社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)水 - 能 - 碳紐帶關(guān)系及低碳調(diào)控策略研究

王建華 ，朱永楠 ，李玲慧 ，李嘉欣 ，姜珊 ，何國(guó)華

（1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3. 鄭州大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，鄭州 450001）

一、前言

20世紀(jì)以來(lái)，全球用水需求增長(zhǎng)了6倍，與此同時(shí)氣候變化導(dǎo)致水資源的時(shí)空分異使得水安全保障問(wèn)題更加突出[1]。為應(yīng)對(duì)水資源短缺，世界各國(guó)致力于水資源保護(hù)，從水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、水科學(xué)技術(shù)發(fā)展、現(xiàn)代化水管理等方面均作出了努力[2]。人類活動(dòng)對(duì)自然水循環(huán)過(guò)程的擾動(dòng)日益增加，形成了大規(guī)模的“取水 - 供水 - 用水 - 排水”側(cè)枝循環(huán)過(guò)程；隨著區(qū)域間貿(mào)易的發(fā)展，蘊(yùn)含在產(chǎn)品中的“虛擬水”在不同地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中運(yùn)移、轉(zhuǎn)化，原有的自然水系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤白匀?- 社會(huì)”二元水循環(huán)系統(tǒng)[3]。與主要依靠太陽(yáng)輻射、地心引力等自然能驅(qū)動(dòng)的自然水循環(huán)相比，社會(huì)水循環(huán)通過(guò)水利工程控制和調(diào)配將水資源引向社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[4]，改變了原有自然水循環(huán)路徑；各個(gè)環(huán)節(jié)受機(jī)械力、電能和熱能等人工驅(qū)動(dòng)力的影響[5]，均需要消耗能源，如利用地表水或地下水需要筑壩蓄水、渠道引水、跨流域調(diào)水、泵站提水。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城市供水量快速增長(zhǎng)，2021年我國(guó)城市供水量為6.733×1010m3，較2001 年增長(zhǎng)44.5%，供水系統(tǒng)能耗隨之增加。為緩解缺水地區(qū)的水資源供需矛盾，具有能源密集型、高耗能特征的海水淡化、污水處理回用等非常規(guī)水利用量逐年增加[6]，加劇了社會(huì)水循環(huán)的能源消耗，擴(kuò)大了碳排放的規(guī)模。

我國(guó)是水資源緊缺的國(guó)家，近年來(lái)通過(guò)全面實(shí)施國(guó)家節(jié)水行動(dòng)，水資源利用效率持續(xù)提高[7]，以世界6%的水資源量養(yǎng)育了世界近20%的人口[8]，支撐著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的高水平保護(hù)。我國(guó)也是能源消耗和溫室氣體排放大國(guó)[9]，面對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)水資源和能源消耗增加、積極應(yīng)對(duì)氣候變化的現(xiàn)實(shí)需求，“水 - 能 - 碳”紐帶關(guān)系逐漸成為研究熱點(diǎn)。通過(guò)系統(tǒng)配置及模擬將自然社會(huì)碳排放與水資源系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，提出了基于低碳發(fā)展模式的水資源合理配置方法[10]；針對(duì)電力行業(yè)，梳理了“水 - 能”耦合關(guān)系，認(rèn)為應(yīng)綜合評(píng)估“水 - 能”耦合關(guān)系，分析溫室氣體排放等環(huán)境問(wèn)題[11]；從“水 - 土 - 能 - 碳”耦合角度，解析了系統(tǒng)的耦合機(jī)制，指出自然條件、經(jīng)濟(jì)水平、生產(chǎn)效率、技術(shù)水平是影響系統(tǒng)發(fā)展的主要因素[12]。生產(chǎn)與消費(fèi)數(shù)量的不匹配形成了商品的調(diào)運(yùn)與流通[13]，利用投入產(chǎn)出表開(kāi)展各省份消費(fèi)足跡研究，發(fā)現(xiàn)不同省份“水 - 能 - 碳”外部足跡呈正相關(guān)，需要建立更全面的“水 - 能 - 碳”框架以描述生產(chǎn)及消費(fèi)環(huán)節(jié)的耦合機(jī)制[14]。

