中国煤炭去产能的水资源协同效益分析

2023-08-29付晶莹赵亚楠

煤炭科学技术 2023年7期

林刚，付晶莹,3 ，江东,4 ，赵亚楠

（1.中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101；2.中国科学院大学资源环境学院, 北京 100049；3.自然资源部自然资源要素耦合过程与效应重点实验室, 北京 100055；4.自然资源部资源环境承载力评价重点实验室, 北京 101149）

0 引言

煤炭与水资源作为战略性资源，对于保障社会经济发展和生态环境保护具有重要意义[1-2]。联合国《2030 年可持续发展议程》制定了17 个可持续发展目标(Sustainable Development Goals, SDGs)，与煤炭和水资源相关的目标主要有：清洁饮水和卫生设施(SDG6)，经济适用的清洁能源(SDG7)，负责任消费和生产(SDG12)和气候行动(SDG13)[3]。因此，世界各国致力于以可持续的方式使用自然资源和环境成本，使人类的发展控制在地球承载能力之内，从而推动实现2030 年可持续发展目标[4-5]。然而，国家统计局数据显示2022 年我国煤炭消费量占能源消费总量的56.2%[6]，煤炭在未来一定时期内仍将是我国主体能源[7]。同时，我国也面临着水资源短缺、时空分布不均、与经济社会发展不匹配等问题[8]，特别是水资源分布与煤炭资源分布截然相反的逆向分布格局[9]，使煤炭与水资源可持续利用陷入困境[10]。

2021 年，我国煤炭利用产生的SO2、NOx和烟尘分别占全国总排放的54.4%、30.62%和39.45%，同时煤炭开采造成地表塌陷、植被退化和煤炭废弃物堆积等问题，进而导致区域生态系统功能和服务降低[11-12]。而煤炭开采对区域水资源产生重大影响且往往容易被忽视。中国14 大煤炭基地大都集中在年降水量少、水资源供需矛盾突出地区，这将加剧区域水资源短缺[1]；同时，为防止突水事故发生，每开采1 t 煤需要排出1.80～1.87 t 矿井水[13-14]。以2022年为例，煤炭产量约为45.6 亿 t[6]，则产生的矿井水量高达82.08 亿～85.27 亿t，直接破坏地下水资源系统格局，造成地表水体、地下潜水和浅层土壤受到二次污染；除此之外，矿井水经岩缝渗透进入地下，改变地下水中矿物质平衡，加快地下岩层的侵蚀，使地下水中有害成分增加，间接影响植物生长和人体健康[15]。可以看出，中国未来煤炭资源发展面临着水资源短缺和污染、CO2排放控制、污染物排放总量约束、能源开采生态保护等环境挑战[4,11-12,16]。特别是地下水作为全球可饮用淡水的最大来源，为全球饮用水供应以及卫生、农业、工业等系统提供保障[17]，而煤炭开采、分选对地下水资源产生严重负面影响。

2016 年初，国务院印发《关于煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》，拉开了煤炭行业供给侧结构性改革大幕[18]。“十三五”期间，全国累计退出煤矿5 500 处左右、退出落后煤炭产能10 亿t 以上，使得煤炭行业整体发展质量不断提升，我国煤炭市场供需实现了基本平衡[19-20]。但现有研究缺少对去产能产生的碳减排、生态环境和水资源等协同效益的关注[2,21]。从实现SDGs 角度看，去产能不仅促进了清洁能源的研究和技术进步，还带来了巨大的环境、健康与水资源协同效益[4,16-17]。尤其对中国而言，井工矿数量超过90%，矿井关闭/退出对地下水资源的保护与可持续利用意义重大。联合国水机制地下水峰会呼吁各国提升对地下水的重视程度，以更可持续的方式利用地下水资源，推动实现SDGs 涉水目标[22]。为此，研究以2016 年去产能政策实施以来关闭/退出的矿井为研究对象，在分析关闭/退出矿井时空分布特征基础上，定量化分析煤炭去产能带来的水资源协同效应，以期为可持续发展和“双碳”目标下煤炭退出提供科学依据。

1 数据来源与处理

首先，对中华人民共和国国家发展和改革委员会(官网http://www.ndrc.gov.cn)和国家能源局(官网http://www.nea.gov.cn)、各省级人民政府(不包括港澳台)及其所属相关部门网站以“煤炭去产能”为关键词进行直接检索，检索年限范围为2016—2022年底。其次，为确保煤炭去产能数据的准确性与有效性，通过仔细阅读内容与文本，人工遴选井工矿井信息。最后，选取2016—2022 年包括中共中央、国务院及其各部门、涉煤省级行政部门公布的共计4 027个去产能矿井信息，记录所属省份、矿井名称、经纬度信息、占地面积、开采年限等。其中，对于完全关闭的矿井，直接核定实际退出产能，对于部分关闭的矿井，计算其生产产能与核定产能，其差值为实际退出产能。

