基于自然的解决方案：应对水资源危机

2021-02-12罗永梅毕云天张小全

自然保护地 2021年4期

罗永梅毕云天葛乐张小全

(大自然保护协会, 北京 100600)

1 水资源管理面临水资源短缺和水质下降的双重挑战

水资源是可供人类直接利用，能不断更新的天然淡水（主要是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km3，然而，淡水储量只占总储量的2.5%。对水资源的开发和利用，受以下条件制约：1）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。2）质量，用于不同用途时可被接受水质。3）获取，水资源的获取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。4）稳定性，随着时间的变化，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会影响水资源的稳定性[1]。

水作为一种有限而脆弱的资源，若管理不当，则可能会加剧不同地区、行业、群体之间对水资源的竞争，引发水资源危机。目前，世界水资源管理正面临着严峻的挑战。随着人口增长、城市化和工业化进程的加快，全球对水资源的需求正在以每年1%的速度增长[2]。同时，水质对人类健康也至关重要，受污染的水源会传播各种疾病，如腹泻、霍乱、痢疾、伤寒和肠胃炎等疾病，因此，提供安全饮用水是促进健康、减少疾病和贫困的最有效手段之一。然而，全球仍有近30%的人口缺乏清洁的饮用水，近80%的废水未经过处理，直接被排入江河湖海[3]。此外，随着气候变化对全球水循环的改变，如洪水和干旱等极端事件的发生频率和强度的增加，未来水资源管理将面临巨大的不确定性。

1.1 水资源短缺

人口增长、生活方式的变化、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的可持续利用极限数值[4]。全球有近1/3的人口−约26亿人，生活在“高度缺水”的国家，其中17亿人生活在“极度缺水”的地区。与此同时，不可持续的发展方式造成地下水过度的开采和水污染，导致可用水量急剧减少，预计到2050年，48亿~57亿人每年将有一个月面临缺水[5]。

水资源短缺威胁着人类的生活、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2 600亿美元[6]。水资源短缺也影响着粮食安全，联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）《2020年粮食及农业状况》报告指出，全世界约有11%的雨养农田（1.28亿hm2）和14%的牧场（6.56亿hm2）面临旱灾频发的问题，超过60%（1.71亿hm2）的灌溉农田高度缺水[7]。此外，由于无法对有限的水资源进行合理的分配，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，尽管各国投入大量的人力、物力兴建相关的基础设施，并努力通过水管理计划和节水技术提高用水效率，但缺水仍然是许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[8]。

1.2 人类活动和气候变化严重威胁着水质

人口增长，城市化、工业化、农业扩张和集约化，以及气候变化驱动下的水污染和水质恶化，正严重威胁着人类和生态系统的健康，并造成“水质性缺水”。森林和地表植被破坏以及湿地的退化加剧了水土流失，导致河流水质下降；不合理的农业生产方式造成氮、磷等营养物质以面源污染的形式进入河流，导致水体富营养化；不透水的城市地面无法渗透和储存雨水，导致污染物随雨水扩散；生活污水和工业废水未经合理处理，通过管道直接排入水体，造成点源污染；气候变化进一步推波助澜，可利用的水量减少、水温升高将进一步加剧水质恶化，更频繁和更猛烈的洪水将加剧污染物扩散[9]。

自20世纪90年代以来，非洲、亚洲和拉丁美洲几乎所有河流均出现水污染恶化情况[10]。未来几十年内，水质恶化还将进一步加剧，从而增加对人类健康、环境和可持续发展的威胁[11]，使得水资源的供需矛盾进一步加剧。

1.3 中国水资源现状

水资源已经成为我国严重短缺的自然资源，水资源短缺成为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[12]。我国水资源问题主要表现在以下几个方面。

1.3.1 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2 100 m3，约为世界平均水平的1/4，我国是世界13个人均水资源占有量最匮乏的国家之一（图1）。

图 1 人均可再生内陆淡水资源[13]Fig. 1 Per capita renewable inland freshwater resources [13]

1.3.2 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较差，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。正常年份我国缺水达500亿m3，枯水年份缺口更大，全国每年因干旱缺水造成经济损失超过2 000亿元[14]。

