的水利模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦尤?、多樣化、?fù)雜的、系統(tǒng)性的水利模式,以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)的需求,旨在解決當(dāng)前與未來(lái)發(fā)展之間的矛盾、克服重經(jīng)濟(jì)而輕環(huán)保的生態(tài)水利也是響應(yīng)碳減排的有力措施。

水生態(tài)固碳性能的提升是生態(tài)水利減碳的重點(diǎn)。水生態(tài)固碳又稱為“藍(lán)碳”,是指水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)所固定的碳,水生態(tài)固碳能力的提高直接響應(yīng)碳排放的降低。 為提升水生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力,需要從內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展兩個(gè)方面入手,以實(shí)現(xiàn)水生態(tài)建設(shè)的最佳布局。 其中,內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化旨在發(fā)揮系統(tǒng)的固碳功用,而區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展則是根據(jù)不同地區(qū)的特點(diǎn),采取差異化的生態(tài)建設(shè)措施,以達(dá)到固碳的效果[14]。左其亭等[1]提出可以通過(guò)改善水生態(tài),加強(qiáng)水體固碳功能,積極地推動(dòng)綠色低碳管理模式的建立。 為此,應(yīng)加強(qiáng)物種多樣性的保護(hù),改進(jìn)碳捕集與封存工藝技術(shù),并建立有效的制度保障機(jī)制,以確保水域固碳的有效性。 值得一提的是,海洋植物的固碳能力不容忽視。經(jīng)劉霞[15]統(tǒng)計(jì),海洋植物一年可從大氣中吸收約20億t 二氧化碳,其中紅樹(shù)林、鹽沼地和海草床每年可存儲(chǔ)16.5 億t 二氧化碳,這一數(shù)字相當(dāng)于全球交通碳排放量的一半。 因此,港灣、沿海地區(qū)的水利工程可考慮引入藍(lán)碳技術(shù),充分發(fā)揮海洋植物強(qiáng)大的儲(chǔ)碳功能,增強(qiáng)區(qū)域水生態(tài)的固碳能力。 此外,隨著濕地生態(tài)系統(tǒng)所蘊(yùn)含的固碳能力被發(fā)掘,退田還澤、濕地生態(tài)保護(hù)等區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略也更加重要。

生態(tài)修復(fù)是生態(tài)水利減碳的另一個(gè)重點(diǎn),以竣工后的工程區(qū)域以及河湖流域修復(fù)為主。 生態(tài)水利堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展、以水而定、量水而行的原則,在傳統(tǒng)水利工程建設(shè)過(guò)程中融入“綠水青山就是金山銀山”的理念[16]。 高國(guó)力等[17]從生態(tài)保護(hù)等8 個(gè)維度選取指標(biāo),采取熵權(quán)法對(duì)黃河流域的生態(tài)保護(hù)進(jìn)展作評(píng)價(jià),結(jié)果表明,黃河流域的生態(tài)修復(fù)總體按照平穩(wěn)的速度推進(jìn)。 趙進(jìn)勇等[18]通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外河湖生態(tài)修復(fù)技術(shù)的進(jìn)展,認(rèn)為應(yīng)以河湖生態(tài)環(huán)境容量倒逼兩岸第一、第二產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。 孫鵬程等[19]認(rèn)為海河流域河湖修護(hù)措施應(yīng)從水量管理、水文節(jié)律管理、水環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)行加強(qiáng),要建立完善的生態(tài)調(diào)度補(bǔ)水保障體系,致力建設(shè)美麗海河。 曾旭等[20]以向家壩工程為例,對(duì)其擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行了植被的生態(tài)恢復(fù)研究,將工程擾動(dòng)區(qū)劃分為核心區(qū)、服務(wù)區(qū)和過(guò)渡區(qū),并根據(jù)各區(qū)的主要功能要求和影響特點(diǎn),采取有效的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)和物種配置,形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、多樣性豐富、具有復(fù)合功能的植被景觀,從而有效地提升了植物碳匯。 王學(xué)雷等[21]通過(guò)研究長(zhǎng)江流域的濕地保護(hù),提出應(yīng)當(dāng)以自然恢復(fù)為主,人工復(fù)原為輔,科學(xué)合理地布置生態(tài)修復(fù)工程項(xiàng)目,以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域河湖林田的和諧共生,從而保護(hù)濕地資源。 人工濕地也是一個(gè)增加碳匯的有效措施。 吳海明[22]在研究人工濕地溫室氣體的釋放特征時(shí)發(fā)現(xiàn),人工濕地系統(tǒng)表現(xiàn)為大氣二氧化碳(CO2)的吸收匯,僅在冬季表現(xiàn)為CO2的弱排放源,因?yàn)槠淇赏ㄟ^(guò)植物的光合作用固定大氣中的CO2。 水利的生態(tài)修復(fù)不僅可以增加碳匯,還通過(guò)維持生態(tài)平衡,實(shí)現(xiàn)水利領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展[23]。

