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13.3：水资源短缺和解决方案

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    最重要的环境目标之一是为所有人提供干净的水。 幸运的是，水是一种可再生资源，很难破坏。 蒸发和降水相结合，不断补充我们的淡水供应；但是，由于水在地球上的分布不均匀，水的供应变得更加复杂。

    水资源短缺

    水危机是指一种全球形势，即许多地区的人们无法获得足够的水、清洁用水或两者兼而有之。 干旱的气候和人口稠密的地区共同造成了水资源短缺，由于人口增长、水资源过度使用、水污染和气候变化，预计未来几年水资源短缺将恶化。 具体而言，气候变化改变了降水模式，导致为河流补给的积雪在今年早些时候融化。 此外，与气候变化相关的海平面上升加剧了盐水的入侵。

    缺水是指缺水，可以是物质缺水或经济缺水（图\(\PageIndex{a}\)）。 物理缺水是指某一地区缺乏足够的水资源；也就是说，水耗尽的速度快于补给的速度。 与气候变化相关的不可预测的降水模式增加了洪水和干旱的风险，加剧了物理缺水。 当人们负担不起@@ 用水时，就会发生经济用水短缺。 联合国估计，全球超过一半的人口在一年中面临一个或多个月的缺水问题（参见《2019年可持续发展目标报告》）。 根据世界卫生组织和联合国儿童基金会的数据，7.85亿人甚至无法获得基本的饮用水服务（见饮用水），20亿人无法获得像坑式厕所这样简单的改善的卫生设施（见卫生设施），30亿人缺乏洗手设施（参见 “全民手部卫生”）。 因此，每年有近82.9万人死于腹泻病，其中29.7万人死于五岁以下的儿童（见饮用水）。

    全球物理和经济水资源短缺在世界地图上用颜色编码
    图\(\PageIndex{a}\)：2012 年面临或接近缺水的地区。 物理缺水发生在美国西南部、中东、北非、印度南部和澳大利亚东南部。 经济用水紧张发生在中非和东非、印度西部和东南亚。 图片由世界水资源评估计划（WWAP；公共领域）提供。

    解决缺水问题的解决方案

    虽然一些人类活动加剧了水危机，但人类也开发了更好地获取或保护淡水的技术。 解决缺水问题的解决方案包括水坝和水库、雨水收集、渡槽、海水淡化、水回用和节约用水。

    水坝和水库

    在河流大坝后面形成的水@@ 库（人工湖）可以在潮湿时期收集水并储存水以备干旱时使用（图\(\PageIndex{b}\)）。 它们也可以用于城市供水。 水坝和水库的其他好处包括水力发电、防洪和娱乐。 一些缺点是干旱气候下水的蒸发流失和下游河道的侵蚀。 此外，大坝减少了下游的水流，当河流横跨各州或国家时，这可能导致政治冲突。

    水坝对生态系统的负面影响是另一个主要缺点。 例如，水坝将河流变成湖泊栖息地，干扰鱼类的迁徙和产卵。 此外，水库地表水变暖会影响下游水的温度，影响适应较冷水域的鱼类和水生无脊椎动物。 水坝还会捕获沉积物，否则这些沉积物会继续沿着河流流动，从而形成栖息地并为下游提供营养。

    胡佛大坝的鸟瞰图显示了一座混凝土结构阻塞了宽阔的水道（科罗拉多河）。 米德湖在右上角。
    图\(\PageIndex{b}\)：内华达州科罗拉多河上的胡佛水坝。 大坝后面是美国最大的水库米德湖。 图片由 Dsimic（CC-BY-SA）提供。

    雨水收集

    雨水收集涉及在雨水到达地面之前将其捕获和储存。 该图\(\PageIndex{c}\)显示了为联邦大楼提议的复杂雨水收集系统（雨水收集系统），但个人房主可以使用更小、更简单的系统（有时称为雨桶）（图\(\PageIndex{d}\)）。

