Table of Contents

Великие озера, которые являются крупнейшей в мире системой незамерзающих поверхностных пресных вод, сталкиваются с беспрецедентными проблемами, поскольку глобальные температуры продолжают расти.Великие озера Лоранта имеют первостепенное значение для поддержания экологической целостности и социально-экономического процветания бассейна Великих озер, поддержки миллионов жителей и стимулирования экономической активности на сумму триллионы долларов. Изменение климата коренным образом изменяет тонкий водный баланс этих массивных внутренних морей, создавая каскадные эффекты, которые пульсируют через природные экосистемы, региональные экономики и повседневную жизнь общин в восьми штатах США и двух канадских провинциях.

Понимание водной системы Великих озер

Пять Великих озер — Верхнее, Мичиган, Гурон, Эри и Онтарио — образуют взаимосвязанную пресноводную систему, которая содержит приблизительно 21 процент поверхностных запасов пресной воды в мире. Динамичные уровни воды Великих озер играют ключевую роль в многочисленных секторах инфраструктуры, влияя на многочисленные факторы, такие как стоимость доставки, риски наводнений, места водозабора и береговая эрозия. Эти уровни воды не являются статическими; они колеблются естественным образом на основе сезонных моделей, осадков, испарения и стока из окружающих водоразделов.

За последние десятилетия уровень воды в Великих озерах претерпел резкие колебания, демонстрируя диапазон, превышающий 2 метра. Эта естественная изменчивость всегда была частью экосистемы Великих озер, но изменение климата в настоящее время вводит новые модели и крайности, которые бросают вызов нашей способности прогнозировать и управлять этими жизненно важными водными ресурсами.

Наука, стоящая за изменениями уровня воды

Компоненты чистого бассейнового предложения

Уровень воды в Великих озерах в основном определяется чистыми запасами бассейна (NBS) каждого озера, которые являются суммой осадков над озером и стока в бассейне минус испарение озера. Понимание того, как изменение климата влияет на каждый из этих трех компонентов, имеет важное значение для прогнозирования будущих уровней воды и подготовки к их воздействию.

Эти изменения обусловлены изменениями, вызванными изменением климата, в трех основных компонентах водного бюджета озер: осадки над озером, испарение озера и сток бассейна. Каждый компонент по-разному реагирует на потепление температуры, создавая сложное взаимодействие, которое определяет, будет ли уровень воды повышаться или опускаться в любой данный период.

Испарение и повышение температуры

Повышение температуры воздуха и воды оказывает глубокое влияние на скорость испарения в Великих озерах. По мере повышения температуры воздуха и воды темпы испарения в летнее время более чем удвоились с 1980-х годов. Это резкое увеличение испарения представляет собой одно из наиболее значительных изменений, обусловленных климатом, влияющих на водный баланс озер.

Более теплые температуры воды также приводят к уменьшению ледяного покрова на озерах, что позволяет испаряться из открытой поверхностной воды в течение более длительной части года.В зимние месяцы ледяной покров традиционно выступает в качестве барьера, который предотвращает испарение.По мере того, как зимы становятся мягче и ледяной покров уменьшается, озера теряют больше воды в атмосферу круглый год, что коренным образом изменяет их сезонные структуры уровня воды.

Модели осадков и стоки

Осадки над озерами увеличивают водоснабжение бассейна и повышают уровень воды, в то время как испарение делает обратное. Климатические модели прогнозируют, что регион Великих озер будет испытывать изменения как в количестве, так и в сроках осадков, причем более интенсивные осадки становятся все более распространенными.

Сток повышает уровень воды и напрямую зависит от таких факторов, как снежный покров и влажность почвы. По мере потепления температура выпадает больше зимних осадков в виде дождя, а не снега, что приводит к немедленному стоку вместо постепенного весеннего таяния снега. Этот сдвиг влияет не только на общее количество воды, поступающей в озера, но и на время пиковых уровней воды в течение года.

Последние колебания уровня воды и тенденции

Историческая изменчивость

В течение десятилетий уровень воды в Великих озерах колеблется на несколько футов между периодами высокой и низкой воды. В течение длительных периодов сухой погоды уровень воды в озерах падает. Эта естественная циклическая картина характеризовала Великие озера на протяжении веков, но в последние десятилетия наблюдаются все более резкие колебания между крайностями.

Долгосрочные уровни воды в Великих озерах упали в период с 1998 по 2013 год, после того как в 1980-х годах были достигнуты рекордные максимумы, и изменения в осадках и испарении частично способствовали этим снижениям. В начале 2010-х годов продолжительная сухая и теплая погода привела к рекордным минимумам для некоторых озер. Эти рекордные минимумы вызвали обеспокоенность по поводу долгосрочных тенденций к снижению и вызвали обширные исследования последствий изменения климата.

Рекордные максимумы 2019-2020

Повествование резко изменилось в середине 2010-х годов. Быстрое снижение испарения озер из-за более холодных зим вызвало рекордное повышение уровня воды в 2013-2014 годах, за которым последовало постоянное повышение уровня осадков выше среднего, что привело к рекордно высоким уровням в течение 2019-2020 годов. Это произошло в 2015-2020 годах, один из самых влажных 5-летних периодов в истории региона Великих озер и привело к рекордному по количеству воды событию 2020 года.

Эти быстрые переходы от рекордных минимумов к рекордным максимумам всего за несколько лет демонстрируют растущую волатильность уровня воды в Великих озерах в условиях изменения климата. Сообщества, которые адаптировались к низким водным условиям, внезапно столкнулись с наводнениями, эрозией и повреждением инфраструктуры от высокой воды - модель, которая может стать более распространенной в будущем.

Последние условия

Текущие условия уровня воды продолжают демонстрировать значительную изменчивость по озерам. В течение июля бассейн Великих озер испытывал следующее: Средний месячный уровень воды озера Верхнее был на среднем уровне, в то время как озеро Мичиган-Хурон было выше среднего. Озеро Эри оставалось значительно выше среднего, в то время как озеро Онтарио было очень близко к среднему. Эта изменчивость среди отдельных озер отражает сложные региональные климатические модели и различные характеристики озера, которые влияют на уровень воды.

