水与能源的交互影响成了近几年国际关注的热点。2014年联合国水问题国际会议在西班牙举行, 会议的主题就是水与能源[1]; 联合国2014年世界水资源发展报告的主题也是水与能源[2]。美国有关机构已对美国水与能源的相互需求进行了评估[3, 4]。 中国能源发展能否有足够的水资源保障?国内外一些机构对此表示了严重担忧, 并产生了广泛影响。美国非政府组织Circle of Blue和国会智囊机构威尔逊中心在2011年合作发布了《中国之瓶颈：水匮乏与能源需求》报告, 认为中国能源需求在迅猛增长, 而水资源在大幅度减少, 中国发展过程中水资源与能源之间存在灾难性矛盾, 这一矛盾在中国已非常明显并在未来的10 a会更加恶化。到2020年, 中国的产煤量将比目前高出10× 108 t, 中国当然有充足的煤资源; 然而从何处寻找足够的水— — 每年近150× 108 m3的水— — 来开采新的煤矿藏[5]?绿色和平组织认为2015年中国大型能源基地上下游产业链用水会达到99.75× 108 m3, 约占黄河可利用水资源量370× 108 m3的1/4, 而这些可利用量都已经开发利用, 因而能源基地建设将无水可用[6]。页岩气的水压碎工艺需要大量的水, 社会上也有页岩气开发将加剧水资源供需矛盾的担忧①(① 中国石油设备网. 中国页岩气开发面临水资源挑战. http://www.oilequipcn.com/news/23864776.html, 2013-02-20.)。
能源产业作为我国工业用水大户, 用水量占比在40%以上。分析能源产业中各类行业的用水环节, 并对其未来用水情况进行预测, 是正确认识我国能源产业健康发展的水资源需求与保障的一项紧迫任务。
1 能源产业与能源生产现状
1.1 能源产业的内涵及分类
能源产业是指采掘、采集和开发自然界能源资源, 或将自然资源加工转换为燃料、动力的产业[7]。主要包括：煤炭采选业, 石油和天然气开采业, 电力、蒸汽、热水生产和供应业, 石油加工及炼焦业, 煤气生产和供应业以及新能源产业。文中将能源产业归为煤炭能源产业、石油天然气产业、电力与热力产业、可再生能源产业四类进行研究。 上述四类产业包含众多行业, 且行业间用水量差异显著, 为简化分析, 本文研究对象为当前或未来四类产业中的主要用水行业。在煤炭能源产业中重点分析煤炭采选业、炼焦业、煤制油（气）行业; 石油天然气产业的分析范围是天然原油和天然气开采行业、原油加工及石油制品制造行业; 电力与热力产业主要分析的是电力生产、热力生产及供应, 不考虑电力供应业; 至于可再生能源产业, 水能、风能、太阳能的开发利用会在电力与热力产业的分析中论及, 而地热能、潮汐能受区位和技术限制在近期内难以大规模发展, 故该部分重点研究生物质能源产业。
1.2 能源生产规模与结构
“ 十二五” 时期, 我国能源生产与供应能力明显提升。2012年, 国内一次能源生产总量达33.2× 108tce, 其中煤炭、原油、天然气和非化石能源产量分别为25.4× 108、3.0× 108、1.4× 108和3.4× 108tce[8]。能源生产结构依然以煤炭为主体, 煤炭比重在3/4以上, 约为世界平均水平的3倍。常规油气资源产出占比较低, 仅为13%左右, 页岩气、煤层气等非常规油气资源则尚未规模化生产。非化石能源在一次能源中占比达10.3%, 是近年来国家重点开发的领域。 2012年, 我国发电总量为5.0× 1012kWh。火电、水电、风电、核电四大电源发电量的比重分别为78.0%、17.5%、2.0%和1.9%, 其他类型能源发电量仅占0.6%左右[8]。 2 能源产业用水现状
2.1 煤炭能源产业用水现状
2.1.1 采选煤用水
采煤行业的用水可以分为井上生产用水、井下生产用水与生活用水; 洗煤行业的用水集中在湿法洗煤加工工艺中。2012年, 内蒙古、山西、陕西、贵州、河南、安徽、山东、新疆、云南、河北10个省份的煤炭总产量为33.6× 108t (占全国总产量的92.2%) [8]。以上述各省煤炭产量占10省总产量的比值为权重, 结合各省区的行业用水定额标准（表1）, 计算出采煤、洗煤行业的平均用水定额分别为0.47和0.27 m3/t。由此估计当前我国采煤、洗煤（原煤入洗率为60%）用水量分别为17.2× 108和5.9× 108m3/a。 表1煤炭主产省份用水定额标准
Table 1Industry water consumption quota in the main coal producing provinces ( m