3 水利水電項(xiàng)目實(shí)施減碳措施

近年來(lái),我國(guó)能源消費(fèi)中化石能源占比高達(dá)80%以上,由此產(chǎn)生了大量的碳排放[24]。 水電作為清潔能源,具有啟停速度快、工況轉(zhuǎn)換靈活、調(diào)節(jié)范圍大、高效儲(chǔ)能等特點(diǎn)[25],在構(gòu)建以新能源為主體的電力系統(tǒng)過(guò)程中,水電將發(fā)揮不可替代的支柱性作用。 這對(duì)減碳背景下水利水電的發(fā)展有了更明確的要求,水電逐漸從以單一發(fā)電為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀萘恐螢橹鱗26],以此助力能源快速轉(zhuǎn)型,在電力領(lǐng)域?yàn)榻档吞寂欧抛龀鲐暙I(xiàn)。

抽水蓄能電站對(duì)優(yōu)化整個(gè)電網(wǎng)資源配置起著非常重要的作用,同時(shí)也是未來(lái)新能源發(fā)展中必不可少的重要儲(chǔ)能技術(shù)[27]。 周建平等[25]認(rèn)為,當(dāng)前水電開(kāi)發(fā)的任務(wù)是抽水蓄能電站與“儲(chǔ)能工廠”協(xié)同建設(shè),推動(dòng)清潔電力的高質(zhì)量發(fā)展,實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站的高效運(yùn)行,充分發(fā)揮抽水蓄能電站的輔助儲(chǔ)能效益。 ZHAO et al.[28]采用協(xié)同博弈法,在計(jì)算了抽水蓄能電站的輔助業(yè)務(wù)成本、綜合分析了固定和可變成本后,提出了抽水蓄能電站機(jī)組當(dāng)日調(diào)度的計(jì)算機(jī)制,并將其應(yīng)用于多功率最優(yōu)調(diào)度。 黃庶等[29]采用基態(tài)和N-1 故障下網(wǎng)絡(luò)安全約束的校驗(yàn)添加法,建立了一個(gè)包含風(fēng)電場(chǎng)和抽水蓄能電站的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型,以有效地發(fā)揮抽水蓄能發(fā)電機(jī)組的削峰填谷作用,并有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電隨機(jī)性的挑戰(zhàn)。 除了考慮抽水蓄能電站的積極影響外,科研工作者也一直在研究其負(fù)面的生態(tài)影響以及應(yīng)對(duì)措施。 LI et al.[30]系統(tǒng)分析了抽水蓄能電站與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)機(jī)制,結(jié)果表明,施工成本、裝機(jī)容量、日抽水量和平均日用電量這4 個(gè)因素對(duì)耦合協(xié)調(diào)度有顯著的負(fù)面影響,有必要采取相應(yīng)的措施來(lái)減輕這些因素對(duì)環(huán)境造成的壓力。 向正林等[31]對(duì)海水抽水蓄能電站的環(huán)境影響進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示,應(yīng)控制并降低抽水蓄能電站運(yùn)行過(guò)程中的COD(化學(xué)需氧量)排放濃度,以滿足當(dāng)?shù)貙?duì)海水水質(zhì)的要求。 因此,充分發(fā)揮抽水蓄能電站對(duì)于碳減排的積極作用,不僅需要加強(qiáng)電站的建設(shè),還應(yīng)對(duì)其運(yùn)行調(diào)度以及監(jiān)督管理模式進(jìn)行優(yōu)化。

