Jurnal Internasional Adaptasi terhadap Kekurangan Air di Masa Depan di Amerika Serikat Disebabkan oleh Pertumbuhan Populasi dan Perubahan Iklim – Brown – – Masa Depan Bumi

Download Jurnal Disini

1 Pendahuluan

Permintaan air dan tren pasokan di masa lalu di Amerika Serikat mencerminkan sejarah adaptasi. Di sisi permintaan, penarikan total di Amerika Serikat meningkat sembilan kali lipat selama delapan dekade pertama abad kedua puluh ketika populasi tumbuh dan negara-negara barat terus berkembang (Brown, 2000), tetapi sekitar 1985 mereka stabil (Maupin et al., 2014), meskipun pertumbuhan populasi terus berlanjut, sebagai akibat dari penurunan penarikan per kapita yang luar biasa. Peningkatan penarikan telah difasilitasi oleh adaptasi sisi pasokan, terutama pembangunan waduk dan saluran air (saluran, terowongan, dan saluran pipa). Namun, tingkat pembangunan waduk memuncak pada 1960-an dan telah menurun sejak (Ruddy & Hitt, 1988; Korps Insinyur Angkatan Darat AS, 2016), sebagai situs yang menjanjikan untuk tempat baru waduk menjadi langka dan tekanan meningkat untuk melindungi aliran arus sisa (Gillilan & Brown, 1997). Penurunan tajam dalam konstruksi tidak diragukan lagi berkontribusi pada stabilitas relatif dari total penarikan baru-baru ini, tetapi stabilitas itu dimungkinkan terutama oleh adaptasi sisi permintaan yang meningkatkan efisiensi penggunaan air di semua sektor penggunaan air (Brown et al., 2013 [19659004]) dan oleh perubahan struktural di sektor termoelektrik dan industri.
         

Meskipun kemampuan kita untuk beradaptasi telah memungkinkan kita untuk menghindari kekurangan air yang melumpuhkan, masa depan mungkin membawa tantangan adaptasi yang lebih besar daripada yang sebelumnya, karena selain pertumbuhan penduduk yang berkelanjutan, perubahan iklim akan mengurangi pasokan air dan meningkatkan permintaan air di banyak lokasi. Meskipun penelitian menunjukkan bahwa perubahan iklim kemungkinan akan membawa curah hujan yang meningkat di banyak wilayah di 48 negara bagian Amerika Serikat (selanjutnya hanya AS.), Terutama di wilayah utara, daerah lain diperkirakan menerima lebih sedikit ( Easterling et al., 2017; Hay et al., 2011; Mahat et al., 2017). Selain itu, peningkatan suhu, yang diperkirakan terjadi di mana-mana di AS, akan cenderung menurunkan aliran melalui efek suhu pada permintaan penguapan, di beberapa daerah benar-benar meniadakan efek positif dari peningkatan curah hujan dan mengarah pada penurunan aliran, seperti kemungkinan, untuk misalnya, di bagian DAS Colorado (Ficklin et al., 2013; Rasmussen et al., 2014). Selain itu, perubahan iklim diperkirakan akan meningkatkan ekstrem hidrologi (Foti et al., 2014a; Leng et al., 2016 [1965904]; Naz et al., 2016 [1965904]] ), menyebabkan kekeringan yang lebih intens dan berkepanjangan di beberapa daerah (Cook et al., 2014; Dai, 2013; Wehner et al., 2017).
         

Penilaian terbaru terhadap pasokan dan permintaan air di masa mendatang di seluruh AS menemukan bahwa beberapa wilayah cenderung menghadapi kekurangan air yang serius tanpa adanya adaptasi baru yang besar (Blanc et al., 2014 2014; Foti et al. , 2014a2014b). Pentingnya adaptasi ditingkatkan sebagian karena kesadaran bahwa terlepas dari mitigasi apa pun yang terjadi di tahun-tahun mendatang, perubahan iklim yang substansial sudah mulai bergerak karena inersia dalam sistem iklim (Meehl et al., 2005 ), dan juga karena efek hidrologi dari perubahan iklim cenderung meningkat dari waktu ke waktu.
         

Pilihan adaptasi yang diusulkan untuk menanggapi efek perubahan iklim terhadap sumber daya air mirip dengan langkah-langkah yang telah lama digunakan dalam menangani populasi dan pertumbuhan ekonomi (Binder et al., 2010; Lawler, 2009; Purkey et al., 2008; Schwarz et al., 2011). Mengenai kekurangan air, selain meningkatkan kapasitas adaptif (Dewan Riset Nasional, 2010), opsi untuk menanggapi kekurangan air yang akan datang dapat dikelompokkan ke dalam dua kategori besar, yang meningkatkan pasokan air dan yang mengurangi permintaan air ( Bates et al., 2008; Brekke et al., 2009; Hanak & Lund, 2012). Opsi pasokan air fokus pada pengembangan pasokan air baru atau peningkatan pasokan yang ada (mis., Memperbesar kapasitas penyimpanan reservoir) dan pada diversifikasi pasokan air yang ada (mis., Menghubungkan pasokan melalui saluran baru). Opsi manajemen permintaan fokus pada peningkatan efisiensi penggunaan air (misalnya, beralih ke teknologi dan peralatan hemat air baru), mengubah undang-undang dan prosedur administrasi (misalnya, mengurangi hambatan dalam transfer air), dan memperkuat insentif ekonomi (misalnya, mengubah tingkat air), dan membatasi penarikan dari sumber yang tertekan (misalnya, membatasi pemompaan air tanah dari akuifer yang berisiko).
         

