貢 力,董洲全,賈治元,楊騰騰,喻星博
(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué)調(diào)水工程及輸水安全研究所,甘肅 蘭州 730070)
隨著碳達(dá)峰、碳中和“3060”戰(zhàn)略的實(shí)施,中國(guó)持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。為適應(yīng)碳達(dá)峰、碳中和“3060”背景的戰(zhàn)略需要,水利事業(yè)發(fā)展的總量和結(jié)構(gòu)也必將并行調(diào)整、優(yōu)化和完善,水利行業(yè)專業(yè)人員需要及時(shí)、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)到碳達(dá)峰、碳中和“3060”國(guó)家戰(zhàn)略帶給水利行業(yè)的影響并據(jù)此研判未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),這對(duì)水利行業(yè)低碳技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。
圍繞碳達(dá)峰、碳中和國(guó)家戰(zhàn)略需求,深入推進(jìn)水利工程低碳理念與技術(shù)革新,不僅可助力流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、推進(jìn)“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃實(shí)施,還可促進(jìn)實(shí)現(xiàn)“3060”目標(biāo),完成國(guó)家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。水利工程作為中國(guó)新能源發(fā)展的主要工程之一,2021年中國(guó)水利建設(shè)投資達(dá)7576億元。因此,當(dāng)前亟需針對(duì)碳中和背景下水利行業(yè)低碳技術(shù)的戰(zhàn)略趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)研究,揭示水利行業(yè)低碳技術(shù)對(duì)碳中和戰(zhàn)略實(shí)施的促進(jìn)機(jī)制,明確未來(lái)水利行業(yè)低碳技術(shù)的革新發(fā)展方向和技術(shù)思路,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳中和背景下中國(guó)水利行業(yè)低碳技術(shù)理論和技術(shù)的跨越式發(fā)展。
水利行業(yè)的碳中和主要是指在水資源、水工程等方面使所排放和產(chǎn)生的CO2處于一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)[1]。本文將針對(duì)水利行業(yè)低碳技術(shù)的研究熱點(diǎn),從水利行業(yè)面向碳中和的共性支撐技術(shù)、一體化技術(shù)和利用技術(shù)三類技術(shù)出發(fā),聚焦基于碳中和的低碳模型構(gòu)建與決策、智慧水電一體化技術(shù)、水資源利用與保護(hù)技術(shù)等低碳手段,探索水利行業(yè)低碳技術(shù)。
本文基于Cite Space軟件繪制知識(shí)圖譜[2],以Web of Science(WOS)數(shù)據(jù)庫(kù)和中國(guó)知網(wǎng) CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源,將時(shí)間跨度設(shè)為 2011—2021年,時(shí)間分區(qū)設(shè)為1年。在WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中以TS =(carbon neutral)AND TS =(water)為檢索條件,在CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中以主題=“碳中和”和主題=“水”為檢索條件,通過(guò)檢索共得到中文文獻(xiàn)880篇,英文文獻(xiàn)372篇。
年度發(fā)文量能夠全面反映我國(guó)水利行業(yè)碳中和技術(shù)的整體發(fā)展趨勢(shì),2011—2021年水利行業(yè)碳中和技術(shù)研究發(fā)文量如圖1所示,從圖1可以看出,水利行業(yè)的發(fā)文情況可大致分為2個(gè)階段。2011—2021年CNKI和WOS發(fā)表文獻(xiàn)的數(shù)量均在0~90篇之間,其中2015—2016年WOS發(fā)表文獻(xiàn)的數(shù)量出現(xiàn)了較緩的增長(zhǎng),引起這一現(xiàn)象的原因可能是2015年《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》的第21屆締約方大會(huì)通過(guò)《巴黎協(xié)定》;2020—2021年CNKI和WOS發(fā)表文獻(xiàn)的數(shù)量均呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì),主要是因?yàn)橹袊?guó)在2020年提出的“3060”戰(zhàn)略目標(biāo),這對(duì)水利行業(yè)碳中和技術(shù)的發(fā)展起到了重要推動(dòng)作用。從整體上看,CNKI 2011—2021年平均發(fā)文量為62篇,高于同期WOS平均發(fā)文量24篇;在2020年之后,兩者均快速增長(zhǎng),CNKI在2021年的發(fā)文量達(dá)到了253篇,WOS在同期也達(dá)到了131篇。
