Дефіцит прісної води – глобальна та невідворотна перспектива?

С. Рохманійко

Згідно з демографічними розрахунками, населення Землі досягне чисельності 8,5 млрд осіб до 2030 року, 9,7 млрд до 2050 р. та 11,2 млрд до 2100 р. Така кількість людей крім енергії та житла буде мати гостру потребу в безпосередньому питному водопостачанні та розвитку зрошуваного землеробства для вирощування продуктів харчування. Дорогоцінна вода, джерела здорової їжі та нинішній дефіцит придатних до інтенсивного використання орних земель – це найактуальніші глобальні проблеми, які необхідно терміново вирішувати

Нестача води викликає серйозні занепокоєння щодо сталого майбутнього людства та збереження важливих функцій локальних екосистем. Щоб задовольнити зростаючий глобальний попит на продукти харчування, не розширюючи оброблювані площі, сільському господарству доведеться запровадити зрошення на тих посівах, які наразі підживлюються лише природними осадами. Але це поки що можливо лише в тих місцях, де буде достатньо локальних запасів води для зрошення та можливостей по примусовому забезпеченню посушливих районів доступною водою.

Термін «сільськогосподарський економічний дефіцит води» визначає відсутність достатнього зрошення через обмежені інфраструктурні та економічні можливості замість власне гідрологічних обмежень. Місцеположення та потенціал продуктивності економічно дефіцитних водойм на сьогодні залишаються невідомими. Проте наразі на глобальному рівні провадяться дослідження та складається щомісячний агрогідрологічний аналіз для картографування сільськогосподарських регіонів, що мають економічний дефіцит води для сільського господарства.

Дані проміжкових результатів досліджень науковців із Департаменту екологічних наук, політики та управління Каліфорнійського університету в м. Берклі, Каліфорнія, США, Департаменту цивільної та екологічної інженерії Міланського політехнічного університету, Італія, Департаменту аналізу екологічної політики Інституту екологічних досліджень Вільного університету Амстердама, Нідерланди, щодо глобальних водних ресурсів, які можуть бути використані для подолання дефіциту питної та зрошувальної води, були нещодавно опубліковані в науковому журналі Science Advances, США.

За даними досліджень на маловодні регіони на загал припадає до 25% світових посівів, переважно в Африці на південь від Сахари, у Східній Європі (включно з Україною) та в Центральній Азії. Стале зрошення економічно дефіцитних водних площ може прогодувати додатково максимум 840 мільйонів людей, одночасно запобігаючи в подальшому посилення дефіциту т. з. «блакитної води» – прісної води у поверхневих та в не надто заглиблених підземних водоймах, доступних для використання людиною в якості питної води.

Світове зростання попиту на їжу вже чинить безпрецедентний тиск на земельні та водні ресурси нашої планети. Хоча людство навчилося підвищувати врожайність шляхом штучно виготовлених мінеральних добрив, саме вода є тим критично важливим фактором, що обмежує глобальне виробництво продуктів харчування. Щоб зупинити сільськогосподарську експансію (розширення площі орних земель), що має вочевидь руйнівний вплив на екологію, та задовольнити зростаючий попит на продовольчі товари, сільськогосподарське виробництво, швидше за все, доведеться повсюдно інтенсифікувати, розширивши зрошення обмежених водою земельних ділянок, які в даний час зрошуються лише атмосферними осадами.

У деяких регіонах світу розширення зрошення, ймовірно, спричинить додаткове навантаження на водні об’єкти та водоносні горизонти, які вже виснажені, що посилює занепокоєння щодо здатності Землі годувати людство в умовах обмеження доступу до прісноводних ресурсів. Просте збільшення площі орних земель не є вирішенням проблеми, адже за відсутності джерел штучного зрошення додаткові с/г площі будуть малопродуктивними, а відтак – економічно невиправданими.

Термінологія дефіциту прісної води

Дефіцит води означає дисбаланс між наявністю прісної води та попитом, коли попит на прісну воду перевищує можливості доступу до неї. Дефіцит води являє собою багатовимірний стан нестачі для людей, що характеризується відсутністю умов отримання доступної та безпечної води для задоволення суспільних потреб або стану, при якому ці потреби задовольняються за рахунок негативного екологічного впливу. Не зважаючи на те, що дефіцит води може торкнутися цілих країн та географічних регіонів, саме найбільш вразливі та бідні люди зазнають найсерйозніших наслідків. Цей факт вказує на потужну роль, яку відіграють саме економічні та інфраструктурні фактори, що визначають поняття дефіциту води. Тому нестача води, як правило, розглядається як з точки зору фізичних обмежень, так і з точки зору економічних факторів.