Прогнозы будущего уровня воды

Передовые подходы к моделированию

Ученые добились значительных успехов в прогнозировании будущих уровней воды в Великих озерах, разработав более сложные климатические модели. GLARM - это трехмерная (3D) региональная система моделирования климата для региона Великих озер, которая двусторонняя пара RCM с 3D-гидродинамической моделью озера и льда, что делает это первое исследование, использующее такую продвинутую модель для проекции уровня воды Великих озер.

Недавние исследования показали, что многие из этих ранних моделей переоценивали испарение из Великих озер. Более новые, более всеобъемлющие модели, которые лучше учитывают проект испарения, уменьшают или даже повышают уровень воды в будущем. Это представляет собой значительный сдвиг от более ранних прогнозов, которые обычно предсказывали снижение уровня воды.

Прогнозируемое повышение уровня воды

Последние и сложные исследования моделирования показывают, что уровень воды, скорее всего, повысится, чем упадет в ближайшие десятилетия. Согласно среднему ансамблю, к 2040-2049 годам среднегодовые уровни воды озера Верхнее, Мичиган-Хурон и Эри, по прогнозам, увеличатся на +0,19, +0,44 и +0,28 м соответственно по сравнению с 2010-2019 годами.

Прогнозируемое увеличение NBS в основном связано с увеличением осадков над озером и стока в бассейне в сочетании с относительно меньшим увеличением испарения озера. Хотя испарение будет увеличиваться с более теплыми температурами, модели предполагают, что увеличение осадков и стока более чем компенсирует эту потерю воды.

Неопределенность и диапазон результатов

Несмотря на улучшение возможностей моделирования, значительная неопределенность сохраняется в прогнозах уровня воды. Прогнозируемые изменения среднегодовых уровней воды к 2040-2049 гг. относительно 2010-2019 гг. варьируются от -0,01 до +0,32 м в Верхнем озере, от -0,13 до +0,80 м в озере Мичиган-Гурон и от -0,09 до +0,54 м в озере Эри. Этот широкий диапазон отражает присущую неопределенность в прогнозах климата и сложные взаимодействия между атмосферными и озерными процессами.

Результаты показывают, что диапазон возможных значений увеличивается по мере изменения климата, причем более экстремальные значения для уровней озера становятся возможными с большими изменениями глобальной средней температуры. Это увеличение диапазона как на высоком, так и на низком уровне может быть более важным соображением, чем любое общее увеличение среднего уровня воды для тех, кто живет вокруг озер, потому что наиболее серьезные воздействия на интересы вокруг озера обычно связаны с этими экстремальными высокими или низкими уровнями.

Вне зависимости от прогнозируемых долгосрочных тенденций, сезонная, годовая и многолетняя изменчивость уровней озер, как ожидается, останется большой. Эта постоянная изменчивость означает, что общины и отрасли должны готовиться как к экстремальным, так и к низким уровням воды, даже если средние уровни имеют тенденцию в одном направлении.

Экономическое значение региона Великих озер

Глобальный экономический центр

Регион Великих озер представляет собой одну из самых экономически продуктивных областей в Северной Америке. В этом районе проживает 107 миллионов человек, 51 миллион рабочих мест и ВВП в размере 6 триллионов долларов США, что делает экономику Великих озер движущей силой на международном уровне. Если бы это была его собственная страна, она имела бы ВВП в размере 6 триллионов долларов США, что делает ее третьей по величине экономикой в мире.

В 2011 году в регионе Великих озер ВРП в размере 4,1 трлн. долл. составляла значительную часть (25%) экономики США и Канады, поскольку этот мощный экономический двигатель в значительной степени зависит от самих Великих озер, причем уровень воды играет решающую роль во многих секторах, включая судоходство, производство, туризм, производство энергии и сельское хозяйство.

Морское судоходство и транспорт

Система морских путей Великих озер-Сент-Лоуренс служит жизненно важным транспортным коридором, соединяющим сердце Северной Америки с глобальными рынками. Грузовые перевозки по водному пути Великих озер-Морских путей генерируют 50 миллиардов долларов экономической активности и 356 858 рабочих мест в Канаде и США Эта торговля, связанная с водой, поддержала 241 286 рабочих мест в США и Канаде и генерировала 36 миллиардов долларов США / 46,8 миллиарда долларов США в экономической деятельности, 17,8 миллиарда долларов США / 23,2 миллиарда долларов США в общей заработной плате и доходах от заработной платы и местных расходах на потребление, 8,3 миллиарда долларов США / 10,8 миллиарда долларов США в местных закупках и 6,3 миллиарда долларов США / 8,3 миллиарда долларов США в федеральных, государственных / провинциальных и местных налоговых поступлениях.

Только на нее приходится более 50% всей двусторонней пограничной торговли США и Канады и ежегодно отгружается более 200 миллионов тонн грузов. Эффективность и экономичность этой системы судоходства критически зависят от поддержания адекватной глубины воды в каналах, гаванях и соединительных водных путях, на все из которых непосредственно влияют колебания уровня воды.

Производство и промышленность

В частности, регион известен во всем мире своим производственным мастерством. Здесь проживают автомобильные и аэрокосмические гиганты, такие как Ford, GM, Chrysler, Bombardier, GE Aviation и Magna International, а также многие другие отрасли промышленности. Эти производственные операции зависят от Великих озер для водоснабжения, систем охлаждения и транспортировки сырья и готовой продукции.

Как и в прошлом, природные богатства региона, особенно сами Великие озера, продолжают оставаться важными экономическими двигателями, однако некоторые сектора, такие как сельское хозяйство, тяжелая промышленность и трансокеаническое судоходство, негативно повлияли на здоровье Великих озер, в то время как другие сектора, такие как туризм и спортивная рыбалка, влияют на озера очень мало, но напрямую зависят от экологической целостности Великих озер.

Туризм и отдых

Великие озера поддерживают процветающую индустрию туризма и отдыха, которая генерирует миллиарды долларов ежегодно. Пляжи, пристани для яхт, рыбацкие чартеры, катание на лодках и набережные достопримечательности привлекают миллионы посетителей каждый год. Уровень воды напрямую влияет на качество и доступность этих возможностей для отдыха, причем как высокие, так и низкие крайности создают проблемы для туристических операторов и прибрежных сообществ.

