实现中国“双碳”目标水利行业可以做什么

2022-03-06张建云周天涛金君良

水利水运工程学报 2022年1期

张建云，周天涛，金君良

(1. 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029； 2. 长江保护与绿色发展研究院，江苏南京 210098； 3. 水利部应对气候变化研究中心，江苏南京 210029)

【编者按】2021年7月29日，由中国水力发电工程学会、中国水利学会主办的“3060双碳”水电科普论坛召开。中国工程院院士、南京水利科学研究院名誉院长、长江保护与绿色发展研究院院长张建云教授作了题为“双碳目标——水利的担当与贡献”的精彩报告。为便于广大水利行业工作者更深入地学习报告内容，在中国实现“双碳”目标的进程中贡献更多智慧和力量，本刊编辑部策划了该篇特邀论文。

2020年9月22日，中国国家主席习近平在第75届联合国大会代表中国政府郑重承诺，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（简称“双碳”目标）[1]。水资源与气候变化紧密相关，应对气候变化，水利行业应该有什么担当？实现“双碳”目标，水利行业能够为之做出什么贡献？

1 为什么要加快实现“双碳”目标

要理解“双碳”目标的必要性，首先需要准确理解两个概念—温室气体和温室效应。温室气体（greenhouse gas）指大气中能吸收地面反射的长波辐射、并重新发射辐射的一些气体，主要包括二氧化碳（CO2，76%）、甲烷（CH4，13%）、二氧化硫（SO2，7%）、氧化亚氮（N2O，3%）、氟化气体（CFCs、HCFs，1%）[2]。二氧化碳等温室气体具有吸热和隔热功能，大气中温室气体增多，阻挡了更多原本可以反射回外太空的太阳辐射，因而导致地球表面逐渐变热。温室气体使地球变得更温暖的影响称为“温室效应”（ greenhouse effect）。1860年以来，由燃烧矿物质燃料排放的二氧化碳等温室气体，平均每年增长率为4.22%，而近30年各种燃料的总排放量每年达到50亿t左右[3-4]。2019年，中国、美国、印度等国及欧盟国家的碳排放量占全球排放总量的27.92%、14.50%、7.18%和9.02%，是世界上的排放大国[5]。由此可以看出，减缓全球变暖的核心在于控制温室气体排放，也就是控制二氧化碳的排放。

理解了温室气体和温室效应的概念，就不难理解“碳达峰”和“碳中和”这两个目标。碳达峰（carbon emission peak）指在某一个时点，二氧化碳等温室气体的排放达到峰值不再增长。碳中和（carbon neutrality）是指通过减源（如调整生产结构减少碳排放）、控碳（如碳捕捉和碳存储）和增汇（如植树造林、增加水面等）等技术，使得碳排放和碳吸收之间达到平衡，实现近零排放，即碳吸收量等于碳排放量。实现碳中和是控制大气中温室气体浓度、减缓全球变暖的根本性途径。

2015年12月，196个国家在法国巴黎通过了《巴黎协议》[6]，一致同意利用当前最先进的科学技术进行减排，消灭贫穷，促进人类的可持续发展，在公平的基础上，在21世纪下半叶实现温室气体吸收与排放之间的平衡。据英国能源与气候智库（Energy & Climate Intelligence Unit）统计，截至目前，苏里南和不丹已经率先实现碳中和，另外全球有53个国家和地区通过立法、官方政策等形式承诺实现碳中和目标[7]。

但是人类应对气候变化的时间窗口正在变得越来越窄。全球因新冠疫情按下了暂停键，但全球变暖的脚步并未停止。2020年，尽管疫情造成的经济大封锁使得全球碳排放下降了6.4%[8]（见图1），但大气中温室气体的浓度还在继续上升[9]。联合国世界气象组织（WMO）2020年12月发布的报告指出，2020年1至12月全球平均气温较1850—1990年均温高出（1.2±0.1） ℃[10]，据巴黎协议的控制目标1.5 ℃仅剩0.2 ℃。

图1 2019年与2020年全球周纪碳排放量 [8]Fig. 1 Global weekly carbon emissions in 2019 and 2020 [8]

