城市水系统中的“能源-水资源”的关联

　　1.什么是水资源-能源关联

　　长期以来，人们通常将水资源与能源问题区别对待，水资源和能源的管理也分属不同部门。在制定能源政策或发展规划时，决策者虽然会考虑能源发展的用水需求，但是却很少考虑能源发展计划对该区域的。

　　水资源影响（包括水量和水质），也常常忽略当地水资源风险以及水资源短缺对其发展带来的潜在限制和阻碍；与之相应，城市在制定水资源政策和规划时，几乎不关注能源问题（如不同水源类型的制水能耗需求）以及城市水系统的能源管理。

　　然而，水资源与能源存在着复杂与微妙的关系。一方面，水在能源开采、电力生产中是不可或缺的要素——从煤炭开采到火力发电都离不开水；另一方面，水的生产、输配，以及污水处理和再生利用都需要消耗大量的能源。水资源、能源二者相辅相成的关系被称作“水资源—能源关联”。

　　气候变化使得能源和水资源的双向联系变得更加紧密。研究表明，气候变化已经影响到了大气降水的时空分布，引起了洪水、干旱等极端天气的频繁发生（表2-1）。这些变化将影响可利用水资源量，并直接或间接地影响到能源生产和电力供应。例如，2012年印度东部、北部的水电和火电因持续干旱无法正常运行，造成了史上最严重的停电事故，约有6亿人受到影响12。能源活动，特别是化石燃料燃烧，将加剧气候变化的影响，进一步改变全球水循环并威胁到人类社会的供水安全。在气候变化的背景下，水和能源的关联已经不可忽视。

　　2.城市水系统中的水资源-能源关联

　　与一般工业行业相比较，城市水系统能耗相对较低，往往被城市管理者忽视，在中国这个问题尤为突出，甚至没有针对城市水系统的能耗统计信息，而城市管理者也因为缺乏水系统能耗信息而没有意识到这个系统的能耗增加趋势。但是，当越来越多的城市因为本地水资源短缺不得不在其水源结构中加入海水淡化、污水再生利用、外调水等水源时，城市制水（包括取水）系统的能耗就会出现增加，而且会因为不同类型的水源需要面对不同的环境、生态、健康风险。城市水系统的能源消耗主要来自以下几个方面：

　　（1）原水提取及输送：除少量采用重力流取水的地表水源，绝大多数水源（包括地表水、地下水、海水、再生水及外调水）都需要泵站将原水提升输送至自来水厂。由于取水点和受水点往往存在一定的高差，外调水的输水能耗一般较高。例如，美国加州西岸城市调水工程的输水能耗约2.5kWh/m3。

　　（2）制水：常规自来水厂通过沉淀、过滤、消毒等工艺流程将原水进行净化并达到国家饮用水标准，其主要能耗来自泵站（将原水提升进入反应池、出场水加压输送至市政管网）和制水工艺流程。海水淡化和再生水利用由于制水工艺不同，制水能耗比常规自来水要高。

　　（3）配水：自来水配水系统通过泵站加压将自来水输送至用水户。主要能耗为泵站能耗。

　　（4）污水的收集、处理及排放：污水通过污水管网被输送至污水处理厂进行物化和生化处理。主要的耗能环节为泵站、风机、生化处理及深度处理（如臭氧或紫外消毒、膜处理等）。不同供水基础设施建设的能耗和碳足迹差异较大，由于数据信息获取有限，本研究仅考虑取水和制水过程中的运行消耗，以下简称制水能耗。

　　城市水系统的能源消耗及其能源管理在欧美国家已经受到关注。以英国为例，自来水制水能耗为0.12kWh/m3，污水处理能耗约为0.21kWh/m3，但是居民生活（主要是热水）能耗却高达2.66kWh/m3，占到了整个城市水系统的89%。为了帮助实现英国低碳发展目标，英国水务办公室（Ofwat）从2008年开始要求所有城市水基础设施规划必须评估各类水源的供水能耗及碳排放。为此，英国环境保护署发布《水务行业温室气体排放测算指南》（以下简称《指南》）以及“水资源碳足迹计算工具”，用于指导水务企业核算寿命周期（包括项目建设、原料获取及生产过程等）的温室气体排放。该计算器内嵌了多种计算模型，能够测算包括常规水资源（地下水、地表水）、非常规水资源（海水/苦咸水淡化、雨水利用、再生水）及配水系统（配水压力、管网漏损）的相关能耗，并将碳排放成本自动纳入项目的总体预算。通过碳排放核算，水务行业不仅能帮助实现政府主导的碳减排计划，而且能通过降低能耗节省运行费用。英国南方水务集团在制定其水务发展计划（2010-2015年）时就利用水资源碳足迹计算工具测算了70多种情景之下的供水碳排放，并作为其决策支持的重要依据（专栏1）。

　　无论是外调水工程，还是非常规水资源的开发，城市的水资源结构已经在悄然发生变化，而且城市的水资源战略也将随着人口增长与经济发展变得更加多元化和复杂化。应当注意的是，城市供水水源类型的改变不仅仅是一个简单的供水问题，同时也将牵涉到城市供水系统的能源消耗和碳排放问题。不同类型的水资源具有不同的能耗，例如，海水淡化的单位制水能耗是常规地表水源的5-10倍。图2-3是美国加州大学对南加州各类水源的能耗分析14，可以看到不同水源的制水能耗差距高达10倍之多15。而加州目前20%的电力和30%的天然气被消耗于水的生产、运输和使用16，所以说城市水系统对能源需求的影响已经不容忽视。

　　因而，城市水源选择不仅是一个单纯的水问题，更是一个能源问题。不同的水源组合会对城市的能源需求及温室气体排放产生影响。供水系统将成为城市低碳发展不可缺少的重要组成部分，尤其是严重缺水的城市。对于青岛市这样的海湾缺水城市，虽然目前制水能耗只占全社会用电量的1%（如果考虑配水能耗以及污水处理，则城市水系统的总能耗估计可以达到全社会用电量的4%-5%）17，但随着调水和海水淡化的增加，若水源配置不合理，将会导致供水系统碳足迹的激增，从而加剧城市发展与水源供给、能源消耗之间的矛盾。因此，在青岛市开展城市水源选择配置中的水资源-能源关联对于青岛市的低碳发展以及其他缺水城市的水资源管理都具有重要的现实意义。