鉴于中国煤炭资源与水资源存在明显的空间差异，同时考虑到地质条件、煤矿开采利用技术以及行政区划，将中国划分为晋陕蒙宁甘区、华东区、新青区、华南区和东北区5 个地理区域(图1)，台湾省、香港特别行政区和澳门特别行政区不包括在内。东北区包括黑龙江省、吉林省、辽宁省；晋陕蒙宁甘区包括内蒙古自治区、陕西省、山西省、甘肃省、宁夏回族自治区；新青区包括新疆维吾尔自治区和青海省；华南区包括西藏自治区、四川省、云南省、重庆市、贵州省、广西壮族自治区、广东省、湖南省、湖北省、海南省、江西省；华东区包括河北省、北京市、天津市、江苏省、山东省、河南省、浙江省、上海市、福建省、安徽省。水资源数据来源于SHANG 等[13]统计的《中国能源统计年鉴》《中国煤炭工业年鉴》《中国水资源公报》《各省水资源公报》《中国农业统计年鉴》《重大能源工程和水利工程规划设计报告》中关于煤炭开采过程与水资源相关的数据(表1)。由于SHANG 等[13]设置的煤炭区划将江西省划分至华东区，西藏自治区划分至新青区，因此本研究继续使用江西省和西藏自治区在华东区和华南区的水资源系数进行计算。

表1 煤炭开采过程的水资源系数[13]Table 1 Water resource coefficients for the coal mining process [13]

图1 中国煤炭五大分区和关闭/退出矿井点数量示意Fig.1 Diagram of the division of China into five regions and the number of closure/withdrawal of mines

将统计得到的各涉煤矿企业的实际退出产能，与SHANG 等[13]规范收集的煤炭开采、分选阶段与水资源相关的矿井水量、耗水量和废水量系数相乘，可得到煤炭去产能过程中节省下来的水资源，即煤炭去产能带来的水资源协同效益。水资源协同效益是指煤炭去产能对水资源的正面综合影响，包括避免煤炭开采产生矿井水、煤炭开采和分选阶段消耗用水、煤炭分选(含煤矸石)阶段产生的废水，以及避免煤炭消耗造成的水资源货币化损失。

2 结果与分析

2.1 煤炭去产能特征

中国2016—2022 年关闭/退出矿井分布在25 个省份，关闭/退出矿井共4 027 个，退出产能87 477 万t。关闭/退出矿井数量集中在长江上游区域 (图1)，煤炭去产能密度高的区域集中在黄河“几”字弯地区(图2)。其中，煤炭去产能力度排名前三的省份是山西省、贵州省和内蒙古自治区，分别去产能10 679万t、8 368 万t 和8 274 万t(图3)。关闭/退出矿井数量排名前三的省份是贵州省、云南省和湖南省，分别关闭/退出矿井505 个、488 个和455 个。2016—2022 年7 a 间，年度去产能最大力度的省份分别是陕西省、河南省、山西省、山西省、云南省、山东省和内蒙古自治区，去产能分别为5 377、2 014、2 240、2 255、3 234、3 400 和4 120 万t，山西省在2018 年和2019 年均为去产能最大的省份。2016—2022 年间，2016 年中国煤炭去产能26 581 万t，之后产能退出逐年降低，到2022 年为5 318 万t。

图2 2016—2022 年我国煤炭去产能空间分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of coal de-overcapacity in China between 2016 and 2022

图3 2016—2022 年间中国涉煤省份不同年度去产能Fig.3 China’s coal-related provinces de-overcapacity between 2016 and 2022

2.2 水资源协同效益

中国2016—2022 年关闭/退出矿井仅考虑避免煤炭开采产生矿井水、煤炭开采、分选过程消耗用水及煤炭洗选(含煤矸石)阶段产生的废水3 种情况下，带来的水资源效益达300 525.6 万t，高于中国第四大淡水湖洪泽湖的容积(266 000.0 万t)。其中，煤炭开采避免产生矿井水可节约160 968.3 万t，煤炭开采、分选过程避免消耗用水可节约95 521.6 万t，煤炭洗选(含煤矸石)阶段避免产生的废水可节约44 035.7 万t(图4d)。即使对产生的矿井水和废水通过工艺手段进行回收利用，被污染的水资源仍有214 454.12 万t。煤炭去产能水资源协同效益空间分布取决于关闭/退出矿井的地理位置，避免产生矿井水、消耗水资源和产生废水的空间分布格局也极为相似(图4a,4b,4c)。水资源协同效益较好的区域主要分布6 大集中区域，分别在贵州省、云南省、四川省、重庆市交界的连片区域；山西省、河南省、河北省交界的连片区域；山东省、安徽省交界的连片区域；长江三角洲地区、湖南省中部和陕西省北部，总体上属于西南地区、华北地区和黄河流域(图4a,4b,4c)，上述区域具有水资源短缺共同特征，且煤炭开采与水资源承载力之间的矛盾突出。

