碳中和背景下的水资源利用与保护

张 茹，楼晨笛，张泽天*，黄晓荣，谢 晶，郝齐钧，张岚斌，李怡航，刘小玲

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065)

近现代人类利用自然、改造自然的步伐逐渐加快，对地球资源和环境的开发和利用也日趋升级，部分国家和地区开发利用程度已接近该地资源环境承载能力极限[1-2]。全球人类生存和可持续发展面临气候变暖、环境污染、资源匮乏等诸多严峻挑战。其中，全球变暖是诸多挑战中最受重视的气候变化问题之一，也直接决定和影响着人类未来的生存空间和活动方式。

为此，2015年《联合国气候变化框架公约》第21次缔约方举行世界气候大会并签署《巴黎协定》，旨在通过全球共同努力，将全球未来升温控制在2 ℃以下，避免温升造成全球性洪涝、水短缺等灾害[3]。作为缔约国之一，中国在2020年第七十五届联合国大会上向世界郑重宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”为应对全球气候变化问题贡献中国力量和中国方案。

事实上，地球环境系统受控于多个重要的循环过程，其中以碳循环与水循环尤为重要，且两者不可避免地交叠并相互影响，相辅相成又相互制约[4-6]。实现碳中和，其实质上是实现人类活动的二氧化碳排放量“收支相抵”，而实现零排放碳循环过程则需要高效水循环过程的辅助和支撑。众所周知，水是生命之源、生态之基、生产之要[7]。实现水资源有效保护与利用，事关国家安全和民族振兴，是国家推进能源结构调整，促进低碳技术发展和环境保护，应对全球气候变化，实现“碳达峰、碳中和”战略目标的关键基础。然而，如何通过实现水资源安全高效利用与保护，助力碳中和战略实施，成为未来较长时期人类必须面对和解决的核心科技难题。

围绕“碳中和、碳达峰”国家战略需求，深入推进水资源利用与保护理念和技术革新，不仅可助力长江黄河等重要流域保护、推进国家水资源利用重大战略工程实践（如国家水网、雅鲁藏布江下游水电开发等），还可促进实现碳达峰、碳中和“3060”目标（中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和）、完成国家能源结构转型和可持续发展重大战略目标。因此，当前亟需针对碳中和背景下水资源利用与保护的战略趋势进行系统研究，揭示水资源合理利用与保护对碳中和战略实施的促进机制，明确未来水资源利用与保护的革新发展方向和技术思路，进而实现碳中和背景下中国水资源利用与保护理论和技术的跨越式发展。

1 碳中和背景下的水资源利用与保护战略发展趋势

1.1 水资源利用与保护历史回顾

纵观世界发展过程，人类对水资源的开发利用与保护大致可划分为3个阶段：单一利用阶段、综合利用阶段和可持续阶段[8-9]。前两个阶段主要为水资源开发利用阶段，第3个阶段在水资源开发利用的同时也重点关注了水资源保护问题。

水资源利用与保护1.0时代为单一利用阶段，从人类社会出现至19世纪中后期。该阶段水资源开发利用的目标单一，以满足生活需求和防患洪涝灾害为主。在这一阶段，水资源可利用量远大于水资源需求量，但利用水资源的措施简单、方式原始，水资源利用率低。随着社会发展，单一利用水资源的模式逐渐不能满足人类各方面的需求，人类对水资源的利用有了更高的要求。

水资源利用与保护2.0时代为综合利用阶段，从19世纪中后期至20世纪中后期。该阶段水资源开发利用由单一目标转变为多目标的综合利用，包括灌溉、发电、防洪、供水、航运、旅游等[10]。在这一阶段水资源可利用量与水资源需求量逐渐趋于平衡，水资源利用技术有了极大发展，水资源利用率有了很大提高。但该阶段对水资源肆无忌惮、近乎掠夺性的开发利用产生了环境污染、生态破坏等严重后果[11-12]，且由于工业革命时期大量化石燃料的燃烧，大气中的CO2含量逐渐增加，多种问题同时出现迫使合理利用水资源成为新发展趋势。

