水利工程领域在减碳方面的措施与进展

2023-03-12 07:34李奕刘佳张炯

水资源开发与管理 2023年12期

李奕刘佳张炯

(山东大学土建与水利学院,山东济南 250014)

水利工程历来是治国安邦的大事,是经济社会发展的基础事业,与减碳、控碳密切关系[1]。本文从近年来国内外水利领域在减碳方面所做的工作出发,由水利施工、生态水利、水利水电和水利发展新方向四个方面对水利领域减碳措施进行分类总结,并在此基础上进行展望。

1 水利施工中的减碳措施

黄跃群等[2]的研究表明,水利工程建设阶段的碳排放量占全过程碳排放总量的92.3%,而投入运行后的碳排放量则相对较少,因此,为了有效控制碳排放,应该在建设阶段就采取有效的措施,减少施工中碳排放量。 ZHANG et al.[3]经过核算大型水电项目的碳足迹,同样得出碳足迹的主要贡献来自于建设阶段的结论。因此,水利工程建设阶段的碳排放控制尤为重要,这就对水利施工提出了新的要求。一方面,合理的施工技术能够直接提升工程效率和质量,有效节约时间成本;另一方面,绿色建材的使用可有效降低工程的总碳排放量,节约成本。

王鼎等[4]鼓励项目参与和实施单位采取安全可靠的新工艺、新技术、新方法,以尽可能地降低能源消耗,并利用废弃物。琚兵[5]则认为,合理控制混凝土搭配比,进一步优化砂浆剂量、搅拌水温度控制、拆除时机等因素,并采取直螺纹连接技术,有利于增加整体框架的稳定性,从而减低对建材的消耗,节省费用。曹珊珊[6]提出,应积极探索新兴护岸材质,如植草专用砖、石笼、膜袋等,并不断深入研究这些新型建材的工艺技术,以实现真正的环保理念,进而为水利工程减碳建设提供有效支持。新兴的信息技术有助于降低水利施工阶段的碳排放量,王显平[7]通过AI、GIS 和人工智能控制,将工程3D 模型、建筑材料种类、技术标准、机械运行路径等数据应用到施工机械设备上,实现土石坝的无人摊铺、无人碾压,大大提升了施工效率,降低了成本,同时也有助于减少碳排放。张笑程等[8]认为,大部分施工原材料还能被二次利用,比如坝坡残余的砂石,还能用来保护坝脚,不仅能节约原材料,还能降低能耗,还能降低碳排放。同样,固废垃圾可以再应用于水利堤坝基础工程建设中,从而减少自然环境中土石挖掘量,在提高建筑垃圾利用率的同时,降低水利施工对周围环境的影响[9]。

将绿色材料在合理可行范围内应用于工程建设已有验证与实例。王峥等[10]总结了一系列可行的生产减碳固碳材料的前沿技术,这些材料已经被证明具有显著的减碳固碳效果,并且这些技术具备大规模应用的潜力,包括混凝土固碳技术、混凝土添加剂技术、镁质水泥以及混凝土新型胶凝材技术等,可以有效地减少水利施工过程中的碳排放量,从而实现可持续发展。另一类则是具有减碳效益的替代材料,LV et al.[11]在大坝建设阶段利用铁矿石尾矿骨料(IOTA)替代普通骨料(NA),并进行环境评价,得出利用IOTA 制备的混凝土不仅具有更好的耐久性,而且与NA 相比具有更少的碳排放量的结论。除了绿色材料的使用外,通过先进技术、设备和管理措施,将水利工程建设中的废弃物转化为再利用资源,同样是降低碳排放的途径。曹文洁[12]借鉴国内建设工程废水回收再利用的经验,提出了混凝土拌和系统处理工艺、砂石筛分站废水处理工艺、含油废水处理工艺以及隧洞施工废水处理工艺等,应用于新疆阿尔塔什水电站工程中,能达到满足工程需求、生态环保的目的。这一系列施工技术、绿色材料的应用和建材再利用的措施,有助于降低水利施工建设阶段的工程碳排放量,为碳减排做出贡献。

2 生态水利建设中减碳措施

生态保护与工程建设是密不可分的。崔保山等[13]提出,生态水利是一个新兴的学科研究领域,它将有助于单一的、局部的水利模式转变为更加全面、多样化、复杂的、系统性的水利模式,以满足社会经济可持续发展和生态系统健康维护的需求,旨在解决当前与未来发展之间的矛盾、克服重经济而轻环保的生态水利也是响应碳减排的有力措施。