Согласно анализу экономических данных 2018 года, Великие озера поддерживают более 1,3 миллиона рабочих мест, которые ежегодно приносят 82 миллиарда долларов заработной платы. Эта занятость охватывает различные сектора, все из которых имеют некоторую связь со здоровьем и стабильностью водной системы Великих озер.

Влияние изменений уровня воды на судоходство и навигацию

Проблемы с низким уровнем воды

При падении уровня воды судоходные операции сталкиваются со значительными ограничениями и повышенными затратами. Более низкие уровни воды снижают глубину навигационных каналов, заставляя грузовые суда переносить более легкие грузы, чтобы избежать посадки. Эта «легкая загрузка» означает, что для перевозки такого же количества груза требуется больше поездок, увеличивая расходы на топливо, затраты на рабочую силу и время транзита.

Гавани и порты могут стать недоступными для более крупных судов в периоды низкой воды, нарушая цепочки поставок и заставляя грузы перенаправляться через альтернативные, часто более дорогие, виды транспорта, такие как железнодорожные или грузовые автомобили.

Экономические последствия низких уровней воды выходят за рамки прямых затрат на транспортировку. Отрасли, зависящие от своевременной доставки сырья, могут столкнуться с задержками в производстве и увеличением затрат на инвентаризацию. Сельскохозяйственные производители, отправляющие зерно на экспортные рынки, могут получить более низкие цены, если транспортные расходы возрастут. Электростанции, которые полагаются на системы водозабора, возможно, придется внести дорогостоящие изменения для доступа к воде на более низких уровнях.

Вызовы высокой воды

Хотя высокий уровень воды может показаться полезным для навигации, они создают свой собственный набор проблем. Суда должны поддерживать адекватный зазор под мостами и через замки, и чрезвычайно высокая вода может снизить этот зазор до небезопасных уровней. Судам может потребоваться уменьшить свои нагрузки даже в периоды высокой воды для поддержания безопасного зазора, что сводит на нет некоторые преимущества глубины.

Высокий уровень воды повышает риск повреждения портовой инфраструктуры, в том числе доков, складов и погрузочного оборудования. Сильные течения, связанные с высокой водой, могут сделать навигацию более опасной и медленными временами транзита судов. Увеличенная скорость воды по соединительным каналам может также ускорить эрозию береговых линий и подводных сооружений.

Инфраструктурные инвестиции и адаптация

Последний инвестиционный опрос, составленный консультантами по морской торговле Martin Associates, составляет 10,9 млрд канадских долларов капитальных затрат на суда, порты, терминалы и инфраструктуру водных путей в регионе Великих озер-Сент-Лоуренс.С 2018 по 2022 год в навигационную систему было инвестировано более 7,4 млрд долларов, а с 2023 по 2027 год было выделено еще 3,5 млрд долларов на улучшения.

Эти масштабные инвестиции в инфраструктуру отражают критическую важность поддержания надежной навигации на Великих озерах, но они также подчеркивают проблемы проектирования систем, которые должны функционировать во все более широком диапазоне условий уровня воды. Инженеры и планировщики должны теперь учитывать большие крайности в обоих направлениях при проектировании новых объектов или модернизации существующей инфраструктуры.

Эрозия береговой линии и береговая инфраструктура

Эрозионные процессы и их последствия

Эрозия береговой линии представляет собой одно из наиболее заметных и разрушительных последствий изменения уровня воды в общинах Великих озер. При сохранении уровня воды выше среднего на некоторых озерах и возможности крупных штормов и ветров низменные районы подвергаются риску ускоренной эрозии береговой линии и наводнений. Сочетание высокого уровня воды и штормовых явлений создает особенно тяжелые условия эрозии.

В периоды высокой воды волны поднимаются выше по береговой линии, атакуя блефы, дюны и прибрежные сооружения, которые обычно находятся над водной линией.Эта эрозия может подорвать здания, дороги и коммунальные услуги, расположенные вблизи берега.Владельцы недвижимости могут потерять значительные части своей земли, а в крайних случаях дома и предприятия могут стать непригодными для жизни или рухнуть в озеро.

Низкий уровень воды создает различные проблемы эрозии. По мере отступления воды ранее затопленные районы подвергаются воздействию волн и выветриванию. Переходная зона между высокими и низкими отметками воды испытывает повторяющиеся циклы смачивания и сушки, которые могут ускорить эрозию определенных типов почвы. Кроме того, низкая вода может подвергать и повреждать береговые защитные сооружения, которые были предназначены для функционирования, будучи частично погруженными.

Уязвимость инфраструктуры

Прибрежная инфраструктура в районе Великих озер сталкивается с растущей уязвимостью к экстремальным уровням воды. Системы водозабора для муниципальных водопроводов и промышленных объектов должны быть спроектированы таким образом, чтобы функционировать в широком диапазоне уровней воды. В периоды низкой воды водозаборы могут подвергаться воздействию или не иметь возможности водозабора, что требует дорогостоящих чрезвычайных мер или постоянных модификаций.

Станции очистки сточных вод, расположенные вблизи береговых линий, сталкиваются с рисками как от высокой, так и от низкой воды. Высокая вода может затопить объекты или перегружать системы выпадения, в то время как низкая вода может повлиять на разведение и рассеивание очищенных стоков. Пристани, гавани и рекреационные сооружения требуют постоянной адаптации к изменяющимся уровням воды, при этом запуски лодок, доки и волнорезы нуждаются в корректировке или замене.

Дороги, мосты и другая транспортная инфраструктура вблизи береговой линии сталкиваются с ущербом как от эрозии, так и от наводнений.Затраты на защиту, перемещение или многократный ремонт этой инфраструктуры представляют собой значительное и растущее бремя для местных органов власти и владельцев недвижимости.

Меры по адаптации и защите

Сообщества вокруг Великих озер реализуют различные стратегии защиты береговых линий и инфраструктуры от воздействия уровня воды. Традиционные «жесткие» инженерные подходы включают в себя морские стены, ограждения и волнорезы, предназначенные для поглощения энергии волн и предотвращения эрозии. Однако эти структуры дороги в строительстве и обслуживании, и они иногда могут передавать проблемы эрозии соседним свойствам.