Dalam penelitian ini, kami memodelkan permintaan dan pasokan air di seluruh lembah yang mencakup A.S selama sisa abad ke-21 dan mengamati bagaimana keseimbangan permintaan-pasokan diubah oleh beberapa strategi adaptasi yang berbeda. Penilaian di seluruh AS atas permintaan dan pasokan air di masa mendatang belum umum. Upaya terpadu pertama pada penilaian nasional diselesaikan oleh Dewan Sumber Daya Air (19681978), tetapi Dewan dibongkar pada awal 1980-an. Baru-baru ini, US Geological Survey (USGS) mengusulkan upaya besar lain pada penilaian nasional yang komprehensif (US Geological Survey, 2002), tetapi sampai saat ini hanya penilaian regional terpilih yang telah diselesaikan (US Geological Survey, [19659071] 2017). Namun, upaya yang kurang terperinci telah selesai. Penilaian baru ini cenderung berfokus pada efek potensial dari perubahan iklim terhadap pasokan dan permintaan air di masa depan (Foti et al., 2012; Roy et al., 2012; Strzepek et al ., 2010) tetapi umumnya belum meneliti efek potensial dari strategi adaptasi.
         

Kami memodelkan pasokan dan permintaan air AS pada skala spasial yang cukup baik (204 HUC-4 basins) dan skala temporal (bulanan) untuk masing-masing dari 14 alternatif iklim masa depan yang diciptakan dengan mencocokkan dua skenario emisi gas rumah kaca di masa depan dengan tujuh model iklim global ( GCMs). Pasokan air dimodelkan dengan memperkirakan hasil air dan mengarahkan hasil-hasil tersebut melalui jalur aliran alami (hulu ke hilir) dan buatan (pengalihan transbasin) ke tuntutan akhir atau penyimpanan reservoir, dengan mempertimbangkan kendala aliran arus (lingkungan). Dengan menggunakan kerangka kerja ini, kami memproyeksikan kekurangan di masa depan dengan asumsi bahwa hanya persediaan air terbarukan yang tersedia tetapi efisiensi penggunaan air akan terus meningkat sejalan dengan tren masa lalu dan kemudian menguji efeknya terhadap peningkatan kekurangan yang diproyeksikan dari beberapa langkah adaptasi (peningkatan kapasitas penyimpanan reservoir, pengurangan di daerah irigasi, dan pengurangan arus masuk) dan penarikan lebih lanjut dari persediaan air tanah.

Tujuan utama kami adalah untuk menilai efektivitas relatif dari adaptasi alternatif dalam memperbaiki kekurangan air yang diproyeksikan. Semua langkah yang kami selidiki melibatkan biaya eksternal yang serius, tetapi penting untuk memeriksanya, jika hanya untuk memahami tekanan yang akan datang karena prospek kekurangan menjadi lebih kuat, karena adaptasi yang lebih efektif adalah yang paling mungkin untuk dilakukan. diadvokasi. Kami pergi ke pekerjaan masa depan penilaian menyeluruh dari biaya sosial dan ekonomi dari adaptasi, dan kemungkinan adopsi mereka.

2 Metode

2.1 Tinjauan

Dalam pendekatan kami, kekurangan terjadi ketika permintaan air melebihi pasokan air – memasok air yang tersedia untuk memenuhi permintaan. Frekuensi kekurangan air dihitung di sini sebagai jumlah bulan selama periode waktu multiyear tertentu ketika kekurangan terjadi. Sepanjang, kami merangkum kondisi untuk empat periode waktu 25 tahun: melewati (1986-2010), dalam waktu dekat (2021-2045), midfuture (2046–2046) 2070), dan jauh di masa depan (2071-2095).
            

