Effects of climate change on coastal fresh groundwater resources Priyantha Ranjana, So Kazamaa, and Masaki Sawamotob a Graduate School of Environmental Studies, Tohoku University, Aoba yama 06, Sendai 980-8579, Japan Department of Civil Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Aoba yama 06, Sendai, 980-8579, Japan b Biến đổi môi trường toàn cầu 16 (2006) 388-399, ScienceDirect, Elsevier, www.elsevier/locate/ploenvcha Ảnh hưởng biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước ngầm ven biển Priyantha Ranjana,, So Kazamaa, Masaki Sawamotob, a Graduate School of Environmental Studies, Tohoku University, Aoba Yama 06, Sendai 980-8.579, Japan Department Civil Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Aoba Yama 06, Sendai, 980-8.579, Japan b Tóm tắt Nghiên cứu nhằm đánh giá tác động biến đổi khí hậu tài nguyên nước ngầm bị xâm nhập mặn tầng chứa nước ngầm ven biển Đánh giá dựa mơ hình khí hậu Hadley Centre, HadCM3, với kịch phát thải cao thấp (SRES A2 B2) cho giai đoạn năm 20002099 Trong hai kịch bản, nguồn tài nguyên nước ngầm bị thiệt hại hàng năm cho thấy xu hướng ngày tăng thiếu hụt nước tất vùng nghiên cứu, ngoại trừ khu vực phía bắc châu Phi/Sahara Chúng tơi nhận thấy rằng, đơn lượng mưa nhiệt độ mối tương quan cao với giảm sút nguồn nước ngầm Tuy nhiên, mối quan hệ số khơ hạn nước ngầm lại có mối tương quan nghịch chặt chẽ Chúng thảo luận tác động giảm sút tài nguyên nước ngầm với hoạt động kinh tế-xã hội, chủ yếu tăng trưởng dân số bình quân tài nguyên nước ngầm đầu người Từ khố: Biến đổi khí hậu; Tài nguyên nước ngầm; Tầng chứa nước; Xâm nhập mặn; Suy giảm nước Giới thiệu Nồng độ CO2 khí liên tục tăng kể từ năm 1950 Việc tiếp tục gia tăng CO2 khí dẫn đến làm thay đổi đáng kể đặc điểm khí hậu tồn cầu địa phương, bao gồm nhiệt độ lượng mưa Biến đổi khí hậu có ảnh hưởng sâu sắc đến vịng tuần hồn nước thơng qua lượng mưa, bốc nước độ ẩm đất nhiệt độ ngày tăng Vịng tuần hồn nước tăng cường lượng nước bốc lượng mưa ngày gia tăng Tuy nhiên, gia tăng lượng mưa cũng đồng thời làm tăng phân bố khơng đồng tồn cầu Ở số vùng thế, giới lượng mưa giảm Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved đi đáng kể, có thay đổi lớn thời gian mùa mưa mùa khô (IPCC, 2001) Do thông tin tác động biến đổi khí hậu địa phương khu vực trình thuỷ văn tài nguyên nước ngày trở nên quan trọng Những tác động nóng lên tồn cầu biến đổi khí hậu địi hỏi phải nghiên cứu cách toàn diện sở đa ngành, đặc biệt xem xét vấn đề thủy văn tài nguyên nước toàn cầu (Loaiciga et al., 1996; Arnell, 1999, 2004; Hulme et al., 1999; Eckhardta Ulbrichb, 2003; Gertena et al., 2004; Hitz Smith, 2004; Labat et al, 2004.) Các nghiên cứu trước thường đề cập đến kịch biến đổi khí hậu với mơ hình thủy văn sở điều tra chung tác động biến đổi khí hậu tài nguyên nước khu vực khác (Gleick, 1986; Loaiciga et al, 1996; Bobba et al , năm 1997; DETR, 1997; Arnell năm 1999; Najjar, 1999; Mimikou et al, 2000) DETR (1997) Tony Arnel (1999) vùng thiếu hụt nuóc biến đổi khí hậu tương lai Theo tác giả này, vùng thiếu hụt nước chủ yếu quốc gia thuộc miền Nam miền Bắc châu Phi, xung quanh Địa Trung Hải Trung Đông, nam châu Á tiểu lục địa Ấn Độ, Trung Mỹ phần rộng lớn châu Âu Họ dự đoán vào năm 2025, nước thuộc khu vực chịu ảnh hưởng bất lợi biến đổi khí hậu gia tăng căng thẳng tài nguyên nước Đến năm thập niên 2050 2080, có nhiều nước nam châu Phi bị thiếu hụt nước Áp lực thiếu hụt nước gia tăng nhanh châu Phi phần nam châu Á Đông Âu (Arnell, 1999) Khi xem xét tài nguyên nước vùng ven biển, tầng chứa nước ngầm ven biển nguồn nước quan trọng Do vậy, nhập mặn vấn đề lớn cần quan tâm vùng Sự xâm nhập mặn biểu thay nước tầng chứa nước ngầm nước mặn Nó dẫn đến làm giảm nguồn nước ngầm có Sự biến đổi khí hậu gây ảnh hưởng lớn đến tốc độ bổ sung nguồn nước ngầm tầng chứa nước ngầm quan trọng, ảnh hưởng đến khả cung cấp nước cho vùng ven biển Sự mặn hóa tầng chứa nước ngầm ven biển giảm sút khả bổ sung nước cho tầng nước ngầm kết làm giảm nguồn tài nguyên nuóc ngầm Ước tính nóng lên tồn cầu nói chung dựa mơ hình hồn lưu khí (GCMs), sở dự báo tác động gia tăng nồng độ CO khí biến động thời tiết Các kịch GCM nóng lên tồn cầu ngày