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该文于2024年1月在线发表于Landscape
Ecology杂志。文章第一作者和通讯作者为团队刘志锋副教授。论文合作者还包括何春阳教授以及团队研究生应嘉禾、潘鑫豪、龚炳华、吕彩凤等。
全球已有40%的大城市面临水资源短缺，城市水资源短缺已成为影响全球可持续发展目标的重要一环。在社会经济发展和气候变化的影响下，城市缺水问题还将进一步加剧。已有研究评估了未来全球城市缺水风险和历史全球大城市供水水质风险，缺乏未来全球大城市缺水风险与水质风险的综合评估。本文的研究目的是量化未来全球大城市水资源短缺和供水水质的综合风险。在这项研究中，我们全面评估了2015年和2050年全球304个大城市（人口>100万）的水量和水质风险。首先，根据需水量和水资源可利用性对大城市的缺水情况进行评价，并根据水源地的人口密度、农田施肥和景观格局对供水水质进行评价。然后，进一步分析了人类活动和气候变化对城市供水风险的影响。最后，讨论了研究结果对相关政策和景观可持续性的影响。研究方法
我们从水量风险和水质风险两方面量化了2015年前后和2050年大城市的供水风险(图1)。水资源短缺风险评估：我们根据城市所在流域的水胁迫指数（WSI）量化了每个城市的水资源短缺风险。参考世界资源研究所发展的计算方法，以集水区为基本单元，在充分考虑上下游关系的基础上，将用水量与可用水资源量的比值作为水胁迫指数。位于水胁迫指数>0.4的集水区中的城市为存在缺水风险的城市。
供水水质风险评估：我们根据每个城市水源地的人类活动强度测量了其水质风险。由于广泛使用的《城市水源地数据集-城市水图》没有充分收集中国城市水源地的信息，我们用《中国城市水蓝图》和《中国重要饮用水源地清单》中的信息补充了中国93个大城市的水源地。通过这种修改，我们获得了全球304个大城市的地表水来源地信息，占全球大城市总数的59.26%。综合考虑了四项会影响水质并且具有未来模拟数据的要素：人口动态、城市扩张、耕地施肥和牧草地变化。基于这四项要素，改进了水源地人类足迹指数（HFI），将其用作供水水质风险的评估指标。
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图 1 流程图（粗体文本表示关键步骤。非粗体文本表示这些步骤的输入或输出。UN：联合国；CWM：城市水地图；UWB：城市水蓝图）
2015年，全球接近90%的大城市存在供水风险，中低收入国家大城市的供水风险更高。在被评估的304个全球大城市中，有273个（89.8%）大城市在2015年面临供水风险。其中，262个（86.1%）面临水质风险，85个（27.9%）面临缺水风险，74个（24.3%）同时面临水质和缺水风险。![]()
图 2 大城市的供水所面临的风险。【a，面临不同水风险水平的城市的空间格局（2015年人口超过1000万的城市）。b，在全球范围内面临风险的城市的数量和比例。c，在全国范围内面临风险的城市比例（将所有国家分为两个收入水平，并列出了拥有至少10个大城市的四个国家）】2015-2050年，绝大部分大城市的供水风险将升高。2015-2050年，270~303个(88.8%~99.7%)大城市的供水风险将升高。其中，177~236个(58.2%~77.6%)大城市水质风险将升高，207~297个(68.1%~97.7%)大城市缺水风险将升高，114~220个(37.5%~72.4%)大城市两种风险均将升高。
2050年，约1/3的大城市将面临水量和水质双风险。2050年，将有280~285个(92.1%~93.8%)大城市面临供水风险。其中，267~271个(87.8%~89.1%)面临水质风险，92~126个(30.3%~41.4%)面临水量风险，将有79~110个(26.0%~36.2%)大城市同时面临水质和水量风险。
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图3 左，2015-2050年大城市供水风险的变化。右，SSP2&RCP4.5情景下，2050年面临不同供水风险水平的城市的空间格局2015-2050年，中低收入国家大城市的供水风险升高幅度更大。中低收入国家大城市水胁迫指数和人类足迹指数的平均变化量分别为0.22~1.64和0.41~1.20，远高于中高收入国家（0.08~0.52和-0.07~0.27）。
图4 左，大城市水量风险的变化。右，大城市水质风险的变化
用水量增加是缺水风险升高的主因；水源地人类活动强度增加是水质风险升高的主因。在SSP2&RCP4.5情景下，96.2%的大城市缺水风险升高是由用水量增加导致的；52.5%的大城市水质风险升高是由水源地人口增加导致的，37.7%为耕地施肥量增加导致，7.2%为城市扩张导致。![]()
图5 SSP2&RCP4.5情景下2015 - 2050年不同因素对供水风险影响，仅列出了风险指数增幅排名前50位的城市供水的水量风险和水质风险是影响城市景观可持续性的关键因素。本研究结合WSI和修正HFI，综合评价了2015-2050年全球304个大城市在4种社会经济发展和气候变化情景下的水资源短缺和水质风险变化。2015年，约90%的城市被发现面临风险，其中面临水质风险的城市是面临水量风险的城市的三倍。低收入国家的城市面临着更高的水风险。绝大多数城市(88.8-99.7%)预计在2015年至2050年期间面临风险上升，其中三分之一的城市在2050年面临双重风险。低收入国家的城市预计将面临更大程度的风险上升。不断增长的用水需求将是水资源短缺风险上升的主要原因，但对于洛杉矶和卡拉奇等少数城市来说，气候变化导致的水资源供应下降将是主要原因。水源地人口增长和作物施肥将是水源地水质风险上升的主要原因。为了应对不断上升的水风险，提高城市景观的可持续性，迫切需要保护城市水源地、基于水的城市规划和治理、改善城市供水基础设施、建立与水有关的生态补偿机制。摘要
Context Supply of freshwater to the world’s cities
is increasingly affected by human
pressures and climate change.
Understanding the effects of human pressures and climate change on global urban
water scarcity and quality risks in an integrated way is important. Objectives The objective of this study is to assess the
scarcity and quality risks to water security for 304 large cities
(population>1 million) across the world for 2015 and 2050.Methods We assessed the water scarcity according to water demand and availability, and
evaluated the quality of water supply in
terms of the population density,
cropland fertilization, and landscape patterns in source watersheds. In
addition, the impacts of human pressures and climate change on urban water
risks were quantified using contribution analysis.Results We found that about 90% of these cities faced water risks in 2015. The number of
cities facing quality risk was about three times the number of cities facing
scarcity risk, and nearly a quarter faced dual risks. From 2015 to 2050,
88.8–99.7% of cities were projected to
face rising water risks with about
one-third facing dual risks by 2050. Increase in water demand was the
main cause of rising scarcity risk; growth in population and crop fertilization
in source watersheds were the main reasons for rising quality risk.Conclusions There is an urgent need to promote landscape conservation of urban water source
areas, implement sustainable urban water
planning and governance, improve water supply infrastructure, and refine ecological compensation regimes to
achieve global urban water security.
文章引用：Liu, Z., Ying, J., He, C., Guan, D., Pan, X., Dai, Y., Gong, B., He, K.,
Lv, C., Wang, X., Lin, J., Liu, Y., & Bryan, B.2024. Scarcity and quality risks for future global urban water supply.
Landscape Ecology, 39:10. https://doi:10.1007/s10980-024-01832-0