IPCC于2021年8月发布的第6次评估第一工作组报告指出，人类活动影响造成地球大气、海洋和陆地系统变暖已经非常明确。预计未来20年（2040年前后）地表变暖将达到1.5 ℃或1.6 ℃。科学家高信度地认为人类活动是更频繁且强烈的热浪、冰川融化、海洋变暖和酸化的主要驱动力。地球气候正接近不可逆转的转折点，全球变暖程度越高，发生低可能性、高影响结果事件的概率就越大，不排除气候系统的突变反应。甲烷减排是一个重要的减排途径，生态系统对全球变暖的反应，如冻土融化和野火，极有可能进一步增加大气中的甲烷浓度，大力迅速减少甲烷排放量可在短期内有助遏制全球变暖的趋势[11]。

气候变化对人类和自然系统产生不可恢复的影响。全球变暖、两极冰川的融化和海水热胀冷缩是导致海平面上升的主要原因。海平面上升使得许多沿海地区的防洪形势日趋严峻；海平面的继续上升，虽然不会发生电影《后天》里描述的一些岛国消失的情景，但地势低平的岛屿，如瑙鲁、图瓦卢、马尔代夫等国家将会面临生存危机。

气候变化对中国的影响也十分显著。受气候变化影响，中国北方河流江河径流量总体上呈现显著性减少，海河、黄河、辽河尤甚；在黄河流域及海河流域，气候变化对河川径流减少的贡献率为30%～40%[12]。1980—2019年，中国沿海海平面上升速率为3.4 mm/a。2019年，中国沿海海平面较常年高72 mm，比2018年高24 mm。1961—2018年，中国平均降水量总体呈现非显著性增加趋势，平均每10年增加4.2 mm；但中国的降水分布呈现西南-东北方向的少雨带，这进一步加剧了中国北方水资源短缺的情势；此外，短历时强暴雨增多趋强，局地洪涝灾害风险增加。2021年7月17-23日，河南省发生特大暴雨洪水，最大小时雨量201.9 mm，超过“75·8”特大暴雨洪水，刷新了我国大陆最大小时雨量的记录；郑州多年平均年降雨量为640.8 mm，17日20时到20日20时，3天降雨量617.1 mm，全城被淹、地铁进水，直接经济损失达409亿元。有研究表明：气温上升1.5 ℃，中国城市人口因高温死亡人数将上升至每百万人48.8～67.1人；升温2.0 ℃，死亡人数将上升至每百万人59.2～81.3人[13]。粮食安全也将受到威胁：1.5 ℃升温背景下，中国水稻单产平均减幅7.49%，减产面积占水稻种植总面积的68.6%，严重减产面积占水稻种植总面积的10.3%；2.0 ℃升温背景下，中国水稻单产平均减幅12.02%，减产面积占水稻种植总面积的70.6%，严重减产面积占水稻种植总面积的18.7%[14]。

由此可见，应对气候变化、控制碳排放是人类在21世纪面临的重大挑战之一。2021年3月15日，习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议时强调，实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲头，如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。我国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，事关中华民族永续发展和人类命运共同体构建。2021年3月发布的“十四五”规划纲要也指出，广泛形成绿色生产生活方式，碳排放达峰后稳中有降，生态环境根本好转，美丽中国建设目标基本实现。降低碳排放强度，支持有条件的地方率先达到碳排放峰值，制定2030年前碳排放达峰行动方案。在能源领域，国家能源局表示，“到2030年非化石能源的一次能源消费比重要达到25%左右，风电、太阳能总装机容量要达到12亿千瓦以上，这两个目标任务非常艰巨”。在科技领域，科技部已部署全球气候变化应对专项，国家基金委2021年4月30日亦已公布面向国家碳中和的重大基础科学研究专项指南。

2 实现“双碳”目标，水利行业能做出什么贡献

2021年3月15日中央财经领导小组第九次会议指出，要坚定不移贯彻新发展理念，坚持系统观念，处理好发展和减排、整体和局部、短期和中长期的关系，以经济社会发展全面绿色转型为引领，以能源绿色低碳发展为关键，加快形成节约资源和保护环境的产业结构、生产方式、生活方式、空间格局，坚定不移走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路；要把节约能源资源放在首位，实行全面节约战略，倡导简约适度、绿色低碳生活方式；实现碳达峰、碳中和是一场硬仗，也是对我们党治国理政能力的一场大考。参照这一部署，水利行业可以从以下几个方面给“双碳目标”贡献力量。

