第1章我国水与能源纽带关系解析
　　1.1研究背景
　　水与能源是现代文明的重要组成部分，它们不仅是工农业生产的珍贵资源，也是满足人类粮食、住所、保健和教育等需求的必要条件。在经济全球化背景下，人口增长、经济发展正在不断扩大全球对水与能源的巨大需求。根据联合国2019年《世界人口展望》报告，全球人口预计在未来30年将再增加20亿，从2019年的77亿增加至2050年的97亿；到21世纪末，全球人口将继续增长至110亿左右。与此同时，2050年全球能源和水资源需求将较2019年分别增加25%～58%和20%～30%（WWAP，2019；van Ruijven et al.，2019）。在全球气候变化、人口增长和城镇化等要素的驱动下，水与能源需求的持续增长将是人类社会保持长期稳定发展必须要应对的重大挑战。水与能源紧密相连，两者之间存在复杂的互馈特征。近年来水与能源纽带关系研究一直是科学界、大众媒体及政府机构关注的热点。水与能源可以通过多种方式对社会产生影响，一方面，水资源可以用来产生电力，还可以用于煤炭、石油等燃料的开采，并在生产乙醇等生物燃料的能源作物方面发挥日益重要的作用；另一方面，水行业利用电力进行水资源的输送、运输、处理、分配、加热和废水处理，大型水利建设项目需要大量的混凝土和钢铁，能耗量巨大。除此之外，全球预期人口增长率较高和经济发展较快的国家通常位于水资源短缺地区，为了实现水资源的供需平衡，世界各国大力发展海水淡化或废水处理来满足不断发展的农业、工业、能源、生活等快速增长的用水需求，而这些措施都将消耗巨大的能源。由于水资源的短缺，目前在维护各国能源安全、能源利用效率以及可持续性使用能力等方面，水足迹已成为比碳足迹更重要的因素。
　　资源禀赋、生产能力和消费规模的不匹配、不平衡，是整个地区乃至国家水与能源难以协同保障的根本原因。在这个意义上，水与能源的高消耗区正是造成资源供需失衡的核心策源区，而且往往也是资源保障程度要求最高、保障情势最为复杂的地区。中国北方大部分地区长期缺水的现实，能源生产过程中的水资源消耗已经有了较全面的研究，尤其在黄河流域、西北内陆河流域等地区。但对水与能源在消费过程中的互馈关系，以及水资源的取用、调运、处理过程的能耗情况等研究仍较为缺乏，导致对水与能源系统的整体性认知仍十分薄弱，更难以提出基于内在互馈机制的跨行业多部门协同保障方案。根据本书课题组前期研究，发现全国社会水循环（包括对水资源的取、用、耗、排等过程）能量消耗总量为1.1万亿kW h，约占全国总用电量的19%。其中，用水系统能量消耗最多，相当于整个社会水循环用水能耗过程的87%（姜珊，2017）。再如，南水北调工程由于对受水区地下水压采的贡献，到2020年可减少耗电量10亿kW h（Zhao et al.，2017）。这表明从更为全面的视角认识和构建全要素的水与能源耦合关系，并在此基础上提出协同保障方案十分重要。
　　1.2国内外研究进展
　　自从2014年《世界水发展报告2014：水与能源的联系》发布，呼吁各国政府在制定能源发展政策时考虑当地的水资源承载能力以来，水与能源问题引起全球关注，在Web of Science数据库搜索2007～2019年Water and Energy标题，出现6560篇相关文献。研究内容主要分两类:一类是从水资源、能源角度出发，从宏观资源分析两者之间的关系；另一类是以水分子为研究对象，从微观研究水分子化学反应。在这些文章中，Study、Analysis、Evaluation、Method、Assessment、Medol、Effect、Comparison等关键词出现频率较大，说明目前对于水与能源的研究更注重方法层面的讨论。其次是Transfer、Nexus、System、Efficiency、Potential、Use、Development、Simulation等关键词（图1-1）。所以国内外对于水与能源的研究更多地集中在能源开发过程中水资源的利用情况，包括传统能源的开发和新能源的开发、水资源开发利用过程中的能源消耗情况。而水与能源系统关系的研究主要是从经济角度、物理机制和管理决策等方面来展开，以环节用水和能源消耗之间的相互关系为基础来进行部门发展、政策制定、战略布局等分析。
