水与能源：相互依存共求发展

方舟

水可能是一件比较麻烦的事儿，水太少了，农作物会死亡，工厂会搬走，电厂也不能正常工作，生态系统就会遭殃，人也会饥渴。水太多了，洪水将毁坏基础设施，农作物会遭到破坏，水传播疾病也会泛滥，并会破坏电力和交通等设施。我们总希望水能在合适的时间和地点出现，因为转移和存储水源需要耗费很多能量。我们也希望水的质量和温度正好合适，如果到处是污水、咸水，那么水处理的费用将会很高。

水的随意性，是可以控制的，这就需要能源。如果我们有无限的和完美的清洁能源（不会对环境产生负面影响），我们可以将整个海洋的海水进行淡化，为每个人提供足够的饮用水，使清洁水无处不在。如果有无限的能源，我们可以随意建设输水管线，将水从多水区输送到缺水区。我们可以建造足够多的水卫生设施，这样未经处理的污水就不会流入淡水生态系统，造成疾病传播和水体富营养化的问题。我们可以建设足够多的水库和水塘，丰水时蓄水，缺水时引水。

当然，这一切都只是想象，我们不可能有无限的能源，能源已成为水管理的一个制约因素。

正如能源成为制约水资源管理的瓶颈一样，在许多地区，水已经成为能源供应的一个制约因素。电厂运营商有时得不到充足的水源来进行电厂的建设和运行，而且，为了保护当地的鱼类和生态系统，当地政府对电厂冷却后排放水的温度也有限制。水在能源提取方面也是一个制约因素，例如石油和天然气的生产，可能会使用大量的水。

水和能源之间的这种相互依存关系被称为能量与水的联系。虽然这种关系是可以相互制约的，但它有时也为人们提供了一个一举两得的机会，就是说，人们可以同时解决能源和水的问题，因为保护了其中的一个，也会相应地保护另一个。因此，我们管理两者之间的微妙关系的方法，将会对我们未来是否会出现能源和水的危机产生重大影响。

美国趋势

在集中供水和机械化抽水出现之前，美国通常直接从当地的溪流、河流或井里取水，即使在城市地区也是如此。唯一的能量消耗就是简单的提水和运水。在世界许多农村或贫困地区，仍然如此。这种传统被打破，是19世纪初的事情，当时美国开始发展集中式饮用水处理和分配系统，现在美国享有世界上最安全和最丰富的公共供水系统。

由于水需求的不断增加，依照美国目前的趋势发展，未来美国正朝着能源密集型用水发展。例如，南加州和佛罗里达州已经开始使用海水淡化技术，人们从科罗拉多洛矶山和北部大平原地下的深层含水层中抽水，或者进行跨流域的调水，以及在西南沙漠和加州之间建设调水工程等。

这些发展趋势向我们提出一个问题：我们处理、输送和维护水源，到底需要多少能量？美国的供水系统会给世界带来怎样的经验和启示？尤其是那些发展中国家，它们正在努力建设集中式的供水系统和污水处理系统。

美国《地球杂志》的最近研究已经触及这些问题。研究人员要计算美国能源领域的用水情况，他们首先计算抽水和处理水的能源消耗。然后再计算家庭用水方面的能源消耗，例如烧水、洗澡、做饭等。最后，再加上企业、公共设施、电厂等的能源用水。研究人员发现，每年美国在水方面的能源消耗为12.3万亿BTU（BTU，英国热量单位），相当于能源总消耗量的12.6%，远远超过了研究人员的预期。

美国的能源用水

在美国，12.3万亿BTU的能量，包括水的提取、处理和最终用途的一切能源消耗。大约30%的能量被消耗于住宅和商业用水的加热。另外30%被用于工业水蒸气的加热和加压，例如炼油及化学制造业。像洗碗机、洗衣机和烘干机，以及其他加热水或者空气的能源使用，只占8%的用水耗能。