水资源利用与保护3.0时代为可持续阶段，从20世纪中后期至今。该阶段单纯的水资源开发利用转变为水资源利用、保护与管理有机结合[13-14]。为了实现水资源的利用与保护，采取了大量直接或间接的措施，如提高水资源利用效率和重复利用率、开发利用雨、洪水、人工补给地下水资源、建立水资源管理体制等[15]。在这一阶段，人类生产活动对水资源的需求量急剧增加，碳排放量也持续增加，虽然发展了许多节水技术、低碳技术且取得了一定成效，但水资源短缺问题仍较为显著[16]。

当下水资源危机与碳中和目标两大难题同时作用，水资源利用与保护将进入4.0时代，呈现新的战略发展趋势，基于水资源利用与保护的实践经验，应对新形势下的挑战迫在眉睫。

1.2 水资源利用与保护战略趋势

《巴黎协定》为2020年后全球应对气候变化行动做出了安排，各个国家与地区提出各自的碳中和目标，出台相关政策应对挑战[17]。实现碳中和主要沿减排与增汇两条路走，各个领域都在依据自身特点探索具体举措[18-20]，水资源的利用及保护对于碳的减排与增汇都有所助益。因此，在碳中和的背景下对水资源的利用与保护需要把握新阶段战略机遇，应对发展中的重大挑战。

碳中和背景下，水资源利用与保护将面临助推碳减排的机遇与挑战。能源行业碳排放在二氧化碳排放源头中占据主体，而水电作为清洁能源，其发展已为落实能源行业低碳化作出一定贡献[21]。在碳中和的目标下，仍需进一步发挥水资源促进能源结构优化、能源消纳、能源清洁化发展等的独特优势。同时，在提升碳利用效率、捕获二氧化碳的相关技术中，额外用水同样为水资源的利用带来挑战，为此，需提高水资源的利用效率，解决水资源在应用过程中出现的问题。

碳中和背景下，水资源利用与保护将面临保障碳吸收的机遇与挑战。实现碳中和，必须保障生态系统的自然碳汇功能，而水资源作为生态之基，对其进行利用与保护将利于生态系统的平衡。而部分地区存在突出的水土流失、地下水超采、生态破坏等现象[22]，导致自然碳汇能力减弱，为了解决这些问题，更快地达成碳中和的目标，必须采取更好的方式利用与保护水资源。

水资源本身还面临着水污染、水资源短缺、水土流失、用水不当导致的水资源浪费、生态环境破坏等问题，在解决这些问题的同时聚焦水资源对碳中和的促进作用，要求水资源利用与保护更加注重系统治水、科学治水、节水优先、空间均衡及两手发力[23]，坚持生态优先、绿色发展原则，推动技术创新体系发展，推进建设智慧水利进程。在碳中和背景下水资源的综合智能利用与保护具有极为广阔的发展空间。

2 碳中和背景下的水资源利用与保护的优势及作用

水资源集中区域一般都是主要的能源产业聚集区域和生态功能保障区域，而随着流域内高耗能产业和重化工产业的粗犷开发，造成了流域内灌溉用田面积萎缩、暴雨洪涝、水土流失、地下水污染等一系列水资源问题。碳中和目标的提出，为中国能源行业发展和生态文明建设行动指明了重要的发展方向，将实现供给侧低碳转型和水资源优化，从源头上对水资源进行有意识的保护，切实利用与保护水资源。

可见碳中和对水资源利用与保护具有重要推动作用，同时，水资源的利用与保护也同实现“3060”双碳目标密切相关。水资源利用与保护同碳中和的关系如图1所示。首先，水电作为清洁能源，在推动能源结构优化，构建“高效、清洁、低碳、安全”的能源结构的过程中起着关键作用。其次，水资源作为生产之要，在促进能源行业的碳减排中也有着极大天然优势。同时，合理利用、有效保护水资源有利于生态系统的修复与重建，维持生态系统的平衡，从而促进生态系统的碳吸收。

图1 水资源利用与保护同碳中和的关系Fig.1 Relationship between water resources utilization and protection and carbon neutrality

2.1 水资源利用促进能源结构低碳化

调节中国能源结构，增加清洁能源占比对于碳中和目标达成起着决定性作用，然而清洁能源的增加对电网的稳定性带来挑战。水电作为最具规模的可再生清洁能源，对于调节电网、大规模能源消纳有着重要的积极促进作用。同时，引导水风光等清洁能源进入高耗能产业集群，对于降低碳排放，优化能源结构有着重要意义。