在我國(guó)提出碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）目標(biāo)后，水利工作者圍繞實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)對(duì)水利的需求開(kāi)展探討[15]，目前關(guān)于水利碳中和的研究集中在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的總體思路和研究框架[16]，具體包括加快水電開(kāi)發(fā)利用與發(fā)展低碳能源[17]、提高水生態(tài)系統(tǒng)固碳能力[18]、尋求水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及運(yùn)行期的低碳發(fā)展路徑[19,20]等；對(duì)水資源利用過(guò)程中的碳排放研究則集中在城市水系統(tǒng)[21]，特別是污水處理環(huán)節(jié)[22]，也以典型城市為例核算了社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)的碳排放[23,24]。然而，缺乏對(duì)我國(guó)社會(huì)水循環(huán)全過(guò)程碳排放研究，特別是不同地區(qū)、不同環(huán)節(jié)、不同工藝下的水系統(tǒng)能源消耗和碳排放特點(diǎn)的對(duì)比研究，需要深入謀劃水利碳減排的貢獻(xiàn)途徑，以促進(jìn)系統(tǒng)綠色低碳發(fā)展。

面對(duì)“雙碳”目標(biāo)要求，積極應(yīng)對(duì)氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水不斷增加的現(xiàn)實(shí)需求，本文從水資源利用中水 - 能 - 碳排放之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系出發(fā)，梳理社會(huì)水循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)中的能源消耗和碳排放過(guò)程，分析2009—2021年社會(huì)水循環(huán)能源消耗和碳排放變化趨勢(shì)，探討碳排放總量及強(qiáng)度變化的主要影響因素以及存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)；研究“雙碳”目標(biāo)下的社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)中水 - 能 - 碳綜合管理策略，提出減排降碳的方法和措施，支撐碳中和目標(biāo)下的能源與水協(xié)同安全保障。

二、社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)水 - 能 - 碳紐帶關(guān)系解析

水在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中形成的“取水 - 供水 - 用水 - 排水”循環(huán)過(guò)程，即為社會(huì)水循環(huán)[3]。近年來(lái)，社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)不斷向多樣化、機(jī)械化、電氣化發(fā)展，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程實(shí)際上是以機(jī)械能換勢(shì)能、換水量、換水質(zhì)、換壓力的過(guò)程，伴隨著巨大的水和能源消耗，存在著復(fù)雜的水 - 能 - 碳紐帶關(guān)系（見(jiàn)圖1）。根據(jù)溫室氣體核算體系[25]，碳排放包括化石燃料使用、投放藥劑和氧化過(guò)程中產(chǎn)生的直接碳排放，使用電力、熱力產(chǎn)生的間接碳排放以及行業(yè)運(yùn)行過(guò)程中上、下游產(chǎn)生的其他碳排放。

圖1 社會(huì)水循環(huán)主要耗能及碳排放環(huán)節(jié)

取水是社會(huì)水循環(huán)的始端，包括直接從江河、湖泊、海洋或地下含水層等取水，根據(jù)導(dǎo)流形式的不同細(xì)分為蓄水、引水、提水、調(diào)水等。其中，提水工程由于存在供水和受水兩地高程差，需要借助抽水泵以機(jī)械能換取勢(shì)能完成提水，一些調(diào)水工程也需要進(jìn)行提水。從用水對(duì)象來(lái)看，城市生活與工業(yè)取水工程以電力驅(qū)動(dòng)為主，間接產(chǎn)生碳排放；農(nóng)業(yè)灌排泵則多為分散式分布，配套動(dòng)力以柴油與電動(dòng)機(jī)并重的模式；工程應(yīng)急需要少量使用柴油抽水泵，使用期間會(huì)直接產(chǎn)生碳排放。近年來(lái)，結(jié)合區(qū)域資源優(yōu)勢(shì)，建成熱能、水能、風(fēng)力或太陽(yáng)能等環(huán)保型泵站，踐行綠色低碳發(fā)展。

供水是將水資源由水源地通過(guò)管道或水泵輸送至農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活等用水戶的過(guò)程。農(nóng)業(yè)灌溉供水系統(tǒng)主要由輸水渠、控制閘、抽水站等控制系統(tǒng)組成，地表或地下水經(jīng)由各級(jí)輸水渠輸送并分配到田間。生活用水和大部分工業(yè)對(duì)水質(zhì)有更高的要求，需通過(guò)水廠凈化后向用戶供水。目前，我國(guó)城市供水技術(shù)以混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒等流程為主[26]，取水、送水、加藥系統(tǒng)等環(huán)節(jié)均是水廠間接碳排放的主要環(huán)節(jié)。輸配水管網(wǎng)是連接水廠和用水戶的重要系統(tǒng)，隨著我國(guó)城市規(guī)模的擴(kuò)大，輸配水管網(wǎng)形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模龐大的體系。為滿足末端用水戶的需求，管網(wǎng)壓力需保持在較高的范圍[27]，系統(tǒng)在消耗電力的同時(shí)產(chǎn)生間接碳排放。降低泵站耗能、控制管網(wǎng)漏損，是實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)高效節(jié)能、城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)安全運(yùn)行的重點(diǎn)問(wèn)題。

