中国燃煤发电水足迹时空特征研究

武慧君，刘勇昕，汪倩倩，徐裕焕

（安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

长期以来，煤炭在我国一次性能源生产和消费中的比重一直占60%以上[1-2]。2020 年，我国约有50%的煤炭产量被用于燃煤发电，约68%的电力来自燃煤发电[3]。煤炭仍将是我国未来几十年的主要能源[4-5]。而能源和水是密不可分的，在所有能源中，煤炭的用水需求量最高[6]。煤电生产在其生命周期各个过程中都需要大量的水资源来运转[7]。对燃煤发电的水足迹研究不仅对煤炭工业的发展有重大意义，而且对中国未来能源供应和水资源安全具有重要意义。而中国煤炭资源主要集中在水资源贫乏的西部和北部地区，这种空间差异造成煤电生产量和消费需求量以及煤电生产的需水量与各地水资源拥有量在空间上不匹配，呈逆向分布[8-10]。而煤电供需的空间差异又导致了能源的跨省跨区域输送，即煤炭运输和电力输送[11]。由于发电结构不同，不同省份的用水强度（单位发电耗水量）存在一定差异，通过虚拟水足迹的流动来揭示水资源的流动路径以及真实消耗，对于水资源利用以及水资源协调管理提供科学依据。

1993 年，虚拟水被ALLAN[12]提出，是以 “看不见” 的形式嵌入在产品中的水。能源产品生产消费的空间差异导致跨省跨区域的能源输送引起的虚拟水流动引起了较多关注[11,13-14]。水足迹概念最早在虚拟水理论上由HOEKSTRA 等[15]提出，是衡量生产商品和服务所消耗的水[16]，是水资源短缺和污染问题的一个良好指标[17]。水足迹是水资源利用情况的综合指标[18]，清单边界代表了包括生产、运输、销售、消费和再利用在内的整个生命周期[19]。随着能源领域水足迹的不断深入，不少学者分别在国家[7]和区域层面[20]对能源产品的水足迹进行相关研究。

然而，已有研究大多为某一年份的水足迹研究，时间尺度跨度较小，且多为能源生产活动对用水量（蓝水足迹）的评估，对水质的影响（灰水足迹）的分析较少。随着时间的变化，可利用的水资源量不断波动，水的需求也会随之变化[21]。燃煤发电过程中的蓝水足迹和灰水足迹都会发生改变。随着2000 年 “西电东送” 工程的全面启动以及各种运输道路的完善，跨省跨区域的煤电输送格局也会发生改变。因此，本文主要对2000—2020年的中国燃煤发电行业对水资源和水质的影响进行研究，定量分析燃煤发电整个生命周期的用水量和废水对环境的影响，刻画中国各省燃煤发电的水足迹以及跨省煤电运输所产生的虚拟水的时空变化特征，阐明燃煤发电行业所面临的水资源限制和水污染问题，有助于揭示水资源流动规律，并对未来能源安全供应和水资源协调管理具有指导意义。

1 研究方法和数据来源

1.1 系统边界

水足迹分为绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹。绿水足迹指不会成为径流的水资源（主要用于农业生产领域[7,11]），蓝水足迹指生产过程中对地表水或地下水的消耗，灰水足迹指同化吸收生产过程排放对水资源影响所需淡水的消耗[21]。本研究基于产品生命周期评价方法构建了中国燃煤发电水足迹评价模型，模型的系统边界如图1 所示，包括煤炭开采、煤炭加工、煤炭运输、燃煤发电和电力输送五个阶段。基于《环境管理水足迹原则、要求与指南》，水足迹考虑产品的整个生命周期，不仅包括产品的直接用水，也包括产品上游阶段的间接用水[19]。因此，本研究的水足迹包括燃煤发电过程中的直接水足迹以及煤炭开采、煤炭加工阶段的间接水足迹。由于煤炭运输和电力输送过程中产生的水足迹占比小[7,11]，本研究不予考虑。本研究还考虑了中国省际虚拟水流动，即煤炭运输和电力输送所引起的隐形水流动。基于此模型，研究拟定量分析中国2000—2020 年的燃煤发电的水足迹（蓝水足迹）及其对水环境的影响（灰水足迹）。

图1 中国燃煤发电水足迹分析框架

1.2 总水足迹

总水足迹是包括煤炭开采、煤炭加工过程中的间接蓝灰水足迹和燃煤发电过程中的直接蓝灰水足迹。计算公式为：

式中：WFF为总水足迹（m3），是燃煤发电过程中直接蓝灰水和间接蓝灰水足迹。WFi,blue、WFi,grey是i过程中的直接蓝水足迹（m3）和灰水足迹（m3），WFj,blue、WFj,grey是j过程中的间接蓝水足迹（m3）和灰水足迹（m3）。