图4 中国煤炭去产能的水资源协同效益空间格局Fig.4 China coal de-capacity generated water resources co-benefits in spatial patterns

就不同的省份而言，2016—2022 年间，煤炭去产能带来的水资源协同效益排名前10 的省份是贵州省、云南省、山东省、山西省、河北省、河南省、内蒙古自治区、四川省、陕西省和湖南省，分别节省水资源量35 145.60 万、29 534.40 万、30 798.00 万、25 036.00 万、24 044.00 万、22 425.90 万、17 375.40万、16 262.40 万、14 128.08 万和13 230.00 万t(图4d)。煤炭退出的水资源效益存在明显的空间分异，这取决于去产能规模大小和关闭矿井数量的有机结合。不同年份各涉煤省份煤炭去产能带来的水资源协同效益最大表现为：2016 年为陕西省(11 291.70 万t)，2017 年为河南省(8 056.00 万t)，2018年为河北省(5 964.00 万t)，2019 年为山西省(4 735.50万t)，2020 年为云南省(13 582.80 万t)，2021 年为山东省(13 600.00 万t)，2022 年为内蒙古自治区(8 652.00 万t)(图5)。2016−2022 年间不同年份煤炭去产能带来的水资源协同效益排序为2016 年、2020 年、2018 年、2017 年、2019 年、2021 年和2022 年，分别节省水资源93 273.70 万、45 472.80 万、45 191.70 万、44 885.40 万、31 988.10 万、27 818.00万和12 364.00 万t。2021 年和2022 年协同水资源效益较低，原因是小型矿井等落后产能基本关闭完成，下一步将集中于大中型矿井的产能核减。

图5 2016—2022 年中国煤炭去产能的水资源节约综合效益Fig.5 Comprehensive benefits of water conservation of coal de-capacity in China between 2016 and 2022

3 讨论

3.1 水资源协同视角下煤炭去产能的必要性

煤炭长期以来作为我国的主体能源，未来主体地位仍不会改变。截至2015 年底，中国产能30 万t/a及以下小煤矿占全国煤矿数量的60%以上，这些落后产能，生产集中度和生产成本低、环境污染程度高，限制了煤炭资源高效开发利用，形成了大量的落后过剩产能[23]。加之当时市场煤炭产量供大于求，煤炭价格持续走低，对煤炭企业和国民经济正常发展造成严重危害。2016 年初，国务院印发了《关于支持煤炭行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》，建立了部际联席会议制度，率先从煤炭、钢铁行业入手开展去产能工作[18]。已到达生命周期、不符合安全生产要求、开采成本高、亏损严重、面临关闭或废弃的煤矿[24]，开始逐步关闭。相关研究证明，碳排放2030 年达到峰值，2060 年前实现碳中和[25]，在未来几十年内必须逐步减少煤炭在中国能源结构的占比，以太阳能、风能和生物质能等可再生能源替代。

然而，去产能政策也给关闭煤炭企业及员工带来一定的就业压力[23]。淘汰落后过剩产能、实行煤炭退出，是全球所有国家都面临的共性问题，将煤炭退出带来的水资源协同效益纳入到煤炭退出的指标体系中，不仅有助于减少退出成本、增强煤炭退出信心、促进能源结构转变，也有助于缓解区域水资源压力。本研究结果表明，2016−2022 年间中国去产能政策实施带来的水资源协同效益高达300 525.60万t。吴涛[24]通过资料统计和分析研究，估算出我国2014−2018 年产生的废弃矿井水资源量达47.86×108t，主要分布在我国西南和华北地区，其中湖南、贵州、四川、山西、河北等省份废弃矿井水资源量分布最多。而本研究结果显示，水资源协同效益较好的区域主要分布在贵州省、云南省、四川省、重庆市交界的西南区域；山西省、河南省、河北省交界的华北区域，与吴涛[24]研究结果类似。

