全球变化下部门特定清洁水稀缺与竞争

《npj Clean Water》：Sector-specific clean water scarcity and competition under global change

　　

虽然未来气候变化对物理水可用性的影响已得到广泛研究，但水质量与物理水可用性的相互作用及其对水稀缺（特别是各部门（生活、灌溉、畜牧、制造和能源）之间对清洁水的竞争）的影响尚不明确。研究人员采用了一个全球适用的建模框架，评估了因有限清洁水资源竞争而产生的未来跨部门清洁水缺口（clean water gap），并明确考虑了全球变化下各部门特定的水量和水质要求。研究结果表明，水质恶化和水量不足将严重加剧未来的水缺口，到2100年将使全球近67%的人口面临严重清洁水缺口。因此，跨部门对清洁水的竞争将大幅加剧，对制造业和热电部门的影响尤为不成比例，这两个部门的水缺口相对于其需求各增加20%，主要与水温上升有关。总体而言，研究结果强调了需要综合水管理策略，同时解决水量和水质问题，以缓解日益加剧的清洁水竞争。

**论文解读：全球变化下部门特定清洁水稀缺与竞争**

**研究背景与问题**

水是支撑人类活动（生活、灌溉、制造和能源生产）的关键资源，其充足性和质量直接影响各部门的可持续性。现有研究已大量评估未来气候变化对物理水可用性的影响，但水质量与水量之间的相互作用，以及由此引发的部门间对清洁水的竞争，尚未得到充分理解。特别是，现有全球尺度水稀缺评估多忽略部门特定的水质要求，导致对清洁水短缺的估计不足。为此，本研究旨在开发一个全球适用的建模框架，评估在气候变化和社会经济变化下，因部门间竞争有限清洁水资源而产生的未来跨部门清洁水缺口（clean water gap, CWG），并明确区分由水质约束导致的“清洁水缺口”与仅由水量不足导致的“水缺口”（water gap, WG）。该研究发表在《npj Clean Water》。

**主要技术方法**

研究人员采用了一个单向耦合的建模框架，集成全球水文模型PCR-GLOBWB 2（模拟地表水和地下水可用性）和全球水质模型DynQual v1.0（模拟水温、生化需氧量、总溶解固体和粪大肠菌群浓度），将水量和水质数据输入到水分配模型QUAlloc v1.1中，以评估部门特定的水分配和缺口。框架考虑了生活、灌溉、畜牧、制造和热电五个部门的水质要求，并设定所有部门具有同等优先级。研究采用SSP3-RCP7.0全球变化情景，使用五个全球气候模型（GCMs：gfdl-esm4, ipsl-cm6a-lr, mpi-esm1-2-hr, mri-esm2-0, ukesm1-0-ll）的偏差校正输出，以5弧分空间分辨率和月时间尺度模拟2005-2100年全球尺度结果。模型假设非可再生地下水不用于可持续供水，并仅考虑生活与制造部门使用淡化水，灌溉部门使用再生水。

**研究结果**

**水缺口驱动因素（Water gap drivers across water use sectors）**
通过分析2081-2100年各部门水缺口的驱动因素，研究人员发现：未来水缺口受水量不足、水质恶化以及两者共同作用驱动。其中，水质与水量共同作用成为最主要驱动，影响全球26%的居住区域，主要集中南亚、撒哈拉以南非洲、中东和东亚太平洋地区。水质恶化单独驱动占24%，制造业部门受水质恶化影响最大，面积增加24%，主要因水温升高导致冷却水不达标。水量不足单独驱动主要影响灌溉部门，如美国大平原、西班牙和中国长江流域等“粮仓”区域。

**清洁水缺口随时间变化（Clean water gaps over time）**
通过对比未来（2081-2100）与参考期（2005-2020）的相对清洁水缺口（即清洁水缺口除以水需求），研究发现所有部门均呈增加趋势。北非与中东地区增幅最大（中位数增加20%），其次为撒哈拉以南非洲（+14%）。生活部门清洁水缺口增加速率最快（+3.5 km3/年），制造部门次之（+1.8 km3/年）。灌溉部门在主要农业区清洁水缺口增加，但热电部门在太平洋中国地区出现减少，原因是跨部门竞争使其他部门因水质不达标而减少用水，从而增加了热电冷却水的可用量。此外，清洁水缺口呈现显著季节性，暖季更高，且北欧等地区季节性峰值随时间增强。

**水质对清洁水缺口的影响（Water quality impacts on clean water gap）**
通过比较考虑水质要求（清洁水缺口）与不考虑水质要求（水缺口）的模拟结果，研究人员发现：考虑水质要求后，多数地区相对水缺口增大，北非与中东和拉丁美洲与加勒比地区影响最大（平均差异分别为9%和7%）。制造和热电部门是受水质影响最严重的部门，其相对水缺口分别增加12%和14%，主要由于水温升高。然而，跨部门竞争也导致部分区域（如太平洋中国）在水质要求下，生活与灌溉部门的水缺口反而减少，因为制造和热电部门因水质不达标而减少了用水，为其他部门提供了更多可用水。

**暴露于水缺口的人口（Population exposed to water gap）**
通过设定不同相对水缺口阈值（10%至50%），研究人员评估了全球每年至少一个月暴露于（清洁）水缺口的人口。结果表明，考虑水质要求后，暴露人口增长更快。以30%阈值为中位估计，若不考虑水质将低估约38%的暴露人口（约17亿人）。到2100年，考虑水质要求时，暴露于严重清洁水缺口的人口约占全球67%（约81亿人），与先前研究一致。

**讨论与结论**

本研究首次在全球尺度上量化了部门特定清洁水缺口，并揭示了跨部门竞争对水质要求的响应。水质恶化（单独或与水量不足结合）是未来清洁水缺口的主要驱动因素，尤其在非洲和中东地区，生活用水需求激增（撒哈拉以南非洲增长1225%）导致清洁水缺口增加近2000%。制造和热电部门受水温升高影响最大，但跨部门竞争使其他部门（生活、灌溉）能在部分区域缓解缺口。研究采用SSP3-RCP7.0情景（高人口增长、区域竞争）可能使估计偏高，但与其他研究结果一致。研究局限包括：单向模型耦合未考虑水分配对水质反馈、忽略环境流量要求、缺乏全球地下水水质预测、未来电厂位置数据缺失等。尽管如此，研究强调综合水质水量管理策略的紧迫性，并指出考虑水质要求会得出更严峻的清洁水缺口预测。

**研究结论翻译**：研究人员的研究表明，水量不足与水质不达标的共同作用是全球变化下清洁水缺口的最主要驱动因素，预计在非洲和中东等水资源有限地区，到本世纪末将面临严重清洁水缺口。研究结果强调，纳入水质要求会得出更令人担忧的部门特定清洁水缺口增加预测，从而加强了综合水质与水量管理策略的紧迫性。