解锁自然的力量 | 应对水资源危机
- 日期：2021.02.09
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- 来源：TNC
当你打开一罐“快乐水”时，可能很少会去想里面的水是从哪里来的：实际上，印度的可乐含有经过处理的雨水，而马尔代夫的可乐中可能含有淡化海水。这些水之所以来源各异是因为全球正面临水资源短缺。在全球500个大中型城市中，约10亿人口面临水资源短缺。缺水，其实离我们很近！本期解锁自然的力量系列长文将重点解读：基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）在应对水资源危机方面的作用。
水资源是可供人类直接利用，能不断更新的天然淡水（主要指陆地上的地表水和地下水）。尽管地球上水的总储量多达13.86亿立方千米，但淡水储量只占2.5%。而目前直接可利用的地表淡水只占地球总水量的0.3%左右。
对水资源的开发利用几个条件制约（HELP，2015）：
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可供水量：特定地区通过降水、径流和含水层实际可获得的水量；
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质量：用于不同用途时可被接受的水质；
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可得性：水资源的可得性很大程度上取决于分配机制、使用许可和相关基础设置的完备程度；
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稳定性：随时间变化，可供水量、获取和水质的稳定程度，水资源回流模式的改变及生态系统退化影响水资源的稳定性。
水资源短缺引发严重水危机
2020年，联合国发布的《世界水发展报告》指出，在过去100年中，全球用水量增长了六倍。并且由于人口增加、经济发展和消费方式转变等因素，全球用水量仍以每年约1%的速度增长。气候变化以及风暴、洪水和干旱等极端事件的频率和强度日益增加将使目前已经面临“水资源紧张”国家的处境更加恶化，并将目前尚未受到严重影响的地区置于类似境地。
人口增长、生活方式变化、肉类消费增加以及农业、采矿业、能源生产和制造业等对水资源的需求不断增加，给有限的可利用水资源带来了越来越大的压力。目前，全球的取水量已接近最大可持续利用极限（Hoekstra et al.，2012）。日益严重的水资源短缺是目前可持续发展面临的重大挑战之一。当前大多数基础设施在设计时并未充分考虑全球气候变化带来的不确定影响，从而无法满足日益变化的需求。而生态系统退化亦是加重全球水危机的一个重要原因。
水资源短缺是指缺乏足够的淡水资源来满足用水需求，其本质是对水资源的需求和可用水量之间的时空不匹配（Sandra et al.，1996）。全球有近三分之一的人口——26亿人，生活在“高度缺水”的国家，其中17个国家中的17亿人生活在“极度缺水”的地区（https://data.worldbank.org.cn/）。
水资源短缺威胁着人类生活、生计和社会稳定。全球"有数十亿人口无法获取安全水源，正在挣扎求生"，由于缺乏基本的水和卫生设施，全球每年损失2600亿美元（WHO，2012）。
由于无法对有限的水资源进行合理分配，许多极度和高度缺水的国家和地区之间有可能出现因水资源引起的冲突和战争，如以色列、利比亚、也门、阿富汗、叙利亚和伊拉克等。长久以来，尽管各国投入大量人力物力兴建相关基础设施，并努力通过水管理计划和节水技术提高用水效率，但缺水仍然是很多国家和地区面临的主要问题，并被视为未来十年全球最大的风险之一（WEF，2020）。随着世界人口不断增加、生活水平提高、饮食结构变化及气候变化的影响，这一挑战将更加严峻。地球面临严重的水危机已经是不争的事实。
中国水资源现状
水资源已经成为我国严重短缺的产品，是制约环境质量的主要因素以及经济社会发展面临的严重安全问题（陈雷，2014）。我国水资源问题主要表现在以下几个方面：
人多水少：我国水资源总量约为2.8万亿m3，人均占有量仅为2100m3，约为世界平均水平的1/4，是世界13个人均水资源占有量最匮乏的国家之一（图1）（国家统计局，2020）。
图1 人均可再生内陆淡水资源（m3）
| 来源：https://data.worldbank.org.cn/
时空分布不均：我国水资源时空分布极不均匀，与耕地资源和其他经济要素匹配性差，加上工程设施体系的不完善，华北、西北、西南以及沿海城市等地区水资源供需矛盾突出。正常年份全国缺水达500亿m3，枯水年份缺口更大，全国每年干旱缺水造成经济损失超过2000亿元（王浩等，2012）。
