水利工程領域在減碳方面的措施與進展

2023-03-12 07:34:04李奕劉佳張炯

水資源開發與管理 2023年12期

李奕劉佳張炯

(山東大學土建與水利學院,山東濟南 250014)

水利工程歷來是治國安邦的大事,是經濟社會發展的基礎事業,與減碳、控碳密切關系[1]。本文從近年來國內外水利領域在減碳方面所做的工作出發,由水利施工、生態水利、水利水電和水利發展新方向四個方面對水利領域減碳措施進行分類總結,并在此基礎上進行展望。

1 水利施工中的減碳措施

黃躍群等[2]的研究表明,水利工程建設階段的碳排放量占全過程碳排放總量的92.3%,而投入運行后的碳排放量則相對較少,因此,為了有效控制碳排放,應該在建設階段就采取有效的措施,減少施工中碳排放量。 ZHANG et al.[3]經過核算大型水電項目的碳足跡,同樣得出碳足跡的主要貢獻來自于建設階段的結論。因此,水利工程建設階段的碳排放控制尤為重要,這就對水利施工提出了新的要求。一方面,合理的施工技術能夠直接提升工程效率和質量,有效節約時間成本;另一方面,綠色建材的使用可有效降低工程的總碳排放量,節約成本。

王鼎等[4]鼓勵項目參與和實施單位采取安全可靠的新工藝、新技術、新方法,以盡可能地降低能源消耗,并利用廢棄物。琚兵[5]則認為,合理控制混凝土搭配比,進一步優化砂漿劑量、攪拌水溫度控制、拆除時機等因素,并采取直螺紋連接技術,有利于增加整體框架的穩定性,從而減低對建材的消耗,節省費用。曹珊珊[6]提出,應積極探索新興護岸材質,如植草專用磚、石籠、膜袋等,并不斷深入研究這些新型建材的工藝技術,以實現真正的環保理念,進而為水利工程減碳建設提供有效支持。新興的信息技術有助于降低水利施工階段的碳排放量,王顯平[7]通過AI、GIS 和人工智能控制,將工程3D 模型、建筑材料種類、技術標準、機械運行路徑等數據應用到施工機械設備上,實現土石壩的無人攤鋪、無人碾壓,大大提升了施工效率,降低了成本,同時也有助于減少碳排放。張笑程等[8]認為,大部分施工原材料還能被二次利用,比如壩坡殘余的砂石,還能用來保護壩腳,不僅能節約原材料,還能降低能耗,還能降低碳排放。同樣,固廢垃圾可以再應用于水利堤壩基礎工程建設中,從而減少自然環境中土石挖掘量,在提高建筑垃圾利用率的同時,降低水利施工對周圍環境的影響[9]。

將綠色材料在合理可行范圍內應用于工程建設已有驗證與實例。王崢等[10]總結了一系列可行的生產減碳固碳材料的前沿技術,這些材料已經被證明具有顯著的減碳固碳效果,并且這些技術具備大規模應用的潛力,包括混凝土固碳技術、混凝土添加劑技術、鎂質水泥以及混凝土新型膠凝材技術等,可以有效地減少水利施工過程中的碳排放量,從而實現可持續發展。另一類則是具有減碳效益的替代材料,LV et al.[11]在大壩建設階段利用鐵礦石尾礦骨料(IOTA)替代普通骨料(NA),并進行環境評價,得出利用IOTA 制備的混凝土不僅具有更好的耐久性,而且與NA 相比具有更少的碳排放量的結論。除了綠色材料的使用外,通過先進技術、設備和管理措施,將水利工程建設中的廢棄物轉化為再利用資源,同樣是降低碳排放的途徑。曹文潔[12]借鑒國內建設工程廢水回收再利用的經驗,提出了混凝土拌和系統處理工藝、砂石篩分站廢水處理工藝、含油廢水處理工藝以及隧洞施工廢水處理工藝等,應用于新疆阿爾塔什水電站工程中,能達到滿足工程需求、生態環保的目的。這一系列施工技術、綠色材料的應用和建材再利用的措施,有助于降低水利施工建設階段的工程碳排放量,為碳減排做出貢獻。

2 生態水利建設中減碳措施

生態保護與工程建設是密不可分的。崔保山等[13]提出,生態水利是一個新興的學科研究領域,它將有助于單一的、局部的水利模式轉變為更加全面、多樣化、復雜的、系統性的水利模式,以滿足社會經濟可持續發展和生態系統健康維護的需求,旨在解決當前與未來發展之間的矛盾、克服重經濟而輕環保的生態水利也是響應碳減排的有力措施。

