LEEEP研究之IPCC AR6特辑 | 快速城市化流域中碳-能源-水关系的一般均衡分析

题目

Modeling the carbon-energy-water nexus in a rapidly urbanizing catchment: A general equilibrium assessment

作者

Qiong Su, Hancheng Dai, Yun Lin, Huan Chen, Raghupathy Karthikeyan

期刊

Journal of Environmental Management

时间

November 2018

一作

单位

Department of Water Management & Hydrological Science, Texas A&M University, College Station, TX 77843, USA

链接

https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.07.071

研究背后

本研究结合IMED|CGE和系统动力学与水环境模型（SyDWEM），对中国快速城市化流域的未来能源使用、二氧化碳排放、经济增长、水资源压力和水质变化等方面进行预测，被IPCC AR6第三工作组在第六章（能源系统）中引用1次。

合作者苏琼博士，当时还在德州农工大学读博，这所大学的农业和水利专业是非常棒的。苏同学的博士委员会还有Bruce A. McCarl这样的大神级人物（自行脑补：IAMs建模必备GAMS语言的Expanded User Guide作者）。这也是当年我们结合各自长处——我在能源经济模型的专长，以及她在水文水质模型方面的长年积累，通过不断的远程头脑风暴第一次尝试Energy-Carbon-Water Policy Nexus方面的交叉合作，该系列另一篇文章发表在ES&T（注1）上，可惜没被IPCC引用~，不过ES&T这篇文章的升级版便是今年发表在 One Earth的这篇“碳中和将使中国实现工业用水红线目标”（注2）。看来，IAMs领域好的idea从动念头到发表，反复折腾个三五年也是常有的事儿，太有挑战性啦！

注1：Su, Dai*, et al, General equilibrium analysis of the cobenefits and trade-offs of carbon mitigation on local industrial water use and pollutants discharge in china, Environmental Science & Technology, 2019, 53 (3): 1715–1724

注2：Liu#, Dai#, et al., Achieving carbon neutrality enables China to attain its industrial water use target, One Earth, 2022, 5 (2): 188-200

研究背景

本研究采用IMED|CGE模型和系统动力学与水环境模型（SyDWEM）相结合的方法，对中国快速城市化流域未来的能源利用、二氧化碳排放、经济增长、水资源压力和水质变化进行了预测，评估了二氧化碳减排策略和水工程措施的效果。

采用的IMED|CGE模型涵盖25个部门，并利用深圳2007年投入产出表和2007年能量平衡表对基准年进行了校正，主要模拟CO₂减排策略对城市层面社会经济和能源系统的影响；而SyDWEM模型主要用于模拟社会经济、水基础设施和深圳漂流子流域系统。

图1 可计算一般均衡(IMED|CGE)模型和系统动力学与水环境模型(SyDWEM)

本研究设置了C0E0、C1E0、C0E1和C1E1四个情景，分别代表是否采取碳减排政策以及是否采取工程节水措施。具体来看，C0E0（参考情景）：没有实施二氧化碳减排策略或工程措施；C1E0情景：仅实施二氧化碳减排策略；C0E1情景：仅实施工程措施。水工程措施可分为三类，(1)提高用水效率(M1, M2)；(2)增加供水能力(M3, M4)；(3)提高污水基础设施系统效率(M5、M6)；C1E1情景：同时实施二氧化碳减排策略和工程措施。具体情景设置如图：

表1 情景参数设置

研究结果

能源消耗和二氧化碳排放

研究发现，C0E0情景下，一次能源消费总量在2025年将增加到0.46EJ，但在C1E0情景下，一次能源消费在2015-2020年呈下降趋势，到2025年略有增加，为0.17EJ，仅为参考情景的41%（图2）。C0E0情景的二氧化碳排放的趋势与一次能源消费一致，从2007年的6970万吨增长到2025年的31790万吨；然而随着CO₂排放强度的制约，2015年后CO₂排放呈下降趋势。减缓二氧化碳排放的战略可以大幅度减少能源使用和二氧化碳排放，提高能源使用效率和碳强度，因此，纺织、食品生产、化工、非金属等典型的能源和碳密集型产业由于碳排放相对较高，产量将会大幅下降，从而导致产业结构低碳化转型。

图2 C0E0和C1E0情景下深圳一次能源消费总量、CO₂排放、GRP和劳动力的年变化

GRP和劳动力

C0E0情景下，2025年国内生产总值将从2010年的2296亿元增加到8180亿元。GRP在城镇化初期，即1990-2000年间增长非常迅速，但在2007年后增长率放缓至8.0%左右，主要是由于各行政区域的资本回报率下降。C1E0情景下的GRP变化曲线与C0E0情景下的GRP变化曲线基本重合，2025年C0E0情景下的GRP损失为0.7%。

