《Water Biology and Security》：Data centers: an emerging threat to freshwater biodiversity in the United States
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本文首次系统评估了美国数据中心（DC）的蓬勃发展通过热力发电与水力发电两条主要路径对淡水生物多样性构成的潜在威胁。作者建立了一个风险分析框架，指出风险源于直接的水冷却需求以及间接的电力生产需求，并通过空间分析揭示了DC高水压力足迹与鱼类、贻贝高生物多样性区域（如东海岸和五大湖区）的重叠，加剧了物种灭绝风险。文章警示，即便转向水电也可能因改变河流流态、阻碍鱼类洄游等对水生生物造成新的压力。
数据中心（DC）是大型温控仓库，里面布满了数据服务器和计算机。随着生成式人工智能（AI）、机器学习和加密货币挖矿等数字需求的激增，美国的DC数量已超过5400个，其能源需求预计到2030年将增长7%至12%。然而，这种增长的背后，是对能源和水资源的巨大消耗，并对淡水生物多样性构成了一个尚未被充分认识的新兴威胁。
热力发电驱动的威胁路径
数据中心运行的电力主要来源于热力发电和水力发电。热力发电（包括天然气、煤炭和核电）是美国最大的水资源消耗部门。DC的直接服务器冷却和间接的发电厂冷却，都需从淡水水体中抽取大量冷却水，这引发了多重生态风险。
气候变化的火上浇油：如果使用化石燃料（如煤或天然气）为DC供电，将释放更多温室气体，加速气候变化，进而通过栖息地丧失威胁淡水生物。例如，气候变暖预计将压缩冷水鱼类的栖息地范围，而DC需求的增长可能会加剧这一趋势。
水压力与生物多样性的冲突：DC的直接和间接用水构成了巨大的水足迹和水压力足迹。一项全国性的空间分析将DC的水压力足迹与鱼类、贻贝的物种丰富度分布图进行了重叠比较。结果显示，流入大西洋和五大湖的流域，由于支持着更高的鱼类和贻贝多样性，且DC的水压力足迹也较大，因此风险尤为突出。
具体风险包括：
- 1.
减少环境流量：过度取水会减少水库蓄水，削弱运营商为下游提供关键环境流量的能力，例如吸引春季产卵鱼类的“引诱流”。
- 2.
增加裹胁风险：更高的冷却水抽取量会增加小鱼和幼体被吸入取水口的风险。
- 3.
夜间运行的危害：为满足DC24/7的夜间需求而调整发电时间，可能会增加鱼卵和幼体被裹胁进热电厂的风险。
水质恶化问题：采用“直流冷却”系统的发电厂会将升温后的水排回水体。例如，纽约州芬格湖地区的加密货币挖矿设施每日从塞内卡湖抽取超过200万加仑冷却水，升温后排出。居民担心这种热排放会加剧当地日益严重的“有害藻华”（HABs）问题。
水力发电：另一把双刃剑
为了减碳和降低水压力，部分DC转向水电。水电虽不消耗冷却水，且是可调度的电源，但其生态影响同样不容忽视。
案例中的生态张力：在哥伦比亚河流域，谷歌等公司的数据中心依赖大坝水电，但这与恢复洄游性鱼类（如鲑鱼、鲟鱼）所需的拆坝行动产生了矛盾。在宾夕法尼亚州，谷歌与布鲁克菲尔德可再生能源公司签署水电协议，涉及萨斯奎哈纳河上的项目，而鳗鱼、蓝背鲱等鱼类的洄游通道正是该河的环境关切点。
时间尺度上的新挑战：DC的用电模式改变了水电的运行方式，可能对生物造成新的压力。
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季节层面：为满足夏季DC高峰用电而增加发电，可能导致秋季鱼类（如秋季产卵的奇努克鲑鱼）所需的关键水流或低温水储备被提前消耗。
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日间层面：AI数据中心需求波动大，推高了电力市场的价格波动，这会激励水电进行更频繁的“调峰运行”（Hydropeaking），即快速改变下泄流量以满足电价变化。这种流量骤变会导致鱼类搁浅或被吸入水轮机。
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夜间层面：满足DC夜间负荷而增加水电夜间发电，会提高视力不佳的幼鱼和小鱼在夜间被裹胁进水轮机进口的风险。
新水坝与非动力坝的启用：为满足DC需求，可能导致新水坝的建设，例如在南美洲。这会造成河流片段化，严重影响鲟鱼、鲑鱼、鳗鱼等洄游鱼类。在美国，则存在将现有的8.5万座非动力坝（NPD，原用于防洪、灌溉等）加装水轮机的趋势。这虽然增加了可再生能源，但也可能为拆除那些阻碍鱼类通道的废旧水坝带来经济阻力，从而对洄游鱼类、贻贝等水生生物产生不利后果。1 MW in the conterminous US.">
可持续性与缓解方案
提高DC及其支撑能源的可持续性可从多个层面入手：
- 1.
宏观选址与调度：通过“分区”避免DC过度集中；将计算任务调度至可再生能源充沛的时段。
- 2.
冷却技术创新：采用混合冷却、地热交换、液体浸没式冷却等技术减少淡水消耗；使用微咸水、海水或处理后的再生水。
- 3.
生态保护措施：在取水口安装防护筛网，保护鱼类免受裹胁；在水电站建设鱼类通道；在水库运行中，通过选择性分层取水或使用水温控制装置，调节下泄水温以保护下游水生生物。
- 4.
数据透明与监管：呼吁DC行业提高水和能源使用情况的透明度，这是迈向可持续发展的第一步。
结论
本研究首次构建了理解数据中心对淡水生物多样性潜在影响的分析框架。风险因DC所用能源类型而异：使用热力发电主要威胁来自冷却水抽取及其引发的连锁反应；使用水力发电则可能通过改变河流流态、阻碍鱼类洄游以及固化旧坝存在而产生新的生态压力。空间分析揭示了DC高水压力区域与生物多样性热点区域的重叠，为风险筛查和针对性缓解提供了依据。未来需要更详细的数据和定量评估，以推动数据中心行业在支持数字经济发展的同时，实现与淡水生态系统的可持续共存。
