李 璐，陳遠生 ，何希吾，顧定法

（1.中國科學院地理科學與資源研究所，100101,北京；2.中國科學院研究生院，100049，北京）

城市的給水排水是高能耗行業(yè)，如果進一步從城市水系統(tǒng)整體來考慮，研究城市水系統(tǒng)的水—能關系，計算水源開發(fā)、供水、用水、排水等城市水系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的能耗，則城市與水資源開發(fā)利用有關的能源消耗將更加凸顯。而隨著中國城鎮(zhèn)化進程的加快，未來我國城市水系統(tǒng)的規(guī)模和能耗還將進一步增大。

由全球性氣候變化導致的水資源不確定性的增加將加劇我國水資源分配不均和短缺的狀況。為保障城市供水安全，新的水源工程以及大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水工程的修建將成為重要的應對措施之一，這也將導致城市供水成本的進一步增加，尤其是水系統(tǒng)能源消耗的增加。

本文的水系統(tǒng)指的是城市人工水系統(tǒng)，包括與城市水資源開發(fā)利用有關的水源取水、供水、輸水、用水、排水、污水處理與回用等環(huán)節(jié)。除了各個環(huán)節(jié)基礎設施的建造需要消耗大量的物資和能源之外，水系統(tǒng)在運行過程中也需要大量的能源投入，例如城市供水管網(wǎng)的輸配水能耗，污水處理廠進行污水處理的能耗等。在城市水系統(tǒng)巨大能源消耗的背后是可觀的碳排放。在我國，已有研究和經(jīng)驗表明給排水行業(yè)是城市的用電大戶，目前我國大多數(shù)供水企業(yè)的平均耗電量占總制水成本的20%~30%，城市水系統(tǒng)運行中的碳排放不容忽視。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于城市水系統(tǒng)的復雜性，水系統(tǒng)的水—能關系研究涉及眾多方面。目前，城市水系統(tǒng)水—能關系領域的研究多數(shù)是單獨針對水系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)的研究，如水廠、污水處理廠、高樓供水等的能耗研究；這些研究是水系統(tǒng)能耗研究的基礎，但還達不到系統(tǒng)的層面，系統(tǒng)研究十分缺乏。本文側(cè)重從系統(tǒng)層面介紹城市水系統(tǒng)水—能關系的研究進展。

1.國外研究進展

城市水系統(tǒng)水—能關系研究是近年才興起的一個研究方向。2000—2008年陸續(xù)出現(xiàn)了一系列關于城市水系統(tǒng)水—能關系的研究專著和報告，其后兩年更多組織開始關注和研究這一熱點問題。

2000年，Wilkinson建立了計算水系統(tǒng)能源強度和能源總需求的模型，并首先在其專著中計算了美國加州地區(qū)水系統(tǒng)的能源強度，分析了水資源有效利用對節(jié)能的潛在效用。Wilkinson的方法是按照城市水系統(tǒng)水源取水、供水、配給、污水處理的開發(fā)利用順序，分析每個環(huán)節(jié)相關的工程、工廠及設施的能耗情況、能耗影響因素和將來可能發(fā)生的變化，計算各個環(huán)節(jié)的能源消耗，最后匯總得到整個水系統(tǒng)的能源強度（單位體積/質(zhì)量的水所消耗的總能量）和該地區(qū)水系統(tǒng)的總能源需求。Wilkinson還在此方法基礎上建立了一個工作表格，把它與地理信息系統(tǒng)耦合，以實現(xiàn)可視化輸出。Wilkinson的研究是系統(tǒng)論述一個地區(qū)水系統(tǒng)水—能關系的較早且具有代表性的研究，這種從水系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)具體設施的能耗研究整個系統(tǒng)由下至上的能耗分析方法，成為之后許多研究普遍采用的方法。

2004年，美國自然資源保護委員會和太平洋研究所的Ronnie Cohen和Gary Wolff等改進了Wilkinson構(gòu)建的水系統(tǒng)能源強度計算模型，并在地區(qū)尺度上加以應用，詳細論述了加州三個地區(qū)水系統(tǒng)的水—能關系。他們在Wilkinson的模型中加入了 “水的終端使用”環(huán)節(jié)，計算了研究區(qū)城市用水的能源消耗、農(nóng)業(yè)用水的能源消耗以及水電的能源消耗，分析了水系統(tǒng)能耗的影響因素。研究結(jié)果表明：①城市終端用水的能源強度占水系統(tǒng)總體能源強度的50%以上，水在終端使用過程中的能耗大于輸水和水處理的能耗，因此減少用水能夠節(jié)約大量能源；②再生水是高能效的水源，不論是城市用水還是農(nóng)業(yè)用水，污水處理再利用的能源強度都遠遠低于從已有的任一水源取水的能源強度；③水系統(tǒng)能源強度的影響因素（除相關工藝水平外）主要有水源類型、抽水井埋深、輸水距離、終端熱水使用情況、水質(zhì)指標等；④水資源和能源的綜合規(guī)劃蘊含著巨大的節(jié)能潛力。

2006年，Podolak和Tracy等研究了美國愛達荷州市政供水系統(tǒng)的水—能關系。他們采用了Pelli和Hitz的供水能耗指數(shù)方法，根據(jù)地形高差利用水力學公式計算水廠到用戶的輸水能耗，并結(jié)合Gummerman在水廠水處理能耗方面研究的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，研究了愛達荷州各個供水系統(tǒng)及各個城鎮(zhèn)供水的能耗。但是這一研究僅考慮供水端能耗，即水源取水和輸送、水處理和管網(wǎng)配給的能耗，而沒有包含終端使用和污水處理方面的能耗，因此其研究成果只能反映水系統(tǒng)供水端的水—能關系。

同年，美國能源部向國會提交了一份水資源和能源相互依賴性的專題報告，論述了美國水系統(tǒng)的能源消耗問題，其觀點主要是來自美國電力研究所（EPRI）在《水與可持續(xù)性》第四卷——《下半個世紀美國水供應和處理的能源消耗》中的研究成果。2002年，EPRI發(fā)布了《水與可持續(xù)性》的研究專著，其中第四卷分析了美國當年供水和污水處理的能耗，預測了2050年的相應能耗，并第一次按經(jīng)濟部門分別計算了供水和污水處理能耗。

2008年，Kenway等人應用Ronnie Cohen等人改進的Wilkinson模型方法調(diào)查分析了澳大利亞悉尼、墨爾本、布里斯班等7個城市水系統(tǒng)的能耗狀況。他們在對公共供水公司能源消費調(diào)查的基礎上，對比分析了各個城市給水處理和配給、污水處理和配給以及家庭熱水使用相關的能耗與相應的溫室氣體排放量，并應用情景分析的方法預測了高、中、低三種生活用水水平下2030年研究區(qū)域給排水設施運行的能耗和家庭熱水使用的能耗。其結(jié)論主要有：2006年研究區(qū)水資源供應和消費的總能耗約為2.8億kWh，占其總能耗的1.5%；其中，區(qū)域公共供水和污水處理設施的能耗占總能耗的0.2%。對于每個城市而言該比例存在著較大區(qū)別，主要原因在于人均需水量和水處理工藝及要求的不同；家庭熱水的能耗占總能耗的1.3%，如果家庭熱水使用量減少15%，那么所節(jié)約的能源就能夠補償公共給排水設施的總能耗。Kenway等人的研究結(jié)論再次凸顯了家庭用水——水資源終端消費環(huán)節(jié)對于整個水系統(tǒng)的能耗有著重要影響，且存在巨大的節(jié)水和節(jié)能潛力。

2009年，Wendy Wilson在水系統(tǒng)能耗分析的基礎上進一步計算了水系統(tǒng)的碳排放。Wilson在《水的碳足跡》的研究報告中根據(jù)美國各個經(jīng)濟部門的用水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，把各種水源的供給能源強度、污水處理廠的能源強度乘以相應的用水量，再加上住宅和商業(yè)用水的能耗，得出了全美國水資源利用的總能耗；在此基礎上，計算了美國水資源利用有關的總碳排放量——美國水資源的碳足跡。主要結(jié)論有：美國2005年與水相關的能源消耗至少為5 210億kWh，是美國當年電能消費總量的13%；相應的碳排放量約為2.9億t，占美國碳排放總量的5%等。報告最后總結(jié)分析了低影響發(fā)展（low impact development）、提高終端用水效率等技術(shù)方法或管理措施帶來的節(jié)水效果與相應的節(jié)能減排效應。

2010年，Retamal等人從全球環(huán)境變化的角度探討了城市供水能耗問題。他們指出通過增加水的供給能力以應對干旱和氣候變化的供給側(cè)思想傾向會加大給排水部門的能耗及溫室氣體的排放量，并最終作用于長期的氣候變化，從而形成干旱—高能耗的水系統(tǒng)—城市能源需求增加—化石燃料消耗量增加—溫室氣體排放增加—氣候變化—干旱這一惡性循環(huán)。而只有深入研究水系統(tǒng)的水—能關系，通過利用綜合資源規(guī)劃方法（Integrated Resources Planning）把能耗因素納入到水資源規(guī)劃和管理中，才可能實現(xiàn)水—能源—氣候的良性循環(huán)。

另外，美國“河網(wǎng)”組織于2009年10月26日舉辦了主題為“節(jié)約用水，節(jié)約能源：應對氣候變化和保護河流的綜合方法”的研討會，其主要議題就是水—能、節(jié)水和節(jié)能的關系。相信隨著全球氣候變化導致的水資源供給不穩(wěn)定性加劇以及能源緊缺，該領域?qū)蔀槲磥淼囊粋€研究熱點。

2.國內(nèi)研究進展

我國對于該領域的相關研究大多還停留在水泵機組能效、泵站工程、給水或污水處理能耗等方面，屬于水系統(tǒng)中單個環(huán)節(jié)的能耗研究，缺乏針對城市或區(qū)域?qū)用娴乃到y(tǒng)整體水—能關系的研究，對水在終端消費環(huán)節(jié)的能耗研究也基本處于空白狀態(tài)。這種情況的產(chǎn)生主要是由于過去對給排水能耗的研究多是從企業(yè)成本角度出發(fā)，目的是提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，沒有從城市節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的角度關注城市水資源開發(fā)利用的能耗。