1.3.3 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了全流域的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，全国年均超采量约200多亿m3，现已形成160多个地下水超采区，超采区面积约19万km2，引发了地面沉降和海水入侵等环境地质问题[14]。

1.3.4 用水效率低

与水资源管理先进国家相比，我国的用水效率还有较大的提升空间。例如，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）[15]。由于我国农业用水占比超过六成，未来农业用水节水潜力较大。

图 2 国际用水效率对比[15]Fig. 2 International water use efficiency comparison diagram

1.3.5 气候变化增加水资源风险

在气候持续变暖的背景下，我国水资源风险将会增加。20世纪中叶以来，受气候变化的影响，我国位于半湿润半干旱地区的淮河、淮河以北的3大河流（黄河、淮河、辽河）以及西南诸河的水资源不同程度减少，其中海河减幅高达50%以上[16]。未来随着冰川积雪的减少，融雪径流将会减少，部分河流径流量会出现由增转减的“拐点”[17]，加剧青藏高原江河源区径流量变化的不稳定性。洪水、干旱等灾害的频发，降低了水资源的可利用性，导致我国北方水资源供需矛盾加剧，南方出现区域性甚至流域性缺水现象。

与此同时，在经历了经济长期高速增长后，我国水污染导致的水质下降问题突出。2015年，在国家将水环境保护作为生态文明建设的重要内容的大背景下，针对水污染防治工作面临的严峻形势，我国提出了《水污染防治行动计划》（即“水十条”）。经过4年的治理，虽然我国水环境质量大幅改善，但水污染防治仍不容松懈。目前，我国水污染治理仍然存在以下几个问题：

第一，农业面源污染防治压力较大。2017年《第二次全国污染源普查公报》显示，农业源水污染物排放化学需氧量1 067.13万t、氨氮21.62万t、总氮141.49万t、总磷21.20万t。巨大的排放量导致以太湖、巢湖、滇池为代表的部分湖泊（水库）仍然呈轻度富营养状态（占所有监测湖泊的22.4%）至中度富营养状态（占所有监测湖泊的5.6%），农业面源污染防治的压力较大[18]。

第二，城市黑臭水体治理任务艰巨。我国城市化、工业化进程的加快，导致城市污水排放量不断增加，同时，由于城市环境基础设施的日渐不足以及老城区改造困难，大量污染物未经处理直接排放到河道中，致使垃圾入河、底泥污染严重，造成城市黑臭水体问题严重[19]。

第三，新兴污染物成为水污染治理新挑战。近年来，随着环境分析水平的提高，新兴污染物在我国部分流域已被频繁检出，这些污染物在环境中难以降解，具有累积性，缺乏有效的管控措施，是水环境、生态安全和人体健康的潜在威胁。迫切需要建立基于毒性评价的排放标准和控制目标，并加速研发适宜的处理措施和技术。

2 基于自然的解决方案与水资源管理

长期以来，人们首先希望借助“灰色”基础设施（如输水渡槽、水库和污水处理厂等）改善水资源管理，而轻视自然的作用。基于自然的解决方案（Nature-based Solutions，NbS）则是通过保护、可持续管理和修复生态系统，可以有效和适应性地应对以上挑战，同时为人类福祉和生物多样性带来益处[20]。

可应用于水资源管理的NbS措施包括森林保护、造林、湿地保护修复、农业最佳管理实践、城市绿色基础设施等。在供水管理方面，NbS有助于增加渗透量、储水量和输配水量，调节水的时空分布，从而提升水资源的数量和可用性；在水质管理方面，NbS有助于减少土壤侵蚀、净化水质并调节水温，从而改善水质。

2.1 基于自然的供水管理

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。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[21]。这些生态系统服务不需要或者只需要较低成本，且易于维护。然而，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（图3）。生态系统退化导致资源蒸发的速度加快、土壤蓄水能力降低、地表径流增多、土壤侵蚀加剧，这些因素都给水循环带来严重的负面影响，致使可供水量减少、稳定性变差、获取难度增加。通过对生态系统的保护、修复和可持续管理等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用水效率两方面助力水资源管理。

