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节水措施对碳排放影响及节水低碳目标实施路径浅议

发布于：2023-12-14 10:54:14 来自：水利工程/水利工程资料库 [复制转发]

▲ 新疆生产建设兵团第七师一二八团棉花轻简化智慧滴灌示范区供图/中国农业大学水利与土木工程学院

实现“双碳”目标与落实“节水优先”方针关系

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2021年发布的报告显示，“人类活动导致地球变暖”这一结论已经非常明确。大气中二氧化碳的浓度处于近200万年的最高点，导致气候变暖、冰川融化、冻土消融、海平面上升，气候循环异常加剧极端高温、暴雨、洪水、干旱问题。按照《巴黎协定》的温控目标，即二十一世纪全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温升幅度限制在1.5℃以内，必须在2050年实现全球范围内的温室气体“净零排放”。

中国是全球最大的发展中国家，全球碳减排行动深刻影响乃至制约我国经济社会可持续发展。2020年9月，我国提出力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的“双碳”目标。2021年，《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确提出把碳达峰、碳中和纳入经济社会发展全局；2022年，国家发展改革委、科技部、生态环境部、农业农村部、水利部等相继发布了行业领域的碳达峰、碳中和行动实施方案，全面支持推动各行业开展固碳增汇、节能减排技术及装备的研发推广。

水利是基础性、公益性行业，实现“双碳”目标与落实“节水优先”方针息息相关。大力实施国家节水行动，加强各行业水资源节约集约利用，提高水资源利用效率，直接影响全社会碳排放目标的实现。因此，迫切需要摸清各行业节水措施与碳排放、碳中和的作用关系，掌握主要节水措施的减碳固碳效应，探索“双碳”目标下的节水实施路径及未来应对策略，支撑新时期经济社会高质量发展。

各行业节水措施与碳排放关系分析

农业节水与碳排放

农业兼具碳源、碳汇双重属性。一方面，农业生产通过农田、林地、草地等生态系统的光合作用进行生物固碳，提升农田土壤有机质含量，进而增加土壤固碳容量，是农业固碳减排、应对气候变暖的重要途径；另一方面，农业生产是全球第二大温室气体排放源，据统计，我国农业温室气体排放的主要来源依次是畜牧养殖（占比39.8%）、农业物资与农地利用（占比30.4%）、水稻种植（占比21.9%）、农田土壤（占比7.9%），其中农业物资与农地利用的碳排放呈显著增长趋势，是未来农业控制碳排放的关键领域。

水是农业生产的关键要素之一，农业灌溉用水变化直接影响碳源、碳汇的动态变化。2021年全国农业用水量占总用水量的61.6%，其中90%用于种植业灌溉。农业节水措施直接影响农田水循环过程，减少灌溉用水量可相应降低农业生产中的化石能源消耗，并引起农田作物、土壤的碳吸收及碳排放变化。农业节水措施种类多样，如应用广泛的渠道衬砌、喷微灌、滴灌等工程节水措施，秸秆还田、地膜覆盖、间套作等农艺节水措施，以及水价、灌溉制度等管理节水措施。根据各类农业节水措施产生的碳排放或碳吸收效应，将其划分为节水减碳型、节水固碳增汇型和节水不一定减碳型三种类型。

节水减碳型

比较典型的如喷微灌、滴灌等高效节灌技术。与传统的大田漫灌相比，滴灌能够实现节水60%、能耗降低19%、碳排放强度降低33%； 喷微灌 技术的碳减排效果与滴灌措施相当； 低压管道输水灌溉技术 也具有较好的节水减碳效果，比土渠灌溉可节水45%左右，比渠道灌溉降低能耗30%。针对水稻种植排放的甲烷等温室气体， 节水抗旱稻培育技术 能够有效改善稻田土壤透气性，降低土壤中的厌氧产甲烷菌活性，减少甲烷排放量，与传统种植模式相比，该技术可降低甲烷排放量达90%，且具有高产优质、节水抗旱、少肥少药、适于轻简化栽培的特性。此外， 稻田干湿交替灌溉技术 通过保持田间水层自然下落，在土壤开始干裂时进行灌溉，如此循环往复，在保障作物生长用水的同时减少用水量，提高土壤溶氧性，进而加快土壤甲烷氧化菌代谢，减少稻田甲烷排放量；试验表明，在减少70%灌溉用水的情况下，干湿交替灌溉的稻田甲烷排放量比持续淹水灌溉的减少了97%，也是稻田甲烷减排的有效技术方法之一。另外，可通过调整种植结构，合理安排粮食作物与经济作物种植比例，增加玉米、马铃薯等低耗水、低耗能、低排放种类作物，适度控制经济作物种植面积，以支撑农业碳减排目标。

