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水與能源的交互影響成了近幾年國際關注的熱點。2014年聯(lián)合國水問題國際會議在西班牙舉行, 會議的主題就是水與能源[1]; 聯(lián)合國2014年世界水資源發(fā)展報告的主題也是水與能源[2]。美國有關機構已對美國水與能源的相互需求進行了評估[3, 4]。 中國能源發(fā)展能否有足夠的水資源保障?國內(nèi)外一些機構對此表示了嚴重擔憂, 并產(chǎn)生了廣泛影響。美國非政府組織Circle of Blue和國會智囊機構威爾遜中心在2011年合作發(fā)布了《中國之瓶頸：水匱乏與能源需求》報告, 認為中國能源需求在迅猛增長, 而水資源在大幅度減少, 中國發(fā)展過程中水資源與能源之間存在災難性矛盾, 這一矛盾在中國已非常明顯并在未來的10 a會更加惡化。到2020年, 中國的產(chǎn)煤量將比目前高出10× 108 t, 中國當然有充足的煤資源; 然而從何處尋找足夠的水— — 每年近150× 108 m3的水— — 來開采新的煤礦藏[5]?綠色和平組織認為2015年中國大型能源基地上下游產(chǎn)業(yè)鏈用水會達到99.75× 108 m3, 約占黃河可利用水資源量370× 108 m3的1/4, 而這些可利用量都已經(jīng)開發(fā)利用, 因而能源基地建設將無水可用[6]。頁巖氣的水壓碎工藝需要大量的水, 社會上也有頁巖氣開發(fā)將加劇水資源供需矛盾的擔憂①(① 中國石油設備網(wǎng). 中國頁巖氣開發(fā)面臨水資源挑戰(zhàn). http://www./news/23864776.html, 2013-02-20.)。 能源產(chǎn)業(yè)作為我國工業(yè)用水大戶, 用水量占比在40%以上。分析能源產(chǎn)業(yè)中各類行業(yè)的用水環(huán)節(jié), 并對其未來用水情況進行預測, 是正確認識我國能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的水資源需求與保障的一項緊迫任務。 1 能源產(chǎn)業(yè)與能源生產(chǎn)現(xiàn)狀 1.1 能源產(chǎn)業(yè)的內(nèi)涵及分類 能源產(chǎn)業(yè)是指采掘、采集和開發(fā)自然界能源資源, 或?qū)⒆匀毁Y源加工轉(zhuǎn)換為燃料、動力的產(chǎn)業(yè)[7]。主要包括：煤炭采選業(yè), 石油和天然氣開采業(yè), 電力、蒸汽、熱水生產(chǎn)和供應業(yè), 石油加工及煉焦業(yè), 煤氣生產(chǎn)和供應業(yè)以及新能源產(chǎn)業(yè)。文中將能源產(chǎn)業(yè)歸為煤炭能源產(chǎn)業(yè)、石油天然氣產(chǎn)業(yè)、電力與熱力產(chǎn)業(yè)、可再生能源產(chǎn)業(yè)四類進行研究。 上述四類產(chǎn)業(yè)包含眾多行業(yè), 且行業(yè)間用水量差異顯著, 為簡化分析, 本文研究對象為當前或未來四類產(chǎn)業(yè)中的主要用水行業(yè)。在煤炭能源產(chǎn)業(yè)中重點分析煤炭采選業(yè)、煉焦業(yè)、煤制油（氣）行業(yè); 石油天然氣產(chǎn)業(yè)的分析范圍是天然原油和天然氣開采行業(yè)、原油加工及石油制品制造行業(yè); 電力與熱力產(chǎn)業(yè)主要分析的是電力生產(chǎn)、熱力生產(chǎn)及供應, 不考慮電力供應業(yè); 至于可再生能源產(chǎn)業(yè), 水能、風能、太陽能的開發(fā)利用會在電力與熱力產(chǎn)業(yè)的分析中論及, 而地熱能、潮汐能受區(qū)位和技術限制在近期內(nèi)難以大規(guī)模發(fā)展, 故該部分重點研究生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)。 