《Journal of Environmental Management》：Revealing the material metabolism across residential water supply and drainage infrastructure renovations in China
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中国住宅水基础设施翻新2006-2030年材料流与碳排放研究，基于建筑清单数据构建MFA-GIS框架，量化设施库存（30.72Mt→29.08Mt）、材料流动及全生命周期碳排放（2.5Mt），揭示东南经济密集区主导（50.9% inflows/outflows）、塑料管道库存激增（56%排放占比）特征，提出建立建筑垃圾回收体系、推广低碳管材等减排策略。
侯彩霞|陈瑞航|毛瑞昌
西安建筑科技大学管理学院，中国西安 710055
摘要
城市通过物质和能量的交换来维持其“新陈代谢”，然而住宅用水基础设施的物质流动特性仍然研究不足，尤其是在中国。本文采用自下而上的方法分析材料流动，量化了2006年至2030年中国水基础设施翻新过程中的物质存量、流动量以及相关的温室气体（GHG）排放量。我们根据具体建筑物的工程量清单编制了材料强度数据，涵盖了58万平方米的不同高度和建造时期的住宅建筑，从而能够通过特征配置进行空间精细化的存量建模，而不仅仅是使用统一平均值。研究结果表明，供水和排水基础设施的物质存量从2006年的3072万吨减少到2025年的2908万吨。按材料类别来看，塑料管道的存量显著增加，而金属管道的存量则逐渐减少。从空间分布来看，东南部经济发达且水资源丰富的地区占据了最大的物质流入（50.9%）和流出（51.9%）。温室气体排放分析显示，水基础设施翻新过程中累计产生了250万吨的温室气体，其中新管道的生产占主导作用（56%）。在各种情景下，排放量仍以生产阶段为主（88%），其中塑料管道在生产阶段产生的温室气体占90%以上，在处理阶段产生的温室气体占65%。因此，提出了一系列措施，如提供补贴、建立建筑和拆除（C&D）废物回收系统、推广低碳管道材料以及改进塑料回收途径，以减少环境影响。
引言
城市作为庞大而动态的系统，其“新陈代谢”表现为与周围环境的物质和能量交换（Wolman, 1965; Baccini and Brunner, 2012）。城市供水和排水系统作为城市基础设施的重要组成部分，对实现可持续发展目标（SDGs）具有重要影响，例如清洁水和卫生目标（Rosenzweig et al., 2010; Thacker et al., 2019; Bai, 2025）。因此，确保城市供水和排水系统的合理有效管理至关重要。分析城市供水和废水流动是理解城市系统中水循环复杂相互作用的基础（Strutt et al., 2008; Ugarelli et al., 2008; Venkatesh et al., 2009; Abbott and Cohen, 2010）。为了支持这些动态流动，城市供水和排水基础设施的存量是建成环境的关键组成部分，它既保障了用户的用水需求，又管理了废水的收集和运输。
物质新陈代谢提供了一个系统框架，用于分析定义系统边界内的物质流入和流出，并评估物质存量变化的动态（Lanau et al., 2019）。在城市供水和排水系统领域，材料流动分析（MFA）已被应用于城市规划和资源管理。一些研究关注了城市水基础设施的物质存量，例如城市污水系统存量与城市特征之间的关系（Pauliuk et al., 2014），以及城市污水系统流动和存量变化的趋势（Hou et al., 2015）。在此基础上，提出了“存量效率”概念——通过年服务能力来定义——以开发物质存量效率指标，揭示了城市供水和污水系统处理能力的不充分利用程度（Wang et al., 2018）。此外，多项研究调查了城市水基础设施建设和运营过程中产生的温室气体（GHG）排放，并强调了为应对未来碳排放增加而需要采取的减排策略。建议的措施包括优化能源结构（Yue et al., 2023）、改进技术流程（Chen et al., 2023; Song et al., 2023）、提高热回收效率（Yang et al., 2023）以及完善核算系统（Zhang et al., 2017）。然而，仍存在一些未得到充分解决的知识空白。
