互动科普

决战淡水危机

撰文  彼得·罗杰斯（Peter Rogers）

翻译  夏军

我有一位朋友居住在印度首都新德里的一个中产阶级小区。尽管该地区每年都有相当数量的降雨，但他每天早晨都会被扩音器里刺耳的通知声吵醒——那是在提醒人们，淡水只会在接下来的一个小时内供应。他只能匆匆忙忙地在浴缸和其他容器里灌满水，以维持一整天的用水。新德里大面积缺水的主要原因在于，水资源管理者在几年前决定，把上游河流和水库的水大量取用到农田灌溉，导致了城市用水紧缺。

我儿子居住在气候干旱的美国凤凰城，很少看到洒水装置为草坪和高尔夫球场洒水。尽管凤凰城位于美国索诺兰沙漠（Sonoran Desert）腹地，他却享受到了真正无限制供水的快乐。当地政府允许将农场灌溉用水引入城市和郊区提供生活用水，并把再生水用作城市景观用水和其他非饮用水。

与新德里和凤凰城一样，在如何管理水资源方面，世界上任何一个地区的政策制定者都掌握着影响力巨大的决策权。如何明智地行使这项权力变得越来越重要，因为在全球许多地区，淡水资源的需求量正在增长，甚至超过了当地的淡水供给量，而且这种状况没有任何减缓的征兆。全世界每6个人中，就有一个因无法获得安全的淡水而饱受折磨，总人数超过了10亿！根据联合国提供的资料，到2025年，全球半数以上的国家将面临巨大的供水压力（即淡水供应量无法满足民众日益增长的用水需求），甚至出现供水不足。到21世纪中叶，世界上3/4的人口将面临严重的淡水资源短缺。

科学家估计，缺水问题会变得越来越普遍，主要原因是世界人口正在增长，很多人变得更加富有（因此用水需求也大大增长），全球气候变化也会导致许多地区干旱加剧、供水量减少。此外，许多水源还受到不恰当垃圾处理、工业废弃物排放、农业化肥污染和海水倒灌等的严重威胁，导致可利用的淡水资源进一步减少。淡水短缺能够导致饥饿、疾病、社会动乱甚至武装冲突，因此，一旦对这一问题处置失当，就会引发严重的危机。

值得庆幸的是，已知的科学技术和政策措施能在很大范围内保护现有淡水资源，并且寻找到更多的水源。我会讨论几项看起来特别有效的技术和政策，但现在最紧迫的就是实际行动。各国政府和各级主管部门必须建立和实施具体计划，实施政治、经济和技术上的各项措施，确保现在和未来几十年内的用水安全。

短缺的水资源

要解决世界水资源问题，首先必须了解每个人究竟需要多少淡水，以及世界不同地区影响淡水供需的不同因素。斯德哥尔摩国际水资源研究所（Stockholm International Water Institute）的马林·法尔肯马克（Malin Falkenmark）和其他专家估计，平均来说，地球上每人每年最少需要消耗1,000立方米淡水——相当于奥运会标准游泳池蓄水量的2/5，以满足饮用、卫生及生产粮食用水。人们是否能够获得足够的淡水，在很大程度上取决于他们居住在哪里，因为全球水资源的分布差异巨大。

在人口众多且干旱肆虐的不发达国家或发展中国家，供应充足淡水成了一项特别艰巨的挑战，因为这些地区水的需求量高而供给量低。尼罗河、约旦河、黄河、恒河等河流不但超负荷供水，近年来甚至出现了经常性长期断流。在新德里、北京和其他许多蓬勃兴起的大都市，地下水位也都明显下降。

即使在发达国家，淡水资源短缺问题也越来越普遍。以美国为例，最近发生的严重干旱，让佐治亚州北部和美国西南大片地区的许多城镇陷入了用水恐慌。米德湖（Mead）和鲍威尔湖（Powell）就是两个最明显的例子。这两个人工湖的湖水都引自早已超负荷供水的科罗拉多河。湖水中的碳酸盐会凝结在湖边峡谷两岸的山壁上，记录下每年的水位高度，就像用久的浴缸壁上会出现层层水垢痕迹。从这些记录中可以看出，两个湖的水位都在持续下降，当年的高水位如今已经高悬在峡谷山壁之上了。