1.2 能源生產(chǎn)規(guī)模與結(jié)構 “ 十二五” 時期, 我國能源生產(chǎn)與供應能力明顯提升。2012年, 國內(nèi)一次能源生產(chǎn)總量達33.2× 108tce, 其中煤炭、原油、天然氣和非化石能源產(chǎn)量分別為25.4× 108、3.0× 108、1.4× 108和3.4× 108tce[8]。能源生產(chǎn)結(jié)構依然以煤炭為主體, 煤炭比重在3/4以上, 約為世界平均水平的3倍。常規(guī)油氣資源產(chǎn)出占比較低, 僅為13%左右, 頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣資源則尚未規(guī)?；a(chǎn)。非化石能源在一次能源中占比達10.3%, 是近年來國家重點開發(fā)的領域。 2012年, 我國發(fā)電總量為5.0× 1012kWh?；痣?、水電、風電、核電四大電源發(fā)電量的比重分別為78.0%、17.5%、2.0%和1.9%, 其他類型能源發(fā)電量僅占0.6%左右[8]。 2 能源產(chǎn)業(yè)用水現(xiàn)狀 2.1 煤炭能源產(chǎn)業(yè)用水現(xiàn)狀 2.1.1 采選煤用水 采煤行業(yè)的用水可以分為井上生產(chǎn)用水、井下生產(chǎn)用水與生活用水; 洗煤行業(yè)的用水集中在濕法洗煤加工工藝中。2012年, 內(nèi)蒙古、山西、陜西、貴州、河南、安徽、山東、新疆、云南、河北10個省份的煤炭總產(chǎn)量為33.6× 108t (占全國總產(chǎn)量的92.2%) [8]。以上述各省煤炭產(chǎn)量占10省總產(chǎn)量的比值為權重, 結(jié)合各省區(qū)的行業(yè)用水定額標準（表1）, 計算出采煤、洗煤行業(yè)的平均用水定額分別為0.47和0.27 m3/t。由此估計當前我國采煤、洗煤（原煤入洗率為60%）用水量分別為17.2× 108和5.9× 108m3/a。  表1煤炭主產(chǎn)省份用水定額標準 Table 1Industry water consumption quota in the main coal producing provinces ( m 3/t ) 2.1.2 煉焦、煤制氣和煤制油用水 煉焦業(yè)用水主要集中在熄焦過程中, 煤制油（氣）的用水主要有反應用水、用于加熱的水蒸氣用水、冷卻水、洗滌用水等。2012年我國焦炭產(chǎn)量為4.1× 108t, 綜合考慮山西、河北、山東、內(nèi)蒙古等主產(chǎn)區(qū)的焦炭產(chǎn)量[8]及各省對應的用水定額（定額名稱見表1, 定額值分別為1.8、1.58、1.7、1.6 m3/t）, 估計當前生產(chǎn)焦炭的平均用水定額為1.7 m3/t。相應地, 2012年我國用于煉焦的水量約為7× 108m3。 國內(nèi)煤制油（氣）行業(yè)尚處于示范階段, 生產(chǎn)規(guī)模很小; 當前示范項目中, 煤制氣的單位產(chǎn)品新水量小于0.006 9 m3/m3, 煤制油的單位產(chǎn)品新水量范圍為7~11 m3/t [9]。 2.2 石油天然氣產(chǎn)業(yè)用水現(xiàn)狀 2.2.1 油氣開采用水 油氣田開采行業(yè)中鉆井、洗井、壓裂、注水等活動均需用水, 其中注水工作用水最多且對水質(zhì)要求較高。目前我國石油開采量的50% 來自黑龍江、陜西和新疆3省, 天產(chǎn)氣產(chǎn)量的50%以上來自于陜西和四川2省[8]。根據(jù)上述地區(qū)原油（或天然氣）的實際生產(chǎn)量以及各地的用水定額標準（黑、陜、新3省采油用水定額依次為8、4和1.05 m3/t, 陜、川2省天然氣開采用水定額為0.002和0.003 m3/m3; 陜西、新疆定額名稱見表1, 黑龍江參考《黑龍江用水定額》（DB23/T 727— 2003）, 四川參考《四川省用水定額》（修訂稿）, 估算現(xiàn)階段石油、天然氣開采的單位產(chǎn)量用水量分別為5 m3/t和0.002 m3/m3。