2.1.1 水资源利用促进能源结构优化

水电作为公认的绿色、清洁、灵活、可靠的可再生能源，将在“2030碳达峰、2060碳中和”战略目标实现中扮演重要角色。2019年，全国各行业碳排放总量约为10 174.68 t，其中，电力行业碳排放量占比46%[24]，是主要的碳排放行业。因此实现碳中和目标的首要任务便是实现电力行业的低碳绿色发展。水电、风电、太阳能发电量逐年增加，如图2所示，其中，2020年水电发电量1.355 2 ×1012kW·h，其在可再生能源发电量占比约为61.19%[25]。可见，当前及未来较长时期内水电在清洁能源中仍处于主导地位，以水电作为清洁能源革命的压舱石，大力推进水风光一体化开发建设，形成水风光电互补，对促进能源结构优化，减少碳排放意义重大。

图2 2011—2050年清洁能源发电量统计及预测[26-27]Fig.2 Statistics and prediction of clean energy power generation from 2011 to 2050[26-27]

截至2020年中国水电装机3.7×108kW（含抽水蓄能3.149×1011kW），开发程度约为53.8%；2060年碳中和背景下，水电装机将达到7.0×108kW（抽水蓄能2×108kW），水电开发程度达到73%[25]。因此在接下来的40年中仍具备可观的发展空间。在做好生态保护的前提下，积极稳妥地开发水电，逐步提升水电等清洁发电方式在电力行业中的占比，是实现碳达峰碳中和目标的关键。

2.1.2 水资源利用推动解决大规模能源消纳问题

受流域气候等原因影响，水风光等清洁能源存在一定的弃水、弃光、弃风等现象，2020年全国主要流域弃水电量约为301×108kW·h，弃风电量约为166×108kW·h，弃光电量为52.6×108kW·h[28]。与此同时，碳中和背景下，风、光装机容量将分别从2020年的2.8×108、2.5×108kW，增长至2050年的约24×108、27×108kW，届时风、光装机容量在全国电源中占比将增加至72%[29-30]，预示着风能、太阳能等形式能量将逐渐发展为中国主要能源。严峻的弃光、弃风等现象及风、光能源的高速发展，使得解决新能源并网带来的电网安全运行难题及大规模能源消纳难题成为推进碳中和过程中的关键问题。

基于水资源利用的能源消纳解决方法可归纳为常规水电[31]、抽水蓄能[32]、水风光一体化[33]3方面。首先，充分依托中国在建或已建梯级水电站群储能作用与多尺度灵活条件作用，提高流域梯级水能利用效率，满足电网不同时段不同尺度的负荷响应要求[31]。其次，大力推进抽水蓄能电站的布局与建设，将弃风、弃光等通过能源置换为水的位势能，在电网调节需要时放水发电实现电力资源的优化配置。最后，结合地理上水、风、光发电天然的互补性[31]，规划水风光一体化建设，克服风电与光伏发电间歇性、波动性的特点，打捆输出水风光，从而减小对电网的冲击，可有效解决风光能源的大规模消纳问题，同时保障电网的安全与稳定。

2.1.3 水资源利用促进高耗能产业清洁化

解决水风电能源的大规模消纳，另一种途径便是立足于水电开发建设，进行水泥、钢铁、电解铝、电解制氢等高耗能产业集群布局，引导局部过剩清洁能源逐渐向高耗能产业输入[33-36]。

水泥、钢铁行业的碳排放主要来自能源供给侧含碳燃料的直接燃烧，其碳排放量分别占总排放量的12%及11%，探索使用清洁能源替代传统高碳排放能源直接燃烧利用，提高电气化程度能有效降低碳排放[24,37-38]。电解铝属于典型的能源消耗密集型产业，电解生产1 t铝需消耗电能13 500 kW·h[35]，利用富余的可再生电能进行铝提取，可有效降低高碳排放电能的消耗，从而达到碳减排的效果。结合高效电制氢技术，将弃水、弃风、弃光等无法并网的可再生能源转化为氢能，从而可实现富余能源的消纳与储存[39-40]。氢能对于电力、工业、热力等领域构建未来低碳综合能源体系拥有巨大潜力[39]，当前氢能产业链的发展仍处于起步阶段，加大氢能相关科研投入，提升绿氢规模，是碳中和背景下结合水资源解决能源消纳、能源结构优化等问题的又一有力手段。

