姜小云，張庭婷，吳 唯

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

引 言

燃煤發(fā)電在我國電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置。燃煤發(fā)電中需要充足的水以保證生產(chǎn)安全性，電廠廢水也會對環(huán)境水體造成持續(xù)影響，同時(shí)電廠燃煤在上游生產(chǎn)運(yùn)輸中也占用大量水資源。因此，合理的水耗核算與水資源評價(jià)對煤電的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。水足跡（Water Footprint）這一概念由 A.Y.HOEKSTRA等[1]提出，是分析某項(xiàng)活動或生產(chǎn)過程水資源占用的綜合指標(biāo)，包含藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡；評價(jià)中不僅考慮了直接用水，同時(shí)考慮間接用水。能源領(lǐng)域水足跡評價(jià)研究早期主要針對生物質(zhì)能源；隨著研究進(jìn)一步深入，電力水足跡研究也越來越受到關(guān)注。美國阿岡國家實(shí)驗(yàn)室自下而上核算了美國火電發(fā)電階段的水足跡[2]。C.ZHANG等[3]建立了中國長時(shí)間序列煤電用水?dāng)?shù)據(jù)庫，研究了煤電取水、耗水及地區(qū)水資源壓力變化過程。M.MEKONNEN等[4]計(jì)算了全球生產(chǎn)電力、熱能的平均水足跡。N.DING等[5]研究了我國主要化石燃料和發(fā)電方式的平均水足跡。目前已有的火電水足跡評價(jià)研究或忽略占比更大的灰水足跡，或未考慮燃料引入的水足跡，而更多的關(guān)注電廠水耗和取水量，或缺乏詳細(xì)的區(qū)域分析。基于此，本文將建立涵蓋燃煤開采、運(yùn)輸?shù)桨l(fā)電階段的全生命周期水足跡計(jì)算模型，以內(nèi)蒙古自治區(qū)為研究區(qū)域，對我國主要產(chǎn)煤區(qū)的煤電水足跡進(jìn)行評價(jià)研究，同時(shí)分析煤電發(fā)展對于當(dāng)?shù)厮Y源的影響。評價(jià)研究不僅關(guān)注了不同機(jī)組產(chǎn)生的直接藍(lán)水足跡，也研究上游燃煤生產(chǎn)、運(yùn)輸過程引入到系統(tǒng)的間接藍(lán)水足跡，同時(shí)考慮污水排放引起的大量灰水足跡。研究結(jié)果深入分析了煤電行業(yè)對當(dāng)?shù)厮Y源的影響，對我國煤炭資源大省煤電的可持續(xù)發(fā)展政策制定具有一定的參考意義，也可為當(dāng)?shù)厮Y源管理提供理論支持。

1 模型方法與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 系統(tǒng)邊界

本模型區(qū)分了煤電生產(chǎn)的3個(gè)主要階段，即燃料生產(chǎn)、運(yùn)輸和發(fā)電。水足跡以生產(chǎn)單位電力占用的水資源體積L/（kWh）衡量。煤電廠建設(shè)相關(guān)的水消耗不作考慮。

水足跡為藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡的總和，其中綠水足跡常在農(nóng)業(yè)研究中涉及，燃煤發(fā)電未產(chǎn)生綠水足跡[4]。煤電水足跡包含藍(lán)水足跡和灰水足跡，藍(lán)水足跡定義為在生產(chǎn)過程中消耗的藍(lán)水（地表水和地下水）；灰水足跡則是指將一定的污染物稀釋到自然本底濃度或現(xiàn)有環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需的淡水體積[1]。藍(lán)水足跡和灰水足跡同時(shí)分為直接水足跡和間接水足跡2類，直接水足跡來自燃煤生產(chǎn)、運(yùn)輸、發(fā)電等環(huán)節(jié)的直接水消耗；而間接水足跡則是上述環(huán)節(jié)所消耗的燃料、電力等引入的水消耗。例如煤炭從開采地運(yùn)送到當(dāng)?shù)孛弘姀S發(fā)電，除了電廠直接消耗一部分水之外，所消耗的諸如柴油、電力等燃料也會將自己生命周期的水足跡引入進(jìn)來。