圖1 2011—2021年水利行業(yè)碳中和研究發(fā)文量
從研究的學(xué)科分布來(lái)看,水利行業(yè)低碳技術(shù)在CNKI中主要集中在環(huán)境科學(xué)與資源回收、金屬學(xué)及金屬工藝、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科;在WOS中主要集中在能量燃料、化學(xué)工程、物理化學(xué)等學(xué)科??梢?jiàn)該技術(shù)呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合的特征?;贑NKI和WOS數(shù)據(jù)庫(kù)水利行業(yè)碳中和研究學(xué)科分布如圖2所示。
圖2 水利行業(yè)碳中和研究學(xué)科分布
基于Cite Space軟件通過(guò)關(guān)鍵詞共現(xiàn)來(lái)分析水利行業(yè)碳中和領(lǐng)域的研究前沿及熱點(diǎn)[3],并繪制水利行業(yè)碳中和研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜。從圖3可以看出,CNKI關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜中呈現(xiàn)出以碳中和為核心、多領(lǐng)域共同發(fā)展的趨勢(shì)。碳中和、碳達(dá)峰、可再生能源等關(guān)鍵詞的詞頻最高,究其原因可能是中國(guó)在2020年提出的“3060”戰(zhàn)略目標(biāo)。與CNKI關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜所不同的是,在WOS關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜中,該領(lǐng)域呈現(xiàn)出多核心發(fā)展態(tài)勢(shì),其中水(water)、能源(energy)、性能(performance)頻次最高。
圖3 水利行業(yè)碳中和關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜
“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)涉及多學(xué)科、多層次、多維度的研究與改進(jìn)[4],本文對(duì)當(dāng)前水利行業(yè)面向碳中和的低碳前沿技術(shù)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)水利行業(yè)面向碳中和的共性支撐技術(shù)、一體化技術(shù)和利用技術(shù)是未來(lái)三大研究熱點(diǎn)。水利行業(yè)面向碳中和的前沿技術(shù)體系框架如圖4所示。
2.1.1 低碳模型構(gòu)建與決策
低碳模型的構(gòu)建與決策對(duì)于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著不可忽視的作用。近年來(lái)隨著各個(gè)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,不可避免地產(chǎn)生了大量的CO2等溫室氣體,引起全球氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā),而搭建實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的區(qū)域內(nèi)成效監(jiān)測(cè)體系和構(gòu)建碳排放模型,可以實(shí)現(xiàn)CO2排放量的動(dòng)態(tài)掌握,進(jìn)而為政府部門(mén)的決策提供支撐。袁鸞等[5]以粵港珠江三角洲為例,建立了區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的成效評(píng)估指標(biāo)體系,該體系可以快速準(zhǔn)確地獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)而為決策者提供理論支撐;賀媛媛[6]通過(guò)創(chuàng)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)-內(nèi)聯(lián)決策指數(shù)法,構(gòu)建了區(qū)域低碳發(fā)展政策的理論體系,該體系通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)了客觀決策,這就極大地避免了決策者的主觀干擾,可以使成效監(jiān)測(cè)體系的建立以及政府部門(mén)的決策更加全面、公正。此外,沈菊琴等[7]針對(duì)2021年鄭州特大暴雨,構(gòu)建了碳排放測(cè)度模型和STIRPAT模型,研究水利工程與碳排放的關(guān)系,為政府節(jié)能減排政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。
