中國水-能源紐帶關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與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875；3.華北理工大學理學院，河北 唐山 063210；4.廣東省農業科學院農業經濟與信息研究所，廣東 廣州 510640；5.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048)

水和能源是人類生存和發展過程中不可或缺的兩類重要資源，前者作為基礎性自然資源，對人類的生存起著基本保障作用；后者作為關鍵的戰略資源，對國家安全及地區經濟發展至關重要。隨著社會經濟的不斷發展、全球氣候變化引起的極端事件的頻繁發生和人口的持續增加，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生的生態環境問題將成為阻礙未來社會發展的瓶頸。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引發全球的關注[4]，因此，研究水-能源紐帶關系及其雙向消耗核算具有重要的意義。

水與能源的相關性由Gleick[5]于1994年首次提出，由此開展了一系列水-能源紐帶關系的研究，主要包括經濟關聯與物理關聯兩個方面。前者指能源與水資源價格波動的相互影響；后者指能源開發利用中水資源消耗以及水資源開發利用中能源消耗的關系[6-7]。在經濟關聯方面，Dale等[8]于2008年分析了加利福尼亞水資源和能源系統之間的聯系，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，結果表明，如果將城市水價提高10%，美國西南地區的總用電量每年將減少大約130萬MW。在物理關聯方面，Mielke等[10]于2010年較全面地總結了原煤、原油、天然氣及生物質能、太陽能、風能、地熱能、水力等可再生能源在開采、加工、轉換等一系列過程中的耗水量，具有代表性意義；2019年，Nouri等[11]在總結了煤炭、天然氣、水能、核能、風能、生物質能以及太陽能等不同發電方式用水強度的基礎上，以美國加利福尼亞為例，根據不同發電技術的耗水強度數據建立數值模型，確定各種發電方案的取水量和耗水量及最優發電技術組合方式，從而使用水量降至最低。

對于能源開發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]通過建立多地區投入產出模型，構建中國水-能源的復雜網絡體系，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]基于投入產出法，從生產和消費兩個維度分析了京津冀地區水-能源的紐帶關系，研究結果表明，北京、天津和唐山的能源生產和消費耗水量均為最大。對于水資源開發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合，對污水廠不同處理工藝的能耗值進行了對比分析，結果表明，改進的脈沖曝氣法具備顯著的節能效果，能耗降幅可達42.4%；Wang等[16]對農用地下水的能耗值進行了評估，發現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水源的耗電量，若保持現階段的用水趨勢不變，水資源開發利用的耗電量將逐年上升，至2050年耗電量將在原來的基礎上增加60%。

當下對于水-能源關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系。基于此，本文從能源開發利用中的水資源消耗和水資源開發利用中的能源消耗兩個角度進行雙向消耗核算，探究水-能源的紐帶關系，可為水-能源的協同發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。水質方面，由于中國在工業化發展前期和中期一直采用粗放型的發展模式，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《中國能源統計年鑒2016》[19]統計結果，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%。基于中國經濟發展進入新時代的現狀, 從新一輪產業變革的發展勢頭來看，未來一段時間內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，中國能源發展面臨結構不合理的狀況，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，無法滿足持續增長的人口以及經濟發展的需求；另一方面，這些能源作為化石能源，在燃燒的過程中會產生大量的大氣污染物，導致中國生態環境惡化，空氣污染紅色預警持續增加。為緩解能源危機，近些年來中國一直在強調發展可再生能源，但是依賴于化石能源的消費模式在短時間內不會發生明顯改變。開發可再生能源，推廣可再生能源利用技術，提高可再生能源利用量和消費比重是中國能源結構調整的重要內容。

2 中國水-能源雙向消耗核算

近年來，中國經濟平穩迅速增長，對世界經濟增長的貢獻率步步攀升，但是經濟的迅猛發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經濟發展的主要障礙。因此，計算中國能源生產過程中的水耗以及水資源利用過程中的能耗，厘清水-能源紐帶關系，具有重要的現實意義[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業生產現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中的4類主要能源為原煤、原油、天然氣、火力發電，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數據的基礎上，結合行業用水定額，采用定額法對4類能源生產過程中的水耗進行核算，除此之外，太陽能發電、水力發電也在本文核算的范圍內。對于水資源利用中的能源消耗量，根據各類水資源的特點，結合其開采和利用的過程及數據的完整性，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 主要能源生產耗水量計算

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

表1 各地區能源生產用水定額 單位：m3/t

定額法計算公式為

Wi=Eiqi

(1)

式中：Wi為第i類能源生產的耗水總量，m3；Ei為第i類能源的生產量，t；qi為第i類能源生產用水定額，m3/t。

部分省區采煤、洗煤或原油開采和加工用水定額統計數據缺失，主要是由于該地區煤炭或石油的生產量較少，未將其納入用水定額統計中。統計時發現，能源產量與用水定額存在一定的相關關系，總體來說，產量高的地區用水定額相對較低，所以計算時采用煤炭或原油產量相近地區的用水定額值。根據部分地區已有的天然氣開采用水定額數據，計算天然氣開采用水量時，缺失數據的地區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。除火力發電外，水能、太陽能等自然能源發電耗水都包括在本文核算內，定額數值采用Davies等[24-25]的成果，計算結果如圖1所示。