結(jié)合2012年我國石油、天然氣開采量（分別為2.1× 108t和1 071.5× 108m3）, 估計當前國內(nèi)油氣開采用水量為12.6× 108m3/a。 頁巖氣是我國非常規(guī)油氣資源勘探和開發(fā)的新亮點, 與常規(guī)天然氣開采不同, 其開采初期短時間的水力壓裂過程需大量用水。根據(jù)胡萬紅等[10]提供的數(shù)據(jù), 在目前技術條件下, 我國頁巖氣田每個鉆井的平均用水量在4.4× 104m3左右。 2.2.2 石油煉制用水 煉油廠新鮮水的用途大致可分為：工藝用水、化學水、循環(huán)冷卻水補充水、生活用水和消防用水五類。對于較先進的煉油企業(yè)來說, 前三類用水比重分別占10%、50%和30%左右[11]。2012年我國煉油量達到4.6× 108t [8], 按照相應的國家標準[12], 取水定額為0.75 m3/t, 由此估計2012年國內(nèi)原油加工用水量為3.45× 108m3。 2.3 電力與熱力產(chǎn)業(yè)用水現(xiàn)狀 2.3.1 火力發(fā)電用水 火力發(fā)電廠用水的主要構成有：冷卻系統(tǒng)用水、鍋爐補給水、化學自用水、除灰和除渣系統(tǒng)用水。其中, 冷卻用水占電廠取水量的絕大部分。我國火電廠的主要冷卻方式為循環(huán)冷卻和直流冷卻, 直流冷卻機組耗水少但取水量遠高于循環(huán)冷卻機組。當前絕大多數(shù)直流冷卻的火電廠位于長江及以南省區(qū), 北方地區(qū)則幾乎全部是循環(huán)冷卻機組。 2007— 2012年水資源公報的數(shù)據(jù)表明, 近年來長江及以南地區(qū)的火電用水量大致穩(wěn)定在445× 108m3。由于未來國內(nèi)煤電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重心在北方地區(qū), 且南方部分地區(qū)已禁止新建直流冷卻電廠甚至改變已有直冷電廠的冷卻方式, 預計我國未來火電直流冷卻用水量仍將維持現(xiàn)狀水平（445× 108m3/a）。根據(jù)2010年水資源公報, 北方省區(qū)火電用水總量為51.7× 108m3; 由于對應地區(qū)的火力發(fā)電總量為1.7× 1012kWh, 估計現(xiàn)階段循環(huán)冷卻方式單位發(fā)電量用水量為3 m3/MWh。2012年, 北方地區(qū)火力發(fā)電量增至2.1× 1012kWh[8], 由此估算當前國內(nèi)循環(huán)冷卻方式電廠總用水量約為63× 108m3/a。 2.3.2 水力及風力發(fā)電用水 水電站一般鄰水庫而建, 汽輪機靠水流帶動, 水主要作為動力的載體而幾乎不被消耗; 風力發(fā)電因借助風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn), 通過感應電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能, 故運轉(zhuǎn)過程中幾乎無水耗存在[13]。 2.3.3 核力發(fā)電用水 核力發(fā)電方式與火力發(fā)電相似, 但由于熱源不同, 核電還需要對反應堆進行冷卻。目前我國核電行業(yè)尚無用水定額標準, 且核電站實際用水量多與設計用水量不符。 3國內(nèi)已建和在建核電站全部為濱海電站, 單位發(fā)電量的淡水用量不高。本文參考濱海核電站用水情況的有關研究資料[14, 15], 以0.1 m/MWh作為當前和未來核電行業(yè)的單位發(fā)電量取水量。對應2012年我國核電973.9× 108kWh的發(fā)電量, 估算當前核電行業(yè)用水量為0.1× 108m3/a左右。 2.3.4 太陽能發(fā)電用水 聚光太陽能熱發(fā)電和光伏太陽能發(fā)電是當下太陽能發(fā)電的兩大類型。聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的水資源利用主要為冷卻塔補給用水。