用水系統(tǒng)是社會(huì)水循環(huán)的核心環(huán)節(jié)[28]，按照用水主體可分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)用水。不同灌溉模式是造成農(nóng)業(yè)用水相關(guān)耗能差異的主要原因[29]；與傳統(tǒng)雨養(yǎng)或漫灌模式相比，噴灌和滴灌模式可以使水資源利用效率顯著提高，但能耗強(qiáng)度較高。在用水環(huán)節(jié)中，工業(yè)、家庭生活及商業(yè)用水的能耗相較其他環(huán)節(jié)更高[30]。水是工業(yè)生產(chǎn)的重要原料之一，目前眾多工業(yè)行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)都和水有直接或間接的關(guān)系；根據(jù)用水類型可分為生產(chǎn)用水、輔助生產(chǎn)用水、附屬生產(chǎn)用水三大類，用水過(guò)程需使用電力或化石能源對(duì)水加熱或形成工藝系統(tǒng)水循環(huán)。家庭生活用水環(huán)節(jié)需消耗的能量主要是加熱耗能和機(jī)械耗能。隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民生活水平的不斷提升，生活用水系統(tǒng)已達(dá)到較高的電氣化水平，用水機(jī)械耗能以電力消耗為主，間接產(chǎn)生碳排放；用水加熱耗能環(huán)節(jié)則使用電力、天然氣、煤氣、太陽(yáng)能等，同時(shí)存在直接和間接碳排放。

隨著商貿(mào)物流的高速發(fā)展，產(chǎn)品流通的規(guī)模和范圍逐年擴(kuò)大。無(wú)論是食品、日用品、服飾，還是五金、化工產(chǎn)品，幾乎所有產(chǎn)品在生產(chǎn)和加工過(guò)程中都需要水；產(chǎn)品加工消耗的水隨著商品在不同產(chǎn)業(yè)和部門之間、生產(chǎn)部門與消費(fèi)者之間流通，形成虛擬水轉(zhuǎn)移。相對(duì)于實(shí)體水資源而言，商品更便于運(yùn)輸，因而虛擬水戰(zhàn)略被認(rèn)為是一種可以緩解水資源短缺的有效手段[31]。產(chǎn)品在以汽車、火車、飛機(jī)、輪船等方式運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中需要消耗能源，同時(shí)產(chǎn)生直接和間接碳排放，形成貿(mào)易隱含水 - 能 - 碳關(guān)聯(lián)關(guān)系。

排水系統(tǒng)根據(jù)用水主體可分為農(nóng)業(yè)排水和城市排水兩類。農(nóng)業(yè)排水系統(tǒng)主要收集農(nóng)田中多余的地表水、土壤水及地下水；城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)主要收集居民生活污水和工業(yè)廢水，涉及污水收集、輸送、處理、回用、排放等環(huán)節(jié)。污水中含有大量有機(jī)物，因此相應(yīng)厭氧和好氧過(guò)程將直接釋放CH4、NO、CO2。污水處理行業(yè)屬于電力密集型行業(yè)[32]，污水及污泥提升泵、物理凈化、生物處理、污泥處置等設(shè)施和環(huán)節(jié)均需消耗大量的電力，加之污水處理過(guò)程需外加藥劑，電力消耗和藥劑消耗均會(huì)帶來(lái)間接碳排放。

社會(huì)水循環(huán)作為自然水循環(huán)的側(cè)枝，一方面受到區(qū)域地理特征、氣候水資源本底條件等自然因素的制約，另一方面受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科技、管理等的多方因素的影響和作用[3]，不同區(qū)域水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及水 - 能 - 碳關(guān)聯(lián)關(guān)系可能存在差異[24]。同時(shí)，節(jié)水節(jié)能、減污降碳存在復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，仍需深入解析并量化系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)、各種技術(shù)之間的水 - 能 - 碳動(dòng)態(tài)關(guān)系。

