вода

Проблемите с водата рядко са прости. В глобален мащаб водата е във фокуса на мощно многостранно предизвикателство. Търсенето както на потребителска, така и на неконсумативна употреба нараства, докато изменението на климата в същото време намалява наличността на някои места и увеличава риска от обилни валежи на много други. Чрез разнообразни механизми, които взаимодействат с природните процеси, човешките дейности оказват влияние не само върху количеството налична вода, но и върху нейното качество. Тук ние изследваме многостранните взаимодействия между водата, климата, енергията и храната чрез редица казуси, илюстриращи взаимосвързаната мрежа от конкуриращи се шофьори, изисквания и компромиси, които определят решенията на човечеството относно използването на водата. Нетният резултат от тази сложна комбинация от двигатели и процеси е, че проблемите с водата трябва да се разглеждат от гледна точка на системите. Въпреки че рамкирането на системи може да бъде обезсърчително, интегрираните подходи са от основно значение за идентифициране и оценка на вариантите за устойчиви решения.

Кристофър Б. Фийлд, сътрудник на Американската академия от 2010 г., е директор-основател на Катедрата за наука в Глобалната екология на Института Карнеги и професор Мелвин и Джоан Лейн за интердисциплинарни изследвания на околната среда в Станфордския университет. Той е и съпредседател на Работна група II на Междуправителствената група по изменението на климата. Неговите статии са публикувани в списания като „Наука и технологии за околната среда“, „Прегледи на възобновяеми и устойчиви енергийни източници“, „Трудове на Националната академия на науките“ и „Писма за изследване на околната среда“.

Анна М. Михалак е член на факултета в Катедрата за глобална екология в Института за наука Карнеги и доцент, с любезност, в Департамента по наука за земните системи в Станфордския университет. Тя е стипендиант на Леополд и е носител на Президентската награда за ранна кариера в областта на науката и инженерството. Нейни статии са публикувани в списания като The Proceedings of the National Academy of Sciences, Global Biogeochemical Cycles, Environmental Science & Technology и Journal of Geophysical Research.

Водата е неразделна част от живота на Земята. От съществено значение за оцеляването на хората, организмите и икономиките. Но въпросите около водните ресурси и управлението не се коренят във въпроса дали има достатъчно вода на нашата планета; по-скоро те се движат от състоянието на водата, която ни е на разположение. Водата солена ли е или прясна? Замразено ли е или течно? Чист ли е или замърсен? Тук ли е или другаде? Наличен ли е, когато е необходим, или пристига, когато е вреден? Ефективността на стратегиите за справяне с наличността, качеството и променливостта на водата е определящ фактор за устойчивостта на видовете, функциите на екосистемите, жизнеността на обществата и силата на икономиките.

Как можем да опишем водата на света? Водата на Земята може да бъде разделена на пет основни басейна на обща стойност 1,38 милиарда кубически километра. Водните пари в атмосферата са най-малкият басейн, съставлявайки по-малко от 0,001 процента от общото количество. 1 Езерата, реките и потоците задържат около 0,013 процента от земната вода, от които почти половината е под формата на солени езера. Подземните води съдържат около 1,7% от общото количество, но отново повече от половината от всички подпочвени води са солени. Ледените шапки и постоянният сняг - включително масивните континентални ледени покрива на Антарктида и Гренландия, алпийските ледници и сезонния сняг - съставляват още 1,7% от общия брой. Петият и най-големият басейн се състои от океаните със солена вода, съставляващи 96,5% от общия брой на Земята. Казано по друг начин, само около 2,5 процента от водата в света е прясна; останалата част е солена. Около половин милион кубически километра вода, или 0,036 процента от общото количество, се изпарява и пада като валежи всяка година. От това около 21 процента падат на сушата - повече от половината от които се изпарява директно обратно в атмосферата - докато останалата част се връща обратно в океаните.

Спрямо огромната сума, човешкото въздействие върху водите на Земята първоначално може да изглежда доста малко. Например общата вода в лед на сушата намалява с около триста кубически километра годишно в резултат на затопляне на температурите и промяна на модела на валежите2, а подпочвените води, които обслужват сухите и полузасушливите райони на света, намаляват с около сто петдесет кубически километра годишно в резултат на добив от хора. 3 Общият воден отпечатък от човешките дейности (цялата вода, използвана за култури, производство и битови цели) е от порядъка на седем хиляди и петстотин кубически километра годишно. 4

Но, както ще видим, ефектите от използването на водата ни са огромни. Голяма част от предизвикателството за разбиране и управление на водата произтича от факта, че тя е от основно значение за толкова много дейности. В резултат на това решенията за водата често ни казват повече за нашите приоритети, отколкото за общото количество налична вода. Много от компромисите при разпределянето на вода включват трима големи водопотребители: храна, енергия и околна среда. Свят с нарастваща човешка популация, процъфтяващи енергийни нужди, променящи се хранителни предпочитания и бързо променящ се глобален климат означава, че всичко за уравнението на водата е динамично. Резултатът е сложна мрежа от взаимовръзки с потенциално неочаквани рискове, но също така и с много точки за интелигентна намеса.