1.3 蓝水足迹

煤炭开采和煤炭洗选过程的蓝水足迹（直接水足迹）是在这两个过程中的蓝水消耗，计算公式为：

式（2）、（3）中：Wa、Wb分别为煤炭开采和煤炭洗选的蓝水足迹（m3），Qa为煤炭开采过程中开采单位煤的蓝水足迹（m3/t），Qb为煤炭洗选过程中洗选单位煤的蓝水足迹（m3/t），Ca是煤炭开采量（t），Cb是煤炭洗选量（t）。

燃煤发电过程中的蓝水足迹（间接水足迹）包括热力系统、循环系统和辅助系统中的水消耗。火力发电冷却系统有四种类型：直流冷却、闭式循环冷却、空冷和海水冷却。闭式循环冷却是中国最常用的冷却系统[9]。海水冷却应用范围小[14]，因此本研究不予考虑。

采用闭式循环冷却和空冷冷却方式火力发电的蓝水足迹为[14]：

采用闭式循环冷却和直流冷却方式的火力发电的蓝水足迹为[14]：

式（4）、（5）中：WN,d是用闭式循环冷却和空冷冷却的燃煤发电的蓝水足迹（m3），WS,d是用闭式循环冷却和直流冷却的燃煤发电的蓝水足迹（m3），wfcc、wfac、wfoc分别是循环冷却系统、空冷系统和直流冷却系统过程中每单位燃煤发电量的蓝水足迹（m3/kW·h），Ei,cc、Ei,ac、Ei,oc分别是第i省级行政区的闭式循环冷却、空冷和直流冷却发电厂的总发电量（kW·h），wft是热电发电过程中每单位燃煤发电的蓝水足迹（m3/kW·h），wfa是辅助系统中每单位燃煤发电量的蓝水足迹（m3/kW·h）。

1.4 灰水足迹

灰水足迹（WFg）采用目前国际公认的水足迹网络（water footprint network，WFN）水足迹计算方法[21]，计算公式为：

式中：Li为燃煤发电中第i过程单位生产的废水排放量（m3/t 或m3/kW·h）；Vp为废水中污染物浓度（mg/m3）；Cmax为水中可接受的污染物浓度（mg/m3）；Cnat为自然水的污染物浓度（mg/m3），取值为0[21-22]。燃煤发电各个阶段的单位废水污染物排放量及地表水环境质量标准限值数据清单如表1 所示[11,20,23-25]。

表1 中国燃煤发电主要阶段单位灰水污染物排放量及水质标准限值

1.5 虚拟水流动计算

煤电供需的空间差异决定了能源的跨省跨区域输送，即煤炭运输和电力输送。由于发电结构不同，不同省份的用水强度（单位发电耗水量）存在一定差异，省际之间的虚拟水流动计算公式如下：

式中：VWij,F是第i级行政区到第j级行政区的虚拟水流动总量（m3），Wi,a、Wi,b分别是第i级行政区的煤炭开采和煤炭加工的蓝水足迹（m3），Ci,a、Ci,b分别是第i级行政区的原煤开采量和煤炭洗选量（t），Tij,a、Tij,b分别是第i级行政区到第j级行政区原煤和洗煤交易量（t），Wi,e是第i级行政区的燃煤发电蓝水足迹（m3），Ei,cc、Ei,ac、Ei,oc分别是第i省级行政区的闭式循环冷却、空冷和直流冷却发电厂的总发电量（kW·h），Tij,e是第i级行政区到第j级行政区的燃煤发电交易量（kW·h）。

1.6 数据来源

本文研究了中国30 个省份（不包括西藏及港澳台地区）的水足迹及虚拟水流动格局，燃煤发电各数据来源如表2 所示。

表2 中国燃煤发电主要阶段水足迹分析数据来源

2 结果与讨论

2.1 中国燃煤发电水足迹

如图2、图3 所示，在2000—2020 年，中国燃煤发电的总水足迹逐年上升，从160 亿立方米增加到661亿立方米。其中，2020 年蓝水足迹和灰水足迹分别达到了117 亿立方米和544 亿立方米。尤其是在2000—2010 年增长迅速，主要是因为2004 年，煤电油运空前紧张，导致原煤产量开始增加[27]。而在2016 年国家开始发布煤炭去产能的相关政策[28]，原煤产量就会受到控制。另外，相比蓝水足迹，灰水足迹占比较大，为76%～83%。中国燃煤发电单位水足迹为12.4 ～15.6 m3/MW·h，2000—2020 年，单位水足迹呈现先增高再降低的趋势，2015 年达到最大值15.6 m3/MW·h。其中每个阶段的蓝水足迹均不断减少，其从2020 年的3.5 m3/MW·h 降为2000 年的2.2 m3/MW·h；灰水足迹呈现先增高再降低的趋势，2005 年达到最大值12.4 m3/MW·h。水足迹出现降低的趋势主要是因为技术水平的提高，因此通过技术创新来减少单位水足迹是很有必要的。