tăng thập kỷ gần xu hướng trở nên mạnh mẽ tương lai Tuy nhiên, chế phức tạp cấu trúc mô hình, GCM khác cho kết dự báo khác (Semmler Jacob, 2004) Mặc dù kết dự đốn có khác nhau, xu hướng biến khí hậu vấn đề nóng lên tồn cầu thống (IPCC, 2000) Trong nghiên cứu này, tập trung vào kết từ mơ hình Hadley Center GCM (HadCM3) với hai kịch SRES, kịch phát thải cao (SRES-A2) kịch phát thải thấp (SRES-B2) Các kịch phát thải lựa chọn thể kết khác thay đổi khí hậu gia tăng dân số Nhìn chung, Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved kịch A2 mô tả tương lai bi quan lượng phát thải cao khí CO2 liên quan đến tác động khí hậu cực đoan Kịch A2 mô tả giới với tốc độ tăng trưởng dân số cao tăng trưởng kinh tế công nghệ tương đối chậm Kịch B2 mô tả với tương lai lạc quan dân số tăng trưởng trung bình giảm dần phát thải CO2, kết gây áp lực khí hậu mức thấp (IPCC, 2001) Để đánh giá tác động biến đổi khí hậu tiềm đến tài nguyên nước ngầm, tập trung vào biến đổi khả bổ sung nước ngầm nước biển dâng cao đến giảm sút nguồn nước ngầm vùng ven biển Phương pháp nguồn liệu 2.1 Mô hình số xâm nhập mặn Nhiều mơ hình phát triển để nghiên cứu trình xâm nhập mặn Chúng bao gồm từ giải pháp phân tích tương đối đơn giản đến mơ hình số phức tạp Nghiên cứu liên quan đến chuyển động nước nước mặn tầng chứa nước ven biển chia thành cách tiếp cận khác (Reilly Godman, 1985) Trong phương pháp tiếp cận thứ nhất, nước nước mặn giả định hồn tồn khơng trộn lẫn vào tồn mặt phân cách rõ rệt hai vùng nước Trong cách tiếp cận thứ hai, nước nước mặn giả sử tồn trạng thái cân động phân tán tầng chứa nước Vì mục đích đánh giá hành vi lâu dài hệ thống nước ngầm ven biển, nên mơ hình giao diện phân cách thích hợp cho nghiên cứu Mơ hình giao diện phân cách dòng nước nước mặn dựa tính liên tục dịng chảy áp lực Trong cách tiếp cận này, với cách tính gần Dupuit cho miền dịng chảy, phương trình dịng chảy liên tục tích hợp theo chiều dọc để phát triển hệ thống phương trình vi phân sau (Bear et al., 1999) Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved Vị trí độ cao giao diện (hi) cho bởi: Trong Kf KS đại diện cho tốc độ dòng chảy vùng nước nước mặn; hf hS điểm áp lực vùng nước nước mặn; qf qS tốc độ dòng chảy nước nước mặn tương ứng Hệ số lưu trữ vùng nước nước mặn xác định Sf SS; θ độ rỗng tầng chứa nước; ρf ρS khối lượng riêng nước nước mặn; α tham số giá trị phụ thuộc vào loại tầng nước ngầm, α=1 cho tầng chứa nước không giới hạn α=0 cho tầng chứa nước bị giới hạn Từ phương trình (1) (2), xây dựng mơ hình số cách sử dụng khác biệt hàm ẩn số hữu hạn Để giải đồng thời hai phương trình đại số tuyến tính khác nhau, thủ tục (SIP) (Remson et al., 1971) sử dụng kỹ thuật số phù hợp Những kinh nghiệm thực tế cho thấy trường hợp dịng chảy khơng đồng mơi trường khơng đẳng hướng, thủ tục hàm ẩn số hữu hạn có hiệu phương pháp khác không phụ thuộc vào phức tạp vấn đề (Essaid, 1990) 2.1.1 Sự suy giảm nước ngầm mặn hóa Khái niệm giao diện nước nước mặn sử dụng để ước tính nguồn tài nguyên nước tầng chứa nước ngầm ven biển Sự gia tăng bổ sung nước ngầm dịch chuyển giao diện mặn hướng biển làm giảm bổ sung độ mặn dịch chuyển đất liền (giao diện 2) Sự dịch chuyển giao diện làm tăng nguồn nước đất tầng nước ngầm Như minh họa hình 1, tầng chứa nước hoàn toàn chứa đầy nước (giao diện 1), nước gần không xảy Sự dịch chuyển hướng đất liền giao diện mặn dẫn đến giảm lượng nước tầng nước ngầm Khi giao diện mặn trùng với điểm áp lực nước (giao diện 3), toàn tầng chứa nước bị làm đầy nước mặn, lúc lượng nước gần 100% Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved Hình Sơ đồ mơ tả suy giảm nguồn nước ngầm xâm nhập mặn tầng chứa nước ven biển Ghi chú: P- Mưa; ET- bốc tổng số; Sea level- Mực nước biển; Freshwater level: mực nước ngầm; Interface- giao diện; Salt water- nước mặn; Freshwater loss- suy giảm nước ngọt; Groundwater flow- dòng chảy ngầm; Recharge- bổ sung 2.2 Các vùng thiếu hụt nước Căn vào mô tả DETR (1997) Tony Arnel (1999), giới có năm vùng thiếu hụt nước chịu tác động cực đoan biến đổi khí hậu Các vùng lựa chọn nghiên cứu để đánh giá biến động nguồn nước ngầm xâm nhập mặn thuộc vùng khí hậu khác Bao gồm: Vùng ven biển Trung Mỹ (CAM), nam Phi (SAF) bắc Phi/Sahara (SAH), xung quanh Địa Trung Hải (MED) khu vực nam Á (SAS) (Hình 2a) Dựa phân loại khí hậu Kưppen (FAO, 1997), năm vùng có khí hậu gió mùa/cận nhiệt đới, Địa Trung Hải, nhiệt đới khí hậu sa mạc Hình (a) Các vùng thiếu hụt nước lựa chọn (Aller et al., 1999); (b) đại diện ranh giới ven biển giải pháp HadCM3 Các tính chất địa chất thuỷ văn vùng lấy từ hệ thống thông tin nước ngầm toàn cầu, phát triển IGRAC (2004) Để mô tác động mực nước biển dâng, liệu lấy từ sở liệu PSMSL Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved (Permanent Service for Mean Sea Level) dựa xu hướng lịch sử dự báo tương lai Bảng tóm tắt tính chất khí hậu, mực nước biển dâng đặc điểm địa chất thuỷ văn năm vùng nghiên cứu Bảng Đặc điểm số vùng thiếu hụt tài nguyên nước giới Vùng Vùng khí Vùng nước Đặc điểm tầng ngậm nước Nước biển hậu* ngầm liên Sự hình thành địa dâng (mm/ Độ dẫn b quan năm) chất nước -3 -5 Trung Mỹ Nhiệt đới Bắc Trầm tích lắng 10 - 10 2,0 (CAM) Trung Mỹ đọng phù sa Cận khu Đá kết lắng 10-4 - 10-5 Nam Châu Địa Trung 1,5 Phi (SAF) hải/Cận nhiệt vực Sahara đọng trầm tích đới 10-3 - 10-4 Trầm tích biển, Sa mạc Khu vực Bắc Châu 1,65 lắng đọng cát Bắc Châu Phi/Sahara gió phù sa Phi (SAH) 10-4 - 10-5 Địa Trung Địa Trung hải Nam Âu Đá vôi, đá cát 2,5 trầm tích bở dời hải (MED) vùng núi Atlas Nam Á Nhiệt đới/Gió Bán đảo Ấn Đá trầm tích 10-4 - 10-5 0,9 (SAS) mùa Độ trầm tích bở dời a Nguồn: Phân loại khí hậu theo Koepen (FAO), b Global groundwater regions, IGRAC, c permanent service for mean sea level PSMSL 2.3 Ước tính suy giảm tài nguyên nước ngầm biến đổi khí hậu Nghiên cứu sử dụng kịch biến đổi khí hậu phát triển từ mơ khí hậu Hadley Centre (HadCM3) Các liệu khí hậu sử dụng độ phân giải không gian vĩ độ 2,51 kinh độ 3,751, tương ứng với độ phân giải bề mặt khoảng 417 km - 278 km xích đạo Diện tích nghiên cứu đại diện vài điểm lưới độ phân giải lớn (2,51- 3,751) Các ô lưới dọc theo hướng bờ biển lựa chọn để đại diện cho vùng ven biển (Hình 2b) Chúng tơi tính tốn cân nước theo thời gian hàng tháng cho ô tọa độ xử lý ô tọa độ lưu vực riêng biệt Lượng bốc tính theo cơng thức Penman Monteith sử dụng mơ hình máy tính CROPWAT Giả sử lượng mưa vượt lượng bốc thực tế, lượng nước ngầm bổ sung tính chênh lệch lượng mưa lượng bốc hoi Ước tính lượng nước bổ sung hàng tháng theo mơ hình giả sử tồn giao diện nước nước mặn, tính biến động trung bình hàng năm giao diện cho tầng chứa nước vùng ven biển nghiên cứu Mơ hình chạy để mô thay đổi giao diện theo thời gian hàng tháng, giá trị trung bình hàng năm lưu lại dạng đầu Sự biến động số trung bình hàng năm giao diện Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved nước ngọt, nước mặn sử dụng để ước tính thay đổi hàng năm nguồn nước ngầm xâm nhập mặn khoảng thời gian 100 năm Kết thảo luận 3.1 Suy thoái tài nguyên nước ngầm kỷ tới Trong vùng lựa chọn nghiên cứu; Trung Mỹ (CAM), nam Phi (SAF), bắc Phi/Sahara (SAH), nam Á (SAS) Địa Trung Hải (MED); thay đổi trung bình hàng năm nguồn nước ngầm thể rõ tính phức tạp, hậu phản hồi biến đổi khí hậu tiềm Các kết chứng minh biến động tương lai tài nguyên nước ngầm diễn theo xu hướng lâu dài gia tăng suy thoái nguồn nước, ngoại trừ khu vực phía bắc châu Phi/Sahara hai kịch phát thải cao thấp Trong kỷ tới, đường hồi quy tuyến tính suy thối nguồn nước ngầm (% nước mất) thời gian cho thấy mối quan hệ khác vùng nghiên cứu Như thể hình 3a 4a, lượng nước ngầm suy thoái hàng năm thể xu ngắn hạn vùng Địa Trung Hải nam châu Á, xu hướng lâu dài lại xuất vùng lại cho hai kịch Vùng Địa Trung Hải thể gia tăng nước ngầm khoảng 0,028% năm theo kịch SRES A2 0,0005% theo kịch SRES B2 Khu vực nam Á cho thấy xu hướng biến động ngắn hạn dài hạn với 0,075 0,078% lượng nước ngầm suy thoái hàng năm tương ứng cho kịch A2 B2 Có khác biệt chút khu vực phía bắc Phi/Sahara mối tương quan âm ỏ mức độ nhỏ Ở có nước ngầm giảm hàng năm vào khoảng 0,002% kịch phát thải cao, 0,0014% kịch phát thải thấp Điều cho thấy gia tăng nguồn nước ngầm vùng ven biển bắc Phi khu vực Sahara tương lai Bảng tóm tắt thay đổi lâu dài suy giảm tài nguyên nước ngầm với kịch phát thải cao thấp Bảng Xu hướng lâu dài nước ngầm với kịch cao thấp