1.2 水足跡計(jì)算

煤電水足跡由公式（1）表示：

式中：Welec——總水足跡，L/（kWh）；

Wd，b——直接藍(lán)水足跡，L/（kWh）；

Wd，g——直接灰水足跡，L/（kWh）；

Wi，b——間接藍(lán)水足跡，L/（kWh）；

Wi，g——間接灰水足跡，L/（kWh）。

灰水足跡由公式（2）計(jì)算[4]：

式中：Wg——灰水足跡，L/（kWh）；

Cmax——排放水中濃度最高污染物的質(zhì)量濃度，mg/L；

Cnat——自然水體中該污染物質(zhì)量濃度，mg/L；

M——該污染物的排放量，kg。

第五類地表水通常被選為自然水體。考慮不同種類污染物的不同濃度標(biāo)準(zhǔn)，定義i污染物的影響因子ni見式（3）：

對于廢水中各種污染物，n值最大的污染物對稀釋用水的最終體積影響最大，見公式（4）：

式中：nmax——最大影響因子；

m——污染物種類數(shù)量。

本研究假設(shè)在原始接收水中，每種污染物的自然濃度為零，灰水足跡簡化為公式（5）：

式中：mwaste——排放的污水總量，L/（kWh）。

根據(jù)上述水足跡計(jì)算方法及本研究所確立系統(tǒng)邊界，包含煤炭開采、運(yùn)輸以及電力生產(chǎn)的煤電生命周期的發(fā)電、煤炭生產(chǎn)的水足跡由公式（6）、（7）計(jì)算，其中所有水足跡又以藍(lán)水和灰水足跡分別計(jì)算。

式中：Wcoal——煤炭生產(chǎn)的水足跡，L/kg；

Wtrans——從煤礦運(yùn)輸單位質(zhì)量煤炭至煤電廠產(chǎn)生的運(yùn)輸階段水足跡，L/kg；

Wd,elec——煤電生產(chǎn)階段的直接水足跡，L/（kWh）；

Wd,coal——燃煤生產(chǎn)過程的直接水足跡，L/kg；

mcoal/elec——單位發(fā)電量消耗的燃煤質(zhì)量，kg/（kWh）；

mcoal/coal——生產(chǎn)單位燃煤消耗的煤炭質(zhì)量，kg/kg；

melec/coal——生產(chǎn)單位燃煤消耗的電力，（kWh）/kg。

1.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

水足跡計(jì)算中，發(fā)電階段的直接藍(lán)水足跡采取自下而上方法計(jì)算。煤電廠在冷卻、灰渣爐渣清洗、鍋爐水補(bǔ)給等方面存在大量水耗，冷卻過程中的水分蒸發(fā)是引起直接藍(lán)水足跡的主要因素。目前最普遍的3種電站冷卻方法，即直流冷卻、循環(huán)冷卻和空氣冷卻，具有相當(dāng)大的水耗差異。直流冷卻機(jī)組從外界大量取水、經(jīng)冷卻通道后排放，其排放水溫度上升通常很低，所以蒸發(fā)水分相對較少。循環(huán)冷卻中，大量水通過冷卻塔或池塘蒸發(fā)散發(fā)熱量至大氣，并不斷補(bǔ)充冷卻水?？諝饫鋮s以空氣或其他氣體為冷卻介質(zhì)，蒸發(fā)耗水極低。2013年工信部、水利部等聯(lián)合發(fā)布的《重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)用水效率指南》規(guī)定了煤電行業(yè)單位產(chǎn)品取水量指標(biāo)，見表1。單機(jī)容量更大的電站通常用水效率更高，本研究中的電站根據(jù)不同裝機(jī)容量和冷卻方式進(jìn)行劃分，由單位發(fā)電量取水量平均值計(jì)算直接藍(lán)水足跡。

表1 煤電行業(yè)單位產(chǎn)品取水量指標(biāo)

燃煤運(yùn)輸主要依靠鐵路，考慮內(nèi)蒙古地區(qū)煤炭自產(chǎn)自銷，運(yùn)輸距離不超過1 000 km，并以最遠(yuǎn)情況核算最大運(yùn)輸水足跡。每千公里每噸貨物鐵路運(yùn)輸?shù)哪芎臑?.72 kg柴油，柴油平均藍(lán)水足跡為11.57 L/kg[6]。煤炭運(yùn)輸過程灰水足跡缺乏數(shù)據(jù)且比例較小，忽略不計(jì)。