经济规律

当然，地理位置并不能完全决定某一地区水资源的可利用性，支付能力也会起到相当重要的作用。美国西部流传着这样一句谚语：“水往低处流，钱却能让水往高处走。”换句话说，当某种资源供应不足时，经济规律就会牺牲低效益行为，把这种紧俏资源集中投放到高效益行为中。因此，有钱人有水用，其他人就没水用。

这种分配方式往往让穷人或周边生态系统中的动植物得不到充足的供水，正好验证了西方的另一句格言：再好的初衷也会被追求经济效益最大化的现实所扭曲。

澳大利亚东南部的墨累－达令河流域（Murray-Darling River Basin），是世界上河流水资源分配管理最为成功的地区之一。几十年前，当地政府和农学家按照均衡和经济效益最大化原则，在葡萄种植者、小麦种植者和绵羊饲养者这三种用水者之间，进行了科学合理的水资源分配。为了谋求效益最大化，当地的水资源规划者甚至允许用水者之间进行水权交易。除此之外，当地政府还给周边生态系统及动植物特别预留了部分水资源——这些“用水者”最容易被人忽视，但它们才是确保该地区良性健康发展的关键。以大大小小的水生及沼泽植物为例，正是它们在水流经它们生活的生态系统时努力清除人类排放的废弃物，才让许多水源免受严重污染。

然而事实证明，规划者预留的水量不足以满足当地生态系统的需求。在周期性干旱发生时，特别是过去6年来，给当地造成重大经济损失的特大旱灾暴发时，生态用水的短缺尤为明显。墨累－达令河流域周边地区水源干涸，近年来又数次遭遇大范围自然火灾的侵袭。

所有能够产生经济效益的用水者都“合理”分配到了充足的淡水，唯独没有考虑到自然环境的需求；当原本就不够充足的水量供应在干旱时降至临界水平，自然环境就付出了惨重的代价。如今，墨累－达令河流域管理委员会正急于寻求解决办法，让该地区从水资源整体分配不合理造成的灾难性后果中解脱出来。

上面这个例子说明，仅在同一个国家内部分配水资源时就会遭遇重重困难。可想而知，对于那些流经多个国家的跨国河流而言，水资源分配问题将会是何等复杂。以约旦河为例，它沿途经过黎巴嫩、叙利亚、以色列、巴勒斯坦和约旦等多个国家，每个国家都宣称对约旦河水资源拥有使用权。但是在这样一个极其干旱的地区，约旦河能够供应的水资源非常有限。对淡水的争夺已经在这一地区引发了多起民事纠纷甚至武装冲突，只是由于各方不断地谈判及相互妥协，才没有让这种紧张局势进一步恶化。

缺水的未来

与水资源供给一样，不同地区对水资源的需求也存在很大差异。用水需求不仅会随人口总数和人口增长率的增加而增长，还会随人均收入水平的提高而增长：更富有的群体往往会消耗更多的水，特别是在城镇及工业区。富裕地区还要求提供废污水处理和密集型农业灌溉，又会增加更多的水资源消耗。在许多城市，特别是亚洲和非洲一些人口特别稠密的地区，水资源需求量正在迅速增长。

除收入水平外，水价也会决定水资源需求量的规模。20世纪90年代末，我和同事在计算机上模拟了2000年—2050年的全球用水。我们发现，如果收入和水价一直保持在1998年的水平，全世界用水需求量将从3,350立方千米增长到4,900立方千米。（1立方千米的水相当于40万个奥运会标准游泳池的蓄水量。）但是，如果最贫困国家的收入水平提高到目前中等收入国家的水平，并且这些国家的政府不采取特别措施限制用水，全世界用水需求量就将增长两倍，达到9,250立方千米。

2007年，国际水资源管理研究所（International Water Management Institute，IWMI）发表了一份名为《粮食用水，生命之水》（Water for Food, Water for Life）的研究报告，预言在“维持现状”的情况下，未来增长的用水需求将会给淡水供给带来极大的压力。这一点与我们的结论不谋而合。

节水之道

考虑到经济效益和收入水平在水资源分配中的重要作用，能够促进生活用水和工业用水大量节约的合理水价政策无疑应该被广泛采用。过去，美国和其他经济体中的水价过低，不能激励用户节约用水：正如人类在开采其他自然资源的过程中经常发生的那样，如果某种资源便宜到几乎免费的地步，就很少有人会担心浪费。

