城市水资源开发利用的能源消耗及其经济学分析——以深圳市为例

李林军，邱国玉

（1.深圳国家高技术产业创新中心，广东 深圳 518057；2.北京大学 环境与能源学院，广东 深圳 518055）

水资源与能源是一个区域或城市经济社会发展的必要条件和战略性资源。水资源与能源的开发利用之间存在着非常密切的联系。水的生产、运输、利用和回收都需要消耗大量能源，尤其是地下水抽取、远距离调水和海水淡化系统，更是能源密集型行业[1]。为了缓解水资源短缺，所采取的地下水抽取和海水淡化也需要消耗大量的能源[2-4]。据统计，美国电力的4%是用于水的生产和供应，而且市政水处理和输送75%的成本是电费[5]。污水处理的能源消耗是其主要经济成本之一[6]。同时，能源生产也需要消耗大量水资源，尤其是火电和核电都需要消耗大量水用于冷却电力设备[7-9]。美国化石能源和核能发电每天共需消耗7.35 亿吨的水，约占其淡水使用总量的40%左右[2,10]。2007 年，美国佐治亚州、亚拉巴马州严重干旱，导致20 座核电站和煤电站停止运营[11]。因此，水资源与能源的开发利用之间存在着非常密切的耦合关系。且在水资源和能源日益紧张的今天，这种水资源与能源之间的耦合关系比当初预想得更为复杂、广泛和深远[3-5,12]。

当水资源和能源供给较为充足时，水资源与能源的开发和利用相对独立，其规划和管理也各自分开进行。但随着经济的高速发展和人口的急剧增加，很多城市都出现了水资源短缺和能源短缺问题。我国669 个城市中就有400 个处于常年供水不足的状态，其中110 个城市严重缺水，缺水量达到1 600 万吨/天，由此造成工业产值的损失高达2 300 多亿元/年[13-15]。同时，由于未对水资源和能源开发利用进行综合管理规划，从而出现了发展不协调不匹配的情况，甚至由于一方的短缺会限制另一方的开采利用。随着水资源和能源供求矛盾的日益突出，水资源与能源之间的耦合关系越来越受到各界重视，已经成为国内外研究的热点[16-20]。尤其在2014 年，联合国发起的世界水日主题是“水和能源”，瑞典斯德哥尔摩国际水研究院举办的世界水周论坛主题是“能源和水”，美国能源部也发布了“水与能源”主题报告，其目标都是展示水资源利用和能源生产之间存在着广泛的联系，需要对它们进行综合规划和协调管理，才能同时达到这两种资源的可持续开发利用[1,21-23]。

深圳市境内无大江、大河、大湖、大库，蓄滞洪能力相对较弱，本地水资源储备容量严重不足[24-25]，因此，深圳市目前主要借助东深供水工程和东部供水工程两大工程，通过境外引水的方法来解决本地水资源供给严重不足的问题，形成了以市外引水为主、本地水资源为补充的城市水资源供应保障格局，从而满足经济社会发展的用水需求。本文以深圳市城市水系统为研究对象，全面梳理城市远程调水、自来水生产供应、居民终端生活用水、污水处理与再生回用等不同环节水处理的能源消耗及综合经济成本，并对比分析远程调水、污水再生回用、雨水收集利用等典型水资源开发利用方式的能源消耗及其经济性，从而研究更节约能源、更具有经济可行性的水资源开发利用方式，对于促进我国城市合理开发利用水资源和高效集约利用能源具有重要意义。

1 研究对象概况

1.1 城市供水及用水特征

城市水系统指的是与城市水资源开发利用有关的水源取水、远程调水、自来水生产与供给、终端用水、污水处理与回用等各个子环节系统。水资源供应主要由地表水、地下水、再生水、跨流域引水、海水等多种水源构成。根据深圳市水务局发布的深圳市水资源公报，在2014 年深圳市总体供水格局中，地表水源供水量达到了18.2 亿吨，占全市供水总量的94.1%左右，其中境外引水量为14.4 亿吨，而本地供水量仅为3.77 亿吨；地下水源供水量仅为0.08 亿吨，仅占全市供水量的0.4%左右；其他水源供水量为1.06 亿吨，占全市供水总量的5.5%左右，其中，污水处理再生回用量为0.91 亿吨，雨水利用量0.15 亿吨（表1）。2014 年，深圳城市供水总量约为19.34 亿吨，而主要用于火（核）电厂冷却用水的海水用量高达118.7 亿吨，约为深圳年供水总量的6.21 倍。

