基于碳足迹的区域水资源优化配置模型

黄显峰，石志康，金国裕，方国华

(1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098； 2.昆山市水务集团有限公司，江苏 昆山 215300)

水环境恶化和水资源短缺问题日益突出，促使人类重视改善水环境和调整用水方式。城市用水过程中往往伴随着大量的碳足迹[1]，增加了能源消耗和温室气体的排放。要解决城市发展和生态低碳之间的矛盾，需正确分析用水过程与碳排放的关系。低碳的概念在21世纪初从经济领域扩展到社会发展各方面，国内外学者也对碳足迹与水系统的联系进行了一些研究。Cucek等[2]对两个或多个单独足迹的复合足迹进行评估，介绍了包括碳足迹计算器在内的多种足迹评估工具。Smyth等[3]调查了北爱尔兰实施家庭用水效率计划的碳影响，发现减少水处理、泵送过程和生活用水供暖的碳排放能有效提高用水效率。Galli等[4]对生态足迹、碳足迹和水足迹3个指标之间的相似性和差异进行了研究，说明这些指标是如何相互重叠、相互作用和互补的。Fang等[5]选取生态足迹、能源足迹、碳足迹和水足迹作为指标来定义足迹家族，用于评估与自然资源利用和废物排放有关的环境影响。严登华等[6]基于流域自然-人工二元水循环过程提出面向生态的水资源合理配置方案。赵荣钦等[7]对区域水-土-能-碳耦合系统进行模拟，分析了区域碳排放强度与水、土、能等子系统之间的关系。李金燕[8]通过量化区域生态环境需水量，针对干旱区域的特点提出生态优先的水资源合理配置模型。李健[9]以常州市为例，对城市水系统碳排放量核算进行研究。

我国提出在建设社会主义现代化强国的同时，实现与全球减排目标相适应的低碳经济发展路径[10-11]。考虑碳排放因素的水资源配置是解决城市水资源问题的一种尝试。为了缓解区域水资源供需矛盾，实现低碳发展，需要对低碳目标下的水资源配置进行研究。本文以减少区域水资源供用水过程的碳排放和提高区域水资源利用效率为目标，构建基于碳足迹的区域水资源优化配置模型，旨在为城市低碳可持续发展提供依据。

1 水资源系统碳足迹测算

1.1 对象识别

确立区域碳排放、碳吸收与水资源配置的关系，是基于碳足迹的区域水资源配置模型构建的关键。综合考虑供用水过程中的碳足迹，以每个配置对象在各个过程中碳的净排放量为依据，识别碳源与碳汇[12]，其中碳源过程包括水源取水过程、水厂处理过程、供水管网输水过程和社会经济系统用水过程，碳汇过程包括生态系统用水过程和再生水回用过程。

1.2 碳足迹测算模型

由水源取水过程、水厂处理过程、供水管网输水过程、用水户用水过程和再生水回用过程构建碳足迹测算模型：

C=C1+C2+C3+C4-C5

(1)

其中C1=c1q1Q1C2=c1q2Q2C3=c1q3Q3

C4=c2Q4-c3Q5C5=c4Q6

式中：c1为单位电能的碳排放因子；q1为单方取水的耗电量；Q1为取水量；q2为处理单方水的耗电量；Q2为处理水量；q3为输送单方水的耗电量；Q3为输水量；c2为社会经济系统单方水的碳排放系数；c3为生态环境系统单方水的碳吸收系数；Q4为社会经济系统用水量；Q5为生态环境系统用水量；c4为使用单方再生水而减少的碳排放量；Q6为再生水使用量。

2 模型构建

2.1 总体思路

传统水资源配置模型一般以社会公平和经济高效为目标[13]，而基于碳足迹的区域水资源优化配置模型通过合理压缩社会经济系统用水量，制定科学合理的水资源可持续利用发展规划和行业水资源分配方案与供用水方案，来达到低碳发展的目标。

2.2 目标函数及约束条件

a. 目标函数。以一定供水条件下配置单元缺水率和碳净排放量最小为目标，构建目标函数f：

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

(2)

