城市水系统水—能关系研究进展

李 璐，陈远生 ，何希吾，顾定法

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，100101,北京；2.中国科学院研究生院，100049，北京）

城市的给水排水是高能耗行业，如果进一步从城市水系统整体来考虑，研究城市水系统的水—能关系，计算水源开发、供水、用水、排水等城市水系统所有环节的能耗，则城市与水资源开发利用有关的能源消耗将更加凸显。而随着中国城镇化进程的加快，未来我国城市水系统的规模和能耗还将进一步增大。

由全球性气候变化导致的水资源不确定性的增加将加剧我国水资源分配不均和短缺的状况。为保障城市供水安全，新的水源工程以及大规模跨流域调水工程的修建将成为重要的应对措施之一，这也将导致城市供水成本的进一步增加，尤其是水系统能源消耗的增加。

本文的水系统指的是城市人工水系统，包括与城市水资源开发利用有关的水源取水、供水、输水、用水、排水、污水处理与回用等环节。除了各个环节基础设施的建造需要消耗大量的物资和能源之外，水系统在运行过程中也需要大量的能源投入，例如城市供水管网的输配水能耗，污水处理厂进行污水处理的能耗等。在城市水系统巨大能源消耗的背后是可观的碳排放。在我国，已有研究和经验表明给排水行业是城市的用电大户，目前我国大多数供水企业的平均耗电量占总制水成本的20%~30%，城市水系统运行中的碳排放不容忽视。

一、国内外研究现状

由于城市水系统的复杂性，水系统的水—能关系研究涉及众多方面。目前，城市水系统水—能关系领域的研究多数是单独针对水系统某一环节的研究，如水厂、污水处理厂、高楼供水等的能耗研究；这些研究是水系统能耗研究的基础，但还达不到系统的层面，系统研究十分缺乏。本文侧重从系统层面介绍城市水系统水—能关系的研究进展。

1.国外研究进展

城市水系统水—能关系研究是近年才兴起的一个研究方向。2000—2008年陆续出现了一系列关于城市水系统水—能关系的研究专著和报告，其后两年更多组织开始关注和研究这一热点问题。

2000年，Wilkinson建立了计算水系统能源强度和能源总需求的模型，并首先在其专著中计算了美国加州地区水系统的能源强度，分析了水资源有效利用对节能的潜在效用。Wilkinson的方法是按照城市水系统水源取水、供水、配给、污水处理的开发利用顺序，分析每个环节相关的工程、工厂及设施的能耗情况、能耗影响因素和将来可能发生的变化，计算各个环节的能源消耗，最后汇总得到整个水系统的能源强度（单位体积/质量的水所消耗的总能量）和该地区水系统的总能源需求。Wilkinson还在此方法基础上建立了一个工作表格，把它与地理信息系统耦合，以实现可视化输出。Wilkinson的研究是系统论述一个地区水系统水—能关系的较早且具有代表性的研究，这种从水系统各个环节具体设施的能耗研究整个系统由下至上的能耗分析方法，成为之后许多研究普遍采用的方法。

2004年，美国自然资源保护委员会和太平洋研究所的Ronnie Cohen和Gary Wolff等改进了Wilkinson构建的水系统能源强度计算模型，并在地区尺度上加以应用，详细论述了加州三个地区水系统的水—能关系。他们在Wilkinson的模型中加入了 “水的终端使用”环节，计算了研究区城市用水的能源消耗、农业用水的能源消耗以及水电的能源消耗，分析了水系统能耗的影响因素。研究结果表明：①城市终端用水的能源强度占水系统总体能源强度的50%以上，水在终端使用过程中的能耗大于输水和水处理的能耗，因此减少用水能够节约大量能源；②再生水是高能效的水源，不论是城市用水还是农业用水，污水处理再利用的能源强度都远远低于从已有的任一水源取水的能源强度；③水系统能源强度的影响因素（除相关工艺水平外）主要有水源类型、抽水井埋深、输水距离、终端热水使用情况、水质指标等；④水资源和能源的综合规划蕴含着巨大的节能潜力。

2006年，Podolak和Tracy等研究了美国爱达荷州市政供水系统的水—能关系。他们采用了Pelli和Hitz的供水能耗指数方法，根据地形高差利用水力学公式计算水厂到用户的输水能耗，并结合Gummerman在水厂水处理能耗方面研究的经验数据，研究了爱达荷州各个供水系统及各个城镇供水的能耗。但是这一研究仅考虑供水端能耗，即水源取水和输送、水处理和管网配给的能耗，而没有包含终端使用和污水处理方面的能耗，因此其研究成果只能反映水系统供水端的水—能关系。