Поняття та визначення щодо економічного дефіциту води в сільському господарстві наведені нижче:

- Витрата води: загальний обсяг води, яка випаровується / використовується.
«Зелена вода»: волога у ґрунті в кореневій зоні, що доступна для засвоєння рослинами.
«Блакитна вода»: прісна вода у поверхневих та підземних водоймах, що доступна для використання та для безпосереднього вжитку людиною.
Дефіцит «зеленої води» (GWS): коли «зеленої води» недостатньо для підтримки неінтенсивного виробництва сільськогосподарських культур, і зрошення необхідне лише для підвищення врожайності. GWS можна визначити як співвідношення між потребою у зрошувальній воді та загальним коефіцієнтом потреби с/г культур у воді (Crop Water Requirement, CWR).
Зрошуване сільське господарство (стале – SI, та нестале – UI): коли є GWS, а врожайність у рослинництві збільшується шляхом збільшення витрат зрошувальної (блакитної) води.
Стале зрошення (Sustainable Irrigation, SI): Коли доступність до відновлюваної «блакитної води» є достатньою для підтримання рослинництва, одночасно запобігаючи негативному впливу на екологію та виснаженню запасів прісної води.
- Дефіцит «блакитної води» (BWS): коли зрошення не є сталим і стійким (Unsustainable Irrigation, UI), й доступність відновлюваної «блакитної води» є недостатньою для стійкої компенсації попиту води для агропотреб (CWR). У цих випадках зрошення погіршує екологічні умови та виснажує запаси прісної води. BWS було визначено як співвідношення між суспільною потребою у «блакитній воді» та доступністю відновлюваної «блакитної води».
Економічний дефіцит води в сільському господарстві (EWS): коли існує GWS, але немає BWS. Існує доступ до відновлюваної «блакитної води» для зрошення, але відсутні економічна спроможність чи інфраструктурний потенціал. Ті землі, де є економічний дефіцит води в сільському господарстві (EWS), є недостатньо ефективними, вони підживлюються дощами, та потенціально принаймні частково придатні для запровадження сталого зрошення.
Загальний дефіцит води (TWS): коли одночасно є GWS, BWS та відсутні економічні чи інфраструктурні можливості.
Дефіцит зрошення (DI): практика зрошення, коли запас «блакитної води» зменшується нижче максимального рівня, а сільськогосподарські культури вирощуються в ризикованих умовах та при помірній нестачі води з мінімальним впливом на підвищення врожайності.

На рис. 1 наведено діаграму світового дефіциту води у агросекторі (EWS). Відсотки демонструють частку загальної оброблюваної площі в кожній категорії, в тому числі ті, що мають дефіцит «зеленої води» (GWS). Затінення вказує на посівні ділянки, що постраждали від дефіциту «блакитної води» (BWS), які в принципі можна стало зрошувати (SI), але які наразі мають дефіцит зрошення (DI). Надалі ці ділянки за докладання певних зусиль можна буде рекласифікувати, як придатні для сталого зрошення (тобто без дефіциту «блакитної води» (NO BWS)), враховуючи різні сценарії дефіциту зрошення (DI). Відсутність зрошення в цих районах трактується як сільськогосподарський EWS.

Рис. 1. Глобальні масштаби економічного дефіциту води (EWS) у сільському господарстві

Розуміння того, як сільськогосподарський EWS впливає на водну та продовольчу безпеку в усьому світі дозволяє формувати оптимальну політику у галузі розвитку водопостачання та забезпечення сталої продовольчої безпеки у глобальному, регіональному, національному та місцевому масштабах.

