Взгляд на будущее водных ресурсов и последствия изменения климата

Материал из Бюллетеня МАГАТЭ

Как изменение климата может отразиться на состоянии мировых запасов воды через сто лет?

Благодаря разработанной МАГАТЭ изотопной модели водного баланса специалисты могут с достаточной точностью и надежностью прогнозировать воздействие изменения климата на водные ресурсы в далеком будущем. (Фото: Л. Торо/МАГАТЭ)

Как изменение климата может отразиться на состоянии мировых запасов воды через сто лет? Чтобы дать ответ на подобные вопросы, ученые прибегают к помощи научных моделей. Одной из них является разработанная МАГАТЭ изотопная модель водного баланса, благодаря которой специалисты могут с достаточной точностью и надежностью прогнозировать воздействие изменения климата на водные ресурсы в далеком будущем. Собранная ими информация может быть полезной для директивных органов при разработке стратегий устойчивого водопользования для будущих поколений.

Подобные модели основываются на имеющихся данных и применяются для изучения и осмысления гипотез, объектов и процессов, непосредственное наблюдение за которыми может быть затруднительно. Это относится и к предварительным расчетам, таким как прогноз погодных условий на ближайшую неделю или оценка показателей безработицы в течение следующих пяти лет. Хотя модель по сути является более общей и упрощенной картиной реального мира, каждая ее составляющая тщательно калибруется, чтобы обеспечить точное представление происходящих в реальности процессов.

Модели водного баланса описывают гидрологический цикл с точки зрения процессов выпадения атмосферных осадков, суммарного испарения, речного стока и изменения объема водных запасов. В отличие от многих традиционных моделей водного баланса, калибровка и верификация модели МАГАТЭ выполняется на основе данных об изотопах, так как изотопы характеризуются отчетливо выраженными свойствами и постоянством поведения. Опираясь на тщательно откалиброванную и верифицированную модель водного баланса, ученые могут получить точную оценку тех процессов, которые будут происходить в будущем, например, воздействие изменения климата на водные ресурсы через сто лет и более.

Точные долгосрочные прогнозы

«Для любой страны и климатической зоны важна точность долгосрочных исследований водных ресурсов, ведь пере- или недооценка доступных запасов воды в будущем может иметь негативные последствия», — говорит Десси Нидав Абтемариам, доцент Университета Аддис-Абебы (Эфиопия).

«Например, если мы неправильно спрогнозируем скорость восстановления запасов воды и, допустим, наша оценка окажется завышенной, то, попав в распоряжение директивных органов, эти результаты могут спровоцировать принятие решений, из-за которых истощение подземных вод будет происходить быстрее, чем их пополнение», — поясняет он. Подземные воды — то есть запасы воды в толще проницаемой породы ниже поверхности земли — являются для большей части населения Эфиопии основным источником питьевой воды. Как добавляет г‑н Абтемариам, «это приведет к резкому сокращению доступных запасов подземных вод, в результате чего некоторые скважины могут быть заброшены, и даже может возникнуть дефицит питьевой воды».

Недооценка запасов, с другой стороны, может подразумевать установление излишне строгих правил водопользования или влиять на решения по развитию территорий, например, сдерживать рост городов по причине недостаточности водных ресурсов.

По словам Триши Стаднюк, доцента кафедры гидротехники в Университете Манитобы (Канада), в контексте долгосрочных исследований с временным горизонтом в 100 лет и более получение точных результатов с помощью других моделей водного баланса всегда представляло значительную сложность. «Многие модели водного баланса очень хорошо воспроизводят сток воды в ручьях, реках и других водных объектах, но при этом дают очень плохое представление об объемах суммарного испарения, — уточняет она, говоря об испарении воды с поверхности суши, а также о ее возвращении в атмосферу в процессе дыхания растений. — Это серьезная проблема при составлении прогнозов об изменении климата, ведь суммарное испарение является одним из ключевых факторов».