同年，美国能源部向国会提交了一份水资源和能源相互依赖性的专题报告，论述了美国水系统的能源消耗问题，其观点主要是来自美国电力研究所（EPRI）在《水与可持续性》第四卷——《下半个世纪美国水供应和处理的能源消耗》中的研究成果。2002年，EPRI发布了《水与可持续性》的研究专著，其中第四卷分析了美国当年供水和污水处理的能耗，预测了2050年的相应能耗，并第一次按经济部门分别计算了供水和污水处理能耗。

2008年，Kenway等人应用Ronnie Cohen等人改进的Wilkinson模型方法调查分析了澳大利亚悉尼、墨尔本、布里斯班等7个城市水系统的能耗状况。他们在对公共供水公司能源消费调查的基础上，对比分析了各个城市给水处理和配给、污水处理和配给以及家庭热水使用相关的能耗与相应的温室气体排放量，并应用情景分析的方法预测了高、中、低三种生活用水水平下2030年研究区域给排水设施运行的能耗和家庭热水使用的能耗。其结论主要有：2006年研究区水资源供应和消费的总能耗约为2.8亿kWh，占其总能耗的1.5%；其中，区域公共供水和污水处理设施的能耗占总能耗的0.2%。对于每个城市而言该比例存在着较大区别，主要原因在于人均需水量和水处理工艺及要求的不同；家庭热水的能耗占总能耗的1.3%，如果家庭热水使用量减少15%，那么所节约的能源就能够补偿公共给排水设施的总能耗。Kenway等人的研究结论再次凸显了家庭用水——水资源终端消费环节对于整个水系统的能耗有着重要影响，且存在巨大的节水和节能潜力。

2009年，Wendy Wilson在水系统能耗分析的基础上进一步计算了水系统的碳排放。Wilson在《水的碳足迹》的研究报告中根据美国各个经济部门的用水量统计数据，把各种水源的供给能源强度、污水处理厂的能源强度乘以相应的用水量，再加上住宅和商业用水的能耗，得出了全美国水资源利用的总能耗；在此基础上，计算了美国水资源利用有关的总碳排放量——美国水资源的碳足迹。主要结论有：美国2005年与水相关的能源消耗至少为5 210亿kWh，是美国当年电能消费总量的13%；相应的碳排放量约为2.9亿t，占美国碳排放总量的5%等。报告最后总结分析了低影响发展（low impact development）、提高终端用水效率等技术方法或管理措施带来的节水效果与相应的节能减排效应。

2010年，Retamal等人从全球环境变化的角度探讨了城市供水能耗问题。他们指出通过增加水的供给能力以应对干旱和气候变化的供给侧思想倾向会加大给排水部门的能耗及温室气体的排放量，并最终作用于长期的气候变化，从而形成干旱—高能耗的水系统—城市能源需求增加—化石燃料消耗量增加—温室气体排放增加—气候变化—干旱这一恶性循环。而只有深入研究水系统的水—能关系，通过利用综合资源规划方法（Integrated Resources Planning）把能耗因素纳入到水资源规划和管理中，才可能实现水—能源—气候的良性循环。

另外，美国“河网”组织于2009年10月26日举办了主题为“节约用水，节约能源：应对气候变化和保护河流的综合方法”的研讨会，其主要议题就是水—能、节水和节能的关系。相信随着全球气候变化导致的水资源供给不稳定性加剧以及能源紧缺，该领域将会成为未来的一个研究热点。

2.国内研究进展

我国对于该领域的相关研究大多还停留在水泵机组能效、泵站工程、给水或污水处理能耗等方面，属于水系统中单个环节的能耗研究，缺乏针对城市或区域层面的水系统整体水—能关系的研究，对水在终端消费环节的能耗研究也基本处于空白状态。这种情况的产生主要是由于过去对给排水能耗的研究多是从企业成本角度出发，目的是提高企业的生产效率和降低生产成本，没有从城市节能减排和可持续发展的角度关注城市水资源开发利用的能耗。

Cheng Lichen在对台湾城市居民用水能耗的研究中分析了台湾的水—能关系。Cheng首先根据能量守恒原理建立了楼房加压供水所需要消耗的能量计算公式，然后根据家庭洗浴用热水和沸水的比例，估算了家庭热水使用的能耗，再对城市水供应系统中的水处理厂、供水站和废水处理厂的单位能耗进行了核算，最后对上述三个方面的能耗进行合并，得到了台湾居民生活用水的总能源强度是6.5 kWh/m3的结论。但是，Cheng Lichen对家庭水资源终端消费过程的能耗研究过于简单化，仅根据家庭洗浴用水和饮用热水的经验比例来计算家庭用水过程中的能耗，忽略了盥洗、刷碗等其他用水项目的能耗，因此6.5 kWh/m3应低于实际家庭用水的能源强度。同时，文章也缺乏对家庭节水设备、家庭类型以及用水结构对家庭用水能耗影响的进一步分析。

