水与能源是人类生存、经济发展和社会进步的重要物质基础,在全球人口增长、气候变化的背景下,水、能源短缺和冲突正冲击着世界经济格局、政治秩序以及环境健康。而中国是一个干旱、缺水严重的国家,频繁的洪涝灾害、严重的水土流失,以及脆弱的水生态环境,决定了水资源在中国重要意义。特别是工业化、城镇化快速发展,使得水资源供需矛盾日益突出。与此同时,中国不仅是能源生产大国,也是能源消耗大国。在能源结构中,煤炭资源处于基础性地位;虽然能源建设不断加强,仍存在能源利用效率相对较低,能源生产和使用粗放等问题,保障能源供应安全和能源产业的可持续发展正面临严峻形势。中国水与能源的问题主要体现在水与能源的总需求上升、人均水需求量与能源需求量增加、气候变化加剧水与能源跨部门关系的紧张程度、高耗能型用水和高耗水型能源的政策选择,水与能源成为中国可持续发展的重要瓶颈。水与能源以各种形式相互制约并相互构成压力,并随着全球需求增长速度超过人口增长速度和气候变化的影响而加剧,所以研究水与能源之间的纽带关系对于各国都至关重要。目前对于水与能源的研究主要集中于传统能源的开发和新能源的开发过程的水资源消耗、水资源开发利用过程中的能源消耗情况;对水与能源关系的研究主要以环节用水和能源消耗之间的相互关系为基础,来实现部门发展、政策制定、战略布局等目标。在水与能源耦合机制、驱动机制等理论方面尚未形成理论体系,且目前能源与水关系政策、规划往往分别制定,无法实现水与能源的协同发展。本文主要通过研究水与能源历史演变特征,依据系统论、协同学和资源价值理论,对水与能源进行拓展性分析;定量分析水资源开发利用全过程的能源消耗,以及电力能源开发利用过程的水资源消耗,并建立水与能源耦合模拟模型,开展国家尺度水资源与能源系统模拟及其政策分析。论文的主要结论有以下几个方面:(1)基于水与能源历史演变特征,以及系统论、协同学和资源价值理论,分析水与能源的科学内涵。本文通过梳理人类对水与能源开发利用过程的历史演变特征,总结水与能源的关系;并借助系统学理论、协同学理论和资源价值理论,对水与能源相互作用关系进行拓展性分析。本文发现水-能源是一个开放的复合系统,不同时期、不同地区的自然资源环境和社会经济发展,水与能源的关系模式具有不同响应。当水资源未被人类开发利用,水资源只依靠自然能源在自然水循环过程中运移,水-能复合系统中各子系统发展主要发生自身演化,水资源和能源相互之间的协调性较低。当水资源开启社会水循环路径时,水资源与能源产生新的相辅相成关系,水-能源复合系统协同效果渐渐显现。当粗放的生产方式,导致水-能源复合系统中的子系统是无序的消极发展,水资源资源利用与开发远远超出其自身的可再生能力,导致水环境恶化、水资源量匮乏,降低能源发展速度,进入水资源与能源相互制约发展关系中。在社会经济发展相对成熟的阶段,对水资源系统的认识加深,能源生产结构转变、科技进步以及不再以追求经济效益为主要目标会使水资源问题逐步得到缓解,系统的各子系统均处于有序发展状态,各因素处于高协同关系。在水与能源复合系统中,水与能源的驱动机制内因是各子系统之间的相互作用而产生的协同作用,外因是外界对系统的能量、物质、信息等的作用。(2)基于社会水循环过程,定量分析水与能源关系本文基于整个社会水循环的取水过程、供水过程、输配水过程、用耗水过程、排水过程、以及污水回用过程,分析整个过程的能量消耗总量为10966.72亿kWh,约占全国总用电量的19.45%。分析不同类别水源取用过程的能源消耗,发现随着水资源开发技术的发展,能源消耗越来越大,2005-2014年我国供水量增加8%,2005年不同水源开发过程中的能源消耗为802.33亿kWh,2014年增长到1003.48亿kWh,增长25%。在整个社会水循环过程中,用水系统能量消耗最多,其中工业生产部分用水能耗为6040.81亿kWh,居民生活用水能耗为3505.62亿kWh,用水环节的能耗量相当于整个社会水循环过程能耗的87%。