文献阅读 | 全球用水弹性与强度

题目

Flexibility and intensity of global water use

作者

Yue Qin, Nathaniel D. Mueller, Stefan Siebert , Robert B. Jackson, Amir AghaKouchak , Julie B. Zimmerman, Dan Tong, Chaopeng Hong and Steven J. Davis

期刊

Nature Sustainability

时间

2019年6月

一作

单位

Department of Earth System Science, University of California, Irvine, Irvine, CA, USA.

链接

https://www.nature.com/articles/s41893-019-0294-2

研究内容

       用水压力通常是根据稀缺程度来评估的:即人类消耗占可用供水比例。但是，由于受成本或用水削减因素的影响，有些水消费用途会比其它用途有着更大或更小弹性。本文展示了一种评估用水压力的方法，它不仅考虑到水的稀缺性，而且考虑到用水弹性和供水波动性。相应结果将通过水压力指数（scarcity–flexibility–variability, SFV）来展示。该指数适用于从流域到大陆的各个尺度。

       本文首先分析了1980年至2016年农业、能源和家庭部门的全球总用水量模式，并重点分析了刚性消费类别，即缩减用水将导致资本投资或人类生命的巨大和不可逆转的损失。刚性消费被归纳为四类：（1）多年生作物的灌溉用水；（2）热力发电厂冷却过程中的水蒸发；（3）水库中的水蒸发；（4）人类和牲畜的基本用水。

       SFV水压力指数（范围从0到100）比较了总消费和刚性消费二者之于平均地表径流，以及地表径流历史波动（由变异系数表示），即由本地存储容量与平均径流之比反比加权。历史径流量的高加权变异性意味着地表水供应的年际波动相对于给定流域的水储存来说很大，从而为满足流域需求寻找可靠水资源的管理者提出了额外的挑战。

研究结果

全球水需求的趋势

       全球用水量从1980年的1200 km³增加到2016年的大约1700 km³（如图1a）。在此期间，刚性消费增加的大部分来自多年生作物的灌溉（从85增加到140 km³）和水库管理（320增加到360 km³ ），这分别与农业灌溉面积（增加了50%，即从220增加到330×106 ha）和大坝容量（增加了20%，即从4700增加到5600 km³）的增幅是一致的。总体而言，2016年，水库管理占用水消耗的21%（占刚性消耗的60%），多年生作物灌溉占8%（占刚性消耗的24%; 如图1 b所示)。人类、牲畜和热力发电消耗的水大约分别占总消耗的3%、1%和1%。尽管热力发电水消耗份额是很小的，而69%水库管理的水消耗主要来自为水力发电的水坝（见图1c）。发电方面，煤电厂占全球热力发电用水的一半以上，其余大部分来自核能（15%）、余热（14%）、天然气（7%）、生物质（4%）和石油（3%）发电（如图1d所示）。在多年生作物中，柑橘和椰枣分别占总多年生作物灌溉用水的19%和8%，其余主要由其他50多种多年生作物消耗（图1e）。牛耗水一项就占了牲畜耗水总量的80%（图1f）。

图1  全球和部门水消耗

构建SFV水压力指数

本文对全球主要流域的SFV水压力指数中的三个因素进行了评估和整合（见图2），从相对于消费需求的物理水稀缺度开始。耗水量超过当地平均径流量55%的流域（图2a中前10%的流域，用暗红色表示）集中在亚洲、北美西部以及西欧和南美。其次，本文评估了刚性需求消耗径流份额。由于这些刚性需求代表了给定流域总需求的子集，刚性消费与平均径流的比率（图2b）总是较小，通常比总消费与径流的比率小得多。最后，在北纬高纬度地区（图2c中蓝色和绿色阴影的流域），年平均径流量的加权变异性始终较低。然而，这个值在非洲、澳大利亚和南美的一些流域（图2c中橙色和红色阴影的盆地）要高得多，表明这些盆地历史径流的年际变化相对于水库库存量很大。

