综述：城市供水系统的管理与重塑：碳减排视角

《Sustainable Cities and Society》：Management and reshaping of urban water supply systems: perspectives from carbon emission reduction

　　

摘要 如今，城市供水系统的碳减排已成为一个关键问题。碳排放与城市供水系统的能耗、环境保护和经济成本密切相关。随着联合国于 2015 年颁布《可持续发展目标》，过去几年里，关于城市供水系统碳减排的研究已开展了许多。然而，现有的研究成果仍然分散，需要进一步综合。本文从水 - 能 - 碳纽带、供水系统中的碳量化与价值以及生命周期评估的角度，提供了关于城市供水系统碳减排各种探索与发展的结构化综述。水 - 能 - 碳纽带为协调系统的各个组成部分提供了一个框架，连接了不同资源的边界。此外，本文探讨了如何评估城市供水系统碳排放的价值并将其纳入经济体系。近年来，利用生命周期评估（LCA）分析追踪系统碳足迹的研究受到了更多关注，本文对此进行了详细分析。最后，本文提出了一个涉及城市供水系统脱碳概念模型的整合战略框架。本综述总结了供水系统碳减排研究面临的现有挑战和未来机遇，为城市供水系统中的水碳综合管理策略提供了见解，并最终提出了几项发展建议。本综述希望激发未来水务行业在碳减排方面的研究。

引言 过度碳排放已成为与气候变化、生态退化和城市可持续性密切相关的主要全球挑战。据统计，过去五十年里，化石燃料的全球碳排放增加了 139%，到 2023 年上升至 35.8 GtCO2（Liu et al., 2023; Liu et al., 2024b; Lu et al., 2023）。联合国（UN）于 2015 年颁布了《可持续发展目标》（SDGs），明确指出城市可持续发展、能源危机、气候变化以及因温室气体（GHGs）排放导致的水资源短缺被视为优先问题（Cf, 2015; Zakari et al., 2022; Zhu et al., 2024）。城市是重要的碳排放源，负责超过 70% 的全球总排放量，快速的城镇化将在未来导致这一比例持续上升（Chen et al., 2023a; Stocker, 2014; Stocker et al., 2014）。此外，气候变化和极端天气的频率增加也会通过环境和社会问题加剧城市压力。因此，减少城市基础设施的碳排放对于提高气候韧性和可持续城市发展至关重要。

人类调节的城市水过程构成了人类水文循环，城市供水系统（UWSSs）是其主要组成部分之一。作为确保城市居民日常生活和社会良性发展的重要基础设施，UWSS 是可持续城市发展的重要要素（Liu et al., 2021; Mishra et al., 2021; Xiang et al., 2021）。UWSSs 通过取水过程、水质净化处理和水分配，将自然界的水提供给城市人口。为了执行这一系列步骤，消耗了大量能源来运行供水过程，伴随着大量的温室气体排放（Capodaglio and Olsson, 2020; Liu et al., 2024a; Wang et al., 2022a）。水资源、能耗和碳排放与 UWSSs 的运行状况密切相关。UWSS 是取水、处理和输送过程中的重要能源消耗者，导致了许多碳排放（Li et al., 2024; Zhong et al., 2024）。据统计估算，城市供水过程占全球能源消耗的比例高达 7%（Alawad et al., 2023; Coelho and Andrade-Campos, 2014; Reis et al., 2023; Sharifi and Yamagata, 2016）。随着各国城市化程度提高，水需求必将逐年增加，水生态系统的需求也变得日益迫切。如果没有具体的努力，源于能源消耗的大量碳排放将使水管理承受巨大压力。

UWSS 是城市居民生活的基本保障，也是维持城市运行的生命线，与社会经济的许多领域相交，具有复杂的碳排放活动。在碳过度排放的状态下，UWSSs 面临着技术创新和产业更新巨大压力和挑战。近年来，许多努力被投入到研究 UWSSs 中的碳排放，观察温室气体与 UWSSs 之间的协同模式（Lin and Li, 2024; Moosavian et al., 2024; Shah et al., 2023）。已经建立了水、能源和碳之间的纽带模型用于水规划和管理。在这个模型中，水和能源消耗的历史数据得到了验证，揭示了高度显著的相互联系（Tan and Yao, 2023）。Lam 和 Hoek 整合了低碳城市水系统的机遇，案例研究表明，超出水务公用事业和工业的水相关方法具有更广泛的潜力（Lam and van der Hoek, 2020）。此外，另一部分研究人员通过重塑配水网络（WDNs）的拓扑结构来探索水碳矛盾，创建一个三维（3D）WDN，以增强 UWSSs 的稳定性和安全性并减少碳排放（Zhong et al., 2024）。图 1 提供了城市供水和碳排放的总体概述。