图 3 人类活动带来的压力与生态系统、生态系统服务之间的关系[21]Fig. 3 Relations between pressure from human activities and ecosystem and ecosystem services

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−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。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；减少沉积物，增加水库的容积；改善水质，增加可供水量。与此同时，通过NbS调整农业取水、灌溉和排水的管理方式，可为减缓水资源短缺和提升农业用水效率提供契机。

2.1.1 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。森林保护避免土地利用方式转变。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，造林需要选择适合当地气候和水文条件的树种，否则可能会因过度消耗地下水反而加剧水资源的短缺[22]。

2.1.2 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[23]。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。研究结果显示，修复退化的湿地可使湿地的供给、调节和支持功能提高36%[24]。

2.1.3 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，其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[25]。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。

2.1.4 保护性耕作、节水灌溉

农业既是水资源短缺的驱动因素，也是其受害者。保护性耕作有助于增加土地表面粗糙度，减少土壤水分蒸发，改善土壤结构，提高土壤贮水量，从而提高水资源利用率。例如，在水土流失较为严重的黄土高原地区，与传统耕地相比，免耕秸秆覆盖和深松的耕地的土壤含水量分别提高了13.6%和31.7%，水分利用效率也分别提高了2.26 kg/(hm2·mm)和3.82 kg/(hm2·mm)[26]。同时，以NbS为主要导向的农业节水技术的应用，例如，调整种植结构（根据未来气候情景和当地文化，选择适宜的作物、适宜的种植模式，如抗旱作物、轮作、间混套作等）、节水灌溉（根据作物不同时间的水分需求，进行精准灌溉，避免大水漫灌）等，在节约灌溉用水方面具有较大的潜力。

2.1.5 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地表蒸发的雨水就达数百亿立方米，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对土壤的侵蚀，提高土壤肥力。

2.1.6 城市绿色基础设施

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[27]。

2.2 基于自然的水质管理

虽然人们长期依赖灰色基础设施来管理水资源，但是，灰色基础设施在处理某些水环境问题，如农业面源污染上已经显现出短板。同时，灰色基础设施的刚性特征，使其无法适应气候变化所带来的未来外部条件变化。在全球水污染恶化、需水量迅速增加以及气候变化的背景下，要实现可持续的水安全，仅靠墨守成规已经力有不逮，需要与自然协作，以新的解决方案来管理水质，从源头到城市，为水质安全提供解决方案。

通过恰当的管理，森林、湿地和河岸以及土壤和作物均可成为保护水源的“绿色基础设施”，有助于防治点源或面源的污染，利用生态系统中的土壤、植被等截留、吸收或降解地表水中的悬浮沉积物和污染物；过滤悬浮沉积物、重金属和其他污染物，保护地下水不受污染；通过生物滞留和渗透缓解现污水处理设施的压力；将人工湿地与传统污水处理设施联合使用，在处理前改善废水质量，从而减少污水处理成本。而在城市，将绿色基础设施纳入城市规划和设计，可以有效管理和减少城市内涝及径流污染。

2.2.1 森林保护、造林、森林经营

森林可以截留水体中的沉积物、降解或吸收其他污染物。森林保护有助于维持森林现有的生态系统功能，并且避免土地转化，规避未来沉积物或营养物质增加的风险。造林可以固定土壤，减少泥沙和营养物质的输送。树木在生长过程中，对氮的吸收也可以减少区域范围内地下水和地表水的营养物质[28]。尽管树木吸收养分的能力可能随着树龄的增加而下降，科学的森林经营有助于维持森林整体对养分的吸收能力。

2.2.2 湿地保护与修复、修建功能性人工湿地

湿地被称为“地球之肾”，在水质管理方面具有巨大的潜力，其能够有效减少径流中悬浮沉积物；湿地中的植被和微生物有助于降解多种污染物，消除病原体，减少水中的营养物质。湿地修复有助于修复其净化功能。例如，通过湿地修复，瑞典Tullstorpsan集水区内磷的平均浓度下降了30%。位于阿曼的占地360 hm2的世界上最大的商业人工湿地，被用于处理油田生产作业中的废水，湿地日处理能力超过95 000 m3，同时，还为鱼类和数百种候鸟提供栖息地[29]。