Вплив на GWS та BWS

Інтегровані гідрографічні карти щодо розподілу зон із GWS, BWS та EWS на глобальних орних площах для 130 первинних культур (або майже для 100% світового виробництва рослинництва) на період 1996-2005 рр., складені з використанням щомісячних коригувань під дією кліматичних змін (рис. 2), демонструють нерівномірність розподілу водних ресурсів та наявність площ з дефіцитом води навіть у регіонах із розвиненою с/г інфраструктурою. На карті (рис. 2) показано глобальний розподіл сільськогосподарських GWS, BWS та EWS на глобальних посівах, а також орних земельних ділянках, яким не вистачає води щонайменше протягом 1 місяця на рік. Україна на них також виглядає не достатньо забезпеченою водою для подальшого розвитку свого агросектору.

Рис. 2. Географія світового дефіциту води на придатних до рослинництва землях

Рис. 3 показує, що 76% світових посівних площ (або 69% світового виробництва калорій продуктів харчування, що виробляються на землях, зрошуваних лише шляхом атмосферних осадів), стикаються з GWS принаймні 1 місяць на рік, а 42% відчувають GWS протягом 5 місяців на рік. Вплив дефіциту води сильно варіюється залежно від географічного розташування та місяця року (на рис. 3 – коефіцієнти нестачі у щомісячному вимірі; 1 – нестача протягом одного місяця).

Рис. 3. Щомісячні зміни сільськогосподарських GWS, BWS та EWS на глобальних посівах

Було підраховано, що поточне споживання «зеленої води» на посівах становить 5 406 км³ на рік. Щоб уникнути зменшення врожайності в умовах нестачі води в результаті GWS, глобальні посіви потребують додаткових 2 860 км³ на рік способом споживання «блакитної води». Тобто, це загальна потреба у зрошувальній воді без урахування обмежень, накладених для потреб моделі сталого розвитку.

В даний час 23% глобальних площ посівів зрошуються, споживаючи 1 083 км³ на рік саме ресурсів «блакитної води», яка власне може бути використана не для рослинництва, а в якості джерела питної води.

Наразі зрошення забезпечує 34% світового виробництва харчових калорій (розраховується як різниця між виробництвом на примусово зрошуваних площах та землях, що зрошуються природними атмосферними осадами) або 40%, якщо розглядати їх як загальний обсяг виробництва зі зрошуваних земель.

Основні зрошувані регіони США (Високі рівнини та Центральна долина Каліфорнії), Мексики, Іспанії, Північного Китаю, Австралії, Індії та Пакистану постійно стикаються з BWS протягом декількох місяців саме під час вегетації рослинних культур. У ці місяці потреби у воді для зрошування можна задовольнити лише за умови витратного (несталого) використання водних ресурсів.

Існує широка залежність виробництва харчових продуктів у зрошуваних регіонах, що страждають від BWS – а саме, 68% зрошуваних посівних площ у світі стикаються з BWS протягом 1 місяця на рік, а 37% відчувають BWS протягом 5 місяців на рік. Підраховано, що 22% світового виробництва харчових калорій піддається впливу BWS щонайменше протягом 1 місяця BWS у вегетаційному періоді, та що 56% (611 км3 на рік) загального обсягу штучно зрошуваних площ розташовано на ненадійно зрошуваних землях.

Також проаналізовано, що потенціал перетворення земель, що наразі страждають від BWS, на сталу модель іригації є дуже обмеженим. Лише 7% (0,01 млрд. Га) наявних орних земель може бути перетворено для сталого водовикористання, та відповідно 33% (0,05 млрд. Га) зрошуваних земель, уражених наразі BWS, можна зрошувати за умовно сталою чи несталою (UI) моделлю.

Вплив сільськогосподарського EWS

Наразі, з огляду на очевидні фактори від глобальної кліматичної зміни, залежність від несталого зрошування в поєднанні із зростаючою тривалістю посушливих періодів та значно довшими нестабільними періодами дощів викликають особливе занепокоєння щодо місцевої та глобальної продовольчої безпеки. Розширення зрошуваних площ та зменшення зон з відчутним EWS може стати важливою стратегією адаптації людства до зміни клімату, сприяючи більш надійному та стійкому виробництву продуктів рослинництва.

В даний час 2,23 мільярда людей, що відповідає 22% світового виробництва продуктів харчування (при рівні вживання 2,72×1015×365 ккал рік), покладаються виключно на нестійке використання «блакитних» водних ресурсів та використовують с/г землі, що мають дуже низьку продуктивність з огляду на нестачу води.