过度碳排放的威胁不仅是一个环境问题，也是一个复杂的全球社会问题。自 20 世纪 90 年代近 200 个国家签署《京都议定书》以来，各个行业在节能和碳减排方面进行了尝试和探索（Gielen, 1995; Mourelatos et al., 1998）。在过去的二十年里，对 UWSS 碳排放的探索逐步深入和多样化。早期研究主要检查了 UWSSs 的环境和经济影响以及绿色用水的概念，这一概念在国际水协（IWA）第四次世界水大会上提出（Anderson, 2005）。在这个阶段，尚未涉及碳排放量化（Beale et al., 2013; Lowe, 2007; Stillwell et al., 2011）。2015 年之后，研究越来越多地涉及人类水循环与碳排放之间的相关性，并进行了碳量化和生命周期评估（Jin et al., 2015; Loubet et al., 2014; Smith et al., 2016）。最近，随着机器学习（ML）的发展，城市水系统中的几乎所有过程都被分析以寻求碳减排的优化机遇（Ding et al., 2024; Wang et al., 2024d）。许多针对水系统运行的改进和创新策略已在实际案例中提取和测试（Ahmed et al., 2024; Parvaze et al., 2023）。未来，为了提高城市资源和环境的承载力，碳中和社会战略将成为重要的研究热点（Ameli et al., 2024; Jia et al., 2023; Rode et al., 2021）。由于电力是供水过程中消耗的主要能源（Li et al., 2021; Oikonomou and Parvania, 2018; Xu et al., 2018），随着城市网络的扩张，高强度且运行效率相对较低的 UWSSs 面临着日益增加的碳压力（Chandel et al., 2015; Dehghan et al., 2024）。然而，关于 UWSSs 碳减排的现有研究很少，仅占城市水系统研究的一小部分。此外，相关研究受到地理限制（仅在特定城市优化），且很少进行跨研究整合以提供更广泛的见解。

本综述旨在整合涉及碳减排的城市供水系统的信息丰富且权威的研究。本工作旨在通过总结以往研究来实现重要目标：(1) 识别和分析现有研究之间的关联和差异，从多个具体视角出发；(2) 探索城市供水系统碳减排更深层次的研究方向，并提出一个整合战略框架；(3) 评估在碳减排背景下重塑和管理 UWSSs 的前景。此外，本工作还基于已发表文献和数据分析的见解，提出了几项进行 UWSSs 碳减排研究的建议并指出了潜在机遇。

章节片段

综述方法
本工作实施了一种基于文献的三步综述方法，以汇编和整合以往研究，讨论研究的局限性，并为以碳为导向的 UWSSs 制定建议。
首先，强调几个研究问题。
(1) 研究人员最常用什么方法来观察 UWSSs 中的碳排放？
(2) 关于碳减排，以往专注于以碳为导向的 UWSSs 的研究有哪些局限性？
(3) 机器学习是否已经对...产生了影响（原文此处截断）

文献综述
本综述借鉴了根据第 2 节描述的搜索和筛选过程选定的结构化文献体系。这些以往研究批判性地评估了研究趋势、知识核心和未来方向。文献综述主要涉及从技术、运营、结构和定量角度涵盖 UWSSs 碳排放的研究，特别关注水 - 能 - 碳纽带、碳量化与估值以及生命周期...

水 - 能 - 碳纽带视角
水 - 能 - 碳纽带是一个复杂的多维系统。这些以往出版物的结果表明，WEC 纽带对于水碳减排和源头节约具有重要意义。该纽带可以观察许多相关组件，并在将不同部门聚集在一起合作以提供更可靠和可持续的水务服务方面发挥重要作用。WEC 纽带的研究是全球性的，东亚地区占比最大...

未来机遇与挑战
借鉴前述关于 WEC 纽带、碳排放量化框架和多样化优化策略的综合，显然 UWSS 的碳减排在理论研究和局部实施方面均取得了显著进展。然而，在全球极端天气事件日益频繁和城市基础设施日益复杂的背景下，现有的研究框架仍面临诸多实际限制。

结论
城市供水系统是一个具有高能源需求和持续运行特征的关键基础设施系统。本工作专注于从碳减排的角度综合关于 UWSSs 管理和重塑的研究。文献综述涵盖了三个主要主题：水 - 能 - 碳纽带、碳量化与估值以及生命周期评估。本文提供了一种新见解，总结了大量典型的关于...的作品。

CRediT 作者贡献声明
Yisong Zhu: 写作 - 初稿，概念化，方法论，调查，形式分析。Wencheng Ma: 资源，监督。Yu Ouyang: 项目管理，数据管理。Rui Fang: 监督，项目管理。Chengzhi Zheng: 资源，写作 – 回顾与编辑。Dan Zhong: 概念化，资金获取，写作 – 回顾与编辑。Pengyuan Cheng: 调查，方法论，可视化。

CRediT 作者贡献声明
Yisong Zhu: 写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，概念化。Wencheng Ma: 监督，资源。Yu Ouyang: 项目管理，数据管理。Rui Fang: 监督，项目管理。Chengzhi Zheng: 写作 – 回顾与编辑，资源。Dan Zhong: 写作 – 回顾与编辑，资金获取，概念化。Pengyuan Cheng: 可视化，方法论，调查。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文报告的工作。

致谢
本研究得到了国家重点研发计划（编号 2023YFC3208203）和城市水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）（编号 2024TS05）的财政支持。

Yisong Zhu|Wencheng Ma|Yu Ouyang|Rui Fang|Chengzhi Zheng|Dan Zhong|Pengyuan Cheng
哈尔滨工业大学 城乡水资源与环境国家重点实验室，中国哈尔滨，150090