2.2 水资源利用与保护促进碳减排

人类活动产生大量碳排放，致使大气中主要温室气体浓度发生全球尺度上升，并造成全球海平面升高、植被迁徙、气候带移动、极端气候和灾害频发、物种灭绝等严重自然问题。例如，2021年郑州特大暴雨和德国西部洪水灾害，给当地人民的生命财产安全造成了巨大损害。而水资源的高效利用与保护，可提高碳利用效率和碳捕获能力，实现碳减排，促进碳中和，势必有效减少极端气候诱发灾害[3]，对于降低全球受灾风险和灾害程度均具有重要意义。

2.2.1 水资源利用与保护提升能源行业中的碳利用效率

在能源的开采、加工生产及使用全过程中，水资源以媒介或反应介质等角色提供了重要的支撑作用且有效提高了碳利用效率。在能源开采过程中，以石油与页岩气开采为例：石油开采过程中的油田注水是保证油层压力并提高采收率的重要措施，且对水的悬浮物、溶解氧、腐蚀性等水质指标要求较高[41]；页岩气开采中所用到的水力压裂技术便是利用水注入地层，压裂页岩形成裂隙网格，从而提升渗透率，其过程伴随着大量的水资源消耗[42]。在能源的加工生产过程中，以水煤浆的生产与火力发电为例，将褐煤研磨后，结合工业废水（污水）、造纸黑液等原料，可通过制浆工业制得水煤浆[43-44]，水的加入使得高水分、低发热量的褐煤转变成了清洁煤燃料与气化原料，实现了含碳资源的高效利用。在火力发电中，耗水主要体现于冷却与除尘方面，合理利用水资源也会提高碳利用效率，如使用蒸汽冷却能较大地提升燃气轮机效率[45]，从而降低能量的消耗以达到碳减排目的。在能源的使用过程中，水的减排作用同样不容忽视，如在煤炭的燃烧过程中，水蒸气作为反应介质的加入将与煤发生较强的水煤气反应，从而降低燃烧温度，提高燃烧效率，并减小SO2的析出量[46]。值得指出的是，水与能源相互依存，加之中国能源与水资源禀赋特征差异明显，加强废水回收利用，实现科学用水、可持续用水对于进一步提升能源行业碳利用效率意义重大。

2.2.2 水资源利用与保护保障未来碳捕获技术效益

尽管非化石能源如水电、太阳能、风能、生物质能等可再生能源的发展减少了CO2排放，但与化石燃料的丰富性、使用性和稳定性相比，其使用成本和效率使非化石能源在短期内难以彻底取代化石能源。在2060年前的近40年碳中和过程中，中国仍需要煤炭发挥基础能源作用，做好经济社会发展的能源兜底保障[47]。这意味着短期内，中国碳减排将依然集中在以末端化石燃料燃烧碳减排为基础的道路上。因此未来对火力发电厂进行碳捕集改造十分必要。

通常来说，化学吸收法捕集CO2的解吸过程一般利用热法再生，该技术的工艺流程[48]如图3所示。脱硫脱硝后的烟气首先通过直接接触式冷却器进行冷却，贫胺基溶剂在吸收塔中从烟气中吸收CO2，再用水去除任何残留的氨；然后，将富含CO2的溶剂泵送到再生塔，通过加热分离CO2，浓缩的CO2被压缩并运输到储存地点。在此过程中，需要水来支持直接接触式冷却器、吸收塔和再生塔的冷却环节，同时需要水蒸气为再生塔中分离CO2提供热量。上述技术需要的额外消耗性用水量将比普通火力发电厂提升83%～91%[49]。

图3 典型的烟气CO2捕集化学吸收系统流程图[48]Fig.3 Typical chemical absorption system for CO2 recovery from flue gas[48]

通过南水北调、西电东送等国家重大工程在一定程度上缓解了中国能源与水资源分配不均的问题，但未来碳减排相关技术的落实对中国水资源利用与保护提出了更高要求。特别是中国北部与西北部6个缺水省份约占全国煤炭总产量的70%，导致中国电力需求和火力发电中心的空间、资源分布极不匹配[50]，碳捕集技术所需的接近一倍的额外冷却用水量将进一步打破该地区电力需求与水资源供应的平衡。在未来碳减排趋势下，相关部门在制定政策方面不应受制于各部门自身的利益偏好[51]，应在保证水资源可持续发展分配的基础上，权衡气候变化以缓解效益和碳减排对水资源造成的更大压力；提高农业灌溉效率，大力发展水风光发电技术，限制缺水地区的火力发电额度[50]；通过政府机构-火力电厂-水域资源三方相互调节、相互保护、相互促进，并且，通过提高中国部分地区对水资源利用与保护的能力，为碳减排各技术的普及落地提供水资源保障，也进一步促进中国碳达峰、碳中和目标的保质、保量完成。

