近年来,由于农业、工业和家庭用水需求上升,淡水供应需求以惊人的速度增长,了解水资源匮乏的时间和空间变化,对于确定在某些时段哪些区域的可用水资源量和水资源足迹无法匹配十分重要。在《MappingMonthly Water Scarcity in Global Transboundary Basins at Country-Basin MeshBased Spatial Resolution》这项研究中,作者基于国家-流域空间和月度时间分辨率,通过对相同分辨率的国家和流域边界栅格地图进行网格划分而获得国家流域单位地图,将国家和流域多边形地图从跨境水域评估计划数据门户转换为30弧分分辨率后得到国家和流域边界的栅格地图,对全球跨境河流和湖泊流域的月度蓝水短缺情况进行了绘制,以此来对全球主要跨境河流和湖泊流域的国家流域单位内进行月度水资源短缺评估。


论文导读

在全球风险报告中,世界经济论坛依据影响和可能性排序,将水危机在影响程度在所有风险中排名第4,在发生可能性上排名第9。近年来,由于农业、工业和家庭用水需求上升,淡水供应需求以惊人的速度增长,用水需求量就像可用淡水供给量一样,也会随时间和空间而变化。了解水资源匮乏的时间和空间变化,对于确定在某些时段哪些区域的可用水资源量和水资源足迹无法匹配十分重要,这些信息可能会有助于设计可持续性淡水资源管理政策。
本项研究的评估仅关注跨境的河流和湖泊流域,这些流域跨越151个国家,占世界人口的42%,覆盖地球总陆地面积的42%,产生的流量大概占全球河流流量的54%。这些流域的水资源短缺可能导致国际水资源冲突,从而可能产生严重的社会经济和环境后果,而且当内部水资源短缺时,各国很有可能会选择争夺具有国际争议的水资源,因此,跨境水资源短缺也可能指示非跨境淡水流域的水资源短缺;其次,由于这些子流域是由来自多个沿岸国家的不同水资源管理政策管理的,所以本研究是在国家-流域单位(country- basin mesh)的空间分辨率下开展的评估;此外,在这种空间分辨率下,有关跨境河流和湖泊水资源压力的知识是有限的,只有 Wada&Heinrich和Munia等人在全球范围内研究了这种空间分辨率下的用水影响。

一、方法
研究基于国家-流域空间和月度时间分辨率,对全球跨境河流和湖泊流域的月度蓝水短缺情况进行了绘制。国家流域单位地图是通过对相同分辨率的国家和流域边界栅格地图进行网格划分而获得的,国家和流域边界的栅格地图是通过将国家和流域多边形地图从跨境水域评估计划数据门户(Transboundary Waters Assessment Program Data Portal)转换为30弧分分辨率后得到的。国家流域单位的示意图如图1所示。

图1:一个典型的跨境流域国家-流域单位
每个国家-流域单位的月度水足迹是通过将从Mekonnen&Hoekstra以30弧分分辨率获得的全球水足迹转为国家-流域空间分辨率后进行汇总得出。这些水足迹是通过总计农业,工业和家庭用水量计算得到的,它们是研究期间的平均值。在确定农业水足迹时,Mekonnen&Hoekstra使用了两种水土平衡情景,蓝水消耗量被计算作为生长期的蒸散量。他们依据联合国粮食及农业组织(FAO)发布的人口密度数据来分类国际地球科学信息网络中心(CIESIN)的国家水足迹,从而确定了国内和工业水足迹。对于径流完全枯竭的地区则假定地下水是其水源。
去除上游用水量后,每个国家-流域单位的月度可用水量是通过累加每个国家-流域单位内累计的实际径流量,即自然径流减去上游用水量来确定的。水资源短缺程度分为低度、中度、重度和严重。 分类如表1所示。

表1:蓝水短缺水平

图2:2000年跨境流域的每个国家 – 流域单位内的联合国调整人口数量(以百万计)。每个国家 – 流域单位内的人口数量是通过将联合国目标年份的人口数量从国际地球科学信息网络中心(CIESIN)调整为国家流域空间分辨率。
此研究假设每个国家 – 流域单位内只有20%的累计流量可用于人类消耗,其余则假设分配用于满足环境用水需求。这一假设尊重河岸国家在其主权国家范围内使用流域水的权利。每个国家流域单位在该年每月的可用水量数据和地图如补充图S2和表S1所示。