制定尽可能高的水价是我提出的最有效调节手段之一。在发达国家，特别是大城市和工业区，实施这种政策非常有效。在发展中国家，这种手段的效果也日益体现出来。如果水价够高，必然会刺激用水单位采取节水措施，比如将废水系统性回收后用作非饮用水（这种水被称为“灰水”）。高水价还会促使供水公司建立水循环和废水回收利用系统。

提高水价还能使各级主管部门确信，有必要不断加强对输水系统的维护，以减少送水过程中的损失。水价过低造成的一个直接后果就是，没有足够的资金来支持输水系统的进一步改进和日常维护。2002年，美国政府问责局（U.S. Government Accountability Office）的报告显示，受营运预算所限，美国许多供水公司都让基础设施超期服役。他们通常要等自来水管线破裂后才去维修，而不是防患于未然。

然而，在美国和加拿大，为确保水利基础设施持续运营和降低损耗，用于设施维修和更新的费用非常巨大。美国博思艾伦咨询公司（Booz Allen Hamilton）预测，在未来的25年里，这两个国家在水利设施建设方面一共需要花费3.6万亿美元。

要实现节水的目标，另一个关键措施就是要关注耗水大户，农业灌溉是其中的重中之重：与其他单项生产活动相比，节水灌溉能够显著地节约淡水。根据国际水资源管理研究所的研究，假设不改进农业灌溉技术，为满足2050年全球粮食需求，农民需要大幅增加农业灌溉用水量，从目前的2,700立方千米增加到4,000立方千米。

反过来说，即使只将农业灌溉效率提高10%，节约的水也会超过其他所有用途耗水量的总和。采用防渗漏输水设施、使用低损耗储水设施、提高农作物用水效率等，就可以实现这一节水目标。

美国南加利福尼亚州的市政供水公司与附近帝王谷灌区（Imperial Irrigation District）的灌溉者达成的协议，就展示了一种开创性的节水模式。市政供水公司出钱购买防水材料衬砌灌溉渠道，节约下来的水则用来满足市政供水的需要。

另外一种节水灌溉的方法就是，在非灌溉季节里将水注入地下水库，到了灌溉季节再把它们用于作物灌溉。在世界上的大部分地区，降雨、积雪以及河水径流量会在每年的非生长季节达到最大，此时灌溉需水量却最小。因此，水资源管理者的基本任务就是，将水量充足季节里的水调配给用水量大的季节，以满足农民灌溉作物的需求。

最常见的办法就是筑坝将地表水截流，以便灌溉季节使用，但很多水被蒸发掉。地下水库能够减少蒸发损失。要让地下存贮切实可行，工程师必须先找到合格的大型地下水库，既要让地表水容易补给，又要在需要灌溉的时候方便把水抽回到地表。目前，这种“水银行”正在美国的亚利桑那州和加利福尼亚州等地运营。

滴灌系统能够让水缓慢渗入土壤表面，或者直达作物根部，从而减少灌溉用水的消耗量，因此更广泛地采用滴灌系统将大大降低灌溉用水的需求量。大力培育耐旱节水甚至耐盐碱的作物新品系，也有助于减少农业灌溉需水量。

人口和收入水平的不断增长加大了对农产品的需求量，使得水资源管理者不可能显著减少目前的农业灌溉用水量。但是，提高灌溉效率和作物产量能够将灌溉用水量的增长限制在一个合理的水平。

更多的行动

在干旱和半干旱地区将灌溉用水的需求量维持在较低水平，同时要满足未来全世界的粮食需求，可以通过向这些地区提供所谓的“虚拟水”（virtual water）来实现。这个概念与粮食或商品生产过程中水的消耗量相关。如果把这些产品出口到干旱地区，那里就不需要利用本地水资源去生产这些产品。因此，商品出口就相当于将水转移到了进口地区，给那里供应了“虚拟水”。

乍听起来，虚拟水的概念仅仅是一种记账方式，但向缺水国家提供商品，以及包含在这些商品中的虚拟水，确实能够帮助许多干旱国家减少农业种植用水，从而节省出大量的水资源用于其他方面。虚拟水的概念以及交易规模的扩大，还解决了许多由于水资源短缺而导致的国际纠纷。例如，约旦就通过进口商品中所含的虚拟水，大大减少了因为水而与邻国以色列爆发冲突的风险。