Tốc độ suy thoái nước ngầm hàng năm (%) Kịch phát thải cao (A2) Kịch phát thải thấp (B2) Trung Mỹ 0,015 0,02 Địa Trung hải 0,028 0,0005 Bắc châu Phi -0,0002 -0,0014 Nam châu Phi 0,027 0,022 Nam Á 0,075 0,078 3.2 So sánh biến động ngắn hạn suy giảm tài nguyên nước ngầm thay đổi lượng mưa Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved Trên sở đánh giá năm vùng thiếu hụt nước kịch biến đổi khí hậu, nghiên cứu đề cập đến cách nhìn biến động thời gian tài nguyên nước ngầm ven biển yếu tố khí hậu, đặc biệt lượng mưa Lượng mưa, nguồn bổ sung cho nước ngầm, yếu tố lớn cân nước, biến động theo thời gian khơng gian Do đó, biến động lượng mưa tương lai kiểm soát biến động tài nguyên nước ngầm Sự suy thoái nước ngầm hàng năm đồng biến với biến động lượng mưa cho kịch phát thải cao thấp (Hình 3b 4b) Sự gia tăng lượng mưa tạo điều kiện bổ sung thêm cho nguồn tài nguyên nước ngầm (giảm tổn thất tài nguyên nước ngầm) Ngược lại, giảm lượng mưa làm giảm tài nguyên nước ngầm (tăng nước ngầm) Những thay đổi thấy rõ vùng nam Á Địa Trung Hải Trong vùng có biến động lớn lượng mưa hàng năm hai kịch Cũng có tăng giảm chút lượng mưa dự báo khu vực Trung Mỹ nam Phi, lượng mưa hàng năm giảm không dẫn đến thay đổi ngắn hạn tài nguyên nước ngầm kịch A2 Tuy nhiên, khu vực nam Phi lại cho thấy biến động ngắn hạn kịch B2 Hình Biến động trung bình hàng năm (a) suy thoái nguồn nước ngầm, (b) lượng mưa (c) nhiệt độ cho kịch SRES A2 Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved Trong x- yếu tố khí hậu, y- suy thoái tài nguyên nước ngầm, i- thời gian (năm) Ở vùng bắc Phi/Sahara lượng mưa tăng lên tương lai Xu hướng biến đổi dài hạn tài nguyên nước ngầm gia tăng nguồn nước ngầm khu vực hai kịch Dự kiến nhiệt độ tăng có khả dẫn đến làm tăng bốc nước từ bề mặt nước mặt đất tăng khả thoát nước từ thực vật Bốc nước tổng số gia tăng ảnh hưởng đến khả bổ sung cho nước ngầm, bốc tổng số tăng ảnh hưởng đến khả bổ sung nước cho tầng chứa nước ngầm, tốc độ nước ngầm thấp tuong đối so với lượng mưa khu vực bắc Phi Những thay dự báo biên đổi nhiệt độ cho thấy xu hướng tăng nhiệt độ trung bình hàng năm tất vùng nghiên cứu (Hình 3c 4c) Tuy nhiên, chúng tơi khơng tìm thấy mối quan hệ rõ rệt gia tăng nhiệt độ nguồn nước ngầm Hình Biến động trung bình hàng năm (a) suy thoái nguồn nước ngầm, (b) lượng mưa, (c) nhiệt độ cho kịch SRES B2 3.3 Tương quan khí hậu suy thối nguồn nước ngầm Để đánh giá mối tương quan yếu tố khí hậu tài nguyên nước ngầm khu vực, dự báo biến động lượng mưa nhiệt độ Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved trong hai kịch SRES xem xét Các hệ số tương quan tính theo cơng thức sau: Trong đó: correlation coefficient-hệ số tương quan; x-các yếu tố khí hậu; y-sự suy thoái nước ngầm; i-thời gian (năm) Sự biến động biến số khí hậu tài nguyên nước ngầm thể hình Hình 5a cho thấy tương quan thay đổi lượng mưa suy giảm nguồn tài nguyên nước ngầm; hình 5b cho thấy tương quan biến đổi nhiệt độ suy giảm nguồn tài nguyên nước ngầm cho kịch A2 Hình 6a cho thấy mối tương quan biến động lượng mưa suy giảm tài nguyên nước ngầm; hình 6b thể mối tương quan biến động nhiệt độ suy giảm nguồn tài nguyên nước ngầm cho kịch B2 Hình Sự tương quan (a) lượng mưa so với suy giảm nguồn nước ngầm, (b) nhiệt độ so với suy giảm nguồn nước ngầm (c) số khô hạn với suy giảm nguồn nước ngầm cho kịch A2 Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved Như có vùng Địa Trung Hải vùng nam Á có mối tương quan cao lượng mưa suy giảm tài nguyên nước ngầm, tương ứng với hệ số tương quan 0,92 0,78 cho kịch phát thải cao; 0,65 0,68 cho kịch phát thải thấp Tuy nhiên, mối tương quan thay đổi lượng mưa thay đổi suy giảm nước ngầm vùng bắc Phi nhỏ Vùng Địa Trung Hải khu vực nam Á có lượng mưa dao động lớn (trên 7.400 mm/năm) làm cho suy giảm nước ngầm khác lớn Lượng mưa khu vực Địa Trung Hải có biến động mạnh phụ thuộc vào gió lốc xốy mùa đơng vùng vĩ độ trung bình Các vùng nam Á với khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa biến động lớn phụ thuộc vào chế độ gió mùa Trong khu vực nam Á, dãy núi Himalaya đóng vai trị quan trọng gió mùa lục địa biến động tương ứng lượng mưa mùa mưa Johns et al (2003) mơ hình khơng