中国煤炭开采行业的水足迹被严重低估了

《Ecological Indicators》：Water footprint of China’s coal mining sector substantially underestimated

中国煤炭开采面临严重的水资源短缺，本研究开发了包含16种污染物的综合水足迹评估框架，基于2013-2022年12,378座矿井数据，构建了涵盖生产、消费和供应链的量化模型。研究发现：1）水足迹强度3.16-33.44 m3/t，灰色水足迹占比超85%，地下开采与小型矿井主导高耗水；2）全国生产侧水足迹十年下降17.76%，消费侧下降16.75%，总量减少43.5 Gm3至38 Gm3；3）虚拟水流动呈现"北-南"和"西-东"双通道特征，晋冀、晋陕、蒙辽走廊年 transfers 超过1 Gm3；4）技术结构升级贡献-7.99 Gm3，福建等四省供应链优化贡献最大。建议建立省级水足迹动态监测网络，完善重金属污染全生命周期管控，推动跨区域生态补偿机制。

　　中国作为全球最大的煤炭生产与消费国，其煤炭产量和消费量分别占全球的50.6%和54.8%。尽管煤炭储量丰富且分布广泛，且开采成本相对较低，但煤炭仍是当前中国能源系统中最可靠且经济的能源来源。然而，随着煤炭开采对水资源的高需求以及广泛污染，中国面临严重的水资源短缺问题，这加剧了煤炭开采对水环境的影响。本研究旨在通过开发一个全面的水足迹评估框架，系统地整合灰色水足迹和重污染物质，以量化水资源相关风险并指导可持续发展。

研究背景显示，煤炭开采对水资源的使用和污染是导致水足迹变化的关键因素。由于煤炭资源与水资源的地理分布不匹配，例如，五个主要煤炭产区——山西、陕西、内蒙古、甘肃和宁夏——仅占中国总水资源的3.9%，而其煤炭储量占全国的71%，这形成了煤炭开采和水资源之间的严重矛盾。同时，煤炭开采过程中的排水、煤矸石淋溶、设备维护等环节，都会对水环境造成污染。此外，由于煤炭需求的持续增长，加上地缘政治的不确定性以及能源市场的波动性，采矿地区的水资源压力仍在加剧。

本研究提出了一种基于16种污染物的水足迹评估框架，涵盖了生产端和消费端的分析，同时结合了长期趋势和空间分析，利用2013至2022年间12,378个煤矿的数据。研究结果表明，水足迹强度在208种技术配置中变化较大，从3.16到33.44立方米/吨不等，其中灰色水足迹占超过85%。大型露天煤矿的水足迹强度最低，突显其节水优势。十年间，中国煤炭生产水足迹强度下降了17.76%，而消费端的水足迹强度下降了16.75%。煤炭生产与消费的总水足迹从43.5吉升下降到38吉升。

虚拟水流动主要遵循南北和东西方向的转移模式，峰值出现在山西和河北之间（>1吉升）。技术进步使国家消费端水足迹减少了7.99吉升。供应链优化在福建、湖南、江西和重庆等地产生了更显著的减排效果。通过纠正灰色水足迹的低估并强调重金属控制，本研究为区域化水资源治理和跨区域生态补偿提供了科学依据。此外，该框架具有广泛的国际适用性，特别是对于面临类似煤炭与水资源冲突的地区。

研究的创新点在于，它首次提出了一个整合多污染物（包括重金属）的水足迹分析框架。通过系统整合煤炭开采的整个生命周期，从生产到消费，本研究实现了对煤炭生产与消费水足迹的详细量化。这种框架能够从生产端和消费端的双重视角，提供对煤炭水足迹的高分辨率分析。研究还揭示了煤炭生产和消费水足迹的时空异质性，量化了跨区域煤炭贸易中的虚拟水转移，并识别了影响消费端水足迹变化的关键驱动因素。这些贡献为水资源区域划分治理、跨区域资源优化配置以及生态恢复和产业转型提供了实证基础。