水生态固碳性能的提升是生态水利减碳的重点。水生态固碳又称为“蓝碳”,是指水生态环境系统所固定的碳,水生态固碳能力的提高直接响应碳排放的降低。为提升水生态系统的固碳能力,需要从内部结构优化和区域协调发展两个方面入手,以实现水生态建设的最佳布局。其中,内部结构优化旨在发挥系统的固碳功用,而区域协调发展则是根据不同地区的特点,采取差异化的生态建设措施,以达到固碳的效果[14]。左其亭等[1]提出可以通过改善水生态,加强水体固碳功能,积极地推动绿色低碳管理模式的建立。为此,应加强物种多样性的保护,改进碳捕集与封存工艺技术,并建立有效的制度保障机制,以确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视。经刘霞[15]统计,海洋植物一年可从大气中吸收约20亿t 二氧化碳,其中红树林、盐沼地和海草床每年可存储16.5 亿t 二氧化碳,这一数字相当于全球交通碳排放量的一半。因此,港湾、沿海地区的水利工程可考虑引入蓝碳技术,充分发挥海洋植物强大的储碳功能,增强区域水生态的固碳能力。此外,随着湿地生态系统所蕴含的固碳能力被发掘,退田还泽、湿地生态保护等区域协调发展战略也更加重要。

生态修复是生态水利减碳的另一个重点,以竣工后的工程区域以及河湖流域修复为主。生态水利坚持生态优先、绿色发展、以水而定、量水而行的原则,在传统水利工程建设过程中融入“绿水青山就是金山银山”的理念[16]。高国力等[17]从生态保护等8 个维度选取指标,采取熵权法对黄河流域的生态保护进展作评价,结果表明,黄河流域的生态修复总体按照平稳的速度推进。赵进勇等[18]通过研究国内外河湖生态修复技术的进展,认为应以河湖生态环境容量倒逼两岸第一、第二产业转型升级。孙鹏程等[19]认为海河流域河湖修护措施应从水量管理、水文节律管理、水环境保护等方面进行加强,要建立完善的生态调度补水保障体系,致力建设美丽海河。曾旭等[20]以向家坝工程为例,对其扰动区进行了植被的生态恢复研究,将工程扰动区划分为核心区、服务区和过渡区,并根据各区的主要功能要求和影响特点,采取有效的生态恢复技术和物种配置,形成结构稳定、多样性丰富、具有复合功能的植被景观,从而有效地提升了植物碳汇。王学雷等[21]通过研究长江流域的湿地保护,提出应当以自然恢复为主,人工复原为辅,科学合理地布置生态修复工程项目,以实现长江流域河湖林田的和谐共生,从而保护湿地资源。人工湿地也是一个增加碳汇的有效措施。吴海明[22]在研究人工湿地温室气体的释放特征时发现,人工湿地系统表现为大气二氧化碳(CO2)的吸收汇,仅在冬季表现为CO2的弱排放源,因为其可通过植物的光合作用固定大气中的CO2。水利的生态修复不仅可以增加碳汇,还通过维持生态平衡,实现水利领域的可持续发展[23]。

3 水利水电项目实施减碳措施

近年来,我国能源消费中化石能源占比高达80%以上,由此产生了大量的碳排放[24]。水电作为清洁能源,具有启停速度快、工况转换灵活、调节范围大、高效储能等特点[25],在构建以新能源为主体的电力系统过程中,水电将发挥不可替代的支柱性作用。这对减碳背景下水利水电的发展有了更明确的要求,水电逐渐从以单一发电为主转变为以容量支撑为主[26],以此助力能源快速转型,在电力领域为降低碳排放做出贡献。

抽水蓄能电站对优化整个电网资源配置起着非常重要的作用,同时也是未来新能源发展中必不可少的重要储能技术[27]。周建平等[25]认为,当前水电开发的任务是抽水蓄能电站与“储能工厂”协同建设,推动清洁电力的高质量发展,实现抽水蓄能电站的高效运行,充分发挥抽水蓄能电站的辅助储能效益。 ZHAO et al.[28]采用协同博弈法,在计算了抽水蓄能电站的辅助业务成本、综合分析了固定和可变成本后,提出了抽水蓄能电站机组当日调度的计算机制,并将其应用于多功率最优调度。黄庶等[29]采用基态和N-1 故障下网络安全约束的校验添加法,建立了一个包含风电场和抽水蓄能电站的动态优化调度模型,以有效地发挥抽水蓄能发电机组的削峰填谷作用,并有效应对风电随机性的挑战。除了考虑抽水蓄能电站的积极影响外,科研工作者也一直在研究其负面的生态影响以及应对措施。 LI et al.[30]系统分析了抽水蓄能电站与生态环境的耦合协调机制,结果表明,施工成本、装机容量、日抽水量和平均日用电量这4 个因素对耦合协调度有显著的负面影响,有必要采取相应的措施来减轻这些因素对环境造成的压力。向正林等[31]对海水抽水蓄能电站的环境影响进行了研究,结果显示,应控制并降低抽水蓄能电站运行过程中的COD(化学需氧量)排放浓度,以满足当地对海水水质的要求。因此,充分发挥抽水蓄能电站对于碳减排的积极作用,不仅需要加强电站的建设,还应对其运行调度以及监督管理模式进行优化。