三、社會(huì)水循環(huán)耗能與碳排放現(xiàn)狀

本研究根據(jù)溫室氣體核算體系，計(jì)算了2009—2021年我國(guó)社會(huì)水循環(huán)全過(guò)程的能源消耗量和碳排放量，重點(diǎn)分析了不同環(huán)節(jié)、重點(diǎn)地區(qū)、單位水量能耗及碳排放的差異。以我國(guó)31個(gè)省級(jí)行政區(qū)（不包含港澳臺(tái)）為主要研究對(duì)象，計(jì)算過(guò)程包括取水、供水、用水、排水等諸多環(huán)節(jié)，涉及不同環(huán)節(jié)、不同地區(qū)的水量、能源消耗和碳排放數(shù)據(jù)，相應(yīng)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于統(tǒng)計(jì)年鑒、參考文獻(xiàn)、典型行業(yè)調(diào)查及估算等。水量數(shù)據(jù)主要來(lái)自水利部發(fā)布的《中國(guó)水資源公報(bào)》、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，供水及排水環(huán)節(jié)耗能與藥劑投入數(shù)據(jù)主要來(lái)自中國(guó)城鎮(zhèn)供排水協(xié)會(huì)發(fā)布的《城市供水統(tǒng)計(jì)年鑒》《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》，跨流域調(diào)水、海水淡化、“三產(chǎn)”用水等能耗及碳排放數(shù)據(jù)主要通過(guò)典型調(diào)查獲得，具體指標(biāo)和方法詳見(jiàn)表1。值得指出的是，社會(huì)水循環(huán)受地理位置、資源條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、設(shè)備技術(shù)水平等諸多因素的影響，存在明顯的區(qū)域特征，因而能耗及碳排放計(jì)算精確度不可避免地受到研究尺度的影響，存在一定的不確定性。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源及參考計(jì)算方法

（一）社會(huì)水循環(huán)各環(huán)節(jié)能耗及碳排放

我國(guó)總用水量呈現(xiàn)平穩(wěn)波動(dòng)的趨勢(shì)，2009 年、2021 年全國(guó)總用水量分別為5.864×1011m3、5.603×1011m3（見(jiàn)表2）。2021年，我國(guó)社會(huì)水循環(huán)實(shí)體水耗能為1.2×1012kW·h，占我國(guó)能源消費(fèi)量的2.5%；碳排放量為2.6×108t，占我國(guó)碳排放總量的2.2%；社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)中取水、供水、用水、排水等環(huán)節(jié)的設(shè)備電氣化程度較高，使得碳排放占比低于耗能占比。

表2 2009年及2021年我國(guó)用水結(jié)構(gòu)對(duì)比

取水、供水、用水、排水環(huán)節(jié)的碳排放量分別占社會(huì)水循環(huán)碳排放總量的4.3%、4.1%、77.7%、13.9%（見(jiàn)圖2）。取水環(huán)節(jié)主要包括河湖提水、跨流域調(diào)水、地下水開(kāi)采、海水取用等。2009—2021年，我國(guó)總?cè)∷炕静蛔?，跨流域調(diào)水量、海水取用量大幅增加，分別從2009 年的1.393×1010m3、4.888×1010m3增加到了2021 年的2.168×1010m3、1.459×1011m3，而地下水取水量減少約22%。由于不同水源取用比例的變化，取水過(guò)程的能源消耗略有增長(zhǎng)，增幅約為12.2%。隨著城鎮(zhèn)和農(nóng)村供水的規(guī)?；l(fā)展，供水管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施呈現(xiàn)規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，與2009年相比，2021年我國(guó)供水環(huán)節(jié)的碳排放強(qiáng)度增加了23.2%，總耗能、碳排放量分別增加了57.8%、65.8%。

圖2 全國(guó)社會(huì)水循環(huán)耗能及碳排放變化（2009—2021年）

用水是整個(gè)社會(huì)水循環(huán)的最大能量消耗環(huán)節(jié)。農(nóng)業(yè)是用水最多的生產(chǎn)部門，2021年農(nóng)業(yè)用水量占我國(guó)總用水量的61.6%；主要受太陽(yáng)能、重力勢(shì)能等自然能的驅(qū)動(dòng)，與水直接相關(guān)的耗能僅有灌溉用水、牲畜喂養(yǎng)等環(huán)節(jié)，因而碳排放強(qiáng)度較低。工業(yè)是第二大用水部門，近年來(lái)工業(yè)企業(yè)不斷推進(jìn)節(jié)水減排，工業(yè)用水呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)；2021年的工業(yè)用水量為1.05×1011m3，較2009 年下降了24.5%，用水平均碳排放量占社會(huì)水循環(huán)碳排放量的36.1%。2021 年，我國(guó)城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水合計(jì)為9.094×1010m3，與2009 年相比增加了21.5%。生活中的用水與用能高度相關(guān)，飲水、烹飪、清潔衛(wèi)生等均存在用水耗能和器具耗水，相關(guān)的碳排放量約占社會(huì)水循環(huán)碳排放量的35%。

