人類活動對全球淡水循環(huán)影響與水行星邊界評估研究進展

楊建鋒 ，左力艷 ，姚曉峰 ，馬 騰

（中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心, 北京 100037）

淡水是保障一個國家或地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源，同時也是維持地球系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵地球生物物理要素。由于流域是天然的集水區(qū)域，流域之間一般被認為不存在水流聯(lián)系，現(xiàn)代水資源調(diào)查監(jiān)測、開發(fā)利用和管理保護通常以流域為單元實施[1]。流域綜合管理成為世界各國普遍推行的水資源管理解決方式[2-3]。隨著全球氣候變化日趨嚴峻和全球化、區(qū)域經(jīng)濟一體化程度不斷加深，越來越多的人認識到：一方面全球變化對流域尺度的水循環(huán)產(chǎn)生了明顯的影響[4-5]，另一方面人類活動對水循環(huán)的影響已經(jīng)超出了流域尺度，最大可能達到了全球尺度。早在1986年，美國著名水文學家Eagleson就意識到人類活動對土地覆被的改變會顯著影響地表能量與水平衡，從而影響區(qū)域氣候與陸地徑流[6]。近年的研究證實了這一判斷，地球系統(tǒng)過程會對流域水循環(huán)產(chǎn)生影響，反過來流域水循環(huán)變化也會對地球系統(tǒng)過程產(chǎn)生影響。解決當今世界各國所面臨的水資源問題，不應(yīng)只著眼于流域過程，而應(yīng)從更大的空間尺度——全球尺度對地球系統(tǒng)過程加以研究。在這一需求的推動下，水資源調(diào)查監(jiān)測、開發(fā)利用與管理保護的基礎(chǔ)理論正在從以流域過程為核心的傳統(tǒng)水文科學向以地球系統(tǒng)過程為核心的全球尺度水文科學轉(zhuǎn)變[7]。

淡水循環(huán)是地球系統(tǒng)過程的重要組成，與氣候變化、生物變化等過程共同決定著地球系統(tǒng)的功能與運行狀態(tài)。由于淡水在維持地球生物圈完整性、調(diào)控氣候變化、調(diào)節(jié)碳與養(yǎng)分循環(huán)等方面具有不可替代的主導作用，淡水循環(huán)變化會促使其他地球系統(tǒng)過程發(fā)生變化，從而影響地球系統(tǒng)的整體功能與狀態(tài)。20世紀50年代以來，在全球快速工業(yè)化、城市化等人類活動作用下，氣候變化、生物圈完整性、淡水循環(huán)、土地系統(tǒng)等地球系統(tǒng)過程發(fā)生了重大變化，使地球系統(tǒng)駛離了穩(wěn)定、宜居的全新世，進入了自然條件有劣化傾向的人類世[8]。以維持地球系統(tǒng)穩(wěn)定運行為目的，Rockstr?m等[9]提出了行星邊界方法，針對關(guān)鍵地球系統(tǒng)過程從全球尺度量化了CO2排放、淡水利用、土地利用等人類活動的安全邊界，明確了人類活動的安全運行空間。針對淡水循環(huán)，水行星邊界方法以地球系統(tǒng)科學理論為指導，基于地球系統(tǒng)過程確定了全球水資源利用是否可持續(xù)的度量指標，為全球與各國水資源治理指明了方向。該方法一經(jīng)問世，就成為地球系統(tǒng)科學的研究熱點，得到了水資源管理者的重視和關(guān)注[10]。

行星邊界方法不僅將淡水循環(huán)研究視野從流域尺度擴展至全球尺度，更是促進了認知理念與思維方式的躍升，必將對水資源調(diào)查監(jiān)測、開發(fā)利用與管理保護產(chǎn)生深遠的影響。本文在梳理人類活動對地球系統(tǒng)淡水循環(huán)影響的基礎(chǔ)上，論述了水行星邊界方法框架與研究進展，總結(jié)了淡水利用管理從流域尺度到全球尺度的實現(xiàn)途徑，以期為我國自然資源管理新制度下水資源管理提供參考。