光伏發(fā)電僅在清洗電池組件表面時需要用水, 約為0.019 m3/MWh[16]。當前我國太陽能發(fā)電量僅為87× 108kWh左右, 主要來自光伏發(fā)電, 行業(yè)總用水量很少, 估算在20× 104m3/a以下。 2.3.5 供熱用水 我國集中供熱的熱量主要來自于熱電廠, 熱力對外供應過程中的耗水主要集中在熱網(wǎng)補水和對外供汽用水。2012年我國城市、縣城的熱水、蒸汽集中供熱量為35.8× 108GJ[17], 綜合比較北方各省供熱用水定額（定額名稱可見表1）并取均值后, 以0.5 m3/GJ為單位熱量取水量, 估計行業(yè)現(xiàn)階段用水量為17.9× 108m3/a。 2.4 生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)用水現(xiàn)狀 開發(fā)生物質(zhì)能源對水資源的需求主要是能源作物種植導致農(nóng)業(yè)用水量增加和生物質(zhì)能生產(chǎn)加大工業(yè)用水負荷[18]。我國主要種植的能源作物有甘蔗、木薯、甘薯、甜高粱、油菜五類。其中甘蔗和薯類重點推廣區(qū)是廣西、廣東、云南、海南和福建等降雨充足的省區(qū)②（②農(nóng)業(yè)部. 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃 (2007— 2015). 2007-06-18.）, 人工補水量可忽略不計; 故分析種植用水量時主要討論甜高粱（推廣區(qū)為黑龍江、山東、內(nèi)蒙古、新疆、河北等省區(qū)的鹽堿地）和油菜（推廣區(qū)為長江流域的冬閑地）的灌溉用水。生物能源生產(chǎn)加工的用水集中于生物質(zhì)能發(fā)電和生物液體燃料加工兩類生產(chǎn)活動中, 電力生產(chǎn)部分用水環(huán)節(jié)與火力發(fā)電類似, 生物液體燃料用水集中在甲醇、氫和乙醇等燃料制取的熱化學氣化反應過程中。 當前我國能源作物尚未規(guī)?；N植, 生物質(zhì)能源生產(chǎn)加工原料主要來自作物秸稈、陳化糧、農(nóng)產(chǎn)品加工廢物等, 故分析行業(yè)用水現(xiàn)狀時, 僅考慮能源生產(chǎn)加工過程中的用水量。由于缺少2012年的統(tǒng)計數(shù)據(jù), 在參考姜楠等[18]的研究成果后, 估計現(xiàn)階段生物質(zhì)能發(fā)電和生物液體燃料生產(chǎn)的用水定額分別為2.1 m3/MWh和20 m3/t, 用水量分別為0.8× 108和0.4× 108m3/a左右。 2.5 能源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀總用水量 將上述各行業(yè)用水量累加, 可知當前我國能源產(chǎn)業(yè)用水量在573× 108m3/a上下, 其中火電行業(yè)用水量占比達88.7%, 為產(chǎn)業(yè)用水的主體部分。 3 能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢 劉立濤和沈鐳[19]分三種情景對我國能源供給情況進行了預測, 其中節(jié)能情景下化石能源的增速參數(shù)與近年來發(fā)展的狀況及國家近期“ 氣候規(guī)劃” ③（③ 國家發(fā)展和改革委員會. 國家應對氣候變化規(guī)劃 (2014— 2020年). 2014-09-19.）、“ 能源規(guī)劃” ④（④ 國務院. 能源發(fā)展“ 十二五” 規(guī)劃. 2013-01-01.）的目標基本一致。故本文參考該情景下的研究成果, 對化石能源生產(chǎn)規(guī)模進行預測。 現(xiàn)階段我國火電行業(yè)96%以上的發(fā)電量來自煤電, 燃氣發(fā)電規(guī)模尚不足以影響行業(yè)的整體發(fā)展趨勢; 故隨著煤炭增產(chǎn)的減緩, 火力發(fā)電的規(guī)模也將趨于飽和。