首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 资源科学论文 > 水资源论文 > 探讨水资源和能源的纽带关系

探讨水资源和能源的纽带关系

2020-09-14 298 上传者：管理员

摘要：能源和水资源存在相互依赖的纽带关系,文章利用水资源评估和规划工具(WEAP)与长期能源替代规划工具(LEAP)的连接定量地核算了两者的纽带关系。通过对现状情景、能源转型情景和节约用水情景下能源生产的水资源需求量分析,利用基尼系数和不平衡指数对能源生产的水资源需求量和水资源总量分布的匹配程度进行了分析。针对水资源供给过程中对能源的需求,从水资源在提取、输配和处理三个环节进行了核算和分析。基于以上单向关系分析,对二者之间的协同效应进行了分析。结果显示:在三种发展情景下,鄂尔多斯市的能源生产和水资源总量匹配程度较差且部分地区不平衡指数较高;2015年能源生产的水资源需求量占全市水资源供给量的10.54%,水资源对能源的需求量占能源消费量的3.35%。区域间能源用水强度和水资源用能强度存在差异,导致区域间节能和节水的协同效果不同。

关键词：
不平衡指数
基尼系数
水资源
纽带关系
能源
节水
节能
加入收藏

能源及水资源作为人类生存和发展的重要自然资源,二者密切相关。能源供给的每一个环节均有水资源的消耗[1]。在全球范围内,能源部门已经成为农业之外第二大耗水部门,并且有可能会给水资源可持续开发与利用带来更大的挑战。水资源在提取、输送和利用的过程中也需要能源消耗。能源—水纽带关系也引起了全球研究机构及学者的关注。从目前研究区域上看,能源耗水主要聚焦全球[2]、地区[3,4]及国家层面的研究,如中国[5,6,7,8,9]、美国[10,11]、英国[12,13]、中东和北非[14]等。从研究对象来看,主要集中在电力[4,5,7,9,10,11,12,13]、煤炭[6]、页岩气[15]、风能[16]上。目前研究多集中在能源用水单方面的研究。我国部分能源重化工基地处于黄河中上游,而该地区属于干旱半干旱气候,水资源匮乏,黄河是其主要供水水源。从长远来看,水资源将成为能源基地发展主要制约因素。合理分配水资源以及节水和节能措施是破解水资源短缺的有效途径。合理分配水资源的前提是对水资源的需求和供给的匹配程度的认知。同时我们需要关注的是节水和节能并不存在一致性,如水资源的重复利用过程需要消耗更多的能源,而能源生产在提高效率的同时可能会利用更多的水资源,如循环冷却技术。因此,单方面研究节水及节能政策,易导致政策的负面效果。同时,目前能源和水资源管理情况下也存在部门割裂的现象。研究能源基地能源和水资源之间的纽带关系,剖析二者之间的关联、约束性特征,对提高节能节水协同效应具有一定的现实和理论意义。

本文以典型能源基地——鄂尔多斯市为例,通过对历史数据的收集整理以及当地能源规划的解读,以2015年为基年,利用LEAP-WEAP模型,以旗为单元,分情景对2015—2050年鄂尔多斯市水—能源之间的互动的关系进行了定量研究,分析了区域间能源需水量和水资源总量间的匹配程度及地区的不平衡指数,为水资源的合理分配和能源规划的合理布局提供参考依据。分环节对水资源用能的分析,以体现不同环节和不同区域的差异,为节水措施的节能效应提供参考依据。二者相互作用强度的区域分析,可以判断二者在节能和节水效果上的协同作用大小,以期为节能和节水技术的推广提供选址参考。