gian biến động nhiệt độ lượng mưa tương tự vĩ độ Ông cho lượng mưa hàng năm tăng lên vĩ độ cao lượng mưa tăng vào mùa đơng hầu hết vùng có vĩ độ trung bình, nhiệt độ tăng cao vĩ độ lớn Hình Sự tương quan (a) lượng mưa suy giảm nguồn nước ngầm, (b) nhiệt độ nguồn nước ngầm, (c) số khô hạn suy giảm nguồn nước ngầm cho kịch B2 Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved Mối tương quan nhiệt độ suy giảm nguồn nước ngầm thấp tất vùng nghiên cứu cho hai kịch Nhìn chung, hệ số tương quan yếu tố lượng mưa nhiệt độ riêng rẽ khơng có tưong quan chặt chẽ với suy giảm nguồn ngước ngầm Vì vậy, tác động đồng thời lượng mưa nhiệt độ xem xét phân tích 3.4 Chỉ số khô hạn suy giảm nguồn nước ngầm Chỉ số khô hạn tiêu định lượng mức độ thiếu hụt nước vùng thường biểu ảnh hưởng kết hợp nước lượng khu vực Chỉ số khô hạn sử dụng nghiên cứu tỷ lệ lượng mưa hàng năm nhiệt độ trung bình hàng năm (Lang's index) phiên cải tiến phát triển E de Martonne (1925) Chỉ số gọi số Martonne (Martonne index), (Oliver Fairbridge, 1987; Pahari Murai, 1999) Chỉ số khô hạn Martonne xác định theo công thức: Trong đó: T nhiệt độ trung bình năm (0C), P lượng mưa trung bình năm ( mm) Giữa số khô hạn suy giảm nguồn nước ngầm thể mối tương quan âm hai kịch SRES (Hình 5c 6C) Các hệ số tương quan cho thấy biến đổi khí hậu suy giảm nguồn nước ngầm có liên quan với vùng Trung Mỹ, Địa Trung Hải, nam Phi nam Á, với hệ số tương quan lớn 0,5 cho hai kịch Trong khu vực bắc Phi/Sahara gữa yếu tố khí hậu suy giảm nước ngầm có tương quan thấp Tuy nhiên biến động khí hậu tác động đến tài nguyên nước ngầm nhỏ dẫn đến những ước tính trái ngược lượng mưa và nhiệt độ vùng bắc Phi/Sahara 3.5 Sự phân bố vùng số khô hạn nguồn nước ngầm Sự biến động vùng giá trị tuyệt đối số khô hạn suy giảm nguồn nước ngầm kịch phát thải cao thấp thể hình Trong miền phân bố điểm thể quan hệ số khô hạn suy giảm nguồn nước ngầm theo vùng khí hậu Nghiên cứu hai trường hợp vùng Trung Mỹ bắc Phi/Sahara cho thấy số khô hạn thấp tương ứng với tổn thất cao nguồn nước ngầm Đối với hai kịch bản, khu vực có số khô hạn 15 suy giảm nước ngầm cao Vùng trung Mỹ nằm vùng khí hậu nhiệt đới bắc Phi/Sahara có sa mạc lớn Cả khu vực có lượng mưa thấp, trung bình 200 mm/năm Tại Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved khu vực phía bắc châu Phi/Sahara, lượng mưa cịn thấp nhiều có biến động bất thường nhiệt độ: thơng thường nhiệt độ trung bình tháng nóng 30 0C, biến động bất thuòng nhiệt độ lên đến 50 0C (IPCC, 1998) Khơng khí vùng sa mạc khơ cường độ xạ từ Mặt trời phát xạ từ mặt đất dẫn đến dao động mạnh nhiệt độ lượng bốc tiềm ngày Sự gia tăng bốc tổng số kiểm soát bổ sung nước ngầm suy giảm nguồn nước ngầm Hình Miền phân bố điểm thể tương quan biến động số khô hạn suy giảm nguồn nước ngầm vùng khí hậu khác nhau: (a) cho kịch A2 (b) cho kịch B2 Chỉ số khơ hạn có biến động mạnh khu vực Địa Trung Hải, nam Á, nam Phi hai kịch Khu vực nam Phi có suy giảm nước ngầm tương đối cao so với hai khu vực lại Sự suy giảm nước ngầm khu vực Địa Trung Hải so với nam Á Sự gia tăng hạn hán mùa hè Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved phù hợp với quan sát giảm lượng mưa mùa hè gia tăng mùa đông mùa xuân (IPCC, 1998) Sự thay đổi gây ảnh hưởng mạnh đến khu vực nhạy cảm với hạn hán Tuy nhiên khu vực Địa Trung Hải, lượng mưa trung bình cao nhiệt độ trung bình thấp so với khu vực nam Á Do suy giảm nước ngầm khu vực Địa Trung Hải thấp so với khu vực nam Á Bảng trình bày số liệu thống kê suy giảm nước ngầm khu vực, thể tác động trung bình đến nguồn nước ngầm khu vực Bảng Thống kê tính chất nguồn nước ngầm Thông Mất nước ngầm (m3/km2) số Kịch phát thải cao (A2) Kịch phát thải thấp (B2) CAM MED SAH SAF SAS CAM MED SAH SAF SAS Trung 96,0 81,5 98,2 93,5 90,5 94,8 81,3 98,8 94,4 91,5 bình 2,0 3,0 0,5 2,1 3,8 2,3 3,3 0,3 2,2 3,4 Độ lệch chuẩn 3.6 Tác động suy giảm nước ngầm đến hoạt động kinh tế xã hội Sự suy giảm nguồn nước ngầm gây thiệt hại cho hoạt động kinh tế xã hội phụ thuộc vào nước Đánh giá tác động suy giảm nguồn nước ngầm đến xã hội địi hỏi phải ước tính lượng nước ngầm khai thác tương lai Lượng khai thác không phụ thuộc vào dân số tương lai mà phụ thuộc vào hiệu