Как изменение климата повлияет на ресурсы подземных вод? Ключевой, но еще не до конца решенный вопрос

Почему важно понимать влияние изменения климата на подземные воды?

Подземные воды являются жизненно важным ресурсом для поддержания множества видов деятельности человека, включая ирригацию и обеспечение питьевой водой, а также необходимы для множества пресноводных экосистем. Это важнейший ресурс в засушливых регионах и в засушливые периоды во многих частях мира, когда поверхностные воды менее доступны. Спрос на подземные воды увеличился за последние десятилетия, что привело к истощению многих хранилищ подземных вод (называемых водоносными горизонтами) во всем мире.Ожидается, что это давление возрастет в будущем, поскольку общий спрос на пресную воду, по прогнозам, будет расти во всем мире. В то же время изменение климата, вероятно, снизит надежность наличия поверхностных вод, что может увеличить нагрузку на подземные воды.

Важным показателем для понимания будущей доступности подземных вод и устойчивого использования подземных вод является «пополнение запасов подземных вод». Упрощенно, он описывает, сколько воды из осадков попадет в водоносный горизонт. Знание этого имеет ключевое значение, потому что только тогда, когда объем воды, выкачиваемой из водоносного горизонта, меньше или равен количеству поступающей воды (пополнения), мы можем обеспечить устойчивое использование.

Однако у нас пока мало информации о пополнении запасов подземных вод и еще меньше о том, как изменение климата и различные уровни глобального потепления могут повлиять на пополнение запасов подземных вод в будущем и, следовательно, на их доступность в различных частях мира. Ниже описаны исследования, которые мы провели в сотрудничестве с другими признанными мировыми экспертами по моделированию, расширяя границы знаний о подземных водах, опираясь на коллективные усилия, разработанные в рамках ISIMIP.

Пополнение запасов подземных вод сложно исследовать

Пополнение запасов подземных вод трудно оценить. Это зависит от нескольких переменных, включая топографию, почвы, растительный покров, землепользование, содержание CO в атмосфере.₂ уровни и местная геология. Те регионы, где постоянно выпадает большое количество осадков, с относительно ровной топографией, пористыми почвами и геологией, а также покровом естественной растительности, вероятно, будут иметь более высокую способность пополнения запасов подземных вод, чем сильно урбанизированные и крутые районы.

Пока еще имеется ограниченное понимание пространственных и временных факторов, влияющих на пополнение запасов подземных вод в глобальном масштабе. Пополнение подземных вод аккумулирует все неопределенности от многих других компонентов круговорота воды.Это означает, что пополнение подземных вод зависит от того, сколько дождей будет идти в будущем, с какой частотой, какая часть будет испаряться, какая часть будет преобразована в сток и как связаны потоки поверхностных и подземных вод. Дополнительная проблема заключается в том, что полевые измерения пополнения запасов подземных вод проводятся редко. В частности, не хватает длинных временных рядов наблюдений, что не позволяет ученым сопоставить, насколько моделирование соответствует реальным наблюдениям. Эти неопределенности и недостатки особенно остро ощущаются в засушливых и полузасушливых регионах, где подземные воды также являются наиболее важным водным ресурсом.

Как мы исследовали влияние изменения климата на пополнение запасов подземных вод?

Чтобы смоделировать влияние изменения климата на доступность подземных вод в будущем, мы сравнили текущую (на 1°C теплее, чем доиндустриальная) и прошлую (доиндустриальную) скорость пополнения подземных вод с пополнением в соответствии с тремя различными сценариями глобального потепления: +1,5°, + 2° и +3°С.

Мы исследовали воздействие изменения климата на будущие подземные воды с двух точек зрения. Во-первых, путем изучения того, как будущие выбросы парниковых газов могут повлиять на климатические переменные, такие как будущие осадки и температура, и как такие физические изменения могут повлиять на пополнение запасов подземных вод. Во-вторых, путем анализа того, как будущие выбросы повлияют на физиологию растений и последствия таких изменений для пополнения запасов подземных вод. Гипотеза здесь состоит в том, что с увеличением CO₂ выбросы, наземные растения работают более эффективно, что снижает интенсивность их транспирации; таким образом, меньше воды поглощается растениями через их корни и больше воды для подпитки водоносных горизонтов. Будь то СО₂ Воздействие на растительность, вероятно, окажет значительное влияние на пополнение запасов подземных вод — это то, на что направлено данное исследование.