式中：f1(x)为单元缺水率函数，f2(x)为单元碳净排放量函数；xm,db为计算单元m水源b供给用水户d的水量；Qm,d为规划水平年计算单元m用水户d的需水量；Cm,d为计算单元m用水户d使用单方水的碳排(碳吸)系数；M、D、B分别为计算单元数、用水户数、水源数。

b. 约束条件。基于碳足迹的区域水资源优化配置约束主要考虑水源供水约束、碳排放约束、引提水量约束、生态需水量约束、最小供水保证率约束和非负约束，表达式为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

xm,db≥0

(8)

2.3 模型求解

3 实例分析

3.1 研究区概况

丰县位于江苏省西北部，属于江苏省徐州市，处于苏豫鲁皖4省交界处。丰县易涝易旱，全县年均降水量少且年内年际时空分布不均，属典型的资源型缺水地区，也兼有工程型缺水和水质型缺水问题，全县用水无法得到保证。2018年，徐州市政府制定《徐州市“十三五”控制温室气体排放实施方案》，要求在“十三五”期间丰县单位GDP碳排放强度下降24.72%。因此，对丰县规划年的水资源进行低碳目标的优化配置势在必行。

《丰县水资源规划》中根据区域地形地貌、耕地情况、供水水源等情况的类似性和差异性，按流域将丰县划分为复新河分区、苗城河分区、大沙河分区及郑集南支河分区共4片。到2030年，规划丰县自来水厂规模扩建至30万m3/d，工业地表水厂规模扩建至25万m3/d，复兴河分区丰县再生水厂总规模扩建至6万m3/d。翻水线两条:南线范楼闸规划新增翻水能力至35 m3/s，水源来自微山湖；北线李楼站翻水能力提高到35 m3/s，水源来自昭阳湖。丰县未来水平年供水系统配置网络见图1。

图1 丰县未来水平年供水系统配置网络示意图

3.2 决策变量设定

根据丰县供水现状和《丰县水资源规划》，丰县2030年生活用水全部来自徽山湖；农业用水大部分来自邵阳湖以及徽山湖，主要是依靠南北两条调水线路从外地调水；工业用水主要来源于本地水以及徽山湖引水；第三产业用水主要来源于本地水；生态用水主要是依靠本地水及再生水。

3.3 模型建立

丰县可划分为4个计算单元，每个单元分为生活、农业、工业、第三产业和生态5个用水户。由于取水、处理和供水过程中损失的水量占比很小，可忽略不计，且取水、水处理和供水过程均由水厂负责，故供应单方水的耗电量可由水厂统一折算，则可确立各目标函数：

f1(x)=

(9)

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

(10)

式中：g1(x)为水厂供水过程产生的碳排放量；g2(x) 为再生水回用而减少的碳排放量；g3(x)为社会经济系统用水户的碳排放量；g4(x)为生态系统用水户的碳吸收量。

根据国家生态环境部应对气候变化司《2017年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》，华东地区单位电能碳排因子c1为0.804 6 t/(MW·h)；根据丰县自来水厂年供水量和年耗电量，计算得供应单方水的耗电量qd取值为0.24 (kW·h)/m3；根据LCWRA模型[18]，对于丰县地区，社会经济系统单方水碳排放系数c2和生态环境系统单方水碳吸收系数c3的均值取为7.7 kg/m3、2.2 kg/m3；使用单方再生水减少的碳排放量c4由qd和c1换算得0.193 1 kg/m3。

3.4 模型求解

徐州市丰县水资源常规配置情况下，根据经济、社会及人口发展情况对2030年需水情况进行预测。生活需水分为城镇生活需水和农村生活需水，均采用定额法进行预测；生产需水量分为农业需水、工业需水和第三产业需水，其中农业需水根据农林牧渔畜业发展规划中的预测数量，采用定额法进行预测；工业需水考虑到收集实际资料的难度，采用万元工业增加值法对规划年工业需水量进行预测，第三产业需水采用万元增加值用水量法进行预测；生态需水包括河道内生态需水、湿地生态需水和城镇绿地需水三部分，河道内生态需水采用Q90法预测，即90%频率下最小月平均净流量，湿地生态需水可借鉴相关研究成果预测，城镇绿地需水采用定额法预测。考虑丰县供水现状，结合《丰县水资源规划》中的规划工程进行供水量补充计算。丰县2030年常规水资源配置供需平衡分析结果见表1。