Природные решения набирают популярность в качестве альтернативы или дополнения к жесткой инженерии. Эти подходы включают восстановление прибрежных водно-болотных угодий, посадку местной растительности для стабилизации почв и создание живых береговых линий, которые обеспечивают защиту от эрозии при сохранении экологических функций. Такие решения могут быть более экономически эффективными и обеспечивать дополнительные преимущества, такие как среда обитания диких животных и улучшение качества воды.

Вариабельность уровня воды в Великих озерах необходима для сохранения здоровья озер, но может создать проблемы для общин набережной и домовладельцев. Предоставление озерам пространства, необходимого для изменения, защитит нашу инфраструктуру и обеспечит здоровье Великих озер для будущих поколений. Эта перспектива подчеркивает важность работы с естественной изменчивостью уровня воды, а не пытается полностью контролировать ее.

Влияние на водные экосистемы и рыболовство

Изменение среды обитания

Колебания уровня воды играют решающую роль в поддержании экологического здоровья Великих озер. Естественная изменчивость создает разнообразные среды обитания вдоль береговых линий, включая водно-болотные угодья, болота и мелководные районы, которые поддерживают нерест рыбы, питомники для молодых рыб и кормовые площадки для водоплавающих птиц и других диких животных. Однако возрастающая величина и быстрота изменения уровня воды в условиях изменения климата могут нарушить эти экологические процессы.

Быстрое повышение уровня воды может затопить наземную растительность, создавая новые места обитания водно-болотных угодий, но также утопить устоявшиеся растительные сообщества, прежде чем они смогут адаптироваться. И наоборот, быстрое снижение может застрять водной растительностью и оставить нерестилища рыбы высокими и сухими. Сроки изменения уровня воды относительно критических событий жизненного цикла для рыбы и дикой природы могут определить, процветают или страдают популяции.

Прибрежные водно-болотные угодья, которые обеспечивают основные экосистемные услуги, включая фильтрацию воды, контроль за наводнениями и поддержку биоразнообразия, особенно чувствительны к изменениям уровня воды. Эти переходные зоны между сушей и водой требуют конкретных гидрологических условий для поддержания их характерных растительных сообществ и экологических функций. Экстремальные или длительные отклонения от нормального уровня воды могут превращать водно-болотные угодья в открытые воды или сухие земли, устраняя их уникальную экологическую ценность.

Рыболовство и коммерческое рыболовство

Великие озера поддерживают ценные коммерческие и рекреационные рыбные промыслы, которые вносят значительный вклад в региональную экономику. Изменения уровня воды влияют на популяции рыб через несколько путей, включая изменения в среде обитания нереста, изменения температуры воды и химии и сдвиги в динамике пищевой сети. Виды, которые нерестятся в мелководных прибрежных районах, особенно уязвимы к колебаниям уровня воды, которые могут обнажить или затопить их гнезда.

Торговые рыболовные операции сталкиваются с прямыми экономическими последствиями изменения уровня воды. Доступ к рыболовным угодьям и гаваням может быть ограничен в периоды низкой воды, в то время как высокая вода может нанести ущерб рыболовной инфраструктуре и сделать некоторые районы слишком опасными для судоходства. Изменения в численности и распределении рыб, обусловленные воздействием уровня воды на среду обитания, могут повлиять на показатели вылова и экономическую жизнеспособность рыболовных операций.

Аналогичным образом затрагивается рекреационный рыбный промысел, который порождает значительную экономическую активность за счет продажи лицензий, приобретения оборудования и расходов на туризм. Англеры могут найти любимые места для рыболовства недоступными или непродуктивными из-за изменений уровня воды. Пристани для яхт и чартерные рыболовные операции должны адаптировать свои объекты и услуги для удовлетворения различных условий водоснабжения, что может привести к расходам, которые могут быть переданы клиентам.

Вопросы качества воды

Уровень воды влияет на качество воды в Великих озерах через несколько механизмов. В периоды низкой воды загрязняющие вещества становятся более концентрированными, потенциально превосходя стандарты качества воды и влияя на водную жизнь. Снижение объема воды также может привести к более теплым температурам воды, снижению уровня растворенного кислорода и увеличению роста водорослей, все из которых стресс рыба и другие водные организмы.

Высокие уровни воды могут в некоторых отношениях улучшить качество воды за счет разбавления загрязняющих веществ и увеличения циркуляции воды. Однако наводнения могут также мобилизовать загрязняющие вещества из прибрежных районов и перегружать системы ливневых и сточных вод, что приводит к загрязнению. Взаимодействие между уровнями воды и качеством воды добавляет еще один уровень сложности в управлении экосистемами Великих озер в условиях изменения климата.

Риски наводнений и последствия для общества

Ущерб жилой и коммерческой собственности

Высокие уровни воды представляют значительный риск наводнений для общин во всем регионе Великих озер. Тысячи домов, предприятий и общественных объектов расположены в районах, уязвимых для наводнений во время событий с высокой водой. Рекордно высокие уровни воды в 2019-2020 годах нанесли ущерб имуществу на сотни миллионов долларов, причем некоторые общины испытывают повторяющиеся наводнения в течение нескольких лет.

Наводнение наносит ущерб зданиям, разрушает личное имущество и может сделать дома непригодными для проживания в течение длительных периодов времени. Даже когда вода не поступает в здания, высокая вода может подорвать фундаменты, затопленные подвалы и ползающие пространства, а также повредить септические системы и колодцы. Затраты на ремонт, временное жилье и потерянные доходы от бизнеса создают значительные финансовые трудности для владельцев недвижимости и общин.

Страховое покрытие ущерба от наводнений часто ограничено или недоступно в районах с высоким риском, что оставляет владельцев недвижимости нести полную стоимость потерь. Это может привести к снижению стоимости недвижимости в уязвимых районах и затруднению продажи домов, заманиванию жителей в рискованные ситуации. Некоторые общины реализовали программы выкупа для переселения жителей из наиболее уязвимых районов, но эти программы дороги и могут быть спорными.

