推荐文献:维持全球城市淡水生态系统服务的自然基础设施

学术   2024-01-25 10:00   北京  

(2024年125)

1 城市与源流域之间淡水ES流动的概念框架
科学问题

全球快速城市化增加了对淡水及其相关生态系统服务的需求,这种需求常常通过基础设施建设来满足。提供淡水生态系统服务的自然基础设施解决方案已经增加,但很少有研究探讨过全球城市提供淡水生态系统服务的建成基础设施和自然基础设施之间的复杂关系。

解决方法
本研究通过网络分析,探究了全球317个城市的2113个流域的建成基础设施与自然基础设施之间的相互关系,重点关注四个关键的淡水生态系统服务:淡水供应、泥沙调节、防洪和水电生产。具体方法包括以下四个步骤。

1. 城市和流域的提取。首先使用城市水地图数据库选择了全球50%以上依赖地表水源的城市。再根据《世界城市化前景》数据,筛选出2000-2010年平均人口超过30万人的城市。对于每个城市,作者确定了三种类型的水源流域,分别是淡水源流域、洪水流域和水电流域。

2. 淡水生态系统服务本文选取了四种淡水生态系统服务,分别为淡水供应、泥沙调节、防洪和水电生产。这四种服务分为供给服务和调节服务。供给服务包括淡水供应和水电生产,调节服务包括泥沙调节和防洪。

淡水供应:城市的淡水供应是指每年流经河道的平均地表水量。本研究通过3个历史气候驱动数据集驱动5种全球水文模型得到15种模拟结果,以量化从水源流域到城市的淡水供应量。

泥沙调节:本文得到了基于WBMsed全球水文模型的全球悬浮泥沙通量模型的结果,该模型代表了城市淡水供应的地表水质量。从中提取了2000-2010年各城市取水点的年平均悬浮沉积物量。

防洪:作者使用了具有100年重现期的全球洪水灾害图,以确定城市地区发生河流洪水级的概率。使用二维水动力模型,根据全球洪水预警系统的水文信息进行洪水淹没模拟。在此基础上,计算了各流域洪涝面积占城市总洪涝面积的比例,并将该比例作为流域和城市特征的函数进行了预测。

水电生产:采用全球电厂数据库提取容量超过1兆瓦的运营水电大坝的地理位置,该数据库覆盖了全球水电行业约89%的装机容量,作者汇总了每个水电流域中水电大坝的装机容量。

3. 水源流域和城市特征。文章选取的指标分为两类,一类是用来衡量建成基础设施的指标,水源流域的大坝密度和城市的不透水面比例,另一类是代表自然基础设施解决方案的水源流域的自然保护区(PA)和城市的流域投资服务(IWS)。对于三种不同类型的流域,分别获得了保护区和非保护区的森林和湿地覆盖、大坝密度和水库库容、灌溉面积和地理特征等信息。流域的地质特征包括流域大小、城市与流域之间的地理距离、高程和坡度。城市的特征包括人口规模、经济规模和气候要素。

4. 网络分析。作者将多层模型应用于自中心网络分析,以估计每个自变量对从流域到城市的淡水生态系统服务的贡献。这种自中心网络分析能够估计不同层次的关系——流域、城市以及流域和城市之间的关系。由于城市通常有多个源流域,它们形成了一个自中心网络:中心是城市(接受淡水生态系统服务),而网络是水源流域(发送淡水生态系统服务)

研究结果

1. 自然基础设施的作用

已建成的基础设施(大坝)和保护活动(保护区的森林覆盖和湿地覆盖)之间的关系因淡水生态系统服务的类型而异(表1)。保护区的森林与大坝相辅相成,有助于减少泥沙和水电生产。大坝密度高的流域泥沙流量低,洪水风险大,水力发电量高。