根据丰县未来水平年供水配置网络，计算得到丰县2030年50%保证率下各水源地可供水量，其中徽山湖14 206万m3，邵阳湖13 312万m3，本地水9 284万m3，再生水2 190万m3，合计38 992万m3。基于低碳目标合理预测需水量，通过邵阳湖和徽山湖调水增容，再生水厂增加向苗城河分区、大沙河分区和郑集南支河分区供水，运用基于碳足迹的区域水资源优化配置模型，求得低碳目标下的水资源配置方案。常规水资源配置方案(方案1)和低碳水资源配置(方案2)对比分析见表1。

表1 丰县2030年水资源供需平衡分析结果(P =50%)

与常规水资源配置方案相比，需水总量降低871万m3，其中生活和生产需水量分别降低 1 209万m3、2 747万m3，生态需水量增加3 085万m3。供水量增加1 696万m3，主要来自邵阳湖和徽山湖的调水增容。缺水量减少2 567万m3，缺水率降低6.2%。碳排放量和碳的净排放量分别减少了 0.93万t 和1.58万t，预期可实现碳减排5.8%。

从计算结果可以看出，缺水量集中在生态和生产需水，这是由于生态用水的碳汇效益低于生产用水的碳源效益，减少大量的生产用水用于生态系统，不利于缺水率的降低，低碳水资源配置方案通过合理预测需水量、增加供水量和优化供水方案对缺水率和碳减排进行了平衡。可见，基于碳足迹的区域水资源优化配置模型对于缓解丰县水资源供需矛盾，提高用水效率，达成节能减排目标有着显著的帮助。

3.5 提高丰县水资源利用率、减少碳排放的建议

a. 调水增容。目前丰县已有南北两条调水线路，为进一步改善水源条件，建议实施两线增容工程建设。在国家南水北调东线工程实施的基础上，南线增容在范楼、梁寨两处增建闸站，保障丰县的工农业用水；北线调水工程增容改建李楼站、袁庄闸站、王梨园闸站等骨干河道上的控制性工程，提高引提水能力；同时疏浚相应过水河道，更新改造骨干翻水站。

b. 区域供水工程建设。南水北调东线一期工程建成通水后，丰县调水能力提高，净供水量明显增加。建议以微山湖为水源，建设地面水厂，实施区域供水工程建设，并进行相关设施配套建设。

c. 应急备用水源工程与清水廊道工程建设。建议在大沙河备用水源地建设备用取水口，实施水源地生态保护及修复工程，水质预警在线监测，建设大沙河、沙支河、丰徐河清水廊道工程，在经济开发区建设再生水处理厂，实施再生水回用工程，增铺雨污管网。

d. 加快发展非化石能源，优化利用化石能源。推进生物质能利用，积极实施城市生活垃圾的资源化利用，建设清洁高效的垃圾焚烧和填埋气发电工程。优化工业能源利用结构，鼓励工业企业以天然气替代煤炭、柴油、燃料油；优化交通能源利用结构，建立完善通气设施；优化居民能源利用结构，全面消除民用散煤。

e. 加快发展低碳农业，增加生态系统碳汇。结合丰县实际，合理选用间歇滴灌、深水灌溉等技术，保护湿地生态系统，建立和完善湿地保护管理体系，建设生态文明教育基地，完善修复湿地公园生态系统，增强湿地储碳能力。

4 结 语

碳足迹测算模型中对于社会经济用水与碳排放、生态环境用水与碳吸收之间的关系还需进一步研究，同时在水循环过程中碳排放的度量还需进一步细化和完善，从而更全面地反映水资源配置过程中碳足迹的变化。