2.1 加大水电开发

为了实现“双碳”目标，国家“十四五”能源发展规划提出更加积极的新能源发展目标，加快发展风电和太阳能发电，因地制宜开发水电，在确保安全的前提下发展核电，同时要加快推进抽水蓄能、新型储能等调节电源建设，增强电力系统灵活调节能力，大力提升新能源消纳水平。同时，“十四五”规划和2035远景目标的建议中，明确提出了“实施雅鲁藏布江下游水电开发”。虽然中国的能源消耗结构在逐步优化，但2020年，火电仍然是电力生产的主力电源，水电的比例仅为17.8%[15]（见图2）。

图2 2020年中国发电量[15]（单位：亿kW·h）Fig. 2 China’s electricity generation in 2020[15] (unit: 108 kW·h)

如果以燃烧煤炭的火力发电为参考计算减排效益，有关研究表明：每节约1 kW·h电，就相应节约了0.4 kg标准煤，同时减少污染排放0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳（CO2）、0.03 kg二氧化硫（SO2）、0.015 kg氮氧化物（NOx）[16]。按照这一标准，2020年，水电发电量累计为1.36万亿 kW·h[17]，减排二氧化碳13.56 亿t；仅三峡电站2020年发电量达1 118 亿 kW·h[18]，减排二氧化碳1.115 亿t，水力发电的减排效益十分显著。

2.2 加快推进抽水蓄能电站建设

抽水蓄能是利用电网中负荷低谷时的电力，由下水库抽水到上水库蓄能，待电网高峰负荷时，放水回到下水库发电的水电站，又称蓄能式水电站。这一做法可以为电力安全和运行效益发挥巨大作用。目前，中国抽水蓄能电站装机容量已居世界第一。2020年，运行总容量约4 000 万kW，规划到2025年发展到6 800 万kW[19]，抽水蓄能将带来明显的碳减排效益。

2.3 因地制宜发展小水电

2021年7月22日，《中共中央国务院关于新时代推动中部地区高质量发展的意见》发布。意见提出，因地制宜发展绿色小水电、分布式光伏发电，加快农村能源服务体系建设[20]。这是农村小水电新的发展机遇和挑战。截至2020年底，全国共有农村水电站（≤5 万kW）43 957座，农村水电总装机容量达8 133.8 万kW，较2019年有所下降，年发电量达2 423.7 亿kW·h，相当于每年节约了7 400 万t标准煤，节能减排效益显著。

但小水电发展目前也面临着一些突出问题：首先是随着风-光电技术发展和政策影响，小水电的成本竞争优势逐步丧失；其次是部分小水电造成下游河道脱水等现象，对生态环境产生不良影响；再次是部分小水电项目的目标单一，未能发挥综合效益；此外，许多小水电工程年久失修，设备老化，效率低下。

针对少数小水电工程存在生态流量泄放与监测不到位、存在减脱水等问题，2018年末，水利部、国家发改委、生态环境部、国家能源局联合发布《关于开展长江经济带小水电清理整改工作的意见》[21]，建立了问题核查、分类评估、一站一策、清理整改、评估验收的工作思路。

因此，在新的发展机遇面前，小水电开发需要做到：①坚持生态优先、绿色发展的原则，构建绿色小水电示范区。对建在自然保护区核心区和缓冲区的、严重破坏生态环境的小水电工程坚决清理；无河流生态流量下泄设施的，尽快改造，增加生态流量下泄设施；建站时间长、失修严重、效率低，论证后清理退出或按标准重建；加强生态调度运行，保障河流生态流量。②抓住机遇，发展农村绿色小水电，加快农村能源服务体系建设。小水电建设是脱贫攻坚工作的重要内容，也是美丽乡村建设的重要抓手，更是助力“双碳”目标实现的重要措施。