水生態固碳性能的提升是生態水利減碳的重點。水生態固碳又稱為“藍碳”,是指水生態環境系統所固定的碳,水生態固碳能力的提高直接響應碳排放的降低。為提升水生態系統的固碳能力,需要從內部結構優化和區域協調發展兩個方面入手,以實現水生態建設的最佳布局。其中,內部結構優化旨在發揮系統的固碳功用,而區域協調發展則是根據不同地區的特點,采取差異化的生態建設措施,以達到固碳的效果[14]。左其亭等[1]提出可以通過改善水生態,加強水體固碳功能,積極地推動綠色低碳管理模式的建立。為此,應加強物種多樣性的保護,改進碳捕集與封存工藝技術,并建立有效的制度保障機制,以確保水域固碳的有效性。值得一提的是,海洋植物的固碳能力不容忽視。經劉霞[15]統計,海洋植物一年可從大氣中吸收約20億t 二氧化碳,其中紅樹林、鹽沼地和海草床每年可存儲16.5 億t 二氧化碳,這一數字相當于全球交通碳排放量的一半。因此,港灣、沿海地區的水利工程可考慮引入藍碳技術,充分發揮海洋植物強大的儲碳功能,增強區域水生態的固碳能力。此外,隨著濕地生態系統所蘊含的固碳能力被發掘,退田還澤、濕地生態保護等區域協調發展戰略也更加重要。

生態修復是生態水利減碳的另一個重點,以竣工后的工程區域以及河湖流域修復為主。生態水利堅持生態優先、綠色發展、以水而定、量水而行的原則,在傳統水利工程建設過程中融入“綠水青山就是金山銀山”的理念[16]。高國力等[17]從生態保護等8 個維度選取指標,采取熵權法對黃河流域的生態保護進展作評價,結果表明,黃河流域的生態修復總體按照平穩的速度推進。趙進勇等[18]通過研究國內外河湖生態修復技術的進展,認為應以河湖生態環境容量倒逼兩岸第一、第二產業轉型升級。孫鵬程等[19]認為海河流域河湖修護措施應從水量管理、水文節律管理、水環境保護等方面進行加強,要建立完善的生態調度補水保障體系,致力建設美麗海河。曾旭等[20]以向家壩工程為例,對其擾動區進行了植被的生態恢復研究,將工程擾動區劃分為核心區、服務區和過渡區,并根據各區的主要功能要求和影響特點,采取有效的生態恢復技術和物種配置,形成結構穩定、多樣性豐富、具有復合功能的植被景觀,從而有效地提升了植物碳匯。王學雷等[21]通過研究長江流域的濕地保護,提出應當以自然恢復為主,人工復原為輔,科學合理地布置生態修復工程項目,以實現長江流域河湖林田的和諧共生,從而保護濕地資源。人工濕地也是一個增加碳匯的有效措施。吳海明[22]在研究人工濕地溫室氣體的釋放特征時發現,人工濕地系統表現為大氣二氧化碳(CO2)的吸收匯,僅在冬季表現為CO2的弱排放源,因為其可通過植物的光合作用固定大氣中的CO2。水利的生態修復不僅可以增加碳匯,還通過維持生態平衡,實現水利領域的可持續發展[23]。

3 水利水電項目實施減碳措施

近年來,我國能源消費中化石能源占比高達80%以上,由此產生了大量的碳排放[24]。水電作為清潔能源,具有啟停速度快、工況轉換靈活、調節范圍大、高效儲能等特點[25],在構建以新能源為主體的電力系統過程中,水電將發揮不可替代的支柱性作用。這對減碳背景下水利水電的發展有了更明確的要求,水電逐漸從以單一發電為主轉變為以容量支撐為主[26],以此助力能源快速轉型,在電力領域為降低碳排放做出貢獻。

抽水蓄能電站對優化整個電網資源配置起著非常重要的作用,同時也是未來新能源發展中必不可少的重要儲能技術[27]。周建平等[25]認為,當前水電開發的任務是抽水蓄能電站與“儲能工廠”協同建設,推動清潔電力的高質量發展,實現抽水蓄能電站的高效運行,充分發揮抽水蓄能電站的輔助儲能效益。 ZHAO et al.[28]采用協同博弈法,在計算了抽水蓄能電站的輔助業務成本、綜合分析了固定和可變成本后,提出了抽水蓄能電站機組當日調度的計算機制,并將其應用于多功率最優調度。黃庶等[29]采用基態和N-1 故障下網絡安全約束的校驗添加法,建立了一個包含風電場和抽水蓄能電站的動態優化調度模型,以有效地發揮抽水蓄能發電機組的削峰填谷作用,并有效應對風電隨機性的挑戰。除了考慮抽水蓄能電站的積極影響外,科研工作者也一直在研究其負面的生態影響以及應對措施。 LI et al.[30]系統分析了抽水蓄能電站與生態環境的耦合協調機制,結果表明,施工成本、裝機容量、日抽水量和平均日用電量這4 個因素對耦合協調度有顯著的負面影響,有必要采取相應的措施來減輕這些因素對環境造成的壓力。向正林等[31]對海水抽水蓄能電站的環境影響進行了研究,結果顯示,應控制并降低抽水蓄能電站運行過程中的COD(化學需氧量)排放濃度,以滿足當地對海水水質的要求。因此,充分發揮抽水蓄能電站對于碳減排的積極作用,不僅需要加強電站的建設,還應對其運行調度以及監督管理模式進行優化。

