从全球城市视角解码水系统碳中和.docx

一、引言在缓解全球气候变化的快速跟进和变革行动中，城市被公认为发挥着重要作用，许多城市都做出了实现碳中和的承诺。城市水系统通过提高能源效率、减少污水处理的直接排放、提高水源的最终使用效率以及回收能源和养分等方式，为碳中和的未来贡献自己的一份力量。城市水系统温室气体（GHG）排放很大程度上与能源使用相关。大量文献中曾评估过能源相关的温室气体排放情况。在水系统中，减少GHG排放最简单的方法通常是提高能源效率；此外，现今越来越多地采用可再生能源和厌氧消化污水污泥。许多研究对实现能源中和（或者甚至是能源输出）城市污水处理的潜力进行了评估。能源中和操作可以避免与能源相关的GHG排放，而能源输出操作可以抵消来自污水处理的直接GHG排放。除能源相关的范围2的GHG排放（主要涉及购买电力），范围1的直接GHG排放如燃料燃烧、氧化亚氮（NQ）排放、甲烷排放是污水处理的关注焦点。在NQ排放机制、实际污水厂中测量和模拟NQ排放测量和模拟、NQ减排策略等方面，已经开展了大量的技术研究。此外，还有大量的文献评估了范围3的问接GHG排放（如化学品和材料供应），通常采用城市水系统基础设施的生命周期研究法和碳足迹分析法。除城市水系统基础设施的排放之外，少量研究还提倡拓宽系统边界，包括水源最终用途方面与水相关GHG排放管理。虽然已有水系统相关的GHG管理研究（即能源使用、直接排放和范围3排放量核算），但是城市尺度的水系统GHG管理研究仍然十分有限。此外，绝大部分有关城市水系统GHG排放的研究，仅针对个别城市或者短期研究，缺少采用多城市分析方法或时序分析方法评估城市水系统的GHG排放情况的研究。因此，本研究中我们通过多个城市历史GHG排放的时序数据，对比研究了城市水系统的GHG排放管理情况。多城市分析能促进城市间相互借鉴、保障分析标准化，并且有助于认识到地理空间特征的影响。评估了与南特、奥斯陆、都灵、多伦多这4个城市的水系统基础设施能源使用相关的GHG排放。Mo等量化了在坦帕湾和圣地亚哥使用不同类型的水源直到2030年产生的GHG排放影响。GHG排放时序分析有助于确定趋势、模式和潜在驱动因素。解释了在19902013年间，阿姆斯特丹城市水系统通过节能、工艺优化以及可再生能源的使用实现了GHG减排。报道了在20062012年间，中国城市供水公用设施的GHG排放有所增加。本研究旨在评估全球4个城市（阿姆斯特丹、纽约、墨尔本和东京）中城市水系统GHG排放管理的进展情况以及从中吸取的经验教训。选择这些城市的原因在于：全市范围内的GHG减排目标；例行报告水系统的GHG排放情况；时序数据至少从21世纪初开始。本研究并非是直接比较这4个城市，而是着重于每个城市水系统的发展。二、案例研究城市（一）阿姆斯特丹阿姆斯特丹的气候目标是较1990年而言，到2030年GHG排放量下降55%,到2050年，GHG排放量下降95%。Waternet（阿姆斯特丹及其周边的公用供水公司）负责阿姆斯特丹市内与水相关的活动，包括供应饮用水、下水道、污水处理、地表水管理、地下水管理、防洪以及运河管理。该公司大约为120万人提供服务，隶属于阿姆斯特丹市以及阿姆斯特尔、古特和费赫特地区水务局。（二）纽约纽约的目标是到2050年实现碳中和。纽约市环境保护署管理城市的供水、下水道以及污水处理，为约850万人提供服务。由流域内的水库借助重力供水。纽约与其他三个城市不同，供水和污水处理的GHG排放清单由市政府与其他所有城市部门（如建筑、运输、固体废物部门）一起报告，而不是由水系统报告。（三）墨尔本维多利亚州的首府位于墨尔本，根据2017年气候变化法案的规定，该州制定了到2050年实现净零GHG排放的目标。MelbourneWater属于国有公用事业公司，负责墨尔本市内的供水集水区管理、散装供水和污水处理。水由三家供水零售商分销，为大约500万人提供服务。MelbourneWater承诺到2025年减少一半排放量，到2030年实现净零排放目标。墨尔本拥有相互连通的水库群,绝大部分借助重力供水。近年来，为应对长达10年的干旱问题，修建了跨流域调水管道和海水淡化厂。在干旱年份运行时，两者的能耗都较高。（四）东京东京的气候目标是到2030年，GHG排放量下降30%（较2000年而言），到2050年，实现GHG零排放。东京都水道局大约为1360万人供水，下水道局负责管理下水道和污水处理。下水道局的目标是到2030年，GHG排放量比2020年减少30%o三、材料与方法（一）概述我们首先收集和汇编这4个城市水系统的时序年度GHG排放数据（见附录A）o在分析中，我们首先讨论了这些城市有关碳中和城市水系统的进展情况，参考了每座城市已经实现的GHG减排机会。随后讨论了从这4个城市对城市水系统GHG排放管理中汲取的经验教训，以及如何使这些见解适用于全球其他致力于碳中和水系统的城市。（二）数据收集和汇编我们收集了阿姆斯特丹、墨尔本、纽约和东京水系统的GHG排放时序数据。每座城市的时序范围各不相同。GHG排放按照范围进行了细分（如有）。我们采用了其报告的历史数据（即在调查历史变化时），但纽约市的数据除外。GHG排放核算方法经过了修正，但这几座城市绝大部分的水系统并未重新计算早些年报告的GHG排放数据。表1概述了这4个城市的GHG排放数据及其他信息。每个城市水系统的边界遵循当地水系统的边界。我们仅考虑了与这些城市中水系统相关的GHG排放（即运行水系统基础设施产生的GHG排放）。虽然我们认识到水的最终用途产生了大量的水相关GHG排放，但是由于缺乏数据以及预估排放量的稳健方法，我们并未将该部分排放量纳入本研究中。