Изменения в характере осадков за десятилетия и их последствия для управления водными ресурсами

Соседние Соединенные Штаты испытали явное увеличение экстремальных осадков, особенно на северо-востоке и Среднем Западе. Национальная оценка климата США документирует увеличение частоты экстремальных осадков на северо-востоке с начала 20-го века. И наоборот, юго-запад и части Межгорного Запада находятся в длительной мегазасухе, усугубляемой более теплыми температурами, которые увеличивают испарительный спрос. В бассейне реки Колорадо, который поставляет воду более чем 40 миллионам человек, наблюдалось снижение потока на 20% с 2000 года, снижение, вызванное прежде всего повышением температуры, а не отсутствием осадков. Это создает парадокс: атмосфера более жаждающая, вытягивая влагу из почв и водохранилищ, даже когда количество осадков близко к среднему.

Европа

Европа показывает резкий разрыв между севером и югом. Северная и центральная Европа стали более влажными, с увеличением зимних осадков и более высокой частотой экстремальных речных наводнений. Южная Европа, особенно Средиземноморский бассейн, стала более сухой и жаркой. Европейская засуха 2022 года, худшая за 500 лет, продемонстрировала уязвимость современных экономик к дефициту осадков. Сокращение речных потоков повлияло на выработку гидроэнергии, внутреннее судоходство (реки Рейна и Дуная) и сельскохозяйственное производство. Европейское агентство по окружающей среде предупреждает, что при сценарии потепления на 2 ° C засухи на юге могут стать ежегодным явлением, коренным образом изменяя доступность воды для орошения и туризма.

Азия

Азия, где проживает более 60% населения мира, находится на передовой линии изменения моделей осадков. Индийский летний муссон, который обеспечивает 70-80% годовых осадков субконтинента, стал более неустойчивым. В то время как общее среднее количество осадков не изменилось резко, распределение значительно изменилось. В сезон муссонов наблюдаются более длительные сухие периоды, перемежающиеся с интенсивными, кратковременными осадками, которые приводят к широко распространенному наводнению. Эта картина катастрофическая для сельского хозяйства, питаемого дождями. В Восточной Азии, включая Китай и Японию, исследования показывают сдвиг в сторону полюсов штормовых путей, что приводит к увеличению осадков в северных регионах и небольшой тенденции к высыханию в некоторых частях юга. Доклад МГЭИК AR6 Проекты, что азиатская система муссонов станет сильнее в целом, с более экстремальными осадками, увеличивая риск сложных событий наводнения в густонаселенных дельтах рек.

Африка

Африка характеризуется крайней гидрологической уязвимостью. Сахель, восстанавливающийся после сильных засух 1970-90-х годов, с 2000-х годов частично восстанавливается в результате осадков, но регион остается очень чувствительным к температурным режимам поверхности моря. Восточная Африка, наоборот, пережила многолетний цикл засухи, с последовательными неудачными сезонами дождей, которые привели к тому, что миллионы людей оказались в нестабильном положении. Южная Африка, по прогнозам, станет более сухой в большинстве климатических сценариев, угрожая гидроэнергетическим мощностям реки Замбези и сельскохозяйственной продукции Южноафриканского кукурузного пояса. Отсутствие плотных наблюдательных сетей во многих частях Африки затрудняет интерпретацию тенденций, но имеющиеся данные последовательно указывают на увеличение интенсивности осадков и более высокую межгодовую изменчивость.

Австралия и Океания

Юго-западная Австралия пережила одну из самых драматических долгосрочных тенденций высыхания любого населенного региона на Земле. С 1970-х годов зимние осадки на юго-западе сократились на 15-20%, сдвиг, связанный с миграцией на юг штормовых трасс средней широты. Это заставило город Перт вкладывать значительные средства в опреснение и управление подземными водами. Напротив, в северной Австралии наблюдалось увеличение муссонных осадков, особенно связанных с более интенсивными тропическими циклонами. Бассейн Мюррей-Дарлинг, продовольственная чаша страны, очень чувствителен к Эль-Ниньо-южному колебанию (ENSO), и последние засухи подчеркнули критическую потребность в надежных структурах распределения воды в климате повышенной изменчивости.