Cheng Lichen在對臺灣城市居民用水能耗的研究中分析了臺灣的水—能關系。Cheng首先根據(jù)能量守恒原理建立了樓房加壓供水所需要消耗的能量計算公式，然后根據(jù)家庭洗浴用熱水和沸水的比例，估算了家庭熱水使用的能耗，再對城市水供應系統(tǒng)中的水處理廠、供水站和廢水處理廠的單位能耗進行了核算，最后對上述三個方面的能耗進行合并，得到了臺灣居民生活用水的總能源強度是6.5 kWh/m3的結(jié)論。但是，Cheng Lichen對家庭水資源終端消費過程的能耗研究過于簡單化，僅根據(jù)家庭洗浴用水和飲用熱水的經(jīng)驗比例來計算家庭用水過程中的能耗，忽略了盥洗、刷碗等其他用水項目的能耗，因此6.5 kWh/m3應低于實際家庭用水的能源強度。同時，文章也缺乏對家庭節(jié)水設備、家庭類型以及用水結(jié)構(gòu)對家庭用水能耗影響的進一步分析。

另外，Kahrl和 Roland-Host對中國整體的水—能關系進行了研究。他們根據(jù)中國國家統(tǒng)計局和水利部公布的用電和用水數(shù)據(jù)以及中國的投入產(chǎn)出表，計算出了我國非農(nóng)業(yè)用水對應的單位能耗。該方法與前文所述的采用逐步分析方法的研究不同，是應用投入產(chǎn)出模型，計算水資源產(chǎn)品和供給的能耗。該研究指出目前中國非農(nóng)業(yè)供水的能耗占中國總能耗的比例較小，但是，隨著中國水處理能力的提高和水利設施的增加（如南水北調(diào)等），該比例會不斷增大。

二、討論與展望

整體來看，城市水系統(tǒng)水—能關系研究還處于起步階段?，F(xiàn)有研究在研究方法上可以分為兩類：一類是通過分析、計算水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（如圖1所示）的能源強度掌握某一特定水系統(tǒng)的能源消耗情況，這種方法可稱之為過程分析法，其優(yōu)點在于它能針對一個特定的水系統(tǒng)進行深入研究，分析水系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的能耗和影響因素。另一類是通過投入產(chǎn)出表計算各行業(yè)（包含水的生產(chǎn)和供應業(yè)）的能源投入，屬于經(jīng)濟學上的投入—產(chǎn)出分析法。投入產(chǎn)出法能提供宏觀結(jié)果，進行經(jīng)濟指標的分析，但是該方法受限于統(tǒng)計資料，不能針對特定的水系統(tǒng)進行深入研究。目前，大多數(shù)水系統(tǒng)水—能關系研究采用的是過程分析方法。

在研究內(nèi)容上，水系統(tǒng)水—能關系的研究可以歸納為三個遞進的層面，第一個層面就是水系統(tǒng)五大環(huán)節(jié)和水系統(tǒng)總體的能源強度研究；第二個層面是城市水系統(tǒng)的能源需求量研究；第三個層面是城市水系統(tǒng)的碳排放與節(jié)能減排研究，具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2是在總結(jié)已有研究的基礎上提出的城市水系統(tǒng)水—能關系研究的概念框架。在概念框架中，城市水系統(tǒng)的能源強度研究是其他研究的基礎，在該基礎之上，分析水源類型和條件、水處理工藝、水質(zhì)標準等各種影響因子對能源強度的影響程度和影響機制，以期掌握造成不同區(qū)域或各個水系統(tǒng)能源強度差異的原因，從而有助于節(jié)能型城市水系統(tǒng)的規(guī)劃、設計和管理。然后，結(jié)合城市用水水平可以計算城市水系統(tǒng)的能源消耗總量，通過對比分析歷史用水數(shù)據(jù)和不同時期的城市水資源管理實踐所對應的能源消耗量，能夠揭示城市水系統(tǒng)能耗隨時間變化的趨勢，以及不同水資源管理策略對水系統(tǒng)能耗的影響。最后，可以計算城市水系統(tǒng)的碳排放量，分析節(jié)能減排的途徑。

從目前的研究情況來看，不論國內(nèi)還是國外，對于水在終端使用過程中的能耗特征都缺乏深入、全面的研究，而這一環(huán)節(jié)的能源強度實際上超過了其他所有環(huán)節(jié)的能源強度，在這一環(huán)節(jié)節(jié)約用水將有可能以最小的成本帶來最大的節(jié)水節(jié)能效應，這也是需求側(cè)管理思想的核心。因此，水系統(tǒng)水—能關系未來的研究重點應該放在水資源的終端消費領域，探討家庭、行業(yè)節(jié)水與節(jié)能的相互關系，從而通過需水管理達到水資源和能源的可持續(xù)利用，促進城市節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展。

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