水资源过度开发，地下水超采严重：黄河流域开发利用程度已经达到76%，淮河流域也达到了53%，海河流域更是超过了100%，超过其承载能力。北方地区地下水普遍严重超采，全国年均超采200多亿m3，现已形成160多个地下水超采区，超采区面积达19万km2，引发了地面沉降和海水入侵等环境地质问题（王浩等，2012）。
用水效率低：与水资源管理先进国家相比，我国用水效率还有很大提升空间。其中，我国灌溉水利用率仅有46%，而美国已达54%，以色列更是达到87%（图2）。考虑到我国农业用水占比超过六成，未来农业用水节水潜力还很大。
图2 国际用水效率对比图 | 刘晶等，2019
NbS应对水资源管理危机
健康的生态系统可提供供水和调节水文的生态系统服务，调节降水，减缓径流，自然地过滤和储存水，而后稳定释放（Grizzetti et al.，2016）。这些生态系统服务不需要或者只需要很低的成本，而且易于维护。不幸的是，全球生态系统已经严重退化。人口增长、土地利用变化、工农业过度取水、污染、过度捕捞等人类活动带来的压力导致生态系统及其服务功能严重退化。生态系统退化导致蒸发速度加快、土壤蓄水能力降低、地表径流增多、土壤侵蚀加剧，都给水循环带来严重的负面影响，致使水资源可供水量减少、稳定性变差、获取难度增加。通过对生态系统的保护、可持续管理和修复等NbS措施，可以改善生态系统服务功能，从调节、增加可供水量和提高水的使用效率两方面助力水资源管理。
NbS应用于水资源管理将带来广泛的协同效益，包括改善人类健康、生物多样性、改善生计以及减缓和适应气候变化。通过结合NbS，社会保障和公共工程项目也可以更好地支持疫情后的经济复苏。NbS为水资源管理提供了全新的选择。当前，水资源管理开始从基于水利工程技术的流域水资源分配调度的管理，转向基于水利工程技术的方案与NbS相结合的管理，以更符合自然规律的方式来应对水危机，实现从对抗自然到顺应自然的转变。水资源管理范式的改变既是保障用水安全的必要手段，也是实现可持续发展目标的必然选择。
NbS调节和增加可供水量
NbS可以通过影响径流、渗透等水文过程，发挥调节或增强供水的作用：①提升湿地/土壤的渗透和蓄水能力、增加含水层水量，从而增加/维持（清洁）供水；②在干旱期间通过自然储水“设施”（包括土壤和地下水、地表水和含水层）稳定释放水分缓解干旱；③减少沉积物从而增加水库的容积；④改善水质从而增加可供水量。
摄影：Mark Godfrey（左上）Carlton Ward Jr.（右上）
Steve Austin（左下）Pan Ruowei（右下）
可用于供水调节的NbS包括但不限于：
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森林保护、造林：森林有助于拦截降水、涵养水源，林地中的土壤储存和释放水分的能力有助于调节流域的供水。森林保护和造林有助于减少土壤侵蚀和泥沙输送，增加土壤入渗，减少地表快速径流和下游洪水风险。在流域上游造林可显著减少进入水库的沉积物，从而增加水库容量。需要注意的是，造林需要选择适合本地气候和水文条件的树种，否则可能会因过度消耗地下水而加剧水资源短缺（Cao et al.，2009）。
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湿地保护、修复、修建功能性人工湿地：湿地在水资源管理方面能提供巨大的调节和供给服务。湿地能够储存大量的雨水径流，在干旱时期通过缓慢释放储存的水来提供水分，有助于调节水量。湿地也有助于地下水的补给，据估计，人工湿地可以通过渗透和蒸发减少5-10%的径流量(CWP，2007)。湿地保护有助于消除导致其退化的因素，从而避免其生态系统服务功能下降或丧失。科学的湿地修复可有效修复退化湿地的生态系统服务功能，研究显示，修复退化的湿地可使湿地的供给、调节和支持功能提高36%（Meli et al.，2014）。
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连通河流和河漫滩湿地：河漫滩湿地对区域水量平衡有重要影响，它可以接纳并储存过量洪水，既削减洪峰，又有助于减缓下游河流流速并补充地下水（Opperman，2014）。连通河流和河漫滩湿地，能够在一定程度上修复自然的、周期性的旱涝过程，发挥其生态系统服务功能。
