Mục lục bài họcĐang ở d04-b1
The Hydrological Cycle, Water Scarcity and Water Management
The cycle as a system. The hydrological cycle is a system of storages and flows driven by solar energy and gravity. Storages include oceans, ice caps and glaciers, groundwater, soil moisture, lakes and rivers, the atmosphere and living organisms. Flows include evaporation, transpiration, condensation, precipitation, infiltration, percolation, throughflow, groundwater flow, surface runoff and channel flow. Evaporation, transpiration and condensation are transformations because water changes state; the rest are transfers.
Why usable water is scarce. Of all water on Earth about 97.5 per cent is saline. Of the 2.5 per cent that is fresh, roughly 69 per cent is locked in ice and glaciers and about 30 per cent is groundwater, much of it deep or in fossil aquifers that are effectively non-renewable. Only about 1.2 per cent of fresh water is surface and other water, and of that only about a fifth is in lakes and rivers. Multiplying through, lakes and rivers hold roughly 0.006 per cent of the Earth's water — and almost all human demand rests on that fraction.
Human impacts on the cycle. Agriculture withdraws about seventy per cent of freshwater used globally. Deforestation reduces interception and infiltration and increases surface runoff, so flood peaks rise and dry-season flows fall. Urbanisation does the same through impermeable surfaces and storm drains. Dams change flow regimes, trap sediment and increase evaporation losses. Over-abstraction lowers water tables and, near coasts, draws salt water into aquifers.
Two kinds of scarcity, and the distinction is examined repeatedly. Physical scarcity exists where demand exceeds the water naturally available, as in North Africa and the Arabian peninsula. Economic scarcity exists where water is physically present but people cannot access it because of a lack of investment, infrastructure or institutional capacity, as across much of sub-Saharan Africa. The two require completely different responses, so diagnosing which one applies must come before recommending anything.
Managing water. Supply-side measures increase what is available: reservoirs, desalination, rainwater harvesting, water transfer schemes, wastewater reuse. Demand-side measures reduce what is used: efficient irrigation, pricing that reflects cost, leak repair in distribution networks, changed cropping patterns, and behaviour change. Virtual water — the water embedded in producing a good — means that importing water-intensive crops is itself a water strategy. Because most large river basins are shared between states, water management is also a question of international agreement.
Vòng tuần hoàn nước như một hệ thống. Vòng tuần hoàn nước là một hệ gồm các kho và các dòng, được vận hành bởi năng lượng Mặt Trời và trọng lực. Các kho gồm đại dương, băng ở hai cực và sông băng, nước ngầm, độ ẩm đất, hồ và sông, khí quyển, và cơ thể sinh vật. Các dòng gồm bốc hơi, thoát hơi nước, ngưng tụ, giáng thuỷ, thấm, thấm sâu, dòng chảy trong đất, dòng chảy nước ngầm, dòng chảy tràn mặt và dòng chảy trong lòng dẫn. Bốc hơi, thoát hơi nước và ngưng tụ là chuyển hoá vì nước đổi trạng thái; các dòng còn lại là chuyển vận.
Vì sao nước dùng được lại hiếm. Trong toàn bộ nước trên Trái Đất, khoảng 97,5% là nước mặn. Trong 2,5% nước ngọt còn lại, khoảng 69% bị khoá trong băng và sông băng, và khoảng 30% là nước ngầm, phần lớn nằm ở độ sâu lớn hoặc trong các tầng nước hoá thạch thực chất không tái tạo. Chỉ khoảng 1,2% nước ngọt là nước mặt và các dạng khác, và trong phần đó chỉ khoảng một phần năm nằm ở hồ và sông. Nhân các con số lại, hồ và sông chỉ chứa khoảng 0,006% lượng nước Trái Đất — và gần như toàn bộ nhu cầu của con người dựa vào đúng phân số đó.
Tác động của con người lên vòng tuần hoàn. Nông nghiệp rút khoảng bảy mươi phần trăm lượng nước ngọt được sử dụng trên toàn cầu. Phá rừng làm giảm chặn giữ và giảm thấm, làm tăng dòng chảy tràn mặt, nên đỉnh lũ cao hơn và dòng chảy mùa kiệt thấp hơn. Đô thị hoá gây hệ quả tương tự qua bề mặt không thấm và hệ thống cống thoát nước. Đập làm thay đổi chế độ dòng chảy, giữ lại phù sa và làm tăng tổn thất bốc hơi. Khai thác quá mức làm hạ mực nước ngầm, và ở vùng ven biển thì kéo nước mặn vào tầng chứa nước.