研究还采用了数据质量分析，通过整合多源异构数据，如国家能源局和生态环境部的数据，以确保水足迹的准确计算。这些数据包括煤炭生产容量、地理位置、矿井类型、开采技术、瓦斯等级和煤炭类型等关键参数。此外，还结合了全球煤炭矿井追踪数据库的数据，以提高国际基准分析的准确性。通过对数据的综合分析，研究还评估了数据质量的不确定性，采用了基于血统矩阵的评分方法，对技术、时间和地理维度以及数据获取方法进行了评估，最终得出分级的数据质量指标。

研究的发现表明，煤炭开采技术参数对每吨原煤生产的蓝水足迹和灰水足迹影响显著。在生产端，技术配置和区域分布决定了水足迹的强度，而消费端则涉及区域煤炭消费量和跨区域水资源转移。研究进一步揭示了煤炭生产和消费水足迹的时空异质性，通过分析煤矿和煤炭消费区的分布模式，明确了不同省份的水足迹强度变化。在消费端，跨区域煤炭贸易中的虚拟水流动对水足迹的分布产生了重要影响，尤其是在水资源紧张的北方省份向南方省份转移的模式中。

此外，研究还识别了影响煤炭消费水足迹的主要驱动因素，包括技术结构、供应结构和消费需求。技术结构在一定程度上起着缓解作用，而消费需求则起着加速作用。供应结构通过调整生产能力和优化区域资源配置，对这些对立因素起到中介作用。研究指出，国家层面的技术升级显著减少了煤炭消费水足迹，而某些省份的供应结构优化则起到了更直接的减排作用。研究还提出了针对中国煤炭开采行业的差异化水资源管理策略，包括技术配置的前期评估、定制化的监管和激励系统以及实时水资源监测网络的建设。

在政策层面，研究建议对水资源紧张的省份实施严格的取水配额和效率标准，对高工业污染风险的省份则实施对关键污染物（如重金属）的强制性排放浓度限制。同时，建议建立实时水资源监测网络，以检测不利趋势并实现政策的动态调整。此外，还提出发展税收抵免和基础设施补贴，以实施经过验证的技术优化策略，优先考虑高压力转移走廊，如山西—河北、山西—山东、山西—江苏、陕西—陕西、内蒙古—辽宁和贵州—广西。

研究还指出，水足迹管理和双碳目标在政策目标上具有内在的协同效应，共同形成推动煤炭行业绿色转型的总体约束和指导机制。推进水足迹管理作为协调碳排放控制的关键维度，可以加速绿色开采、高效煤矿水循环和精细末端处理措施的制度化采用。随着全国统一市场的建设，消除区域行政壁垒和市场碎片化，建立统一的水消耗、能源效率和碳排放标准系统至关重要。这将创建一个基于环境绩效的市场筛选机制，从而消除高水消耗和严重污染的低效煤炭生产能力。此外，通过实现资源、技术和资本的跨区域流动，统一的全国市场为地区克服本地约束提供了关键的外部支持。这使得先进的节水技术、智能化管理平台和绿色金融工具能够从发达地区流向资源丰富的地区，从而与煤炭开采实践的升级需求相协调。

最后，研究还指出了当前研究的局限性，包括对数据质量的不足、区域分析的不充分以及对驱动因素的深入探讨。尽管通过多源数据验证将库存不确定性控制在20%以内，但低产能煤矿的生产统计数据不完整，导致操作参数覆盖不全，这是行业范围内的一个系统性挑战。此外，省级层面的空间分析可能掩盖了矿区和资源依赖城市之间的区域异质性，但本研究的自下而上的聚合方法保留了站点级别的分辨率，使得未来研究能够在矿区或城市层面进行更精细的分析。同时，当前的驱动因素识别框架主要关注行业内部因素，而外部社会经济动态则未被充分探讨。因此，未来研究应发展一个整合分析范式，系统地整合生产—供应—消费的互动以及跨尺度社会经济联系，以加强水足迹演变机制的因果推断。