Untuk menentukan efek adaptasi yang diberikan, pertama-tama kami menetapkan baseline kondisi permintaan dan penawaran untuk masing-masing dari 14 iklim masa depan yang dipilih untuk analisis. Sebagaimana dijelaskan lebih lanjut lebih lanjut pada, kondisi dasar menggabungkan sejumlah asumsi, termasuk pada sisi penyimpanan tetap penyimpanan reservoir dan kapasitas pengalihan transbasin dan perkiraan masa depan berbasis suhu GCM, curah hujan, dan variabel iklim lainnya, dan pada sisi permintaan prioritas alokasi tetap dan proyeksi perubahan populasi. Setelah mengkuantifikasi permintaan air, pasokan, dan kekurangan kondisi dasar, kami kemudian, untuk setiap iklim di masa depan, menganalisis dampak pada kekurangan satu set adaptasi yang mungkin menggunakan salah satu dari dua pendekatan: (1) mengubah komponen permintaan atau pasokan (mis. , mengurangi area irigasi atau meningkatkan kapasitas penyimpanan reservoir) dan menghitung kembali kekurangan air atau (2) secara langsung menghitung jumlah perubahan dalam beberapa aspek permintaan atau pasokan (misalnya, penambangan air tanah) yang akan diperlukan untuk meniadakan kekurangan tersebut. Penggunaan 14 iklim masa depan yang berbeda memungkinkan karakterisasi kasar dari berbagai kemungkinan efek adaptasi di masa depan.
            

2.2 Area Studi

Persediaan dan permintaan air, dan dengan demikian kekurangan air, diperkirakan untuk masing-masing dari 204 unit hidrologi empat digit (HUC ‐ 4) di AS — juga dikenal sebagai subregional (Seaber et al., 1987) dan selanjutnya disebut sebagai baskom. Cekungan adalah subdivisi dari 18 wilayah sumber daya air (WRR) dari A.S. (Gambar 1 a). Di mana kita secara luas membedakan timur dari barat, timur terdiri dari WRR 1–9 dan barat dari WRR 10–18.
            

 image

Luas dan skala penelitian. (A) Wilayah sumber daya air (bernomor) dan cekungan huc-4. (B) Jaringan cekungan.

Dari 204 cekungan, 66 drain ke laut atau Great Lakes, 9 drain ke Meksiko atau Kanada, 12 adalah cekungan tertutup, dan 117 cekungan mengalir ke cekungan lain. Seperti model, 167 cekungan diatur dalam tujuh jaringan multibasin (Gambar 1 b) Dalam jaringan ini, setiap cekungan terhubung ke setidaknya satu cekungan lainnya melalui jalur aliran alami (hulu ke hilir) atau buatan (pengalihan transbasin) .S 37 cekungan yang tersisa tidak terhubung dengan yang lain ( tiga adalah cekungan tertutup tanpa pengalihan transbasin, dan yang lainnya berada di pinggiran AS). Jalur aliran alami ditentukan dari National Hydrography Dataset (US Geological Survey, 2013). Lokasi pengalihan transbasin diambil dari Petsch (1985) dan Mooty dan Jeffcoat ([19659096] 1986).
            

2.3 Futures Iklim

Meskipun model iklim terus ditingkatkan, ketidakpastian substansial tetap tentang proyeksi, yang menjadi jelas ketika membandingkan hasil dari berbagai model iklim untuk skenario emisi gas rumah kaca yang diberikan (misalnya, Byun et al., [19659100] 2019; Hamlet et al., 2013; Hay et al., 2011; Leng et al., 2016; Mahat et al. , 2017; Naz et al., 2016). Oleh karena itu perlu ketika menilai dampak potensial dari perubahan iklim pada kondisi masa depan untuk menggunakan beberapa model iklim, memberikan gambaran kasar tentang kisaran potensi hasil dan gagasan tentang ketidakpastian tentang proyeksi. Perhatikan bahwa proyeksi iklim juga mungkin berbeda dengan prosedur downscaling, tetapi di sini kami tidak menyelidiki variabilitas di antara prosedur downscaling.
            

Kami memproyeksikan kekurangan air untuk 14 masa depan iklim yang diciptakan dengan mencocokkan dua jalur konsentrasi representatif (RCP 4.5 dan 8.5) dengan tujuh GCM (Tabel 1) termasuk di antara model yang digunakan untuk Model Fifth Coupled Proyek Interkomparasi (CMIP5; Taylor et al., 2011). Tujuh GCM dipilih berdasarkan ketersediaan data curah hujan dan suhu downscaled dan data kecepatan angin kasar resolusi terkait, sebagaimana dirangkum berikutnya dan dijelaskan lebih lengkap oleh Mahat et al. (2017).
            

Tabel 1.
            