在传统水电项目开发与发展过程中造成的环境质量问题同样不可忽略。 ZHANG et al.[32]通过构建水电的水碳关系模型,建议将水电的水资源利用作为下游生态环境问题的生态指标,然后将两者结合起来,促进流域水资源管理。贾建辉等[33]以武江干流为例,评估了对水电发展对河流生态系统服务的影响,结果表明,水电发展会对生物多样性和水土保持造成严重的负面影响,因此,未来应该加强对水电可持续利用的研究,并采取有效的生态补偿措施。与传统水电项目相比,小水电项目建设时间较短,投资较少,是解决偏远、贫困地区用水困难、工程建设难度大等问题有效且重要的途径。李萌等[34]提出,在减排降碳的大背景下,小水电通过自身的开发及与风电、光电等一体化的发展,既可以直接或间接地增加可再生能源的供给,也有利于提高能源电力系统的稳定性。 KUMAR et al.[35]审查了印度区域的水电站后认为,小型水电项目是水电可持续发展的一个可行方案。刘毅生等[36]在考察“双碳”目标下江西省水利工作时发现,江西省拥有丰富的水能资源,除了传统的水库水能资源利用发展和河道闸坝水电开发之外,还应包括农村小水电开发及挖潜增效、合理利用水能资源,以促进节能减排。

4 水利发展新方向中减碳措施与思考

在信息化时代的背景下,以智能手段提高系统运行效率,减少工程碳排放,实现水利减碳、固碳技术方法升级,加快推进人与自然和谐共生的现代化水利建设是新时代水利的发展趋势[1]。借助信息化技术的高速发展,水资源信息化管理、智慧水利等技术应运而生。此外,随着海绵城市的建设与发展,其蕴含的减碳效益也备受重视。

随着科技的蓬勃发展,传统的水利信息工作模式已经不能满足当前水利改革的需求,甚至出现了不可调和的矛盾。采用新一代信息技术,尤其是大数据技术为有效解决这一矛盾提供了新的思路[37]。智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的6 条实施路径之一[38]。耿磊等[39]基于无人机、遥感、物联网、人工智能等技术构建了西江流域的空天地一体化感知体系,使流域的智慧水利建设得以加快推进。徐健等[40]以福建省沙县智慧水利信息平台为实例,设计开发了“水利一张图”、水资源管理系统、水利工程管理系统等5个子系统,建设了配套的水利数据中心并制定了智慧水利标准。张慧莉[41]针对聚氨酯材料在水利工程中的应用指出,随着新一代人工智能和通信技术的进步,智慧灌浆、智慧喷涂、智慧嵌缝等智能化手段将取代人工方式,从而获得更高的施工效率,并且减少碳排放。

海绵城市是适应于中国复杂的地理气候特征提出来的,是以中国悠久的水文化遗产为基础,并融合了当代国际先进的雨洪管理技术和生态城市思想而形成的理论、方法和技术体系[42]。 ZHANG et al.[43]设计了一个混合框架来分析城市水务系统的温室气体排放,指出有相当一部分与水务设施有关的间接温室气体排放被严重低估。蒋春博等[44]在对海绵城市建设的雨水基础设施配置优化进行研究时,提到海绵城市的建设是构建和完善城市水污染治理、水生态修复的骨干工程。因此,海绵城市对城市污水处理的积极促进作用将有助于降低这一过程中的碳排放量。贾玲玉[45]在研究海绵城市建设的低影响开发技术时发现,海绵城市建设不仅能够有效缓解城市内涝问题,还能降低城市的热岛效应,有效地实现碳减排。 SU et al.[46]通过构建城市综合排水系统碳排放的核算框架,计算碳排放量指出,海绵城市排水系统的碳排放量较传统城市排水系统的碳排放量降低50%,同时污水处理和污泥的处置是造成碳排放的主要因素。此外,KONG et al.[47]通过调查海绵城市试验区几个地点的雨水污染物发现,有更多工程措施(如透水路面、改良生物过滤器、截留沟等)的商业区,可以有效地去除固体污染物和磷。由此可见,海绵城市建设是降低城镇地区碳排放和水体污染的一个有效措施。

5 结论

本研究总结并归纳了近年来国内外有关水利领域降低碳排放的研究以及具体措施,从水利施工、生态水利、水利水电、水利发展新方向四个方面介绍了近年来水利工程与减碳之间的联系。在水利施工方面,主要的减碳措施是废弃建材的资源再利用以及绿色材料的应用;在生态水利方面,主要的减碳措施是对水利工程区域进行生态修复以及发挥绿色植物的固碳效益;在水利水电项目实施过程中,抽水蓄能电站的建设与发展是建成绿色电网的关键,建设小水电项目对于降低碳排放的目标也有帮助;在水利发展新方向上,优先考虑借助信息化技术提高系统的运行质量,可以达到减少能耗、节能减排的效果,海绵城市的建设对降低碳排放同样有益处。