Hai loại khan hiếm, và phân biệt này bị hỏi lặp đi lặp lại. Khan hiếm vật lý tồn tại ở nơi nhu cầu vượt lượng nước sẵn có trong tự nhiên, như ở Bắc Phi và bán đảo Arập. Khan hiếm kinh tế tồn tại ở nơi nước có mặt về mặt vật lý nhưng người dân không tiếp cận được vì thiếu vốn đầu tư, thiếu hạ tầng hoặc thiếu năng lực thể chế, như ở phần lớn châu Phi hạ Sahara. Hai loại này đòi hỏi những phản ứng hoàn toàn khác nhau, nên việc chẩn đoán đúng loại nào đang xảy ra phải đến trước mọi khuyến nghị.
Quản lý nguồn nước. Các biện pháp phía cung làm tăng lượng nước có sẵn: hồ chứa, khử mặn, thu gom nước mưa, các công trình chuyển nước, tái sử dụng nước thải. Các biện pháp phía cầu làm giảm lượng nước sử dụng: tưới hiệu quả, định giá phản ánh đúng chi phí, sửa rò rỉ trên mạng lưới phân phối, thay đổi cơ cấu cây trồng, và thay đổi hành vi. Nước ảo — lượng nước ẩn trong việc sản xuất ra một hàng hoá — có nghĩa là việc nhập khẩu cây trồng tốn nước bản thân nó đã là một chiến lược về nước. Vì phần lớn các lưu vực sông lớn được chia sẻ giữa nhiều quốc gia, quản lý nguồn nước cũng là một câu hỏi về thoả thuận quốc tế.
Hai vùng cùng báo cáo tình trạng thiếu nước. Vùng M nằm ở rìa sa mạc, lượng mưa dưới 200 mm mỗi năm, có hệ thống cấp nước hoàn chỉnh và nước ngầm đang bị bơm cạn. Vùng N nằm trong lưu vực có lượng mưa 1 600 mm mỗi năm và một con sông lớn chảy qua, nhưng chỉ 30% hộ gia đình có nước máy. Hãy chẩn đoán và khuyến nghị cho từng vùng.
Vùng M — khan hiếm VẬT LÝ. Chẩn đoán dựa trên hai dấu hiệu: lượng nước sẵn có trong tự nhiên thực sự thấp, và hạ tầng đã hoàn chỉnh nên không thể đổ lỗi cho việc thiếu đầu tư. Việc nước ngầm đang bị bơm cạn xác nhận rằng nhu cầu đã vượt quá lượng tái tạo — vùng này đang tiêu vào vốn gốc chứ không sống bằng thu nhập tự nhiên.
Khuyến nghị cho vùng M — chủ yếu là biện pháp phía CẦU. Vì nguồn cung tự nhiên bị giới hạn cứng, mọi biện pháp tăng cung đều tốn kém hoặc chỉ trì hoãn. Ưu tiên: định giá nước phản ánh đúng chi phí để tín hiệu khan hiếm hiện lên trong mọi quyết định; chuyển đổi cơ cấu cây trồng bỏ những cây tốn nước không phù hợp với khí hậu; tưới nhỏ giọt kèm hạn mức rút nước ràng buộc, vì nếu chỉ nâng hiệu suất mà không có mức trần thì hiệu ứng bật lại sẽ làm tổng lượng rút tăng chứ không giảm; và nhập khẩu cây trồng tốn nước, tức dùng chiến lược nước ảo. Khử mặn chỉ hợp lý nếu vùng này gần biển và có đủ năng lượng giá rẻ, vì nó đẩy áp lực sang đỉnh năng lượng.
Vùng N — khan hiếm KINH TẾ. Chẩn đoán rõ ràng: lượng mưa dồi dào và có sông lớn, nên nước tồn tại về mặt vật lý. Vấn đề nằm ở chỗ chỉ 30% hộ có nước máy, tức thiếu hạ tầng dẫn và xử lý, thiếu vốn đầu tư, hoặc thiếu năng lực vận hành và duy tu.
Khuyến nghị cho vùng N — chủ yếu là đầu tư hạ tầng và năng lực thể chế. Ưu tiên: mở rộng mạng cấp nước và hệ thống xử lý; sửa rò rỉ, vì ở nhiều mạng lưới cũ tỷ lệ thất thoát có thể vượt một phần ba lượng nước bơm vào, nên đây thường là biện pháp rẻ nhất trên mỗi mét khối thu được; xây dựng năng lực vận hành và bảo trì, vì một hệ thống được tài trợ xây dựng rồi bỏ mặc sẽ hỏng trong vài năm; và xử lý nước thải, vì ở vùng nhiều nước thì rủi ro lớn nhất thường là chất lượng chứ không phải số lượng.
Vì sao chẩn đoán sai thì khuyến nghị vô dụng. Nếu áp biện pháp của vùng M cho vùng N — định giá nước cao và khuyến khích tiết kiệm — kết quả sẽ là người nghèo phải trả nhiều hơn cho một dịch vụ họ vốn không có, trong khi vấn đề thật là thiếu đường ống. Ngược lại, xây thêm nhà máy xử lý cho vùng M không tạo thêm được một giọt nước nào. Đây là lý do câu trả lời đạt điểm cao luôn bắt đầu bằng việc chẩn đoán loại khan hiếm.