2.3 水资源利用与保护促进自然碳汇

自然碳汇是应对“碳达峰、碳中和”最经济的方式之一，中国陆地生态系统中，森林生态系统贡献了约80%的固碳量，农田生态系统对固碳量的贡献约占12%，灌丛生态系统的贡献度约为8%，草地生态系统的碳收支基本处于平衡状态[52]。碳汇功能主要通过森林、草地、湿地等生态系统中的植物进行光合作用将CO2转换为有机碳固定在植被或土壤中而实现[53]。而水作为重要的生态因子，影响着植物的生命活动及土壤状态，从而影响生态系统固碳能力[54-55]，水资源利用与保护与自然碳汇增减关系[56]如图4所示。

图4 水资源利用及保护与自然碳汇[56]Fig.4 Utilization and protection of water resources and natural carbon sink[56]

2.3.1 水资源利用对自然碳汇的促进作用

水资源的科学利用，意味着发挥水资源的功能性、保证利用的有效性。

发挥水资源的功能性，可以实现受损湿地的修复、对干旱荒漠地区的改造及盐水淹没地区植被的恢复，激发湿地、干旱地区及沿海洪泛区自然碳汇的潜能。研究发现，通过实施淡水修复、生态补水工程，东居延海湿地13年间湿地面积增加了近一倍[57]，塔里木河下游碳汇区域由2001年占研究区的1.54%增长至2020年的7.80%[58]，莫里河和密西西比河沿岸洪泛区森林生产力显著提高[59]。以上实例均说明，对于水文条件改变、缺水及土壤盐量过高等导致的植被生长不佳、自然碳汇削弱的情况，通过调配利用水资源对生态环境进行修复改善可使植被得到极大恢复，碳汇区域得以增长。

在水资源紧缺的当下，更要注意水资源利用的有效性，确定植物生长或生态系统修复的最适需水量及水文条件等，以最优水资源配置最大限度地促进自然碳汇作用。农林草灌溉方面，确定不同植物不同生长阶段的需水量，结合喷灌、滴灌等节水灌溉技术，合理利用水资源可以保证农作物、林木、牧草良好的生长态势，提高农业、林业、草业净碳汇[60-61]。在湿地修复过程中，更有许多学者开展湿地水文科学研究[62-64]，确定输水最佳时间与控制水位等[65]，从而设计适宜的方案用于恢复湿地，增加湿地碳库。

水在不同生态系统中均发挥着无可比拟的重要作用，针对不同需求，应当寻求最科学的方式对其进行充分利用以促进自然碳汇，为“碳达峰、碳中和”的实现作出实际贡献。

2.3.2 水资源保护对自然碳汇的促进作用

人类活动可能导致水资源污染、水土流失等问题，而由于生态系统的正反馈调节机制，水与植物间进一步产生双向影响，如水体富营养化导致沉水植物难以生长，从而使水质进一步变差，生态系统崩溃；水土流失导致土质下降，植物生长受到影响；植物根系固定作用的缺失则加重水土流失。植物生长及生态系统稳定性受到影响必然削弱自然碳汇。因此，应将水资源保护与植被恢复同步纳入促进自然碳汇的过程中，一方面，在保护水资源的过程中采取植生态林等措施可直接促进自然碳汇的增多；另一方面，注重对水资源的保护改善植物生长环境，促进自然碳汇的重建。

在具体举措上，可考虑兼顾经济效益与生态效益的生态水利建设模式。目前，设计或利用植被再植实践修复河道[66]，或建设基塘工程、林泽工程等生态工程保证库区生态安全[67]，将生态水利工程的建设或补充纳入考虑，有效改善水环境的同时给予植被良好生长环境，促进了自然碳汇。而对水土流失区域则应采取保水措施涵养水源促进植被恢复。实验研究与工程实例[68-69]证明，若对水土流失区域采取增加植被覆盖的生物措施或修建反坡台地、水平沟等工程措施进行保水改善生态环境，可以达到涵养水资源与增大植被面积的双重正向效应，增加自然碳汇。