•以往的研究主要集中在金属（Pauliuk et al., 2014; Song et al., 2020）、建筑物（Müller, 2006; Mao et al., 2020; Camarasa et al., 2022）、道路（Rousseau et al., 2022; Wang et al., 2023）、高铁（Mao et al., 2023）、高速公路（Guo et al., 2017）和地铁（Mao et al., 2021）的物质新陈代谢上，而对城市供水和排水系统的物质新陈代谢分析相对较少。
•现有关于城市水系统物质新陈代谢的研究主要集中在供水管道和污水处理厂上（Zhang et al., 2017; Smith and Liu, 2021; Yang et al., 2023; Wu et al., 2023），而对住宅建筑中的水基础设施缺乏针对性的研究。
•现有研究主要集中在水基础设施的建设和运营阶段，主要使用生命周期评估（LCA）方法来评估物质流动和环境影响（Baccini, 1997; Huang et al., 2023; Lemos et al., 2013; Smith et al., 2016, 2018; Xu et al., 2024; Zhang et al., 2021）。相比之下，对老旧水基础设施的翻新阶段关注较少。随着城市化进程的加快，住宅用水基础设施的作用日益突出，推动绿色和可持续的翻新已成为政策制定者的紧迫挑战（Bai, 2025）。
在中国，管道网络为99.43%的人口提供了供水服务（CEIC, 2024）。快速的社会经济发展推动了水基础设施系统的大规模扩张。这些活动在建设过程中积累了大量的物质存量，并刺激了制造业和废物管理领域的物质流动，这两者都与能源和资源消耗相关（国务院办公厅, 2020; 中华人民共和国国务院, 2021）。过去二十年里，中国各地实施了大规模的翻新计划，针对老旧住宅社区进行了改造，涉及约50亿平方米的过时住宅建筑。作为基础设施升级的一部分，系统更换了219,300公里的供水和排水管道，以提高服务可靠性。
我们根据具体建筑物的工程量清单（BOQs）编制了材料强度数据，涵盖了多个翻新项目中的约58万平方米住宅建筑面积。该数据集提供了城市住宅水基础设施的明确项目级材料强度值，直接反映了实际管道配置，而非设计标准和技术规范中通常推荐的数值范围。通过涵盖多个建造时期和建筑高度类别，该数据集支持根据建筑特征分配不同的基础设施配置，而不仅仅是使用统一平均值。基于此数据集，我们应用了集成的MFA–GIS框架，将这些基于特征的 material intensities 转换为更大尺度上的空间和时间明确的物质存量、流动量和生命周期温室气体排放量估计。
本研究解决了以下研究问题：
(1)中国社区中老旧住宅水基础设施的翻新模式和驱动因素是什么？
(2)住宅水基础设施翻新过程中的物质新陈代谢特征及其相关的碳排放影响是什么？
(3)这些翻新过程中可能产生的资源消耗和环境影响是什么？
部分摘录
模型框架
本工作的整体工作流程如图1所示。我们结合了MFA、GIS、LCA和数据挖掘方法，量化了中国城市住宅水基础设施翻新过程中的资源和环境影响。在住宅水基础设施翻新中，资源影响分析涵盖了14种材料类别，并按公称直径（DN）进行了详细分类，得出了90种不同的管道配置。环境影响评估量化了五种
中国老旧住宅社区的翻新模式
图2展示了中国老旧住宅社区的翻新模式。在全国范围内实施之前，翻新活动主要是在试点或局部范围内进行的，这也得到了先前研究的证实（Zhang, 2022; Wang, 2024），并在早期政策文件中有所体现（建设部2007; 中国共产党中央委员会和国务院, 2016）。自中国发布《全面推进城市老旧住宅
CRediT作者贡献声明
侯彩霞：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、概念构思。陈瑞航：撰写 – 初稿撰写、可视化、软件应用、方法论设计、概念构思。毛瑞昌：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、软件应用、方法论设计、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52270189, 52293445）和陕西省教育厅（项目编号24JP098, Z20230765）的支持。