1 预测4种淡水生态系统服务的多层系数

研究结果还显示,保护区湿地覆盖率较大的流域淡水供应量较大,这意味着受保护的湿地可以为城市提供地表水。在城市中,IWS的存在与四种淡水生态系统服务中的任何一种均无显著性差异(P<0.05),仅在P=0.053水平上与淡水供应负相关。许多城市在淡水供应不足的情况下采用了IWS计划,部分原因是水资源与水源流域的冲突。在高水位冲突城市中采用IWS计划可能是改善向城市提供淡水的有用工具,但还需要进一步研究以更好地确定IWS计划的效果。

2. 城市和流域特征

许多城市和流域特征与淡水生态系统服务的流动有关。不透水面较大的城市洪水风险较高,流域的淡水供应量较低。不透水面比例高的城市通常自然基础设施中的绿地较少。温度升高往往会增加全球城市的泥沙负荷和洪水风险,气候变暖也可能增加全球洪水风险。城市人口规模越大,淡水供应和泥沙流失越多,城市国内生产总值(GDP-PPP)与这两个生态系统服务呈负相关。城市人口的增加与源流域的淡水供应量和泥沙调节呈正相关。城市富裕程度的提高与淡水供应和泥沙调节呈负相关。富裕程度低的城市可能不得不使用低质量的淡水,也许是因为其源头流域缺乏水利基础设施和保护活动。

3. 自然基础设施解决方案的空间优先级

在全球范围内,2000-2016年流域新建大型水坝和保护区的空间分布不均(图2)。

2 20002016年水坝数量和保护区规模的空间变化

结果表明,34.1%的淡水源流域和56.1%的水电流域建立了新的保护区,而没有新建大型水坝,这些流域主要分布在北美和欧洲。同时,4.8%的淡水源流域和2.8%的水电流域不仅建立了新的保护区,而且新建了大型水坝。然而,2.9%的淡水源流域和3.8%的水电流域,没有新建大坝和自然保护区。

个人评价

本文探究了为全球城市提供淡水生态系统服务的建成基础设施和自然基础设施之间的复杂关系,可以为在城市用水需求快速增长的时代追求可持续城市水资源管理的决策提供参考。文章通过网络分析将不同类型的邻近和遥远的水源流域联系起来,为更好地理解自然基础设施在城市供水网络中的作用和制定城市淡水资源可持续利用最优策略提供帮助。但是该研究可能低估了自然基础设施在城市水电生产中的作用,并且未考虑到在实际生产中,大坝的运行强度和工作时间。

原文
Title:

Natural infrastructure in sustaining global urban freshwater ecosystem services

Abstract

Rapid urbanization throughout the globe increases demand for fresh water and the ecosystem services associated with it. This need is conventionally met through the construction of infrastructure. Natural infrastructure solutions have increased to provide freshwater ecosystem services, but little global research has examined the intricate relationships between built and natural infrastructure for providing freshwater ecosystem services to cities across the globe. Using network analysis, here we examine the interrelationships between built and natural infrastructure in 2,113 watersheds for 317 cities worldwide, focusing on four key freshwater ecosystem services: freshwater provision, sediment regulation, flood mitigation and hydropower production. Our results indicate that protected wetlands contribute to sustaining freshwater provision to cities. Forest cover in protected areas can improve the capacity of large dams in reducing sediment loads and producing hydropower, but cities mainly depend on reduced impervious surfaces and more green spaces within urban areas for flood mitigation. Improved understandings of the role of natural infrastructure in urban water networks must underpin strategic decision-making to sustainably provide freshwater ecosystem services to global cities.

Citation

Chung, M.G., Frank, K.A., Pokhrel, Y. et al. Natural infrastructure in sustaining global urban freshwater ecosystem services. Nat Sustain 4, 1068–1075 (2021).


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景观可持续科学与地理设计
在何春阳教授带领下,北京师范大学“景观可持续科学与地理设计”研究小组坚持可持续科学理念,聚焦人与环境/土地系统,开展不同尺度的景观/区域可持续性研究。自2024年1月起,本号同时发布中国自然资源学会资源持续利用与减灾专业委员会的相关通知。
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