1、研究区域概况

鄂尔多斯地处干旱缺水地区,年蒸发量大于降水量,是我国严重缺水地区之一。根据内蒙古自治区水资源公报数据,2001—2016年鄂尔多斯平均地表水资源量5.3亿立方米,平均地下水资源量19.5亿立方米,扣除地表水和地下水重复量后,平均水资源总量22.4亿立方米。鄂尔多斯市从20世纪90年代规模化开发以来,煤炭产量远大于自身消费量,是全国最重要的产煤地市之一。全市的探明储量占全国的13.6%。截至2015年年底,累计勘查获得煤炭资源量3031.8亿吨,其中保有储量2921.7亿吨、可采储量1016.9亿吨。由于煤炭工业用水强度较大,其发展受到了水资源制约。

2、数据和方法

2.1数据来源

本研究中,水资源供给及需求数据主要来自《内蒙古水资源公报》;能源生产和加工数据主要来自《鄂尔多斯市人民政府关于印发煤炭工业发展“十三五”规划的通知》;能源生产和加工过程中用水数据主要来自《内蒙古自治区能源生产用水定额》及相关参考文献;水资源使用过程中用能数据来自《城市供水统计年鉴2016》及相关参考文献。

2.2方法

模型工具采用WEAP和LEAP进行水—能源系统的交互分析。其中WEAP模型中水资源的需求部分主要考虑能源用水;水供给模块中主要考虑地下水资源、地表水资源(河流)、非常规水。LEAP模型主要分为需求模块、转化模块及资源模块。WEAP和LEAP模型之间的数据交互如图1所示。

图1水—能源系统的交互分析图

(1)LEAP模型中能源转化模块的用水数据,包括煤化工、煤电以及煤炭开采洗选环节的用水数据输入到WEAP中作为用水需求的一部分。

(2)WEAP模型中水资源供给过程的用电数据,作为LEAP模型中电力需求的一部分。

从能源对水的需要来看,考虑到鄂尔多斯地区具体的能源特征,本文研究的主要能源类型包括煤炭、原油、天然气等,从开采到转化分为三个环节,开采、洗选/加工、转化。每一个过程包括多种技术,每种技术的成本、转化效率、水资源需求量等信息不同。例如煤炭洗选环节,可以选择中介或者浮选,不同的技术的洗选效率以及水资源需求量不同。转化阶段,尤其电力生产,不同的冷却系统的单位煤耗以及水耗不尽相同。其中煤化工过程主要考虑煤气化、煤液化、煤焦化、煤制甲醇、合成氨、煤制烯烃、煤制乙二醇。

从水对能源的需求来看,主要考虑水资源供给过程中的用水,包括地表水利用、地下水利用和污水处理三个过程的用能。不包括在终端利用部门如居民部门和工业部门与水资源利用相关的其他活动的能源消耗,例如洗澡用水的耗能等[17]。

研究主要分为三个情景:现状情景、能源转型情景、节水情景。现状情景主要是按照目前国家及地区发展规划进行能源生产和水资源供应。能源转型情景考虑新能源技术的发展,风能、太阳能比例有所提高。节水情景考虑非常规水(矿井水、雨水、再生水)的利用及能源生产节水技术的提高。

3、结果分析

3.1能源用水分析

(1)现状情景。

鄂尔多斯油气资源以及煤层气资源非常丰富,但目前开发利用程度较低,能源的水资源需求主要来自煤炭的开采洗选及加工转换过程。经过计算,2015年能源用水总量为17.15亿吨,占鄂尔多斯市用水总量的10.94%。从现状情景看,按照鄂尔多斯能源发展规划,到2020年能源用水量将达到4.18亿吨,2035年和2050年分别达到4.53亿吨和4.52亿吨。