排水主要包括污水的收集、處理、排放以及再生水處理等環(huán)節(jié)。污水中含有大量有機(jī)物，因而在排水及污水處理有機(jī)物降解的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生碳排放，直接碳排放量約占排水環(huán)節(jié)總碳排放量的40%。2021 年，我國(guó)城市污水排放量達(dá)6.251×1010m3，比2009 年增加了68.4%；我國(guó)污水處理能力也在逐年提升，2021 年相應(yīng)能力為2.1×108m3/d，是2009 年的1.3倍；由于污水處理規(guī)模增加、出水水質(zhì)提高，相應(yīng)碳排放量增加了2.6倍。

（二）不同環(huán)節(jié)及工藝的能源消耗、碳排放強(qiáng)度對(duì)比

以省份為研究單元，比較各環(huán)節(jié)及典型工藝的能源強(qiáng)度、碳排放強(qiáng)度。其中，能源強(qiáng)度指單位水量的能源消耗量，碳排放強(qiáng)度指單位水量的碳排放量。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于水資源本底條件及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的差異，我國(guó)各地區(qū)水循環(huán)耗能及碳排放強(qiáng)度存在較大差異（見(jiàn)圖3）。整體來(lái)看，取水環(huán)節(jié)的綜合能源消耗及碳排放強(qiáng)度最小。這是由于地表水蓄水及引水工程以自流為主，該部分水量約占地表水取用量的1/2，整體削弱了取水環(huán)節(jié)的碳排放強(qiáng)度。供水環(huán)節(jié)的單位耗能及碳排放強(qiáng)度在各省份較為接近，自來(lái)水廠制水、輸配水的平均耗能強(qiáng)度分別為0.3 kW·h/m3、0.4 kW·h/m3。由于供水規(guī)模差異，全國(guó)供水碳排放表現(xiàn)為東南部高、西北部低的空間分布狀態(tài)，其中廣東、江蘇、山東三省的碳排放量較高（均超過(guò)9×105t）。

圖3 社會(huì)水循環(huán)耗能及碳排放強(qiáng)度（2021年）

用水環(huán)節(jié)的“三產(chǎn)”碳排放強(qiáng)度存在顯著的行業(yè)及區(qū)域差異，其中工業(yè)用水相關(guān)碳排放強(qiáng)度最高（約為1～6 kg/m3），農(nóng)業(yè)用水相關(guān)碳排放強(qiáng)度最?。s為0.3 kg/m3）。生活用水受居民生活方式、器具差異影響顯著，相關(guān)碳排放強(qiáng)度約為0.2～4 kg/m3。從生活用水環(huán)節(jié)來(lái)看，飲食、洗浴等能耗高，受季節(jié)、個(gè)人習(xí)慣等因素的影響較大；洗浴環(huán)節(jié)用水耗能強(qiáng)度約為5～25 kW·h/m3[38]，碳排放強(qiáng)度約為3.4～17.1 kg/m3。污水處理工藝、排水執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)則是影響排水環(huán)節(jié)碳排放強(qiáng)度的主要因素。以北京市污水處理廠的碳排放分析結(jié)果為例，厭氧 - 缺氧 - 好氧生物脫氮除磷工藝（AAO）碳排放強(qiáng)度較低（約為1.0 kg/m3），膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝碳排放強(qiáng)度較高（1.8 kg/m3）[39]。2021年，我國(guó)排水環(huán)節(jié)碳排放平均強(qiáng)度相比2009年增加了78.6%

四、社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)低碳發(fā)展存在的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

（一）主要環(huán)節(jié)向高耗能、高碳排放發(fā)展

隨著居民生活水平的不斷提高，對(duì)水質(zhì)、水環(huán)境的要求也越來(lái)越高。上海、蘇州、雄安新區(qū)等地相繼實(shí)施高品質(zhì)供水示范項(xiàng)目，通過(guò)臭氧活性炭和納濾膜等[40]深度處理工藝將自來(lái)水提升至飲用水標(biāo)準(zhǔn)。為保護(hù)水環(huán)境，各地區(qū)逐步提高污水處理廠出水水質(zhì)要求，如河北保定、山東濰坊等地通過(guò)工藝改造、新建廠等方式建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)污水處理廠，出水主要檢測(cè)指標(biāo)已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2020）中的三類水要求[41]。供水和排水系統(tǒng)水質(zhì)的提高主要依靠改造、增加工藝流程或增加藥劑使用，這些處理均需新增能源動(dòng)力，直接增加了水系統(tǒng)的能耗及碳排放。以北京市污水處理系統(tǒng)為例，執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠碳排放強(qiáng)度約為1.09 kg/m3，而執(zhí)行北京市地標(biāo)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的平均碳排放強(qiáng)度提高至1.36 kg/m3。