Model Iklim Digunakan
               
ModelNama pendek
BCC ‑ CSM1.1BCC
CanESM2BISA
CSIRO M Mk3.6.0CSIRO [192G-2] 19659121] GFDL
IPSL-CM5A-LRIPSL
MIROC-ESMMIROC
MPI-ESM L LRsecara bersamaan diikatkan secara terpisah pada saat bersamaan ected × ⅛ ° skala curah hujan harian dan minimum (Tmin) dan maksimum (Tmaks) suhu dari model CMIP5 diperoleh dari Biro Reklamasi AS ( Biro Reklamasi AS, 2013). Proyeksi kecepatan angin resolusi kasar dari model CMIP5 (Program untuk Diagnosis dan Interkomparasi Model Iklim, 2014) diinterpolasi secara spasial berdasarkan kecepatan angin yang diamati pada abad ke-20. Untuk model CMIP5 dan RCP yang diberikan, kecepatan angin untuk setiap sel grid ⅛ ° × grid ° diperkirakan sama dengan grid kasar yang sesuai (mis., 3.8 ° × 3.8 °) kecepatan angin dari proyeksi CMIP5 dikalikan dengan rata-rata jangka panjang dari rasio kecepatan angin historis ⅛ ° × ⅛ ° dengan kecepatan angin grid kasar historis. Nilai tanah, vegetasi, dan salju albedo di masa depan diasumsikan sama dengan di masa lalu.
            

Suhu tahunan rata-rata di seluruh AS diproyeksikan akan meningkat dengan ke-14 berjangka (informasi pendukungGambar S1a), tetapi pada tingkat yang berbeda, sehingga pada periode yang jauh di masa depan ada adalah variasi yang cukup besar, dengan suhu rata-rata naik dari periode masa lalu ke periode masa depan jauh dari 1,5 ° C (GFDL45) ke 6,2 ° C (MIROC85). Peningkatan suhu rata-rata RCP adalah 2,8 ° C untuk RCP 4,5 dan 5,0 ° C untuk RCP 8.5 (Gambar S1a). Tren yang diproyeksikan dalam curah hujan A.S., di sisi lain, tidak secara konsisten naik atau turun (Gambar S1b). Empat berjangka mengharapkan akhir abad berarti curah hujan tahunan lebih rendah daripada di masa lalu baru-baru ini, sementara 10 berjangka lainnya mengharapkan peningkatan. Rata-rata perubahan curah hujan tahunan dari periode masa lalu ke periode masa depan jauh di antara masa depan dari ─2,6 cm (IPSL85) menjadi 12,8 cm (CAN85), tetapi perubahan curah hujan rata-rata yang sesuai dari RCP hampir identik, sekitar 3,0 cm. Kedua rata-rata RCP menunjukkan peningkatan bertahap selama abad ini (Gambar S1b). Untuk lebih lanjut tentang 14 berjangka iklim ini, lihat Mahat et al. (2017).
            

2.4 Pasokan Air Baseline

Untuk kondisi dasar, pasokan air dari baskom pada bulan tertentu sama dengan hasil air yang dihasilkan di cekungan ditambah aliran masuk dari cekungan hulu, impor bersih melalui pengalihan transbasin, dan reservoir dalam-cekungan penyimpanan dari bulan sebelumnya (setelah dikurangi penguapan dari penyimpanan itu) dan dikurangi arus masuk aliran baskom yang diperlukan dan dilepaskan ke pengguna hilir. Perhatikan bahwa untuk kondisi awal penambangan air tanah kami – cerukan air tanah yang berkepanjangan, menyebabkan penurunan muka air dalam jangka panjang atau berkurangnya kepala hidraulik dari akuifer tertekan – tidak dianggap sebagai sumber pasokan. Dalam mengecualikan penambangan air tanah, garis dasar berfokus pada sumber air terbarukan, yang dapat mencakup pemompaan hasil air baru-baru ini yang telah meresap ke dalam reservoir air tanah.

Pengaruh perubahan iklim terhadap aliran sungai (dan dengan demikian pasokan air) akan bervariasi berdasarkan musim, mungkin meningkatkan aliran di beberapa musim sambil menurunkannya di musim lain (Leng et al., 2016; Naz et al., 2016). Sebagai contoh, di daerah yang didominasi salju, puncak limpasan abad ke akhir diproyeksikan terjadi hingga satu atau dua bulan lebih awal daripada di masa lalu, umumnya mengarah ke aliran yang lebih rendah di musim panas (misalnya, Byun et al., 2019 [19659004]; Ficklin et al., 2013; Hamlet et al., 2013; Mahat et al., 2017; Rasmussen et al., 2014). Untuk menangkap variasi musiman ini, kami memodelkan pasokan air pada langkah waktu bulanan.
            

