Как изменение климата нарушает пополнение подземных вод

Подземные воды участвуют в питании водно-болотных угодий. Тьерри Зоккола/AFP

В то время как большая часть Франции находится в состоянии повышенной готовности из-за жары в среду, 25 июня, возникает вопрос о влиянии изменения климата на водный цикл, между изменением режима осадков и увеличением частоты экстремальных явлений (засухи и наводнения). Как обстоят дела с грунтовыми водами? Находящиеся в недрах земли, они не застрахованы от изменений, которые в первую очередь затрагивают атмосферу и поверхность Земли.

Поверхностные и грунтовые воды находятся в тесной взаимосвязи. Грунтовые воды взаимодействуют с поверхностью, от которой они в значительной степени зависят. Таким образом, грунтовые воды пополняются, с одной стороны, за счет естественного диффузного пополнения, обеспечиваемого дождями и таянием снега на почве, а с другой стороны, за счет непрямого естественного пополнения, обеспечиваемого локальным проникновением воды из рек или озер.

Независимо от процесса естественного пополнения, подземные воды в значительной степени зависят от климата. Во-первых, это происходит напрямую, через изменения климата в зависимости от водного баланса на поверхности Земли. Но также и косвенно, через измененияв объемах забора подземных вод, необходимых для различных видов водопользования, на которые влияет более теплый климат (в частности, орошение).

Таким образом, можно выделить прямые, которые мы наблюдаем, и косвенные эффекты, которые являются результатом нашей реакции на новую климатическую ситуацию. Исследовательский проект Explore2 недавно проанализировал последствия изменения климата для пополнения водоносных горизонтов в метрополии Франции и сделал ряд выводов.

Увеличение эвапотранспирации и интенсивности осадков

Климат и растительный покров в значительной степени контролируют осадки и эвапотранспирацию, в то время как почва и геология определяют, может ли избыток воды проникнуть в подземный водоносный слой или же стечет в реку.

В частности, будущее изменение уровня водозабора в первую очередь зависит от изменения количества и режима осадков.

Однако в будущем климате ожидается изменение распределения осадков в мире, со снижением количества осадков небольшой интенсивности и увеличением частоты сильных осадков, особенно в тропических регионах, где к 2050 году будет проживать более половины населения мира. Это явление будет сопровождаться более длительными и частыми засухами.

В условиях глобального потепления эвапотранспирация в целом имеет тенденцию к увеличению, что снижает количество воды в почве, доступной для проникновения и стока.

Все более неопределенное пополнение водоносных горизонтов.

Менее частые, но более обильные осадки могут улучшить пополнение подземных вод во многих полузасушливых и засушливых районах. Однако когда интенсивность дождей превышает способность почвы к инфильтрации, наблюдается увеличение стока и расхода рек. Эти контрастные изменения скорости пополнения водных ресурсов вызывают более или менее быстрые изменения уровня грунтовых вод в зависимости от скорости циркуляции подземных вод.

Риск наводнений в результате подъема уровня грунтовых вод связан с районами, где пополнение увеличивается, в то время как риск засухи угрожает районам, где пополнение уменьшается, что приводит к значительным изменениям гидрологического режима поверхностных вод (рек, озер, водно-болотных угодий и т. д.). Например, паводковые расходы рек уменьшаются в водосборных бассейнах, где уровень грунтовых вод снижается в ответ на уменьшение пополнения.

Помимо осадков, таяние ледников и снега в горах также часто вносит значительный вклад в пополнение горных водоносных горизонтов. Его будущее увеличение под воздействием потепления может повлиять на режим этого пополнения таким образом, который пока еще трудно проанализировать.

Отступление ледников сначала увеличивает объем талой воды до максимального уровня, известного как «пик воды», а затем, по мере дальнейшего отступления ледников, объем талой воды уменьшается. Сегодня примерно половина ледниковых водосборных бассейнов мира, по оценкам, превысила пик воды. В связи с этим в растущем числе ледниковых бассейнов ожидается сокращение пополнения горных водоносных горизонтов.

Воздействие на качество подземных вод

Много говорится о объемах воды и скорости пополнения, но изменение климата также влияет на качество подземных вод. Более интенсивные дожди и связанное с ними пополнение водных ресурсов могут вымывать загрязняющие вещества, ранее накопленные в почве.

С другой стороны, потепление может привести к увеличению концентрации растворенных веществ, таких как хлориды, нитраты или мышьяк, в почвах и поверхностных подземных водах в связи с увеличением эвапотранспирации и уменьшением инфильтрации и, следовательно, меньшим разбавлением.