治理水污染、改善水土流失同植被恢复相辅相成，在碳中和的背景下，需要依据“山水林田湖草沙是生命共同体”的系统思想，推进生态环境综合治理[70]，发挥水资源保护对自然碳汇的促进作用，贯彻落实“绿水青山就是金山银山”的发展理念[71]。

3 碳中和背景下的水资源利用与保护发展革新

如何高效智慧的利用与保护水资源一直是世界各国关注的重点问题，也是碳中和实现的一大关键。目前，中国的水资源利用依然面临着诸多问题，水资源并不丰富且时空分布不均，供需矛盾突出且用水效率整体水平不高，造成了缺水与浪费水现象并存，而水资源开发过程诱发的生态问题也愈发突出。伴随着智慧社会的发展和中国能源结构的持续调整，充分高效利用水资源、科学智慧发展水资源，将为中国实现“碳中和、碳达峰”的战略目标启动加速键。

围绕着现代社会碳减排的共性目标，水资源的利用与保护应向智慧化、一体化、充分化、绿色化和统筹化五大革新方向发展，如图5所示，即：1）规划运行智慧化。将新一代信息通信技术融入到现代水利工程的规划运行过程中，构建起实时动态的智慧水利信息网络[72]，实现对水资源的定位识别和监控优化。2）生态能源一体化。针对全流域水环境问题及水资源综合开发难题，践行流域一体化的保护和发展方针，实现流域水资源的综合管理和保护。3）空间利用充分化。除地表有限资源外，高效利用地下特殊空间，建立地下空间抽水蓄能电站[73]，联合风光水火发电体系，形成高效清洁能源调配闭环。4）设计建造绿色化。碳中和背景下，水利工程设计和建造过程中近零碳化将有效助力碳减排，建设零碳排放水电站[74]，同时提高水利工程及邻域的自然碳汇能力。5）改造发展统筹化。加大对中小型水电站的装置改造和规范并网，合理调配上网电量，减少小水电多发、大水电弃水现象，并开发离网型水风光互补系统[75]，有效避免资源浪费现象发生。

图5 碳中和背景下水资源利用与保护发展框架Fig.5 Water resources utilization and protection innovation system under the background of carbon neutrality

3.1 水资源利用与保护的规划运行智慧化

中国水资源利用效率低，2020年农业灌溉水的有效利用系数仅为56.5%，远低于发达国家的70%～80%，而单方水的GDP产出仅为世界平均水平的1/3～1/2[76]，科学管理的缺失不容忽视。同时，中国水系复杂、水利工程点多面广等特点也为高效发展水资源提出了高要求。针对水资源调配动态性强、预期性不定等特点，引入新一代信息通信技术，以流域为单元、以江河水系为经络、以水利工程为节点，搭建起实时、动态、智能的水信互联系统，即为智慧水利[77-78]。智慧水利的构建充分利用云计算、云服务高效率、低成本、绿色节能的巨大优势，并可以有效促进流域规划、建设和运行的智慧化，提高用水效率和用水安全性，改善流域生态环境，助力推进碳减排和碳循环。

碳中和背景下，水资源利用与保护的规划运行智慧化，如图6所示，其发展方向主要包括：1）新一代信息通信和处理技术应用。信息是水资源智慧化的关键，引入大数据、物联网、云计算、人工智能等技术，做到水资源实时监测与动态预测相配合，进而实现对水资源的智能识别、跟踪定位、模拟预测、优化分配和监控管理，间接促进传统产业改革升级。2）水资源需求决策和优化调配。结合径流监测预报、生态环境承载力与给水需求，联动地表水、地下水、再生水等多方水源形式，设计科学的水资源分配模式，实现高效水资源利用，保障流域生态需水和健康发展用水。3）需水预测云计算。通过大数据、云计算等技术对大量广泛的水信息数据进行处理，形成径流流量和需水预报多目标参量模型，预测可能需水量和水资源供需关系，动态实时分配水资源[72]。

图6 水资源利用与保护的规划运行智慧化发展方向[72]Fig.6 Development direction for planning and operation intellectualization of water resources utilization and protection[72]