Мы использовали восемь современных глобальных гидрологических моделей для исследования питания подземных вод, а именно: WaterGAP2, CLM4.5, H08, JULES-W1, LPJmL, PCR-GLOBWB, CWatM и MATSIRO.Эти модели представляют пополнение подземных вод различными способами и с разным уровнем сложности.

Для оценки последствий глобального потепления по трем глобальным сценариям (+1,5°, +2° и +3°C) каждая из восьми моделей была дополнена четырьмя климатическими моделями: GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES, IPSL-CM5A- LR и MIROC5. Мы применили статистический тест (подробное объяснение см. в разделе 2.5 в Reinecke et al. (2021)), чтобы определить, являются ли существенными изменения в питании подземных вод между текущим (и прошлым) климатом и сценариями будущего глобального потепления. С помощью этого теста мы можем выделить регионы, где согласование между гидрологическими моделями наиболее высокое, и исключить области, где согласование между моделями низкое.

Что мы нашли?

По сравнению с сегодняшним потеплением уже на 1 °C, среднее значение различных комбинаций при глобальном потеплении на 3 °C показывает уменьшение пополнения запасов более чем на 100 мм в год в различных регионах Южной Америки и в бассейне Миссисипи, а также снижение до 50 мм в год. мм в год в Средиземноморье, Восточном Китае и Западной Африке. Другие регионы, такие как Индонезия и Восточная Африка, показывают среднее увеличение до 100 мм в год. Однако, как показано на рисунке 1, отдельные модели иногда рассчитывают гораздо большие изменения для этих регионов.

Изменение питания подземных вод при различных сценариях глобального потепления

Потепление выше доиндустриальных температур:

Показать &nbsp средние значения по стране для всех ячеек сетки, статистически значимых ячеек сетки

На этом рисунке показано усредненное увеличение/уменьшение пополнения запасов подземных вод при различных сценариях глобального потепления и по отношению к доиндустриальному периоду. При активации кнопки статистической значимости ячеек сетки отображаются только те области, где подавляющее большинство проекций модели согласуется со знаком тренда (увеличением или уменьшением). Представление по умолчанию сравнило изменение между текущим потеплением на 1 °C и сценариями глобального потепления на +3 °C.

Рис. 1 / Адаптировано из Reinecke et al. (2021)

Если рассматривать только статистически значимые изменения для всех уровней глобального потепления по сравнению с сегодняшним днем, то выявляются устойчивые закономерности уменьшения пополнения запасов подземных вод для юга Чили, Бразилии, центральной части континентальной части США, Средиземноморья и Восточного Китая. Наоборот, для северной Европы и в целом для северных широт и Восточной Африки можно наблюдать устойчивый и статистически значимый рост. Статистически значимые изменения можно было получить только для небольшого процента от общей площади суши. Только около 15% континентальной площади в среднем для всех уровней глобального потепления демонстрируют статистически значимое увеличение или уменьшение. Однако закономерности незначительных средних изменений согласуются со значительными изменениями и показывают, например, для Амазонки более обширные области увеличения и уменьшения вокруг статистически значимых изменений.

Ограничения и пробелы в знаниях

Полевые измерения пополнения подземных вод сложны и скудны

Местные измерения пополнения запасов подземных вод ограничены, поскольку их трудно получить. Обычно для получения оценки необходимо объединить несколько косвенных средств; например, изменения уровня грунтовых вод в сочетании с измерениями осадков и оценками эвапотранспирации могут использоваться для вывода о скорости пополнения грунтовых вод. Таким образом, неопределенность в этих измерениях также высока. Ограниченное количество измерений и связанная с ним неопределенность затрудняют проверку моделирования модели.

Связанная с этим проблема заключается в том, что измерения перезарядки являются локальными. Сравнивать эти локальные измерения с глобальными, пространственно грубыми выходными данными модели сложно. Результаты нашего исследования сравнивались с глобальным набором данных, который был экстраполирован на основе существующих локальных измерений. Согласие с выходными данными модели в значительной степени различается между моделями, что свидетельствует о необходимости дальнейших исследований.Это исследование должно (1) улучшить имеющиеся наблюдения за пополнением запасов подземных вод, которые затем (2) можно использовать для лучшей оценки и улучшения существующих моделей.