Hasil air diperkirakan dengan model kapasitas infiltrasi variabel (VIC) (Cherkauer et al., 2003; Liang et al., 1994; Liang et al., [19659166] 1996; Nijssen et al., 1997). Model VIC adalah model hidrologis berbasis-semidistribusi, macroscale, grid yang memecahkan energi vertikal dan keseimbangan air di setiap sel grid pada langkah waktu harian dan telah berhasil diterapkan di tempat lain (Cayan et al., 2010 ; Christensen & Lettenmaier, 2007). Kalibrasi model VIC kami dijelaskan oleh Mahat et al. (2017). Penempaan iklim diperlukan untuk menjalankan model VIC untuk AS untuk periode historis (1950-2010) (presipitasi, Tmin dan Tmaksdan kecepatan angin ) dan input model lainnya (sifat tanah, karakteristik vegetasi, dan data albedo salju) diperoleh dari Kelompok Pemodelan Air Permukaan Universitas Washington (2013). Set data ini dikisi pada ⅛ ° × ⅛ °, lintang demi bujur (sekitar 12 × 12 km). Forcings iklim downscaled yang digunakan untuk menjalankan model VIC untuk tahun mendatang (2011–2100) diperoleh untuk futures berbasis CMIP5 yang dirujuk di atas. Semua menjalankan VIC dilakukan pada langkah waktu harian dan skala spasial sel jaringan. Perkiraan VIC untuk aliran permukaan dan aliran dasar dijumlahkan untuk menghitung hasil air. Hasilnya digabungkan dengan langkah waktu bulanan dan skala spasial wilayah sungai.
            

Kapasitas penyimpanan reservoir basin ditetapkan sama dengan jumlah volume penyimpanan normal semua reservoir yang terdaftar dalam database Inventarisasi Dam Nasional 2013 (US Army Corps of Engineers, 2016) memiliki setidaknya 100 volume penyimpanan yang tersedia untuk setidaknya satu dari tujuan berikut: pasokan air, irigasi, atau perlindungan kebakaran / stok / tambak kecil (dalam beberapa kasus penetapan tujuan diubah dengan informasi tambahan berbasis web). Daftar yang dihasilkan termasuk 10.544 waduk dengan total kapasitas penyimpanan 422 Bm 3. Lihat Gambar 7 a untuk kapasitas penyimpanan yang dihasilkan oleh cekungan.
            

Jumlah pengalihan transbasin ditetapkan sama dengan pengalihan tahunan rata-rata yang dilaporkan oleh Petsch (1985) dan Mooty dan Jeffcoat (1986) selama bertahun-tahun 1980–1982, sebagaimana telah diubah dengan yang terbaru informasi untuk California (Departemen Sumber Daya Air California, 1998), Colorado (Dewan Konservasi Air Colorado, 19982010; Litke & Appel, 1989), DAS Colorado Bawah (Komisi Batas dan Air Internasional, 2006), dan lokasi lain dari sumber lain-lain.
            

Perkiraan kami tentang volume penambangan air tanah di masa lalu sama dengan penarikan air tanah di masa lalu (Hutson et al., 2004; Kenny et al., 2009; Maupin et al., 2014) minus jumlah rata-rata hasil tahunan yang kemungkinan besar baru-baru ini telah menyusup dan menjadi tersedia untuk dipompa dan sangat bergantung pada perkiraan penipisan air tanah baru-baru ini (Russo et al., 2014). Lihat informasi pendukung bagian B untuk penjelasan.
            

2.5 Permintaan Air Dasar

Permintaan air tahunan awal diperkirakan sebagai jumlah bersih dari penipisan air yang akan terjadi jika pasokan air tidak lebih membatasi daripada yang terjadi di masa lalu. Yaitu, kecuali untuk efek perubahan iklim, permintaan di masa depan diperkirakan dengan asumsi bahwa persediaan di masa depan akan sama seperti persediaan di masa lalu. Penipisan air bersih dihitung sebagai kali penarikan faktor penggunaan konsumtif, atau pada dasarnya penarikan minus aliran balik, dengan faktor penggunaan konsumtif dihitung berdasarkan surat edaran penggunaan air USGS untuk tahun 1990 dan 1995 (Solley et al., 19931998).
            

Total permintaan air tahunan diperkirakan untuk setiap cekungan. Pemodelan pada skala DAS tentu saja mengabaikan pengaturan hukum yang dapat membedakan antara pemegang hak air individu dalam DAS. Permintaan air tahunan diperkirakan dengan menjumlahkan proyeksi untuk enam sektor penggunaan air: domestik dan publik; irigasi pertanian; termoelektrik; industri, komersial, dan pertambangan; ternak; dan akuakultur. Metode yang kami gunakan untuk memproyeksikan permintaan air tahunan baseline mengikuti yang dijelaskan oleh Brown et al. (2013). Data penggunaan air di masa lalu (dari sumber air permukaan dan air tanah) berasal dari surat edaran penggunaan air USGS empat tahun untuk tahun 1960 hingga 2010 atau untuk penggunaan air tenaga termoelektrik dari Diehl dan Harris (Diehl & Harris, 2014; Maupin et al., 2014). Penarikan air di masa depan di setiap sektor diperkirakan sebagai produk dari pengemudi penggunaan air (mis., Populasi dan daerah irigasi) dan tingkat pengambilan air (mis., Penarikan domestik per kapita dan penarikan irigasi per unit area). Efek perubahan iklim kemudian ditambahkan ke beberapa proyeksi: permintaan domestik dan publik dan irigasi dimodelkan sebagai dipengaruhi oleh perubahan curah hujan di masa depan dan evapotranspirasi potensial, dan permintaan termoelektrik dimodelkan sebagai dipengaruhi oleh perubahan suhu lingkungan di masa depan (Brown et al. , 2013).
            

