南京水科院王宗志等ESE:清洁能源时代,为什么中国供水碳排放还在上升?

在“双碳”目标和水安全战略双重约束下，中国供水系统一方面加快用电“脱碳”，另一方面却日益依赖跨流域调水、海水淡化等高能耗水源。最新发表在Environmental Science and Ecotechnology的研究发现：尽管清洁能源占比持续提升，但中国供水碳排放量却持续攀升，到2022年达到约2.28亿吨。更复杂的是，经济发展对供水碳排放既存在空间溢出效应，又呈现出明显的非线性特征，其中中部地区甚至面临“高碳锁定”的潜在风险。这项研究从全国尺度系统刻画了中国供水系统中“水–能–碳”纽带关系，为在保障水安全的同时实现供水系统低碳转型提供了新的分析框架和政策思路。

供水系统是城市基础设施的“隐形发动机”：从取水、净水处理到管网输配，再到污水处理与回用，每一个环节都高度依赖电力驱动。全球范围内，供水系统用电量约占城市用电总量的3%～5%，但其间接碳排放在传统气候政策中却长期被低估。

对于中国而言，水安全与碳中和是两条同等重要，但又可能相互“掣肘”的战略主线。一方面，为缓解水资源短缺、提升水资源保障能力，我国加快推进南水北调等跨流域调水工程，并加大对再生水和海水淡化等非常规水源的利用；另一方面，能源系统大规模发展水电、风电、光伏等清洁能源，为实现“双碳”目标提供关键支撑。然而，现有研究在核算供水碳排放时，往往忽略了两类关键问题：一是水源结构调整与电力“脱碳”过程之间的动态博弈——高耗能水源的扩张是否在“吃掉”清洁能源带来的碳减排红利？二是供水系统高度网络化、跨区域的特征，是否会导致经济活动对供水碳排放的影响在空间上“外溢”到周边地区？

围绕这些问题，研究团队提出了一个同时嵌入水源结构、能源结构与宏观经济因素的分析框架，希望回答一个看似简单却极具政策参考意义的问题：在清洁能源快速发展的今天，中国供水系统碳排放究竟是“下降”还是“上升”？又因何而变？

为系统刻画中国供水碳排放的时空演变特征，本研究以全国30个省份为研究对象，聚焦供水系统运行阶段因电力消耗所产生的间接碳排放。

1. 明确系统边界，覆盖“从取水到回用”的完整链条

在水资源系统层面，研究纳入了关键供水过程，包括取水、净水处理与输配、污水收集处理与回用；在能源系统层面，重点跟踪电力结构中清洁能源占比提升对电力消耗碳排放强度的影响，构建了“水源结构–用电强度–电力碳排放因子”耦合的碳核算模型。

2. 构建“量化–分解–归因”三阶段方法框架

•量化（Quantification）：基于各供水过程单位供水耗电水平，依托官方统计年鉴中各省供水量和能源结构数据，估算2010—2022年全国及各省供水碳排放总量。

•分解（Decomposition）：引入对数平均迪氏指数（LMDI）方法，将供水碳排放变化分解为六类内部驱动因素共同作用的结果，包括碳排放结构（CEM）、一次能源消耗碳排放强度（CEI）、电力消耗一次能源强度（PECI）、供水用电强度（ECI）、水源结构（WSX）及本地水供给规模（LWS），从而识别“是什么”在驱动供水碳排放的变化。

•归因（Attribution）：在驱动因素分解结果的基础上，构建空间Durbin模型，将上述内部因素与省域经济发展水平、产业结构、技术进步、人口密度、电力结构、用水强度等宏观变量关联起来，刻画经济发展通过何种“传导链条”影响供水碳排放，并识别空间溢出效应。

这一“三阶段”框架的创新点在于，将生命周期核算、驱动因素分解与空间计量经济学模型有机打通，为解析供水系统复杂的“水–能–碳”纽带关系提供了一条可推广的方法路径。

1. “清洁电网+高能耗水源”的碳排放悖论

从能源侧看，2010—2022年间，中国清洁能源发电占比由20.3%提升至33.5%，电力消耗碳排放因子由0.8 kg CO₂e/kWh降至约0.6 kg CO₂e/kWh，电网“变绿”客观上削弱了单位用电的碳排放强度。

但从水源侧看，为应对区域性水资源短缺，中国大幅扩大了跨流域调水与非常规水源的利用规模。其中，跨流域调水在全国供水总量中的占比由2.0%上升到3.8%，海水淡化与污水回用等高能耗水源的供给规模也在稳步扩大。这些水源的单位供水耗电水平远高于常规地表水或地下水，导致全国供水用电总量和用电强度持续上升。

这两种矛盾因素的叠加，最终导致中国供水碳排放呈先降后升的波动变化，到2022年达到约2.28亿吨。因此，在供水系统形成了明显的碳悖论，即清洁能源带来的减排收益被高能耗水源扩张所抵消，导致水安全保障与碳减排目标难以协同推进。