我國14個(gè)主要煤炭產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)單位煤炭的平均耗水為1.98 L/kg[7]，近5年來生產(chǎn)1 kg標(biāo)煤平均耗電為0.026 kWh，消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.035 kg[8]。2015年全國6 000 kW及以上煤電廠機(jī)組平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為0.321 kg/（kWh）[9]。

計(jì)算灰水足跡需考慮處理后排放污水中各污染物的濃度值，國家新版《火力發(fā)電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》限定了排放污染物含量。比較煤電廠污染物排放限值與受納水體限值，氟化物對水質(zhì)的影響最大，影響因子為3.33?！吨攸c(diǎn)工業(yè)行業(yè)用水效率指南》中，我國煤電單位發(fā)電量廢水排放量為0.32 L/（kWh）。煤炭開采、洗選產(chǎn)生的灰水足跡可根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的年煤炭生產(chǎn)量與煤礦排放廢水量計(jì)算，我國生產(chǎn)每千克原煤排放廢水1.79 kg[6,8]。比較GB 20426—2006《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》與受納水體限值，石油類污染物對水質(zhì)的影響最大，影響因子為5。

2 內(nèi)蒙古煤電水足跡評價(jià)

作為我國的煤炭資源富集區(qū)，內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭已探明儲量超萬億噸，居全國首位；“十二五”期間全區(qū)累計(jì)生產(chǎn)煤炭49.2億t，為全國第一。豐富的煤炭資源為大型煤電基地的發(fā)展提供了良好條件。內(nèi)蒙古地區(qū)火力發(fā)電行業(yè)近年來突飛猛進(jìn)，至2017年底，煤電機(jī)組裝機(jī)容量為8 170萬kW，居全國第二，年發(fā)電量達(dá)3 659.2億kWh[9]?！秲?nèi)蒙古自治區(qū)能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出：“力爭到2020年原煤產(chǎn)量控制在11.5億t左右，重點(diǎn)發(fā)展以電力外送為主的大型煤電基地，火電裝機(jī)容量達(dá)1億kW?！迸c此同時(shí)，內(nèi)蒙古作為缺水地區(qū)，2016年人均水資源量僅為1 695.49 m3，低于全國平均2 355 m3/人，為世界平均水平的五分之一。此外，內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源時(shí)空分布極不均衡；水資源總量存在較大年際波動，受氣候、水文等因素影響大，可調(diào)節(jié)能力有限；近十年地區(qū)水資源總量年均486.5億m3，豐水年水資源總量達(dá)枯水年的3倍以上，年用水總量維持在180億m3上下。如何在發(fā)展煤電的同時(shí)，又不影響當(dāng)?shù)仄渌a(chǎn)業(yè)的用水，并且不對當(dāng)?shù)氐乃Y源可持續(xù)利用產(chǎn)生影響，將是內(nèi)蒙古未來煤電發(fā)展面臨的主要問題之一。而對煤電水足跡的研究，有利于更清楚認(rèn)識煤電發(fā)展中面臨的水資源消耗問題，為內(nèi)蒙古地區(qū)煤電的可持續(xù)發(fā)展策略提供重要依據(jù)。

2.1 煤電水足跡研究結(jié)果

本研究從燃煤發(fā)電廠終端收集了大量詳細(xì)信息，包括機(jī)組容量、年發(fā)電量、冷卻技術(shù)、地理位置等數(shù)據(jù)，形成了較完備的煤電裝機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫包含內(nèi)蒙古自治區(qū)152座煤電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)6747萬kW，覆蓋地區(qū)83%的煤電機(jī)組。通過分析內(nèi)蒙地區(qū)機(jī)組數(shù)量、功率，發(fā)現(xiàn)600 MW及以上機(jī)組占統(tǒng)計(jì)機(jī)組總數(shù)的40%，其發(fā)電功率占統(tǒng)計(jì)總裝機(jī)容量比例達(dá)57%。根據(jù)冷卻方式分類，空氣冷卻機(jī)組占總量的53%，循環(huán)冷卻機(jī)組占比47%，沒有直流冷卻機(jī)組。