温室气体议定书一一企业核算与报告准则针对机构的GHG排放设定了三个范围。范围1包括机构控制的资源所产生的直接GHG排放。范围2指与机构使用购买电、蒸汽、加热和冷却相关的间接GHG排放。这些排放发生在生产和供应能源商品的公用事业公司外部。范围3包括由于机构活动产生的所有其他GHG排放。这些排放并非由机构所有或控制的资源所产生的。例如，就城市水系统而言，范围1包括污水处理设施产生的甲烷和氧化亚氮排放，范围2包括过程用电，范围3包括化学品使用和建筑材料。GcyYearsScopeofemissionsGHGdmsources、'Populationservedin2019Volumeofwatersuppliedin2019VolumeofwastewatercollectedJndtreatedin2019Amsterdam1990.2004.2007-2020Scopes1.2.and3InternaldatafromWatcmet1.1million95GL125GLMelbourne21-2020Scopes1and2hAnnualreportsfromMelbourneWater5.1million449GL347GLNcwYorkCicy2006-2019Scopes1and2NewYorkCicyGHGInventoryfromIheCityofNewYork8.4million1638CL2158GLTokyo2(XX).2008-2019ScopesI.2.and3,Annualenvironmentalreportsfrom(heBureauofWaterworks,andBureauofSewerage.TokyoMetropolitanGovernment13.6million1543CL1710CLaForAmsterdam,Scope3emissionsincluderesidualmaterialstransportandprocessing,chemicalsproductionandtransport,buildingmaterialsandpipingmaterials,sludgetransportandbusinesstravel.bForMelbourne,thedataonlyincludethatofMelbourneWater,thebulkwatersupplyandwastewatertreatmentutility.TheGHGemissionsfromthethreelocalwaterretailersarenotincludedbecauseofdatagapsandrelativelysmallemissions.cForTokyo,theinventorydoesnotexplicitlydistinguishbetweenScope1andScope2emissionsforsomeoftheactivities.dSeeAppendixAforthelistofdatasources.()多城市分析除了汇编每座城市的GHG排放清单外，我们还审视了城市中水系统的GHG排放管理计划。我们还特别审视了己经实现或计划实现的GHG减排机会(工程和非工程机会)。结合历史GHG排放时序趋势，其构成了讨论下述两个问题的依据：向4个城市水系统学习的水相关GHG排放管理经验和教训；如何将这些见解用于全球其他致力于碳中和水系统的城市。四、结果和讨论（一）全球城市水系统的GHG排放趋势图1展示了全球4个城市水系统的GHG排放时序趋势。虽然4个城市水系统的GHG排放量这些年多次反弹（主要是由于修正了核算方法或实际用电量增加），但是较首个报告年而言，GHG排放量方面均有所下降。最近三年的动态平衡如下：阿姆斯特丹减排32%,墨尔本减排17%,纽约减排18%,东京减排13%o这4个城市的GHG排放量各不相同，主要是由于人口规模、供水组合以及核算的GHG排放范围的差异。阿姆斯特丹、墨尔本、纽约和东京在GHG排放方面存在较大的差异。140AmsterdamMctxxjmc 600-12001 2002 2003 2004 2006 2006 27 200 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Water suppt> WasSowalcr treatment Vdefioo( OtherOfts Total200 27 200 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019BWator>Scopc 1BWatof-Soope 2司 Wastewater-Scope 1 Westewater-Scope 21400G 00WOfMf e-200 20200 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019YMIfTotel-water Tocalw8tewat0fBWatef*Scope2 Water>eisWatef-Other Water-offset Wastewater-Scope2GWastewater-sludgetreatment Wastewaterother图L阿姆斯特丹、墨尔本、纽约和东京各个水系统的年度GHG排放量（按范围和组成部分细分）。ktCO?eq：IOootCoZ当量。阿姆斯特丹（2016年）、墨尔本（2016年）和东京（2015年）的GHG排放量在一年的时序中逐渐增加邛可姆斯特丹的增加主要在于预估下水道和污水处理厂（WWPT）产生的直接排放的方法有所变化