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(2020年6月12日) 城市用水需求到2050年时将增长80%，同时气候变化会改变水资源时空分布。快速增长的城市用水需求将导致水资源短缺和地下水过度开采问题，而气候变化将进一步加剧城市地区水资源短缺问题的风险。已有相关研究对全球未来水资源短缺进行了模拟预测，然而过去的研究并没有充分考虑流域间调水的城市用水基础设施，导致高估了城市用水压力。同时，也没有综合考虑气候变化与社会经济发展影响。因此，本研究的核心问题即如何更加准确的评估未来（2050s）气候变化和社会经济变化下城市水供给情况。 具体的，本研究将对未来城市地表水短缺情况进行估计，评估城市水供给、农业用水需求与环境用水需求间的竞争。最后，还会对地下水资源利用和农业灌溉优化进行探讨。 解决方法 本文利用了全球水模型综合框架WaterGAP3来模拟1971-2070年河流径流量、各行业用水量以及城市需水量（图1）。研究范围包括全球482个城市，7.46亿人口。本文将模型结果分为基线时期（1971-2000）和未来时期2050s（2041-2070）用于比较分析。WaterGAP3框架主要有以下组成： 1.全球尺度水文模型。全球水文模型将模拟宏观尺度上的陆域水循环过程，用于估计5×5弧秒空间分辨率下可获得的可再生淡水。利用气象驱动数据和基础信息如土壤类型、高程信息等可以计算出每个网格日水分平衡过程，生成的径流量将通过世界径流数据中心（GRDC）提供的每日观测径流数据进行校正。 2.用水模型。模型分别计算了居民、工业（制造业、热电生产）以及农业（灌溉、畜牧）行业对地表水和地下水的取用水量和消耗水量。基线时期的各行业用水量将通过输入数据如人口、GDP、GVA、城市化率等至WaterGAP3模型计算得到。这些数据来自于不同机构的统计结果，如世界银行、美国统计局等，时间跨度为1971-2009年。 3.区域间调水。我们研究了482个大城市的调水情况，包括地表水取用点（1315个对应416个城市），地下水开采点（313个对应251个城市），海水淡化设施（29个对应20个城市）。城市调水信息来源自City Water Map数据集，并输入至WaterGAP3模型框架中。对于具有多个取水点的城市，用水需求将根据记录的城市用水量按比例分配至不同取水源（地下水、水库或地表径流）。现在和未来的用水需求计算将基于国内用水模型，并根据人口网格和调水数据进行降尺度计算。 4.气候与社会经济情景模拟。本研究将“Business-as-usual”共享经济路径（SSP2）以及“Higher emission”代表浓度路径（RCP）融入模型框架中。气候变化将由五个全球循环模型GCMs（HadGEM2-ES、IPSL-CM5A-LR、MIROC-ESM-CHEM、GFDL-ESM2M以及NorESM1-M）进行情景模拟。我们将通过计算基线时期（1971-2000）和未来时期（2041-2070）的用水变化来量化气候变化影响。未来国内用水需求变化将由2010-2070时间段人口增长、城市化、人均生产总值等预测变化速率驱动。未来灌溉用水取用水量和消耗量将由上述的气候变化情景驱动。 5.城市地表水赤字。本研究利用城市地表水赤字评估气候变化和社会经济发展情景对大城市地表水可获取性变化的影响，分为以下4个部分进行计算。 1)基于5个GCM气候情景下计算1971-2070年流域尺度月水可获取性。 2)计算SSP2和气候变化情景下1971-2070年各行业取用水量和消耗量。 3)计算各流域月城市地表水短缺情况。计算方式为可获取的地表水资源量减去城市水需求量。计算结果根据两类情景区分，第一优先（城市用水在各流域用水最先被满足）和最后优先（城市用水需让位于其他行业用水优先）。 4)计算基线时期（1971-2000）和2050s（2041-2070）各流域、城市和地区年均地表水赤字。 此外，环境用水需求也将会被考虑。计算将基于自然流范式，并考虑30年时间周期中每个月的环境用水需求。基于以上过程，受城市地表用水短缺影响的农业灌溉面积以及人口将得到计算。对于在城市用水最后优先情景下受影响的流域，我们将评估提高农业灌溉用水效率对缓解城市地表用水短缺的作用。 6.城市地下水足迹。城市地下水足迹（UGF）定义为蓄水层年均城市地下水抽取量比地下水补给量。蓄水层和对应城市地下水开采点数据来源于WHYMAP26(World-wide Hydrogeological Mapping and Assessment Programme)和City Water Map数据集。基线时期和2050s的月地下水和地表水取用水量和消耗量将分行业进行计算，月地下水补给量将由5个GCM气候模式输入WaterGAP3模型框架来计算。基于以上结果，我们将计算区域蓄水层的UGF并识别不可持续开采地下水的城市（UGF≥1)。我们还将总结未来UGF变化趋势以及驱动力因素。 研究结果 1.城市地表水短缺及启示。城市地表水短缺即可用地表水量低于需求量，城市必须依赖于储存的水资源来度过这样的时期。如果城市用水为第一优先（较其他行业用水），则本研究样本中有16.1%的有地表水取水点的城市会在基线时期（1971-2000）经历至少一个月的城市地表水亏缺问题。而在城市用水最后优先的情况下，38.9%的城市会经历地表水短缺。如果再考虑环境用水需求则将导致更少的地表水可获取量，进而使更多城市面临水资源短缺问题（第一优先情景, 36.3%; 最后优先情景, 62.5%）。 