sử dụng nước Sự suy giảm nguồn nước ngầm gây ảnh hưởng đến người dân địa phương vùng khan nước nhu cầu sử dụng nước tăng dân số tăng, mơ hình sử dụng nước phong tục sử dụng nước, suy thoái lưu vực sông thay đổi sử dụng đất (Ranjan et al., 2006) Dự báo sử dụng nước tương lai có biến động lớn, phản ánh tăng trưởng dân số tiềm khác hiệu sử dụng nước khác (Seckler et al., 1998) Các kịch phát thải SRES cho phép dự báo đa chiều dân số toàn cầu khu vực tương lai, số quan trọng khác số lượng chất lượng kinh tế xã hội toàn cầu Ngược lại, kịch A2, dự báo cho thấy yếu phát triển kinh tế q trình tồn cầu hóa Sự gia tăng dân số A2 cao (15 tỷ người vào năm 2100) nên đóng góp tài vào phúc lợi, bảo vệ trẻ em, chăm sóc sức khỏe giáo dục giảm Trong kịch B2, giả sử tốc độ tăng trưởng dân số thấp tạo điều kiện cho giới lạc quan (IPCC, 2000) Những dự báo dân số khu vực SRES đưa mức thấp so với dự báo CIESIN (2002) quy mơ quốc gia Chúng tơi ước tính mật độ dân số tương lai dựa hệ lưới vùng dân số giới (GPW) CIESIN cho kịch SRES (Gaffin et al., 2004) Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved Bảng cho thấy so sánh dân số, khả cung cấp nước ngầm lượng nước ngầm đầu người đơn vị độ dày tầng ngậm nước (1 m) vào năm 2010 2100, cho kịch SRES lựa chọn kết cho thấy kịch A2 dự báo dân số cao kết nhu cầu nước cao Bảng rõ SRES A2 có lượng nước bình qn đầu người thấp tất vùng Một điều cần ý tài nguyên nước ngầm Địa Trung Hải nam Á thấp theo kịch B2, lượng nước ngầm đầu người lại thấp kịch A2 Điều làm bật vấn đề ô nhiễm nước cao hoạt động kinh tế xã hội khu vực khan nước Kịch suy giảm nguồn nước A2 B2 Bảng Dân số tài nguyên nước ngầm vùng nước 2010 2100 Mật độ Khả Lượng Mật độ Khả dân số dân số nước nước nước Khu vực (người/ (người/ ngầm (m / ngầm 2 km ) km ) (m /km ) người/ (m3/km2) năm) Trung Mỹ 120 64.000 533,3 200 25.000 Địa Trung hải 82 195.000 2378,0 150 178.000 Bắc châu Phi 11 12.000 1090,9 18 15.000 Nam châu Phi 18 67.000 3722,2 26 39.000 Nam Á 250 117.000 468,0 450 52.000 Trung Mỹ 116 79.000 681,0 140 45.000 Địa Trung hải 80 180.000 2250,0 112 175.000 Bắc châu Phi 10 9.000 900,0 16 15.000 Nam châu Phi 12 76.000 6333,3 19 45.000 Nam Á 200 110.000 550,0 300 35.000 Lượng nước (m3/ người/ năm) 125,0 1186,7 833,3 1500,0 115,6 321,4 1562,5 937,5 2368,4 116,7 Nhìn chung, khu vực nước nam Á có mật độ dân số cao giới nhu cầu ngày tăng lĩnh vực sinh hoạt, nông nghiệp công nghiệp tạo áp lực lớn tài nguyên nước Mặc dù khu vực nam Á có nguồn nước ngầm tương đối cao lượng nước ngầm bình quân đầu người cho km2 vùng ven biển lại (468m3/người vào năm 2010, theo kịch A2) có khả giảm tương lai (115m3/người năm 2100) Trong đó, lượng nước ngầm bình qn đầu người tương lai châu Phi cao mật độ dân số thấp Như châu Phi có nguồn tài nguyên nước ngầm không cao, mật độ dân số thấp nên lượng nước bình quân đầu người cao Ở châu Phi, nghèo đói nên vấn đề môi trường diễn phức tạp, đặc biệt nơi mà kinh tế chủ yếu dựa vào khai thác tài nguyên thiên nhiên nước ngầm Do đó, dường có nguồn nước ngầm bình quân đầu người cao lục địa châu Phi, nghèo đói nên khơng có khả công nghệ để khai thác sử dụng nguồn Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved nước ngầm sâu Sự suy thoái nguồn tài nguyên làm giảm khả sản suất người nghèo chủ yếu sống dựa vào nguồn tài nguyên thiên nhiên, làm cho cộng đồng dân nghèo dễ bị tổn thương biến động cực đoan gây Nicholls Lowe (2004) cho thấy số dân ven biển tồn cầu lớn tăng lên nhanh chóng (tăng dân số ven biển gấp hai lần tốc độ tăng trưởng dân số nước) Do đó, vấn đề kinh tế xã hội trở nên quan trọng vùng ven biển Kết luận Nghiên cứu mối liên quan biến đổi khí hậu suy giảm tài nguyên nước ngầm vấn đề quan trọng để hiểu biết đặc điểm vùng khác Trong năm vùng khan nước lựa chọn nghiên cứu kịch phát thải cao thấp có tác động đến nguồn nước ngầm Các mối quan hệ lượng mưa, nhiệt độ suy giảm nguồn nước ngầm thể tính phức tạp trình thủy văn cho thấy gia tăng tổn thất tài nguyên nước ngầm tất vùng nghiên cứu, ngoại trừ vùng bắc Phi/Sahara kịch phát thải cao thấp Trong 100 năm qua, suy giảm nguồn ngầm ngầm có mối tương quan dương với nguồn phát thải hai kịch trung Mỹ, Địa Trung Hải, nam Á nam Phi Sự tương