1 人類活動對地球系統(tǒng)淡水循環(huán)的影響

人類活動已成為驅(qū)動地球系統(tǒng)變化的主要力量，引起淡水循環(huán)及其相互作用過程發(fā)生改變[11]。人類活動從直接作用于局地或流域過程出發(fā)，不同地區(qū)、不同流域、不同作用相互疊加，從而對更大尺度的淡水循環(huán)過程產(chǎn)生影響。按照作用方式，人類活動對全球尺度淡水循環(huán)的影響可分為3個方面：水利工程建設(shè)的影響，土地利用與覆被變化的影響，虛擬水貿(mào)易的影響。

1.1 水利工程建設(shè)的影響

為了滿足農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、洪災(zāi)防治、水力發(fā)電等需要，世界各國修建了大量的水利工程，包括水庫、調(diào)水工程、地下水井等。根據(jù)國際大壩委員會（ICOLD）數(shù)據(jù)庫[12]，1900—2010年全球共建成壩高15 m以上水庫29 484座，累計水庫庫容達8 300 km3；20世紀50—80年代是水庫建設(shè)的高峰期，20世紀80年代之后特別是21世紀以來，隨著各國對生態(tài)環(huán)境保護的重視，新建水庫數(shù)量明顯減少（圖1）。統(tǒng)計表明全球有59%的大江大河流域受到了大壩建設(shè)活動的影響，影響范圍占流域總面積的88%，在未受影響的流域中仍有部分河流在規(guī)劃建設(shè)大壩[13]。每年由大壩截留的河流排泄量達16 000 km3，相當于河流入海徑流量的40%[14]。

圖1 1900—2010年全球年度建成水庫數(shù)量與累計水庫庫容Fig.1 Global annual completed reservoirs and cumulative reservoir capacity from 1900 to 2010

大量水利工程建設(shè)和水資源開發(fā)顯著改變了局地和流域水循環(huán)，并通過陸地—大氣過程改變了全球尺度的水循環(huán)過程。Cooley等[15]利用美國國家航空航天局（NASA）ICESat-2衛(wèi)星對全球227 386個地表水體水位與蓄水量變化進行了監(jiān)測。結(jié)果表明：雖然由人類管控的水庫數(shù)量僅占地表水體數(shù)量的3.9%，但是其蓄水量變化占所有地表水體蓄水量變化的57%；人類管控的水庫季節(jié)性水位變化平均為0.86 m，而自然湖泊、池塘等地表水體季節(jié)性水位變化平均為0.22 m。人類對水利工程的調(diào)控已成為全球地表水儲量發(fā)生變化的主要原因。Jaramillo等[16]對全球大型河流盆地的水文氣象觀測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：水利工程建設(shè)與農(nóng)田灌溉使得全球陸面蒸騰蒸發(fā)量明顯增加，每年增加的蒸騰蒸發(fā)量約為3 563 km3。水庫等水利工程設(shè)施的建設(shè)增加了地表水進入大氣的水流，使得陸地水資源損失量增加。Chao等[12]估算了截至2007年全球已建成的水庫蓄水量達10 800 km3，致使過去半個世紀全球海平面平均每年下降0.55 mm。Wada等[17]基于地下水消耗量估算得出，由于地下水消耗量持續(xù)增加，地下水開采致使全球海平面上升由1900年的0.035 mm增至2010年的0.57 mm。Keune等[18]采用陸地系統(tǒng)模型TerrySysMP對歐洲陸地水循環(huán)進行模擬，結(jié)果顯示地下水開采與農(nóng)田灌溉改變了大氣水汽運移和陸地降水量與蒸發(fā)量平衡，南歐地區(qū)呈現(xiàn)干旱化趨勢。

1.2 土地利用與覆被變化的影響

在農(nóng)業(yè)發(fā)展與工業(yè)化、城市化驅(qū)動下，全球土地利用與覆被發(fā)生了重大變化。1901—2015年，總的趨勢是拓荒草原與森林擴展農(nóng)業(yè)用地，開發(fā)農(nóng)業(yè)用地擴展城市和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地，森林、草原、濕地等面積不斷萎縮；全球近50%的陸地表面發(fā)生了改變，原來的自然生物群落轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘?、農(nóng)田、草場等人工生態(tài)系統(tǒng)[19]。1901—2015年，農(nóng)業(yè)用地占全球土地面積的比例由20.6%增至38.0%。1901—1960年，森林面積年均減少0.18%；1960年以后，年均減少0.10%[20]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）估計，目前城市面積以20×106hm2/a的速度擴展，80%的土地來自于農(nóng)業(yè)用地[21]。