整體來(lái)看，社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)均呈現(xiàn)從低能耗轉(zhuǎn)向高能耗、高碳排放的發(fā)展態(tài)勢(shì)。除供水、排水環(huán)節(jié)外，用水環(huán)節(jié)的低碳運(yùn)行也應(yīng)予以重視。近年來(lái)，現(xiàn)代物流不斷發(fā)展，商品生產(chǎn)與流通逐步分離，虛擬水貿(mào)易作為缺水地區(qū)解決水資源問(wèn)題的戰(zhàn)略受到更多關(guān)注[37]，然而，隨著商品轉(zhuǎn)移、銷售，碳足跡隨之產(chǎn)生?；?017年投入產(chǎn)出表構(gòu)建模型[42]發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江流域貿(mào)易隱含水 - 能 - 碳?jí)毫Τ尸F(xiàn)由經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)向欠發(fā)達(dá)省市轉(zhuǎn)嫁的現(xiàn)象，如上海市凈調(diào)入虛擬水約1.516×109m3，隱含碳約為1.16×108t，折合單方虛擬水碳排放強(qiáng)度達(dá)76.3 kg/m3，遠(yuǎn)高于實(shí)體水碳排放強(qiáng)度。因此，仍需從全局角度優(yōu)化市場(chǎng)端的水、能、碳資源配置，積極促進(jìn)碳中和。與此同時(shí)，隨著用水效率提升以及自動(dòng)化和智能化設(shè)備的廣泛應(yīng)用，用水環(huán)節(jié)的能源強(qiáng)度也呈增加趨勢(shì)。生活中的洗衣機(jī)、凈水機(jī)、洗碗機(jī)、拖地機(jī)器人等設(shè)備應(yīng)用，增加了生活用水的能源強(qiáng)度。工業(yè)行業(yè)中的鋼鐵、火電、石化等高耗水工業(yè)水循環(huán)技術(shù)顯著革新[43]，而水循環(huán)系統(tǒng)仍需依靠水泵控制形成閉路循環(huán)，由此帶來(lái)的高能耗問(wèn)題須予以重視[44]。

（二）水資源補(bǔ)源工程多是以能換水

我國(guó)水資源稟賦與社會(huì)經(jīng)濟(jì)格局存在時(shí)空布局不匹配情況。合理規(guī)劃并利用外調(diào)水，加快推進(jìn)再生水、雨水、海水淡化等非常規(guī)水工程建設(shè)，強(qiáng)化補(bǔ)源措施成為缺水地區(qū)保障供水安全的必然選擇。上述補(bǔ)源工程多是以能量消耗換取水量的空間轉(zhuǎn)移、水質(zhì)的快速凈化過(guò)程，與傳統(tǒng)水資源相比具有更高的耗能及碳排放強(qiáng)度。常規(guī)工藝的城市污水處理能源強(qiáng)度多為0.2～0.3 kW·h/m3，碳排放強(qiáng)度為0.6～0.7 kg/m3，而出水水質(zhì)更高的再生水能耗為0.8～1 kW·h/m3，碳排放強(qiáng)度為1.9～2.1 kg/m3，接近常規(guī)工藝污水處理碳排放強(qiáng)度的3 倍[41]。目前先進(jìn)的反滲透海水淡化能耗仍達(dá)3～4 kW·h/m3，碳排放強(qiáng)度為2.7～3.6 kg/m3。泵站是調(diào)水工程中用能最多的裝置，如南水北調(diào)東線工程輸水干線工程設(shè)34座泵站，中線工程干渠全程自流但支渠配套工程仍設(shè)有多級(jí)泵站，能源消耗大[45]，因而提升泵站運(yùn)行效率對(duì)工程節(jié)能減排、高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大。

整體來(lái)看，目前我國(guó)非常規(guī)水及調(diào)水規(guī)模相對(duì)較小，能源及碳排放總量規(guī)模不大；但基于我國(guó)自然氣候特征及社會(huì)發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)，短期內(nèi)我國(guó)水資源短缺的局面難以改變，補(bǔ)源措施仍是未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)緩解供需矛盾的重要手段。根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、自然資源部發(fā)布的相關(guān)規(guī)劃，2025年全國(guó)海水淡化總規(guī)模將為2.9×106t/d，比2021 年增加1.05×106t/d；2025年全國(guó)地級(jí)及以上缺水城市再生水利用率將為25%，京津冀地區(qū)將達(dá)到35%。隨著非常規(guī)水利用規(guī)模的增加，社會(huì)水循環(huán)的耗能及碳排放量也將大幅增加。

