中國火力發電用水脆弱性研究

艾柄均

(華北電力大學經濟與管理學院，北京 102206)

0 引言

2018年，全國水資源總量為 27 462.5億立方米，其中大部分水資源集中在南方地區，北方地區僅 5 807.2億立方米，約占全國的21.15%。2018年全國供水總量為 6 015.5億立方米，其中北方地區供水量達 2 706.4億立方米，約占全國的45%。據此可見，我國水資源分布與使用存在著巨大的矛盾，水資源儲量相對匱乏的北方地區卻有著與南方地區相差不多的供水量。電力生產和水資源密切相關，火力發電過程中需要抽取規模巨大的水資源用來冷卻設備。2018年，我國火力發電總量約為全國發電總量的70%以上，占據著絕對的主導地位。隨著電力行業的發展，發電用水規模逐漸擴大，未來可能在全國范圍引發嚴重的水資源緊缺問題，尤其是北方地區。同時受到水資源短缺的限制，電力行業的脆弱性增加[1]，即發電受水資源影響程度加重，會進一步產生嚴重的經濟影響。

針對能水之間的關系，現有研究已經對火電用水效率展開了討論，并認為目前中國火電用水效率值得進一步改善。一些研究量化并預測了發電的用水量[2]，發現未來電力行業會出現水資源供不應求的情況。除此之外，結合實際情況，對能水矛盾進行具體量化分析的研究并不多。Varis O 等[3]考慮到治理、經濟、社會問題、環境、危害和水壓力六個壓力因素，并將其作為一個整體分析了流域水資源的脆弱性。Zheng X 等[4]考慮到火電廠對水的依賴、各個地區的供水壓力以及規劃和氣候變化帶來的未來影響，構建了一個衡量火力發電對水資源短缺脆弱性的指標體系，但卻沒有考慮到火電冷卻技術的應用。而實際上，不同冷卻技術造成的用水差異是相當大的。基于前人的研究成果，考慮不同地區冷卻技術的應用情況，對2018年中國各省火力發電用水的脆弱性進行評估，并指出脆弱性的嚴重區域。由于數據有限，僅對除港澳臺地區及海南省之外的30個省市進行計算分析。

1 研究方法

1.1 火電用水量核算

由于目前國內尚未進行有關發電用水數據的統計公布[5]，通過各省火力發電總量和全國火電廠單位用水系數來估算2018年中國30個省火力發電用水量。而火電用水系數與冷卻技術密切相關，不同的冷卻技術造成的火電用水量差異巨大，具體計算公式如下:

(1)

其中，W指火電總取水量，E指火力發電量，δl指各省火電機組不同冷卻技術的發電占比，Il指火電不同冷卻技術的用水系數。2018年，中國各省火力發電量來自各省統計年鑒，不同冷卻技術的火電用水系數如表1。中國各省火電機組不同冷卻技術應用比例參考Zhang C等人收集的電廠數據[5]。

1.2 火電用水脆弱性評估

參考聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的定義，火電用水脆弱性指在缺水情況下，火電發展受其影響程度，涉及火電生產用水、水資源儲量以及其他用水帶來競爭壓力[4]，具體計算公式如下：

(2)

其中，V指火電用水脆弱性指數，S表示供水壓力指數，即總需水量D與水資源儲量A的比值。總需水量和水資源儲量數據來自中國水資源公報。

2 結果分析

火電用水脆弱性指數越大代表火電廠對水的依賴程度越高，而有限的水資源儲量和其他方面用水帶來的壓力會加劇火力發電用水的脆弱性，如果脆弱性指數值超過10%，就證明火力發電廠存在脆弱性問題，當該數值達到20%，火電發電廠就會非常容易受到缺水的影響而出現嚴重后果。基于此，設置最高值為0.2，分析了2018年全國火電用水脆弱性分布，發現區域集中在華北地區，說明華北火電用水脆弱性最為嚴重，這與中國實際的電水矛盾表現一致。除此之外，寧夏、內蒙古以及南方地區的江蘇、上海等地的火電生產也表現出容易受到缺水的威脅，南方地區水資源充足，其火電廠基本以傳統水冷卻方式為主，導致火電用水較多。而空氣冷卻技術的進步和推廣使用大大降低了新疆、內蒙古、甘肅等北方地區的火電用水，也降低了缺水對火電廠帶來的威脅。

依據火電用水脆弱性結果，將分成三類地區來分別提供參考性建議：火電脆弱性指數高于0.2的高度脆弱性地區(寧夏、遼寧、江蘇以及華北地區)容易出現缺水情況而影響火電的發展規劃，建議盡可能淘汰落后產能，避免傳統水冷電廠的擴張建造，并逐步用空冷技術替代水冷技術。火電脆弱性指數高于0.1但不超過0.2的地區(內蒙古、山東、河南、安徽和湖北)也存在缺水問題，這些地區應該謹慎規劃未來的電廠建設，盡可能發展幾乎不用水的可再生能源發電，即便要建造火電廠，也要通過采取空冷技術來降低用水強度。火電脆弱性指數低于0.1的其他地區幾乎不用擔心缺水情況，要更多的考慮用電需求、經濟成本及大氣污染的限制。

3 結論

目前，我國一些地區的火電發展面臨著嚴重的用水脆弱性問題，集中在寧夏、遼寧、江蘇以及華北地區，同時有些火電生產量大的地區因冷卻技術的改善緩解了水脆弱性情況。在未來的電力規劃中，有些地區極可能因為缺水而出現嚴重后果，甚至有的非脆弱地區會變為脆弱地區，因此有必要將電力生產用水脆弱性納入未來電力規劃的考慮，通過冷卻技術的改善以及可再生能源發電鼓勵發展等措施來避免缺水帶來的嚴重后果。除此之外，有限的水資源供應與其他方面的大量用水競爭也為火電用水帶來威脅。為了進一步緩解脆弱性，需要在合理規劃電力發展的同時也對水資源進行綜合管理，盡量減少脆弱地區所有用水者的需求。