碳中和背景下,水利行業(yè)面向碳中和的低碳模型構(gòu)建與決策應(yīng)向統(tǒng)籌化與多元化協(xié)同發(fā)展,其發(fā)展方向主要包括:①建成面向水利行業(yè)的國(guó)家碳中和成效監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系和決策支撐系統(tǒng),包括基于水利行業(yè)特點(diǎn)的碳減排進(jìn)程與成效監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系、數(shù)據(jù)采集體系、碳達(dá)峰碳中和脫碳成本模型。②針對(duì)日益復(fù)雜的氣候環(huán)境所導(dǎo)致的災(zāi)害,建立水利工程與碳排放量的模型關(guān)系。③水利行業(yè)面向碳中和的低碳模型發(fā)展多元化。針對(duì)水、風(fēng)、光等新能源的消納問(wèn)題,未來(lái)繼續(xù)優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)度模型[8],進(jìn)而降低新能源的棄用率,實(shí)現(xiàn)各類能源的高效利用。
2.1.2 大數(shù)據(jù)下水利工程全生命周期碳排放量核算及指標(biāo)構(gòu)建
如何基于大數(shù)據(jù)背景下對(duì)水利工程全生命周期碳排放量進(jìn)行核算及指標(biāo)構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。水利工程全生命周期碳排放量的核算是未來(lái)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵基礎(chǔ),而構(gòu)建科學(xué)合理的水利工程全生命周期碳排放指標(biāo)對(duì)評(píng)估碳排放造成的影響至關(guān)重要。此外,針對(duì)碳排放量核算和指標(biāo)不易確定等問(wèn)題,引入基于大數(shù)據(jù)下的云計(jì)算、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),可進(jìn)一步提高碳排放量核算和指標(biāo)構(gòu)建的智慧化,進(jìn)而對(duì)碳排放量進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè),助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和。
碳中和背景下,目前國(guó)際上通用的碳排放量核算方法主要有實(shí)測(cè)法、排放因子法、物料衡算法[9]。彭琛等[10]研究發(fā)現(xiàn), 實(shí)測(cè)法和物料衡算法均不適合建筑領(lǐng)域碳排放量的核算,因此對(duì)其核算主要依托于排放因子法。而水利工程投資規(guī)模大、生命周期長(zhǎng),其碳排放量核算以碳足跡分析為基礎(chǔ),形成PA-LCA、EIO-LCA法和混合生命周期評(píng)價(jià)方法[11]。上述方法可為工程中的碳減排提供技術(shù)和理論支撐,但在碳排放核算范圍界定、數(shù)據(jù)庫(kù)建立等方面還存在局限性,對(duì)此未來(lái)將展開(kāi)進(jìn)一步研究。碳中和背景下,有關(guān)碳排放指標(biāo)的構(gòu)建研究主要集中在低碳經(jīng)濟(jì)[12]、低碳城市[13]等方面。近年來(lái)有學(xué)者對(duì)低碳建筑構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[14],但對(duì)水利工程全生命周期碳排放指標(biāo)的構(gòu)建還缺乏相關(guān)的研究。
2.1.3 面向碳交易的檢測(cè)技術(shù)
碳交易作為一種新型市場(chǎng)化的節(jié)能機(jī)制,不僅對(duì)控制污染有著重要的作用,而且還可以促進(jìn)低碳節(jié)能技術(shù)的推廣。碳交易是政府根據(jù)企業(yè)的減排承諾,向企業(yè)分配碳排放配額,企業(yè)排放的CO2若低于該配額,則企業(yè)可向外出售;若高于此配額,則需要購(gòu)買額外配額或繳納罰款[15]。在此背景下,企業(yè)必須發(fā)展CO2的檢測(cè)措施,從而實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握企業(yè)自身CO2的排放量,并以此為碳交易提供技術(shù)支撐。同時(shí)還需研究碳交易制度下對(duì)企業(yè)的精準(zhǔn)激勵(lì)措施,構(gòu)建政府企業(yè)居民協(xié)同共治的碳交易機(jī)制。
針對(duì)水利行業(yè)CO2的排放,開(kāi)展相應(yīng)的檢測(cè)對(duì)碳交易是非常必要的。目前CO2氣體的檢測(cè)方法其主要有氣相色譜法、電化學(xué)法、固體電解式、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)、光纖檢測(cè)法、非分光型紅外光譜法等。通過(guò)分析不同方法的優(yōu)缺點(diǎn),發(fā)現(xiàn)TDLAS和非分光型紅外光譜法具有較高的檢測(cè)靈敏度和高可靠性。TDLAS可以短時(shí)間內(nèi)獲得被測(cè)氣體完整的光譜信號(hào)[16],而且采用的可調(diào)諧激光二極管成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;非分光型紅外光譜法[17]是國(guó)際上統(tǒng)一認(rèn)定的CO2檢測(cè)技術(shù),這種檢測(cè)技術(shù)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、相較于其他檢測(cè)技術(shù)成本低,而且由于其可以直接在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn),因此具有可行性。