Yang paling penting di antara pengemudi penggunaan air adalah populasi, daerah irigasi, dan penggunaan listrik. Populasi AS diproyeksikan akan meningkat dari 308 juta orang pada 2010 menjadi 514 juta pada 2100, yang mencerminkan tingkat pertumbuhan tahunan yang secara bertahap menurun dari sekitar 0,8% menjadi 0,3% selama periode 90 tahun itu (Brown et al., 2013 [19659004]skenario A1B); daerah irigasi diproyeksikan meningkat di Timur dan menurun di Barat mengikuti tren yang telah ada (Brown et al., 2013); dan total konsumsi listrik per kapita diasumsikan meningkat dari 12.522 kWh / tahun pada 2010 menjadi 13.398 kWh / tahun pada tahun 2100, mengikuti tingkat pertumbuhan tahunan yang secara bertahap menurun dari 1,2% menjadi 0,01% selama periode 90 tahun.
            

Meskipun beberapa tren masa lalu dalam faktor-faktor yang mempengaruhi penggunaan air jelas cenderung meningkatkan penggunaan air, seperti pertumbuhan populasi dan konsumsi listrik per kapita, yang lain tidak. Tren terakhir dalam tingkat penarikan air di sebagian besar sektor, dan tren masa lalu di daerah irigasi di barat, telah miring ke bawah, sehingga cenderung menurunkan penarikan (informasi pendukung Tabel S1), sebagai pengguna air menanggapi perubahan keadaan dan insentif seperti meningkatnya biaya (sebagian besar disebabkan oleh kelangkaan air yang akan datang) dan kontrol lingkungan (sebagian besar karena masalah kualitas air) dan mengambil keuntungan dari perbaikan dalam air menggunakan mesin dan peralatan (Brown, 2000). Misalnya, dari tahun 1985 hingga 2010, penarikan domestik dan publik AS per kapita turun sebesar 11%, penarikan air tawar termoelektrik AS per kilowatt jam yang dihasilkan turun sekitar 20% (terutama karena perpindahan dari sistem pendingin sekali pakai ke resirkulasi), dan irigasi penarikan per unit area di Barat turun 21% (berdasarkan edaran penggunaan air USGS). Sebagai hasil dari perubahan sektoral tersebut, penarikan air total per kapita pada periode yang sama menurun sebesar 17%, dan total penarikan naik hanya sekitar 8% meskipun terjadi peningkatan populasi sebesar 30%. Untuk garis dasar, kami mengasumsikan kelanjutan dari tren masa lalu itu – yaitu, kami menganggapnya mengingat bahwa efisiensi penggunaan air akan terus meningkat sebagai tanggapan terhadap kelangkaan air yang semakin meningkat. Dalam kebanyakan kasus, trennya nonlinier, mencerminkan pelemahan bertahap dari tren yang menurun (Tabel S1).
            

Estimasi penarikan tahunan dibagi menjadi beberapa bulan berdasarkan sektor air. Proporsi bulanan untuk sektor domestik dan publik dihitung berdasarkan data dari 232 penyedia air, terutama kota-kota, di seluruh AS (Foti et al., 2012). Untuk sektor termoelektrik, proporsinya didasarkan pada data generasi bersih dari pabrik di AS dari Departemen Energi. Untuk irigasi pertanian, proporsi untuk setiap cekungan didasarkan pada perkiraan defisit kelembaban, dihitung dari model VIC yang berjalan selama periode 1981–2010 sebagai evapotranspirasi potensial dikurangi curah hujan efektif — pengendapan efektif menjadi bagian dari curah hujan yang dapat digunakan untuk tanaman (Brown et al ., 2013). Dan untuk sektor industri dan komersial, peternakan, dan akuakultur proporsinya diasumsikan sama sepanjang tahun. Proporsi bulanan tetap konstan dari waktu ke waktu, sebuah asumsi penyederhanaan yang kami perkirakan memiliki efek minimal pada estimasi perubahan kekurangan dengan adaptasi yang sedang dianalisis.
            

Persyaratan aliran aliran bulanan di baskom ditetapkan sebesar 10% dari rata-rata hasil air bulanan (1953–1985) (Tennant, 1976). Jumlah konstan ini diterapkan pada kondisi masa lalu dan masa depan, tanpa menyesuaikan dengan pergeseran dalam hasil air rata-rata karena perubahan iklim.
            