在傳統水電項目開發與發展過程中造成的環境質量問題同樣不可忽略。 ZHANG et al.[32]通過構建水電的水碳關系模型,建議將水電的水資源利用作為下游生態環境問題的生態指標,然后將兩者結合起來,促進流域水資源管理。賈建輝等[33]以武江干流為例,評估了對水電發展對河流生態系統服務的影響,結果表明,水電發展會對生物多樣性和水土保持造成嚴重的負面影響,因此,未來應該加強對水電可持續利用的研究,并采取有效的生態補償措施。與傳統水電項目相比,小水電項目建設時間較短,投資較少,是解決偏遠、貧困地區用水困難、工程建設難度大等問題有效且重要的途徑。李萌等[34]提出,在減排降碳的大背景下,小水電通過自身的開發及與風電、光電等一體化的發展,既可以直接或間接地增加可再生能源的供給,也有利于提高能源電力系統的穩定性。 KUMAR et al.[35]審查了印度區域的水電站后認為,小型水電項目是水電可持續發展的一個可行方案。劉毅生等[36]在考察“雙碳”目標下江西省水利工作時發現,江西省擁有豐富的水能資源,除了傳統的水庫水能資源利用發展和河道閘壩水電開發之外,還應包括農村小水電開發及挖潛增效、合理利用水能資源,以促進節能減排。

4 水利發展新方向中減碳措施與思考

在信息化時代的背景下,以智能手段提高系統運行效率,減少工程碳排放,實現水利減碳、固碳技術方法升級,加快推進人與自然和諧共生的現代化水利建設是新時代水利的發展趨勢[1]。借助信息化技術的高速發展,水資源信息化管理、智慧水利等技術應運而生。此外,隨著海綿城市的建設與發展,其蘊含的減碳效益也備受重視。

隨著科技的蓬勃發展,傳統的水利信息工作模式已經不能滿足當前水利改革的需求,甚至出現了不可調和的矛盾。采用新一代信息技術,尤其是大數據技術為有效解決這一矛盾提供了新的思路[37]。智慧水利建設是推動新階段水利高質量發展的6 條實施路徑之一[38]。耿磊等[39]基于無人機、遙感、物聯網、人工智能等技術構建了西江流域的空天地一體化感知體系,使流域的智慧水利建設得以加快推進。徐健等[40]以福建省沙縣智慧水利信息平臺為實例,設計開發了“水利一張圖”、水資源管理系統、水利工程管理系統等5個子系統,建設了配套的水利數據中心并制定了智慧水利標準。張慧莉[41]針對聚氨酯材料在水利工程中的應用指出,隨著新一代人工智能和通信技術的進步,智慧灌漿、智慧噴涂、智慧嵌縫等智能化手段將取代人工方式,從而獲得更高的施工效率,并且減少碳排放。

海綿城市是適應于中國復雜的地理氣候特征提出來的,是以中國悠久的水文化遺產為基礎,并融合了當代國際先進的雨洪管理技術和生態城市思想而形成的理論、方法和技術體系[42]。 ZHANG et al.[43]設計了一個混合框架來分析城市水務系統的溫室氣體排放,指出有相當一部分與水務設施有關的間接溫室氣體排放被嚴重低估。蔣春博等[44]在對海綿城市建設的雨水基礎設施配置優化進行研究時,提到海綿城市的建設是構建和完善城市水污染治理、水生態修復的骨干工程。因此,海綿城市對城市污水處理的積極促進作用將有助于降低這一過程中的碳排放量。賈玲玉[45]在研究海綿城市建設的低影響開發技術時發現,海綿城市建設不僅能夠有效緩解城市內澇問題,還能降低城市的熱島效應,有效地實現碳減排。 SU et al.[46]通過構建城市綜合排水系統碳排放的核算框架,計算碳排放量指出,海綿城市排水系統的碳排放量較傳統城市排水系統的碳排放量降低50%,同時污水處理和污泥的處置是造成碳排放的主要因素。此外,KONG et al.[47]通過調查海綿城市試驗區幾個地點的雨水污染物發現,有更多工程措施(如透水路面、改良生物過濾器、截留溝等)的商業區,可以有效地去除固體污染物和磷。由此可見,海綿城市建設是降低城鎮地區碳排放和水體污染的一個有效措施。

5 結論

本研究總結并歸納了近年來國內外有關水利領域降低碳排放的研究以及具體措施,從水利施工、生態水利、水利水電、水利發展新方向四個方面介紹了近年來水利工程與減碳之間的聯系。在水利施工方面,主要的減碳措施是廢棄建材的資源再利用以及綠色材料的應用;在生態水利方面,主要的減碳措施是對水利工程區域進行生態修復以及發揮綠色植物的固碳效益;在水利水電項目實施過程中,抽水蓄能電站的建設與發展是建成綠色電網的關鍵,建設小水電項目對于降低碳排放的目標也有幫助;在水利發展新方向上,優先考慮借助信息化技術提高系統的運行質量,可以達到減少能耗、節能減排的效果,海綿城市的建設對降低碳排放同樣有益處。