图2 2000—2020年中国燃煤发电生命周期各阶段蓝水和灰水足迹、单位蓝水和灰水足迹

图3 2000—2020年中国燃煤发电生命周期各阶段蓝灰水足迹占比

在燃煤发电整个生命周期中，燃煤发电的间接水足迹占总的水足迹的36%～45%，尤其是灰水足迹占总的水足迹的34%～41%。因此，煤炭开采和煤炭加工对水的污染也要受到重点关注。从各过程来看，燃煤发电的蓝水足迹是最大的，占总水足迹的15%～18%，且其从2000 年的29.5 亿立方米增加到2020 年的106.6亿立方米。另外，燃煤发电生命周期各阶段的蓝水足迹也是不断上升的。这是因为每年的发电量在不断增加，蓝水足迹也会不断增加。其次是煤炭开采阶段的蓝水足迹，占比为2%～5%，并呈现先增加再减少的趋势，2010 年最高达到15.1 亿立方米。2010 年后国家发布对煤炭去产能的政策，导致煤炭开采受到限制[28]。煤炭加工阶段的蓝水足迹最小，且与煤炭开采蓝水足迹同样具有先增加再减少的趋势，这主要是因为原煤开采的数量直接影响洗煤的数量。

燃煤发电生命周期的各个阶段的废水排放对水质有重要的影响。表3 列出了2000—2020 年的中国燃煤发电生命周期各个阶段的主要污染物和灰水足迹。从污染物排放量（表1）来看，COD 是各阶段单位灰水污染物排放量最大的，但其排放水质标准限制（40 mg/L）远高于其他污染物。另外，各阶段的灰水足迹主要来源于氟化物，且其排放水质标准限制（1.5 mg/L）较低。 从燃煤发电生命周期各阶段来看，燃煤发电的灰水足迹是最大的，占比39%～48%。同样，因为发电量的不断增加，2000—2020 年灰水足迹从67.3 亿立方米增加到316.8 亿立方米。其次是煤炭开采阶段的灰水足迹，占比为34%～41%，期间灰水足迹从54.6 亿立方米增加到227.3 亿立方米。而煤炭加工阶段的灰水足迹最小。因此，煤炭开采对水质的影响也备受关注。

表3 2000—2020年中国燃煤发电主要阶段灰水足迹

2.2 省级燃煤发电水足迹

图4 显示了2000—2020 年中国燃煤发电的省级水足迹，其整体处于一个上升的状态。其中，内蒙古、山西、陕西、山东和新疆的水足迹较为显著，在2020 年分别达到了93.7 亿立方米、84.4 亿立方米、54.5 亿立方米和38.0 亿立方米。这主要是由于这些省份所在地区的煤炭资源较为丰富或者燃煤发电量较大，如山西、内蒙古、陕西和新疆2020 年的煤炭开采量在全国排名分别是第一、第二、第三和第四，而山东2020 年的火力发电量排名第一。

图4 2000年、2010年和2020年中国燃煤发电的省级水足迹

内蒙古、山西、山东和新疆也是水足迹增长最多的省份，分别增加了85.6 亿立方米、64.2 亿立方米、37.4亿立方米和35.1 亿立方米。其中，新疆是水足迹增长最快的省份，增长了10 倍。这主要是因为内蒙古的火力发电量从2010 年排名第四升到2020 年排名第二，且其煤炭开采量在2005—2010 年增加亦较快；山西的发电量从2000—2020 年增长了4 倍；山东的火力发电量在2000—2015 年排名第二，2015 年之后跃居第一；另外，新疆的煤炭开采量从2005 年特别是2015 年之后开始猛增，于2020 年跃居第四，其燃煤发电量在迅速增长至2020 年的全国第五位。

2.3 虚拟水流动格局

煤炭资源以及煤电生产的空间分布结构与能源消费的空间分布结构不匹配，而煤电供需的空间差异又决定了能源的跨省跨区域输送。由于发电结构不同，不同省份的用水强度存在一定差异，虚拟水流动的格局也会受到影响。