从不同终端用水户看社会水循环的能量消耗,2014年工业用水消耗量约为6327.74亿kWh,占社会水循环全过程能耗的58%,其中生产过程中用水消耗的能耗占55%。居民生活水循环过程的能量消耗约为4068.04亿kWh,其中家庭生活用水系统的能量消耗占居民生活水循环过程的86.2%,若居民生活减少10%的用水量,可节约350.5亿kWh电能。农业取用水消耗电能576.93hWh,如果农田灌溉水有效利用系数提高0.1,可节省81.59亿kWh的电能,相当于农业取水能耗的16%。(3)基于不同电源开发利用过程,定量分析水与能源关系基于不同电源生产过程的用水情况,发现直流冷却发电的取水量远远大于循环冷却技术的取水量,但耗水量却小于循环冷却。虽然发展以能源作物为原料的生物质能将增加农业用水量,但是发展以农村剩余物为主的生物质能源可以避免出现与农作物种植争水争地的现象。在中国南方地区火力发电采取直流冷却方式,且集中水力发电,发电过程的取用水量较多;而西北地区火力发电采用循环冷却方式,水资源取用量较少。在全国尺度分析电力生产的用水情况,发现2005-2014年中国电力生产增加2.3倍,但是耗水量只增加1.8倍,说明目前电力生产技术的改进能够减少水资源的利用。从区域尺度分析各地区电力生产的用水情况,发现按照目前的供电结构,神东、晋东、黄陇、河南等四大煤炭基地的新增煤电受到水资源的约束效应更加显著,并且增加西气东送规模将加重西北煤电基地水资源压力。根据各地区水资源状况和电力发展要求,未来水资源与能源规划需要将水与能源进行统一规划,从当地水资源状况限定西北地区煤电发展规模,将产业结构进行优化、能源布局进行调整。(4)基于一般均衡模型,构建水与能源宏观政策评价的WEGE模型本文建立能够系统反应水资源要素、电力资源要素供应,以及水生产供应企业,电力生产供应企业的账户体系,在此基础之上,构建了针对水资源和能源政策问题的水与能源耦合模拟模型(WEGE)。该模型将经济主体抽象为居民、政府、一般企业、水供应企业、电力供应企业和国外等六个部门,经济社会要素供给包括资本、劳动力、水资源和电力资源。WEGE模型能够反映水资源和电力资源要素在社会经济和居民消费过程中的供应、分配、使用等过程;以及水供应企业和电力供应企业在生产过程中的中间投入、产品产出,以及产品分配全过程。通过建立水、能源与经济各个组成部分之间的数量联系,分析与水和能源有关的价格变动、税收、环境政策对国家经济、产业结构、劳动市场、收入分配的影响,为水与能源宏观调控政策制定提供参考。(5)运用WEGE模型,模拟国家水与能源宏观政策对国民经济影响本文通过构建国家尺度水与能源耦合模拟模型(WEGE)分析水价提升、政府补贴、税收优惠等不同政策对国民经济的影响,发现水价和电价的提升可以带来物价的上升,供水价格、电价提升100%,国民经济整体价格分别提升0.14%和4.87%。价格的提升直接导致居民消费效用和国内商品生产数量减少,但供电价格提升对国民经济的影响比供水价格提升明显。提升供水、供电价格可以减少水资源和电力的供应数量,尤其对水资源供应抑制作用明显,且水价提升将带来电力价格的提升,电价平均上升0.16%。供电价格的提升对供水价格影响较大,水价平均上升1.33%;但供电价格提升对电力使用的抑制作用不如水价大。对供水企业和供电企业增加财政补贴,可以增加供水企业和供电企业的总收入,但是对于减少水资源供应量和电力资源供应量作用小。通过实行税收优惠政策来增加供水企业和供电企业收入的同时,减少了政府收入。如果对再生水供应企业和可再生能源供电企业进行政府补贴,对原水、再来水、火电、水电、核电进行提价可以增加企业收入,且增加幅度大于单纯的对供水企业和供电企业进行财政补贴,更有利于再生水利用。