实际上，水处理只使用了相对较少的能量，只占12.3万亿的BTU的4%，约等于2010年美国能源消费总量的0.5%。水处理耗能的多少，取决于处理后水的质量和最终用途。地下水的抽取通常比地表水的直接获得消耗更多的能量，而地下水缺水的耗能又与井深有关。然而，地表水通常没有地下水干净，还需要进一步处理，往往需要消耗比抽取地下水更多的能量。经过处理后的水，需要通过水泵和输水管道将其分配到最终用户，在最终用户那里，水又可能被加热、加压、抽吸或冷却。

水从处理厂流出以后，大约40%的水通过水渠或者水管的渗漏蒸发或者跑冒滴漏被流入到环境中，尽管这个比例随位置和季节有很大的变化。来自厕所或者排水沟的污水，需要被送到污水处理厂进行处理，达到一定的级别后才能被释放到环境中。其中，有一小部分可能被回收利用，主要用于非饮用用途，如浇灌高尔夫球场或用于电厂冷却等。

区域性问题区域性解决

尽管美国水领域的能源使用可以用总体和平均的概念来描述，但是，各地的具体情况却各不相同。不同的气候条件所形成的降雨、地表水和地下水的多少也不同，从而影响抽水的深度和输水的距离。例如在美国南加州，需要长达几百公里的调水系统，经过两组山脉的阻挡，从圣华金三角洲引水到加州中心地区。水在送达最终用户前，大约每1000加仑耗能约11千瓦时。与此相反，在马萨诸塞州，因为有丰沛的降雨和蓄水，每1000加仑的水耗能只有约1.5千瓦时，只有加州的14%。

公共供水和污水处理事业所消耗的能量目前可能仅占水领域能源消耗的一小部分，但是，全国各地的公共供水系统加起来，就会成为能源密集型用水行业，这种用水量在未来有不断增加的趋势。例如美国的加利福尼亚州、佛罗里达州和得克萨斯州，已经建成了海水淡化设施，这些设施的耗能比普通的地表水处理大约多出10倍的能量。计划之中的长管线输水项目正在实施，尽管能够减轻西部的旱灾，但是，所消耗的能量和资金也是很高的。

与此同时，在西部大平原和中西部干旱地区，人们加强了地下水的抽采力度，造成地下水水位下降，抽水者不得不在更深的水井进行抽采。

在美国的水领域，也有一些亮点值得世人学习。例如，再生水被用于景观和高尔夫球场的浇灌、电厂冷却以及冲厕等。再生水也可用于补给地下含水层，例如在加州的奥兰治县，地下含水层水位的下降，使得这里越来越容易受到海水入侵的影响，对此，科学家利用再生水在地下制造了一个屏障，以保护宝贵的淡水资源免受海水的入侵。

新技术也能使水需求减少。电厂使用高效的冷却技术减少了用水，许多行业都降低了其生产环节的用水强度，可改善其应对缺水的脆弱性。使用更有效的灌溉系统，可以降低流速，减少耗水；种植抗旱的作物，将节省的水提供给城市。实践表明，节水最大的潜力仍然在农业部门。

步美国后尘？

像美国一样，其他国家也正向着能源密集型用水转变。例如，中国的南水北调工程将水从丰水区输送到缺水区。埃及、印度、利比亚和南非，以及其他发展中国家和发达国家，正在规划或已经建设了许多大型的供水项目。同样，印度、科威特、沙特阿拉伯、新加坡和阿拉伯联合酋长国已经准备建设大型的海水淡化工厂，以改善其饮用水的供应。但这些项目建设都非常昂贵，显然会增加用水的能量消耗。

能源和水资源之间存在着微妙平衡。大型水利基础设施将水输送到那些无法通过其他方式得到的水地区，但是，远距离输水也对能源基础设施提出更高的要求。然而，节水保护、使用再生水以及使用可再生能源的海水淡化技术，能同时实现能源、水和气候保护的多个目标。例如，沙特阿拉伯正在建设首个商业规模的太阳能海水反渗透淡化工厂。一旦建设完成，该工厂预计将满足10万人的日常用水需要。在美国西南沙漠地带，人们可以进行类似的项目，使用咸水淡化技术，或者使用可再生风能和太阳能资源技术。

如何从能源的不可再生管理过渡到可持续管理，构成人类21世纪最大的挑战之一。■endprint