Зміни, які спроможні підвищити продуктивність орних земель можна застосувати приблизно до 15% (0,14 мільярда гектарів) світових посівних площ (див. рис. 1), проте в даний час 16% оброблюваних земель вже зрошуються неналежним чином. Враховуючи поточні типи сільськогосподарських культур в різних кліматичних зонах та сезони вегетації, розширення зрошення на ті землі, що постраждали від EWS, збільшило б глобальне споживання води для зрошення на 10% (+105 км³на рік), тим самим дозволяючи збільшити загальне виробництво калорій на 6%, чого було б достатньо для харчування ще 620 мільйонів людей. Оскільки с/г виробництво лише з дощовим зрошенням, як правило, дозволяє використовувати лише один вегетаційний період на рік, виявилося, що 43% (0,06 млрд. Га) площ стикаються із сільськогосподарськими EWS щонайменше 1 місяць впродовж сезону підживлення дощами, а 86% піддається впливу сільськогосподарських EWS протягом трьох місяців саме під час періоду вегетації.

За умови 20% дефіциту площ з EWS, зрошенням можна додатково розширити поняття сталого землекористування додатково до 5% світових посівних площ (+0,05 млрд. Га). Це розширення площ з умовно сталим зрошенням зможе нагодувати ще 160 млн. людей, одночасно збільшивши споживання води для зрошення на 50 км³ на рік. Застосовуючи підхід із 50% дефіцитом зрошення, додасться ще світових 5% посівних площ, на яких можна виробляти їжу для ще 60 мільйонів людей (з урахуванням зменшення продуктивності та врожайності на цих площах). Отже, за сценарієм дефіциту зрошення на 50%, використовуючи умовно стале зрошення (лише дощами), на додатково залучених зрошуваних землях можна збільшити виробництво продуктів харчування, щоб додатково прогодувати лише близько 840 мільйонів людей.

Водночас, до посівних площ, які вже зіштовхуються із загальним дефіцитом води (рис. 1), що наразі охоплюють від 28% до 38% світових посівів, заходи щодо розширення зрошення визнаються нежиттєздатними або навіть шкідливими (тобто вони сприятимуть виснаженню підземних вод або призведуть до погіршення екології), навіть за умов впровадження сценаріїв дефіцитного зрошення, що розглянуті вище. У цих сільськогосподарських регіонах слід оцінювати компроміси між можливістю збільшити виробництво продуктів харчування шляхом розширення зрошення, вартістю зрошувальної інфраструктури та сталого використання «блакитних» водних ресурсів.

Невтішні перспективи

Аналіз даних глобального гідрогеологічного дослідження стосовно перспектив збільшення інтенсивності зрошування для зростання світового виробництва продуктів харчування вимальовує дуже невтішні перспективи. Людство, чисельність якого буде зростати, не можна буде прогодувати лише за втілення заходів із відповідної іригації с/г землі. Також зростатиме дефіцит типу BWS, що стосується, в тому числі, дефіциту питної води.

Негативи підсилюються також тим фактором, що сільськогосподарський EWS, як правило, концентрується в країнах з низьким рівнем доходу та з великими розривами у врожайності на землях с/г призначення, здебільшого через неспроможність довгостроково інвестувати в зрошувальну інфраструктуру, необхідну для задоволення CWR, використовуючи існуючі відновлювані ресурси «блакитної води». Можливості розширення примусового зрошення помітно різняться залежно від країни. Отже, як власне і в регіонах із високим рівнем доходів, в посушливих бідних країнах насправді є менше сільськогосподарських площ, де розширення зрошення може бути використано для збільшення виробництва продуктів харчування.

Максимізація продуктивності рослинництва внаслідок розвитку зрошення на землях з EWS може збільшити загальне виробництво харчових калорій не більше ніж на третину. Така можливість стосується в світі всього 19 країн з низьким рівнем доходу. Близько половини від такого збільшення світового виробництва калорій, пов’язаного з розширенням зрошення на площах з EWS, могли б внести лише п’ять країн – а саме: Нігерія, Україна, РФ, Румунія та Казахстан (за рівнем внеску) – де є значні площі посівів, уражені сільськогосподарським EWS, але при недостатньому фінансуванні вони не зможуть подолати інфраструктурну неспроможність та вийти на рівень сталого чи умовно сталого розвитку свого агросектору.