По мере повышения температур вследствие изменения климата увеличивается и величина суммарного испарения. Соответственно, чем больше величина суммарного испарения, тем меньше воды остается на поверхности суши, и наоборот. Это, в свою очередь, влияет на весь годовой гидрологический цикл и может спровоцировать возникновение не поддающихся прогнозированию экстремальных условий, когда недостаток воды приводит к засухам, а ее переизбыток — к наводнениям.

От подобных изменений не застрахован ни один климатический регион. Так, например, они могут затрагивать климат такой страны, как Канада, где более 60% массива суши находится в условиях вечной мерзлоты — то есть замерзшего грунта — и где отчетливо выделяются четыре времени года, либо такой страны, как Эфиопия, где большая части территории находится в зоне тропического климата и на протяжении всего года держится более-менее постоянная температура.

Все эти разнообразные условия могут быть учтены путем корректировки модели, что делает ее применимой в глобальном масштабе. В настоящее время ученые из ряда стран сотрудничают с МАГАТЭ для прохождения обучения и получения поддержки в том, что касается применения разработанной Агентством изотопной модели водного баланса и других моделей для улучшения управления водными ресурсами. Например, в Эфиопии стартует рассчитанный на три года проект технического сотрудничества по изучению Верхнеавашского бассейна — крупного массива подземных вод, который служит источником питьевой воды для более чем 2,6 млн человек. Другие страны, такие как Канада, развертывают сети станций по отбору проб для изотопного анализа или уже завершили их создание. Благодаря данным сетям можно повысить точность моделирования с помощью таких инструментов, как модель МАГАТЭ.

Precise long-term predictions

For any country and climate, precision in these long-term water studies is important because an over or underestimation of future water supplies can have detrimental effects, said Dessie Nedaw Habtemariam, Associate Professor at Addis Ababa University in Ethiopia. 

“If we misestimate how fast water is replenished, for example, and our estimate is too high, and then communicate these results to the decision makers, they could implement policies that result in groundwater being extracted faster than it can be recharged,” Habtemariam said. Groundwater — water in the layer of permeable rock under the earth’s surface — is a primary source of fresh water for the majority of Ethiopia’s population. “This would lead to a sharp decline in available groundwater supplies, which could mean an abandonment of boreholes and may even lead to drinking water shortages.”

Underestimation, on the other hand, could lead to unnecessarily stringent water policies or influence development decisions, such as hampering urban expansion due to a lack of water resources.

For these long-term studies of over 100 years or more, getting accurate results using other water balance models has been a major challenge, said Tricia Stadnyk, Associate Professor of water resources engineering at the University of Manitoba in Canada. “Many water balance models do a very good job at simulating the flow of water in streams, rivers and other water bodies, but are very bad at getting the amount of evapotranspiration right,” she said, referring to the process of evaporation of water from land and the movement of water from plants to the atmosphere. “For climate change predictions, this is a huge problem because one of the big things we look at is evapotranspiration.”

As temperatures become more extreme due to climate change, the rate of evapotranspiration does too. The more evapotranspiration, the less water on the earth’s surface, and vice versa. This, in turn, influences the entire annual water cycle and can lead to unpredictable extremes that swing from too little water, causing drought, to too much water, causing floods.

No climate is immune to these changes.  They can affect a climate like Canada’s, where more than 60% of the land mass is some form of permafrost — frozen ground — and there are four distinct seasons, or one like Ethiopia’s, where much of the country is tropical and the temperature remains more or less constant throughout the year.

These diverse conditions can be captured by adjusting the model, which makes it globally applicable. Scientists from several countries are working with the IAEA to receive training and support in using the IAEA’s isotope-enabled water balance model and other models for improving water resource management. In Ethiopia, for example, a three-year technical cooperation project is being launched to study the upper Awash Basin — a large groundwater reservoir supplying fresh water to more than 2.6 million people. Other countries, like Canada, are setting up or have set up isotope sampling networks to improve accuracy when using models such as the IAEA’s.

This article was featured in the April 2019 Bulletin edition on Water.