基于碳足跡的區域水資源優化配置模型

黃顯峰，石志康，金國裕，方國華

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.昆山市水務集團有限公司，江蘇 昆山 215300)

水環境惡化和水資源短缺問題日益突出，促使人類重視改善水環境和調整用水方式。城市用水過程中往往伴隨著大量的碳足跡[1]，增加了能源消耗和溫室氣體的排放。要解決城市發展和生態低碳之間的矛盾，需正確分析用水過程與碳排放的關系。低碳的概念在21世紀初從經濟領域擴展到社會發展各方面，國內外學者也對碳足跡與水系統的聯系進行了一些研究。Cucek等[2]對兩個或多個單獨足跡的復合足跡進行評估，介紹了包括碳足跡計算器在內的多種足跡評估工具。Smyth等[3]調查了北愛爾蘭實施家庭用水效率計劃的碳影響，發現減少水處理、泵送過程和生活用水供暖的碳排放能有效提高用水效率。Galli等[4]對生態足跡、碳足跡和水足跡3個指標之間的相似性和差異進行了研究，說明這些指標是如何相互重疊、相互作用和互補的。Fang等[5]選取生態足跡、能源足跡、碳足跡和水足跡作為指標來定義足跡家族，用于評估與自然資源利用和廢物排放有關的環境影響。嚴登華等[6]基于流域自然-人工二元水循環過程提出面向生態的水資源合理配置方案。趙榮欽等[7]對區域水-土-能-碳耦合系統進行模擬，分析了區域碳排放強度與水、土、能等子系統之間的關系。李金燕[8]通過量化區域生態環境需水量，針對干旱區域的特點提出生態優先的水資源合理配置模型。李健[9]以常州市為例，對城市水系統碳排放量核算進行研究。

我國提出在建設社會主義現代化強國的同時，實現與全球減排目標相適應的低碳經濟發展路徑[10-11]。考慮碳排放因素的水資源配置是解決城市水資源問題的一種嘗試。為了緩解區域水資源供需矛盾，實現低碳發展，需要對低碳目標下的水資源配置進行研究。本文以減少區域水資源供用水過程的碳排放和提高區域水資源利用效率為目標，構建基于碳足跡的區域水資源優化配置模型，旨在為城市低碳可持續發展提供依據。

1 水資源系統碳足跡測算

1.1 對象識別

確立區域碳排放、碳吸收與水資源配置的關系，是基于碳足跡的區域水資源配置模型構建的關鍵。綜合考慮供用水過程中的碳足跡，以每個配置對象在各個過程中碳的凈排放量為依據，識別碳源與碳匯[12]，其中碳源過程包括水源取水過程、水廠處理過程、供水管網輸水過程和社會經濟系統用水過程，碳匯過程包括生態系統用水過程和再生水回用過程。

1.2 碳足跡測算模型

由水源取水過程、水廠處理過程、供水管網輸水過程、用水戶用水過程和再生水回用過程構建碳足跡測算模型：

C=C1+C2+C3+C4-C5

(1)

其中C1=c1q1Q1C2=c1q2Q2C3=c1q3Q3

C4=c2Q4-c3Q5C5=c4Q6

式中：c1為單位電能的碳排放因子；q1為單方取水的耗電量；Q1為取水量；q2為處理單方水的耗電量；Q2為處理水量；q3為輸送單方水的耗電量；Q3為輸水量；c2為社會經濟系統單方水的碳排放系數；c3為生態環境系統單方水的碳吸收系數；Q4為社會經濟系統用水量；Q5為生態環境系統用水量；c4為使用單方再生水而減少的碳排放量；Q6為再生水使用量。

2 模型構建

2.1 總體思路

傳統水資源配置模型一般以社會公平和經濟高效為目標[13]，而基于碳足跡的區域水資源優化配置模型通過合理壓縮社會經濟系統用水量，制定科學合理的水資源可持續利用發展規劃和行業水資源分配方案與供用水方案，來達到低碳發展的目標。

2.2 目標函數及約束條件

a. 目標函數。以一定供水條件下配置單元缺水率和碳凈排放量最小為目標，構建目標函數f：

f={f1(x),f2(x)}

(2)