节水固碳增汇型

该类措施在实现节水、减排的同时，能够有效增加土壤有机碳，增加农田碳汇，比较典型的如保护性耕作、秸秆还田、麦油套稻技术、水肥耦合技术等。其中， 旋耕、免耕等保护性耕作管理措施 能够有效提升土壤有机碳浓度和储量，同时减少水土流失，降低农业生产成本，促使农田土壤碳库逐步恢复至原有水平。 秸秆还田 则是利用秸秆中含有的大量有机质增加土壤外源有机质，经微生物同化或加工后以微生物或代谢物形式形成稳定的土壤有机碳库，尤其是对增加表层土壤中的轻组有机碳含量效果显著；秸秆还田还能够加速原有土壤碳库的周转速率，恢复耕作对土壤碳库的不利影响；秸秆还田与免耕技术配合效果更佳，干旱期减少土壤有机碳等养分流失，雨季则缓冲大雨对土壤的侵蚀，减少养分流失，能够持续提升土壤可持续利用能力。 麦油套稻技术 是一项用于南方水稻种植区的低碳节水技术，通过在麦子（油菜）中后期套播水稻，麦子（油菜）收割时高留茬，秸秆等就地散开或就近埋入，自然腐解还田，能够显著增加土壤有机质含量，改善土壤理化性状，较常规稻作和机插稻每公顷可减排二氧化碳1.2t以上。 水肥耦合技术 则是通过合理施用氮肥等肥料，提升肥料利用率，增加作物产量，减少碳排放，与节水高效灌溉技术、农艺节水技术等其他措施相结合效果更佳。

节水不一定减碳型

地膜覆盖栽培技术 通过改善水分利用效率显著减少了灌溉水量，但同时也影响了土壤中有机碳的分解及甲烷、氧化亚氮等温室气体排放过程，其综合效果尚存在不确定性。有关研究认为旱地的地膜覆盖对温室气体的净通量影响不大，在水田使用地膜可以减少甲烷排放，但会增加氧化亚氮排放，减少土壤有机碳储量。

工业节水与碳排放

工业具有显著的高耗能、高排放特征，是全球第一大碳排放源，其中电力、钢铁、造纸是代表性的高排放行业，其生产中的能源消耗和碳排放与用水、节水过程密切相关。考虑到工业细分行业的差异性，以电力、钢铁和造纸行业的节水与碳排放为例进行详细分析。

电力行业

据统计，电力行业碳排放占我国碳排放总量的40%，其中火电仍是我国电力碳排放的主要来源，且火电生产用水量占工业用水总量的38%～40%，是典型的高耗水、高排放行业。火电生产用水主要包括冷却用水、除尘与除渣用水、脱硫系统用水和非生产用水，其中冷却水系统为第一大用水户，用水量占总量的70%。根据火力发电用水特点，其节水措施可以分为空冷技术、节水设备系统、多水源高效利用、厂区废水回收利用四大类型，结合各类技术的节水、节能及减排效果，将节水措施细分为节水强减碳型、节水弱减碳型和节水不一定减碳型三大类。

节水强减碳型。 典型技术如干式除尘除灰和排渣系统、活性炭/焦干法脱硫节水设备系统、大容量超临界机组等，均具有较好的节水、节能减排效果，是目前的主流火电节水减碳措施。

节水弱减碳型。 典型技术是空冷技术，其中直接空冷可实现冷却环节零耗水，但需要增加电力的消耗，间接增加了碳排放，总体减碳效应不显著。

节水不一定减碳型。 废污水利用、海水淡化等技术提高了火电用水保障，实现园区废水零排放，但水处理过程的耗能间接增加了碳排放，虽然节水效果显著，但不一定利于减碳。

钢铁行业

钢铁行业碳排放量在工业领域仅次于电力行业，占全国碳排放总量的15%～17%，耗水量占工业总耗水量的10%，废水排放量则占工业废水总排放量的14%，是典型的高物耗、高水耗、高排放行业。钢铁生产中的主要节水措施包括无/微水工艺、设备节水、非常规水利用、废水处理与重复利用、管理节水等。根据不同措施的节水碳减排效应，将其分为节水强减碳、节水弱减碳和节水不一定减碳三种类型。