Пополнение запасов подземных вод — весьма неопределенный процесс

Оценка пополнения запасов подземных вод является сложной задачей, поскольку накапливаются неопределенности, связанные с расчетом водного баланса. Как объяснялось ранее, изменения, например, в осадках, стоке или эвапотранспирации могут влиять на пополнение запасов подземных вод и сопровождаться неопределенностью. В частности, в засушливых регионах с малым количеством осадков это может привести к значительным ошибкам, поскольку минимальные изменения количества осадков могут уже привести к большим изменениям пополнения. Это ограничивает надежность исследований влияния климата на пополнение запасов подземных вод.

Поскольку пополнение подземных вод представляет собой сложный процесс, включающий различные притоки и оттоки, сильно меняющиеся в пространстве и времени, большинство гидрологических моделей, особенно глобальные, не могут отразить всю присущую им сложность и, таким образом, включают в свои процедуры упрощенные процессы.

Два процесса были исключены из этого исследования, потому что только некоторые модели реализуют их или упрощают настолько, что нельзя ожидать надежной оценки:

1. Целенаправленная перезарядка, представляющий собой водный поток, перетекающий из поверхностных водоемов (рек, озер, водно-болотных угодий) в подземные воды.
2. Капиллярный подъем течение, противоположное питанию грунтовых вод, возникающее в районах с очень неглубоким залеганием грунтовых вод (менее 3 м). Подобно соломинке для питья в вашем любимом напитке, где вода поднимается внутри соломинки на несколько миллиметров выше уровня самого напитка (действующие силы называются адгезией, сцеплением и поверхностным натяжением), грунтовые воды поднимаются сквозь почву. Затем к нему могут получить доступ растения через свои корни.

Ограниченное понимание воздействия повышения уровня CO₂ уровни пополнения подземных вод

Изменение климата может по-разному влиять на пополнение запасов подземных вод либо за счет изменений климатических переменных, таких как повышение температуры, количество и распределение осадков, либо за счет физиологических изменений растений, вызванных повышением содержания CO.₂ выбросы. Ученые показали, что некоторые растения приспосабливаются к более высоким концентрациям атмосферного CO.₂ путем закрытия их стомы как средства регулирования поступления CO₂ и выход водяного пара обратно в атмосферу. Физиологическая адаптация некоторых растений приводит к тому, что транспирируется меньше воды, а это означает, что растения могут стать более эффективными, потребляя меньше воды (меньше транспирации), тем самым делая больше воды доступной для подпитки грунтовых вод. Степень, в которой эта адаптация оказывает реальное влияние на пополнение запасов подземных вод, пока неясна. Среди восьми моделей, используемых в этом исследовании, только четыре способны учитывать такой эффект (CLM 4.5, JULES-W1, LPJmL и MATSIRO). Наше исследование показывает, что различия между моделями, учитывающими этот эффект, и моделями, не учитывающими его, существенны.

Благодарности

Эта статья была написана в сотрудничестве с редакцией ISIpedia.

Контакт

Пожалуйста, свяжитесь с редакцией ISIpedia (isipedia.editorial.team@pik-potsdam.de) для получения дополнительной информации или вопросов об этом отчете.

использованная литература

Райнеке, Роберт, Ханнес Мюллер Шмид, Тим Траутманн, Лорен Сиби Андерсен, Петер Бурек, Мартина Флёрке, Саймон Н. Гослинг и др. 2021. «Неопределенность смоделированного пополнения запасов подземных вод при различных уровнях глобального потепления: многомодельное ансамблевое исследование глобального масштаба». Гидрология и науки о системе Земли 25 (2): 787–810.

Изображение на обложке: Ilka Franz 1 Международный центр водных ресурсов и глобальных изменений (ЮНЕСКО), 56002 Кобленц, Германия

2 Институт физической географии, Франкфуртский университет им. Гёте, 60438 Франкфурт, Германия

3 Центр исследования биоразнообразия и климата Зенкенберга Лейбница (SBiK-F) Франкфурт, 60325 Франкфурт, Германия

• Финансирование:
• ISIpedia размещается в Потсдамском институте исследований воздействия климата. ISIpedia является частью ERA4CS, сети ERA-NET, инициированной JPI Climate при совместном финансировании Европейского Союза (грант 690462) и национальных финансовых агентств Германии (DLR, 01LS1711A), Австрии (BMBWF, 863603), Франции (ANR) , Нидерланды (NWO), Испания (MINECO) и Швеция (FORMAS).