由圖1可知，在6類能源中，火力發電耗水量最大，水力發電次之，其次分別為原煤、原油、天然氣，太陽能生產耗水量最小。從空間分布上看，原煤生產與火力發電的耗水量區域分布特征較為相似，主要是由于大多火力發電廠以煤炭作為一次能源產生熱能，所以煤炭主產區，如內蒙古、新疆等地，火力發電量較大，相應的耗水量也比較大。雖然陜西煤炭生產量高，但大部分煤炭調往外省，火力發電量不高；廣東和江蘇雖然本地煤炭產量低，但為煤炭調入大省，所以這些省份原煤生產與火力發電耗水量空間分布不匹配。原油和天然氣生產耗水量分布與能源分布差別較大，原油生產耗水量較大的地區主要為東北、西北地區以及山東、山西等省，天然氣生產耗水量較大的地區則主要為中西部地區，這是因為不同地區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量決定。太陽能發電耗水量較大的地區多分布在內蒙古、新疆等西北地區，主要是因為西北地區日照充足，太陽輻射較強[26]，太陽能發電量大；水力發電耗水量分布則與水資源空間分布特征較為吻合，南方地區水資源充沛，水電站數量也較北方地區多，水力發電耗水量也呈現出南多北少的特點。將以上6類能源耗水量相加，得出2016年中國主要能源產業耗水量約為190億m3。除了以上6類能源外，由于風能發電、核能發電耗水量少，且數據不全面，因此此次核算未包括在內；生物質能等可再生能源生產耗水量也比較大，但由于缺少統計數據，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容，具體來說，包括地下水抽取，地表水的蓄水、引水、提水、調水過程，污水處理回用，自來水廠通過輸水管道向用戶供水等環節。由于計算時涉及環節較多，所需數據量大且難以獲取，本研究通過查閱相關文獻、統計年鑒等確定各環節的單位能耗值，計算結果較為粗略。

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]根據上述研究成果，在考慮水泵效率和用水效率的基礎上，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為抽水設備的效率；L為輸電損耗(僅在電力設備計算時考慮)。

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。以省區作為基礎單元，根據《全國第一次水利普查公報》獲取各省區人力井取水量，并假設2016年該值不變。在已有研究[28]基礎上，設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《2016中國電力年鑒》，估計電網系統的輸電損耗為7%。

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

表2 各省區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引到地勢低的地區，因此，這兩個環節能耗較小，可忽略不計。取水主要是利用水泵、水車等動力設備將水資源從河道、湖泊等地勢低的地區提取到地勢高的地區，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為取水設備揚程，m；g為重力加速度，m/s2；η2為提水設備的效率，一般取0.75。

取水設備的揚程可近似為河床和地面的高程差，可根據各省區的地勢條件取值，平原地區一般取5 m，山區的取水高程遠遠大于平原地區，取平均值為20 m。根據式(3)計算出地表水取水能耗為35.66 TW·h。

調水工程是指跨越水資源一級區或獨立流域的供水工程，中國的調水工程主要包括南水北調、引灤入津、引黃濟青、引江濟太、東深引水等工程。根據以往研究成果，中國單位長度(每km)調水工程的單位輸水能耗為0.004 5 kW·h/m3，結合中國重點調水工程的調水量及輸水長度等信息，最終計算出調水工程總能耗為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多座自來水處理設施，數據量太大，難以獲取。因此，統計京津冀地區的北京市自來水集團、北京市石景山區自來水公司等12個規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。考慮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年中國常規水供水能耗總量為30.73 TW·h。

據國家海洋局公布的數據，截至2016年底，全國應用反滲透技術的工程111個，產水規模792 615 t/d，單位體積海水淡化耗電量為2.3～6.8 kW·h/m3；應用低溫多效技術的工程16個，產水規模369 150 t/d，單位體積海水淡化耗電量為2.5～9.0 kW·h/m3；應用多級閃蒸技術的工程1個，產水規模6 000 t/d，單位體積海水淡化耗電量為2.5～4.4 kW·h/m3；應用電滲析技術的工程2個，產水規模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計，并對污水處理廠的規模及運行效率對能耗的影響進行了分析。結果表明，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 論

a.中國6類主要能源生產的耗水情況為火力發電耗水量最大，水力發電次之，其后分別為原煤、原油、天然氣生產，太陽能發電耗水量最小，2016年中國主要能源生產過程中耗水量約為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，非常規水源利用總能耗較小。

c.核算中國能源生產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，生物質能等可再生能源生產耗水量也比較大，未來隨著此類數據的補充和更新，核算方法應不斷細化和完善，從而得到更準確、全面的核算結果。

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