Наконец, повышение температуры подземных вод, вызванное глобальным потеплением и локально городскими островами тепла, изменяет растворимость и концентрацию некоторых загрязняющих веществ в воде. Эти воздействия наблюдаются реже, но они вполне реальны, особенно в Средиземноморском регионе.

Кроме того, повышение уровня моря создает риск засоления почв и прибрежных водоносных горизонтов во всем мире. Это засоление зависит от многих факторов, таких как геология побережья, топография и, прежде всего, уровень грунтовых вод. Оно может быть особенно серьезным в низменных районах, таких как дельты, острова или атоллы, где существуют пресноводные линзы, особенно чувствительные к изменению климата.

Это что касается прямых последствий. Однако ученые считают, что воздействие изменения климата на подземные воды может быть более значительным на местном уровне в результате косвенных последствий, связанных с изменением климата.

Увеличение водозабора — косвенный эффект

Изменение климата может привести к увеличению водозабора из водоносных горизонтов фермерами для компенсации увеличения эвапотранспирации, связанного с потеплением, изменчивостью и уменьшением влажности почв или доступной поверхностной воды.

Увеличение объемов водозабора, в частности для орошения, приводит к хроническому снижению уровня воды, что угрожает устойчивому управлению водоносными горизонтами, стоку воды в соседние гидросистемы или поверхностные экосистемы, зависимые от подземных вод (водно-болотные угодья).

Орошение рисовых полей водой, закачиваемой из водоносного горизонта в Индии, полузасушливый климат. BRGM, представлено автором

Это повышенное давление может значительно изменить водный цикл, приведя к резким контрастам между:

• истощением подземных вод в регионах, где орошение в основном осуществляется за счет подземных вод;
• повышением уровня грунтовых вод в результате пополнения избыточных оросительных вод, поступающих из поверхностных вод, что может привести к заболачиванию и засолению почв;
• изменениями местного климата в результате усиления эвапотранспирации орошаемых земель.

Последствия для «потенциального пополнения» во Франции

Влияние изменения климата на скорость пополнения водоносных горизонтов в метрополии Франции было недавно проанализировано научным сообществом в рамках проекта Explore2.

Благодаря каскадному использованию климатических моделей в сочетании с гидрологическими моделями, исследователи смоделировали изменения потенциальной скорости пополнения водоносных горизонтов в соответствии с двумя сценариями изменения выбросов парниковых газов в атмосферу (средние или высокие выбросы).

Потенциальное пополнение определяется как доля эффективных осадков, которые могут проникнуть с поверхности и пополнить подземные водоносные горизонты, если они обладают благоприятными гидродинамическими характеристиками. Она называется потенциальной, поскольку ее поступление в водоносные горизонты не может быть известно заранее, и часть этого потока может вернуться в водотоки ниже по течению от зоны проникновения.

Различные регионы

Согласно этим исследованиям, потенциальное пополнение может увеличиться уже к середине века на 10–30 % в северной и северо-восточной частях Франции. В остальной части страны оно останется в целом стабильным — и это для обоих рассмотренных сценариев.

Кроме того, совокупное пополнение в зимний период увеличится почти на всей территории Франции, за исключением южной полосы и части Бретани. При сценарии высоких выбросов потенциальное годовое пополнение к концу века снизится на юго-западе, юго-востоке и Корсике на 10–30 %.

Период максимального пополнения запасов, кроме того, сдвинется на месяц с весны на зиму в Альпах и Пиренеях. Из-за повышения температуры осадки будут выпадать в основном в виде дождя, который быстро проникает в почву, а не в виде снега, который накапливает воду до периода таяния.

В случае сценария с высоким уровнем выбросов максимальное пополнение запасов воды осенью будет сдвинуто на месяц в сторону зимы в Средиземноморском регионе. В остальной части страны в исследованных прогнозах не было отмечено никаких значительных изменений.

BRGM, проект Explore2, предоставлено автором

Обнадеживающие, но неполные результаты

На первый взгляд эти результаты кажутся обнадеживающими, по крайней мере в северной части страны. Однако они учитывают толькопрямое воздействие изменения климата на пополнение запасов, связанное с потенциальным проникновением осадков.

Для большого числа водоносных горизонтов проникновениеводы из водотоков составляет значительную часть пополнения. Поэтому необходимо также учитывать будущее изменение стока водотоков, который в годовом исчислении, как ожидается, сократится в южной половине территории Франции.

Кроме того, в анализ должны быть включены косвенные воздействия для разработки будущей государственной политики, направленной на обеспечение устойчивого управления водоносными горизонтами на территории нашей страны, такие как возможное увеличение объемов водозабора для компенсации роста эвапотранспирации и изменения в землепользовании для адаптации к изменению климата.