Терминология для оценки потенциала депривации водных ресурсов

Для описания процессов антропогенного влияния на водные ресурсы в LCA используются термины, взятые из ISO 2014:

• Виды использования воды

  • забор воды (water withdrawal) - антропогенное изъятие воды из любого водного объекта или водосборного бассейна на постоянной или временной основе.

  • потребление воды / потребляющее использование (water consumption / consumptive use) - такой вид водопользования, при котором вода испаряется, входит в состав производимого продукта или сбрасывается в ином месте, нежели источник забора, то есть эта та часть забранной воды, которая становится недоступной для пользователей исходного водосборного бассейна.

  • деградация водных ресурсов / деградационное использование (water degradation / degradative use) - такой вид водопользования, при котором вода, которая была изъята, сброшена в том же самом месте, но с ухудшенным качеством. Данное понятие охватывает все формы загрязнения: органическое, неорганическое, тепловое и т. д. (ISO 2014).

• Источники воды

  • поверхностные воды

  • грунтовые воды

  • дождевые воды

  • сточные воды

  • морские воды

  • солоноватые воды (brackish water) - соленая вода с соленостью ниже, чем у морской

  • невозобновляемые подземные воды (fossil water)

• Доступность воды (water availability) - степень обеспеченности людей и экосистем водными ресурсами, достаточными для удовлетворения их потребностей. На доступность воды помимо физического наличия влияет также качество воды. Также под доступностью воды понимают возобновляемый объем воды, доступный в определенной области в определенный период времени, чаще всего ежегодно или ежемесячно в пределах водосборного бассейна (м³/год или м³/месяц).

• Дефицит воды (water scarcity) - степень, в которой спрос на воду соотносится с пополнением воды в определенной области, например, в водосборном бассейне, без учета качества воды.

• Водосборный бассейн (watershed, drainage basin) - площадь, с которой прямой поверхностный сток от осадков стекает самотеком в ручей или другой водоем. Основной водосборный бассейн принимается за эталонную географическую область при исследовании водных ресурсов.

Антропогенное воздействие на гидросферу и круговорот воды

Естественный круговорот воды меняется в результате антропогенных воздействий, диапазон которых очень широк:

• глобальные климатические изменения

• строительство плотин, дамб и ГЭС

• урбанизация

• забор воды для промышленного и сельскохозяйственного использования

Глобальные климатические изменения

Глобальное изменение климата влияет на каждый из компонентов гидросферы планеты и на все процессы происходящие в ней. Разные части гидросферы планеты связаны между собой круговоротом воды, который меняется из-за климатических изменений. 

Увеличение температуры воздуха приводит к усиленной эвапотранспирации и увеличению влагоемкости атмосферы. Испарение выше, а воздух может удерживать больше влаги. Соответственно, в засушливых местах наблюдается больше засух, а в других территориях наблюдаются экстремальные ливни в тех местах, где накопленная влага выпадет в осадок.

Кроме изменения объема выпадающих осадков, меняется и их сезонность, что в ряде регионов может приводить к тому, что осадки выпадают раньше, не запасаются в виде снега и льда и, соответственно, не пополняют реки в жаркие периоды.

Таяние ледников также сказывается на состоянии рек. В самом начале активного таяния ледников сток увеличивается, но по мере истощения ледника объем стока начинает снижаться. 

Усугубляет влияние климатических изменений механизмы самоусиления, которые ускоряют отклонение системы от равновесия. Например, рост температуры усиливает испарение, водяной пар, обладая мощным парниковым эффектом, ускоряет потепление. Таяние льда приводит к снижению альбедо, поверхность начинает поглощать больше солнечной энергии, что ускоряет дальнейшее таяние. 

Создание водохранилищ, дамб, плотин и ГЭС

Создание водохранилищ, плотин и дамб, в том числе для ГЭС, кардинально меняет гидрологический режим естественных водоемов, разделяя единую экосистему на два части - верхний и нижний бьефы, а также меняя тип экосистемы с речного на озерный. Также серьезно меняется динамика гидрологического режима, к которому адаптирована экосистема.