水電、風電、太陽能發(fā)電行業(yè)的發(fā)展情況與國家所規(guī)劃的情景基本一致, 其中水電行業(yè)年產(chǎn)能在低速增長的狀態(tài)下漸趨穩(wěn)定; 而風電、太陽能發(fā)電行業(yè)則保持高速發(fā)展狀態(tài)。本文主要參考羅建國等[20]關于我國低碳經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)電規(guī)模的相關研究, 預測上述幾類發(fā)電行業(yè)未來發(fā)電量。 關于頁巖氣的開采, 參考《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014— 2020年）》⑤（⑤ 國務院辦公廳. 能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃 (2014— 2020). 2014-06-07.）, 預計2020年產(chǎn)量將達到300× 108m3/a; 基于這一目標, 結(jié)合《BP2030世界能源展望》⑥（⑥ BP中國首頁. BP2030世界能源展望. http://www./zh_cn/china/reports-and-publications.html, 2013-03-28.）中的相關研究, 預計2030年國內(nèi)頁巖氣年產(chǎn)量將達到620× 108m3。根據(jù)劉競等（2014）[21]對頁巖氣單井產(chǎn)量遞減規(guī)律的研究, 為達成上述目標, 預計2020年以前我國需保持年均新開發(fā)700口頁巖氣井的速度, 2020— 2030年期間這一速度將升至年均850口。 煤制油、煤制氣受資源、需求、政策等因素影響, 發(fā)展存在較大的不確定性。本文根據(jù)韓景寬[22]對未來煤制氣生產(chǎn)空間的研究, 按穩(wěn)健開發(fā)的方式考慮, 估計2020、2030年我國煤制氣產(chǎn)量將分別達到300× 108、400× 108m3; 參考晏然[23]對我國石油市場需求的相關分析, 預計2020年煤制油產(chǎn)量為500× 104t, 2030年增至1 000× 104t。 表2中國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展預測 Table 2Prediction on the development of energy industry in China 4 能源產(chǎn)業(yè)需水預測 4.1 用水定額預測 預測能源產(chǎn)業(yè)未來需水量時, 應考慮用水定額受技術、經(jīng)濟、政策等因素影響而發(fā)生的變化。目前火電行業(yè)節(jié)水空間極大, 部分地區(qū)行業(yè)用水準入值已明顯低于平均值; 能源作物灌溉用水不僅與推廣區(qū)的地域自然因素有關, 也會受到農(nóng)業(yè)節(jié)水技術進步的顯著影響。因此, 本文主要分析這兩類行業(yè)用水定額的變化情況。 根據(jù)《重點工業(yè)行業(yè)用水效率指南》⑦（⑦ 工業(yè)和信息化部、水利部、國家統(tǒng)計局、全國節(jié)約用水辦公室. 重點工業(yè)行業(yè)用水效率指南. 2013-09-25.）中單位發(fā)電量取水量的變化趨勢, 并參考各煤電基地所在地（蒙、新、晉、陜、貴等省份）的現(xiàn)狀用水定額, 預測2020年循環(huán)冷卻機組單位發(fā)電量用水量為2.5 m3/MWh, 2030年該值將降至2 m3/MWh。 長江沿線不同省份的油菜灌溉定額有較大的差異, 各省內(nèi)不同灌溉分區(qū)間定額值也有所變化（表3）。本文以各省各灌溉分區(qū)中的較小值作為所在省區(qū)未來灌溉定額的預測值, 取各省平均后作為未來推廣區(qū)油菜的平均灌溉用水定額, 經(jīng)計算該值約為500 m3/hm2。目前各甜高粱推廣區(qū)尚未制定對應的灌溉定額標準, 故本文參考管延安等[25]鹽堿地甜高粱高效栽培的研究成果, 以1 050 m3/hm2為甜高粱單位面積灌水量的預測值。 