    雨水收集系统包含一个大型金属圆柱形储水容器和多个管道、过滤器和控制装置。
    图\(\PageIndex{c}\)：雨水收集系统的组件包括 (1) 由屋顶表面和排水沟组成的收集系统，用于收集雨水并将其输送到 (2) 入口过滤器，即捕获大型碎屑的滤网。(3) 第一个冲洗分流器可清除入口未捕获的碎屑过滤掉最初的雨水流。(4) 储罐由经美国食品药品监督管理局 (FDA) 批准的食品级聚酯树脂材料制成，颜色为绿色，有助于减少细菌生长。(5) 溢流口是一个排水口，在储存时会释放多余的水坦克已满。 （6）控制系统监控水位和过滤系统，（7）处理系统负责过滤和消毒，处理水直到可以饮用（可以安全饮用）。 （8）泵将水通过系统输送到将要使用的地方，（9）防回流装置可确保在水压过低的情况下（储水箱低时）水不会向后流过系统。（10）流量计（带数据记录器）测量产水量。 (11) 电力供应可以依赖常规能源或太阳能，而 (12) 水位指示器监视储罐中的水位。 标题修改自能源部能源效率和可再生能源办公室（公共领域）。
    带有水龙头的塑料雨桶从房屋的排水口收集雨水。
    图\(\PageIndex{d}\)：雨桶是一种简单的雨水收集系统。 房主通常使用储存的水来灌溉花园。 图片由 Walton LaVonda 提供，USFWS（公共领域）。

    渡槽

    渡槽可以将水从充足的地方转移到需要的地方。 渡槽可能会引起争议，在政治上也很困难，尤其是在输水距离很远的情况下。 缺点之一是分水可能会在抽水的地区造成干旱。 例如，加利福尼亚中部的欧文斯湖和莫诺湖在河流转移到洛杉矶渡槽后开始消失（图\(\PageIndex{e}\)）。 没有水供应，欧文斯湖干燥并成为颗粒物的主要来源，在沙尘暴期间污染了空气（参见空气污染）。 欧文斯湖几乎完全干燥，但由于法律干预，莫诺湖的复苏幅度更大。 在此处@@ 了解有关洛杉矶渡槽的更多信息。

    洛杉矶渡槽是一条开阔而蜿蜒的人工通道，从山上流下来
    图\(\PageIndex{e}\)：洛杉矶渡槽将加利福尼亚东部几条河流的流量转移到洛杉矶市。 图片来自洛杉矶（CC-BY-SA）。

    海水淡化

    一种实际上可以增加地球淡水量的方法是海水淡化，它涉及从海水或含盐的地下水中去除溶解的盐和矿物质（图\(\PageIndex{f}\)）。 这种方法的一个优点是盐水供应几乎是无限的。 海水淡化的方法有几种，包括煮沸、过滤、电渗析（施加电流去除含有盐的离子）和反渗透（图\(\PageIndex{g}\)）。 所有这些程序都相当昂贵到非常昂贵，需要大量的能源投入，这使得生产的水比传统来源的淡水贵得多。 此外，该过程会产生高盐废水，必须加以处置，并对环境造成重大影响。 海水淡化在中东最为常见，那里的石油能源丰富，但水资源稀缺。

    斯坦瓦克港海水淡化厂由四座金属圆柱塔组成
    图\(\PageIndex{f}\)：南澳大利亚正在建设的斯坦瓦克港海水淡化厂。 图片由 Vmenkov（CC-BY-SA）提供。
    反渗透图为一根 U 形管，左边是受污染的水，中间是薄膜，右边是干净的水。
    图\(\PageIndex{g}\)：反渗透是海水淡化的一种方法。 在此过程中，对含有离子（带电原子或分子）和其他污染物（C）的盐水施加压力（A）。 水被迫穿过半渗透膜（D），污染物无法通过该膜。 然后分配可以安全饮用的干净淡水（E）（F）。 图片由科尔比·费舍尔（CC-BY-SA）提供。

