文章信息：T.I.E. Veldkamp, Y. Wada, J.C.J.H. Aerts, P. Döll, S. N. Gosling, J. Liu, Y. Masaki, T. Oki, S. Ostberg, Y. Pokhrel, Y. Satoh, H. Kim & P. J. Ward. (2017). Water scarcity hotspots travel downstream due to human interventions in the 20th and 21st century. Nature Communications: 8, 15697. https://doi.org/10.1038/ncomms15697.

阅读人：袁聪聪，2018级硕士生

阅读时间：2020年5月15日

选题背景：在过去的100年里，全球人口增长了4倍，同时伴随着食物需求的增加和生活水平的提高，人类对水的需求增长了近8倍。为了满足不断增长的需求，包括土地利用/覆盖变化、灌溉设施和水坝的建造在内的人类干预（human interventions, HI）正在不断发生。这些人类干预影响了水循环过程，在满足上游水资源需求的同时往往加剧了下游的缺水程度。

尽管人们普遍认识到流域内上下游水资源共享问题的重要性，但目前对于HI如何影响上下游水资源分配的研究十分有限。因此，本文拟解决的核心科学问题包括：HI如何改变区域缺水现象的平均持续时间和严重程度？HI如何影响缺水热点区域的空间格局

分析方法：

1.设定不同情景下HI对缺水的影响。设置有无HI两种情景，以月为单位分别模拟不同情景下水的可利用性和缺水程度，并进行比较。

2.模拟水的可用性、需求和分配的变化。本研究使用了由5个最先进的全球水文模型（Global hydrological models, GHMs）的集成模拟时间序列上水的可用性（Water availability, WA）、需求和分配的变化。使用GDP、人口密度、牲畜密度、土地利用和土地覆盖等社会经济数据量化水的需求和分配，并在模型中模拟上游来水、本地产水以及地表水和地下水资源消耗和分配的变化。

3.量化水短缺程度。使用WSI指数量化缺水的程度，若WSI大于1，即当一个地区超过100%的可用水资源都被分配给环境和认为需求的时候，那么这个地区就被认为是缺水的。

4.将HI并入建模框架。本研究包括三种类型的HI：土地利用/覆盖变化、大坝和水库的运行以及上游来水的变化。首先，使用HYDE 3-MIRCA数据集模拟灌溉方式和农田类型的变化对当地径流产生的影响；同时，将水库和大坝分为灌溉和非灌溉目的，充分考虑水库的蒸散发作用；最后，计算水的需求增长及其对水的可用性与水短缺的影响。

5.量化HI的影响。首先，分别模拟有无HI影响下水的可用性和缺水时间的变化；然后，通过比较某一特定影响位置的上游区域与整个流域区域水的可利用性，估算流域内HI影响的相对位置。最后，使用线性回归分析对1971- 2010年期间HI对水可用性影响的趋势进行了评估并将HI影响的趋势与气候变化对水资源可用性影响的趋势进行了比较，进一步指出HI在何时何地减缓、加强或主导水文气候的影响。

研究结果：

1. 全球尺度上，HI显著地改变了缺水的关键维度。在1971-2010年期间，在HI影响下，水资源利用率的最大化发生了显著改变，并导致平均20.4%的全球人口可利用的水资源显著增加，平均23.7%的人口可利用的水资源显著下降（图1）。因此，HI显著地改变了缺水事件的平均持续时间、发生频率和严重程度等关键维度，并导致全球范围内相当一部分人口的缺水状态被改变。HI缓解了全球8.3%的人口的缺水状况，并使2.9%的人口摆脱了缺水，但同时却使8.8%的人口的缺水状况恶化，使3.0%的人口进入了缺水状态。而在局地尺度上，HI的积极影响主要体现在上游区域，对下游区域更多的是负面的影响。

图 全球尺度上HI对水的可用性和缺水的影响

a）全球人口中平均缺水持续时间和发生频率显著增加或减少的百分比；b）不同情境下暴露在缺水事件下的人口比例和变化量；c）进入/摆脱缺水状态的人口比例；d）缺水状态加剧/缓解的人口比例；e）经历水的可用性增加/减少的人口比例

2. 区域尺度上，大多数人口都经历了缺水关键维度的变化，但不同流域具有不同特点。尽管HI对缺水的持续时间、发生频率和严重程度等关键维度的净影响趋近于零，但是在流域尺度上大多数人都经历过诸如缺水的持续时间增加或减少的情况。同时，研究还发现，不同流域HI的影响具有不同的特征。比如，在恒河、印度河和布拉马普特拉河流域，大多数人们已经生活在严重缺水的状态，因此HI主要改变了这些地区人口的缺水程度。而在黄河流域，HI可能会使得不缺水的人们进入缺水状态，已经处于缺水状态的人们受到的影响相对较小。对于亚马逊流域，由于HI水平较低，HI对于缺水关键维度的影响也更小。

图 HI导致水资源变化的主要驱动力

a）由于HI引起的水可用性的显著性变化时，主要的驱动因素；b）水的可用性显著降低时主要的驱动因素；c）水的可用性显著升高时主要的驱动因素

图 主导水的可用性的驱动因素在区域和季节上的变化（WA：water availability）

图 与气候变化影响趋势相比，1971-2010年期间HI作为水可用性变化驱动因素的相对影响的空间和季节变化

3.水资源可利用性的变化受多个因素共同驱动。研究结果显示，在流域尺度上，水资源可利用性的变化主要受到的是上游来水变化的影响（图2）。在HI产生积极影响的地区，主要驱动力来自于本地径流的变化；而在42%人口居住的HI产生消极影响的地区，上游来水的变化主导了水的可利用性的变化。在全球尺度上，主导因素具有空间差异性（图3）。如在黄河流域、恒河和布拉马普特拉河流域，上游来水是控制5月和12月水的可用性的主导因素，而在巴西的巴拉马流域，土地利用/覆盖变化和水库的运行影响了全年水的可用性。如果只考虑土地利用/覆盖变化和水库的因素，那么与考虑所有HI因素相比，全球处于缺水状态的人口显著减少，缺水持续时间和频率也相应减少。此外，随着时间的推移，HI影响显著改变了未受气候变化趋势影响地区的水资源可用性，这类地区包括了全球6.3%的人口。同样，在8月和12月之间，主导趋势和影响的全球分布也存在显著差异。

本研究表明，HI显著影响了缺水事件的关键维度，并使得缺水事件主要发生在流域相对下游的区域。而缺水事件发生的主要驱动力来自于上游来水的变化，即上游地区对于水资源的消耗情况影响了下游水的可用性。

研究预计未来气候变化会强化缺水的变化趋势，可能会对为应对当前和未来的水资源短缺而制定的策略产生重大影响。作者认为，有必要从技术（提高水的利用效率）、管理（优化上下游水资源分配）和市场（改变水的定价）等方式管理水资源，进而降低缺水事件带来的负面影响。

原文链接：https://www.nature.com/articles/ncomms15697