二、结果及讨论
本次评估的结果表明:
研究调查的来自248个跨境河流和湖泊的560个国家 – 流域单位面临的水资源短缺情况每月有所不同。来自其中的328个单位,约16亿人至少在一年中面临严重缺水问题,这相当于跨境河流和湖泊流域内总人口的63.52%。
90.15%的总人口在一年中至少有一个月内面临水资源短缺。根据Hoekstra等人的研究,在405个主要流域内,27亿人口中有59.26%在一年中至少有一个月生活在严重水资源短缺的状况下;175个国家流域单位一年有3-12个月会面临严重缺水情况。这些子流域覆盖了跨境流域内总人口中的近十亿人。因此,在该年有近十亿人至少有三个月的时间遭受着严重的水资源短缺问题。
有13个国家流域单位每年每个月都会遭受严重的水资源短缺。这些地区包括索马里和吉布提的阿瓦什、苏丹的加什、厄立特里亚和苏丹的巴拉卡、毛里塔尼亚和西撒哈拉的阿塔伊、摩尔多瓦的科吉利尼、利比亚的乍得湖、厄立特里亚和埃及的尼罗河以及阿尔及利亚的尼日尔。表2列出了每年第n个月面临低度,中度,重度和严重缺水的人口数量和国家流域单位数量。
表2:每年第N月面临低度缺水(<100%),中度缺水(100-150%),重度缺水(150-200%)和严重缺水(> 200%)的人口数量(以百万计)。期间:1996-2005(以2000年为目标年份的联合国调整人口数量,来自国际地球科学信息网络中心(CIESIN))。
对水资源短缺情况的季节性评估表明,在四季中生活在低度,中度,重度和严重水资源短缺的人口数量和子流域的数量是不同的。
1月至3月,在560个国家流域单元中,被评估为处于中度,重度和严重缺水状态的单元数量分别为7个,118个和134个。而其余的301个区域则面临低度水资源短缺。因此,在覆盖13.7亿人口的259个国家流域单位内,生态用水需求受到影响。在这个数字中,82.96%面临严重的水资源短缺。这些人大多生活在撒哈拉沙漠以南,非洲赤道地区和南亚以北的地区。
4月至6月,约有10亿人口受到中度至严重的水资源短缺影响。在这个数字中,有26.2%面临严重的水资源短缺,而有18.8%的人口则面临重大水资源短缺。剩余54.95%的人口在中度缺水的情况下度过了该季节。这些人居住在173个国家流域单位。面临严重缺水的人口数量在该时间段内达到了一年中的最低值。这可能是由于以高人口数量为特征的印度河和恒河 – 雅鲁藏布江 – 梅赫纳河流域的国家流域单位在该时期处于低度到高度缺水的状态。
7月至9月,生活在132个国家流域单位中的4.47亿人面临中度到严重水资源短缺。大约有84.55%的人口面临严重缺水。在全球范围内,参照假设的生态用水需求标准,居住在跨境河流流域的国家流域单位中,生态需求用水受到影响的人口数量在该季节降到最低。这可能是因为恒河 – 布拉马普特拉 – 迈格纳流域的国家流域单位中,仅有生活在印度的约五亿人口面临低度水资源短缺。
10月至12月,99个国家流域单位面临中度到严重的水资源短缺。约有8.8亿人口居住在这些国家流域单位。在99个国家流域单位中有74个单位,近3.8亿人处于严重缺水状态。图3显示了每个国家流域单位空间分辨率下的季度平均蓝水月缺水量地图。

图3.国家 – 流域单位空间分辨率下季度平均水平下的蓝水月缺水量。期间:1996-2005, 国家流域网格空间分辨率的蓝色水资源短缺被定义为每个子流域内蓝色水足迹与可用蓝水比例。这些地图是使用ArcGIS 10.2 for desktop生成的(http://www.esri.com/sofware/arcgis)。

表3.每季淡水低度缺水(<100%),中度缺水(100-150%),严重缺水(150-200%)和严重缺水(> 200%)的人数(百万)。
期间:1996-2005( 联合国国际地球科学信息网络中心(CIESIN)39调整后,以2000年为目标年的人口数)。