　　图1-1关于水与能源研究高频词分析情况
　　1.2.1水在能源生产中的价值
　　水足迹的概念出现在21世纪初，是荷兰学者Hoekstra在完善和发展虚拟水理论的基础上提出，能够真实地反映社会经济活动单元对水资源的需求和占用情况（Hoekstra，2003）。水足迹是指任何已知人口（一个国家、地区）在一定时间内因消费产品及服务所需要的水资源数量（Okadera et al.，2014）。目前的研究主要利用水足迹来定量化采掘行业、电力生产及生产燃料过程的水资源利用情况，如煤炭、天然气、原油、铀、生物质燃料生产、转化、分配及利用过程的水足迹。Gerbens-Leenes等（2008）估算的煤各种生产工序用水量约为0.164m3/GJ，且地下开采作业的煤炭用水量大于露天开采；原油平均用水量约为1.058m3/GJ。世界能源理事会（World Energy Council，WEC）预计北美及中美的非传统原油生产将会增加，其耗水量是传统原油生产过程的2.5～4倍（WEC，2010）。Webber（2007）研究显示美国整个国家火电行业平均每生产1kW h电量的取水量超过80L，而耗水量则为2L。但火电厂的取水量和耗水量受火电厂所使用的燃料类型和电力循环方式以及冷却方法影响（Stamford and Azapagic，2012）。Ayres（2014）研究了德国运输燃料的水足迹，发现如果德国公路运输部门实现10%的生物燃料混合使用，将导致燃料运输部门的水足迹增加64%。中等收入国家发电厂的用水量较少，农业部门的用水量较多；而高收入国家则正好相反（Ackerman and Fisher，2013）。
　　研究人员对中国能源开发利用的用水情况开展了相关研究。对于传统能源的开发利用，宋轩等（2008）通过对中国火电厂取水量的统计，分析了火力发电取用水的现状和特点，并预测了火电取用水定额，为16.8kg/（kW h）。中国科学院地理科学与资源研究所对北京市的5家电力企业进行了调查，发现间接冷却水占电力行业用水构成的95%左右（左建兵等，2008），发展高效冷却水技术是火力发电节水技术的重点。Shang等（2016）分析了西部能源基地的水供应情况，发现西北地区无法充分满足燃煤火电行业的用水量。除了传统能源生产，也有学者对新能源开发利用的用水关系进行了研究。Yang等（2009）研究指出，为实现中国生物燃料2020年发展目标，中国需要投入5%～10%的耕地以及每年32～72km3的用水量，当前的生物燃料发展路径可能对中国的粮食供应、贸易及环境产生重大影响。王婷等（2013）从全生命周期的角度分析了油菜籽生物柴油耗水量，生产1t油菜籽生物柴油总耗水量为4391t。
　　1.2.2水资源开发利用中的能源投入
　　水系统分为取水、处理、输送、分配、供应、再处理及排放等阶段（Twomey and Webber，2011）。水的能源使用强度受到水源质量、水处理设备能力以及供水距离等影响，为达到安全饮用标准，需要向水源地取水，在水厂进行处理，向终端用户输送，终端用户根据个人的需要对水进行加热、冰镇或者加压等。由于不同水源的质量不同，水在生产、处理及输送过程所消耗的能量也不同，Stillwell等（2011）研究认为美国生产1m3地表水消耗能量0.06kW h；从40m的深处抽取1m3的水需要消耗约0.140kW h的电能，从120m的深处抽取1m3的水需要消耗约0.5kW h的电能。Shannon等（2008）利用反渗透膜进行了脱盐处理，最低能耗680kW h/m3。而在废水处理过程中也需要消耗大量的能源，如利用滴滤处理进行需氧处理，处理1m3的废水平均能耗超过0.15kW h；采用过滤及硝化方案的先进废水处理技术，处理1m3的废水消耗0.4～0.5kW h的电能。密歇根大学可持续体系中心（Center for Sustainable Systems，University of Michigan）2022年发现较为先进的污泥处理及加工技术的能耗占废水处理厂能耗的30%～80%。