Схема устройства ГЭС. Источник

Основные механизмы воздействия на экосистемы в данном случае следующие:

• Изменение ландшафта и деформация речных бассейнов. Как в нижнем, так и в верхнем бьефе из-за изменений гидрологического режима, меняются и особенности ландшафта, увеличивается площадь водного зеркала верхнего бьефа,затапливается естественная наземная растительность. Ниже по течению река, наоборот, может пересыхать, что приводит к гибели гидробионтов, понижению уровня грунтовых вод и возникновению дефицита водных ресурсов.

• Фрагментация речного русла и влияние на видовой состав. Плотина работает как физический барьер для миграции как гидробионтов, так и многих наземных животных, что негативно влияет на жизнь малоподвижных придонных организмов, нерест рыбы, привычные пути миграции видов и генетическое разнообразие. Кроме того, прохождение через турбины тяжело травмирует рыб, что может приводить к гибели до 88% молоди рыбы, а явления кавитации -к гибели 75%-90% массы зоопланктона. Смертность гидробионтов при однократном прохождении турбины в среднем  значительно варьируется (со средним показателем в диапазоне от 17.5% до 26.7%) и зависит от величины перепада давлений, с которым сталкиваются рыбы при прохождении турбины, типов турбин, особенностей эксплуатации ГЭС, размеров и состояния самой рыбы. 

• Изменение твердого стока водоемов. Органический и минеральный осадок больше не распределяются равномерно по дну водоема, накапливаясь в водохранилище перед плотиной. Это приводит к эффекту hungry water, который заключается в том, что вода без осадочного материала, сбрасываемая из верхнего бьефа, но обладая высокой кинетической энергией, начинает интенсивно размывать русло ниже по течению. Такое изменение ландшафта может затронуть опоры мостов и прибрежные постройки. Кроме того, такие особенности дня негативно влияют на нерест многих видов рыб, которые ориентируются не только по потоку воды, но и по рельефу.  Дефицит органического осадка приводит к тому, что почвы ниже по течению истощаются, теряют плодородие и подвергаются дальнейшей эрозии.

• Изменение качества воды, термического и гидрохимического режимов. Водохранилища превращают проточную систему в стоячую, что приводит к множеству изменений:

  • температурная и кислородная стратификация (выраженное разделение слоев воды в водоеме) в водохранилище и заморные явления.

  • изменение газового состава воды. В верхнем бьефе водохранилище имеет тенденцию к снижению содержания кислорода, особенно в придонных слоях, а сброс воды в нижний бьеф может приводить в различным типам последствий. Если вода поступает из верхних слоев водохранилища, то при поступлении в нижний бьеф она перенасыщается

  • кислородом и азотом, и этот повышенный уровень растворенных газов сохраняется на десятках километров вниз по течению, что вызывает у рыб газопузырьковую болезнь. Если же в нижний бьеф попадает вода из гипоксичного придонного слоя, происходит повышение концентрации восстановленных соединений железа, метилртути, марганца и аммиака, которые активно образуются в анаэробных условиях, особенно в первые 8-10 после образования водохранилища.

  • эвтрофикация верхнего бьефа из-за повышенного накопления осадка и прогрева верхних слоев воды.

• Изменение углеродного баланса

В каждом конкретном случае работает разная комбинация факторов, так как гидротехнические сооружения различаются как техническими особенностями, так и условиями эксплуатации.

На сегодняшний день существует множество разработок и технологий для снижения негативного воздействия этого типа антропогенных воздействий: экологические коридоры для наземной фауны, рыбоходы и рыбоподъемники, fish-friendly турбины, переселение животных и пересадка растений из мест предполагаемого затопления.