华北地区是中国人口最密集、经济最发达的地区之一，是重要的粮食生产基地，但同时又是水资源最为短缺的地区之一。近40 a 来，华北地区地下水水位显著下降，已形成规模巨大的降落漏斗，煤炭退出将有助于恢复地下水位和降落漏斗，对于保障华北生产、生活、农业用水和国家粮食安全具有重要意义[26]。西南地区原本水资源匮乏、干旱洪涝频发、生态环境脆弱，加之极端气候和大规模煤炭资源开采，水资源与水环境问题日益突出。由于西南地区整体经济发展水平不高，能源粗放式利用状况尚未得到根本性转变，能源消费集中于高耗能行业，产出附加值低，导致其生态环境约束性逐步增强[27]。然而，西南地区却拥有丰富的水能、太阳能、风能等清洁能源，煤炭退出带来水资源系统效益的同时，也加快西南地区的能源消费结构转变，以此带动社会经济、生态环境的可持续发展[27]。此外，全国14 个大型煤炭基地中有9 个在黄河流域，其产量占了全国煤炭总产量近70%[2]。黄河流域气候干旱、降雨量少、地表水蒸发量大，在本身水资源短缺的情境下，煤炭规模开采引起矿区地下水位大范围、大幅度疏降的同时，排出大量矿井水，导致乔、灌、草等植被衰败，形成资源与生态环境之间的负反馈[28]。因此，在发挥黄河流域保障国家能源安全的基础上，逐步退出低效益、高污染煤矿，对于黄河流域高质量发展和水资源保护具有重要意义。

总体上，中国关闭大量非法开采矿井、产煤量低的小型矿井以及与生态保护区域重叠的煤矿，淘汰落后煤炭产能，并针对大中型矿井进行核减产能，化解煤炭过剩产能，在减少水资源浪费与污染方面，也起到了至关重要的作用。SHANG 等[13]研究发现，中国煤炭消耗造成的水资源损失约为52.76 元/t，由此估算我国煤炭去产能产生的社会经济效益为461.65 亿元。鉴于煤炭去产能产生的水资源和社会经济巨大效益，及尚未被量化的减少温室气体排放、减少空气污染、生态环境和健康效益，必须坚持煤炭去产能政策，积极探索中国煤炭退出机制和能源转型道路。在能源转型过程中，煤炭从减量到退出成为必然趋势[29–32]。考虑我国目前的现实情况，在相当长的时间内煤炭在中国能源中仍占重要地位[7]。因此，中国需要继续逐步淘汰落后产能，以倒逼科技产业创新，积极调整能源结构、发展可再生能源，积极向绿色、低碳、清洁能源转型是中国经济发展和环境保护的必由之路[15,33-34]。

3.2 关闭/废弃煤矿矿井水治理及利用

据统计，黄河流域仅2022 年的矿井水量就高达65 亿t，导致水资源的严重浪费，危害区域生态环境，引发矿山事故和地质灾害等问题[28]。在去产能背景下，关闭/退出导致废弃矿井数量逐年增多，仍遗留大量可开发利用水资源[1,35]。矿井水根据水质特征可以分为洁净矿井水、含悬浮物的矿井水、高矿化度的矿井水、酸性矿井水及含特殊污染物的矿井水等5种类型[36-37]。目前关于矿井水的直接利用主要集中在井下除尘、井下生产用水、地面绿化用水和市政用水等[24]。一方面，由于废弃矿井地处偏僻，距离居民点较远，其场内设备关停没有取水条件和设施，导致矿井水无法被利用[24]；另一方面，废弃矿井水在煤炭开采过程中重金属等污染超标，若利用需要对其进行治理，无形中增加了使用成本[36]。

废弃矿井水资源开发利用主要包括3 大方向：矿井水污染处理与防治、地下发电和地热、太阳能等资源化利用[36,38-39]。废弃矿井水污染可通过矿井闭坑前控制措施[40]，如改善工艺，减少废弃矿井水排放量；严格控制污水水质，严禁使用渗坑、渗井方式排废水等，采空区治理[41]，如通过注浆系统将填充物注入采空区及其上覆岩体裂隙，防治岩层沉降产生矿井水等，串层污染防治，如切断串层污染途径；控制矿井水位和灰岩水位；实行采煤前预控制等，进行防治[36]。不同污染程度的矿井水，可根据其水质“因地制宜”进行处理和利用：①对清洁矿井水的处理与利用，多采用“洁污分流”的方法；②采用超磁分离工艺对含悬浮物矿井水进行处理[42]；③高矿化度矿井水的净化处理主要包括预处理和脱盐处理[43]，主要方法有离子交换法、膜分离法、药剂法及多效蒸发工艺等；④酸性矿井水的处理技术包括：中和法、吸附法、硫化法、高浓度泥浆法、人工湿地法、微生物法及膜分离技术等[36]；⑤含氟矿井水的处理方法主要有膜法、电化学法、离子交换-吸附法、混凝沉淀法等。对含有毒有害元素矿井水处理利用，通常采用絮凝沉淀法和离子交换法[36]。对于煤矿大规模污水处理，化学沉淀法和吸附法具有相对优势。废弃矿井水资源化利用，可将废弃煤矿矿井水改造成地下水库、作为后备水源地、可用作周边生产用水和深度处理后可并入城市管网[24]，也可采用膜生物反应器技术，实现系统的固液分离及污水中氨氮及难降解有机物的去除，将其建为地下污水处理中心[44]。