　　近几年中国对水资源开发利用过程的能耗情况研究较为丰富。Li等（2016）基于桑基图分解和量化国家层面能源和水资源的流向情况，总结在水资源提取、处理、分配和污水处理过程中需要消耗193TW h的电能，约占全国用电量的4%。高津京（2012）研究发现中国用于水资源开采、输送、分配、污水处理等过程的电力消耗达到2964亿kW h，2050年供水量将比2010年增加34%，相应电量将增加61%。此外，对水资源开发利用中的某一过程也进行了较为详细的研究。例如，沈恬等（2015）通过典型测试和问卷调查，估算9个城市的家庭用水能耗在11.04～20.78kW h/m3。Lu和Chen（2016）分析了城镇工业系统中的耗水强度，其中制造业的耗水强度较大，约为54.35m3/t。杨凌波等（2008）对2006年中国559个城镇污水处理厂能耗状况进行了分析，发现城镇污水处理厂平均电耗为0.29kW h/m3。
　　1.2.3水与能源协同关系分析
　　水与能源之间复杂的相互关系，主要体现在生产、运输和消费三个环节，并且随着气候变化、工业发展和人口增加对水和能源的需求增长，加强了这种相互作用。从环境角度来看，Hamiche等（2016）认为气候变化的*大原因之一是燃烧化石燃料，同时，气候变化正在对未来的水供应产生不确定性，这将影响未来长期的水和能源安全，水与能源关系更加尖锐。从技术层面描述水与能源的关系，Bertrand等（2017）提出家庭、酒店等终端用水户的热水需求模型与相关的能量消耗，并以阿尔泽特河畔埃施为研究区，通过实地测量、细化研究成果来评估城市能源和优化。DeNooyer等（2016）以地理信息系统模型为基础，将热电厂数字空间数据集与基本工程原理相结合，并量化热电厂的取水量和功率消耗，来预测热电厂的需水要求；这类研究主要回答节能是否带来节水，节水的同时能否达到节能的问题（Vilanova，2015）。从经济维度来看，主要是讨论水价和电价价格补贴与关税结构的问题，如Malik（2002）认为印度对电价补贴较高，导致过度开发地下水资源，从而带来环境危害。Topi等（2016）分析了意大利博洛尼亚实行绿色转型战略对水资源和能源的需求情况。水与能源是社会的基础物质，其相关政策的执行不可避免地带来社会影响（Scott et al.，2011；Yang and Goodrich，2014）。
　　2011年中央一号文件《中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定》提出对水资源进行优化配置。*严格水资源管理制度对水量、用水效率和水质提出目标，将水资源、经济和环境融为一体（王伟荣和张玲玲，2014）。越来越多的学者开始关注在中国经济保持高速增长的背景下，资源利用模式以及水资源稀缺性对其的影响（Kahrl and Roland-Holst，2008）。在目前的能源结构中，虽然煤炭开采、洗煤、燃煤发电、冷却、除尘等环境需要消耗大量的水资源，减少煤炭的使用会节省大量的水资源（Feng et al.，2014；Chang et al.，2015），但是利用可替代能源同样需要消耗大量的水资源。例如，内陆核电厂耗水量约为同容量火电厂的1.5倍（郭有等，2011），滨海核电站两台CPR1000核电机组用水量为225万m3/a（曹永旺和杨天伟，2012）。发展风能、太阳能、水能等清洁型能源可减少二氧化碳排放，且可节约水资源（Feng et al.，2014；Chang et al.，2015）。