Последствия для управления водными ресурсами

Наблюдаемые и прогнозируемые изменения в характере осадков имеют прямые, далеко идущие последствия для каждого аспекта управления водными ресурсами. Старая парадигма проектирования инфраструктуры, основанная на предположении о стационарном климате, устарела. Менеджеры должны теперь действовать в реальности, где прошлое больше не является надежным руководством к будущему.

Планирование водоснабжения

Фундаментальной проблемой для водохозяйственных предприятий является обеспечение надежного снабжения в течение продолжительных сухих периодов при управлении избытком во время наводнений. Основным примером является уменьшение снежного покрова в горных районах ("Западная водонапорная башня"). Снежный покров действует как естественный резервуар, медленно высвобождая воду в течение весны и лета. При более высоких температурах больше осадков выпадает в виде дождя, а не снега, и снежный покров тает раньше. Это приводит к увеличению зимних речных потоков (и повышенному риску наводнений), но к сокращению летних потоков, когда спрос на ирригационные и муниципальные воды является самым высоким. Планирование водоснабжения должно перейти от статических расчетов урожайности к адаптивному, основанному на сценарии моделированию, которое включает в себя ряд возможных будущих климатических условий. Это требует инвестиций в новые источники снабжения (улавливание ливневых вод, повторное использование очищенных сточных вод, опреснение) и управление спросом на стороне для сокращения потребления на душу населения.

Проектирование инфраструктуры и устойчивость

Мосты, водопроводы, ливневые стоки и плотины обычно предназначены для обработки штормов определенного периода возврата (например, 100-летнего наводнения). По мере увеличения интенсивности осадков эти структуры становятся недоработанными. Стоимость модернизации существующих городских дренажных систем огромна, но стоимость бездействия - с точки зрения ущерба от наводнений для имущества и инфраструктуры - часто намного больше. Инженерные стандарты, такие как опубликованные Американским обществом гражданских инженеров (FLT: 1) (ASCE), все чаще включают факторы изменения климата для увеличения оценок осадков. Инфраструктура должна быть разработана не только для более крупных штормовых событий, но и для перехода к «серо-зеленым» гибридным системам, которые используют природные особенности (болотные угодья, зеленые крыши, проницаемые тротуары) для поглощения и медленного стока, уменьшая пиковые потоки, а также обеспечивая качество воды и экологические преимущества.

Сельскохозяйственная адаптация

На сельское хозяйство приходится около 70% мирового объема изъятия пресной воды. Изменение моделей осадков напрямую угрожает урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства. Увеличение частоты засушливых периодов и потеря предсказуемости в начале сезона дождей вынуждают фермеров принимать рискованные решения по посадке. Стратегии адаптации включают:

• Принятие засухоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур: Разведение и генетическая модификация для более глубоких корневых систем и повышение эффективности использования воды.
• Переход к точному орошения: Капельное орошение и датчики влажности почвы уменьшают количество отходов воды по сравнению с обычными системами наводнений или накладных спринклеров.
• Изменения в датах посадки и выборе урожая: Фермеры переходят на более короткие сезонные сорта, которые могут созревать до поздней сезонной засухи или перейти на альтернативные культуры, лучше подходящие для формирующегося климата.
• Улучшение управления состоянием почвы: Увеличение органического вещества почвы за счет обрезки покрова и безалкогольного земледелия повышает водосберегающую способность почвы, обеспечивая буфер против сухих заклинаний.

Экологическая консервация

Пресноводные экосистемы — реки, озера, водно-болотные угодья и устья — очень чувствительны к изменениям режимов стока. Сокращение низких потоков и увеличение импульсов наводнений нарушают жизненные циклы водных видов, изменяют температуру воды и изменяют цикличность питательных веществ. Управление водными ресурсами должно выходить за рамки простого выделения воды для использования человеком, чтобы явно резервировать экологические потоки для поддержания здоровья и функционирования экосистем. Это особенно сложно в бассейнах, где вода уже перераспределена. Изменение климата может заставить трудно перераспределить воду из сельскохозяйственных или городских применений в экологические потоки, чтобы предотвратить крах критических экосистем, таких как Эверглейдс во Флориде или терминальные озера бассейна Мюррей-Дарлинг.

Стратегии адаптации и устойчивости

Хотя проблемы, связанные с изменением моделей осадков, являются огромными, существует набор проверенных стратегий адаптации. Ключ заключается в том, чтобы претворять их в жизнь на опережение, а не ждать следующего кризиса.