Промяната на разпределението на водата между басейните, съхранението на огромни количества вода или преместването на вода на дълги разстояния е възможно в мащаб, който е умерен спрямо общите суми, но това е от решаващо значение на местно ниво. Ограниченията са физически (както при големите влагания на енергия, необходими за обезсоляване), географски (много от логическите места за резервоари вече са използвани), финансови (изграждането и поддържането на инфраструктурата, необходима за управление на водата е скъпа), политически (никой иска да се откаже от правата на оскъдна вода без компенсация) и етични (какви употреби заслужават да бъдат приоритетни и как те са свързани с нуждите на околната среда?).

Концепциите за компромиси и цикли са основни за разбирането на връзките между вода, климат, храна и по-широката околна среда. За много видове употреба на вода разпределението за една употреба по същество означава по-малко вода за други цели. Потребителското използване за селското стопанство, промишлеността или градовете почти винаги включва компромиси, както и мандатите за потоците в потока за защита на екосистемите или риболова. Но дори консумативната употреба оставя общото количество глобална вода непроменено; истинският проблем е, че консумацията измества водата към различна част от хидрологичния цикъл: например от течност към пара, чиста до замърсена или прясна към солена. Изборът за управление на компромисите с вода включва повече от хидрология и икономика. Те включват ценности, етика и приоритети, еволюирали и вградени в обществата в продължение на хиляди години. Съпоставянето на хидрология, икономика и ценности е в основата на връзката вода-климат-храна-енергия-природа.

Водата и климатът са неразривно свързани. Климатът определя количеството, променливостта и вида на валежите; скоростта на изпаряване; и превръщането на водата в различните фази (сняг, лед, течност, пара). Климатът също така влияе върху това как водата се движи през сушата и водните тела и как се променя по време на пътуването. Изменението на климата променя всички тези процеси.

За някои процеси въздействието на последните и бъдещите климатични промени е ясно. За други сложността на климатичната система и несигурността на бъдещите човешки действия затрудняват откриването на минали промени и прогнозирането на бъдещи модели. В най-простия край на скалата, затоплящият се климат води до глобално увеличение на изпаренията, което от своя страна води до увеличаване на глобалните валежи. От другата страна на скалата е много по-трудно да се разбере как промените в температурите, облачността, честотата и интензивността на екстремни метеорологични събития и други аспекти на променящия се климат ще повлияят на способността ни да осигурим стабилен, обилен, и безопасно снабдяване с вода в контекста на нарастващото глобално население. Ще използваме два примера, за да илюстрираме сложните и многостранни взаимодействия между климата и наличността на вода: количеството вода и ролята на крайностите; и качеството на водата и връзките с еутрофикацията.

Пространствените модели и интензивността на валежите далеч не са еднородни и изменението на климата само увеличава тази променливост. Общият модел е, че влажните райони са склонни да получават повишени валежи, докато сухите райони са склонни да изсъхват, което води до повишени рискове както от влажни (наводнения), така и от сухи (суша) крайности. 5 Много части на света вече са преживели увеличаване на частта от всички валежи, които падат при най-тежките метеорологични явления (които са по-склонни да доведат до наводнения). 6 По-топлата атмосфера може да задържи повече влага, увеличавайки вероятността от условия, които отделят огромни количества валежи за кратък период от време. В резултат на това рисковете от наводнения могат да се увеличат, дори когато увеличеното изпаряване предизвиква водоснабдяването. В източните и средните западни щати, които са преживели увеличение с повече от 30 процента при силни валежи през последните петдесет години, мотивацията за разпознаване и подготовка за повишен риск от обилни валежи е ясна. 7 Една скорошна статия заключава, че 18 процента от умерените екстремни валежи над сушата (в допълнение към 75 процента от умерените екстремни горещини) са резултат от вече настъпилото глобално затопляне. 8

И обратното, тенденцията към изсушаване се усилва от увеличеното изпаряване, причинено от затопляне, отразяващо не само по-бързите загуби на влага от резервоарите, но и повишените нужди от вода за посевите и природните екосистеми. С затоплянето много райони ще бъдат изправени пред повишен риск от сериозен недостиг на вода, дори ако средните валежи не се променят.