2.6 Analisis Jaringan

Model Evaluasi dan Perencanaan Air (WEAP) (Yates et al., 2005) digunakan untuk merutekan air dalam jaringan dan menghitung kekurangan air bulanan. Model ini menggunakan pemrograman linier untuk menyelesaikan masalah alokasi air, yang tujuannya adalah untuk memaksimalkan kepuasan permintaan sesuai dengan prioritas alokasi, keseimbangan massa, ketersediaan air, dan kendala lainnya. Himpunan kendala ditulis sedemikian rupa sehingga dalam situasi kekurangan (yaitu, di mana serangkaian permintaan terkait dengan prioritas yang sama tidak dapat dipenuhi sepenuhnya dalam bulan tertentu), persentase yang sama dari setiap kuantitas permintaan dari prioritas yang diberikan terpenuhi. Bulan diselesaikan secara berurutan tanpa tinjauan ke masa depan.
            

Dalam WEAP, permintaan dipenuhi dari hasil air saat ini sebelum penyimpanan reservoir digunakan. Jika penyimpanan reservoir disadap, semua reservoir hulu dengan prioritas yang sama adalah kandidat dan WEAP berupaya untuk meninggalkan masing-masing reservoir tersebut dengan persentase penyimpanan aktif yang sama. Dengan demikian, WEAP memaksakan semacam pembagian tidak hanya dalam memenuhi permintaan tetapi juga dalam mempertahankan tingkat penyimpanan reservoir. Pembagian itu mungkin atau mungkin tidak mencerminkan alokasi yang akan terjadi sebagai hasil dari implementasi perjanjian berbagi antarbintang yang sebenarnya. Itu berada di luar cakupan penilaian ini untuk secara akurat memodelkan pengaturan hukum yang mempengaruhi banyak perjanjian berbagi transbasin di seluruh AS. Pada dasarnya, posisi fallback pembagian proporsional dalam WEAP mengimplementasikan alokasi persediaan yang tersedia berbasis ekuitas.

Input ke WEAP model mencakup hal-hal berikut untuk setiap cekungan: nilai bulanan hasil air, permintaan air, jumlah pengalihan transbasin (mungkin 0), dan kendala aliran instream; nilai kapasitas penyimpanan reservoir, laju penguapan, dan kurva peningkatan volume; dan prioritas berbagai penggunaan air. Model WEAP dijalankan pada langkah waktu bulanan untuk periode 1950 hingga 2100 untuk menghitung kekurangan air masa lalu dan masa depan untuk setiap cekungan dalam setiap jaringan. Hasil untuk tahun-tahun awal (1950-1985) tidak digunakan tetapi berfungsi untuk menginisialisasi tingkat penyimpanan reservoir.

Persyaratan aliran instream ditetapkan sebagai prioritas pertama, pengalihan transbasin dan kemudian permintaan konsumtif dalam-baskom diberikan dua prioritas berikutnya yang lebih rendah, dan penyimpanan reservoir diberi prioritas terendah. Urutan prioritas ini menjamin sejumlah kecil air untuk kebutuhan lingkungan dan ekosistem sebelum kebutuhan lain terpenuhi dan memenuhi perjanjian pengalihan air utama sebelum memenuhi tuntutan lokal. Air disimpan hanya jika reservoir belum penuh dan air tidak dapat memenuhi penggunaan prioritas yang lebih tinggi pada bulan tertentu. Penggunaan air milik kelas yang sama diberi prioritas yang sama terlepas dari posisi mereka di jaringan. Sebagai contoh, batasan aliran aliran puas – jika mungkin diberikan ketersediaan air dan kapasitas perutean – di semua cekungan dalam jaringan sebelum penggunaan lainnya dipenuhi di sembarang cekungan jaringan.

2.7 Perhitungan Kekurangan

Pendekatan kami, yang mirip dengan Foti et al. (2014a), membandingkan permintaan air dengan persediaan air. Pasokan baskom (yaitu, air yang tersedia untuk memenuhi permintaan di luar aliran sungai pada bulan tertentu) dihitung di sini sebagai hasil air basin ditambah impor transbasin bersih (mungkin negatif) ditambah penyimpanan reservoir baskom dari bulan sebelumnya ditambah aliran masuk dari hulu ( ini dapat mencakup pelepasan dari reservoir hulu, sesuai dengan aturan pembagian kekurangan yang diterapkan dalam WEAP) dikurangi pelepasan aliran instream yang diperlukan dikurangi penguapan reservoir dikurangi pelepasan yang diperlukan untuk memenuhi permintaan hilir (sekali lagi sesuai aturan pembagian WEAP). Dengan demikian, persediaan bukan merupakan input ke model routing; melainkan, itu diperoleh dari simulasi perutean air. Jika tidak diperlukan untuk memenuhi permintaan penggunaan konsumtif yang dapat diakses, persediaan bak yang dapat diperbarui disimpan di reservoir jika memungkinkan dan dilepaskan sebaliknya. Jika bulan sebelumnya berakhir dalam situasi kekurangan, penyimpanan reservoir awal bulan ini akan menjadi nol; jika tidak, penyimpanan reservoir awal cenderung positif.
            

