随着地球持续变暖,水供应减少和能源需求增加的双重挑战将加剧。但是水和能源有着千丝万缕的联系。例如,加州近五分之一的能源用于与水有关的活动,而超过十分之一的电力来自水力发电。当社会试图适应一个挑战时,它需要确保它不会恶化另一个挑战。


为此,加州大学圣巴巴拉分校、劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员开发了一个框架,用以评估不同的气候适应可能如何影响这种水-能源关系。他们的研究发表在开放获取期刊《环境研究快报》上。


环境研究系助理教授兰吉特德什穆克(ranjitdeshmukh)说:“电力和水系统以许多不同的方式连接在一起。预计气候变化将强调这些联系,因此我们提出了一个框架,绘制这些相互依存关系,并使我们能够了解和量化其对能源-水关系的影响。”

加州大学开发可以评估气候对水和能源影响的算法

虽然这不是第一次研究这些课题,但它采取的方法比以前的论文更加细致。伯克利实验室气候与生态系统科学部门的首席作者Julia Szinai说:“关于气候变化如何分别影响水和能源部门,已经有很多分析,但这些研究通常没有关注两者之间的相互作用和反馈。我们的论文发展了一个广义的框架,确定了气候变化如何影响这些耦合的水和电系统,以及对未来供需缺口的潜在适应。通过这样做,我们说明了在适应气候变化方面经常被忽视的权衡和协同作用。”


该框架使用系统分析来确定水和能源部门最大的潜在气候压力。它量化了适应气候变化所需的行动,并审查了这些行动所产生的反馈。


“例如,我们的框架显示了气候变化导致的气温升高可能会增加空调用电需求和灌溉用水需求。”Deshmukh解释道。然而,锡耶拉的积雪损失和多变的降水量将影响供水,不仅是城市和农业用水,还将影响水力发电和火力发电厂的冷却。


加州依靠内华达山脉的积雪在一年中缓慢地测量水量。


研究小组将他们开发的框架应用于加州,加州大量的水依赖于积雪,并消耗大量的能源将水从北部输送到南部。他们研究了水部门的多种适应战略,发现有些战略是能源密集型战略,而另一些战略实际上可以节约水和能源。


研究人员整合了大量零散研究的数据,以估计在本世纪末各种气候情景下该州可能的水和能源未来的总体范围。他们的分析发现,有两个因素可能主导气候变化对加州电力部门的直接影响:空调负荷增加和水电可用性下降。


“这篇论文最重要的一点是,让我们的水系统适应气候变化,要么会显著加剧电网压力,要么反过来,有助于缓解压力。”合著者、伯克利实验室气候科学家安德鲁·琼斯说。如果我们把重点放在通过跨流域大面积调水来调整水系统,或者通过使用能源密集型的海水淡化,那只会让电力问题变得更加困难。另一方面,如果我们通过节约用水来调整水系统,这实际上是一个双赢的局面,因为你也在减少水所需的能量。


目前,加州惊人的19%的电力消耗用于与水相关的应用,如处理、运输、泵送和加热。此外,约15%的州内发电来自水电。

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该州已经看到了气候变化对其水能系统的一些影响。气候变化加剧的长期干旱导致地下水开采用电量激增,相应的水电短缺需要更脏的化石燃料来替代。


研究小组确信,气候危机将对该州未来的供水产生巨大影响。也就是说,影响是非常不确定的。在最坏的情况下,可用的水供应可能会减少25%;但是,它们可能会增加46%。


Deshmukh说:“气候模式对降水量的预测有很大的不确定性。但不管这些不确定性如何,这些适应措施都提供了显著的共同利益。节约用水将为消费者节约能源和金钱,并使该州的天然溪流和河流流量更大。”


当研究小组将他们的框架应用于最坏的情况时,他们发现,在水资源部门选择能源密集型的适应战略可能会导致能源失衡,就像气候变化直接造成的那样严重。


琼斯说:“我认为这是第一次研究表明,水资源部门的适应对电力部门的影响与气候变化本身的直接影响一样大。”


这项研究强调了这两个部门之间协调适应规划的好处,因此,我们现在将一个更详细的水资源管理模型和一个电力规划模型联系起来,该模型可以证明当气候变化时,美国西部电力基础设施建设的弹性路径变化的影响包括水部门。主要作者Szinai补充说道。


Deshmukh目前正领导一个团队,通过量化气候变化对南部非洲12个国家水电大坝和火力发电厂的影响,探索能源、水和气候之间的联系。他希望找出电力基础设施的最佳投资。


加州有一个选择,它想如何调整其水资源部门的影响,气候变化,德什穆克说国家可以采取能源密集型的气候适应措施,如海水淡化,或者制定一系列措施,最大限度地发挥节水潜力。水和能源部门的规划者和决策者需要协调他们的行动和计划,以适应气候变化。


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