3.2 水资源利用与保护的生态能源一体化

中国各大流域均存在多种水问题交织且日益严重的现象，如西北内陆河缺水严重，生态环境退化，地下水超采严重；黄河流域泥沙淤积，水资源总量短缺；长江流域上游生态退化而中下游水污染严重；珠江流域河口咸潮上溯问题严峻等[79]。流域的发展和保护涉及多部门、多学科、多因素、多数据、精准控制困难等诸多问题，为系统解决全流域水环境问题及综合开发难题，融入智慧水利技术，践行“流域统筹，综合发展”的流域一体化模式应运而生。建立一体化的流域监测网络，实现流域生态保护一体化，考虑全流域水利资源的合理利用开发量值，实现流域资源开发一体化，综合发展全流域，将极大地促进生态保护和合理化能源开发。

碳中和背景下，水资源利用与保护的生态能源一体化，如图7所示，其发展方向主要包括：1）多部门多源信息监测体系。探索并联动水文、气象、农业、国土等多部门，形成覆盖天空、地表、流域、地下等全方面多源的监测信息网络，有效结合常规水资源监测与空天遥感监测技术，对全流域水利、土壤、气象、动植物等数据信息进行演绎归纳和分析，实现水资源的综合管理和保护[80]。2）充分利用水利资源优势。在流域沿线拓展风电、光伏等新能源开发，充分发挥水能资源的灵活调节能力和储能作用，实现流域水风光统一规划[33]。3）能源开发符合社会需求和生态保护。秉承一条流域整体开发，充分考虑流域航运要求、工业耗水、农业灌溉、生活用水等，在生态环境可以承受的条件下，合理进行水资源的梯级开发或区段开发，布局开发时序、开发强度，并配以生态环境保护措施和流域鱼类保护工作。

图7 水资源利用与保护的生态能源一体化发展方向[33,79]Fig.7 Development direction for ecology and energy integration of water resources utilization and protection[33,79]

3.3 水资源利用与保护的空间利用充分化

伴随着中国能源结构的持续调整，风电、光伏等清洁能源所占比例将逐年递增，但目前这类新能源调节能力较弱且并网后有较强的波动性，导致弃风、弃光现象凸显。为此，充分利用水利资源灵活的调节能力建立抽水蓄能电站，可有效降低电网中的弃风弃光率，合理优化现有能源结构，建立水风光储一体化的能源波动系统，大力推进碳减排。但常规的抽水蓄能电站需要耗费大量有限地表资源，且易受地形、地貌和水文条件等影响，近年来，国内外学者提出了基于抽水蓄能原理的落差型地下蓄能设施[73,81]，其技术原理相对成熟，能量转化率可达80%左右，可充分利用特殊地下空间，减小对地表资源的占用和改造，未来发展前景巨大。

碳中和背景下，水资源利用与保护的空间利用充分化，如图8所示，其发展方向主要包括：1）自然地下空间利用及改造。部分地区地下岩溶系统长期发育演化[82]，内部结构有序稳定、管道交错，充分研究地下空间封隔、防渗及建造技术，发展地下储能空间。2）人类活动产生的地下空间利用及改造。人类活动留下的地下蓄排水管廊和矿产开发遗留的矿井结构[83]相对稳定，具有大规模储藏能源、物资、辐射物等方面的潜质，研究深部特殊地下空间的利用与改造技术，循环利用地下空间，为能源开发创造二次价值。3）构建清洁能源调节闭环。地下空间的综合利用，有望形成地下能源自循环系统，并联合风光火水发电体系，建立波动清洁能源快速自动调控系统，实现分布式按需供电及高效率能源转换。

图8 水资源利用与保护的空间利用充分化示意图[81,84]Fig.8 Schematic diagram for space-utilized adequation of water resources utilization and protection[81,84]

3.4 水资源利用与保护的设计建造绿色化

水利工程的开发提高了水资源的综合利用水平，极大地减轻了洪旱等自然灾害的发生，对促进经济和社会发展起到了重大作用，但人类活动和水利工程的不规范建设却加剧了水域生态退化，如部分河流湖泊及邻域的水土流失、岸线萎缩、植被骤减、水质降低等问题[85]，给作为碳减排一大重要组成的自然碳汇造成了恶劣影响。水资源的粗犷开发和生态环境的持续恶化等都迫使人们深刻反思如何构建符合人类发展和环境保护的绿色水利工程，寻求水资源合理开发与生态环境保护的平衡点。在这期间水利工程也逐渐由工业发展需求过渡到生态功能统筹，绿色开发和利用水资源将为碳中和的实现增添助益。