表4.每个季节面临低度缺水(<100%),中度缺水(100-150),高度缺水(150-200%)和严重缺水(> 200%)的国家流域单位数量。
期间:1996-2005
全年有37个国家流域单位面临严重缺水。
在这些国家流域单位中,主要是墨西哥和美国的科罗拉多州、格兰德河流域、Yaqui国家流域单位、埃及和厄立特里亚的尼罗河流域、纳米比亚和博茨瓦纳的橙河、底格里斯 – 幼发拉底河/阿拉伯河索马里的约旦、朱巴 – 席贝利、阿尔及利亚的尼日尔河和乍得湖的国家流域单位、中国的塔里木、阿富汗的赫尔曼德和巴基斯坦的梧桐。表3和表4分别描述了每个季节面临低度,中度,重度和严重缺水的国家流域单位数量和人口数量。
作者还进行了年度水资源短缺情况研究,用于与月度时间分辨率下的结果进行比较。年度水足迹是通过加总十年平均的每月水足迹而获得的。去除上游消耗用水后,将每个国家流域单位累计的年度水足迹和年度径流进行加总作为年度可用水量。得到的年度评估结果表明,近5亿人面临缺水问题,其中近34.37%遭受严重的水资源短缺。在年度时间分辨率下获得的结果大大低估了水资源短缺的人口和国家流域单位的数量。
一般而言,跨境流域内的水资源缺乏是由于较低的水资源可获得性和较高的水足迹。但是对于大多数处于跨境河流的国家流域单位来说,水资源短缺的主要原因是可用水和水足迹在时间和空间上的不匹配。对于中游和下游国家 – 流域单位而言,河流和流域上游子流域的大型蓝水足迹是造成水资源匮乏的另一个原因。
非洲南部林波波河流域的子流域和印度和孟加拉国的恒河 – 雅鲁藏布江 – 梅格纳子流域,这些国家流域单位都是由于大量可用水和水足迹的时间段不一致而导致水资源短缺的典型例子。国家流域单位的水资源短缺也可能是由于巨大的水足迹。美国和墨西哥的科罗拉多河流域和里奥格兰德流域以及埃及的尼罗河下游的这些跨境流域就是由于其大面积的水足迹而导致面临水资源短缺。造成国家流域单位缺水的另一个原因是上游的用水量。咸海和乍得湖的国家流域单位属于跨境淡水资源,其水资源短缺主要是由于上游水资源的消耗。毛里塔尼亚的塞内加尔河流域,阿尔及利亚乍得湖和尼日尔河流域的子流域,西班牙的塔霍/特霍和瓜迪亚纳国家流域单元以及中国的塔里木河流域,这些流域排干塔克拉玛干沙漠,这些跨境流域的子流域出现水资源短缺问题主要是因为位于干旱地区(低径流和高温)。阿尔及利亚乍得湖和尼日尔河流域,底格里斯河 – 幼发拉底河/阿拉伯河流域的国家流域单位,埃及的尼罗河下游地区的流域单位和埃塞俄比亚和索马里的朱巴 – 西伯利河地区水资源紧张的原因是高人口数量和/或密度以及干旱。另一方面,像伏尔加河,刚果和亚马逊河这样的流域单位内部的水资源并未集约使用。因此,在这些流域的四季中,并不单纯是由一个问题导致了流域水资源的短缺。
Fekete等的径流估算值具有5%的不确定性,而来自全球径流数据中心(GRDC)的径流测量结果具有±10-20%的不确定性。此外,Mekonnen&Hoekstra的蓝水足迹估计值具有±20%的不确定性。因此,我们通过改变每个子流域内指定的用于维持生态系统服务的水足迹,来对可用水量和水量进行敏感性测试。本文中的缺水值是基于假定——每个国家 – 流域单位内的总水量中只有20%分配给人类消耗,来计算的。如果我们将这一比例提高到40%,那么至少有一个月,面临严重缺水问题的人数将从15.9亿减少到11.2亿。当可用水量在±20%范围内时,一年中至少一个月面临严重缺水的人数在1.59至16.1亿人之间。另一方面,当将国家流域单位的可用水量增加50%,面临水资源短缺的人口数量将从15.9亿下降到15.1亿,而当减少等量水量时,面临水资源短缺的人口数量将从15.9亿增加到17.7亿。分别在±20%和±50%范围内改变每个国家流域单位的水足迹,将分别导致1.55-1.61和1.21-1.62亿人在一年内至少有一个月面临严重缺水。因此,水资源短缺评估结果对于国家 – 流域单位内的水足迹和可用性以及用于维持生态服务的水量的变化几乎不存在敏感性。这可能是因为大规模的用水量和可用水量间存在时间不一致。较小的国家流域单位相较于较大的国家流域单位,其缺水值对于这些变化更为敏感。
尽管这项研究的结果描绘了跨境流域的国家流域单位内蓝水资源的月度短缺情况,但因为所使用的数据具有以下缺点,所以在解释结果时应考虑到以下几个方面:首先,本研究并未详细研究水库在增加可用水量方面的作用;其次,Mekonnen&Hoekstra的水足迹数据没有考虑到干旱地区水分蒸发和流域内水资源转移的损失;此外,月度水足迹和径流量被用作年度平均,因此隐藏了年际变化率。
在这项研究中,作者在全球主要跨境河流和湖泊流域的国家流域单位内进行了月度水资源短缺评估。未来的研究可以建立在该研究基础上,并重点解决以下问题:首先,已知水库在缓解水资源短缺方面发挥巨大作,因此,应该探索水库在缓解水资源短缺方面的作用;其次,本研究仅考虑蓝水可用性和足迹,未来的研究应考虑到水资源缺乏评估中的绿水可用性和足迹;第三,在跨境河流和湖泊流域内,应进一步研究生态需水量;第四,在这项研究中,水足迹的测量是耗水量,这会低估水足迹,因为取出的水又回到水体的量并没有被考虑到;第五,跨境流域内的水资源可用性和足迹在和社会经济,人口和环境条件一起在不断变化,因此该评估需要不断更新;此外,此调查没有考虑到国家水权、国际和地区协议,除环境流量之外,未来的研究还可以将这些内容纳入考虑,以便为政策制定者和决策者提供更全面的信息,进一步的研究预测气候变化影响下的未来水资源短缺情景,对于设计跨境河流和湖泊流域的可持续性水管理和共享系统同样必不可少。
翻译人员:
中央财经大学财经研究院硕士研究生温馨
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