В России в рамках Проекта ПРООН/ГЭФ–Минприроды России “Задачи сохранения биоразнообразия в политике и программах развития энергетического сектора России” выпущен Сборник инновационных решений по сохранению биоразнообразия для гидроэнергетического сектора, где собраны лучшие практики сокращения экологического воздействия по всему жизненному циклу гидроэнергетических сооружений, от проектирования до демонтажа.

Таким образом, искусственное изменение водных объектов приводит в том числе и к тому, что доступность водных ресурсов и их качество сокращаются.

Урбанизация

Урабнизация, прежде всего городское строительство, значительно влияют на круговорот воды за счет особенностей городской застройки: большие площади, непроницаемые для воды материалами.

В естественной среде меньшая часть осадков попадает напрямую в открытые водоемы, а большая часть просачивается в почву, пополняя грунтовые воды и те же открытые водоемы, но постепенно, без резких скачков уровня воды.

В городской среде намного меньше осадков впитывается в почву, так как основная часть через ливневые канализации попадает напрямую в открытые водоемы практически сразу, что приводит к резкому росту уровня воды, размытию берегов и затоплению окружающих территорий.

Кроме того, зачастую в городской среде русла рек искусственно выпрямлены, а сброс ливневых канализаций происходит за пределами города. Вода покидает водосборный бассейн, не пополняя местные запасы грунтовых вод, а экосистема начинает испытывать недостаток воды.

Таким образом, типичная организация городского пространства приводит сразу к двум проблемам:

• избыток воды во время осадков в открытых водоемах в городе и на территориях ниже по течению

• недостаток воды после выпадения осадков, так как водосборный бассейн на территории города слишком быстро отводит воду за пределы города.

Для решения этих проблем разрабатываются новые подходы к управлению ливневыми стоками в городах непосредственно в местах их образования: использование небольших водосборных сооружений, рассредоточенных по всему ландшафту.

Еще одной проблема, вызываемая урбанизацией - различные виды загрязнения воды в случае недостаточного ресурса очистных сооружений:

• повышение солености водоемов вокруг городов, в хозяйственной практике которых есть использование противогололедных реагентов

• загрязнение соединениями азота и фосфора

• загрязнение фармакологическими препаратами.

Забор воды

Помимо того, что пригодной для использования пресной воды на планете очень мало по сравнению с запасом воды в целом, эта пресная вода распределена неравномерно, поэтому разные регионы уже на старте находятся в неравных условиях. Помимо географического положения, доступность водных ресурсов определяется экономической активностью регионов и стран.

AQUASTAT, глобальная информационная система Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO) по водным ресурсам, выделяет 3 сектора, забирающих воду:

• сельское хозяйство

• промышленность

• коммунально-бытовой сектор.

Распределение забора воды по трем секторам по регионам и с целом по миру (2022). Источник

Для большинства регионов основной сектор, потребляющий воду - это сельское хозяйство, а основной источник пресной воды - поверхностные пресные воды.  В сельском хозяйстве  основная причина забора воды - орошаемое земледелие, на которое приходится свыше 90% мирового безвозвратного потребления. Безвозвратным его делает транспирация растениями и испарение с поверхности почвы, то есть вода испаряется и не возвращается обратно в локальный водосборный бассейн. Кроме того, наиболее распространенный (из-за дешевизны) способ орошения - поверхностный полив - также характеризуется высокими потерями на испарение.

Производство продовольствия очень водоемкий процесс. Физиологическая потребность человека в воде составляет 2-4 литра, но производство продуктов питания, особенно продуктов животного происхождения, требует значительного объема воды.

Среднемировой объем забора пресной воды на килограмм пищевой продукции. Источник

Промышленный сектор в большинстве стран занимает второе место по забору пресной воды, основная часть которой потребляется энергетическим сектором. Промышленность характеризуется высокими показателями возврата вод или повторным использованием забранной воды, но сбрасываемые стоки часто подвержены тепловому и химическому загрязнению, особенно в развивающихся странах и регионах со слабым экологическим контролем.