2. 经济发展会“外溢”到邻省：空间溢出效应不容忽视

中国供水碳排放处于一个高度互联的空间网络之中，使得一个省份的经济活动不仅影响本地供水碳排放，也会通过“空间溢出效应”改变周边地区的供水能耗模式。空间Durbin模型分析表明，经济发展会通过技术扩散、区域协同治理等机制，显著抑制临近地区供水电力消耗强度的增加，从而形成碳减排效应。这一结果强调供水碳排放并不是“孤立系统”，而是深度融入区域一体化发展的联动系统。

3. “U型”与“倒U型”：中部地区存在高碳锁定的风险

更具政策启示意义的是，研究揭示了经济发展与供水碳排放之间的非线性关系：在全国尺度上，经济发展与供水碳排放的关系呈“U型”曲线；但在中部地区，这一关系却转变为“倒U型”曲线。这意味着，中部地区若未能有效规避对高能耗水源和低效供水方式的依赖，未来在供水系统中可能会形成长期“高碳锁定”，削弱全国水–能–碳协同治理的整体成效。

基于上述发现，研究团队提出了一系列政策建议，推动供水系统治理从单一部门视角，向“水–能–碳”一体化协同治理转型，为实现水安全与碳减排协同提供参考。

1. 在水安全决策中嵌入碳排放约束

未来，在规划跨流域调水、海水淡化、再生水等供水工程时，应将供水碳排放指标纳入项目前期论证和方案比选中，明确新建高能耗水源项目的碳排放管控要求，设置更为严格的碳排放阈值，从源头规避“重水安全、轻碳减排”的治理偏差。

2. 推进区域协同，放大经济发展的碳减排溢出效应

鉴于经济发展具有通过技术扩散与区域一体化带来跨区域碳减排效益，建议探索构建以供水碳减排为目标的跨区域合作框架，建立健全供水碳排放“碳信用+交易”机制，推动区域间碳减排收益共享，最大化释放协同碳减排潜力。

3. 区域差异化的低碳供水策略

•对于沿海发达地区，重点在于巩固现有碳减排成效，进一步提升长距离输水工程、污水处理与回用设施的能效水平；

•对于中部地区，应将避免“高碳锁定”作为首要目标，严格控制高耗能水源扩张速度，优先布局洪水资源利用等低碳方案，并通过定向补贴、税收优惠等方式，加速低能耗水处理技术的应用与推广。

总体来看，该研究提示我们：供水系统的低碳转型，已经不再是单一行业的技术问题，而是水安全战略、能源转型与区域发展政策交织下的系统工程，需要在更大空间尺度和更长时间尺度上统筹谋划。

在未来的城市基础设施转型中，如何在保障水安全的同时，把供水系统纳入国家气候行动与区域协同治理框架，将是环境与水利领域共同面对的重要议题。这项工作为回答这一问题提供了一个可操作、可复制的分析范式，也为我国乃至其他快速发展且缺水地区的“水–能–碳”协同治理提供了重要参考。

图1 供水碳排放概念图与系统边界。

图2 全国供水碳排放总量及各供水过程碳排放占比（2010—2022年）。a，供水过程年度碳排放总量（堆叠柱状图；左轴），细分为取水、净水处理与输配、污水收集处理以及回用。红色曲线表示年增长率（右轴）。b，各供水过程碳排放占比。

图3 各省供水碳排放变化趋势（2010—2022年）。a，各省供水碳排放随时间变化。红色与蓝色数字分别表示2022年相对于2010年的变化率。b，各省单位供水碳排放随时间变化。

图4 不同时期六项内部因素对30个省份供水碳排放变化的贡献。CEM：碳排放结构；CEI：一次能源消耗碳排放强度；PECI：电力消耗一次能源强度；ECI：供水用电强度；WSX：水源结构；LWS：本地水供给规模。

第一作者：姜龙，河海大学水文水资源学院博士研究生，主要从事水资源系统规划与管理研究，发表SCI论文4篇。

通讯作者：王宗志，正高级工程师（二级）、博士生导师。南京水利科学研究院水文水资源研究所副所长、水灾害防御全国重点实验室副主任、十四五国家重点研发计划项目（揭榜挂帅类）首席科学家、联合国教科文组织国际水文计划（UNESCO-IHP）中国国家委员会秘书长、中国自然资源学会水资源专业委员会副主任。入选国家“万人计划”科技领军人才、江苏省科技创新领军人才（333二层次培养对象）。长期从事水旱灾害防御、智慧水利研究。主持承担了国家重点研发计划项目、国家基金重点项目等重大科研和工程咨询项目50余项，发表论文100余篇，出版专著5部，授权国家发明专利27项、国际发明专利3项，获国家科技进步二等奖1项（排名第二）、省部级科技进步一、二等奖8项。