2.2.1 智慧水電一體化技術(shù)
水力發(fā)電作為我國(guó)能源革命轉(zhuǎn)型的重要保障,不僅只有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,而且相較于其他發(fā)電方式具有較大的優(yōu)勢(shì)[18]。水電站按其建設(shè)規(guī)??煞执笏姾托∷?大水電在科學(xué)調(diào)度、能源消納等方面存在管理和技術(shù)難題,而小水電在一定程度上可以避免此類問(wèn)題,因此應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智慧水利建設(shè),實(shí)現(xiàn)大小水電的協(xié)調(diào)管理[19]。一體化大數(shù)據(jù)平臺(tái)作為智慧水電一體化的核心組成要素,通過(guò)融合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù),為海量數(shù)據(jù)匯聚、治理、共享、服務(wù)等提供高效支撐。通過(guò)智慧調(diào)度,在汛期水量豐富時(shí)充分利用大水電的調(diào)度、蓄水等能力,使水資源得到充分利用;在枯水期利用大水電汛期蓄的水,保障區(qū)域內(nèi)的用電需求。但隨著風(fēng)電等間歇性能源的并網(wǎng),進(jìn)一步加劇了輸送壓力,其運(yùn)行管理及大規(guī)模消納問(wèn)題成為目前亟須解決的關(guān)鍵難題。
碳中和背景下,新能源并網(wǎng)后的運(yùn)行管理問(wèn)題,主要通過(guò)研發(fā)大水電、小水電、抽水蓄能電站與其他能源的智慧一體化調(diào)度系統(tǒng),構(gòu)建高效合理的交互運(yùn)行手段等措施來(lái)解決。針對(duì)新能源大規(guī)模消納問(wèn)題,可通過(guò)研發(fā)多能互補(bǔ)系統(tǒng)變革性技術(shù)來(lái)解決[20-21]。對(duì)于偏遠(yuǎn)山區(qū)的水電站建設(shè),未來(lái)應(yīng)因地制宜地發(fā)展離網(wǎng)型水風(fēng)光聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)[22]。此外,未來(lái)應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的不同特點(diǎn)建立水風(fēng)光儲(chǔ)一體化的能源消納系統(tǒng),中國(guó)東部地區(qū)土地資源緊張且開(kāi)發(fā)成本高,因此未來(lái)可發(fā)展水面光伏、海上發(fā)電-光伏開(kāi)發(fā)和近地消納;西部地區(qū)由于消納能力低,且風(fēng)光等能源不可儲(chǔ)存、不可調(diào)節(jié),因此可將風(fēng)光能源接入流域梯級(jí)水電系統(tǒng)[23],最大限度地挖掘和發(fā)揮多能互補(bǔ)潛力和優(yōu)勢(shì),再聯(lián)合打捆外送,實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。
2.2.2 CO2地質(zhì)封存技術(shù)
CO2地質(zhì)封存技術(shù)(簡(jiǎn)稱CCS)是一種成本低、效率高的減排手段[24],其技術(shù)路徑是通過(guò)物理吸附法、化學(xué)吸附法、富氧燃燒法、膜分離法等技術(shù)對(duì)大氣中的CO2進(jìn)行捕集,經(jīng)壓縮處理后采用石油或天然氣的鉆井技術(shù)注入封閉的地下儲(chǔ)層[25]。從宏觀上看,地下儲(chǔ)層上層的巖石、泥巖對(duì)封存后的CO2遷移起到了阻滯作用;從微觀上看,地質(zhì)巖層中的毛細(xì)管力將封存的CO2固定在巖層孔隙中,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)封存[26];從碳的資源化角度看,封存的CO2與地底巖石發(fā)生反應(yīng)生成礦物質(zhì),在一定程度上為石油、煤層氣企業(yè)強(qiáng)化驅(qū)替增采[27]。
對(duì)CO2進(jìn)行地質(zhì)封存時(shí)還需考慮對(duì)環(huán)境的影響,主要因?yàn)榉獯婧蟮腃O2存在泄露風(fēng)險(xiǎn)。Benson[28]發(fā)現(xiàn)CO2泄露風(fēng)險(xiǎn)較高的時(shí)段主要是在開(kāi)始封存至封存結(jié)束的時(shí)間,因此應(yīng)該對(duì)該時(shí)段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)手段主要有測(cè)井法、環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)等[29]。對(duì)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)也需要進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別和控制,目前識(shí)別方法主要有特征-事件-過(guò)程、故障模式和影響分析、故障樹(shù)分析[30]等。