根據(jù)不同機(jī)組和冷卻方式占比以及其相對應(yīng)的水足跡，可以計(jì)算獲得內(nèi)蒙古地區(qū)的煤電水足跡，見圖1。由圖1結(jié)果表明，內(nèi)蒙古地區(qū)燃煤發(fā)電全生命周期水足跡為5.974 L/（kWh）。生產(chǎn)單位電力引起的灰水足跡為4.021 L/（kWh），其中直接灰水足跡3.885 L/（kWh），由煤電廠發(fā)電過程中的污水排放以及上游煤炭的開采、洗選過程的廢水等產(chǎn)生；間接灰水足跡0.136 L/（kWh），來自煤電生命周期各階段消耗的能源等引入的間接污水排放。生產(chǎn)單位電力的藍(lán)水足跡為 1.953 L/（kWh），其中直接藍(lán)水足跡 1.914 L/（kWh），來自電廠發(fā)電用水及上游煤炭生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中消耗的藍(lán)水總量；間接藍(lán)水足跡0.039 L/（kWh），來自煤電生命周期各階段消耗的能源等引入的藍(lán)水消耗。在4項(xiàng)水足跡成分中，占總水足跡比值最高的是直接灰水足跡，達(dá)65%，燃煤生產(chǎn)和電廠廢水引發(fā)的水污染造成了最大部分的水資源占用；其次是直接藍(lán)水足跡，占水足跡總值的32%，其大小與機(jī)組容量和冷卻方式密切相關(guān)。直接水足跡為5.799 L/（kWh），間接水足跡僅0.175 L/（kWh），表明來自燃煤生產(chǎn)、運(yùn)輸、發(fā)電等環(huán)節(jié)的直接水耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于消耗燃料、電力等引入的間接水耗。從水足跡構(gòu)成上看，水足跡的67.3%為灰水足跡，灰水足跡是藍(lán)水足跡的2倍以上，說明污水排放引起的水資源損耗遠(yuǎn)高于煤電生產(chǎn)活動引起的地表水、地下水占用量。

圖1 內(nèi)蒙古地區(qū)煤電水足跡構(gòu)成

燃煤發(fā)電不同階段的水足跡構(gòu)成如圖2所示。藍(lán)水足跡中，燃煤電廠發(fā)電階段產(chǎn)生的藍(lán)水足跡最大，占總藍(lán)水足跡的65.7%；燃煤電廠消耗的冷卻水，直接導(dǎo)致了大量藍(lán)水足跡生成。上游燃煤開采、洗選等產(chǎn)生的藍(lán)水足跡蘊(yùn)含在燃煤生產(chǎn)中，占總藍(lán)水足跡33.8%。由前文表1中可以看出，循環(huán)冷卻耗水量為空氣冷卻的4倍左右，而直流冷卻雖耗水不多，卻以水單次流經(jīng)通道進(jìn)行冷卻，要求較大取水量，僅適于富水地區(qū)。因此在內(nèi)蒙古地區(qū)應(yīng)積極推進(jìn)高參數(shù)、大容量的先進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組建設(shè)，比如新建燃煤發(fā)電項(xiàng)目盡量采用600 MW及以上超超臨界機(jī)組。通過增加大型機(jī)組占比以及進(jìn)一步增多空冷機(jī)組，來減小煤電直接藍(lán)水足跡，從而降低煤電生命周期藍(lán)水足跡。灰水足跡中，燃煤生產(chǎn)引起的灰水足跡最大，為總灰水足跡的73.5%；發(fā)電階段產(chǎn)生的灰水足跡占總灰水足跡的26.5%。上游燃煤生產(chǎn)階段的水污染是灰水足跡的主要來源，因此嚴(yán)格控制煤炭開采洗選業(yè)的污水排放，降低污染物濃度，對減小煤電灰水足跡至關(guān)重要。