（三）低碳節(jié)水技術(shù)儲(chǔ)備不足

“雙碳”目標(biāo)給全社會(huì)、各行業(yè)都提出了新的更高要求。目前，各地區(qū)“雙碳”工作的重點(diǎn)集中在能源、工業(yè)生產(chǎn)、建筑、交通等傳統(tǒng)領(lǐng)域，而對(duì)水利特別是社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)關(guān)注較少。整體來(lái)看，我國(guó)相關(guān)節(jié)水技術(shù)與材料研發(fā)的自主創(chuàng)新能力仍不強(qiáng)，主要依靠引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新[46]；節(jié)水技術(shù)往往并不節(jié)能，也未與低碳、清潔能源技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，導(dǎo)致低碳、零碳節(jié)水技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展水平偏低，遠(yuǎn)不能滿足各行業(yè)節(jié)水減碳的應(yīng)用需求。

（四）實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)面臨重大挑戰(zhàn)

水是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可或缺的支撐和保障。數(shù)十年來(lái)，我國(guó)水利事業(yè)快速發(fā)展，以有限的水資源支撐了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，供水基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、供水保障能力不斷提高。從現(xiàn)狀分析結(jié)果看，社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)中水 - 能 - 碳緊密關(guān)聯(lián)，目前整個(gè)系統(tǒng)的碳排放量占全社會(huì)碳排放總量的比例并不大，但主要環(huán)節(jié)的能源及碳排放強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)?？紤]未來(lái)發(fā)展以及居民生活水平的提高，全社會(huì)對(duì)水的需求、水質(zhì)的要求均將不斷提升；特別是缺水地區(qū)非常規(guī)水、跨流域調(diào)水的增長(zhǎng)，將使社會(huì)水循環(huán)耗能及碳排放量繼續(xù)增加，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)仍面臨重大挑戰(zhàn)。

我國(guó)社會(huì)水循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)緊密關(guān)聯(lián)，是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)。從碳排放測(cè)算結(jié)果看，實(shí)體水部分的碳排放量占我國(guó)碳排放總量的2.2%；若結(jié)合產(chǎn)品“虛擬水”流通實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體調(diào)控，或可成為落實(shí)碳排放目標(biāo)的“潛力股”，在減少化石能源消耗和碳排放中起到重要作用。著眼“取水 -供水 - 用水 - 排水”全過(guò)程，從基礎(chǔ)研究、資源配置、技術(shù)裝備研發(fā)、水循環(huán)過(guò)程出發(fā)，全面提升系統(tǒng)效率和節(jié)能環(huán)保水平，構(gòu)建立體化、全過(guò)程的低碳調(diào)控能力。

五、推進(jìn)社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)高效低碳發(fā)展的策略建議

（一）加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究，構(gòu)建社會(huì)水循環(huán)全過(guò)程碳核算體系

我國(guó)在社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)碳排放方面的基礎(chǔ)研究仍然較少，未能解析不同地區(qū)、不同發(fā)展模式下社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)取水、供水、用水、排水等環(huán)節(jié)的水 - 能 - 碳關(guān)聯(lián)關(guān)系、影響因素、耦合機(jī)制。現(xiàn)階段水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中水 - 能 - 碳相關(guān)研究所構(gòu)建的關(guān)系模型和情景方案，大多基于已有的碳排放定額或碳排放因子，已不能準(zhǔn)確反映不同地區(qū)、不同水源、不同技術(shù)工藝的實(shí)際情況，仍需加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集。建議相關(guān)機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展典型地區(qū)涉水工程的溫室氣體排放監(jiān)測(cè)及碳排放測(cè)算研究，構(gòu)建覆蓋社會(huì)水循環(huán)全過(guò)程的碳核算體系，支持開(kāi)展水 -能 - 碳紐帶關(guān)聯(lián)視角下的資源協(xié)同調(diào)控。