全球每年虚拟水的交易量超过8,000亿立方米，相当于10条尼罗河的水量。农产品贸易自由化和目前阻碍粮食流通的关税的降低，将显著增强全球虚拟水的流通量。如果实现完全自由的农产品贸易，就会使每年虚拟水的输送量在目前的水平上再翻一番，超过1.7万亿立方米。

无论社会能够从虚拟水贸易中得到怎样的好处，日益增长的城市人口还是需要真正的水来满足饮用或者卫生用水的需求。城市和耗水卫生设施用水需求的不断增长，可以通过采用无水或低耗水设施来控制，比如说使用配备尿液分离系统的干式堆肥厕所（dry composting toilet）。这些技术回收尿液满足农业用途，同时将剩余排泄物就地转化为有机肥。这些技术本质上就像花园里的堆肥堆，利用好氧微生物将人类排泄物分解为无毒且营养丰富的物质。农民可以将分解后的有机物质当成农作物的肥料。这些技术甚至可以在人口密集的城市地区被安全采用，瑞典斯德哥尔摩郊区实施的“耶贝斯住宅项目”（Gebers Housing Project）就是许多成功案例中的典范。

事实上，市政工程师可以采用这一技术来减少城市卫生设施用水。如果该技术得到广泛采用，就可以节约大量淡水。此外，对排泄物的回收利用也可以减少化肥使用量，从而减少对化石燃料的消耗。

除了减少淡水需求量外，增加淡水供给途径也是解决淡水短缺的另一个重要方面。地球上的水只有3%是淡水，其余都是咸水。不过，我们已经掌握了脱盐技术，可以随时利用如此庞大的咸水资源。近年来，能效最高的脱盐技术——反渗透膜系统的成本大幅降低，意味着许多沿海城市现在拥有了安全的饮用水新水源。

在反渗透膜系统中，透水的半渗透膜把两个水室隔开；盐水被注入第一个水室，淡水则被注入第二个水室。由于第一个水室中有盐分存在，因此会形成一定的渗透压。一段时间之后，渗透压就会使水分子透过半渗透膜进入第二个水室。

工程师通过不断改良技术，已经大大降低了脱盐成本，比如渗透压更小的半透膜可以减少能源消耗，而系统模块化则使设备更容易制造。新加坡和美国佛罗里达的坦帕湾已经建成了大型海水淡化工厂，采用了更经济的新技术。

目前，科学家正致力于碳纳米管反渗透过滤器的研究。碳纳米管可以提供更好的分离效率，有可能让脱盐成本再降低30%。这一技术在实验阶段已经得到论证，现在正向商业应用转化。尽管反渗透技术可以提高能效，但它的适用性在某种程度上仍受限制，毕竟这仍是一种能源密集型技术。因此，能源是否充足将显著影响该项技术的广泛应用。

投资效益

毫无疑问，避免未来的淡水短缺需要花费大量资金。博思艾伦咨询公司的分析家进行过估算，要满足我们到2030年的所有用水需求，全世界每年必须投入1万亿美元，以便运用现有技术节水、维护和更新基础设施、修建公共卫生系统等。这个数字似乎大得令人畏惧，但是换一个角度看，就比较容易接受了：这笔钱仅占今天全球GDP的1.5%，平均到每个人头上只有120美元，似乎是完全可以实现的费用。

遗憾的是，自从20世纪90年代末以来，大部分国家在水利设施上的投资占GDP比重都下降了一半。如果未来几十年内就出现淡水危机，原因不是我们不知道应该如何应对，而将是我们缺乏远见，不愿意投入必要的资金。

然而，至少有一点值得庆幸：中国和印度这两个世界上人口最多、对水利基础设施需求量最大的国家，目前正在经历经济的快速增长。非洲及其数十亿居民将最有可能遭受持续性供水不足，但他们对水利基础设施的投入最少，也无力承担更多的投资。因此，富裕国家资助非洲进行水利设施建设至关重要。

如果国际社会能够群策群力应对挑战，就能够减少全球暴发淡水危机的风险。我们不需要发明新的技术，只要加速推广和采用已有的节水技术并增加淡水供应即可。解决淡水危机并不容易，但只要我们找到正确解决途径并持之以恒，就可以取得成功。否则，全世界大部分地区将陷入干渴的深渊。