quan biến đổi yếu tố khí hậu suy giảm nguồn nước ngầm đánh giá kịch phát thải cao thấp Các mối tương quan tích cực hay tiêu cực quy mơ lục địa, rõ phức tạp phản hồi biến đổi lượng mưa nhiệt độ chu trình thủy văn quy mơ khu vực Nhìn chung, hệ số tương quan cho thấy lượng mưa nhiệt độ riêng rẽ khơng có mối tương quan chặt với suy giảm tài nguyên nước ngầm Do vậy, ảnh hưởng đồng thời lượng mưa nhiệt độ xem xét phân tích Chỉ số khơ hạn sử dụng để đánh giá ảnh hưởng đồng thời lượng mưa nhiệt độ phạm vi vùng Kết cho thấy số khô hạn đối lập với suy giảm tài nguyên nước ngầm, thể mối tương quan âm phạm vi toàn cầu Các miền phân bố điểm thể mối quan hệ suy giảm nguồn nước ngầm số khơ hạn cho thấy có khác biệt vùng nghiên cứu Vùng có số khô hạn thấp tương ứng với tổn thất nước ngầm cao hơn, ví dụ khu vực trung Mỹ bắc Phi/Sahara Ở khu vực Địa Trung Hải có dao động lớn số khơ hạn, suy giảm tài nguyên nước ngầm tương đối thấp Hơn nữa, suy gảim nguồn nước ngầm, kết nóng lên tồn cầu có tác động đến hoạt động kinh tế xã hội vùng khan nước Sự gia tăng dân số nhu cầu sử dụng nước ngầm tương lai cho hoạt động sống người q trình sản xuất nơng nghiệp cơng nghiệp làm cho tình hình trở lên phức tạp khu vực nam Á Ở kịch SRES A2 với tăng trưởng dân số cao nhất, dự báo tác động đến nguồn nước bình quân đầu người lớn Mặc dù bình quân lượng nước ngầm Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved trên đầu người khu vực châu Phi cao hơn, cộng đồng nghèo khó khơng có khả cơng nghệ để khai thác nguồn nước ngầm Sự suy thoái nguồn tài nguyên tiếp tục làm giảm khả sản xuất cộng đồng người nghèo Lời cảm ơn Nghiên cúu thực với tài trợ "Grant-in-Aid for Scientific Research for JSPS" (Giáo sư Nobuo Mimura) "Global Environment Research Fund" Bộ Môi trường Nhật Bản Các tác giả xin cảm ơn tài trợ Chúng gửi lời cảm ơn TS Brian McGlynn cung cấp thông tin chi tiết góp ý xây dựng cho báo cáo Tài liệu tham khảo Arnell, N.W., 1999 Climate change and global water resources Global Environmental Change 9, S31–S49 Arnell, N.W., 2004 Climate change and global water resources: SRES emissions and socio-economic scenarios Global Environmental Change 14, 31–52 Bear, J., Cheng, A.H.D., Sorek, S., Ouazar, D., Herrera, I., 1999 Seawater Intrusion in Coastal Aquifers—Concepts, Methods and Practices Kluwer, Dordrecht Bobba, A.G., Singh, V.P., Jeffries, D.S., Bengtsson, L., 1997 Application of a watershed runoff model to north-east pond river, Newfoundland: to study water balance and hydrological characteristics owing to atmospheric change Hydrological Processes 12, 1573–1593 CIESIN, 2002 Center for International Earth Science Information Network Columbia University, Gridded Population of the World (GPW), CIESIN, Columbia University, Palisades, NY http://sedac ciesin.org/plue/gpw DETR, 1997 Climate change and its impacts Department for Environment, Transport, and the Regions, The UK Programme, HMSO, The Met Office, London Eckhardta, K., Ulbrichb, U., 2003 Potential impacts of climate change on groundwater recharge and stream flow in a central European low mountain range Journal of Hydrology 284, 244–252 Essaid, H.I., 1990 A Multilayered sharp interface Model of coupled freshwater and saltwater flow in coastal systems: model development and application Water Resources Research 26, 4311455 FAO, 1997 Koă eppen climate zones, FAOEnvironment and Natural Resources Service (FAO-SDRN Agrometeorology group), Global climate maps series, http://www.fao.org/sd/eidirect/CLIMATE/EIsp0001.html Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved Gaffin, S.R., Xing, X., Yetman, G., 2004 Downscaling and geo-spatial gridding of socio-economic projections from the IPCC Special Report on Emissions Scenarios (SRES) Global Environmental Change 14, 105–123 Gertena, D., Schaphoffa, S., Haberlandtb, U., Luchta, W., Sitcha, S., 2004 Terrestrial vegetation and water balance-hydrological evaluation of a dynamic global vegetation model Journal of Hydrology 286, 249–270 Gleick, P.H., 1986 Methods for evaluating the regional hydrologic impacts of global climatic change Journal of Hydrology 88, 97–116 Hitz, S., Smith, J., 2004 Estimating global impacts from