Проблемы общественного здравоохранения и безопасности

Наводнение создает различные опасности для здоровья и безопасности населения, помимо прямого ущерба имуществу. Наводнение может загрязняться сточными водами, химическими веществами и другими загрязнителями, создавая риски для здоровья жителей и работников по очистке. Рост плесени в затопленных зданиях создает риски для здоровья дыхательных путей, которые могут сохраняться долго после того, как паводковые воды отступят.

Высокий уровень воды может отрезать доступ к общинам, изолировать жителей и затруднить реагирование аварийных служб. Дороги, мосты и другая критическая инфраструктура могут быть повреждены или разрушены, что требует длительного и дорогостоящего ремонта. Стресс и сбои, вызванные повторяющимися наводнениями, наносят ущерб психическому здоровью и сплоченности общин.

Низкий уровень воды создает различные проблемы общественного здравоохранения. Обнаженные донные отложения озера могут содержать загрязняющие вещества, которые становятся воздушно-капельным путем в виде пыли, что потенциально влияет на качество воздуха. Снижение уровня воды в гаванях и пристанях для яхт может концентрировать загрязняющие вещества и создавать застойные условия, которые способствуют вредному цветению водорослей и росту бактерий.

Управление в чрезвычайных ситуациях и реагирование

Управление экстремальными уровнями воды требует скоординированных усилий по реагированию на чрезвычайные ситуации в различных юрисдикциях и агентствах. Местные, государственные, провинциальные и федеральные правительства должны работать вместе, чтобы контролировать условия, выпускать предупреждения, оказывать помощь пострадавшим общинам и координировать усилия по восстановлению. Увеличение частоты и тяжести экстремальных уровней воды напрягает ресурсы и бюджеты управления чрезвычайными ситуациями.

Общины разрабатывают планы действий в чрезвычайных ситуациях, в частности, для сценариев с высоким и низким уровнем воды, выявления уязвимых районов, установления маршрутов эвакуации и предварительного размещения ресурсов для быстрого реагирования. Общественные образовательные кампании помогают жителям понять риски и подготовиться к потенциальным наводнениям или другим воздействиям на уровень воды. Однако поддержание осведомленности общественности и готовности с течением времени является сложной задачей, особенно в периоды нормального уровня воды.

Сельскохозяйственные последствия и водоснабжение

Ирригация и доступность воды

Сельское хозяйство в районе Великих озер зависит от надежного водоснабжения для орошения, полива скота и переработки пищевых продуктов. В то время как регион в целом получает адекватные осадки, орошение важно для высокоценных культур и в засушливые периоды. Изменение уровня воды в Великих озерах может повлиять на доступность и стоимость воды для сельскохозяйственного использования.

В периоды низкой воды фермеры, которые забирают воду непосредственно из озер или соединяют реки, могут столкнуться с ограничениями или им необходимо инвестировать в более длинные водозаборные трубы или насосные системы. Уровни подземных вод в районах вблизи озер часто связаны с уровнями озер, поэтому снижение уровня озер может снизить доступность подземных вод для скважин. Эти проблемы с водоснабжением могут снизить урожайность и увеличить производственные затраты.

Высокие уровни воды могут затопить сельскохозяйственные угодья вблизи береговых линий, уничтожая посевы и делая поля недоступными для посадки или сбора урожая. Насыщенные почвы из затяжной высокой воды могут задержать весеннюю посадку и снизить урожайность даже после отступления воды. Затопленным полям могут потребоваться годы для восстановления полной производительности, особенно если эрозия удалила верхний слой почвы или отложила песок и мусор.

Переработка пищевых продуктов и сельскохозяйственная промышленность

В районе Великих озер расположены значительные предприятия пищевой промышленности, которые зависят от воды для очистки, охлаждения и обработки. Эти объекты требуют надежного водоснабжения при неизменном качестве и температуре. Изменения уровня воды, которые влияют на системы водозабора или качество воды, могут нарушить работу и увеличить затраты.

Сельскохозяйственные перевозки также зависят от стабильного уровня воды. Зерновые лифты и другие сельскохозяйственные объекты, расположенные на озерах, полагаются на судоходный транспорт для перемещения продукции на рынок. Низкий уровень воды, ограничивающий пропускную способность, может создать узкие места во время сезона сбора урожая, заставляя фермеров хранить зерно дольше или использовать более дорогие транспортные альтернативы. Эти перебои могут повлиять на доходы фермеров и цены на продукты питания для потребителей.

Производство энергии и гидроэнергетика

Гидроэлектрическая генерация

Гидроэлектростанции на Великих озерах и соединительные водные пути вырабатывают значительное количество возобновляемой электроэнергии. Уровни воды непосредственно влияют на количество энергии, которое эти объекты могут производить, с высокими и низкими крайностями, создающими проблемы. Оптимальная выработка энергии требует поддержания уровня воды в определенных диапазонах, которые уравновешивают производство энергии с другими целями управления водными ресурсами, такими как навигация, борьба с наводнениями и защита окружающей среды.

В периоды низкой воды сокращение потока через гидроэлектрические турбины снижает выработку электроэнергии, что потенциально требует от коммунальных служб более интенсивного использования установок на ископаемом топливе для удовлетворения спроса. Это увеличивает затраты на электроэнергию и выбросы парниковых газов, создавая цикл обратной связи, который усугубляет изменение климата. Высокий уровень воды может превышать способность гидроэлектростанций безопасно передавать воду, требуя разлива, который представляет собой потерянные возможности генерации.

Гидроэлектростанции реки Святого Лаврентия, которые являются одними из крупнейших в регионе, должны тщательно балансировать выработку электроэнергии с поддержанием уровня воды в озере Онтарио и обеспечением безопасной навигации по морскому пути.Влияние изменения климата на уровень воды усложняет этот и без того сложный акт балансировки, потенциально требующий изменения правил эксплуатации и инфраструктуры.

Операции тепловой электростанции

Атомные и ископаемые электростанции, расположенные на Великих озерах, используют озерную воду для охлаждения, отвода и возврата огромных объемов воды ежедневно. Эти объекты требуют надежного доступа к охлаждающей воде для безопасной и эффективной работы. Изменения уровня воды могут повлиять на системы водозабора и сброса, потенциально заставляя станции сокращать выпуск или отключаться в экстремальных условиях.