图5 显示了2000 年和2020 年的中国省际燃煤发电虚拟水流动格局。由于2000 年中国的 “西电东送” 工程全面启动，省际电力输送增多，导致省际虚拟水流动变多，虚拟水流动总量从2000 年的4.0 亿立方米增加到15.7 亿立方米。2000 年，主要输出区为山西、安徽和内蒙古，虚拟水输出量分别为1.46 亿立方米、0.59 亿立方米和0.56亿立方米，占各自省份蓝水足迹的54%、35%和34%。主要输入区为北京、江苏、辽宁、河北和上海，虚拟水输入量分别为0.84 亿立方米、0.58 亿立方米、0.56 亿立方米、0.29 亿立方米和0.26 亿立方米。2020 年，主要输出区为内蒙古、安徽、宁夏、陕西和新疆，虚拟水输出总量分别为2.95 亿立方米、1.68 亿立方米、1.45 亿立方米、1.34亿立方米和1.16 亿立方米，占各自省份蓝水足迹的32%、27%、46%、28%和19%。主要输入区为山东、浙江、江苏、广东和河北，虚拟水输入总量分别为2.04 亿立方米、1.96亿立方米、1.80 亿立方米、1.45 亿立方米和1.20 亿立方米。

图5 2000年和2020年的中国省际煤电相关虚拟水流动格局

西北地区拥有丰富的煤炭资源，是煤炭和电力的主要出口地区。除安徽之外的虚拟水输出区都是西北地区省份。内蒙古、山西、山东和新疆是2000—2020 年水足迹增长最多的省份。然而西北地区也是全国缺水最严重的地方[29-30]。因此，协调西北地区的水资源和能源资源开发是中国燃煤发电产业可持续发展的基础。

2.4 与其他研究对比

近年来，有许多学者对燃煤发电的水足迹进行了研究。表4 显示了中国尺度不同水足迹研究的结果。由于研究边界、研究方法和数据来源的不同，实测的水足迹是有差异的。

表4 中国燃煤发电水足迹相关研究结果

如表4 所示，中国燃煤发电的单位蓝水足迹的范围是1.15 m3/MW·h 至3.90 m3/MW·h，与本研究结果相似。

单位灰水足迹的其他研究结果范围从0.39 m3/MW·h 到17.67 m3/MW·h 不等，差别较大，本研究结果在此范围内。DING 等[6]仅基于COD 进行分析，结果表明，中国燃煤发电的单位水足迹仅为0.39 m3/MW·h。在众多排放污染物中，虽然COD 是各阶段单位灰水污染物排放量最大的，但其排放水质标准限值（40 mg/L）远高于其他污染物。而CHAI 等[31]是基于石油进行分析，所以差别较大。因此需要不同的污染物对水质的影响进行分析。因为本文考虑了锌、氟化物、COD、石油类和硫化物作为主要污染物，结果表明灰水足迹主要来源于氟化物，主要是因为其排放水质标准限值（1.5 mg/L）较低。

2.5 研究不足

本研究尚存在一些不足之处，如本文数据来源较多，除了来自统计年鉴之外，也来自很多文献，由于一些参考文献与本研究的研究区域和时间尺度不同导致数据获取口径不一致，从而会产生误差。

另外如模型存在一定的不确定性。由于本文研究的水足迹忽略了煤炭运输和电力输送阶段，虽然由于其比重往往较低不会对计算结果产生较大影响，但是会使得评价数值偏低。最后在灰水足迹计算方面，本研究只选择了五种主要的燃煤废水污染物，可能还需分析其他污染物对水质的影响，从而得出较全面的结果。

3 结论

本文建立了中国燃煤发电水足迹评估模型，定量分析了2000—2020 年中国燃煤发电整个生命周期的用水量和废水对环境的影响，刻画了中国各省燃煤发电的水足迹以及跨省煤电运输所产生的虚拟水的时空变化特征，阐明燃煤发电行业所面临的水资源限制和废水污染问题。

结果显示，中国燃煤发电水足迹一直处于增长的状态，2000—2020 年增长了312%，但是在2010 年之后增长的趋势减慢。单位蓝水足迹一直呈现下降的趋势，单位灰水足迹在2005 年之后也呈现下降的趋势。在燃煤发电整个生命周期中，燃煤发电的间接水足迹占总的水足迹的36%～45%，尤其是灰水足迹占总的水足迹的34%～41%。中国的水资源和能源资源的省级分布表现出明显的空间差异性。西北地区有着丰富的煤炭资源，然而能源消费主要集中在煤炭资源贫乏的东部和南部地区。煤电生产量和消费量以及煤电生产需水量和水资源拥有量高度不平衡。

上述分析表明，间接水足迹也发挥着重要的作用，燃煤发电的上游过程包括煤炭开采和煤炭加工在内的水消耗不能忽视且对水环境产生较大的影响。根据虚拟水流动分析，虚拟水流动总量处于增长的状态，这一定程度上解决了能源分布不平衡的问题。但是西北地区作为主要输出区，水资源却贫乏。水资源协调管理是能源发展面临的主要挑战。