Потенціал України для збільшення виробництва продовольства за даними цього дослідження оцінюється можливістю прогодувати додаткові 84-119 млн. людей. Вочевидь без залучення міжнародних програм фінансування таких масштабних іригаційних проектів обійтися буде неможливо.

Що можна вдіяти?

Модель сталого водокористування, в тому числі для с/г потреб, враховує негативи, які стосуватимуться локальної екології. Проекти, що стосуються обернення напрямку потоку води найбільших річок або використання водних ресурсів «на виснаження» – взагалі не варіант.

Тому для зменшення впливу сільськогосподарських культур на водне напруження важливо розглядати менш витратні та екологічно більш придатні «м'які» підходи. Ці підходи є рішеннями, заснованими на екологічності, що дозволяють забезпечити стійку інтенсифікацію сільського господарства лише в цільових районах, одночасно збільшуючи стійкість до кліматичних змін, мінімізуючи потреби в ресурсах та вплив на навколишнє середовище.

Наприклад, можна утримувати в ґрунті більше «зеленої води», зменшуючи випаровування ґрунту за допомогою відповідних недорогих варіантів управління землею та водою.

Контурна кладка каменю, застосування дренажних ям і терасування – це місцеві методи землеробства, які збільшують вологість ґрунту методом підвищення рівня інфільтрації та зменшення поверхневого стоку. Мульчування та спеціальна обробка землі не сільсько-господарчого призначення та орної землі, що наразі вилучена із продуктивного обороту, також можуть покращити інфільтрацію опадів у ґрунт та зменшити випаровування шляхом зниження температури ґрунту – через затінення та заліснення. Агролісомеліорація та агровольтаїка, поєднуючи сільське господарство з лісовим або сонячною генерацією, можуть зменшити вплив сонячних променів на посівах і, отже, зменшити швидкість випаровування, водночас збільшуючи продуктивну віддачу від землі. Заміна культур із значним споживанням води в період своєї вегетації на ті рослини, що потребують для вирощування менше води, також може зменшити GWS. Видалення бур’янів може ще більше зменшити непродуктивне споживання «зеленої води». Впровадження цих підходів може забезпечити достатню кількість дощової води для подолання періодичного GWS.

Однак для більш тривалого ефекту для усунення дефіциту «зеленої води» (GWS) та для підвищення продуктивності врожаю необхідна побудова зрошувальної інфраструктури.

З огляду на те, що «блакитна вода» водночас є джерелом питної води, дефіцит якої (BWS) зростає навіть швидше за нестачу продовольства, первинна увага має приділятися саме подоланню нестачі питної води.

Вже існують та знаходяться на етапі реалізації чимала кількість локальних та регіональних проєктів з водоочищення забруднених водних горизонтів та води з поверхневих водойм, які здійснюються з використанням ВДЕ. Цей досвід заслуговує якнайширшої популяризації.

Дуже перспективним вбачається видобуток води із атмосфери, існуючі технологічні розв’язання цієї проблеми є достатньо ефективними навіть у посушливих пустельних умовах. Вони також мають опиратися на використання ВДЕ.

Зменшити нестачу води для іригації може ширше застосування ГАЄС, які, працюючи для компенсації нерівномірної генерації з ВДЕ, можуть водночас збільшити потенціал регіонального зрошування. Проте слід визнати, що ці заходи є дуже залежними від локальних гідрогеологічних, екологічних та економіко-географічних умов.

Існують регіони, де для забезпечення питною водою та навіть такою, що її можна використовувати для зрошування площ з інтенсивним с/г виробництвом (тепличні комплекси та господарства із оптимізованим кліматом), дуже перспективними є проєкти з опріснення морської чи океанічної води. Наразі такі сценарії пов’язують з використанням надлишкової ВДЕ-генерації на оншорних та офшорних ВЕС, на масштабних СЕС, але особливі перспективи відкриваються із розвитком водневої енергетики.

За умов обмеженого потенціалу суходолу, для вирішення проблем харчового забезпечення людства має бути всіляко залучений потенціал світового океану.

Дефіцит прісної води (питної та для зрошування) – проблема, що потенційно може бути з часом подолана, але це потребуватиме гігантських зусиль у глобальному вимірі.

За публікаціями видання Science Advances, США

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!