表1 2014年深圳市供水格局 单位：亿吨

2000—2014 年，深圳市每年用水总量由2000 年的12.3 亿吨增长到2014 年的19.34 亿吨，年均增长率为3.1%左右。2010 年以后，深圳市每年用水总量趋向稳定，维持在19 亿吨左右（图1）。从用水构成来看，居民终端生活用水占深圳市用水总量的比例最高，为37%左右，而工业用水、公共用水及其他用水占用水总量的比例分别为28%、26%和9%左右（图2）。

图1 2000—2014年深圳市用水总量变化趋势

图2 深圳市城市各部分用水量占比情况

1.2 远程调水

根据《深圳市水资源综合规划》，目前全市每年总需水量约26.0 亿吨，其80%以上的用水量需通过东深、东部两大境外引水工程解决。东深供水工程水源取自东江，工程北起东江、南到深圳河，由68 千米专用输水管线、6 座泵站、2 座电站、2 套独立电网、2 座调节水库和1 座生物硝化站等建筑物组成。工程设计供水能力为24.23 亿吨/年，其中，香港为11 亿吨/年，深圳为8.73 亿吨/年，东莞工程沿线八镇为4.0 亿吨/年。东部供水工程东起惠州市水口街道办廉福地的东江左岸和马安镇老二山的西枝江左岸，西至深圳市宝安区，干线全长106 千米，以“长藤结瓜”的形式横穿深惠两地，每年供给深圳的总供水量为7.2 亿吨／年。

1.3 自来水生产与供给

深圳市自来水供应实行企业化运作，在政府主导下整合形成市水务集团、深水宝安、深水龙岗和深水光明四个供水集团。全市现有供水企业8家，自来水厂57 座，日供水能力692 万吨，供水管网总长度达1.58 万千米。根据2014 年深圳市水资源公报，深圳市地表水源供水量为18.4 亿吨。地表水源供水量包括本地蓄水与境外调入水量。根据《城市供水定价成本监审办法（试行）》，固定资产原值原则上按历史成本核定，固定资产折旧采用年限平均法，按照核定的固定资产原值分类确定，残值率原则上按3%～5%计算。自来水企业生产经营成本主要包括原水费、固定资产折旧、电费、维修（护）费、劳务费、管理费。其中，劳务费按深圳市工业企业（国有经济）人均工资的1.2 倍计算。

1.4 居民终端生活用水

为了研究城市居民家庭生活用水的能源消耗及其影响因素，本文采取随机抽样问卷调查的方式，综合考虑深圳市各区经济发展程度、收入水平和受教育程度等代表性因素，选择福田区的黄埔中学和景秀中学，龙华区的民治中学和新华中学开展问卷调查，重点调查深圳市居民用水终端的水资源消耗和单位用水量的能源消耗及相关用水习惯，识别城市居民家庭生活用水用电的主要环节及其影响因素。家庭常用用水设备和电器主要包括热水器、洗衣机、饮水机、电压力锅、电热水壶等。每所学校发放问卷150 余份，总共发放问卷600 余份，收回有效问卷320 份，有效问卷回收率达53.3%。

1.5 污水再生回用

截至2014 年底，深圳建成有31 座污水处理厂，日处理能力达479.5 万吨，污水集中处理率已达到80%以上，所采用的主要污水处理工艺为传统活性污泥法、厌氧好氧法（A/O）、厌氧缺氧好氧法（A2/O)、连续进水序批式法（SBR）、氧化沟法（OD）和吸附生物降解法（AB）等，基本包括了我国城市所采用的主要污水处理工艺。本研究通过调研收集深圳市22 座污水处理厂在2012 年每月的污水处理量和用电量等运行管理数据，计算各个污水处理厂单位污水处理的平均能源消耗，以期综合反映深圳市污水处理的能源消耗总体情况和单位污水处理的能源消耗水平。同时，本研究选择一座包含再生水回用环节的典型污水处理厂，其一期、二期工程分别采用AB 工艺和A2/O 工艺，通过深度调研其污水处理量、电力燃料消耗、投加药剂用量、进出水水质、用工劳务以及再生水回用量等运营管理数据资料，综合分析其污水处理效果及其各个环节的能源消耗和经济成本，以期为污水处理厂运营管理的优化提供借鉴。