土地利用與覆被變化改變了地表能量平衡與水平衡，從而對全球尺度水循環(huán)產(chǎn)生影響。大氣水汽運移研究表明，全球陸地降水量約40%源于陸地蒸騰蒸發(fā)量，水汽在大氣中的平均運移距離為500～5 000 km[22]。土地利用與覆被變化通過改變熱力層、陸地水分運移等陸地—大氣作用過程，對降水和河流徑流產(chǎn)生影響，并且影響會超出流域范圍。研究發(fā)現(xiàn)部分大型河流盆地（如亞馬遜流域），流域外土地利用變化對降水的影響明顯大于流域內(nèi)土地利用變化的影響[23]。Gordon等[24]分析1780—1980年200年間澳大利亞土地覆被變化表明，由于發(fā)展農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)導致森林被大規(guī)?？撤?，澳洲陸地蒸騰蒸發(fā)量下降10%，相當于340 km3的水量。Gordon等[25]采用全球網(wǎng)格模型估算表明由于森林采伐全球陸地蒸騰蒸發(fā)量下降約4%，相當于3 000 km3的水量。

1.3 虛擬水貿(mào)易的影響

虛擬水是指產(chǎn)品或服務(wù)在原產(chǎn)地消耗并通過貿(mào)易以嵌入方式輸送到另一地區(qū)的淡水[26]。例如，生產(chǎn)糧食、水果等農(nóng)產(chǎn)品需要消耗大量的水資源，缺水地區(qū)通過進口這些農(nóng)產(chǎn)品，相當于進口了大量的水資源，這些水資源不是以實體形式而是以嵌入到農(nóng)產(chǎn)品的虛擬方式而存在。虛擬水的流入有助于緩解缺水地區(qū)的水資源緊張狀況[27]。經(jīng)濟全球化促使水資源配置全球化，水資源在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品或服務(wù)之后在全球范圍內(nèi)流動[28]。不同國家、不同區(qū)域間的耗水性產(chǎn)品或服務(wù)貿(mào)易，使得虛擬水超出原產(chǎn)地跨越不同流域在全球流動，對全球水循環(huán)和水平衡產(chǎn)生影響。

Hoekstra等[29]對1996—2005年全球農(nóng)業(yè)與工業(yè)產(chǎn)品貿(mào)易引起的虛擬水流動進行估算。結(jié)果表明：全球虛擬水貿(mào)易量達2 320 km3，占全球水資源消費量的25.5%；主要的虛擬水凈流出地區(qū)有北美與南美（美國、加拿大、巴西、阿根廷）、南亞（印度、巴基斯坦、印尼、泰國）、澳洲等地區(qū)，主要的虛擬水凈流入地區(qū)有北非、中東、墨西哥、歐洲、日本、韓國等。Serrano等[30]對歐盟虛擬水進行了估算，表明2009年歐盟虛擬水進口量達585 km3，占全球虛擬水貿(mào)易量的28%；南歐和東歐國家由于發(fā)展耗水農(nóng)業(yè)成為歐盟主要的虛擬水出口國，致使其缺水問題突出。Zhao等[31]對我國工程調(diào)水與虛擬水流量進行了估算，發(fā)現(xiàn)工程調(diào)水量占全國供水量的4.5%，而虛擬水流量占全國供水量的35%，工程調(diào)水和虛擬水均加劇了水資源流出地區(qū)的水壓力。