climate change Global Environmental Change 14, 201–218 Hulme, M., Mitchell, J., Ingram, W., Lowe, J., Viner, D., 1999 Climate change scenarios for global impacts studies Global Environmental Change 9, S3– S19 IGRAC, 2004 Global Groundwater Regions database, International Groundwater Resources Assessment Centre (http://igrac.nitg.tno.nl/homepage.html) IPCC, 1998 The regional impacts of climate change: an assessment of vulnerability In: Watson, R.T., Zinyowera, M.C., Moss, R.H., Dokken, D.J (Eds.), Intergovernmental Panel on Climate Change Cambridge University Press, Cambridge, UK IPCC, 2000 Emissions Scenarios: A Special Report of Working Group II of the Intergovernmental Panel on Climate Change In: Nakicenovic, N., Swart, R (Eds.), Cambridge Univ Press, Cambridge, UK IPCC, F., 2001 In: Houghton, J.T., Ding, Y., Griggs, D.J., Noguer, M., van der Linden, P.J., Dai, X., Maskell, K., Johnson, C.A (Eds.), Climate Change 2001: The Scientific Basis Contributions of Working Group to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Cambridge University Press, Cambridge, UK Johns, T.C., Gregory, J.M., Ingram, W.J., Johnson, C.E., Jones, A., Lowe, J.A., Mitchell, J.F.B., Roberts, D.L., Sexton, D.M.H., Stevenson, D.S., Tett, S.F.B., Woodage, M.J., 2003 Anthropogenic climate change for 1860–2100 simulated with the HadCM3 model under up-dated emissions scenarios Climate Dynamics 20, 583–612 Labat, D., Godd, Y., Probst, J.L., Guyot, J.L., 2004 Evidence for global runoff increase related to climate warming Advances in Water Resources 27, 631– 642 Loaiciga, H.A., Valdes, J.B., Vogel, R., Garvey, J., Schwarz, H., 1996 Global warming and the hydrologic cycle Journal of Hydrology 174, 83–127 Mimikou, M.A., Baltas, E., Varanou, E., Pantazis, K., 2000 Regional impacts of climate change on water resources quantity and quality indicators Journal of Hydrology 234, 95–109 Najjar, R.G., 1999 The water balance of the Susquehanna River Basin and its response to climate change Journal of Hydrology 219, 7–19 Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved Nicholls, R.J., Lowe, J.A., 2004 Benefits of mitigation of climate change for coastal areas Global Environmental Change 14, 229–244 Oliver, J.E., Fairbridge, R.W., 1987 The Encyclopedia of Climatology, Encyclopedia of Earth Sciences, vol XI Van Nostrand Reinhold Publishers, New York, pp 103–107 Pahari, K., Murai, S., 1999 Modelling for prediction of global deforestation based on the growth of human population Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 54, 317–324 PSMSL: Permanent Service for Mean Sea Level data set, Proudman Oceanographic Laboratory (POL), http://www.pol.ac.uk/psmsl/ Ranjan, P., Kazama, S., Sawamoto, M., 2006 Effects of climate and land use changes on groundwater resources in coastal aquifers Journal of Environmental Management 80, 25–35 Reilly, T.E., Goodman, A.S., 1985 Quantitative analysis of fresh-salt water relationship in groundwater systems—a historical perspective Journal of Hydrology 80, 125–149 Remson, I., Hornberger, G.M., Molz, F.I., 1971 Numerical methods in subsurface hydrology: with an introduction to the finite element method, pp 389 Seckler, D., Amarasinghe, U., Molden, D., de Silva, R., Barker, R., 1998 World Water Demand and Supply, 1990–2025: scenarios and Issues International Water Management Institute Research Report 19, SriLanka Semmler, T., Jacob, D., 2004 Modeling extreme precipitation events: a climate change simulation for Europe Global and Planetary Change 44, 119–127 Copyright © 2006 Elsevier Ltd All rights reserved  ... dẫn đến làm giảm nguồn nước ngầm có Sự biến đổi khí hậu gây ảnh hưởng lớn đến tốc độ bổ sung nguồn nước ngầm tầng chứa nước ngầm quan trọng, ảnh hưởng đến khả cung cấp nước cho vùng ven biển. .. lực khí hậu mức thấp (IPCC, 2001) Để đánh giá tác động biến đổi khí hậu tiềm đến tài nguyên nước ngầm, tập trung vào biến đổi khả bổ sung nước ngầm nước biển dâng cao đến giảm sút nguồn nước ngầm. .. khí hậu; y-sự suy thoái nước ngầm; i-thời gian (năm) Sự biến động biến số khí hậu tài nguyên nước ngầm thể hình Hình 5a cho thấy tương quan thay đổi lượng mưa suy giảm nguồn tài nguyên nước ngầm;