图1 当前水资源短缺热点和人口暴露的空间分布、季节性模式和驱动因素
科学问题
本研究采用了先进的全球水文与水资源模型（PCR-GLOBWB 2）模拟，包括排水、地下水抽取和用水需求，同时结合了2005年至2100年期间的多污染物地表水质量模型（DynQual），用于评估盐度、有机污染和病原体污染。通过这些模型，研究确定了全球缺水热点并估算了当前及本世纪末可能面临气候和社会变化影响的人口暴露情况。由于气候变化和社会经济发展轨迹存在不确定性，探索多种可能的未来情景是全球变化评估的重要环节。为此，研究结合了代表性浓度路径（RCP）和共享社会经济路径（SSP）的三种组合，以及五个全球气候模型（GCM），以更全面地解释未来预测中的不确定性。
1.耦合水文和地表水质量建模。基于全球水文模型（PCR-GLOBWB 2）和地表水质量模型（DynQual）的耦合模拟，量化了水资源短缺。PCR-GLOBWB 2 模拟土壤水分、径流以及人与水的相互作用，将家庭、工业、灌溉和畜牧业的用水整合到水文模型中。DynQual 模拟水质，包括盐度、有机污染和病原体污染，并扩展了对人类活动影响的表示，涵盖水的提取与污染回流。模型通过河网积累和路由污染物负荷，考虑了水质与水量的协同作用。尽管部分地区数据有限，模型已在不同水文气候区域广泛验证。
2.全球变化下的用水需求、水资源供应和地表水质量。使用2005-2100年间的月度模拟数据，量化了在全球变化背景下的用水需求、水资源供应和地表水质量。模型输出涵盖家庭、工业、畜牧和灌溉的用水需求、水资源可用性（如排放量）及水质（TDS、BOD和粪大肠菌群浓度）。研究采用了三种SSP-RCP情景（SSP1-RCP2.6、SSP3-RCP7.0、SSP5-RCP8.5）和五个全球气候模型（GCM），以应对未来条件的不确定性。输入数据包括气象强迫、社会经济因素（如人口、牲畜数量、污水浓度）以及废水管理，这些数据被分为三类，并根据不同的SSP场景详细模拟和处理。
3.缺水指标。依据联合国的水资源压力或安全关键指标（可持续发展指标6.4.2），采用临界比从水量角度评估水资源短缺，并考虑了环境流量需求和当前非常规水资源（如海水淡化和处理后废水再利用）的使用情况，公式如下：
使用灰水足迹的概念评估了由水质问题引发的水资源短缺。灰水足迹表示为了稀释污染物以达到环境水质标准所需的水量。尽管这种稀释在现实中不一定实际发生，但该方法旨在估算淡水当量，从而使水资源短缺的数量和质量两方面能够进行可比性评估。基于此前的研究，使用以下公式计算WSq：
WSq表示同时考虑水量和水质的水资源短缺（无单位）；dqj,p是通过稀释为部门j和水质成分p实现可接受水质所需的额外水量；Cp是水质成分p（TDS 和 BOD，单位：毫克/升；粪大肠菌群浓度，单位：每 100 毫升菌落形成单位）的地表水浓度；Cmaxj,p是部门j对水质成分p的最大允许浓度（TDS：2,000、7,000、2,000 和 2,100 毫克/升；BOD：5、15、8 和 30 毫克/升；粪大肠菌群浓度：1,000、5,000、2,000 和 5,000 菌落形成单位/100 毫升，分别适用于家庭、工业、畜牧和灌溉部门），这些阈值根据以往研究中的标准设定。其他所有符号与上一个公式中一致。
4.水资源短缺量化。本研究在2005-2100年间，以每月为时间步长，基于WS和WSq评估全球及各地区的水资源短缺情况，涵盖了三个SSP-RCP情景和五个全球气候模型（GCM）。相比于传统的年度评估，按月分析更好地反映了水资源可用性、需求和水质的季节性变化。水资源短缺的评估以取水区为单位，将当地需求与可用水资源匹配。WS和WSq值超过1表示短缺，即用水需求超出可再生水资源的供应。同时，本研究主要聚焦于物理水资源短缺，未考虑经济和获取等其他因素。
研究结果
1.当今的水资源短缺
水资源短缺的驱动因素，包括水量不足（水量问题）、水质不达标（水质问题）或两者结合的情况，都会因时间和空间的不同而有所变化。由于全球地表水质量普遍存在问题，水质问题加剧了世界各地区部分时间段内的水资源短缺。例如，东非和中国等地区，尽管水资源充足，但由于水质超标导致季节性缺水，而印度则同时面临水量和水质不足的双重挑战。西欧和北美的缺水问题主要出现在夏季，虽然主要由水量问题引发，但也受到水质不佳的影响。
全球每月面临水资源短缺的风险根据不同的评估标准变化很大，仅考虑水量时风险范围为15%到30%（约10到21亿人），而加上水质因素后，风险增加到24%到37%（约17到26亿人）。水质问题对拉丁美洲、中东、北非和东亚地区的影响尤为显著。