За период с 2015 по 2022 год среднемировая обеспеченность пресной водой на душу населения сократилась на 7%. Этот показатель маскирует значительные региональные диспропорции. Наиболее заметное сокращение доступных водных ресурсов на душу населения за наблюдаемый период продемонстрировали Африка к югу от Сахары (сокращение на 17%), Центральная Азия (на 12%), Северная Африка (на 12%) и Океания (на 9.8%). Во всех регионах, кроме последнего, проблема с доступностью пресной воды наблюдалась и до 2015 года, а за последние годы только усугубилась.

Для оценки дефицита водных ресурсов используется индикатор Фалькенмарк, который отражает количество доступной возобновляемой пресной воды на душу населения в год в конкретном регионе:

• 1700 м³ и менее - водный стресс (water stress). Регулярные перебои с водой, проблемы с урожайностью.

• 1000 м³ и менее - дефицит воды (water scarcity). Хроническая нехватка воды, вода становится тормозом экономического развития. 

• 500 м³ и менее - абсолютный дефицит воды (absolute water scarcity). Критическая угроза для жизни. Воды не хватает для базовой гигиены и пищевых нужд.

Индикатор Фалькенмарк измеряет демографическую нагрузку на водные ресурсы, так как привязан к численности населения. Его дополняет еще один показатель - уровень водного стресса (индикатор ЦУР 6.4.2).

Уровень водного стресса - отношение суммарного водозабора всех секторов экономики к имеющимся запасам пресной воды после учета потребностей в воде окружающей среды. В среднем по всему миру изымается 18% водных ресурсов, но опять же, забор воды распределяется между странами неравномерно. В ряде стран и регионов (страны Персидского залива, Северной Африки, отдельные речные бассейны в Индии) этот показатель превышает 100%, то есть воды извлекается больше, чем может предоставить имеющийся естественный сток. В этом случае наблюдается деградация наземных экосистем, понижение уровня грунтовых вод, снижение качества жизни человека, а также рост расходов на закупку воды или опреснение морской воды. Опреснение морской воды также требует мер по снижению экологического воздействия, так как прямой сброс остаточного рассола приводит к термическом и осмотическому шоку, гипоксии придонных экосистем, загрязнению реагентами, используемыми для опреснительных установок.

Уровень дефицита водных ресурсов по странам. Источник

В случае истощения запасов грунтовых вод дополнительной проблемой становится оседание и уплотнение грунта, что в ряде случаев делает невозможным восстановление этого источника даже в случае возобновления притока воды - ей попросту негде накапливаться.

Эффективность использования воды повышается, удельный забор пресной воды на душу населения снизился на 7%, но из-за роста численности населения позитивного эффекта на дефицит водных ресурсов не наблюдается.

Оценка воздействия водопользования на midpoint-уровне (подробнее про midpoing и endpoint показатели см. в материале про оценку воздействия жизненного цикла) обычно фокусируется на дефиците воды. Несмотря на то, что вода возобновляется, в конкретный момент времени доступно ограниченное количество воды, и разные пользователи (люди, экосистемы) должны делить этот ресурс или конкурировать за него.

Экологический механизм воздействия забора воды на экосферу. Источник Núñez et al. (2016)

На уровне endpoint оценивается потенциальный ущерб от этого дефицита для здоровья человека и качества экосистем.

Экологический механизм воздействия забора воды на человека.

Экологический механизм воздействия потребления воды приводит к дефициту воды у потребителей, что может иметь потенциальное влияние на здоровье человека в виде количества лет жизни, скорректированных по инвалидности (DALY).  Источник: Boulay et al. (2015)

Оценка потенциала депривации водных ресурсов в ОЖЦ развивалась, учитывая все больше факторов и увеличивая точность модели.

Релевантная оценка этой категории должна учитывать:

• вид использования воды. Например, забор воды с последующим возвратом в тот же бассейн воды того же качества нельзя приравнять к деградационному потреблению.