根據(jù)分析結(jié)果可進(jìn)一步提出易損性評(píng)估框架、篩選和排序框架、性能與風(fēng)險(xiǎn)[31]等評(píng)價(jià)方法。未來(lái)應(yīng)該把CO2封存技術(shù)與資源化技術(shù)相結(jié)合,并且對(duì)封存后的CO2進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以及對(duì)可能發(fā)生的CO2泄露進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和控制,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)與控制風(fēng)險(xiǎn)的一體化。在CO2地質(zhì)封存技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中還存在以下問(wèn)題:①CO2地質(zhì)封存的可注入性;②長(zhǎng)期安全性和封存潛力;③CO2地質(zhì)封存量計(jì)算方法;④如何進(jìn)一步提高非常規(guī)油氣藏、深層地?zé)岬拈_(kāi)采率。以上問(wèn)題也是未來(lái)有關(guān)CCS的關(guān)鍵基礎(chǔ)性問(wèn)題,這些問(wèn)題涉及地質(zhì)學(xué)、自然地理學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科,體現(xiàn)了多學(xué)科交叉融合的特征。
2.2.3 抽水蓄能電站建設(shè)與儲(chǔ)能一體化技術(shù)
我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不斷向清潔化、低碳化發(fā)展,但受地理環(huán)境等因素影響,水風(fēng)光等新能源均存在一定的棄用現(xiàn)象。以低碳排放量為導(dǎo)向,解決能源消納問(wèn)題的途徑主要有常規(guī)水電大規(guī)模開(kāi)發(fā)、推進(jìn)抽水蓄能電站建設(shè)和水風(fēng)光能源一體化3種。其中抽水蓄能電站被認(rèn)為是當(dāng)下最清潔的能源開(kāi)發(fā)技術(shù)之一,其儲(chǔ)能技術(shù)是解決新能源靈活性的重要手段[32]。與常規(guī)水電站不同的是,抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、調(diào)相、事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能,是目前最成熟、最可靠、最安全、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)潛力的儲(chǔ)能技術(shù)。
碳中和背景下,抽水蓄能電站的建設(shè)向統(tǒng)籌化、綠色化、一體化發(fā)展,其發(fā)展方向主要包括:①健全抽水蓄能電站開(kāi)發(fā)體制和電價(jià)機(jī)制。以電力市場(chǎng)供需為基礎(chǔ)進(jìn)行科學(xué)定價(jià),實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站在電量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)中具有自主選擇的自由,獲取投資收益。②打造抽水蓄能清潔能源系統(tǒng)。利用抽水蓄能的調(diào)節(jié)能力應(yīng)對(duì)風(fēng)光能源的間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性,保障電能質(zhì)量,同時(shí)使抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)及建造低碳化,并提高其自然碳匯能力。③研發(fā)遠(yuǎn)距離特高壓輸送技術(shù)。針對(duì)抽水蓄能電站的消納問(wèn)題,可進(jìn)一步研發(fā)遠(yuǎn)距離特高壓輸送技術(shù),將西部地區(qū)棄用水電通過(guò)該技術(shù)輸送到東部用電量較大的地區(qū),實(shí)現(xiàn)能源跨區(qū)域消納的一體化、高效化。④加大抽水蓄能電站建設(shè)力度,可以有力支撐風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化,構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng),服務(wù)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。
2.3.1 水資源利用與保護(hù)技術(shù)
水資源利用方面的碳減排主要是基于規(guī)范化的管理制度并結(jié)合高效水資源利用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的低碳化利用。從管理層面看,王忠靜等[33]提出了水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利,技術(shù)路徑是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ),建立水資源高效利用的水聯(lián)網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的高效管理;從技術(shù)層面看,水資源高效利用技術(shù)在國(guó)家戰(zhàn)略的支撐下得到了廣泛發(fā)展,如在石油生產(chǎn)、火力發(fā)電、煤炭燃燒等過(guò)程中利用生活污水、工業(yè)廢水等,提高石油采收率和燃煤的燃燒效率,實(shí)現(xiàn)了含碳資源的高效利用[34-36]。此外,貢力等[37]對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程進(jìn)行了研究,提出未來(lái)應(yīng)該把輸水工程與水面光伏系統(tǒng)相結(jié)合,利用長(zhǎng)距離輸水工程明渠沿線安裝架空式水面光伏,以提供清潔電能并實(shí)現(xiàn)替代減排,同時(shí)可抑制蒸發(fā),產(chǎn)生節(jié)水效應(yīng)。