2 淡水利用安全運行空間評估的水行星邊界框架

2.1 基本框架

行星邊界理論認為，包括淡水循環(huán)、氣候變化、生物變化等在內(nèi)的9個關(guān)鍵生物物理過程共同控制著地球系統(tǒng)運行狀態(tài)[9]。在人類活動作用下，相應(yīng)的生物物理過程會發(fā)生變化。如果人類活動在地球系統(tǒng)彈性范圍內(nèi)，這一變化將不會影響全新世以來地球系統(tǒng)穩(wěn)定、宜居的運行狀態(tài)；當人類活動超過某一臨界點時，相應(yīng)的生物物理過程會發(fā)生不可逆變化，目前地球系統(tǒng)穩(wěn)定、宜居的運行狀態(tài)將會明顯改變，從而危及人類的生存與發(fā)展。對于某一控制變量，行星邊界被置于臨界點之前，當控制變量小于行星邊界時，人類活動就處在安全運行空間（Safe Operating Space,SOS）；超過行星邊界，人類所面臨的地球系統(tǒng)風險會上升；超過臨界點，人類經(jīng)濟社會將處在高風險區(qū)，甚或面臨崩潰的可能（圖2）[32-33]。行星邊界與臨界點之間不確定區(qū)的劃定主要考慮2方面原因：一是考慮到臨界點確定存在著很大的不確定性，二是為人類應(yīng)對可能的突變留出響應(yīng)的時間。

圖2 地球系統(tǒng)行星邊界示意圖[33]Fig.2 Planetary boundaries of the Earth system[33]

水在陸地、大氣、海洋之間相互作用構(gòu)成了全球復(fù)雜的水文循環(huán)。在陸地賦存和流動的水流可分為2類：藍水和綠水。藍水是指賦存于河流、湖泊中的地表水和賦存于含水介質(zhì)中的地下水，用來維持水生生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)灌溉供水、人類生活與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水等；綠水是指賦存于土壤中的水分，這部分水不形成徑流，最終通過蒸騰蒸發(fā)進入大氣中，用來維持陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和調(diào)控陸地—大氣水平衡。藍水和綠水相互聯(lián)系、相互交織，共同決定著全球水文循環(huán)的穩(wěn)定性。人類活動通過2種方式威脅全球淡水系統(tǒng)的穩(wěn)定性：一是通過影響降水和土壤水分引起綠水水流狀態(tài)轉(zhuǎn)變，二是通過開發(fā)利用藍水引起水循環(huán)變化[34]。水行星邊界方法選取與人類對綠水、藍水作用相關(guān)的指標作為控制變量，用以確定淡水利用SOS。

2.2 水行星邊界方法改進與發(fā)展

在最初提出行星邊界框架時，Rockstr?m等[34]采用“消耗性藍水用水量”作為控制變量。消耗性藍水用水量是指被開發(fā)利用且不返回到地表水體的用水量。從全球可利用藍水資源量中扣除60%的環(huán)境需水量，從而獲得水的行星邊界為4 000 km3/a。現(xiàn)狀消耗性藍水用水量為2 600 km3/a，表明人類活動尚未超過水行星邊界，仍處于淡水利用SOS。水行星邊界的這一估算方法引起了很多爭議和質(zhì)疑。Molden[35]認為該方法忽視了水資源分布與利用存在著巨大的空間與時間變異，對復(fù)雜的全球淡水系統(tǒng)而言過于簡化和粗略；Bogardi等[10]認為由于未考慮人類活動對水質(zhì)的影響和技術(shù)進步、管理措施的影響，限制了水行星邊界的應(yīng)用；Gleeson等[32]認為該方法沒有充分考慮水在地球系統(tǒng)中的作用，難以全面反映人類活動對淡水循環(huán)的影響。盡管存在爭議，多數(shù)科學家認為該方法從全球尺度衡量淡水資源利用的可持續(xù)性，具有重要的學術(shù)與應(yīng)用價值。

為了考慮水資源分布的時空變異，Gerten等[36]采用全球水文模型分區(qū)域計算環(huán)境需水量，從全球可利用藍水資源量中扣除分區(qū)域環(huán)境需水量之和，獲得水的行星邊界為2 800 km3/a。利用全球植被與水平衡模型LPJmL[37]，按照0.5°×0.5°的網(wǎng)格，估算不同地區(qū)的環(huán)境需水量，考慮了不同地區(qū)因地理、生態(tài)、水文等自然條件差異造成的環(huán)境需水量變異，克服了Rockstr?m等[34]按照固定比例估算環(huán)境需水量方法的缺陷。