Низкий уровень воды может обнажить водозаборные сооружения или уменьшить температурный дифференциал, доступный для охлаждения, снижая эффективность установки. Высокий уровень воды может затопить объекты или повлиять на рассеивание нагретой сливной воды, потенциально создавая экологические проблемы. Затраты на адаптацию систем охлаждения для функционирования в более широких диапазонах уровня воды могут быть значительными, и эти затраты в конечном итоге передаются потребителям электроэнергии.

Изменение климата также приводит к повышению температуры воды в Великих озерах, что снижает эффективность охлаждения тепловых электростанций независимо от уровня воды. Сочетание изменения уровня воды и температуры создает сложные проблемы для энергетической инфраструктуры, которая была разработана для более стабильных условий.

Стратегии адаптации и управление водными ресурсами

Двунациональная координация и управление

Управление уровнями воды в Великих озерах требует координации между Соединенными Штатами и Канадой через Международную совместную комиссию (IJC) и различные двунациональные соглашения. IJC контролирует работу контрольных структур на реке Сент-Мэрис и реке Сент-Лоуренс, которые регулируют отток из озер Верхнее и Онтарио. Эти структуры обеспечивают ограниченную способность влиять на уровень воды, но их работа должна уравновешивать несколько конкурирующих интересов.

В последние годы возросло внимание к адаптивным подходам к управлению, которые могут реагировать на изменяющиеся условия и включать новое научное понимание. МКК обновил оперативные планы для озера Онтарио и реки Святого Лаврентия, чтобы лучше сбалансировать риски наводнений и эрозии с другими целями. Аналогичные усилия предпринимаются и в отношении других частей системы, но сложность интересов заинтересованных сторон и ограничения структур физического контроля ограничивают то, что может быть достигнуто только за счет оперативных изменений.

Улучшенные системы прогнозирования и мониторинга помогают водным менеджерам и заинтересованным сторонам подготовиться к изменяющимся условиям. Существует один официальный прогноз сезонного уровня воды для Великих озер, выпущенный совместно Инженерным корпусом армии США - Детройтским районом и Управлением по регулированию окружающей среды и изменения климата Канады в течение первой недели каждого месяца. Эти агентства имеют оперативные полномочия через Международную совместную комиссию для надзора за работой контрольных структур на реке Сент-Мэрис (выход на озеро Верхнее; Корпус-Детройт) и реке Сент-Лоуренс (выход на озеро Онтарио; Корпус-Баффало). Каждое агентство использует ряд инструментов для создания собственного 6-месячного прогноза для среднего уровня воды в Великих озерах.

Устойчивость инфраструктуры и стандарты проектирования

Адаптация инфраструктуры к функционированию в более широких диапазонах уровней воды требует обновления стандартов проектирования и инвестирования в более устойчивые системы. Новое строительство в прибрежных районах должно учитывать прогнозируемые экстремальные уровни уровня воды, включая соответствующие неудачи с береговых линий и возвышение критически важных объектов над уровнями наводнений. Существующая инфраструктура может нуждаться в модернизации или перемещении для снижения уязвимости.

Гибкие конструкции инфраструктуры, которые могут вместить различные уровни воды, становятся все более важными. Плавучие доки, регулируемые водозаборы и модульные системы защиты береговой линии обеспечивают адаптивность, с которой не могут сравниться фиксированные конструкции. Хотя эти решения могут иметь более высокие первоначальные затраты, они могут оказаться более экономически эффективными в долгосрочной перспективе, избегая повторных циклов повреждения и ремонта.

В настоящее время в прибрежных районах обновляются строительные кодексы и правила зонирования, отражающие повышенные риски, связанные с экстремальными уровнями воды. Некоторые юрисдикции ограничивают новые разработки в районах с высоким риском или требуют принятия более строгих мер защиты. Эти нормативные подходы сталкиваются с политическими проблемами, но имеют важное значение для сокращения будущих потерь и предотвращения неустойчивых моделей развития.

Экосистемное управление

Защита и восстановление природных экосистем обеспечивают многочисленные преимущества для адаптации к изменениям уровня воды. Прибрежные водно-болотные угодья поглощают энергию волн, уменьшают эрозию и обеспечивают емкость для хранения наводнений, поддерживая биоразнообразие и качество воды. Восстановление водно-болотных угодий и других природных береговых особенностей может быть более экономически эффективным, чем жесткие инженерные подходы, и обеспечивает сопутствующие выгоды, которые инженерные структуры не могут.

Практика управления водосборными бассейнами, которая уменьшает стоки и способствует подпитке подземных вод, помогает смягчить колебания уровня воды и улучшить качество воды. Зеленая инфраструктура в городских районах, включая дождевые сады, проницаемые тротуары и городские леса, уменьшает потоки ливневых вод, которые способствуют наводнениям и эрозии. Сельскохозяйственные методы сохранения, такие как покрытие посевов и буферные полосы, уменьшают эрозию почвы и сброс питательных веществ, одновременно улучшая удержание воды.

Защита неосвоенных береговых линий и создание защитных сервитутов препятствуют развитию в районах с высоким риском и поддерживают естественные процессы, которые поддерживают устойчивость экосистем. Программы приобретения земель, хотя и дорогостоящие, могут быть экономически эффективными по сравнению с долгосрочными затратами на защиту и неоднократное ремонт инфраструктуры в уязвимых местах.

Экономические инструменты и стимулы

Экономические инструменты могут способствовать адаптации и снижению уязвимости к воздействию уровня воды. Программы страхования, которые точно отражают риск, могут препятствовать развитию в районах с высоким риском и побуждать владельцев недвижимости инвестировать в защитные меры. Однако страхование должно быть доступным и доступным для того, чтобы быть эффективным, требуя тщательного проектирования и потенциально государственных субсидий для владельцев недвижимости с низким доходом.

Налоговые льготы и грантовые программы могут поддерживать инвестиции в адаптацию со стороны владельцев недвижимости и общин. Финансирование защиты береговой линии, модернизации инфраструктуры и выкупа недвижимости помогает более справедливо распределять расходы на адаптацию и позволяет действовать, которые иначе не могли бы быть доступными. Федеральные, государственные и провинциальные правительства создали различные программы помощи, но финансирование часто не соответствует потребностям.

