评估撒哈拉以南非洲地区不受控制的光伏水泵接入对地下水依赖生态系统构成的风险

授权公开披露 授权公开披露 政策研究工作文件10935 评估撒哈拉以南非洲地区不受控制的光伏水泵访问对地下水依赖生态系统构成的风险 GuillaumeZuffinettiSimonMeunier 水全球实践2024 年9月 政策研究工作文件10935 Abstract 光伏供电的地下水抽水为偏远地区提供了一种变革性的水资源解决方案。然而，如果没有适当的监管 ，这项技术可能会过度开发地下水资源，威胁依赖这些地下水的生态系统。这些生态系统往往在发展规划和水资源分配中被忽视，但它们在社会经济和环境方面具有重要意义。本研究使用层次分析过程评估了非洲次撒哈拉地区不受控制的光伏地下水抽水对依赖地下水的生态系统的风险。该研究利用辐照度、地下水和人口数据以及新的依赖地下水的生态系统数据来评估风险，并分析了两种情景以提高结果的稳健性。结果显示，如果未实施适当控制措施而实施光伏供水抽水，非洲次撒哈拉地区的92%依赖地下水的生态系统面临过度开发的风险。非洲南部和东部地区的依赖地下水的生态系统尤为严重 。 特别是在南非和纳米比亚，发现这些地区面临更高的风险，而刚果共和国、赤道几内亚以及尼日利亚南部则倾向于风险较低。将这些结果与依赖未改善水源的人口进行比较，可以突出像尼日利亚南部和苏丹南部这样的地区，由于其较高的地下水开发需求和较低的对地下水依赖生态系统的影响风险，这些地区可以优先考虑潜在的光伏水泵系统投资。相反，如纳米比亚和南非这样的地区，虽然地下水开发需求较低但对地下水依赖生态系统的风险较高，应需要有针对性的投资并进行非常密切的地下水监测。这些发现可以帮助政策制定者在光伏水泵系统投资方面进行有针对性的努力，并识别需要仔细监测的区域，以确保可持续的地下水使用并尽量减少对地下水依赖生态系统的负面影响。 这篇论文是由世界银行的水全球实践部门出品。作为世界银行为提供研究成果的开放访问并为全球发展政策讨论做出贡献的一项更大努力的一部分。《政策研究工作论文》也在网上发布于<http://www.worldbank .org/prwp>。作者可联系simon.meunier@centralesupelec.fr。 该政策研究工作论文系列传播正在进行中的研究成果，以鼓励关于发展问题的ideas交流。该系列的一个目标是迅速发布这些发现，即使展示尚未完全打磨成熟。这些论文标注有作者姓名，并应据此引用。本文中表达的观点、解释和结论完全是作者的意见。它们不一定代表国际复兴开发银行/世界银行及其附属组织的观点，也不代表世界银行执行董事会成员或他们所代表的政府的观点。 由研究支持团队制作 评估撒哈拉以南非洲地区未受管控的光伏水泵访问对地下水依赖生态系统构成的风险 GuillaumeZuffinetti1,2,SimonMeunier1,2,* 1UniversityéParis-Saclay,CentraleSupéc,CNRS,GeePs,Gif-sur-Yve e91192,法国 2SorbonneUniversityé,CNRS,GeePs,巴黎75252,法国 *对应作者电子邮件地址：simon.meunier@centralesupelec.fr 这篇论文与行星副总裁办公室发布的旗舰报告《气候变化背景下的地下水经济学：国家隐藏的财富》（2023年）有关 ，该报告由Water部门制作。报告由Aude-SophieRodella（首席经济学家，牵头）和EshaZaveri（联合首席经济学家 ，高级经济学家）领衔。 JEL代码：Q25，Q42。 关键词依赖地下水的生态系统，光伏水泵系统，层次分析过程，可持续地下水管理，撒哈拉以南非洲 1.Introduction 扩大电力和水资源的可及性是关键的发展优先事项，特别是在接入差距最明显的地区，例如撒哈拉以南非洲（SSA）。