Rockstr?m等[38]也意識到了單一采用消耗性藍水用水量的局限性，并試圖增加流域控制變量來彌補。Steffen等[39]對Rockstr?m等[34]提出的行星邊界方法進行了拓展。在保留全球尺度水行星邊界的同時，增加了流域尺度的控制變量：藍水取水量占河流月平均流量百分比。該方法基于河流月平均流量，將全年劃分為枯水期、平水期和豐水期，不同時期維持河流生態(tài)系統(tǒng)所需要的環(huán)境水流不同[40]。在考慮環(huán)境需水量的前提下，枯水期流域尺度的邊界為25%，不確定區(qū)（風險上升區(qū)）為25%～55%；平水期邊界為40%，不確定區(qū)為40%～70%；豐水期邊界為55%，不確定區(qū)為55%～85%。

Hogeboom等[41]探索采用水足跡方法估算水行星邊界，全球所有河流盆地的允許最大藍水足跡之和即是水行星邊界。水足跡是指消費者在消費過程中所消耗的水資源量，有別于傳統(tǒng)的取水量指標，水足跡包括消費者的直接用水、間接用水，但不包括消費過程中返回到取水所在流域的水量[42]。Hogeboom等[41]采用全球水文模型和環(huán)境需水量模型估算了全球所有河流盆地的月度藍水徑流量、月度可利用藍水資源量和月度環(huán)境需水量，基于滿足生態(tài)環(huán)境用水的不同保證程度估算了水行星邊界，分別為1 200，2 400，3 200 km3/a。

Gleeson等[33]認為目前的行星邊界方法并未全面考慮水在地球系統(tǒng)中的功能。從全球尺度來看，水對于維持地球系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要的功能，主要體現(xiàn)在：水文氣候調(diào)控、水文生態(tài)調(diào)控、淡水存儲對海平面的調(diào)控、物質(zhì)輸移等。人類活動通過改變水在地球系統(tǒng)中的這些功能，影響地球系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。針對水循環(huán)中水的不同儲存形式——大氣水、地表水、土壤水、凍結(jié)水和地下水，Gleeson等[33]將水行星邊界細分為6個子邊界，分別是：影響蒸騰蒸發(fā)過程的大氣水子邊界、影響降水過程的大氣水子邊界、影響碳吸收與凈初級生產(chǎn)過程的土壤水子邊界、影響地表徑流與生態(tài)過程的地表水子邊界、影響地表水基流過程的地下水子邊界、影響冰川過程的凍結(jié)水子邊界。盡管Gleeson等[33]提出了新的水行星邊界概念模型，但由于尚不能清晰地確定各個子邊界的控制變量、響應(yīng)變量及二者之間的關(guān)系，故而未能對各個子邊界予以量化。Bunsen等[43]認為這個新的水行星邊界概念模型值得進一步研究，但是探索其控制變量與響應(yīng)變量之間的關(guān)系面臨著很大挑戰(zhàn)。

3 淡水利用管理從流域尺度到全球尺度

水行星邊界從全球尺度確定了人類開發(fā)利用淡水資源的數(shù)量約束，為全球水資源治理提供了基礎(chǔ)依據(jù)，引起了聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展議程的重視[44]。但是，目前在全球?qū)用娌]有水資源治理的相關(guān)機構(gòu)或機制，水資源治理主要在國家層面以不同行政區(qū)域或流域為單元實施[45]。因此，水行星邊界對全球淡水利用的約束，需要落實到行政區(qū)域或流域，通過區(qū)域或流域尺度的水資源管理來實現(xiàn)全球尺度的管理。將全球的淡水利用SOS轉(zhuǎn)化到區(qū)域或流域，主要有2種實現(xiàn)途徑：一種是自上而下分配，一種是自下而上聚合[46]。

3.1 自上而下分配

自上而下分配是指按照某種分配原則將全球淡水利用SOS劃分成一定份額，然后再分配到行政區(qū)域或流域。最常用的分配原則是人均份額法，即：將淡水利用SOS除以人口數(shù)量獲得人均份額，然后按照區(qū)域或流域人口數(shù)量分配給區(qū)域或流域。其他的分配原則還有平等、社會經(jīng)濟能力、發(fā)展權(quán)、國際責任等方面[47]。該方法的優(yōu)點是可以將水行星邊界在各個區(qū)域予以體現(xiàn)，所有區(qū)域共同維護水在地球系統(tǒng)中功能的穩(wěn)定性；缺點是沒有考慮淡水資源分布具有高度的空間和時間變異性，也沒有考慮各個地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展階段、應(yīng)對環(huán)境變化的能力。

