中国城市水系统温室气体排放轨迹与减排路径研究：1980-2030年多子系统驱动分析

为揭示城市水系统(UWS)温室气体(GHG)排放演变规律，研究人员构建了涵盖取水、供水、居民用水和污水处理四类能源相关子系统的核算框架，基于中国省级数据(1980-2020年)发现GHG排放增长14倍，居民用水贡献77.6%排放，情景分析表明节水策略可使2030年减排34%(128.3 Mt CO2-eq)，为全球碳中和目标下水系统低碳运行提供关键参考。

　　

随着全球城市化进程加速，城市水系统(Urban Water System, UWS)在保障供水安全的同时，其能源消耗和温室气体(GHG)排放问题日益凸显。过去40年间，全球供水能力增长3倍，污水处理能力扩大4倍，这种基础设施的快速扩张伴随着显著的碳足迹。尤其在中国，城镇化率从1980年的19.4%跃升至2020年的63.9%，水系统建设规模空前，但由此产生的GHG排放轨迹及其驱动机制尚不明确。现有研究多聚焦单一水处理环节或短期静态分析，缺乏对完整UWS生命周期排放的系统性认知，更难以揭示不同发展阶段子系统的协同与权衡关系。

针对这一科学难题，清华大学联合多家机构的研究团队在《Resources, Environment and Sustainability》发表重要成果。研究团队构建了首个覆盖取水、供水、居民用水和污水处理四大能源相关子系统的全流程核算框架，整合中国31个省份40年(1980-2020年)的时空数据，通过蒙特卡洛模拟、空间自相关分析和LMDI分解等方法，揭示了UWS碳排放的演变规律与驱动机制，并前瞻性评估了六类减排情景的协同效应。

关键技术方法包括：(1)建立包含直接排放(CH₄/N₂O)和间接排放(电力消耗)的系统边界；(2)采用90%置信区间的蒙特卡洛模拟处理参数不确定性；(3)运用Moran's I指数分析省级排放空间关联；(4)基于对数平均迪氏指数(LMDI)分解四大驱动因子；(5)设置BAU基准情景与5类政策情景(S1-S5)预测2030年减排潜力。数据源自中国城乡建设统计年鉴、国家统计局等权威渠道，并通过文献荟萃补充缺失参数。

研究结果部分：

3.1 中国UWS温室气体排放时序演变
分析显示GHG排放从1980年20.1 Mt CO₂-eq激增至2020年281.0 Mt，增速(6.5%/年)远超人口增长率(4.0%)。排放增长呈现两阶段特征：1980-2000年高速增长期(12.0%/年)与2000-2020年缓速波动期(2.8%/年)。居民用水子系统自1992年起成为最大排放源(占比77.6%)，其排放强度达7.8 kg CO₂-eq/m³，是污水处理子系统(0.36 kg CO₂-eq/m³)的22倍。

3.2 空间分异与集聚特征
省级排放增长幅度差异显著，西藏增速最高(37倍)，黑龙江最低(4倍)。Moran's I指数显示排放空间相关性从1980年0.13降至2020年0.09，表明区域差异正在缩小。北方省份因地下水超采和传统能源结构，排放强度普遍高于南方。

3.3 驱动因素解析
LMDI分解表明：经济产出(年增14.7%)是最大正向驱动因子，贡献相当于排放增量的6.4%/年；而用水效率提升带来162%的负向贡献。东北地区(如黑龙江)受落后能源结构制约，排放强度因子影响尤为突出。

3.4 2030年减排潜力
情景分析显示：综合措施(S6)可实现最大减排(229.7 Mt)，其中节水措施(S1)单独贡献128.3 Mt。居民用水在洗澡(114.9 Mt)、烹饪(23.5 Mt)等环节潜力显著，而污水处理子系统因占比小，优化措施(S4)仅减排35.6 Mt。值得注意的是，中水回用虽减少取水环节排放7.0 Mt，但会提升污水处理能耗18.8 Mt。

这项研究首次系统描绘了中国UWS碳排放的长期演变图谱，其科学价值体现在三方面：方法论上创建的核算框架解决了子系统边界不一致问题；实践层面证实节水措施和电网清洁化是实现水系统碳中和的关键杠杆；政策意义上提出的"分区施策"建议(如东部推广智能水表、西北优化处理工艺)具有现实指导性。研究也存在一定局限，如未纳入调水工程等Scope 3排放，未来需结合生命周期评价(LCA)完善系统边界。该成果不仅为中国"双碳"目标下的水系统转型提供科学依据，也为全球城市特别是快速发展中地区的水-能-碳协同管理树立了范式。