城市水系統中的“能源-水資源”的關聯

　　1.什么是水資源-能源關聯

　　長期以來，人們通常將水資源與能源問題區別對待，水資源和能源的管理也分屬不同部門。在制定能源政策或發展規劃時，決策者雖然會考慮能源發展的用水需求，但是卻很少考慮能源發展計劃對該區域的。

　　水資源影響（包括水量和水質），也常常忽略當地水資源風險以及水資源短缺對其發展帶來的潛在限制和阻礙；與之相應，城市在制定水資源政策和規劃時，幾乎不關注能源問題（如不同水源類型的制水能耗需求）以及城市水系統的能源管理。

　　然而，水資源與能源存在著復雜與微妙的關系。一方面，水在能源開采、電力生產中是不可或缺的要素——從煤炭開采到火力發電都離不開水；另一方面，水的生產、輸配，以及污水處理和再生利用都需要消耗大量的能源。水資源、能源二者相輔相成的關系被稱作“水資源—能源關聯”。

　　氣候變化使得能源和水資源的雙向聯系變得更加緊密。研究表明，氣候變化已經影響到了大氣降水的時空分布，引起了洪水、干旱等極端天氣的頻繁發生（表2-1）。這些變化將影響可利用水資源量，并直接或間接地影響到能源生產和電力供應。例如，2012年印度東部、北部的水電和火電因持續干旱無法正常運行，造成了史上最嚴重的停電事故，約有6億人受到影響12。能源活動，特別是化石燃料燃燒，將加劇氣候變化的影響，進一步改變全球水循環并威脅到人類社會的供水安全。在氣候變化的背景下，水和能源的關聯已經不可忽視。

　　2.城市水系統中的水資源-能源關聯

　　與一般工業行業相比較，城市水系統能耗相對較低，往往被城市管理者忽視，在中國這個問題尤為突出，甚至沒有針對城市水系統的能耗統計信息，而城市管理者也因為缺乏水系統能耗信息而沒有意識到這個系統的能耗增加趨勢。但是，當越來越多的城市因為本地水資源短缺不得不在其水源結構中加入海水淡化、污水再生利用、外調水等水源時，城市制水（包括取水）系統的能耗就會出現增加，而且會因為不同類型的水源需要面對不同的環境、生態、健康風險。城市水系統的能源消耗主要來自以下幾個方面：

　　（1）原水提取及輸送：除少量采用重力流取水的地表水源，絕大多數水源（包括地表水、地下水、海水、再生水及外調水）都需要泵站將原水提升輸送至自來水廠。由于取水點和受水點往往存在一定的高差，外調水的輸水能耗一般較高。例如，美國加州西岸城市調水工程的輸水能耗約2.5kWh/m3。

　?。?）制水：常規自來水廠通過沉淀、過濾、消毒等工藝流程將原水進行凈化并達到國家飲用水標準，其主要能耗來自泵站（將原水提升進入反應池、出場水加壓輸送至市政管網）和制水工藝流程。海水淡化和再生水利用由于制水工藝不同，制水能耗比常規自來水要高。

　　（3）配水：自來水配水系統通過泵站加壓將自來水輸送至用水戶。主要能耗為泵站能耗。

　?。?）污水的收集、處理及排放：污水通過污水管網被輸送至污水處理廠進行物化和生化處理。主要的耗能環節為泵站、風機、生化處理及深度處理（如臭氧或紫外消毒、膜處理等）。不同供水基礎設施建設的能耗和碳足跡差異較大，由于數據信息獲取有限，本研究僅考慮取水和制水過程中的運行消耗，以下簡稱制水能耗。

　　城市水系統的能源消耗及其能源管理在歐美國家已經受到關注。以英國為例，自來水制水能耗為0.12kWh/m3，污水處理能耗約為0.21kWh/m3，但是居民生活（主要是熱水）能耗卻高達2.66kWh/m3，占到了整個城市水系統的89%。為了幫助實現英國低碳發展目標，英國水務辦公室（Ofwat）從2008年開始要求所有城市水基礎設施規劃必須評估各類水源的供水能耗及碳排放。為此，英國環境保護署發布《水務行業溫室氣體排放測算指南》（以下簡稱《指南》）以及“水資源碳足跡計算工具”，用于指導水務企業核算壽命周期（包括項目建設、原料獲取及生產過程等）的溫室氣體排放。該計算器內嵌了多種計算模型，能夠測算包括常規水資源（地下水、地表水）、非常規水資源（海水/苦咸水淡化、雨水利用、再生水）及配水系統（配水壓力、管網漏損）的相關能耗，并將碳排放成本自動納入項目的總體預算。通過碳排放核算，水務行業不僅能幫助實現政府主導的碳減排計劃，而且能通過降低能耗節省運行費用。英國南方水務集團在制定其水務發展計劃（2010-2015年）時就利用水資源碳足跡計算工具測算了70多種情景之下的供水碳排放，并作為其決策支持的重要依據（專欄1）。

　　無論是外調水工程，還是非常規水資源的開發，城市的水資源結構已經在悄然發生變化，而且城市的水資源戰略也將隨著人口增長與經濟發展變得更加多元化和復雜化。應當注意的是，城市供水水源類型的改變不僅僅是一個簡單的供水問題，同時也將牽涉到城市供水系統的能源消耗和碳排放問題。不同類型的水資源具有不同的能耗，例如，海水淡化的單位制水能耗是常規地表水源的5-10倍。圖2-3是美國加州大學對南加州各類水源的能耗分析14，可以看到不同水源的制水能耗差距高達10倍之多15。而加州目前20%的電力和30%的天然氣被消耗于水的生產、運輸和使用16，所以說城市水系統對能源需求的影響已經不容忽視。

　　因而，城市水源選擇不僅是一個單純的水問題，更是一個能源問題。不同的水源組合會對城市的能源需求及溫室氣體排放產生影響。供水系統將成為城市低碳發展不可缺少的重要組成部分，尤其是嚴重缺水的城市。對于青島市這樣的海灣缺水城市，雖然目前制水能耗只占全社會用電量的1%（如果考慮配水能耗以及污水處理，則城市水系統的總能耗估計可以達到全社會用電量的4%-5%）17，但隨著調水和海水淡化的增加，若水源配置不合理，將會導致供水系統碳足跡的激增，從而加劇城市發展與水源供給、能源消耗之間的矛盾。因此，在青島市開展城市水源選擇配置中的水資源-能源關聯對于青島市的低碳發展以及其他缺水城市的水資源管理都具有重要的現實意義。