世界银行估计，目前SSA有6亿人缺乏电力接入，这在健康护理、教育、生产力、数字包容性和最终就业创造方面造成了重大障碍（IEA、IRENA、UNSD、WorldBank、WHO，2024）。这些障碍进一步受到清洁水资源缺乏的影响：SSA有4亿人缺乏安全管理的饮用水服务（UNICEF、WHO，2022）。光伏技术的进步已导致成本降低（Chandel等，2015；GlobalSolarAtlas，2024），这可能成为扩大接入的关键。多边发展伙伴如世界银行和非洲开发银行集团正合作致力于到2030年为至少3亿非洲人提供电力接入。大规模推广光伏能源还将促进灌溉用太阳能泵的扩展。 这在撒哈拉以南非洲地区前景可观，该地区灌溉用地占比不到5%，而使用地下水进行灌溉的土地占比不到7%（Rodella,Zaveri和Bertone,2023）。这也可能对依赖地下水生态系统（GDEs）产生影响，并可能导致过度开采，如果地下水资源的访问不受适当控制的话。这种情况在南亚和中东等地区已有充分记录（Lezzaik等，2018；Mukherjee,2018 ）。 there是越来越认识到这些自然干旱生态系统（GDEs）的重要性，从其社会经济价值到环境价值，包括碳储存等方面（Esteban和Dinar，2016；Mendonça等人，2017；Murray等人，2003，2006；Rohde等人，2024）。例如，Mendonça等人（2017）估计，主要由GDEs组成的永久性湖泊每年捕获约0.33亿吨的二氧化碳。2每年，相当于目前全球CO的1%左右2排放。 Guarani水网（GDEs）在支持撒哈拉以南非洲一些最脆弱人口的生计方面发挥着关键作用，如游牧民（Rohde等，2024）。GDEs的作用往往是间接的，例如，某些树种提供的水文提升作用。然而，GDEs并未在大规模范围内被一致地识别和测绘，尤其是在发展中国家。这一数据缺口非常重要，因为特别是在干旱地区，GDEs对地下水位的微小波动极为敏感，这可能危及它们的生存。 一个新的世界银行数据库记录了撒哈拉以南非洲地区的生长点（GrowthDomesticEnterprises,GDEs），展示了它们的多样性和对贫困人口的重要性（Rodella,ZaveriandBertone,2023）。该数据库通过广泛收集各种来源的信息，结合当地和学术知识编制而成，并识别出了四大主要地理类型中的超过200个生长点：内陆表面水体（包括河流、湖泊和湿地生态系统）；沿海和海洋生态系统（包括近岸海洋生态系统）；陆地泉水（包括靠近泉眼及其影响区的生态系统，包括绿洲）；以及陆地植被（包括稀疏植被生态系统和森林与木草原生态系统）。 这个数据集允许对直接影响和间接影响地下水的干预措施潜在影响进行新颖的分析。例如，通过抽水系统从含水层提取水资源可能导致过度开采地下水资源并减少地下水资源储存量，从而导致地下水资源向湿地、泉水、溪流/河流或沿海地区排水量的减少（McCallum等，2013）。此外，地下水资源储存量的下降会导致水表下降（Wada等，2010），使地表植被无法获取地下水（Barron等，2014）。 据作者所知，这是第一篇探讨光伏水利系统（PVWPS）扩展对地下水依赖地区（GDEs）潜在影响的研究论文。尽管已有若干文章研究了光伏水利系统在撒哈拉以南非洲不同地区的适用性（例如，Gebrezgabher等，2021；Schmitter等 ，2018；Soenen等，2021；Xie等，2021），但尚未有文章研究通过光伏水利系统不受控制地访问地下水对这些地区造成的风险。在撒哈拉以南非洲地区扩大浅层地下水灌溉的潜力无疑是存在的，并且有可能成为减少贫困、保障粮食安全和适应气候变化的关键因素（Rodella,Zaveri和Bertone,2023）。然而，分析旨在揭示无限制访问所带来的意外后果，并强调在扩大光伏抽水之前需要采取预防措施的重要性。 在本文中，我们使用层次分析法（AHP）来映射通过光伏抽水无限制扩展对撒哈拉以南非洲地区地下水开发（GDEs）造成的风险。