Sản xuất 1 kg lúa mì cần khoảng 1 800 lít nước; 1 kg thịt bò cần khoảng 15 400 lít. Một quốc gia khan hiếm nước nhập khẩu 3 triệu tấn lúa mì mỗi năm. (a) Tính lượng nước ảo nhập khẩu theo km³. (b) Nêu hai giới hạn của chiến lược này. (c) Giải thích vì sao thay đổi khẩu phần ăn lại là biện pháp tiết kiệm nước hiệu quả nhất.
(a) Lượng nước ảo. Ba triệu tấn bằng 3 nhân 10⁹ kg. Nhân với 1 800 lít mỗi kg được 5,4 nhân 10¹² lít. Vì 1 km³ bằng 10¹² lít, kết quả là 5,4 km³ nước ảo mỗi năm — tương đương một hồ chứa lớn mà quốc gia đó không phải xây, không phải bơm và không phải chịu tổn thất bốc hơi.
Ý nghĩa của khái niệm. Nước ảo là lượng nước dùng để SẢN XUẤT ra một hàng hoá, không phải lượng nước chứa trong hàng hoá đó. Khi nhập khẩu ngũ cốc, một nước khan hiếm nước thực chất đang nhập khẩu nước của nước khác dưới dạng ngũ cốc, và giải phóng nguồn nước trong nước cho các mục đích tạo giá trị cao hơn trên mỗi mét khối — nước sinh hoạt đô thị, công nghiệp, hoặc cây trồng giá trị cao trong nhà kính.
(b) Giới hạn thứ nhất — chiến lược này CHUYỂN rủi ro chứ không xoá rủi ro. Nó đổi rủi ro thiếu nước lấy rủi ro phụ thuộc thương mại. Khi nước xuất khẩu gặp hạn rồi áp lệnh cấm xuất khẩu ngũ cốc — điều đã xảy ra nhiều lần trong các cú sốc giá lương thực — thì nước nhập khẩu không có phương án dự phòng, và nó không thể khôi phục năng lực sản xuất trong một mùa vụ.
Giới hạn thứ hai — chiến lược này đòi hỏi ngoại tệ. Nó khả thi với các nước vùng Vịnh nhờ doanh thu dầu mỏ, nhưng không khả thi với một nước vừa khan hiếm nước vừa nghèo — và đó chính là nhóm nước có nguy cơ mất an ninh lương thực cao nhất. Nói cách khác, nước ảo là một giải pháp cho những nước có tiền, không phải một giải pháp phổ quát.
(c) Vì sao thay đổi khẩu phần là biện pháp hiệu quả nhất. Chuyển 1 kg thịt bò sang 1 kg lúa mì trong khẩu phần tiết kiệm 15 400 trừ 1 800 bằng 13 600 lít — tức gấp hơn tám lần lượng nước cần cho chính kilôgam lúa mì đó.
Lý do sinh thái đằng sau con số này. Đây chính là quy tắc mười phần trăm áp dụng vào nước. Bò phải ăn một lượng lớn ngũ cốc hoặc cỏ trước khi thành thịt, và toàn bộ nước dùng để trồng lượng thức ăn đó được tính vào dấu chân nước của thịt. Vì mỗi bậc dinh dưỡng thêm vào làm mất khoảng chín phần mười năng lượng, ăn ở bậc thấp hơn tiết kiệm nguồn lực theo cùng một tỷ lệ.
Nhưng phải nêu giới hạn để lấy điểm đánh giá. Con số 15 400 lít là trung bình toàn cầu và gộp cả nước mưa rơi trên đồng cỏ vốn dù sao cũng rơi xuống đó. Chăn nuôi trên đồng cỏ tự nhiên ở vùng không trồng trọt được có dấu chân nước rất khác so với chăn nuôi công nghiệp bằng ngũ cốc tưới. Vì vậy kết luận đúng không phải "bỏ thịt" mà là giảm thịt được nuôi bằng ngũ cốc tưới ở vùng khan hiếm nước.
Bẫy 2 — nói Trái Đất nhiều nước nên không thiếu. Hồ và sông chỉ chứa khoảng 0,006% lượng nước Trái Đất, và gần như toàn bộ nhu cầu con người dựa vào đúng phần đó.
Bẫy 3 — coi tưới nhỏ giọt là giải pháp đủ. Nâng hiệu suất mà không kèm hạn mức rút nước ràng buộc sẽ gây hiệu ứng bật lại: diện tích tưới mở rộng và cây trồng chuyển sang loại tốn nước hơn, nên tổng lượng rút TĂNG.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Water and Aquatic Food Production Systems and Societies gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.