2.4 加大地热资源的开发利用

中国的地热能储量十分可观。2016年中国地质调查局发布的《中国地热资源调查报告》指出：①全国31个省（区、市）地下热水资源年可开采量折合标准煤19 亿t，现状年实际开采量折合标准煤415 万t，只占可开采量的0.22%，开发利用潜力巨大。②全国336个地级以上城市浅层地温能资源年可开采量折合标准煤7 亿t，可实现建筑物供暖制冷面积320 亿m2，2016年建筑物供暖制冷面积仅4.78 亿m2。③我国干热岩资源初步估算折合标准煤856 万亿t，是巨大的能源宝藏，若开采其2%的可开采量，即相当于2015年全国能源消耗的4 000倍，应加快研究和开发步伐。④我国浅层地温能和地下热水资源开发利用经济与环境效益显著，2015年相关产业总产值约7 500 亿元，占同年GDP的1%以上，每年减少二氧化碳排放4 800 万t。⑤京津冀地区浅层地温能和地下热水资源合计折合标准煤3.43 亿t，可基本满足该地区建筑物供暖制冷需求。⑥长江经济带浅层地温能和地下热水资源年可开采量折合标准煤9.3 亿t，充分开发利用区内的浅层地温能资源可有效解决长江中下游地区冬季供暖问题[22]。地热资源的分布也十分广泛，浅层地热能源遍布全国，中低温地热能源分布于沉积盆地和隆起山区，高温地热能源分布于喜马拉雅地热带和台湾等[23]。

地热能在建筑供热制冷领域应用潜力巨大，而建筑碳排放是全国能源碳排放的主要来源之一。根据中国建筑节能协会能耗统计专委会的研究，2018年建筑碳运行阶段排放相当于21 亿t二氧化碳，约占全国能源碳排放的22%，是排放大户与平碳的重点领域；在基准情况下，建筑碳达峰时间为2040年，将严重制约全国碳达峰和碳中和目标的实现[24]。虽然2020年底，中国地热供暖面积已经接近14 亿m2，位居世界第一，但目前项目大多集中在京津冀鲁豫辽等地[25]。

建筑供热制冷领域的地热资源利用主要可以依靠两个途径：一是浅层地热能利用，即高效节能空调技术，利用浅层地热能源既可供热又可制冷的高效节能的空调技术，实现对建筑物的能源供给，是目前浅层地热能最主要的开发利用方式[26]；二是中深层水热型地热能利用，一般埋深在3 000 m以内[27]，由地下水作为载体，可以通过抽取热水或者水汽混合物提取热量；水热型地热取暖技术通过开采井抽取地热水，通过换热站将热量传递给供热管网中的循环水，输送给用户，温度降低后的地热尾水通过回灌井注入地下[28]。

此外，高温地热也可以用于发电。目前，西藏的羊八井（装机24.18 MW）和羊易（装机16 MW）的地热发电站是我国最大的地热发电站[29-30]。西藏水热型资源拥有1 GW潜力，我国高温地热发电任重道远。未来方向应该是天地结合，与风光发电配合，实现发电与供暖综合利用。

2.5 绿色节能发展

在水利行业，污水处理厂和抽水排灌站等都是用电大户，对陈旧设施改造，提高效率，节约用电，节能减排潜力大。从全球来看，2010年水利行业的用电已经占全球发电量的4%，在充分实施联合国可持续发展目标（SDG）的情形下，到21世纪中叶，这一数字预计还将上涨至6%左右[31]。在城市化地区，过去数十年来水处理和输水的能源消耗在快速增长，是水利行业的主要碳排放来源[32-33]，由此造成的碳排放量预计在21世纪中叶将达到每年28 亿t二氧化碳当量，而这些水处理和输水设施往往是针对过去水资源相对充裕的情况设计建造的，并未将节约能源和提升效率纳入考虑[33]。

另外，倡导绿色低碳生活、反对奢侈浪费、鼓励绿色出行、营造绿色低碳生活新时尚，也是降低碳排放的有效方式。一项在美国开展的调查研究显示，在对生活质量不产生明显影响的前提下，节能举措可以减少7.4%的排放[34]；而另一项在中国的调查研究表明，通过改进使用方式，家用电器的能源消耗可以节约高达14%[35]。在出行方面，交通产生的二氧化碳占全球总排放量的五分之一以上[36]。研究表明，与不采取任何措施相比，到2040年，积极使用公共交通可以降低排放量的四分之一[37]。因此，绿色低碳生活是我们每一位公民的责任。