劳动力转移是深圳人口增长的主要决定因素，但近年来由于经济增速的放缓和劳动生产率的提高，平均年增长率远低于城市化初期，C0E0情景下年均增长1.2%，劳动力需求预期从2007年的312万增加到2025年的385万。而在C1E0情景下，预计劳动力需求年平均增长率较低，为0.9%。

水资源压力

2010年~2025年，C0E0情景下深圳河口的需水量将持续增长，从238万m³/d增至408万m³/d（图3）。由于水资源需求的增长远大于潜在的水资源供应，水资源短缺系数WSI在2015年后迅速增长，到2025年达到1.46，意味着深圳河口在将来会面临严重的水资源短缺。

与C0E0情景相比，水工程措施的实施(C0E1)将使得2025年水总需求减少8.1%，水资源短缺系数减少30.7%。当临近2025年时，C0E1情景的水资源短缺系数将趋近于1，尽管仅实施了工程措施，但水的需求和供应依然处于平衡。而CO₂减排策略的实施（C1E0)使得2025年总需水量将比C0E0减少0.8%，其中住宅部门减少4.1%，劳动密集型行业减少16.8%，然而资本密集型行业水需求将增加13.9%。工程措施和二氧化碳减排策略使得2025年水总需求相对于C0E0情景减少12.2%，水总供应随之调整达到平衡。

图3 不同情景下的总需水量、WSI和部门需水量的年度变化

水质变化

2010年-2025年参考情景下，住宅和工业部门的BOD₅和NH₃-N总量分别增长了38.5%和27.2%，因此E0C0情景下，预计排放入河的BOD₅和NH₃-N大幅增长，2025年总量分别增长37.9%和27.5%（图4）。

图4 2010 - 2025年不同情景下BOD₅和NH₃-N排放

二氧化碳减排策略(C1E0)对消减污染物产生有协同效应，即2025年的BOD₅和NH₃-N总量与C0E0情景相比将分别减少4.2%和4.4%。水工程措施可进一步减少污染物排放，与C0E0情景相比，预计到2025年，C0E1情景下的BOD₅和NH₃-N排放量将分别减少50.1%和53.5%。

潮汐和污水排放的共同影响，使得各站的水质差异很大。在S03站和S05站，NH₃-N浓度在C0E0情景下呈轻微下降趋势，但从2010年到2025年，各站水质却继续恶化。C1E0情景下，四个监测站的水质较C0E0情景均略有改善，即S01、S03、S05和S06时的BOD₅和NH₃-N浓度分别下降了0.7、2.7%和1.3、5.2%。工程措施的推行(C0E1)，预计到2025年，BOD₅和NH₃-N排放量将比2010年分别减少29.0%和38.8%，水质将在2010年至2025年间得到大幅改善（图5）。除河流中游部分截面河段，深圳河口水质基本满足Hu等(2007)和Su等(2014)研究中提出的消除黑臭水体的水质标准，BOD5平均浓度低于10 mg/L和NH3-N平均浓度低于6 mg/L（图6）。

图5 2010 - 2025年4个站点在不同情景下的 BOD₅和NH₃-N浓度变化

图6 2025年不同情景下退潮和洪涝期间BOD₅和NH₃-N浓度的空间分布

研究结论

水工程措施可以大大缓解水资源压力。从需求侧方面，通过提升工业水循环利用技术、减少管道泄漏等工程措施可以提高用水效率；从供水方面看，工程措施可以通过增加输水定额和污水回用来增加潜在的供水。通过建设新的污水处理厂，提高现有污水处理厂的污水处理能力和效率，可以大大减少污染物排放，改善水质，但单靠工程措施无法达到研究区水质改善目标，需要与二氧化碳减排相关政策“双管齐下”。

劳动密集型产业应该更加重视清洁技术，以减少能源和水的需求以及污染物的排放，同时为了促进清洁技术的使用，政府应当推行水价调整、排放交易等经济激励措施。地方政府还应在公共和家庭公用事业中推广节水器具，以减少住宅用水需求和电力供应行业的海水冷却。

CO₂减排策略可以降低能源和水资源密集型产业的产出，从而促进当地产业结构调整，而且它对生活、工业用水以及减少污染物排放的协同效益，对于满足当地用水需求和实现水质改善目标具有重要意义。虽然目前的研究集中在中国东南部快速城市化的流域，但该框架也可用于其他城市化流域，特别是人口和经济快速变化的发展中国家。但分析领域和子模块的选择可能存在区域差异。

编辑：张思露

排版：张思露

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