研究结果还表明，目前有55%（约38亿人）的全球人口每年至少有一个月暴露在水质引发的水资源短缺中，其中16%（约11亿人）在一年中超过9个月处于这一状态。水质对水资源短缺的影响在多季节到全年的超标情境下尤为明显。
表1 当今人口面临水资源短缺的风险
2.未来的水资源短缺
未来清洁水短缺的风险取决于水需求、可用性和水质的变化，这些变化受气候和社会经济因素共同影响。在所有情景下，未来每年至少一个月缺水的人口比例和人数都将增加，尤其是缺水时间超过9个月的情况也有所上升。到本世纪中叶，全球56%到62%的人口将面临清洁水短缺，到本世纪末，这一比例将达到56%到66%，相比历史参考期的54%到57%有所增加。
全球范围内，SSP3-RCP7.0情景下的缺水风险最高，其次是SSP5-RCP8.5和SSP1-RCP2.6。在2050年后，SSP3-RCP7.0缺水风险的差异更加明显。全球月度分辨率数据进一步显示，未来全球缺水的季节性和区域性特征将更加突出，东亚和太平洋地区的水资源短缺将有所缓解，主要得益于地表水质量的改善。
然而，东欧、中亚、北美和西欧地区在SSP5-RCP8.5和SSP1-RCP2.6情景下的缺水问题更加严重，特别是在夏季，主要由水量不足引发。北美和西欧在SSP5-RCP8.5情景下人口增长最快（北美+121%，西欧+60%），进一步加剧了用水压力。相比之下，撒哈拉以南非洲地区预计在整个21世纪，缺水问题将大幅增加，受人口增长影响，缺水人口的比例和总数都将上升。
图3 在未来不确定的气候下，全球人口面临水资源短缺的风险
（a，基于WS和WSq指标的缺水人口比例。b，在三种全球变化情景下，基于WS和WSq的 2005-2100 年缺水的暴露人口数。）
个人评价
Current and future global water scarcity intensifies when accounting for surface water quality
Abstract：
The inadequate availability of clean water presents systemic risks to human health, food production, energy generation and ecosystem functioning. Here we evaluate population exposure to current and future water scarcity (both excluding and including water quality) using a coupled global hydrological and surface water quality model. We find that 55% of the global population are currently exposed to clean water scarcity at least one month per year, compared with 47% considering water quantity aspects only. Exposure to clean water scarcity at least one month per year increases to 56–66% by the end of the century. Increases in future exposure are typically largest in developing countries—particularly in sub-Saharan Africa—driven by a combination of water quantity and quality aspects. Strong reductions in both anthropogenic water use and pollution are therefore necessary to minimize the impact of future clean water scarcity on humans and the environment.
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