具体而言，我们利用地下水、辐照度、人口和GDEs的数据评估过度开采的风险。第二部分详细说明了我们在分析中使用的数据集。第三部分概述了我们的方法论，随后在第四部分呈现并讨论结果。第五部分涵盖了我们研究的局限性，第六部分探讨了政策含义。第七部分总结了全文。 2.Data 用于本研究的数据集描述如表1所示。这些输入数据集具有不同的空间分辨率。对于论文后续部分，我们使用全球水平辐照度（GHI）图的空间分辨率，即0.2°（约22公里）。我们将此分辨率应用到所有输入数据集中，采用最近邻插值方法。关于地下水暴露类型的矢量文件在此相同分辨率下被栅格化处理。此外，我们使用2020年的辐照度数据。在图1中 ，我们绘制了2020年全球水平辐照度的年度平均值、静态水位、含水层渗透性、地下水资源储量、人口密度以及地下水可再生资源和地下水暴露类型在撒哈拉以南非洲地区的分布情况。 Data Description Unit Spatial 分辨率 时间分辨率和覆盖率 Yearof 释放 提供商 的类型 data 全球水平辐照度 (GHI) 水平接收的辐射 飞机从四面八方。 W/m2 0.2° ~22km 每个时间向量 location. 2005年至2020年的数据 30分钟的时间步长(一些缺少的数据点 2005年至2012年)。 2021 欧洲Commission, 2021 静态水level 钻孔中的水深 没有抽水。 m 0.0083° ~1km 2013 Fan等人，2 13 含水层 地下水的流速 水平穿过含水层 m2/day 英国 透射率 0.05° ~6km 2012 地质学 光栅测量(B 文件和 麦克唐纳, 2011; 麦克唐纳, nsor 地下水存储 含水层中的水量定义为水深 m 2012) 人口 密度 每平方居民人数公里 hab/km2 0.04° ~5km 时间上的依赖性不是provided. 2020 Centerfor国际 地球科学信息 网络，2018 Renewable地下水 资源 可再生地下水体积可以每年抽象 km3/yr 0.5° ~60km •内陆地表水 2022 世界银行 GDE类型 •陆地泉水•沿海和海洋生态系统 - - 形状File •陆地植被 表1-输入数据集。 图1-输入数据：年平均值□□□□□□□□□□□□对于2020年（a）静水位（b）含水层渗透率（c）地下水储存量（d）人口密度（e）可再生地下水资源（f）以及撒哈拉以南非洲地区的GDE类型（g）。 3.方法论 为了评估光伏抽水对地下水不受控制访问所导致的风险对GDEs的影响，我们使用了层次分析过程（AnalyticHierarchyProcess,AHP）。首先，我们确定哪些数据集会对所识别的风险产生影响。然后，我们将这些数据集进行归一化处理以便于比较。每个数据集将在1到5的范围内进行归一化，其中1表示导致过度开采风险最低的价值，5表示导致最高风险的价值。接着，我们在这两个极端值之间进行线性回归以确定其他值。之后，根据各自对过度开采风险的影响程度对这些数据集进行分类。最后，计算出应分配给各个数据集的权重。这使得我们可以将所有数据集的风险加权总和计算出来，从而得出整体的过度开采风险。 识别数据集 本步骤的目标是识别出对光伏发电系统（PVWPS）泵送的体积有重要影响的数据集，进而可能导致过度开发。 1.年平均GHI全球水平辐照度（GHI）的年度平均值越高，光伏模块产生的能量越多，从而增加抽水体积（Meunier等，2019），进而导致更高的过度开发风险。因此，最小的GHI值被分配为1（导致最低的过度开发风险），而最大的值被分配为5（最高的过度开发风险）。2。可再生地下水资源：当可再生地下水资源越不丰富时，过度开采的风险越大。因此，最高值的可再生地下水资源被分配为1，最低值被分配为5。3。地下水储存较低的储存量意味着含水层干涸的风险更高。因此，最高的地下水储存值被分配为1，最低的值被分配为5.4。人口密度：