在傳統(tǒng)水電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與發(fā)展過(guò)程中造成的環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題同樣不可忽略。 ZHANG et al.[32]通過(guò)構(gòu)建水電的水碳關(guān)系模型,建議將水電的水資源利用作為下游生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的生態(tài)指標(biāo),然后將兩者結(jié)合起來(lái),促進(jìn)流域水資源管理。 賈建輝等[33]以武江干流為例,評(píng)估了對(duì)水電發(fā)展對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,結(jié)果表明,水電發(fā)展會(huì)對(duì)生物多樣性和水土保持造成嚴(yán)重的負(fù)面影響,因此,未來(lái)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)水電可持續(xù)利用的研究,并采取有效的生態(tài)補(bǔ)償措施。 與傳統(tǒng)水電項(xiàng)目相比,小水電項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間較短,投資較少,是解決偏遠(yuǎn)、貧困地區(qū)用水困難、工程建設(shè)難度大等問(wèn)題有效且重要的途徑。 李萌等[34]提出,在減排降碳的大背景下,小水電通過(guò)自身的開(kāi)發(fā)及與風(fēng)電、光電等一體化的發(fā)展,既可以直接或間接地增加可再生能源的供給,也有利于提高能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 KUMAR et al.[35]審查了印度區(qū)域的水電站后認(rèn)為,小型水電項(xiàng)目是水電可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)可行方案。 劉毅生等[36]在考察“雙碳”目標(biāo)下江西省水利工作時(shí)發(fā)現(xiàn),江西省擁有豐富的水能資源,除了傳統(tǒng)的水庫(kù)水能資源利用發(fā)展和河道閘壩水電開(kāi)發(fā)之外,還應(yīng)包括農(nóng)村小水電開(kāi)發(fā)及挖潛增效、合理利用水能資源,以促進(jìn)節(jié)能減排。

4 水利發(fā)展新方向中減碳措施與思考

在信息化時(shí)代的背景下,以智能手段提高系統(tǒng)運(yùn)行效率,減少工程碳排放,實(shí)現(xiàn)水利減碳、固碳技術(shù)方法升級(jí),加快推進(jìn)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化水利建設(shè)是新時(shí)代水利的發(fā)展趨勢(shì)[1]。 借助信息化技術(shù)的高速發(fā)展,水資源信息化管理、智慧水利等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 此外,隨著海綿城市的建設(shè)與發(fā)展,其蘊(yùn)含的減碳效益也備受重視。

隨著科技的蓬勃發(fā)展,傳統(tǒng)的水利信息工作模式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前水利改革的需求,甚至出現(xiàn)了不可調(diào)和的矛盾。 采用新一代信息技術(shù),尤其是大數(shù)據(jù)技術(shù)為有效解決這一矛盾提供了新的思路[37]。 智慧水利建設(shè)是推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的6 條實(shí)施路徑之一[38]。 耿磊等[39]基于無(wú)人機(jī)、遙感、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)構(gòu)建了西江流域的空天地一體化感知體系,使流域的智慧水利建設(shè)得以加快推進(jìn)。 徐健等[40]以福建省沙縣智慧水利信息平臺(tái)為實(shí)例,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“水利一張圖”、水資源管理系統(tǒng)、水利工程管理系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng),建設(shè)了配套的水利數(shù)據(jù)中心并制定了智慧水利標(biāo)準(zhǔn)。 張慧莉[41]針對(duì)聚氨酯材料在水利工程中的應(yīng)用指出,隨著新一代人工智能和通信技術(shù)的進(jìn)步,智慧灌漿、智慧噴涂、智慧嵌縫等智能化手段將取代人工方式,從而獲得更高的施工效率,并且減少碳排放。