碳中和背景下,應(yīng)在治污、開(kāi)源及節(jié)流等方面充分發(fā)揮水資源自身優(yōu)勢(shì)并結(jié)合高新技術(shù)不斷開(kāi)辟和優(yōu)化水資源利用與保護(hù)技術(shù),發(fā)展方向主要包括:①水環(huán)境治理過(guò)程的碳減排。通過(guò)污水管網(wǎng)改造修復(fù)、污水處理工藝優(yōu)化、高能耗設(shè)備更替、智慧化管理等多種組合措施,提高城鎮(zhèn)污水收集處理效能,同步減少溫室氣體的排放;通過(guò)開(kāi)展水源地保護(hù)、降低農(nóng)業(yè)面源污染等手段,減少進(jìn)入水體的污染物含量和污水產(chǎn)生量,從源頭提升水質(zhì),實(shí)現(xiàn)碳減排。②開(kāi)源的水資源利用。開(kāi)源就是增加非常規(guī)水資源的利用率,將工業(yè)廢水、生活污水處理后進(jìn)行二次利用[38]。此外,未來(lái)將聯(lián)動(dòng)地表水、地下水等多方水源,引入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù),實(shí)現(xiàn)多方水源的智能調(diào)配。③節(jié)流利用。節(jié)流就是從水資源的供給端、消費(fèi)端等角度減少水資源的消耗,如在農(nóng)業(yè)灌溉方面,通過(guò)確定作物不同階段的需水量,并結(jié)合高效節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)現(xiàn)水資源的合理使用,因此未來(lái)需要對(duì)氣候變化條件下不同作物的灌溉需水量的變化趨勢(shì)展開(kāi)研究。未來(lái)繼續(xù)秉持“山水林田湖草沙共治,人與自然和諧共生”的理念[39],深入推進(jìn)水資源的綜合保護(hù)工作,開(kāi)展污水大規(guī)模處理關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),采取治污、開(kāi)源、節(jié)流、調(diào)配等綜合措施。
2.3.2 生態(tài)系統(tǒng)固碳技術(shù)
實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)并不是單一要求零碳排放,而是通過(guò)將減少碳源和增加碳匯兩項(xiàng)措施有機(jī)協(xié)同起來(lái),使大氣中的CO2整體上處于下降的趨勢(shì)。生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)主要是生產(chǎn)者(植物)通過(guò)光合作用實(shí)現(xiàn)碳捕集和碳零排,生態(tài)系統(tǒng)具有重要的碳匯功能,是碳循環(huán)過(guò)程中最活躍的碳庫(kù)?!?030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力鞏固提升提出明確要求。高揚(yáng)等[40]對(duì)海洋生態(tài)固碳和陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳進(jìn)行了深入研究,認(rèn)為海洋生態(tài)固碳會(huì)造成海水酸化,對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的損害[41],而陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳目前雖相對(duì)安全,但其固碳技術(shù)仍需開(kāi)展實(shí)地觀測(cè)和生態(tài)碳儲(chǔ)量核算研究。從消費(fèi)者角度來(lái)看,由于人類生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的CO2等溫室氣體,因此在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中應(yīng)遵循統(tǒng)籌兼顧、和諧發(fā)展的理念,開(kāi)展生態(tài)友好型和資源節(jié)約型社會(huì)的建設(shè);從分解者角度來(lái)看,微生物一方面可以提高碳循環(huán)的速度,另一方面微生物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間沉積后會(huì)轉(zhuǎn)化為化石能源,因此未來(lái)應(yīng)對(duì)微生物功能展開(kāi)深入研究。