3/t )
2.1.2 炼焦、煤制气和煤制油用水
炼焦业用水主要集中在熄焦过程中, 煤制油（气）的用水主要有反应用水、用于加热的水蒸气用水、冷却水、洗涤用水等。2012年我国焦炭产量为4.1× 108t, 综合考虑山西、河北、山东、内蒙古等主产区的焦炭产量[8]及各省对应的用水定额（定额名称见表1, 定额值分别为1.8、1.58、1.7、1.6 m3/t）, 估计当前生产焦炭的平均用水定额为1.7 m3/t。相应地, 2012年我国用于炼焦的水量约为7× 108m3。 国内煤制油（气）行业尚处于示范阶段, 生产规模很小; 当前示范项目中, 煤制气的单位产品新水量小于0.006 9 m3/m3, 煤制油的单位产品新水量范围为7~11 m3/t [9]。 2.2 石油天然气产业用水现状
2.2.1 油气开采用水
油气田开采行业中钻井、洗井、压裂、注水等活动均需用水, 其中注水工作用水最多且对水质要求较高。目前我国石油开采量的50% 来自黑龙江、陕西和新疆3省, 天产气产量的50%以上来自于陕西和四川2省[8]。根据上述地区原油（或天然气）的实际生产量以及各地的用水定额标准（黑、陕、新3省采油用水定额依次为8、4和1.05 m3/t, 陕、川2省天然气开采用水定额为0.002和0.003 m3/m3; 陕西、新疆定额名称见表1, 黑龙江参考《黑龙江用水定额》（DB23/T 727— 2003）, 四川参考《四川省用水定额》（修订稿）, 估算现阶段石油、天然气开采的单位产量用水量分别为5 m3/t和0.002 m3/m3。结合2012年我国石油、天然气开采量（分别为2.1× 108t和1 071.5× 108m3）, 估计当前国内油气开采用水量为12.6× 108m3/a。 页岩气是我国非常规油气资源勘探和开发的新亮点, 与常规天然气开采不同, 其开采初期短时间的水力压裂过程需大量用水。根据胡万红等[10]提供的数据, 在目前技术条件下, 我国页岩气田每个钻井的平均用水量在4.4× 104m3左右。 2.2.2 石油炼制用水
炼油厂新鲜水的用途大致可分为：工艺用水、化学水、循环冷却水补充水、生活用水和消防用水五类。对于较先进的炼油企业来说, 前三类用水比重分别占10%、50%和30%左右[11]。2012年我国炼油量达到4.6× 108t [8], 按照相应的国家标准[12], 取水定额为0.75 m3/t, 由此估计2012年国内原油加工用水量为3.45× 108m3。 2.3 电力与热力产业用水现状
2.3.1 火力发电用水
火力发电厂用水的主要构成有：冷却系统用水、锅炉补给水、化学自用水、除灰和除渣系统用水。其中, 冷却用水占电厂取水量的绝大部分。我国火电厂的主要冷却方式为循环冷却和直流冷却, 直流冷却机组耗水少但取水量远高于循环冷却机组。当前绝大多数直流冷却的火电厂位于长江及以南省区, 北方地区则几乎全部是循环冷却机组。
2007— 2012年水资源公报的数据表明, 近年来长江及以南地区的火电用水量大致稳定在445× 108m3。由于未来国内煤电产业的发展重心在北方地区, 且南方部分地区已禁止新建直流冷却电厂甚至改变已有直冷电厂的冷却方式, 预计我国未来火电直流冷却用水量仍将维持现状水平（445× 108m3/a）。根据2010年水资源公报, 北方省区火电用水总量为51.7× 108m3; 由于对应地区的火力发电总量为1.7× 1012kWh, 估计现阶段循环冷却方式单位发电量用水量为3 m3/MWh。2012年, 北方地区火力发电量增至2.1× 1012kWh[8], 由此估算当前国内循环冷却方式电厂总用水量约为63× 108m3/a。 2.3.2 水力及风力发电用水
水电站一般邻水库而建, 汽轮机靠水流带动, 水主要作为动力的载体而几乎不被消耗; 风力发电因借助风力带动风车叶片旋转, 通过感应电机将机械能转化为电能, 故运转过程中几乎无水耗存在[13]。 2.3.3 核力发电用水
核力发电方式与火力发电相似, 但由于热源不同, 核电还需要对反应堆进行冷却。目前我国核电行业尚无用水定额标准, 且核电站实际用水量多与设计用水量不符。
3国内已建和在建核电站全部为滨海电站, 单位发电量的淡水用量不高。本文参考滨海核电站用水情况的有关研究资料[14, 15], 以0.1 m/MWh作为当前和未来核电行业的单位发电量取水量。对应2012年我国核电973.9× 108kWh的发电量, 估算当前核电行业用水量为0.1× 108m3/a左右。 2.3.4 太阳能发电用水