在全球变暖和城市化背景下，受地表水亏缺影响的城市将可能在2050年增长到27.6%（图2a）。如果再考虑满足环境用水需求，则46.6%的城市将经历地表水亏缺。全球将有41%的流域存在城市与农业用水竞争的情况。在考虑环境用水供给情况下，将有更多城市和流域受到影响。在城市用水第一优先情景下，有14000km²的灌溉地区将存在作物用水亏缺的风险。而考虑环境用水的情况下，作物用水短缺面积将达到18000 km²，约占全球总灌溉地区面积的6%。 2.不可持续的城市地下水供给。增长的城市用水需求将给地下水资源带来更多压力。我们通过计算地区蓄水层的城市地下水足迹（UGF）来评估城市地下水水资源压力情况，包括基线时期和未来时期2050s。气候变化和社会经济发展（包括城市化）导致了城市地下水足迹的不断增加（图2b）。到2050年，存在地下水抽取点的城市中，有238个的UGF会增加，116个城市的UGF将增加一倍以上。12个城市的地下水短缺(定义为UGF≥1)，即城市年地下水抽取量超过了区域蓄水层的地下水补给量。虽然未来蓄水层仍可能为这些城市供水，但其地下水水位的下降可能导致抽取成本上升。此外，有61个城市的城市供水仅依赖地下水抽取，而其中59个城市的UGF呈增加趋势。 3.未来城市水供给的威胁。图3给出了城市用水第一优先和最后优先情景，以及考虑环境用水下的城市地表水亏缺情况。如果城市用水第一优先，到2050年，全球城市地表缺水约为13.86亿立方米，相当于城市地表水基线需求的3%。在城市用水最后优先的情景下，有161个城市可能会受到城市缺水的影响，地表总缺水量为67.64亿立方米(基线需求的15%)。如果城市用水最后优先，并考虑环境用水需求，地表水赤字将大幅增加，到288.42亿立方米(基线需求的62%)。 在基线时期，城市地表水短缺的区域差异是明显的，但在未来会更加明显。到2050年，南亚和北美城市的地表水赤字可能会超过4亿立方米，即使城市供水第一优先。其他地区，如非洲南部、南美洲以及太平洋西北和东亚，由于迅速的城市化，将容易出现城市供水短缺情况。在城市用水最后优先情景下，城市地表水短缺的情况要大的多。城市用水第一优先和最后优先情景结果的巨大差异表明，很多地区需要综合各行业水资源管理以应对水资源短缺问题。 在SSP2（business-as-usual）的情景下，超过4.405亿人将处于缺水状态，即使是在城市用水第一优先条件下，占我们研究的所有城市人口的36.4%。在城市用水最后优先情况下，将有6.733亿城市居民生活在水资源短缺的城市中。 然而，有更多的人生活在那些被调用水资源的流域中，因此很也可能受到城市地表水短缺的远程影响。我们估计有3830万至4.804亿生活在水源流域的人将受到城市调水影响，这表明城市调水也会导致生活在远离市中心地区居民的水危机。因此，受城市地表水短缺影响的总人数甚至会更高（如果考虑到环境用水，则高达14.647亿人）（表一）。 4.缓解城市地表水短缺的途径。在城市用水最后优先情景下，由于与灌溉用水的竞争，40%的城市(4.09亿人口)受城市地表水短缺的影响。而通过提高农业的用水效率，可以作为满足这些流域的城市用水需求的软途径。若灌溉水利用效率增加10%，即50年内每年增加0.3%，城市地表水赤字将减少约26.18亿立方米，将有78%的城市和2.36亿城市居民解决水资源短缺问题（图4）。灌溉水利用效率增加10%将解决93个子流域的地表水短缺问题，有14个子流域需要效率提高至30%方能解决。而有7个子流域无法通过灌溉效率的提高改善地表水短缺问题，因为城市地表水的亏空已经超过了当地作物的耗水量，需要进一步考虑其他措施。 到2050年，洛杉矶、斋浦尔和达累斯萨拉姆等城市将面临最严重的城市地表水短缺问题，平均每年超过1亿立方米(图5)。城市地表水最严重的20个城市地表水缺口约为23.38亿立方米，占所有城市亏损总量的35%。 本研究表明，目前许多城市已经存在水危机现象，6个大城市中就有1个有水资源短缺风险。而未来城市人口增长将进一步加剧这一现象，需要我们对现有基础设施进行改进提升。本研究也进一步说明了城市与周边地区联系的进一步紧密，因为城市以区域间调水的形式将水资源短缺问题转嫁到城市外，因此影响到更多的人和生态环境。 由于未来气候变化和增加的城市用水需求，世界上的许多流域将存在城市用水与农业用水的竞争现象。考虑气候变化和城市化过程对城市水供给的影响将是未来的一大挑战，而这需要我们对流域间调水、蓄水层等影响因素进行综合考虑，这对那些即便城市用水优先却仍存在水资源短缺的城市尤为重要。而对于城市用水最后优先情况下出现城市水资源短缺的城市，则需要考虑进一步调高农业灌溉用水效率。  个人评价 本文通过全球水模型框架WaterGAP3对全球482个城市的现在和未来城市水资源短缺状况进行了评估，并预测未来全球将有13.86-67.64亿立方米的城市地表用水赤字。本文在全球水资源模拟框架中考虑了流域间调水过程，且进一步综合了气候变化与社会经济变化情景，弥补了过去研究的不足，使得全球城市水资源短缺评估更接近实际。同时，本研究也设计了城市用水第一优先和最后优先情景，使得我们可以更加清晰的认识到农业用水等其他行业用水与城市用水的矛盾关系。然而，本文未排除污染的水资源在可用地表水中的占比，尽管如此，本研究仍是对全球城市用水短缺评估研究的一大推动。未来研究仍需进一步考虑结合多样的气候变化和社会经济发展路径，考虑水污染影响，进一步细化研究尺度。  原文 Title: Citation： 来源：景观可持续科学与地理设计 |
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