节水强减碳型。 代表性技术有干熄焦技术、高炉煤气干法除尘技术、转炉烟气干法除尘技术，这些技术均具有很好的节水、节能、减排效果。以炉容2500m ³ 、年产铁水200万t的高炉为例，与湿法除尘相比，采用煤气干法布袋除尘技术每年可直接节约新水60万 m ³ ，节约用电504万kWh，工序能耗降低0.34kgce/t，间接增加发电量2000万kWh，间接降低工序能耗6.1kgce/t。

节水弱减碳型。 代表性技术有高炉鼓风脱湿技术、转炉煤气余热回收、氧化燃料燃烧器、焦炭水分控制等，这些技术节水效果显著，但节能减排效果相对不明显。

节水不一定减碳型。 钢铁厂区较为常见的再生水利用技术、海水淡化技术等，有效缓解了水资源短缺问题，提升了水资源利用效率，但其能耗及成本不容忽视，节水但不一定减碳。

造纸行业

造纸行业是重要的基础原材料产业，而水是制浆造纸的生产媒介，目前还难以通过其他物质替代。造纸行业耗水量大、排污量大，是降碳减排的重点行业之一。2019年工业和信息化部、水利部发布了《国家鼓励的工业节水工艺、技术和装备目录（2019年）》，其中造纸行业共遴选了13项节水技术装备，按照节水减碳的效果划分，分类如下：

节水强减碳技术6项， 包括网、毯喷淋水净化回用技术，造纸梯级利用节水技术，纸浆中高浓筛选与漂白技术，多段逆流洗涤封闭筛选技术，纸机干燥冷凝水综合利用技术，置换压榨双锟挤浆机节水技术。

节水弱减碳技术6项， 包括网、毯高压洗涤节水技术，纸机白水多圆盘分级与回用技术，碱法蒸煮和碱回收蒸发系统污冷凝水分级、汽提及回用技术，造纸行业备料洗涤水循环节水技术，透平机真空系统节水技术，干法剥皮技术。

节水不一定减碳技术1项， 为纸机湿部化学品混合添加技术。

此外，光催化氧化技术和生物絮凝剂方法能够有效降低造纸废污水处理能耗及成本，在其他工业废水及生活废水处理中也有应用。

城镇生活节水与碳排放

城镇生活用水节水涵盖水的生产、运输、耗用、排放处理等多个环节，每个环节用水量都与能源消耗、碳排放呈正相关关系，节水增效、节能减排是城镇生活节水的核心目标。通过解析城镇生活用水的产—输—耗—排全过程与耗能的关系及其碳排放效应，发现水的耗用、输送是耗能及碳排放最多的两个环节。

取水生产环节的能耗和碳排放

地表水和地下水是生活饮用水的主要水源，通过取水管网输送至自来水水厂进行生产处理，这个过程中的能耗主要来源于设备运行及后续加氯、絮凝剂、消毒剂等水处理消毒环节，大量能耗相当于间接增加了碳排放。另外，非饮用水的取水环节也类似，其碳排放主要来源于取水的能耗。

管网输送环节的能耗和碳排放

管网输送环节的水耗主要来源于管网漏损。现状我国城市公共供水管网漏损率约为10%，大量供输水耗间接增加了该环节的能源消耗。研究表明，城市供水用电所排放的温室气体占用电总排放量的百分比与供水管网的漏损率呈正相关关系。直接能耗主要来源于管网系统的运行，如二级加压泵站、末端加压泵站等供水管网设备日常运行的电能消耗。通过调整管网运行方式能够有效提升供水效率及减少能耗，在流量相同情况下，变频变压供水、变频恒压供水、全速供水三种供水方式中，变频变压供水方式能耗最低，节能效果最明显，水泵运行效率最高。

终端耗用环节的能耗和碳排放

水资源终端耗用产生的能耗占城镇生活用水总能耗的50%以上。家庭用水是水资源终端消费的主体，是城镇生活节水节能潜力最大的环节。家庭中耗水耗能最大的环节包括淋浴、洗衣、烹饪和饮用，据调查统计，北京市家庭淋浴平均每人每天用水29.8L，同时消耗电量2.76kWh。使用节水节能型设备，是减少家庭用水量、降低耗电量、减少碳排放的最有效措施。

排放处理环节的能耗和碳排放

该环节的碳排放主要是甲烷等温室气体的直接排放和处理污水污泥所需能耗导致的间接排放。由于直接排放测算难度大、难以调控，目前的处理措施主要集中在减少间接排放。污水处理技术按作用原理可分为物理法、化学法、物理化学法和生物处理法四大类，目前我国污水处理以微生物处理技术为主，即通过电力、蒸汽、煤炭等能源输入，利用微生物基本生理功能实现水中污染物的分解和转化，进而实现污水达标排放。污水处理过程伴随着大量能耗及碳排放，需要结合具体需求选取合适的工艺技术。