生態(tài)系統(tǒng)固碳技術(shù)[42]近年來(lái)得到了廣泛發(fā)展,該技術(shù)主要利用光合作用和微生物電化學(xué)固碳原理。光合作用固碳原理是高效固碳微生物體吸收無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的過(guò)程;微生物電化學(xué)固碳原理則是通過(guò)模仿光合作用,利用微生物陽(yáng)極氧化、陰極還原的技術(shù)構(gòu)建出一種人造固碳系統(tǒng),因此未來(lái)應(yīng)考慮生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和生物固碳技術(shù)協(xié)同發(fā)展;同時(shí),開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)價(jià)值評(píng)估研究,精準(zhǔn)評(píng)估生態(tài)固碳價(jià)值對(duì)促進(jìn)我國(guó)生態(tài)固碳減排的意義。
2.3.3 水利工程低碳材料技術(shù)
材料的低碳化處理是實(shí)現(xiàn)減少工程生命周期碳排放的重要途徑,而對(duì)于水利工程來(lái)說(shuō),混凝土是最常用的材料,為了2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo),發(fā)展基于低碳技術(shù)的混凝土材料勢(shì)在必行。目前低碳材料主要有復(fù)合水泥、地聚合物以及再生骨料等,其中復(fù)合水泥可使碳排放量降低30%~50%。相比復(fù)合水泥,地聚合物具有更大的碳減排潛力,可使碳排放量降低44%~64%[43-44]。針對(duì)中國(guó)建筑垃圾排量大等特點(diǎn),大量學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于再生骨料的研究,發(fā)現(xiàn)再生骨料在運(yùn)輸、回收階段具有碳減排潛力[45],結(jié)合CO2碳化強(qiáng)化技術(shù)可使再生骨料品質(zhì)進(jìn)一步提升,這對(duì)于碳減排具有重要意義[46]。
碳中和背景下,水利行業(yè)低碳材料技術(shù)的發(fā)展應(yīng)多元化,發(fā)展方向主要包括:①提高材料的耐久性,延長(zhǎng)使用壽命,從宏觀上減少建筑材料的使用量,進(jìn)而降低碳排放量;②針對(duì)固體廢棄物利用率低等問(wèn)題,開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān);③開(kāi)展面向水利行業(yè)的低碳工程技術(shù)研究,通過(guò)微生物的礦化功能實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫自愈,延長(zhǎng)混凝土使用壽命。
2.3.4 發(fā)展富余水電制氫技術(shù)
氫能被認(rèn)為是當(dāng)下最具有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉碵47]。新能源的消納問(wèn)題應(yīng)以國(guó)家戰(zhàn)略為方向指引,結(jié)合高效制氫技術(shù),積極推動(dòng)富余水電制氫,實(shí)現(xiàn)多種能源跨時(shí)空配置,構(gòu)建氫能的“源端經(jīng)濟(jì)”[48],將棄用的新能源轉(zhuǎn)化為氫能,從而解決富余水、風(fēng)、光等新能源的消納問(wèn)題。
對(duì)富余水電主要是通過(guò)電解水制氫技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存[49]。電解水制氫工藝的優(yōu)點(diǎn)是全生命周期碳排放量低、氫氣利用率高且能消納多余的水電[50]。有學(xué)者對(duì)電解水制氫中的電解質(zhì)選擇進(jìn)行了研究[51],發(fā)現(xiàn)固體氧化物電解槽能耗低,能量轉(zhuǎn)化效率高,因此未來(lái)可重點(diǎn)關(guān)注并提前布局[52]。
我國(guó)氫能需求量將在2030年達(dá)到3715t,因此從氫能供給側(cè)結(jié)構(gòu)出發(fā),將氫能供給結(jié)構(gòu)從非低碳能源逐步轉(zhuǎn)型為以水電等新能源為主的低碳清潔氫[53],這對(duì)于碳中和背景下氫能的供需平衡意義重大。利用富余水電制氫可以實(shí)現(xiàn)零碳排放,而且能夠有效解決 “棄水、棄風(fēng)、棄光”問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)各類能源負(fù)載的移峰填谷,但該技術(shù)也面臨一定的困難和挑戰(zhàn),如水、風(fēng)、光并網(wǎng)對(duì)電解水制氫體系的影響、制氫電價(jià)是否合理、氫氣利用的方式是否具有競(jìng)爭(zhēng)性等問(wèn)題,未來(lái)都應(yīng)展開(kāi)進(jìn)一步研究。
本文結(jié)合中國(guó)水利行業(yè)的碳排放量現(xiàn)狀,指出水利行業(yè)面向碳中和的共性支撐技術(shù)、一體化技術(shù)和利用技術(shù)是未來(lái)三大研究熱點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上,對(duì)當(dāng)前水利行業(yè)低碳前沿技術(shù)進(jìn)行了深入分析。
為應(yīng)對(duì)氣候變化,未來(lái)還應(yīng)持續(xù)推進(jìn)中小型水電站低碳化改造、零碳水電站建設(shè)、智慧水利建設(shè)、地下水庫(kù)在海綿城市中的應(yīng)用等研究和工作。