式中：f1(x)為單元缺水率函數，f2(x)為單元碳凈排放量函數；xm,db為計算單元m水源b供給用水戶d的水量；Qm,d為規劃水平年計算單元m用水戶d的需水量；Cm,d為計算單元m用水戶d使用單方水的碳排(碳吸)系數；M、D、B分別為計算單元數、用水戶數、水源數。

b. 約束條件。基于碳足跡的區域水資源優化配置約束主要考慮水源供水約束、碳排放約束、引提水量約束、生態需水量約束、最小供水保證率約束和非負約束，表達式為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

xm,db≥0

(8)

2.3 模型求解

3 實例分析

3.1 研究區概況

豐縣位于江蘇省西北部，屬于江蘇省徐州市，處于蘇豫魯皖4省交界處。豐縣易澇易旱，全縣年均降水量少且年內年際時空分布不均，屬典型的資源型缺水地區，也兼有工程型缺水和水質型缺水問題，全縣用水無法得到保證。2018年，徐州市政府制定《徐州市“十三五”控制溫室氣體排放實施方案》，要求在“十三五”期間豐縣單位GDP碳排放強度下降24.72%。因此，對豐縣規劃年的水資源進行低碳目標的優化配置勢在必行。

《豐縣水資源規劃》中根據區域地形地貌、耕地情況、供水水源等情況的類似性和差異性，按流域將豐縣劃分為復新河分區、苗城河分區、大沙河分區及鄭集南支河分區共4片。到2030年，規劃豐縣自來水廠規模擴建至30萬m3/d，工業地表水廠規模擴建至25萬m3/d，復興河分區豐縣再生水廠總規模擴建至6萬m3/d。翻水線兩條:南線范樓閘規劃新增翻水能力至35 m3/s，水源來自微山湖；北線李樓站翻水能力提高到35 m3/s，水源來自昭陽湖。豐縣未來水平年供水系統配置網絡見圖1。

圖1 豐縣未來水平年供水系統配置網絡示意圖

3.2 決策變量設定

根據豐縣供水現狀和《豐縣水資源規劃》，豐縣2030年生活用水全部來自徽山湖；農業用水大部分來自邵陽湖以及徽山湖，主要是依靠南北兩條調水線路從外地調水；工業用水主要來源于本地水以及徽山湖引水；第三產業用水主要來源于本地水；生態用水主要是依靠本地水及再生水。

3.3 模型建立

豐縣可劃分為4個計算單元，每個單元分為生活、農業、工業、第三產業和生態5個用水戶。由于取水、處理和供水過程中損失的水量占比很小，可忽略不計，且取水、水處理和供水過程均由水廠負責，故供應單方水的耗電量可由水廠統一折算，則可確立各目標函數：

f1(x)=

(9)

f2(x)=min[g1(x)-g2(x)+g3(x)-g4(x)]

(10)

式中：g1(x)為水廠供水過程產生的碳排放量；g2(x) 為再生水回用而減少的碳排放量；g3(x)為社會經濟系統用水戶的碳排放量；g4(x)為生態系統用水戶的碳吸收量。

根據國家生態環境部應對氣候變化司《2017年度減排項目中國區域電網基準線排放因子》，華東地區單位電能碳排因子c1為0.804 6 t/(MW·h)；根據豐縣自來水廠年供水量和年耗電量，計算得供應單方水的耗電量qd取值為0.24 (kW·h)/m3；根據LCWRA模型[18]，對于豐縣地區，社會經濟系統單方水碳排放系數c2和生態環境系統單方水碳吸收系數c3的均值取為7.7 kg/m3、2.2 kg/m3；使用單方再生水減少的碳排放量c4由qd和c1換算得0.193 1 kg/m3。

3.4 模型求解

徐州市豐縣水資源常規配置情況下，根據經濟、社會及人口發展情況對2030年需水情況進行預測。生活需水分為城鎮生活需水和農村生活需水，均采用定額法進行預測；生產需水量分為農業需水、工業需水和第三產業需水，其中農業需水根據農林牧漁畜業發展規劃中的預測數量，采用定額法進行預測；工業需水考慮到收集實際資料的難度，采用萬元工業增加值法對規劃年工業需水量進行預測，第三產業需水采用萬元增加值用水量法進行預測；生態需水包括河道內生態需水、濕地生態需水和城鎮綠地需水三部分，河道內生態需水采用Q90法預測，即90%頻率下最小月平均凈流量，濕地生態需水可借鑒相關研究成果預測，城鎮綠地需水采用定額法預測。考慮豐縣供水現狀，結合《豐縣水資源規劃》中的規劃工程進行供水量補充計算。豐縣2030年常規水資源配置供需平衡分析結果見表1。