表3推廣區(qū)油菜灌溉定額 Table 3Irrigation quota for rapeseed in promotion areas 除火電（循環(huán)冷卻）和能源作物種植外的其他行業(yè), 認為用水定額維持現(xiàn)狀水平。這樣的預測是偏高而保險的。綜上, 整理出能源產(chǎn)業(yè)各類產(chǎn)品的未來用水定額（表4）。 表4能源產(chǎn)業(yè)用水定額預測 Table 4Prediction on water consumption quota of energy industry 4.2 需水量預測 表5我國能源產(chǎn)業(yè)需水量預測 Table 5Prediction on water for energy industry in China (108m3) 5 主要結(jié)論 81）2020年我國能源產(chǎn)業(yè)需水量將比2012年增加82× 108m3, 達到655× 108m3; 2030年, 能源產(chǎn)業(yè)需水量較2020年略有增長, 達677× 10m3?？傮w而言, 能源產(chǎn)業(yè)需水增加不多（20%以下）, 能源產(chǎn)業(yè)用水不會對全國用水造成很大的影響; 從另一方面來說, 能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需水有保障。 2）火電行業(yè)需水在較長時期內(nèi)將作為我國能源產(chǎn)業(yè)需水量的主體部分, 到2020、2030年分別達到535 × 108、525× 108m3, 占總能源產(chǎn)業(yè)需水的比例分別為81.7%和77.5%。直流冷卻用水穩(wěn)定在每年445× 108m3左右, 占火電行業(yè)用水的80%以上。 3）風電、太陽能發(fā)電行業(yè)幾乎不存在水耗環(huán)節(jié), 隨著未來發(fā)展規(guī)模的擴大, 其重要的節(jié)水效益將日益彰顯; 核能的能流密度高且濱海核電站淡水用量?。?030年用水量尚不足1× 108m3）, 在沿海地區(qū)積極發(fā)展核電產(chǎn)業(yè), 對解決區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展中的能源、水資源短缺問題有極大幫助。 4）頁巖氣作為我國能源開發(fā)的重要領域, 單位產(chǎn)能需水量不高但階段性用水強度大, 現(xiàn)有技術條件下頁巖氣單井初期用水量在4× 104m 3以上。因此, 在開采區(qū)要合理安排取水點、取水頻率和取水量, 避免干擾農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和居民生活的正常用水。 5）煤制油、煤制氣作為單位產(chǎn)品需水量較大的兩類行業(yè), 未來發(fā)展規(guī)模存在較大的不確定性, 在較穩(wěn)健的開發(fā)方式下, 2020、2030年二者需水量之和將分別達到2.6× 108和3.6× 108m3, 占比僅為0.4%和0.5%, 對能源產(chǎn)業(yè)整體的需水規(guī)模影響不大。 6）能源作物種植需水增長較快, 2012— 2020、2020— 2030年需水增量分別為30× 108和18× 108m3, 是造成未來能源產(chǎn)業(yè)需水增長的主要因素之一。必須合理規(guī)劃布局作物生產(chǎn)區(qū), 推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水技術, 避免種植區(qū)農(nóng)業(yè)與非農(nóng)業(yè)爭水現(xiàn)象的出現(xiàn)。 The authors have declared that no competing interests exist.
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