• объем запасов воды в регионе. Последствия любого вида использования воды будут разными для засушливых и богатых пресной водой регионов.

Методом, который учел наиболее важные аспекты, стал AWARE, разработанный в рамках UNEP-SETAC Life cycle Initiative рабочей группой WULCA (Water Use in Life Cycle Assessment). AWARE (Available Water Remaining) работает на уровне midpoint. Метод совместим со стандартом ISO 14046, что позволяет использовать его для оценки водного следа.

Этот метод стал результатом научного консенсуса, и был выбран из ряда других моделей как наиболее точный и корректный на данном этапе развития ОЖЦ.

Предшествующие методы использовали относительные показатели, отношение забора к ее доступности (withdrawal-to-availability, WTA) или отношение потребления к доступности (consumption-to-availability, CTA). Эти показатели не отражали абсолютную доступность воды на единицу площади, а в доступность воды не были “зашиты” аспекты качества водных ресурсов.

Старые методы фокусировались на том, какая доля доступной воды изымается, а AWARE фокусируется на том, сколько воды остается доступной для других пользователей после удовлетворения текущих потребностей человека и экосистем.

AWARE предназначен для оценки “голубой воды”, то есть воды, которая извлекается из водных объектов (реки, озера и водоносные горизонты). Это связано с тем, что ее изъятие напрямую влияет на доступность воды, состояние водоема и экосистемы конкретного речного бассейна. Голубая вода отделяется от “зеленой воды”. Оценка зеленой воды предполагается дальнейшим шагом в развитии ОЖЦ в виде еще одного показателя, связанного с категорией использования земли (Land Use).

Потребности в воде наземных и зависящих от грунтовых вод экосистем также не включены в оценку, поскольку связь между потреблением голубой воды и дефицитом воды в наземных экосистемах в настоящее время неясна, за исключением конкретных случаев, таких как понижение уровня грунтовых вод или состояние водно-болотных угодий.

AWARE и AWARE 2.0

WaterGAP

Основной источник данных для методов AWARE и AWARE 2.0 - глобальная гидрологическая модель WaterGAP (Water — Global Assessment and Prognosis). Модель предназначена для оценки состояния пресноводных ресурсов и анализа влияния человеческой деятельности на гидрологический цикл.

Структура и основные компоненты:

1. Глобальные модели водопользования (water use models) рассчитывают забор и потребление воды в 5 секторах экономики:

• сельское хозяйство

• домохозяйства

• промышленность

• энергетика

2. Глобальная гидрологическая модель для оценки естественных процессов перемещения воды, учитывает, сколько воды возвращается обратно в систему после использования.

Расчеты производятся на ежедневной основе для всей поверхности суши (за исключением Антарктиды), разделенной на сетку 0,5 × 0,5° (55 х 55 км на экваторе), что дает на выходе 67 420 ячеек суши. В WaterGAP 3 площадь ячейки сократилась до примерно 9х9 км на экваторе.

Этапы моделирования:

• Вертикальное перемещение - для каждой ячейки сетки рассчитываются объемы накопления и потерь влагив нескольких отсеках:

  • растительный покров

  • снежный покров

  • почва

  • грунтовые воды

• Горизонтальное перемещение - перемещение воды горизонтально между ячейками.

• Учет инфраструктуры (последняя версия модели содержит данные о 6553 водохранилищах и режимах их эксплуатации, данные более чем о 240 000 озер).

• Калибровка - результаты модели калибруются по данным 1319 измерительных станций (покрывающих 53.6% суши), чтобы минимизировать ошибки и привести расчетный сток в соответствие с реальными многолетними наблюдениями. Для тех ячеек, где нет достаточного количества многолетних наблюдений, используется аппроксимация значений.