    水回用（水回收）

    水回收是指将水循环用于适当的目的，例如农业、市政供水、工业过程和环境恢复（图\(\PageIndex{h}\)）。 这可能发生在单户家庭的规模上，例如，安装管道将从水槽排出的水改为冲洗马桶。 水的回收也可能大规模发生。 例如，定期对污水处理系统产生的废水进行一定程度的处理，但可以对其进行进一步处理以产生饮用水（可以安全饮用），然后将其泵入枯竭的含水层。 这种方法限制了盐水对海岸附近含水层的侵入，减少了对降水的依赖以及随后对补给含水层的渗透。 加利福尼亚的奥兰治县水务区在一场宣传活动之后使用了该系统，以解释净化过程并确保公众对经过处理的废水安全的信心。

    以水源和水再利用机会为例的景观，例如农业、地下水、饮用水供应等。
    图\(\PageIndex{h}\)：水回用流程图。 地表水、地下水和来自水库的水经过饮用水处理。 从那以后，它服务于商业、工业和家庭用途，并支持绿色基础设施。 用过的水按照其用途所需的程度进行处理（适合用途的处理）。 适合用途的处理和使用包括环境恢复、地下水补给、农业再利用、地表水增强、便携式再利用、灌溉再利用、家庭再利用、工业再利用和商业再利用。 工业、住宅和商业建筑的排放通过废水处理处理。 图片由 EPA（公共领域）提供。

    节约用水

    节约用水是指减少用水量，提高使用效率。 在家庭周围，保护既涉及节水技术，也涉及行为决策。 节水技术的例子包括高效的洗衣机和低流量淋浴和厕所。 节水行为包括在刷牙时关掉水，缩短淋浴和淋浴时间而不是洗澡，以及修理漏水的水龙头。 洗碗机比用手洗盘子消耗更少的水，尤其是洗碗机只有在装满时才会运行。 同样，相对于更频繁、更小的负荷，运行更少、更大负荷的衣物可以节约用水。 选择水足迹较低的食物（如鸡蛋）而不是水足迹高的食物（如牛肉）也可以节约用水。

    园艺提供了多种节水机会。 如果你生活在干燥的气候中，可以考虑只种植原生的、耐旱的植被，这几乎不需要灌溉（图\(\PageIndex{h}\)）。 当你灌溉花园时，只能在需要时和清晨进行灌溉，那时蒸发会流失更少的水。 滴灌系统有助于仅输送所需量的水，从而最大限度地减少蒸发。 这些策略也可以大规模应用于农业，考虑到与市政用水相比，农业对供水的需求很高，这一点极为重要。 农业用水保护战略包括在自然降雨可以支撑作物的地区种植农作物，提高灌溉系统的效率，例如滴灌系统，以及免耕耕作，后者通过覆盖土壤减少蒸发损失。

    加州花园的原生植物包括亮橙色的加州罂粟花
    图\(\PageIndex{i}\)：使用节水植物和灌溉不仅看起来很漂亮，而且可以节省资源并支持生物多样性和自然传粉媒介。 图片和说明来自加州水资源部（公共领域）。

    瓶装水不是解决水危机的可持续办法。 瓶装水不一定比美国的公共供水更安全，它的平均成本是美国自来水的700倍左右，而且每年使用大约2000亿个塑料和玻璃瓶，这些瓶子的回收率相对较低。 与自来水相比，它消耗的能源要多得多，主要用于瓶装制造和长途运输。 （如果你不喜欢自来水的味道，那么购买滤水器比瓶装水更具可持续性。）

    参考文献

    饮用水。2019 年。 谁。 已访问 2020-12-29。

    Han@@ d Hygeine for All。2020 年。 联合国儿童基金会。 已访问 2020-12-29。

    卫生。2019 年。 谁。 已访问 2020-12-29。

    2019@@ 年可持续发展目标报告。 联合国。 已访问 2020-12-29。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：