聚光太阳能热发电和光伏太阳能发电是当下太阳能发电的两大类型。聚光太阳能发电系统的水资源利用主要为冷却塔补给用水。光伏发电仅在清洗电池组件表面时需要用水, 约为0.019 m3/MWh[16]。当前我国太阳能发电量仅为87× 108kWh左右, 主要来自光伏发电, 行业总用水量很少, 估算在20× 104m3/a以下。 2.3.5 供热用水
我国集中供热的热量主要来自于热电厂, 热力对外供应过程中的耗水主要集中在热网补水和对外供汽用水。2012年我国城市、县城的热水、蒸汽集中供热量为35.8× 108GJ[17], 综合比较北方各省供热用水定额（定额名称可见表1）并取均值后, 以0.5 m3/GJ为单位热量取水量, 估计行业现阶段用水量为17.9× 108m3/a。 2.4 生物质能源产业用水现状
开发生物质能源对水资源的需求主要是能源作物种植导致农业用水量增加和生物质能生产加大工业用水负荷[18]。我国主要种植的能源作物有甘蔗、木薯、甘薯、甜高粱、油菜五类。其中甘蔗和薯类重点推广区是广西、广东、云南、海南和福建等降雨充足的省区②（②农业部. 农业生物质能产业发展规划 (2007— 2015). 2007-06-18.）, 人工补水量可忽略不计; 故分析种植用水量时主要讨论甜高粱（推广区为黑龙江、山东、内蒙古、新疆、河北等省区的盐碱地）和油菜（推广区为长江流域的冬闲地）的灌溉用水。生物能源生产加工的用水集中于生物质能发电和生物液体燃料加工两类生产活动中, 电力生产部分用水环节与火力发电类似, 生物液体燃料用水集中在甲醇、氢和乙醇等燃料制取的热化学气化反应过程中。 当前我国能源作物尚未规模化种植, 生物质能源生产加工原料主要来自作物秸秆、陈化粮、农产品加工废物等, 故分析行业用水现状时, 仅考虑能源生产加工过程中的用水量。由于缺少2012年的统计数据, 在参考姜楠等[18]的研究成果后, 估计现阶段生物质能发电和生物液体燃料生产的用水定额分别为2.1 m3/MWh和20 m3/t, 用水量分别为0.8× 108和0.4× 108m3/a左右。 2.5 能源产业现状总用水量
将上述各行业用水量累加, 可知当前我国能源产业用水量在573× 108m3/a上下, 其中火电行业用水量占比达88.7%, 为产业用水的主体部分。
3 能源产业发展趋势
刘立涛和沈镭[19]分三种情景对我国能源供给情况进行了预测, 其中节能情景下化石能源的增速参数与近年来发展的状况及国家近期“ 气候规划” ③（③ 国家发展和改革委员会. 国家应对气候变化规划 (2014— 2020年). 2014-09-19.）、“ 能源规划” ④（④ 国务院. 能源发展“ 十二五” 规划. 2013-01-01.）的目标基本一致。故本文参考该情景下的研究成果, 对化石能源生产规模进行预测。 现阶段我国火电行业96%以上的发电量来自煤电, 燃气发电规模尚不足以影响行业的整体发展趋势; 故随着煤炭增产的减缓, 火力发电的规模也将趋于饱和。水电、风电、太阳能发电行业的发展情况与国家所规划的情景基本一致, 其中水电行业年产能在低速增长的状态下渐趋稳定; 而风电、太阳能发电行业则保持高速发展状态。本文主要参考罗建国等[20]关于我国低碳经济发展中发电规模的相关研究, 预测上述几类发电行业未来发电量。 关于页岩气的开采, 参考《能源发展战略行动计划（2014— 2020年）》⑤（⑤ 国务院办公厅. 能源发展战略行动计划 (2014— 2020). 2014-06-07.）, 预计2020年产量将达到300× 108m3/a; 基于这一目标, 结合《BP2030世界能源展望》⑥（⑥ BP中国首页. BP2030世界能源展望. http://www.bp.com/zh_cn/china/reports-and-publications.html, 2013-03-28.）中的相关研究, 预计2030年国内页岩气年产量将达到620× 108m3。根据刘竞等（2014）[21]对页岩气单井产量递减规律的研究, 为达成上述目标, 预计2020年以前我国需保持年均新开发700口页岩气井的速度, 2020— 2030年期间这一速度将升至年均850口。 煤制油、煤制气受资源、需求、政策等因素影响, 发展存在较大的不确定性。本文根据韩景宽[22]对未来煤制气生产空间的研究, 按稳健开发的方式考虑, 估计2020、2030年我国煤制气产量将分别达到300× 108、400× 108m3; 参考晏然[23]对我国石油市场需求的相关分析, 预计2020年煤制油产量为500× 104t, 2030年增至1 000× 104t。 综上分析, 预测我国能源产业的发展趋势, 结果如表2所示。 表2中国能源产业发展预测