由于煤炭赋存的特点,用水量呈现出区域的差异性。如图2所示,从现状情景看,鄂尔多斯能源水资源需求量较大的区域主要集中在鄂托克旗、准格尔旗、达拉特旗、伊金霍洛旗及乌审旗。采用表征收入分配公平程度的基尼系数来表征水资源总量—能源生产的水资源需求量的空间分布匹配程度,2015年、2020年、2035年和2050年的水资源总量—能源生产的水资源需求量的基尼系数分别为0.55、0.54、0.53和0.53,根据黄金分割率,收入分配的差距的警戒线为0.4,0.4以上的数值代表水资源分布和能源生产的水资源需求匹配较差。随着时间的推移,基尼系数略微下降,但是仍然处于警戒水平。从区域来看,通过不平衡指数,可以看出准格尔旗、达拉特旗、鄂托克旗以及伊金霍洛旗水资源总量—能源生产的水资源需求量的不平衡指数为正,表示能源生产的水资源需求量占比超过了水资源总量占比。从时间上看,准格尔旗能源开发的速度超过了水资源开发的速度,不平衡指数有所增加。

(2)能源转型情景。

由于生态压力、水资源短缺、全球温室气体减排以及环境污染的影响,鄂尔多斯市变革能源发展战略是大势所趋。能源转型主要通过推进可再生能源发展,增加绿色清洁电力的比例[18]。根据《鄂尔多斯市人民政府关于印发清洁能源输出基地发展规划的通知》,可再生能源发电比例到2020年要达到10%以上。另外内蒙古全区规划超临界、超超临界比例到2020年达到16%,2030年达到35%。按照鄂尔多斯能源转型路径,到2020年能源用水量将达到3.93亿吨,2035年和2050年分别为4.19亿吨和3.89亿吨。

如图3所示,从区域能源与水资源的匹配程度来看,2020年、2035年和2050年的水资源总量—能源生产的水资源需求量的基尼系数分别为0.54、0.55和0.56。基尼系数增加的原因的在于准格尔旗、东胜旗、伊金霍洛旗的火电机组目前主要以超临界及超超临界技术为主,在能源转型过程中其火电规模并未减少,其次是原煤资源也集中在东部缺水地区。从分区来看,通过不平衡指数,可以看出准格尔旗是全区能源和水资源不平衡程度最高的旗,随着时间的推移有增加的趋势。

(3)节水情景。

2012年1月,国务院颁布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》(以下简称《意见》)。2013年,水利部发布了《关于做好大型煤电基地开发规划水资源论证工作的意见》。2014年,习近平总书记提出关于“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针。因此能源行业提高水资源利用效率是大势所趋。煤化工行业参考文献数据[19,20,21]以及煤炭深加工产业示范“十三五”规划,考虑在先进工程科技水平下能源生产的用水量。燃煤电站可以通过提高机组效率与普及空冷技术来节水。按照节约用水转型路径,到2020年能源用水量将达到3.80亿吨,2035年和2050年分别为3.35亿吨和2.88亿吨。同时可以提高煤矿涌水的利用率,2014年,全市煤矿用水量为1.26亿吨,考虑到处理损耗,按照90%的可利用量,1.34亿吨可以用于生产,目前利用量为0.49亿吨。如果考虑矿井水利用率的提高,将有0.85亿吨矿井水可以利用。

图2现状情景下鄂尔多斯市各旗能源生产的水资源需求量及不平衡指数

图3能源转型情景下鄂尔多斯市各旗能源生产的水资源需求量及不平衡指数

图4节水情景下鄂尔多斯市各旗能源生产的水资源需求量及不平衡指数

如图4所示,从区域能源与水资源的匹配程度来看,2020年、2035年和2050年的水资源总量—能源生产的水资源需求量的基尼系数分别为0.53、0.51和0.49。基尼系数有所下降的原因在于,随着用水效率的提高,煤电和煤化工集中地区例如准格尔旗、东胜旗、伊金霍洛旗用水量有所下降。从分区来看,通过不平衡指数,准格尔旗在节约用水情景下依然是能源和水资源匹配最不平衡的旗。