另外，Kahrl和 Roland-Host对中国整体的水—能关系进行了研究。他们根据中国国家统计局和水利部公布的用电和用水数据以及中国的投入产出表，计算出了我国非农业用水对应的单位能耗。该方法与前文所述的采用逐步分析方法的研究不同，是应用投入产出模型，计算水资源产品和供给的能耗。该研究指出目前中国非农业供水的能耗占中国总能耗的比例较小，但是，随着中国水处理能力的提高和水利设施的增加（如南水北调等），该比例会不断增大。

二、讨论与展望

整体来看，城市水系统水—能关系研究还处于起步阶段。现有研究在研究方法上可以分为两类：一类是通过分析、计算水系统各环节（如图1所示）的能源强度掌握某一特定水系统的能源消耗情况，这种方法可称之为过程分析法，其优点在于它能针对一个特定的水系统进行深入研究，分析水系统各个环节的能耗和影响因素。另一类是通过投入产出表计算各行业（包含水的生产和供应业）的能源投入，属于经济学上的投入—产出分析法。投入产出法能提供宏观结果，进行经济指标的分析，但是该方法受限于统计资料，不能针对特定的水系统进行深入研究。目前，大多数水系统水—能关系研究采用的是过程分析方法。

在研究内容上，水系统水—能关系的研究可以归纳为三个递进的层面，第一个层面就是水系统五大环节和水系统总体的能源强度研究；第二个层面是城市水系统的能源需求量研究；第三个层面是城市水系统的碳排放与节能减排研究，具体内容如图2所示。

图2是在总结已有研究的基础上提出的城市水系统水—能关系研究的概念框架。在概念框架中，城市水系统的能源强度研究是其他研究的基础，在该基础之上，分析水源类型和条件、水处理工艺、水质标准等各种影响因子对能源强度的影响程度和影响机制，以期掌握造成不同区域或各个水系统能源强度差异的原因，从而有助于节能型城市水系统的规划、设计和管理。然后，结合城市用水水平可以计算城市水系统的能源消耗总量，通过对比分析历史用水数据和不同时期的城市水资源管理实践所对应的能源消耗量，能够揭示城市水系统能耗随时间变化的趋势，以及不同水资源管理策略对水系统能耗的影响。最后，可以计算城市水系统的碳排放量，分析节能减排的途径。

从目前的研究情况来看，不论国内还是国外，对于水在终端使用过程中的能耗特征都缺乏深入、全面的研究，而这一环节的能源强度实际上超过了其他所有环节的能源强度，在这一环节节约用水将有可能以最小的成本带来最大的节水节能效应，这也是需求侧管理思想的核心。因此，水系统水—能关系未来的研究重点应该放在水资源的终端消费领域，探讨家庭、行业节水与节能的相互关系，从而通过需水管理达到水资源和能源的可持续利用，促进城市节能减排与可持续发展。

[1]汪恕诚.中国水资源安全问题及对策[J].电网与清洁能源，2010(9).

[2]邵益生.城市水系统控制与规划原理[J].城市规划，2004(10).

[3]Bevan Griffiths-Sattenspiel,Wendy Wilson.The Carbon Footprint of Water[R].U.S.:River Network,2009.

[4]Robert C.Wilkinson.Methodology for Analysis of the Energy Intensity of California’s Water Systems,and an Assessment of Multiple Potential Benefits through Integrated Water-Energy Efficiency Measures[M].Santa Barbara,CA:University of California,Environmental Studies Program,2000.

[5]Ronnie Cohen,Barry Nelson,Gary Wolff.Energy Down the Drain-The Hidden Costs of California’s Water Supply[R].Oakland,california:Natural Resources Defense Council,2004.

[6]王圃，龙腾锐，陆柯，等.城市给水处理厂能耗进展研究[J].给水排水，2005(1).

[7]高旭，龙腾锐，郭劲松.城市污水处理能耗能效研究进展[J].重庆大学学报（自然科学版），2002(6).

[8]杨凌波，曾思育，鞠宇平，等.我国城市污水处理厂能耗规律的统计分析与定量识别[J].给水排水，2008(10).

[9]Fredrich Kahrl,David Roland-Holst.China’s water-energy nexus[J].Water Policy,2008(10).