Table 2Prediction on the development of energy industry in China
4 能源产业需水预测
4.1 用水定额预测
预测能源产业未来需水量时, 应考虑用水定额受技术、经济、政策等因素影响而发生的变化。目前火电行业节水空间极大, 部分地区行业用水准入值已明显低于平均值; 能源作物灌溉用水不仅与推广区的地域自然因素有关, 也会受到农业节水技术进步的显著影响。因此, 本文主要分析这两类行业用水定额的变化情况。
根据《重点工业行业用水效率指南》⑦（⑦ 工业和信息化部、水利部、国家统计局、全国节约用水办公室. 重点工业行业用水效率指南. 2013-09-25.）中单位发电量取水量的变化趋势, 并参考各煤电基地所在地（蒙、新、晋、陕、贵等省份）的现状用水定额, 预测2020年循环冷却机组单位发电量用水量为2.5 m3/MWh, 2030年该值将降至2 m3/MWh。
长江沿线不同省份的油菜灌溉定额有较大的差异, 各省内不同灌溉分区间定额值也有所变化（表3）。本文以各省各灌溉分区中的较小值作为所在省区未来灌溉定额的预测值, 取各省平均后作为未来推广区油菜的平均灌溉用水定额, 经计算该值约为500 m3/hm2。目前各甜高粱推广区尚未制定对应的灌溉定额标准, 故本文参考管延安等[25]盐碱地甜高粱高效栽培的研究成果, 以1 050 m3/hm2为甜高粱单位面积灌水量的预测值。 表3推广区油菜灌溉定额
Table 3Irrigation quota for rapeseed in promotion areas
除火电（循环冷却）和能源作物种植外的其他行业, 认为用水定额维持现状水平。这样的预测是偏高而保险的。综上, 整理出能源产业各类产品的未来用水定额（表4）。 表4能源产业用水定额预测
Table 4Prediction on water consumption quota of energy industry
4.2 需水量预测
综上所述, 根据各类能源行业的用水定额参数和预计的产出规模, 预测未来我国能源产业的需水情况, 结果如表5所示。 表5我国能源产业需水量预测
Table 5Prediction on water for energy industry in China (108m3)
5 主要结论
81）2020年我国能源产业需水量将比2012年增加82× 108m3, 达到655× 108m3; 2030年, 能源产业需水量较2020年略有增长, 达677× 10m3。总体而言, 能源产业需水增加不多（20%以下）, 能源产业用水不会对全国用水造成很大的影响; 从另一方面来说, 能源产业发展的需水有保障。
2）火电行业需水在较长时期内将作为我国能源产业需水量的主体部分, 到2020、2030年分别达到535 × 108、525× 108m3, 占总能源产业需水的比例分别为81.7%和77.5%。直流冷却用水稳定在每年445× 108m3左右, 占火电行业用水的80%以上。
3）风电、太阳能发电行业几乎不存在水耗环节, 随着未来发展规模的扩大, 其重要的节水效益将日益彰显; 核能的能流密度高且滨海核电站淡水用量小（2030年用水量尚不足1× 108m3）, 在沿海地区积极发展核电产业, 对解决区域经济发展中的能源、水资源短缺问题有极大帮助。
4）页岩气作为我国能源开发的重要领域, 单位产能需水量不高但阶段性用水强度大, 现有技术条件下页岩气单井初期用水量在4× 104m
3以上。因此, 在开采区要合理安排取水点、取水频率和取水量, 避免干扰农业灌溉、工业生产和居民生活的正常用水。
5）煤制油、煤制气作为单位产品需水量较大的两类行业, 未来发展规模存在较大的不确定性, 在较稳健的开发方式下, 2020、2030年二者需水量之和将分别达到2.6× 108和3.6× 108m3, 占比仅为0.4%和0.5%, 对能源产业整体的需水规模影响不大。
6）能源作物种植需水增长较快, 2012— 2020、2020— 2030年需水增量分别为30× 108和18× 108m3, 是造成未来能源产业需水增长的主要因素之一。必须合理规划布局作物生产区, 推广农业节水技术, 避免种植区农业与非农业争水现象的出现。
The authors have declared that no competing interests exist.
