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　　1.什么是水資源-能源關(guān)聯(lián)

　　長期以來，人們通常將水資源與能源問題區(qū)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(fā)展規(guī)劃時，決策者雖然會考慮能源發(fā)展的用水需求，但是卻很少考慮能源發(fā)展計(jì)劃對該區(qū)域的。

　　水資源影響（包括水量和水質(zhì)），也常常忽略當(dāng)?shù)厮Y源風(fēng)險(xiǎn)以及水資源短缺對其發(fā)展帶來的潛在限制和阻礙；與之相應(yīng)，城市在制定水資源政策和規(guī)劃時，幾乎不關(guān)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(tǒng)的能源管理。

　　然而，水資源與能源存在著復(fù)雜與微妙的關(guān)系。一方面，水在能源開采、電力生產(chǎn)中是不可或缺的要素——從煤炭開采到火力發(fā)電都離不開水；另一方面，水的生產(chǎn)、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(guān)系被稱作“水資源—能源關(guān)聯(lián)”。

　　氣候變化使得能源和水資源的雙向聯(lián)系變得更加緊密。研究表明，氣候變化已經(jīng)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(fā)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(chǎn)和電力供應(yīng)。例如，2012年印度東部、北部的水電和火電因持續(xù)干旱無法正常運(yùn)行，造成了史上最嚴(yán)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(jìn)一步改變?nèi)蛩h(huán)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(guān)聯(lián)已經(jīng)不可忽視。

　　2.城市水系統(tǒng)中的水資源-能源關(guān)聯(lián)

　　與一般工業(yè)行業(yè)相比較，城市水系統(tǒng)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(tǒng)的能耗統(tǒng)計(jì)信息，而城市管理者也因?yàn)槿狈λ到y(tǒng)能耗信息而沒有意識到這個系統(tǒng)的能耗增加趨勢。但是，當(dāng)越來越多的城市因?yàn)楸镜厮Y源短缺不得不在其水源結(jié)構(gòu)中加入海水淡化、污水再生利用、外調(diào)水等水源時，城市制水（包括取水）系統(tǒng)的能耗就會出現(xiàn)增加，而且會因?yàn)椴煌愋偷乃葱枰鎸Σ煌沫h(huán)境、生態(tài)、健康風(fēng)險(xiǎn)。城市水系統(tǒng)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(shù)水源（包括地表水、地下水、海水、再生水及外調(diào)水）都需要泵站將原水提升輸送至自來水廠。由于取水點(diǎn)和受水點(diǎn)往往存在一定的高差，外調(diào)水的輸水能耗一般較高。例如，美國加州西岸城市調(diào)水工程的輸水能耗約2.5kWh/m3。

　　（2）制水：常規(guī)自來水廠通過沉淀、過濾、消毒等工藝流程將原水進(jìn)行凈化并達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，其主要能耗來自泵站（將原水提升進(jìn)入反應(yīng)池、出場水加壓輸送至市政管網(wǎng)）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(guī)自來水要高。

　　（3）配水：自來水配水系統(tǒng)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。

　　（4）污水的收集、處理及排放：污水通過污水管網(wǎng)被輸送至污水處理廠進(jìn)行物化和生化處理。主要的耗能環(huán)節(jié)為泵站、風(fēng)機(jī)、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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的能耗和碳足跡差異較大，由于數(shù)據(jù)信息獲取有限，本研究僅考慮取水和制水過程中的運(yùn)行消耗，以下簡稱制水能耗。

　　城市水系統(tǒng)的能源消耗及其能源管理在歐美國家已經(jīng)受到關(guān)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(dá)2.66kWh/m3，占到了整個城市水系統(tǒng)的89%。為了幫助實(shí)現(xiàn)英國低碳發(fā)展目標(biāo)，英國水務(wù)辦公室（Ofwat）從2008年開始要求所有城市水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃必須評估各類水源的供水能耗及碳排放。為此，英國環(huán)境保護(hù)署發(fā)布《水務(wù)行業(yè)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(jì)算工具”，用于指導(dǎo)水務(wù)企業(yè)核算壽命周期（包括項(xiàng)目建設(shè)、原料獲取及生產(chǎn)過程等）的溫室氣體排放。該計(jì)算器內(nèi)嵌了多種計(jì)算模型，能夠測算包括常規(guī)水資源（地下水、地表水）、非常規(guī)水資源（海水/苦咸水淡化、雨水利用、再生水）及配水系統(tǒng)（配水壓力、管網(wǎng)漏損）的相關(guān)能耗，并將碳排放成本自動納入項(xiàng)目的總體預(yù)算。通過碳排放核算，水務(wù)行業(yè)不僅能幫助實(shí)現(xiàn)政府主導(dǎo)的碳減排計(jì)劃，而且能通過降低能耗節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。英國南方水務(wù)集團(tuán)在制定其水務(wù)發(fā)展計(jì)劃（2010-2015年）時就利用水資源碳足跡計(jì)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(jù)（專欄1）。

　　無論是外調(diào)水工程，還是非常規(guī)水資源的開發(fā)，城市的水資源結(jié)構(gòu)已經(jīng)在悄然發(fā)生變化，而且城市的水資源戰(zhàn)略也將隨著人口增長與經(jīng)濟(jì)發(fā)展變得更加多元化和復(fù)雜化。應(yīng)當(dāng)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(tǒng)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(guī)地表水源的5-10倍。圖2-3是美國加州大學(xué)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(dá)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(chǎn)、運(yùn)輸和使用16，所以說城市水系統(tǒng)對能源需求的影響已經(jīng)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(chǎn)生影響。供水系統(tǒng)將成為城市低碳發(fā)展不可缺少的重要組成部分，尤其是嚴(yán)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(tǒng)的總能耗估計(jì)可以達(dá)到全社會用電量的4%-5%）17，但隨著調(diào)水和海水淡化的增加，若水源配置不合理，將會導(dǎo)致供水系統(tǒng)碳足跡的激增，從而加劇城市發(fā)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(guān)聯(lián)對于青島市的低碳發(fā)展以及其他缺水城市的水資源管理都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。