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雨水收集：由于缺乏适当的工程和可持续生态系统管理，在一些干旱地区每年通过径流损失以及由裸露的地表蒸发的雨水就达数百亿m3，雨水收集可将这部分径流收集和储存在地表储水区、土壤剖面或补给含水层。雨水收集有助于减少、减缓降雨带来的径流，增加入渗，更好地补给地下水。此外，雨水收集有利于减轻土壤侵蚀，提高土壤肥力。
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城市绿色基础设施：包括绿色屋顶、绿色空间（雨水花园、生物滞留池）等。城市绿色基础设施可以和其他灰色基础设施一起，为城市水量、水质调节提供服务。城市绿色基础设施有助于减少暴雨径流，减轻雨洪对城市下水道系统的影响；同时增强雨水下渗，改善地下水补给。例如，以草本植物为主的滞留池，可减少多达86%的径流量（Sabourin et al.，2008）。
案例
肯尼亚塔纳河流域水资源综合治理
肯尼亚首都内罗毕95%的日常用水来源于塔纳河（Tana river）。塔纳河全长约1014km，是肯尼亚最长的河流，流经肯尼亚最富饶农业区的约一百万个农场，与肯尼亚的粮食安全息息相关。它为四百万内罗毕居民以及五百万流域内的居民提供了95%的水源，并提供了该国一半的水电输出。然而，自20世纪70年代开始，流域内大面积的陡坡森林和湿地被开垦为农田，由此导致的土壤侵蚀和水库泥沙淤积成为了极其严重的问题。一方面，土壤随雨水被冲入河中，导致土壤流失、肥力下降；另一方面，进入水体的过量泥沙堵塞并扰乱了水处理设施，致使水供应中断。2010年，内毕罗60％的居民无法获得可靠的供水。
为解决塔纳河流域的水土流失和供水不稳定的问题，并确保治理措施真正落地实施，TNC联合众多方利益相关方，如县政府、水资源管理局、森林服务部门、区域理事会、内罗毕水务公司以及多家企业成立了上塔纳—内罗毕水基金（Upper Tana－Nairobi Water Fund，UTNWF）。UTNWF水基金是一个公私合作制实体进行运作的慈善信托基金，它利用下游水厂和水用户的资金，来补偿和保护上游水源地的生态系统及其服务功能，以保障下游内罗毕的水量和水质。简而言之，水基金的实质是下游水用户购买上游的生态系统服务功能（图3）。
图3 水基金概念示意图 | 来源：
https://waterfundstoolbox.org/getting-started/what-is-a-water-fund
通过科学规划，UTNWF在塔纳河流域采取了一系列的生态系统修复和可持续农业管理措施，包括：
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造林：在流域的高海拔地区采用本地树种进行植树造林，这些地区此前曾被开垦为农业用地，但目前不是生产性农田；
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修复河岸带：沿河流及溪流种植本地植物品种的缓冲区，以减轻径流输送；
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改变当地农民的耕作和用水方式：使用覆盖作物保护土壤免受冲刷，推广集雨池储存雨水用于灌溉，减少从河中抽水；
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推广滴灌技术，减少灌溉用水。
以集雨池为例，利用集雨池将雨季产生的多余地表水通过田间集流储存起来，在旱季土壤缺水时分批次回灌于农田土壤。既提高了农田降雨利用率，同时减少雨水径流造成的土壤侵蚀和农田水涝灾害。此外，这些水也可作为牲畜饮水和家庭用水，一举多得。这些措施将大大改善塔纳河的健康状况，为内罗毕提供更可靠的供水：泥沙沉积导致的输水中断将可减少30%，旱季流量增加15%，流域内的50多万人的饮用水水质也将得到改善。在不同的地区，不同的自然条件和水资源利用状况下，水基金可以通过综合利用多种NbS方案因地制宜地解决“水资源问题”。
更多工具和案例，请访问：https://waterfundstoolbox.org/
随着研究和实践的增加，人们越来越认识到生态系统在水资源开发利用和管理中的重要作用。虽然水库、污水处理厂和供水系统等灰色基础设施不可或缺，但是，健康的生态系统才是稳定、可持续供水的基础。通过对生态系统的保护、可持续管理和修复等NbS措施，可以改善生态系统服务功能，从调节、增加可供水量和提高水的使用效率两方面助力水资源管理。科学运用自然的力量，通过更有针对性的措施，为供水安全保驾护航，更好地应对水资源危机。
参考文献
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