（二）推動(dòng)系統(tǒng)配置和低碳技術(shù)研發(fā)，整體提升減污降碳綜合能力

能源消耗是水利、給排水等工程建設(shè)和運(yùn)行成本的重要組成部分，也是工程可持續(xù)的重要影響因素。建議在工程規(guī)劃階段，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，推動(dòng)區(qū)域大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段起即貫徹節(jié)能減排原則。對(duì)于高耗能、高碳排放的工程，加強(qiáng)可行性論證及低碳優(yōu)化配置方案比選，綜合評(píng)估系統(tǒng)水 - 能 - 碳綜合效率，提出協(xié)同配置最優(yōu)方案。針對(duì)污水處理環(huán)節(jié)，加強(qiáng)污水處理和自然凈化的治污綜合體建設(shè)，優(yōu)化處理工藝并構(gòu)建減污降碳協(xié)同模式。從技術(shù)工藝角度，在重點(diǎn)環(huán)節(jié)淘汰高耗能、高碳排放生產(chǎn)工藝和技術(shù)，對(duì)涉水設(shè)備制定水效、能效雙準(zhǔn)入門檻以及相應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制，激發(fā)企業(yè)和用水戶自主節(jié)水減碳；加快研發(fā)并推廣水處理同步產(chǎn)能、低碳生產(chǎn)工藝及技術(shù)，促進(jìn)相關(guān)企業(yè)優(yōu)化配置、轉(zhuǎn)型升級(jí)。

（三）激勵(lì)全社會(huì)加強(qiáng)節(jié)水，實(shí)現(xiàn)水資源與能源的雙重節(jié)約

用水系統(tǒng)是社會(huì)水循環(huán)的核心環(huán)節(jié)、系統(tǒng)能源消耗和碳排放占比最高的環(huán)節(jié)。盡管我國(guó)綜合用水效率得到明顯提升，不少城市的供水管網(wǎng)漏損率仍然較高，每年由此產(chǎn)生近百億立方米的水浪費(fèi)，造成取水和供水環(huán)節(jié)電力資源浪費(fèi)而間接增加了約1.32×106t 碳排放。從用水主體來(lái)看，加強(qiáng)高耗能、高用水行業(yè)的節(jié)水降碳管理，是推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的工作重點(diǎn)。對(duì)高用水行業(yè)實(shí)施用水監(jiān)控、強(qiáng)化用水管理、推廣先進(jìn)節(jié)水技術(shù)、提高用水效率，不僅可以減少水資源浪費(fèi)，還能相應(yīng)減少取水、供水、排水環(huán)節(jié)的能源消耗與碳排放。以全國(guó)現(xiàn)狀平均社會(huì)水循環(huán)碳排放強(qiáng)度估算，用水環(huán)節(jié)若減量10%，整個(gè)社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)可減少1×107t碳排放。

（四）完善水系統(tǒng)碳排放管理，實(shí)現(xiàn)社會(huì)水循環(huán)低碳發(fā)展

從“取水 - 供水 - 用水 - 排水”主要環(huán)節(jié)來(lái)看，社會(huì)水循環(huán)的實(shí)體水系統(tǒng)涉及水利、住建部門以及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活等行業(yè)，產(chǎn)品虛擬水轉(zhuǎn)移還涉及交通運(yùn)輸?shù)炔块T，管理較為復(fù)雜。目前，水利部門的工作主要圍繞生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水的統(tǒng)籌和保障展開(kāi)，對(duì)碳排放統(tǒng)計(jì)較為宏觀；工業(yè)和信息化部門針對(duì)重點(diǎn)行業(yè)，制定相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品碳排放管理體系；住建部門在碳排放管理方面更多關(guān)注建筑耗能、耗熱及制冷，而對(duì)用水相關(guān)的碳排放關(guān)注較少。面向“雙碳”目標(biāo)，建議相關(guān)部門聯(lián)合開(kāi)展水系統(tǒng)的碳排放管理工作，堅(jiān)持控源減排，進(jìn)一步提高水資源利用效率；水利部門可將能源消耗因子和碳排放因子納入水資源管理范疇，逐步實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)碳排放的精準(zhǔn)管理，通過(guò)管理促進(jìn)社會(huì)水循環(huán)的綠色低碳發(fā)展。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財(cái)務(wù)沖突。

Received date:March 29, 2023;Revised date:June 5, 2023

Corresponding author:Wang Jianhua is a professor-level senior engineer from the China Institute of Water Resources and Hydropower Research. His major research field is water resource engineering technology. E-mail: wjh@iwhr.com

Funding project:National Natural Science Foundation of China(72088101, 52009141); Chinese Academy of Engineering project“Research on the Comprehensive Coordinated Development Strategy of Energy and Water in the Context of Climate Change and Dual Carbon Target” (2022-XZ-07)