采用自上而下分配路徑，有學者探索開展了國家或流域尺度的淡水利用SOS案例研究。Nykvist等[48]將Rockstr?m等[38]確定的全球淡水利用SOS，按照人口計算出人均淡水利用SOS為585 m3/a，然后將其與61個國家現(xiàn)狀人均藍水足跡進行對比，發(fā)現(xiàn)葡萄牙、希臘、西班牙、以色列、土耳其、美國等8個國家淡水利用已經(jīng)超出了其水行星邊界份額。Hoff等[49]按照人口數(shù)量將全球人均淡水利用SOS確定為570 m3/a，與歐盟國家包含虛擬水凈進口的人均消耗性用水量比較后得出，大多數(shù)歐盟成員國淡水利用量超出了其SOS。O’Neill等[50]將141個國家的人均藍水足跡與全球人均淡水利用SOS對比后得出，有114個國家淡水利用仍處在SOS之內(nèi)。Fanning等[51]采用Steffen等[39]的流域水邊界估算方法，對加拿大和西班牙各個流域盆地的淡水利用SOS進行了估算，從月度河流徑流量中扣除月度環(huán)境需水量獲得月度可利用藍水資源量，發(fā)現(xiàn)西班牙淡水利用超出了其SOS，而加拿大僅在個別月份有超出其SOS的情形。

3.2 自下而上聚合

自下而上聚合是指以水行星邊界框架為指導，根據(jù)區(qū)域或流域水資源和生態(tài)系統(tǒng)狀況，遴選出表征本區(qū)（流）域淡水系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制變量與響應(yīng)變量，基于二者之間的關(guān)系確定本區(qū)（流）域的淡水利用SOS。由于區(qū)（流）域淡水系統(tǒng)變化主要驅(qū)動力與全球淡水系統(tǒng)不一定相同，該方法所選取的控制變量與響應(yīng)變量與全球尺度不一定相同。該方法的優(yōu)點是可充分反映區(qū)域水資源與生態(tài)系統(tǒng)條件，所確定的淡水利用SOS易被水資源管理者所采納和應(yīng)用；缺點是難以反映區(qū)域尺度與全球尺度的相互關(guān)系，自下而上聚合的區(qū)域SOS可能與自上而下分配的SOS存在著較大的差異。

Cole等[52]對南非的淡水利用SOS進行了評估，在評估中并未采用Rockstr?m等[38]提出的控制變量，而是直接將淡水用水量作為控制變量，其現(xiàn)狀淡水用水量為18 895 km3，與可利用水資源量14 319 km3比較后得出，南非淡水利用超出了其SOS 34%。Fang等[53]將可更新水資源量的40%定義為一個國家的水邊界，將國家水足跡與水邊界進行比較，根據(jù)比值判斷淡水利用是否可持續(xù)。對28個國家淡水利用評價結(jié)果表明，丹麥、南非、韓國等5個國家淡水利用不可持續(xù)，波蘭、美國等11個國家淡水利用存在可持續(xù)風險。Teah等[54]針對處于半干旱地區(qū)的黑河流域，將流域可利用水資源量的80%（1.8×108m3）確定為流域水邊界，現(xiàn)狀用水量2.39×108m3已超出了流域水邊界。

針對自上而下分配與自下而上聚合2種方法在評價結(jié)果上不一致的問題，Zipper等[55]提出了協(xié)調(diào)辦法。如果二者所涉及的水賦存類型（地表水、地下水、大氣水、土壤水、凍結(jié)水等）不同，那么2種方法所計算的淡水利用SOS都可以作為區(qū)域水資源管理的依據(jù)；如果二者所涉及的水賦存類型相同但是控制變量不一樣，那么2種方法所計算的水邊界都可以作為區(qū)域水資源管理的依據(jù)；如果二者所涉及的水賦存類型相同、控制變量也相同，那么應(yīng)將2種方法計算的水邊界中更低的值作為區(qū)域水資源管理的依據(jù)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