Освен валежите, изменението на климата също променя глобалните модели на физическото състояние на водата. В повечето региони изменението на климата води до намаляване на снега и леда. В райони със зимни температури не много под нулата, дори умереното затопляне може да доведе до драстично намаляване на частта от валежите, които падат като сняг. Например, въпреки че рекордно ниският сняг на Калифорния през пролетта на 2015 г. отчасти е отражение на ниските валежи, това също е следствие от по-топли бури, които носят дъжд вместо сняг, намалявайки способността на планинските региони да съхраняват вода за по-сухи сезони. Топенето на алпийските ледници допълнително застрашава водоснабдяването, особено в части от Азия и Южна Америка, където размразяването води първоначално до увеличаване на речния поток и в крайна сметка до загуба на буфериране от година на година.

В световен мащаб темповете на топене надвишават темповете на образуване на нов лед. През последните две десетилетия топенето изпревари натрупването на лед, което доведе до нетни загуби на ледена маса в Гренландия, Антарктида и алпийските ледници. От 2005 до 2009 г. степента на загуба е около триста кубически километра годишно, което допринася за малко по-малко от един милиметър годишно за глобалното покачване на морското равнище. 9 Топенето на континентален лед има потенциала да причини големи количества морско равнище: например, количеството лед в Гренландия е достатъчно, за да повиши глобалното морско равнище с над седем метра; ледът на Антарктида представлява около седемдесет метра потенциално повишаване на морското равнище. И докато голяма част от Антарктида е твърде студена, за да бъде изложен на сериозен риск от топене, Западноантарктическият полуостров, представляващ близо пет метра потенциално покачване на морското равнище, не е така. Топенето на континентален и морски лед също усилва затоплянето, като замества бяла, отразяваща повърхност с тъмна повърхност, която поглъща голяма част от идващата слънчева светлина. Същият принцип обяснява защо стоите по-хладни в горещ ден, като носите бяла, а не черна риза. Цифрите са плашещи: през 2012 г. годишният минимум в арктическия морски лед е бил с около три милиона квадратни километра по-малко от средното за 1981–2010 г. 10

Въпреки че класическата наличност на водата се разглежда като количество, водата е полезна (използваема) само ако е с достатъчно качество по предназначение. И качеството на водата е от решаващо значение, независимо от предназначението й, независимо дали тя ще се използва от хората директно за консумация, отдих, поддържане на риболов и напояване, или от по-широката екосистема за подпомагане на водния живот, например. Този по-широк контекст на наличността на вода и качеството на водата е пряко свързан с промените в климата чрез въздействия върху метеорологичните условия, както се споменава по-горе.

Глобалната енергийна система разчита масово на водата, или като директен енергиен източник (хидроенергия), или за охлаждане (производство на електроенергия), напояване (биогорива) или добив (хидравлично разбиване). Над една трета от тегленето на сладка вода в САЩ се използват за охлаждане на термоелектрически генератори на енергия. Подготовката и използването на водата за подпомагане на производството на енергия - процес, който включва събиране, почистване, транспортиране, съхранение и обезвреждане - само по себе си включва огромни количества енергия. Тази взаимозависимост понякога се нарича водо-енергийна връзка. Интерфейсът между водата и енергията неизменно въвежда и редица дебати относно алтернативното използване на водата и въздействието върху наличността на водата (количество и качество). Използваме две казуси, за да илюстрираме някои от тези предизвикателства тук: алтернативни източници на енергия и традиционно производство на енергия. 13

Тъй като търсенето на енергия в световен мащаб продължава да расте и тъй като въздействието на климата на енергийните източници, базирани на изкопаеми горива, става несъстоятелно, все по-голям акцент се поставя върху възобновяемите енергийни източници. Тези източници на енергия с право се считат за по-устойчиви от енергията, която разчита на невъзобновяеми енергийни източници. Устойчивостта на специфичните технологии обаче трябва да се оценява в контекста на тяхната зависимост и въздействие върху водните ресурси.

Необходимостта от оценка на последиците от алтернативното производство на енергия за водата може би не е по-остра, отколкото в случая с биогоривата. Свикнали сме да мислим за енергийните нужди на нашите превозни средства като мили на галон, мярка за горивна ефективност. Единицата, спрямо която измерваме ефективността, е, разбира се, галон бензин. Но какво, ако това беше галон вода? Водните нужди на биогоривата на основата на царевица или на соя се превръщат в стойност на горивната ефективност по-малка от 0,1 мили на галон вода! По-голямата част от тази вода се използва за отглеждане на култури, а не за превръщането им в биогорива. В момента около 40% от реколтата от царевица в САЩ се използва за производство на етанол. 14 Когато етанолът се произвежда от царевично зърно, водният отпечатък е около двеста галона вода на галон етанол, по-голям от средното потребление на вода на човек от сто двадесет галона на ден. 15 В случай на производство, захранвано с дъжд, разходите за вода имат относително малко последици; но в случай на напоявано производство, нуждата от тежка вода неизбежно идва за сметка на други цели.