(4)情景对比。

如图5所示,三种不同情景的能源生产总需水量,节水情景的需水量最低,到2050年比现状情景需水量降低36%,如果考虑0.85亿立方米的矿井水利用,常规水资源需求量比现状情景降低55%。同时节水情景下,到2050年水资源总量—能源生产的水资源需求量的基尼系数最低,表明节水情景不仅可以降低对水的需求量,同时也可以减缓水资源总量与能源需水量的不平衡程度。

3.2水资源直接用能分析

图5不同情景下鄂尔多斯市能源生产的水资源需求量及水资源总量—能源生产的水资源需求量的基尼系数

从水资源耗能来看,根据《鄂尔多斯水资源公报》,2015年全市总供水量15.68亿立方米,其中地下水供水量为9.21亿立方米,占比58.74%,地表水供水量为5.89亿立方米,占比37.56%,其他水源包括污水处理回收和雨水收集等供水量为0.59亿立方米,占比3.70%。根据参考数据,地表水提取采用参考文献上限值0.2kW·h/m3,地下水提取采用0.37kW·h/m3。水资源输送采用0.3kW·h/m3,污水处理采用平均值0.25kW·h/m3[22,23,24]。从图6可以看出,鄂尔多斯市水资源供给过程中的能源消费量占鄂尔多斯全市能源消费总量的3.35%。按照不同的水源来看,水资源输配用能占总供水用能的52.75%。从分区来看,达拉特旗和乌审旗在水资源供给中用能较多。

图6鄂尔多斯市水资源供给不同环节及区域水资源供给的能源消费量

3.3能源—水互馈关系分析

能源和水资源之间存在相互反馈的关系,因而一项节能或者节水措施或技术的实施,将会带来协同效应。协同效应的大小取决于水资源用能强度及能源用水强度两个方面,当二者的值都较大时,协同效应也较大。如图7所示,从区域平均值来看,鄂托克前旗在采用节水(节能)措施的同时带来的节能(节水)效果较大,在节水和节能措施的推广示范中可以优先考虑。

图7鄂尔多斯市水资源用能强度及能源用水强度分布图

4、结论

通过对鄂尔多斯市能源生产的水资源需求量分析,从区域差异来看,目前煤炭生产、加工和转化环节的布局相对于水资源的分布存在匹配较差的情况,不利于可持续发展。因此,应科学编制煤炭开发利用规划,统筹市场、资源条件和生态环境因素合理布局。

从不同情景来看,节水情景下,能源的节水量最大表明非常规水的开发和利用以及能源节水技术的使用能够有效缓解能源基地的水资源压力。应加大节水技术研发投入及新节水技术推广,同时提高矿井水综合利用程度,推广煤矿分布式地下水库技术及高矿化度煤矿矿井水脱盐技术的应用。

相对于能源生产的水资源需求,水资源供给过程中用能占比较小,但考虑到二者的互馈关系,在水资源用能强度和能源用水强度均较大的区域,节水和节能技术的协同效应较大,在节能节水技术推广、现有技术升级和落后技术的淘汰过程中可以优先考虑。

参考文献：

[18]内蒙古自治区发展研究中心,国家发展改革委能源研究所.内蒙古“十三五”能源经济发展趋势及路径选择[J].北方经济,2016(1):14-17.

[19]彭苏萍,等,编著.西部煤炭资源清洁高效利用发展战略研究[M].北京:科学技术出版社,2019.

[20]贾绍凤.鄂尔多斯市水与能源协同对策研究[R].北京:中国科学院地理科学与资源研究所,2017.

[21]项潇智,贾绍凤.中国能源产业的现状需水估算与趋势分析[J].自然资源学报,2016(1):114-123.

王雷,朱吉茂,高俊莲.能源与水资源的纽带关系研究——以鄂尔多斯市为例[J].生态经济,2020,36(09):158-163.

基金:科技部重点研发计划项目“‘水-能源-粮食’协同安全保障关键技术”(2017YFC0404600);中央高校基础科研业务费项目“能源与水资源空间耦合关系模型系统研究”(2018QG01).