Передовые прогнозирование и мониторинг

Инвестирование в усовершенствованные наблюдательные сети (колеи дождя, метеорологические радары, спутниковые оценки осадков) и гидрологические модели является основой адаптивного управления водными ресурсами. Подсезонное прогнозирование погоды (S2S), которое прогнозирует погодные условия за 2-6 недель, является быстро развивающимся полем, которое может значительно улучшить работу резервуара и принятие решений в сельском хозяйстве. Предупреждения о надвигающемся сухом периоде или длительном влажном периоде позволяют менеджерам предварительно выпускать воду для создания емкости для хранения наводнений или ограничивать ирригационные диверсии для сохранения запасов. Национальные метеорологические службы, включая Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) [FLT: 1], активно расширяют эти возможности.

Усовершенствованные системы хранения и распределения

Традиционное хранение в виде крупных поверхностных водохранилищ имеет высокие экологические и социальные издержки. Развивающиеся стратегии подчеркивают распределенное хранение и управление спросом. Управляемая подпитка водоносных горизонтов (MAR) включает в себя преднамеренное направление избыточной поверхностной воды в периоды высокого потока в подземные водоносные горизонты для хранения. Это позволяет избежать потерь испарения и использует обширную емкость хранения природных бассейнов подземных вод. MAR широко развертывается в Калифорнии, Аризоне и Австралии. Кроме того, сами системы распределения воды должны быть модернизированы для уменьшения утечки. Многие городские системы теряют 15-30% очищенной воды в утечках труб. Снижение этих потерь часто является самым дешевым и самым непосредственным источником нового водоснабжения.

Комплексное управление водными ресурсами (IWRM)

В МУВР обеспечивает всеобъемлющую основу для скоординированного управления водными ресурсами в различных секторах и заинтересованных сторонах. В нем признается, что водные ресурсы являются ограниченными и уязвимыми и что конкуренция между пользователями — сельским хозяйством, промышленностью, муниципалитетами и окружающей средой — должна управляться прозрачно и справедливо. В условиях климата, характеризующегося большей изменчивостью, МУВР подчеркивает гибкие права на воду и механизмы распределения, такие как рынки воды или приоритетное нормирование, которые могут быть активированы во время засухи. Он также требует активного участия заинтересованных сторон для формирования социального консенсуса вокруг иногда сложных компромиссов.

Политика и экономические инструменты

Эффективная адаптация требует поддержки политики и экономических сигналов. Цена воды для отражения ее полной стоимости (включая дефицит и экологические внешние эффекты) поощряет сохранение и инвестиции в эффективность. Политика, которая способствует эффективности использования воды в различных секторах, таких как строительные нормы, которые предписывают малопоточные приборы и стандарты эффективности орошения, является весьма эффективной. Важно отметить, что правительства должны пересмотреть законы, регулирующие права на воду и распределение. Во многих юрисдикциях правовые рамки основаны на исторических, стабильных условиях и плохо оснащены для обработки динамического перераспределения воды во время многолетних засух. Реализация планов чрезвычайных ситуаций в случае засухи с четкими триггерами и заранее согласованными действиями снижает необходимость принятия решений в чрезвычайных ситуациях, обусловленных кризисом.

Тематические исследования в адаптации

Калифорнийская гидрология Whiplash

Калифорния является примером проблемы гидрологической хлыстовой травмы. Штат пережил пятилетнюю экстремальную засуху с 2012-2016 годов, за которой последовала рекордная влажная зима в 2017 году, которая заполнила водохранилища и вызвала широкомасштабные наводнения, а затем еще одну сильную засуху в 2020-2022 годах, за которой последовал еще один потоп в 2023 году. Реакция штата была многогранной: Закон об устойчивом использовании подземных вод (SGMA) предписывает местные планы по приведению использования подземных вод в равновесие к 2040 году. Крупные инвестиции в хранение включают как поверхностные водохранилища (например, водохранилища), так и массовое расширение подпитки подземных вод с использованием избыточных потоков наводнений. Кроме того, передовые прогнозы из Института океанографии Скриппса ] На атмосферных речных событиях используется для оптимизации операций по борьбе с наводнениями и захвату воды в режиме реального времени. Урок Калифорнии заключается в том, что гибкий, разнообразный портфель инструментов хранения и управления необходим для выживания в условиях колебаний между засухой и наводнением.