根據豐縣未來水平年供水配置網絡，計算得到豐縣2030年50%保證率下各水源地可供水量，其中徽山湖14 206萬m3，邵陽湖13 312萬m3，本地水9 284萬m3，再生水2 190萬m3，合計38 992萬m3。基于低碳目標合理預測需水量，通過邵陽湖和徽山湖調水增容，再生水廠增加向苗城河分區、大沙河分區和鄭集南支河分區供水，運用基于碳足跡的區域水資源優化配置模型，求得低碳目標下的水資源配置方案。常規水資源配置方案(方案1)和低碳水資源配置(方案2)對比分析見表1。

表1 豐縣2030年水資源供需平衡分析結果(P =50%)

與常規水資源配置方案相比，需水總量降低871萬m3，其中生活和生產需水量分別降低 1 209萬m3、2 747萬m3，生態需水量增加3 085萬m3。供水量增加1 696萬m3，主要來自邵陽湖和徽山湖的調水增容。缺水量減少2 567萬m3，缺水率降低6.2%。碳排放量和碳的凈排放量分別減少了 0.93萬t 和1.58萬t，預期可實現碳減排5.8%。

從計算結果可以看出，缺水量集中在生態和生產需水，這是由于生態用水的碳匯效益低于生產用水的碳源效益，減少大量的生產用水用于生態系統，不利于缺水率的降低，低碳水資源配置方案通過合理預測需水量、增加供水量和優化供水方案對缺水率和碳減排進行了平衡。可見，基于碳足跡的區域水資源優化配置模型對于緩解豐縣水資源供需矛盾，提高用水效率，達成節能減排目標有著顯著的幫助。

3.5 提高豐縣水資源利用率、減少碳排放的建議

a. 調水增容。目前豐縣已有南北兩條調水線路，為進一步改善水源條件，建議實施兩線增容工程建設。在國家南水北調東線工程實施的基礎上，南線增容在范樓、梁寨兩處增建閘站，保障豐縣的工農業用水；北線調水工程增容改建李樓站、袁莊閘站、王梨園閘站等骨干河道上的控制性工程，提高引提水能力；同時疏浚相應過水河道，更新改造骨干翻水站。

b. 區域供水工程建設。南水北調東線一期工程建成通水后，豐縣調水能力提高，凈供水量明顯增加。建議以微山湖為水源，建設地面水廠，實施區域供水工程建設，并進行相關設施配套建設。

c. 應急備用水源工程與清水廊道工程建設。建議在大沙河備用水源地建設備用取水口，實施水源地生態保護及修復工程，水質預警在線監測，建設大沙河、沙支河、豐徐河清水廊道工程，在經濟開發區建設再生水處理廠，實施再生水回用工程，增鋪雨污管網。

d. 加快發展非化石能源，優化利用化石能源。推進生物質能利用，積極實施城市生活垃圾的資源化利用，建設清潔高效的垃圾焚燒和填埋氣發電工程。優化工業能源利用結構，鼓勵工業企業以天然氣替代煤炭、柴油、燃料油；優化交通能源利用結構，建立完善通氣設施；優化居民能源利用結構，全面消除民用散煤。

e. 加快發展低碳農業，增加生態系統碳匯。結合豐縣實際，合理選用間歇滴灌、深水灌溉等技術，保護濕地生態系統，建立和完善濕地保護管理體系，建設生態文明教育基地，完善修復濕地公園生態系統，增強濕地儲碳能力。

4 結 語

碳足跡測算模型中對于社會經濟用水與碳排放、生態環境用水與碳吸收之間的關系還需進一步研究，同時在水循環過程中碳排放的度量還需進一步細化和完善，從而更全面地反映水資源配置過程中碳足跡的變化。