Модель использует и учитывает большое количество данных об осадках и различных типах водосборных бассейнов, количестве солнечной радиации, приземных температурах, характеристиках почв и растительности, особенностях ирригации, базы данных по различным типам водоемов.

Расчет характеристических коэффициентов для WDP

В AWARE и обновленной версии AWARE 2.0 в качестве основного индикатора используется инвертированный AMD (availability-minus-demand), 1/AMD, то есть обратная величина разницы между доступностью и спросом на единицу площади.

Показатель основан на количестве оставшейся доступной воды на единицу площади в данном водосборном бассейне относительно среднемирового значения после удовлетворения потребностей человека и пресноводных экосистем.

AWARE основан на предположении, что потенциальная возможность лишить другого пользователя воды (которая в LCA оценивается как результат умножения показателей инвентаризации на характеристический коэффициент CF) прямо пропорциональна количеству потребляемой воды (запасам) и обратно пропорциональна оставшейся доступной воде на единицу площади и времени в регионе (водосборном бассейне).

Для бассейна i показатель \(\boldsymbol{AMD}\) рассчитывается следующим образом:

Для оценки потребности экосистем в воде используется метод VMF (Variable Monthly Flow) из работы (Pastor et al. 2014). Основной принцип метода заключается в том, что он оценивает естественную изменчивость речного стока, классифицируя каждый месяц года в зависимости от количества воды в реке (половодья, паводки и промежуточные месяцы) и назначая определенный процент стока для нужд окружающей среды.

Метод оценивает минимальные потребности в воде как долю доступного стока, которая необходима для поддержания пресноводных экосистем в условиях “удовлетворительного” (“fair”) состояния относительно стока без антропогенного воздействия, где “удовлетворительное” состояние обозначает экологическое состояние реки между плохим и хорошим. EWR для пресноводных экосистем в “удовлетворительном” состоянии колеблется от 30 до 60% от первозданного стока в зависимости от сезона. Предполагается, что такого объема воды достаточно для сохранения среды обитания пресноводных организмов и поддержания базовых функций речной экосистемы, при этом позволяя человеку забирать часть ресурса. Это состояние было выбрано в качестве эталона, так как оно отражает текущее состояние большинства водостоков мира, которые в той или иной степени изменены деятельностью человека. Использовать как референс “хорошее” состояние рек, к сожалению, нереалистично, а “плохое” - бессмысленно с точки зрения защиты окружающей среды, которая и является глобальной целью разработки метода.

Метод VMF был провалидирован на 11 речных бассейнах по всему миру, представляющих 5 основных типов водной среды обитания.

Соответственно, \(\boldsymbol{AMD}\) имеет единицу измерения \(\boldsymbol{\frac{м^3}{м^2\cdot{месяц}}}\). Поскольку этот коэффициент выражается относительно площади, обеспечивается сопоставимость по регионам.

Характеристические коэффициенты нормализуются (для ситуаций, когда спрос не превышает доступность):

Таким образом, CF безразмерны и лежат в диапазоне от 0.1 до 100. CF для региона является индикатором стресса и отражает степень, в которой потенциал депривации водных ресурсов отличается от среднемирового.

Это значение AWARE можно интерпретировать как эквивалент площади и времени, необходимых для генерации одного кубического метра неиспользованной воды в данном регионе относительно среднемирового значения.

Потенциал истощения водных ресурсов рассчитывается как произведение потребленной воды на характеристический коэффициент:

В 2025 году метод обновился, основные изменения касаются актуальности данных, точности пространственного моделирования и согласованности гидрологических расчетов. используются более свежие данные, обновленная версия гидрологической модели WaterGAP 2.2e. Также уточнены данные по водосборным бассейнам и потребностям техносферы и экосферы в воде.

В новом методе для более чем половины мирового водопотребления разница в CF превышает 10%, а в отдельных типах проблемных зон расхождения достигают двух порядков, поэтому для исследовательской работы полезно использовать последнюю версию.

Сравнение основных различий AWARE и AWARE 2.0