碳中和背景下，水资源利用与保护的设计建造绿色化，如图9所示，其发展方向主要包含：1）发展生态水利工程。在设计建造过程中，统筹考虑生态环境、社会发展与水资源间的供需关系[85]，规划生态水利工程，进行低碳工程建设，开发合理运行模式，同时，加大对流域及邻域的生态保护和修复，充分发挥流域的自然碳汇能力。2）践行河长制、湖长制。建立完善的流域责任制度，以地方党政机构为负责主体，构建分责明确、协调有序、监管有力的流域管理制度[86]，有效有力监管流域生态问题、工程建设问题、资源开发问题。3）合理开发制氢产业，构建零碳水电站系统[74]。通过水电站发电系统与制氢装置相连，将所产氢能储存、输出或供给站内耗电装置，实现站内能源供给闭环和零碳排放。

3.5 水资源利用与保护的改造发展统筹化

中小型水电站是电网供给的有力补充，在水电开发工程中数量占比巨大，其主要分布在山区地带，在节能减排和地区经济发展中发挥了重要作用。经过多年快速发展，中小型水电站已形成了相当的规模。但是，中小型水电站山区负荷分散、变电站偏少、监测难度大，且多数小水电站为缺乏库容调节能力的径流式水电站[87]，易造成无序发电和能源浪费。改造、并网中小水电站，建立低碳环保、电量供给合理的绿色电网是切实可行的发展之路。对于部分偏远地区，建立离网型的水风光互补系统，实现对离网地区能源的清洁供给，统筹发展水资源将极大地促进资源合理化、能源高效化、碳排放归零化。

碳中和背景下，水资源利用与保护的改造发展统筹化，如图10所示，其发展方向主要包含：1）中小型水电站改造。投产较久的中小型水电站机组有较大的增容能力，研究改造和扩容水电机组技术，完善对引水管道、厂房用电设施改造技术，同时研制适合中小型水电站的实时广域监测系统。2）中小型水电站优化并网。优化地区电网，明确中小水电站的调度关系，加强中小水电站的信息采集并统一规划管理，优化调度效率，设置水电关口计量装置。建立和完善地区电网自动化调节系统，合理布局电网中各时段风光水火发电占比和大中小型水电站分时段输电量配比[88]。3）离网型水风光互补系统构建。对于偏远的农村地区，利用风力发电机组和光伏阵列作为发电机组产生电能，将地表水箱和开口水井分别作为抽水蓄能系统的上水库和下水库，建立小型离网式风-光-抽水蓄能联合运行系统[75]，可实现偏远地区清洁能源稳定供给。

图10 水资源利用与保护的改造发展统筹化发展方向[75]Fig.10 Development direction for transformation and development overall planning of water resources utilization and protection[75]

4 结论与展望

为应对气候变化，中国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的庄严承诺，对中国水资源的高效利用与保护提出了新的更高要求。回顾人类利用与保护水资源的历程，经历了从单一利用阶段到综合利用阶段再到保护发展并行的阶段，而面对当下水资源危机与碳中和目标两大挑战，水资源利用与保护将迈入4.0时代。

现有工程实践及研究表明，水资源利用与保护对于能源结构调整、提高碳减排、增加自然碳汇均具有重要促进作用。在此背景下，结合中国水资源保护与利用现状，提出了规划运行智慧化、生态能源一体化、空间利用充分化、设计建造绿色化和改造发展统筹化5大革新发展方向，并凝练智慧水利信息网络及反馈调控、多源信息监测体系及一体化模式、特殊地下空间利用及地下蓄能设施、生态水利工程及零碳水电站系统、中小型水电站改造并网及离网型水风光互补系统等水资源保护与利用的核心技术手段，对碳中和背景下的水资源有效保护与合理利用、达成碳中和战略目标均具有重要促进意义。

面对世界百年未有之大变局和中华民族实现伟大复兴战略全局，对水资源利用与保护的研究应当承担起促进“碳达峰、碳中和”国家战略的使命担当，筑牢保障国家可持续能源安全“绿色基石”的时代重任。应充分发挥水资源自身优势特点，开辟新的水资源利用与保护理论和技术框架，促进国家能源结构转型升级和“碳达峰、碳中和”战略实施，推动流域生态保护与高质量发展，助力国家富强和民族复兴。