Инвестирование в адаптацию приносит экономические выгоды, избегая будущих потерь и поддерживая производительность отраслей, зависящих от Великих озер. Анализ затрат и выгод все чаще показывает, что активная адаптация является более экономичной, чем реагирование на стихийные бедствия и восстановление. Однако обеспечение финансирования для адаптации остается сложной задачей, особенно для мер, которые обеспечивают выгоды в течение длительного периода времени.

Потребности в исследованиях и пробелы в знаниях

Улучшение климатических прогнозов

Несмотря на значительные успехи в моделировании климата, в прогнозировании будущих уровней воды в Великих озерах сохраняются существенные неопределенности. Необходимы дальнейшие исследования для улучшения понимания сложных взаимодействий между атмосферными процессами, динамикой озера и гидрологией водораздела. Модели более высокого разрешения, которые лучше представляют местные особенности климата и озерные процессы, могут уменьшить неопределенность и предоставить более полезную информацию для лиц, принимающих решения.

Долгосрочный мониторинг уровня воды, климатических переменных и условий экосистемы обеспечивает необходимые данные для проверки моделей и выявления возникающих тенденций. Данные об уровнях воды в Великих озерах представляют собой один из самых длинных наборов гидрометеорологических данных высокого качества в Северной Америке с отчетными датчиками Соединенных Штатов, начиная с 1860 года. Поддержание и укрепление этой сети мониторинга имеет решающее значение для понимания того, как система изменяется и улучшает нашу способность прогнозировать будущие условия.

Изучение экстремальных явлений и их последствий особенно важно с учетом возрастающей частоты и тяжести экстремальных явлений, связанных с уровнем воды. Понимание физических процессов, которые приводят к быстрым изменениям уровня воды, и каскадного воздействия на экосистемы и инфраструктуру может способствовать повышению готовности и принятию мер реагирования.

Оценка социально-экономического воздействия

Для поддержки принятия решений и определения приоритетности инвестиций в адаптацию необходима более всесторонняя оценка экономических и социальных последствий изменений уровня воды. Текущие оценки воздействия часто ориентированы на прямые расходы, такие, как имущественный ущерб и сбои в судоходстве, однако косвенные и кумулятивные последствия могут быть столь же или более значительными.

Для обеспечения справедливой политики в области адаптации важно понимать, как различные общины и демографические группы страдают от изменений уровня воды.

Исследования эффективности различных стратегий адаптации могут помочь общинам и директивным органам сделать осознанный выбор в отношении того, куда инвестировать ограниченные ресурсы. Сравнительные исследования различных подходов к охране береговой линии, проектированию инфраструктуры и планированию землепользования могут выявить передовую практику и извлеченные уроки.

Экосистемный ответ и устойчивость

Понимание того, как экосистемы Великих озер реагируют на изменение уровня воды и другие климатические стрессоры, имеет важное значение для эффективного управления окружающей средой.Исследования популяций рыб, динамики водно-болотных угодий и инвазивных видов при различных условиях уровня воды могут информировать стратегии сохранения и помочь предсказать будущие экологические изменения.

Выявление пороговых значений экосистем и переломных моментов, после которых восстановление становится трудным или невозможным, имеет решающее значение для установления целей управления и предотвращения необратимого ущерба. Долгосрочные программы экологического мониторинга предоставляют важные данные для выявления изменений и оценки эффективности действий управления.

Исследования, посвященные решениям в области адаптации на основе природы и их многочисленных преимуществ, могут способствовать более широкому внедрению этих подходов. Демонстрация экономической эффективности и сопутствующих выгод от зеленой инфраструктуры и восстановления экосистем может преодолеть скептицизм и стимулировать инвестиции в природные решения.

Политические рекомендации и будущие направления

Комплексное управление водными ресурсами

Решение проблем изменения уровня воды требует комплексных подходов, учитывающих весь спектр целей управления водными ресурсами и интересов заинтересованных сторон. Решения о регулировании уровня воды, инвестициях в инфраструктуру и планировании землепользования должны координироваться в разных юрисдикциях и секторах, чтобы избежать противоречивых действий и максимизировать выгоды.

Процессы взаимодействия с заинтересованными сторонами, объединяющие различные интересы, включая судоходство, гидроэнергетику, муниципалитеты, экологические группы и общины коренных народов, могут способствовать достижению консенсуса в отношении подходов к управлению и стратегий адаптации.

Адаптивные рамки управления, позволяющие учиться и адаптироваться с течением времени, имеют важное значение с учетом неопределенности в прогнозах климата и реакциях экосистем. Планы управления должны включать триггеры для обзора и пересмотра на основе данных мониторинга и нового научного понимания. Гибкость корректировки стратегий по мере изменения условий является более ценной, чем жесткие долгосрочные планы.

Смягчение последствий изменения климата

Хотя адаптация к изменению уровня воды необходима, сокращение выбросов парниковых газов для ограничения будущего изменения климата остается важнейшей долгосрочной стратегией.Регион Великих озер имеет значительные возможности для сокращения выбросов за счет энергоэффективности, развития возобновляемых источников энергии, устойчивого транспорта и других мер.

Региональные планы действий в области климата должны четко учитывать связь между сокращением выбросов и воздействием на уровень воды. Демонстрация того, как усилия по смягчению последствий могут снизить будущие экстремальные уровни воды и связанные с ними расходы, может способствовать поддержке амбициозной климатической политики. Экономическое значение Великих озер обеспечивает сильную мотивацию для регионального климатического лидерства.

Международное сотрудничество в области смягчения последствий изменения климата имеет важное значение, поскольку регион Великих озер не может решить эту проблему в одиночку. Пропаганда сильной национальной и международной климатической политики должна быть приоритетной задачей для государств и провинций Великих озер, учитывая их высокую уязвимость к воздействию климата.