各行业节水与“双碳”目标实施路径

推进各行业节水工作、推广节水技术时，需要兼顾节水、节能双重指标及效果，支撑节水优先与“双碳”目标的同步实现。

农业节水方面

按照固碳、减排的思路推动新时期农业节水工作，丰富节水固碳增汇型农业节水先进技术名录，加大保护性耕作、秸秆还田、作物套种、水肥耦合等能够显著增加农田土壤有机质、增强农田土壤固碳容量、减少农田碳流失的节水技术方法推广力度，鼓励条件适宜地区优先采用节水固碳增汇型的节水技术；持续推进节水减碳型技术成果的研发与推广应用，合理调整种植结构，在适宜地区增加高效节灌技术应用面积，支持节水抗旱稻的培育及稻田节水减碳灌溉技术的研发应用，减少稻田甲烷排放，支撑农业水资源高效利用，实现减碳目标。

工业节水方面

在我国清洁能源快速发展、能源结构转型调整大背景下，工业节水减碳目标应重点从以下三个方面实现：

鼓励颠覆性节水减碳装备与技术的研发应用，如空冷技术、钢铁无水/微水技术、无水造纸技术等，从根本上解决工业耗水量大的问题，但需要兼顾新技术的能耗指标，力争节水与节能减排同步实现，避免事实上造成“以能换水”的结果；

持续加强对现有设备、工艺、技术的改造提升，通过改进用水环节的节水、节能工艺技术，研发循环冷却水余热余能回收设备装置与技术，提升工业生产能源回收利用效率，淘汰高耗水、高耗能、高污染的落后设备技术，不断提升水资源利用效率，减少能源消耗及碳排放；

严控工业生产污水排放，推广清洁生产设备及减污生产工艺技术，落实排污许可制度，严控工业生产末端碳排放强度。

城镇生活节水方面

随着人口持续向城镇区域集中，人民群众对高质量幸福生活的追求也在不断提升。推动城镇生活的节水与节能减排主要从以下三个环节入手：

在水的生产输送环节，合理规划水源及水厂布局，升级水厂节能降耗设备工艺，优化供水管网体系，降低输水管网漏损率，加强供输水保障，减少能耗与碳排放；

在生活耗用环节，重点实施节水节能器具的认证推广，提高生活节水节能器具普及率，加大节水节能宣传与奖励力度，提倡生活废污水的合理再利用，提升生活品质的同时实现节水节能减排；

在末端排污处理环节，改造排污管网系统，优化升级污水处理设备及工艺，完善再生水利用设施及政策，促进城市用水节约与绿色低碳。

节水与“双碳”目标的综合保障应对策略

加强节水低碳领域科技创新

通过新技术研发应用持续推动水电、太阳能、风电等清洁能源发展，从结构层面优化能源发展布局、降低碳排放总量，支撑碳达峰、碳中和目标；加强颠覆性节水工艺、近零排放技术装备、碳汇碳捕获利用与封存等节水、减排潜力大的创新技术研发与推广，提升全社会节水与低碳发展水平；深化非常规水源低碳利用理论技术、工艺与装备的研发应用，算清非常规水源利用的碳排放账，设计推广绿色低碳的非常规水源利用模式，促进水的循环高效利用与绿色节能减排。

完善节水、节能减排相关政策法规制度体系

建立健全节水节能标准，清查和评价现有标准，制（修）订重点行业单位产品的能耗限额、水耗限额、产品能效、污染物排放等标准，建立完善的节水节能标准体系；加大财税金融支持力度，统筹整合利用转型升级、节能减排、污染防治、节水减排等各类财政政策，重点支持绿色技术研发改造；全面推进节水节能精细化管理水平，重点加强企业节水节能监测计量管理，降低单位产品水耗能耗；强化宣传引导与监督管理，引导各行业采取措施节水减排、提质增效，增强全社会的节水节能意识，降低社会用水及耗能。

依托数字化技术实现智能化低碳管理

深度结合数字化技术，强化符合节水低碳标准的人才队伍建设，推动行业节水节能的数字智能、绿色低碳协同管理，应用数字化技术优化节水减碳解决方案，建立智能化的节水减碳管理体系；深化水、碳足迹数字化管理，实现水、碳资产看得见、算得清、管得住，建设涵盖水、碳指标的监测、核算、优化、交易资产管理体系，促进节水与碳排放管理的有效衔接。

节水措施

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