近幾十年來，水利工程建設(shè)、土地利用與覆被變化、虛擬水貿(mào)易等人類活動對淡水循環(huán)的影響已經(jīng)超出了流域尺度，成為全球尺度淡水循環(huán)變化的重要驅(qū)動力。為適應(yīng)這一變化，水資源調(diào)查監(jiān)測、開發(fā)利用與管理保護的基礎(chǔ)理論正在從以流域過程為核心的傳統(tǒng)水文科學向以地球系統(tǒng)過程為核心的全球尺度水文科學轉(zhuǎn)變。水行星邊界方法以地球系統(tǒng)科學理論為指導，以保持地球系統(tǒng)穩(wěn)定運行為目標，將淡水循環(huán)研究視野從流域尺度擴展至全球尺度，明確了全球淡水利用安全運行空間，成為評價全球水資源可持續(xù)性的重要方法。水資源管理，既要考慮流域尺度的水資源、生態(tài)與經(jīng)濟社會發(fā)展關(guān)系，也要考慮全球尺度的水循環(huán)、地球系統(tǒng)穩(wěn)定與全球可持續(xù)發(fā)展關(guān)系。水行星邊界是對現(xiàn)有區(qū)域水資源承載能力評價方法的重要補充，為全球與區(qū)域淡水資源治理提供了重要的方法框架和基礎(chǔ)依據(jù)。

4.2 建議

為解決我國面臨的資源、環(huán)境與生態(tài)問題，2018年國家從系統(tǒng)工程的治理視角重構(gòu)了我國自然資源管理體系，水資源管理成為新管理體系的重要內(nèi)容[56]。這就要求，水資源管理既要樹立山水林田湖草沙生命共同體的理念面向區(qū)域尺度的問題，又要樹立人類命運共同體的理念面向全球尺度的問題。水行星邊界為新自然資源管理體系下水資源管理提供了重要的理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)路徑。根據(jù)水資源管理需要，針對水行星邊界評估，建議今后加強以下幾方面研究：

（1）加強全球淡水循環(huán)過程研究，完善全球水文模型與模擬預(yù)測平臺。

水行星邊界評估需要不同尺度的藍水、綠水可利用資源量、取水量、用水量和環(huán)境需水量等大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而目前已建立的水系統(tǒng)觀測網(wǎng)只覆蓋了陸地的小部分，建立覆蓋全球的觀測網(wǎng)存在很多障礙。利用有限的觀測數(shù)據(jù)，基于淡水循環(huán)過程機理，建立全球水文模型，成為開展水行星邊界評估的有效方法[57]。目前已經(jīng)建立的全球水文模型有H08、LPJmL、WaterGAP、JULES等[58-59]，還形成了用于支持模型運行的多個全球數(shù)據(jù)集[60]。這些模型模擬結(jié)果之間相差較大。以現(xiàn)有的模型與數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，建立時空尺度更加精細的全球水文模型，是當前全球水文學的重要方向。

（2）加強水行星邊界與土地、生物、大氣等其他行星邊界的相互影響與作用研究。

目前水行星邊界是在假定其他行星邊界沒有被超出的情況下而確定的。研究表明，地球系統(tǒng)過程之間是相互作用、相互聯(lián)系的，其中一個過程的變化會影響到其他過程，一個行星邊界被超出，可能會導致其他行星邊界發(fā)生變化[61]。開展不同地球系統(tǒng)過程及其行星邊界之間的關(guān)系研究，是準確界定各個過程的行星邊界的重要基礎(chǔ)。

（3）探索應(yīng)用水行星邊界框架完善資源環(huán)境承載能力評價和國土空間開發(fā)適宜性評價（“雙評價”）方法。

“雙評價”是我國開展國土空間規(guī)劃與管控的基礎(chǔ)，在應(yīng)用實踐中面臨著不少問題與挑戰(zhàn)[62]。目前的“雙評價”方法主要考慮區(qū)域尺度資源環(huán)境的承載能力，基本沒有考慮資源利用對本區(qū)域外的影響，對虛擬水的流入流出也很少考慮，難以反映人類活動對地球系統(tǒng)的影響。