圖2 內(nèi)蒙古地區(qū)煤電不同生命周期階段水足跡構(gòu)成

2.2 煤電發(fā)展對內(nèi)蒙古水資源的影響

內(nèi)蒙古自治區(qū)近十年水資源總量年平均為486.5億m3，可供人類生產(chǎn)生活使用的年均用水總量182.93億m3，其中年均工業(yè)用水總量20.81億m3。非供水即被認(rèn)為是自然水體，其總量為303.56億 m3。以2017年內(nèi)蒙古地區(qū)燃煤發(fā)電量3 659.2億kWh計(jì)算[9]，該地區(qū)煤電生產(chǎn)的總水足跡為21.85億m3，其中總藍(lán)水足跡7.13億m3，總灰水足跡14.71億m3。內(nèi)蒙古地區(qū)煤電生產(chǎn)占用水資源情況如圖3所示。煤電生產(chǎn)占用總水資源的4.49%，其中藍(lán)水足跡占年均工業(yè)用水比例達(dá)34.27%，占地區(qū)用水總量的3.90%；灰水足跡作為非供水水資源的一部分，占自然水體的4.85%，這部分水資源占用此前未被核算在內(nèi)，實(shí)則被煤電生產(chǎn)活動占用，以稀釋、同化污染物。煤電總水足跡占水資源比例較高，必將會對農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的用水產(chǎn)生影響；而煤電藍(lán)水足跡占工業(yè)用水比例較高，也會導(dǎo)致工業(yè)領(lǐng)域其他行業(yè)用水受到影響；灰水的大量產(chǎn)生，則會對區(qū)域的水生態(tài)環(huán)境造成破壞。結(jié)合上述單位電力水足跡分析，技術(shù)進(jìn)步可以降低藍(lán)水足跡，而灰水足跡的降低，需要更加嚴(yán)格的法律法規(guī)限制煤電行業(yè)的污水排放以及提高排污標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。比如，引入更多大容量、空氣冷卻機(jī)組，以減少發(fā)電廠水資源消耗；在上游燃煤生產(chǎn)中注意降低水耗；關(guān)注煤炭全生命周期的水污染，降低排污總量，減少灰水足跡。

圖3 內(nèi)蒙古煤電生產(chǎn)占用水資源情況

內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源主要分布在東部黑龍江流域，其中西部地區(qū)人均水資源量不足1 000 m3，屬嚴(yán)重短缺情況。西部盟（市）水資源量僅占全區(qū)總水資源量的19%，開發(fā)利用量卻已占全區(qū)總量的59.7%，開發(fā)利用率高達(dá)90%以上，水資源開發(fā)潛力已達(dá)到飽和[10]。目前在建或規(guī)劃的以鄂爾多斯、錫林郭勒、呼倫貝爾為代表的大型煤電基地，將擴(kuò)大裝機(jī)容量，提高煤電產(chǎn)能，繼續(xù)增大煤電取用水量。其中，鄂爾多斯市和錫林郭勒盟水資源總量僅分別為29.22億m3、31.77億 m3[11]，根據(jù)前文中目前內(nèi)蒙古地區(qū)煤電占總用水資源的4.49%估算，僅可支撐發(fā)電容量490萬kW與530萬kW裝機(jī)容量機(jī)組?！笆濉币?guī)劃中火電裝機(jī)容量1億kW的目標(biāo)，對地區(qū)可用水資源量提出了巨大挑戰(zhàn)。因此，提高煤電行業(yè)用水效率刻不容緩。

3 結(jié) 論

本文建立了涵蓋燃煤開采、運(yùn)輸?shù)桨l(fā)電的生命周期水足跡計(jì)算模型。以內(nèi)蒙古自治區(qū)為研究區(qū)域，對我國主要產(chǎn)煤區(qū)的煤電水足跡進(jìn)行了評價(jià)研究，同時(shí)分析了煤電發(fā)展對當(dāng)?shù)厮Y源的影響。研究表明，內(nèi)蒙古地區(qū)生產(chǎn)單位煤電的水足跡為5.974 L/（kWh），燃煤開采、洗選產(chǎn)生的灰水足跡以及發(fā)電過程產(chǎn)生的藍(lán)水足跡較大。因此，不能忽視發(fā)電過程的直接水消耗，也需重視水污染引發(fā)的水資源占用。采用具有更高水資源利用效率的大容量、空冷機(jī)組，有利于減小煤電直接藍(lán)水足跡；嚴(yán)格法律法規(guī)、限制煤電行業(yè)的污水排放，以及提高排污標(biāo)準(zhǔn)，可以促進(jìn)灰水足跡的降低。2017年，內(nèi)蒙古地區(qū)煤電生產(chǎn)總水足跡21.85億m3，占自治區(qū)水資源總量的4.49%。煤電發(fā)展必將會對農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的用水產(chǎn)生影響，也會導(dǎo)致工業(yè)領(lǐng)域其他產(chǎn)業(yè)用水受到影響；灰水的大量產(chǎn)生，則會對區(qū)域的水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞。地區(qū)水資源分布不均和建設(shè)大型煤電基地發(fā)展目標(biāo)，對水資源利用提出了巨大挑戰(zhàn)。