Финансирование и ресурсы

Адекватное и устойчивое финансирование адаптации, исследований и мониторинга имеет решающее значение для решения проблем, связанных с уровнем воды. Федеральные, государственные и провинциальные правительства должны увеличить инвестиции в программы Великих озер, признавая экономическую важность региона и затраты на бездействие. Инновационные механизмы финансирования, включая зеленые облигации и государственно-частное партнерство, могут дополнять традиционные источники финансирования.

Программы технической помощи, которые помогают общинам и владельцам имущества понять риски и принять меры по адаптации, являются ценным дополнением к финансовой помощи. Многие небольшие общины не обладают достаточным опытом для оценки уязвимостей и разработки планов адаптации, а предоставление доступа к техническим ресурсам может обеспечить более эффективные действия.

Приоритетное инвестирование на основе рисков, уязвимости и сопутствующих выгод обеспечивает эффективное использование ограниченных ресурсов. Анализ затрат и выгод и многокритериальные рамки принятия решений могут помочь определить приоритетные проекты, которые обеспечивают наибольшую отдачу от инвестиций и служат нескольким целям.

Вывод: создание устойчивости к неопределенному будущему

Более глубокое понимание того, что экстремальные уровни воды, наблюдаемые в прошлом, могут быть превышены в условиях меняющегося климата, поможет в планировании будущих событий и деятельности в бассейне Великих озер с перспективной оценкой прибрежных рисков и поможет коммунам повысить устойчивость к будущим экстремальным явлениям.

Последние научные исследования показывают, что уровень воды, вероятно, будет расти в среднем в ближайшие десятилетия, но с повышенной изменчивостью и более частыми крайностями в обоих направлениях. Это создает сложную проблему для миллионов людей и тысяч предприятий, которые зависят от Великих озер. Адаптация потребует скоординированных действий в различных масштабах, от индивидуальных владельцев недвижимости до международных органов управления.

Экономические ставки огромны. При региональной экономике в 6 триллионов долларов и критически важных отраслях, включая судоходство, производство, туризм, сельское хозяйство и производство энергии, все зависит от стабильного уровня воды, затраты на бездействие намного превышают инвестиции, необходимые для адаптации. Упреждающие меры по защите инфраструктуры, восстановлению экосистем и улучшению управления водными ресурсами могут уменьшить будущие потери и сохранить экономическую жизнеспособность региона.

Успех потребует принятия неопределенности и гибкости в наших системах и институтах. Вместо того, чтобы пытаться поддерживать исторические модели уровня воды, мы должны признать, что Великие озера вступают в новую эру большей изменчивости и проектируют нашу инфраструктуру, экономику и сообщества, чтобы быть устойчивыми в более широком диапазоне условий. Это представляет собой фундаментальный сдвиг в том, как мы думаем об управлении водными ресурсами и развитии прибрежных районов.

Инвестиции в адаптацию могут создавать рабочие места, стимулировать инновации и улучшать качество жизни, одновременно защищая природные ресурсы, которые делают регион Великих озер особенным. Действуя сейчас, чтобы подготовиться к изменению уровня воды, мы можем гарантировать, что будущие поколения продолжат извлекать выгоду из этих замечательных пресноводных морей, которые сформировали историю региона и определят его будущее.

Для получения дополнительной информации об уровнях воды в Великих озерах и последствиях изменения климата посетите NOAA Great Lakes Environmental Research Laboratory , Great Lakes Integrated Sciences and Assessments, International Joint Commission и Environment and Climate Change Canada Great Lakes Water levels page.

Основные проблемы и последствия Резюме

  • Эрозия береговой линии и имущественный ущерб: Высокие уровни воды в сочетании с штормовыми явлениями ускоряют эрозию прибрежных районов, подрывая здания, дороги и коммунальные услуги, в то же время нанося ущерб жилой и коммерческой недвижимости на сотни миллионов долларов.
  • Рекордно высокий уровень воды в 2019-2020 годах затопил тысячи домов и предприятий, создав опасность для общественного здравоохранения, вытеснив жителей и напрягая ресурсы управления чрезвычайными ситуациями по всему региону.
  • Перерыв судоходных маршрутов и увеличение транспортных расходов: Как высокий, так и низкий уровень воды ограничивают навигацию, заставляя суда перевозить более легкие грузы, увеличивая количество требуемых поездок и повышая затраты для отраслей, зависящих от судоходства по Великим озерам.
  • Снижение популяций рыб и потеря среды обитания: Быстрые колебания уровня воды нарушают нерест рыбы, наводняют или подвергают опасности критические места обитания водно-болотных угодий, а также изменяют динамику пищевой сети, угрожая как коммерческому, так и рекреационному рыболовству.
  • Увеличение расходов на техническое обслуживание и адаптацию инфраструктуры: Системы водозабора, сооружения по водоснабжению, пристани для сточных вод, электростанции и другая инфраструктура требуют дорогостоящих модификаций для работы в более широких диапазонах уровней воды, с миллиардами долларов инвестиций.
  • Сельскохозяйственные последствия и проблемы с водоснабжением: Наводнение разрушает сельскохозяйственные культуры и делает поля недоступными, в то время как низкий уровень воды влияет на ирригационные системы и доступность подземных вод, снижая производительность сельского хозяйства и увеличивая затраты.
  • Ограничения на производство энергии: Гидроэлектростанции и тепловые электростанции сталкиваются с эксплуатационными проблемами из-за экстремальных уровней воды, что потенциально снижает выработку электроэнергии и увеличивает затраты на электроэнергию для потребителей.
  • Деградация экосистем и утрата биоразнообразия: Изменение уровня воды вызывает стресс у водных и прибрежных экосистем, угрожая видам, которые зависят от конкретных условий обитания и снижая экологические услуги, которые предоставляют здоровые экосистемы.
  • Экономические потери в различных секторах: Совокупное воздействие на судоходство, туризм, рыболовство, обрабатывающие отрасли, сельское хозяйство и другие отрасли создают значительные экономические издержки, которые пульсируют в региональной экономике Великих озер стоимостью 6 триллионов долларов.
  • Повышенная неопределенность и проблемы планирования: Большая изменчивость и более частые крайности затрудняют планирование инвестиций в инфраструктуру, управление ресурсами и принятие долгосрочных бизнес-решений, создавая дополнительные экономические риски и затраты.