海綿城市是適應(yīng)于中國(guó)復(fù)雜的地理氣候特征提出來(lái)的,是以中國(guó)悠久的水文化遺產(chǎn)為基礎(chǔ),并融合了當(dāng)代國(guó)際先進(jìn)的雨洪管理技術(shù)和生態(tài)城市思想而形成的理論、方法和技術(shù)體系[42]。 ZHANG et al.[43]設(shè)計(jì)了一個(gè)混合框架來(lái)分析城市水務(wù)系統(tǒng)的溫室氣體排放,指出有相當(dāng)一部分與水務(wù)設(shè)施有關(guān)的間接溫室氣體排放被嚴(yán)重低估。 蔣春博等[44]在對(duì)海綿城市建設(shè)的雨水基礎(chǔ)設(shè)施配置優(yōu)化進(jìn)行研究時(shí),提到海綿城市的建設(shè)是構(gòu)建和完善城市水污染治理、水生態(tài)修復(fù)的骨干工程。 因此,海綿城市對(duì)城市污水處理的積極促進(jìn)作用將有助于降低這一過(guò)程中的碳排放量。 賈玲玉[45]在研究海綿城市建設(shè)的低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn),海綿城市建設(shè)不僅能夠有效緩解城市內(nèi)澇問(wèn)題,還能降低城市的熱島效應(yīng),有效地實(shí)現(xiàn)碳減排。 SU et al.[46]通過(guò)構(gòu)建城市綜合排水系統(tǒng)碳排放的核算框架,計(jì)算碳排放量指出,海綿城市排水系統(tǒng)的碳排放量較傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)的碳排放量降低50%,同時(shí)污水處理和污泥的處置是造成碳排放的主要因素。 此外,KONG et al.[47]通過(guò)調(diào)查海綿城市試驗(yàn)區(qū)幾個(gè)地點(diǎn)的雨水污染物發(fā)現(xiàn),有更多工程措施(如透水路面、改良生物過(guò)濾器、截留溝等)的商業(yè)區(qū),可以有效地去除固體污染物和磷。 由此可見(jiàn),海綿城市建設(shè)是降低城鎮(zhèn)地區(qū)碳排放和水體污染的一個(gè)有效措施。

5 結(jié) 論

本研究總結(jié)并歸納了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)水利領(lǐng)域降低碳排放的研究以及具體措施,從水利施工、生態(tài)水利、水利水電、水利發(fā)展新方向四個(gè)方面介紹了近年來(lái)水利工程與減碳之間的聯(lián)系。 在水利施工方面,主要的減碳措施是廢棄建材的資源再利用以及綠色材料的應(yīng)用;在生態(tài)水利方面,主要的減碳措施是對(duì)水利工程區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)以及發(fā)揮綠色植物的固碳效益;在水利水電項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,抽水蓄能電站的建設(shè)與發(fā)展是建成綠色電網(wǎng)的關(guān)鍵,建設(shè)小水電項(xiàng)目對(duì)于降低碳排放的目標(biāo)也有幫助;在水利發(fā)展新方向上,優(yōu)先考慮借助信息化技術(shù)提高系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量,可以達(dá)到減少能耗、節(jié)能減排的效果,海綿城市的建設(shè)對(duì)降低碳排放同樣有益處。

水利工程建設(shè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要組成部分,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),與“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)息息相關(guān)。 水利行業(yè)的減碳研究,拓寬了水利領(lǐng)域碳減排的思路,體現(xiàn)出廣大科研工作者針對(duì)水利減碳工作所做出的努力。