2.2.3 河岸带缓冲区构建

河岸带缓冲区构建是研究最充分、使用最频繁的水环境治理措施之一。构建由乔木或其他植被组成的河岸带缓冲区，有助于截留泥沙和营养物质，使其成为防止污染物流入河流的最后一道防线。研究结果表明，30 m 宽的河岸带缓冲区对沉积物和总磷的截留率高达98%~99%，维护良好的草类河岸带缓冲区清除泥沙的有效性可高达90%~95%[30]。河岸带缓冲区也有助于降低水温，对于水域保持足够的溶解氧具有重要意义，并能够减少藻华的发生率[31]。

2.2.4 农田养分管理、覆盖作物及保护性耕作

农业面源污染来源广泛、排放随机、污染水体规模大，使用传统灰色工程较难清除。而对于农田的养分管理，通过对土壤肥力进行分析并做出相应施肥决策，可将养分供应与作物需求相匹配以实现最佳产量，同时将损失到环境中的养分减到最少。覆盖作物也可提高农田土壤的稳定性，从而减少土壤侵蚀和养分流失。保护性耕作则可降低农业生产对土壤的扰动和对化肥的需求，从而减少土壤侵蚀和养分流失，从源头减少污染。据研究，与传统耕作农业相比，保护性耕作能改善土壤结构和稳定性，增加排水和持水能力，降低降雨径流的风险，减少高达100%农药和高达70%化肥造成的地表水污染[32]。

2.2.5 城市绿色基础设施

增加绿色屋顶、雨水花园、生物滞留池等覆盖植被的下渗区或排水区，不仅能够减少地表径流对水体的污染，还可以增强城市应对旱涝灾害的能力。建设人工湿地更有助于处理生活污水和新兴污染物。研究显示，湿地在降解或固定新兴污染物方面比常规废水处理方式更为有效[33]。

基于自然的水安全解决方案不仅有效，而且和净水厂等灰色基础设施相比也更具成本有效性。尽管建设绿色基础设施的总开支很难量化，但据估算其每年消耗的资金不到1亿美元[34]。当然，NbS也并非万能的灵丹妙药。在处理污染物浓度较高的工业和采矿业废水时，灰色基础设施仍是不可或缺的。因此，在制定水环境管理方案时，应基于成本效益和可持续的原则，综合考虑“灰+绿”的最佳解决方案。

3 展望

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、生计以及减缓和适应气候变化等，前景广阔。基于自然的水资源管理方案提供了广泛的价值和独特的多重效益，远远超出了安全供水的范围。

未来，需要以更加符合自然规律的方式来应对世界水危机，实现从对抗自然到顺应自然的转变。扩大NbS在水资源管理中所占的比重，引导水资源管理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。

3.1 在供水管理中增加对NbS的投资和应用

在供水管理方面，通过保护、修复和可持续利用各种生态系统，NbS能带来增加和调节供水、提升用水效率的效益。通过与NbS结合，现有的供水系统也能增加气候变化弹性，提供更加稳定的供水。

3.2 在水污染治理中增加对NbS的投资和应用

现有的污水处理设施和技术在处理农业面源污染和新兴污染物方面已经显现出了短板，NbS可以作为一个新的有效补充。建议在城市黑臭水体治理中也增加对NbS的应用，按照“控源截污、内源治理、生态修复、活水保质”的系统思路和综合方案解决问题，从根本上消除黑臭水体。

3.3 利用水基金等金融工具拓展NbS的融资渠道，探索社会共治模式

水基金模式是一个基于生态服务补偿（payments for ecosystem services, PES）理念的管理和资金机制，其实质是下游水用户购买上游的生态系统服务功能。大自然保护协会（The Nature Conservancy, TNC）是国际上具有最丰富水基金建立经验的国际组织，迄今为止，已经在全世界成功建立43支水基金，总计保护和修复了700万hm2的重要水源地，为保障5 000万人的安全饮水做出了突出贡献[35−36]。作为国际上针对面源污染治理最有效的管理模式与资金机制之一，水基金的经验表明，水基金有能力使下游用户投资上游生态保护和土地管理，从而改善水质和水量。