图2  三个影响SFV水压力因素的全球地图

       图3显示了各主要流域的SFV指数。我们发现，全球压力最大的10%盆地集中在中亚和东亚、北美西部、澳大利亚和非洲东北部；这些地区的人口约占全球的19%，热力发电量约占全球的19%，灌溉热量产量约占全球的35%。相应地，这些流域刚性用水量和总用水量分别占全球的15%和31%。

图3  本研究中全球主要流域近5年（2012 – 2016）平均水压力指数（SFV）

高压力和高暴露的地区热点

      压力大、风险敞口大的地区主要集中在亚洲和北美（图3-5）。在我们所选择的流域中，不同用水用途对总用水量的相对贡献差别很大（图4）。各流域的总耗水量和径流的绝对值也存在数量级的差异，分别为从~1到200 km³和~1到600 km³（图4）。这一范围导致了耗水量和径流比较的巨大差异。因此，刚性需求消耗的平均径流份额在不同流域(1-350%)和不同年份有着极大差异（图4）。六个选定区域的流域的最近平均水压力指数范围从南美洲的约7到亚洲的约55（图4）。这一发现表明，亚洲（和北美,在较小程度上）可能所面临的风险是最大的，因为高压力和高风险暴露是协同的（图3-5）。相反，在其他大陆，高暴露的流域一般面临较小压力。尽管某些流域的压力指数高于所选流域，但它们（人口和生产活动）处于低暴露状态。

图4  每一大陆选定流域的耗水量与可用水量的比较。a，底格里斯河/幼发拉底河, 伊拉克 （亚洲）；b，尼罗河, 苏丹 (非洲)；c，菲茨罗伊河，澳大利亚（澳洲）；d，塔霍河, 葡萄牙（欧洲）；e，圣华金河，美国（北美）；f，马格达莱纳河，哥伦比亚（南美）

图5  2016年各大陆在流域水平上用于热电冷却、常年作物灌溉和水库蒸发的平均耗水强度

减少刚性用水的机会

 虽然减少刚性水消耗与较高的成本和社会环境后果有关，但是仍存在着减少刚性水消耗的机会，而这通常需要较长的执行期。本文分别评估了每个大陆的流域单位发电量，单位热量生产和单位大坝容量的平均耗水量强度（图5）。不同的大陆有不同程度的水压力和水消耗强度。而热力发电用水强度的中值具有可比性，从1.1(南美洲)到1.4(澳大利亚)m³ MWh^-1。然而，在长期生产和水库管理的水消耗系数中值有更大的变化。特别是，多年生作物的水消耗强度中值从0.3 Lkcal^-1（欧洲）到10 Lkcal^-1（澳大利亚）。此外，水库管理用水强度的中值范围从0.03（亚洲）到0.12（澳大利亚）m³消耗/m³容量。大陆间的多年生作物灌溉用水强度差异特别大，反映了作物类型、灌溉方式和区域气候的较大空间异质性。出乎意料的是，本文注意到高压力指数的流域可以同时具有高和低的耗水强度（图5）。因此，即使在给定的大陆内，流域的压力指数与其耗水强度之间似乎也没有紧密的关系。水资源压力和水资源消耗强度的脱钩表明，至少在某些地方，目前的水资源管理在规划用水时没有考虑到现有的水资源压力。与此同时，平均用水强度的数量级差异表明，有机会提高用水效率，特别是对压力最大的流域。

研究结论

在压力最大的10%流域中，分别占全球人口、热力发电和灌溉热量生产的19%、19%和35%。并且，在本文研究的阶段中，其中一些流域的压力指数获得了最大幅度的增长。水的消耗强度在大陆之间和大陆内部都有数量级的不同，在某些情况下，高压力流域的特点是水的消耗强度很高。因此，本研究结果为高压力流域指出了有针对性的减少刚性耗水机会（例如，重新配置农作物生产和转换冷却技术）。

编辑：白明皓

排版：白明皓 江琴

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