1.6 雨水收集利用

2014 年深圳市降雨量总量为36.85 亿吨，但雨水收集利用率仅为0.41%，因此，本地的雨水收集利用还有很大挖掘潜力。由于未在深圳本地找到合适的雨水收集利用系统进行研究分析，本研究选取华东地区三个公建项目的雨水回收利用系统进行技术经济学对比分析[26]，它们均通过屋面及场地雨水收集并经过滤处理达标后，用作绿化、浇洒、景观用水，以达到减少市政自来水用量的目的。三个公建项目工程造价分别为35.32 万元、31.39 万元、26.03 万元，年可回收雨水量分别为5 345 吨、4 561 吨、2 354 吨，具体概况如表2 所示。

表2 华东地区三个公建项目雨水回收利用系统项目概况

通过技术工程经济学分析，雨水回收利用系统经济投入成本环节主要包括基建设备投入、药剂费、电费、维修（护）费、劳务费、管理费等。由于运营期间劳务人工、管理成本相对较小，由各个公建项目物业管理方附带承担，因此，并未将其成本单列在雨水回收利用系统中。基建设备投入按其使用寿命30 年进行折旧，不计残值。

2 结果分析与讨论

2.1 远程调水

随着东深、东部两大境外引水工程的建成，深圳市境外引水量占全市供水总量的比重由2000 年的40%增加到2014 年的75.4%。2014 年，东深供水工程供水总量约为24 亿吨，年耗电总量约为6.5 亿度电[27]。其中，东深供水工程对深圳供水量为7.2 亿吨左右，约占其供水总量的30%左右，经测算每年向深圳供水的电力消耗约为1.95 亿度，其单位供水的能源消耗约为0.270 度/吨。东部供水工程2014 年供给深圳的总供水量约为7.2 亿吨，参照东深供水工程的能源消耗及干线长度差异，可以估算东部供水工程的年度能源消耗约为3.01 亿度电，其单位供水的能源消耗约为0.418 度/吨。2014 年，深圳居民家庭的生活用水量约为6.96 亿吨，假设其均来源于远程调水工程，则其远程调水大约需要消耗2.39 亿度电，平均单位远程调水能源消耗约为0.343 度/吨。同时，根据深圳市对6 家远程调水联网水库单位的原水定价成本的核查报告，2014 年6 家单位原水供应量为9.4 亿吨，远程调水总成本约为8.31 亿元，单位调水成本约为0.88元/吨。其中，原水资源费占比40.1%，电费及专用燃料费占比约20.4%，劳务费占比19.0%，具体如图3 所示。

图3 深圳市远程调水工程各组分经济成本占比

2.2 自来水生产与供给

由《深圳统计年鉴2015》可知，深圳市自来水生产与供给环节的总能耗为12.4 亿度/年。而2014 年深圳自来水供水总量为18.2 亿吨，其中居民生活用水总量约为6.96 亿吨，因此，可估算用于居民生活用水的深圳市自来水生产与供给的能源总消耗约为4.74 亿度电。自来水生产与供给环节包括自来水生产环节与管网供水环节。自来水制水单位能源消耗绝大部分是电力消耗，且有研究显示深圳自来水生产的单位能源消耗为0.217度/吨[28]，由此可计算得到深圳自来水生产环节一年的总能源消耗约为1.51 亿度电。通过将深圳自来水生产与供给环节的总能源消耗，减去自来水生产环节的能源消耗，可得到深圳市管网供水的年度能源消耗大约为3.23亿度电，单位能源消耗约为0.464 度/吨。

同时，根据深圳市对22 家自来水企业供水定价成本的核查报告，2014 年22 家单位自来水供应量为13.8亿吨，供水总成本约为37.9 亿元，单位供水成本约为2.64元/吨。其中，原水费占比43.4%，劳务费占比24.4%，固定资产折旧占比12.5%，而电费仅占比约7.6%，具体如图4 所示。

图4 深圳市自来水企业各组分经济成本占比

2.3 居民终端生活用水

根据深圳市居民终端生活用水的问卷调查结果，计算各用水电器的日均用水量求得日均单位用水用电量，结果如表3 所示。用水电器按照日均单位用水用电量从大到小排序依次为电压力锅、饮水机、电磁炉、电饭锅、电热水壶、热水器、洗衣机。通过加权计算得出用水电器的家庭日均用电量为6.14 度/天，日均用水量为825.3 升/天，用水电器平均每消耗1 吨水需要消耗7.43 度电。用水电器用电总量占到居民家庭用电总量21.6%～31.0%。用水电器中用电量最大的是热水器，占用水用电总量的52.0%～56.8%，占家庭用电总量的11.2%～17.6%。冬春季用水电器用电总量占到居民家庭用电总量的31.0%，而夏秋季这个比例为21.6%，因为夏秋季开空调导致非用水电器用电量增加很多。相关结果及分析详见QIU 等[29]的研究。