Високите нужди от вода, съчетани с несигурността, свързана с бъдещата наличност на вода поради промени в климата, сочат към необходимостта да се разгледат внимателно водните последици от алтернативния избор на енергия. Например, нуждите от вода за производството на вятърна и слънчева енергия са драстично по-ниски от тези на биогоривата и по-ниски дори от някои „традиционни“ енергийни източници.

В случая на биогоривата ролята на водата е ясна и интуитивна: културите се нуждаят от вода, за да растат. При хидроенергията ролята на водата също се разбира от само себе си. „Разходите“ за вода на други енергийни източници обаче са по-малко очевидни.

Растенията растат, като използват енергията от слънчевата светлина, за да превърнат въглеродния диоксид в атмосферата във въглехидрати и в крайна сметка повече растения. Но растенията на сушата не могат да поемат въглероден диоксид, без да губят вода. Пътят, по който въглеродният диоксид навлиза и излиза, е същият като пътя, по който водата се изпарява. Съотношението на загубата на вода към поглъщането на въглероден диоксид варира в зависимост от концентрацията на въглероден диоксид и атмосферната влажност, както и сред растителните видове. В повечето местообитания растенията губят петдесет до сто и петдесет галона вода чрез изпаряване - процес, наречен транспирация, когато водата идва от листа, - за да се получи един килограм ново растение. Този механизъм лежи в основата на огромен воден отпечатък за храна, чийто размер зависи не само от количеството вода, получена на единица растеж на растението, но и от частта от растението, консумирана като храна, или от количеството растение, необходимо за производството на всяка единица консуматив животински продукт.

Водният отпечатък на различни храни (Таблица 1) ограничава размера и устойчивостта на земеделското предприятие на всяко място. В регионите на селско стопанство, захранвано с дъжд, връзката между вложените води и продукцията на култури има ясна горна граница, определена от количеството растеж на растенията на единица отчетена вода. Много процеси могат да намалят добивите под тази граница: отток и дълбоко отводняване; процеси, които преместват водата от зоната, достъпна за корените на растенията; и ограничения от твърде много вода, лоши почви, неблагоприятни температури, вредители или други предизвикателства при управлението. Голяма част от историята на захранваното с дъжд земеделие може да се разбира като усилие за постоянно достигане на добивите до горната граница, зададена от наличността на вода.

Напояването може значително да увеличи добивите и предвидимостта от година на година. Около 33% от световните култури идват от приблизително 25% от обработваемите площи, които се напояват в целия свят. 18 В райони, които понякога са достатъчно влажни за земеделие, хранено с дъжд, напояването може да подобри наличието на вода през сухи периоди. Напояването може също да позволи разширяване на селското стопанство в области, които иначе са твърде сухи. Но напояването е жизнеспособно само ако има излишна вода за чешма. На местно ниво това може да означава подземни води, които се зареждат по време на влажни периоди; регионално, това може да означава снежна покривка, реки, потоци, езера и резервоари.

Водният отпечатък на производството на храни е узрял за подобрение. Подобряването на поливните практики или технологии може да бъде стабилно и рентабилно. Добивът на култури (по-високи добиви водят до по-ниски водни отпечатъци) и климатът също играят голяма роля за регионалните разлики във водния отпечатък. Намаляването на водния отпечатък от производството на храни чрез избор на култура или отглеждане също предлага възможности за печалби. Например, някои култури - особено царевица и захарна тръстика - имат механизъм за концентриране на въглероден диоксид, наречен C4 фотосинтеза, който им позволява да използват по-малко вода от повечето други култури. Развъждането на фотосинтеза С4 в култури като ориз и пшеница, като по този начин увеличава тяхната водна ефективност, е една от няколкото стратегии, предмет на активни изследвания. Водните отпечатъци за месо (особено говеждо месо), яйца и млечни продукти са няколко пъти по-големи от тези за култури, главно защото животните не са много ефективни при превръщането на растителните калории в животинска биомаса. В световен мащаб нарастващите предпочитания към богата на месо диета представляват един от най-големите двигатели на повишеното търсене на вода.

маса 1

Средно потребление на вода за производство на хранителни продукти

Хранителен продукт

Консумация на вода (gal/lb)