表3 华东地区三个公建项目雨水回收利用系统经济成本投入情况

2014 年深圳居民终端生活用水总量约为6.96 亿吨，需要消耗能源的用水量约占60%左右，即4.176 亿吨，而居民生活用水的单位能源消耗7.43 度/吨，则其总能耗约为31.02 亿度，用电总成本约为21.09 亿元。居民终端生活用水电器日均用电量从高到低排序依次是热水器、电饭锅、电压力锅、饮水机、电热水壶、洗衣机、电磁炉，其中热水器的日均用电量为约3.40 度/天，占用水电器用电总量的55.41%，远高于其他用水电器。因此，居民终端生活用水电器日均用电成本从高到低排序依次也是热水器、电饭锅、电压力锅、饮水机、电热水壶、电磁炉、洗衣机（图5），其中热水器、电饭锅分别占居民终端生活用水电器用电总成本的55.4%和13.7%。

图5 深圳市居民终端生活用水电器用电成本

在居民家庭用水构成中，洗浴这一环节所占的比例最大为83.11%，其次是洗衣环节，为13.22%，餐饮环节所占的比例最小仅为3.67%。就用水电器的用电成本来说，洗浴环节的占比最高为55.37%，餐饮环节次之为40.07%，洗衣环节占比最少仅为4.56%（图6）。由于餐饮环节涉及的用水电器较多，而且诸如电磁炉、电热水壶、电压力锅和电饭锅等的功率都较高，故而餐饮环节虽然用水量小但所占居民家庭用水用电成本的比例比较高。

图6 深圳市居民终端生活用水电器用电成本占比

2.4 污水处理与再生回用

污水处理过程可分为预处理、生化处理、消毒及化学除磷、污泥脱水和再生水处理等子过程。根据对22 个污水处理厂在2012 年的电力消耗进行统计分析，结果发现深圳市单位污水处理的能耗变化范围为0.12 ～0.38度/吨，置信区间为0.20±0.06 度/吨。污水处理厂C单位污水处理消耗的能量（0.382 度/吨）比污水处理厂A（0.258 度/吨）和B（0.261 度/吨）都要多，主要是由于C 厂增加了再生水处理子过程，相关结果及分析详见LI等[30]的研究。这意味着再生水处理环节的增加，会给整个污水处理带来大约20%以上的额外能源消耗。

通过技术工程经济学分析测算，深圳三个典型污水处理厂单位污水处理的经济成本，分别为：A 厂0.71元/ 吨，B 厂0.89 元/ 吨，C 厂0.87 元/ 吨。电 力 消耗和劳务是这三个污水处理厂的两大主要成本。其中，电力消耗占总经济成本的比例分别为36.7%、25.6%、16.5%；而劳务工资与福利投入占总经济成本的比例分别为25.6%、42.1%、22.6%。C 厂的管理成本相对较高，占据了总成本的19.5%。这些结果表明，降低污水处理的电力消耗、提高人员效率与管理水平是降低单位污水处理成本的主要途径。另外，C 厂在增加再生回用环节后，单位污水处理的经济总成本在原有基础上增加0.39元/吨。这主要归因于为了再生水回收利用，增加了药剂投入成本。

2.5 雨水回收利用

根 据《深 圳 市总体规划修 编（2007—2020）》，到2020 年深圳居住用地面积达到220 平方千米，取综合径流系数0.56 进行估算，每年居民小区居住用地径流总量约为2.25 亿吨。根据《深圳市小区雨水综合利用规划指引》，深圳中心城区里居住小区的一半以上将建雨水利用设施，若将雨水利用率提高至35%以上，则可替代1/10 的居住小区生活用水，因此，居民雨水资源利用的潜力是相当大的。

通过技术工程经济学分析测算，华东地区三个公建项目雨水收集利用系统每年经济投入成本分别为1.30 万元、1.14 万元、0.91 万元[26]，单位雨水回用成本分别为2.44 元/吨、2.51 元/吨、3.88 元/吨，单位雨水回用能耗分别为0.08 度/吨、0.05 度/吨、0.03 度/吨。由此可见，A 项目和B 项目单位雨水回用成本显著低于居民生活终端自来水用水价格3.45 元/吨，而C 项目由于工程造价较高，雨水回用规模较小，其单位雨水回用成本高于当时自来水用水价格，经济性相对较差，但低于目前自来水用水价格。另外，建设期基建设备投入成本占雨水回收利用系统经济投入总成本90%以上，而运营期药剂、电费等其他投入只占很小比例（图7）。对于雨水回收利用系统，初期基建工程投入往往较大，项目投资回收期预计10 年左右，导致社会投资建设积极性不是很高，因此，需要政府部门加大对雨水回收系统的工程建设补贴支持。

2.6 城市水系统

深圳市城市居民生活用水系统的远程调水环节总能耗为2.39 亿度/年，单位能耗为0.343 度/吨；自来水生产环节总能耗为1.51 亿度/年，单位能耗为0.217度/吨；管网配水环节总能耗为3.23 亿度/年，单位能耗为0.464 度/吨。2014 年深圳市居民家庭生活用水总量约为6.96 亿吨，在用水过程中需要消耗能源的用水量约占60%左右，即4.176 亿吨，则其总能源消耗约为31.02 亿度。污水处理的单位能源消耗约为0.2 度/吨，其总能源消耗约为1.39 亿度/年。根据深圳市水资源公报可知，污水深度处理再生回用量约为0.91 亿吨，而其单位能源消耗约为0.083 度/吨，则其污水处理再生回用的总能源消耗约为0.076 亿度电。由此可知，深圳市城市居民生活用水系统的总能源消耗约为39.62 亿度/年。居民家庭生活用水是城市水系统能源消耗的主要环节，约占其总能耗的78.3%左右，紧随其后的依次为管网供水（8.15%）、远程调水（6.03%）、自来水生产（3.81%）、污水处理（3.51%）和再生水回用（0.19%）。再生水回用能耗占比最低的原因，一方面是深圳污水处理后进行再生水深度处理新增的单位能源消耗较低；另一方面是由于深圳再生水回用比例不高，仅为0.91 亿吨。

深圳市城市居民生活用水系统的远程调水环节总成本为6.13 亿元/年，单位调水成本为0.88 元/吨；自来水生产环节总能耗为18.37 亿元/年，单位生产供应成本为2.64元/吨；居民生活终端用水总成本为29.58 亿元，单位用水成本为4.25 元/吨；污水处理总成本为5.70 亿元，单位处理成本为0.82 元/吨；再生水回用量只有0.91 亿吨，回用总成本为0.35亿元，单位回用成本为0.39元/吨（图8）[29]。

图8 深圳市城市居民生活用水系统各个环节的单位能耗及经济成本

3 主要结论和展望

深圳城市水系统主要通过境外引水来解决本地水资源供应不足的问题，但其水源取水、远程调水、自来水生产与供给、终端用水、污水处理与回用等各个环节均需要消耗大量能源。深圳用于居民家庭生活用水部分的远程调水的单位能源消耗约为0.343 度/吨，每年大约需要消耗2.39 亿度电，经济投入成本为6.13 亿元。自来水生产及供应单位能源消耗为0.341 度/吨，总能耗为4.74 亿度，生产供应总成本为18.37 亿元。居民家庭生活用水的单位能源消耗为7.43 度/吨，总能耗约为31.02 亿度/年，用水总成本为29.58 亿元。污水处理的单位能源消耗约为0.2 度/吨，其总能源消耗约为1.39亿度/年，处理总成本为5.70 亿元。污水深度处理再生回用单位能源消耗约为0.083 度/吨，总能源消耗约为0.076 亿度/年，回用总成本0.35 亿元。因此，深圳市城市居民终端生活用水系统的总能耗为39.6 亿度/年，总用水成本为60.1 亿元/年。居民终端生活用水和远程调水是深圳市水系统能源消耗的主要环节，其占城市水系统总能耗的占比接近85%，尤其是居民生活用水用电量占比高达78.3%，具有广泛的节水节能空间，而且节约居民终端生活用水可带来双重节能效果。污水处理再生回用以及雨水收集利用的单位能耗要远远低于远程调水的能耗，可见污水再生回用和雨水资源利用等本地水资源开发利用方式，要比远程调水更节能，可大大减少深圳城市水系统的总能耗。不过，雨水回收利用初期建设投资成本较高，项目投资回收期较长，导致社会投资建设的意愿和积极性不高，因此，需要政府层面加大对雨水回用系统建设的补贴支持。