3 Hasil dan Diskusi

3.1 Hasil Air dan Permintaan di Seluruh AS Di Bawah Perubahan Iklim

Hasil air dalam penelitian ini adalah kontribusi terhadap pasokan air terbarukan yang dihasilkan dari curah hujan baru-baru ini, apakah kontribusi tersebut tersedia sebagai permukaan atau tanah air, sama dengan jumlah limpasan permukaan dan aliran dasar diperkirakan menggunakan model VIC. Hasil air di masa lalu tentu saja paling besar di daerah yang lebih basah di A.S (Gambar 2 a). Proyeksi hasil air, yang paling penting mencerminkan proyeksi berdasarkan suhu dan curah hujan GCM, bervariasi secara substansial di antara 14 berjangka dan tidak menunjukkan tren yang konsisten (informasi pendukung Gambar S2). Untuk AS secara keseluruhan, dari periode lalu (tahun 1985 hingga 2010) ke periode midfuture (tahun 2046 hingga 2070), enam berjangka menunjukkan peningkatan dan delapan menunjukkan penurunan. Perubahan dalam hasil tahunan rata-rata dari masa lalu ke periode pertengahan masa depan berkisar dari -2,6 cm (IPSL85) menjadi 1,5 cm (MPI45). However, the RCP averages, each computed across seven futures, are in close agreement, with mean annual yield projected to initially decrease and then stabilize in middle to late century. RCP average changes in mean annual yield from the past period to the midfuture period are −0.3 cm for RCP 4.5 and −0.7 cm for RCP 8.5 (Figure S2). The projected RCP yields are similar largely because, relative to RCP 4.5, increases in precipitation with RCP 8.5 act to compensate for the effects of temperature increases on water yield (Mahat et al., 2017).
            

image

Past and projected annual water yield and demand by basin. (a) Water yield in past period (Bm3). (b) Percent change in water yield from past period to mid future period, mean of 14 futures. (c) Water demand in the past period (Mm3). (d) Percent change in water demand from past period to mid future period, mean of 14 futures. Time periods: past (1985–2010) and midfuture (2046–2070).
                     

Projected changes in yield are highly variable across basins. Averaging across the 14 futures, from the past to the midfuture period, 145 basins show decreases in yield and 59 show increases, with the most severe decreases occurring in the Southwest, the middle to southern Great Plains, and Florida, and the greatest increases occurring in the larger Northwest, Great Basin, and California (Figure 2b).
            

Water demand herein is water consumption, equivalent to withdrawal minus return flow. Past water demand is highly variable across basins, with areas of greatest demand tending to occur in areas of least yield (Figures 2a and 2c). Future levels of water demand will reflect ongoing changes in water use drivers (e.g., population, economic growth, and climate) and in water use rates in the various water use sectors (e.g., domestic withdrawal per person and thermoelectric withdrawal per kilowatt hour produced). As described in section 2.5water use rates in most sectors declined in recent decades.
            

In projecting future water demand, we assume that the declining past trends in water use rates will continue, although at a gradually attenuating rate as the practical limits of adaptability in the various sectors are approached. From 2010 to 2060, for example, if the climate were to remain stable, we project that aggregate U.S. withdrawal per capita would fall by 25% and that total withdrawal would increase by only 8% despite a population increase of 44%. The 25% drop in overall withdrawal rate reflects projected reductions in withdrawal rates in all major water use sectors (supporting informationTable S1).
            

Projected changes in climate will affect water use in several sectors (Georgakakos et al., 2014; Parry et al., 2007), as rising potential evapotranspiration rates, plus decreasing precipitation in some areas, raise agriculture and landscape irrigation demands and rising temperatures raise electricity demands. Based on modeling the effects of climate change on water use in the domestic and public, thermoelectric, and agricultural sectors, and averaging across the 14 different climate futures considered here, we project that aggregate U.S. withdrawal per capita will fall from 2010 to 2060 by 16%—thus, at substantially lower rates of decline than without climate change—and desired total withdrawal will increase by 22%. As with water yield, there is substantial variation across the different climate futures; for example, the change in projected U.S. desired total withdrawal ranges across the futures from 16% to 32%. Of course, the increases would be higher in the absence of the assumed declines in water use rates.
            

Projected percent changes in water demand vary substantially across basins, reflecting the combined effects of changes in drivers of water use and changes in water use rates in the various water use sectors. Projected changes in total demand from the past to the midfuture period, for example, are positive in most basins but slightly negative in some western basins (Figure 2d), where the effect of the projected decrease in irrigated area outweighs the effects of increasing water application rates in response to climate change as well as the increases in demand in other sectors (Brown et al., 2013).
            

3.2 Baseline Projected Water Shortages if Relying Only on Renewable Water Supplies

If off‐stream users had relied solely on renewable water supplies—that is, if groundwater mining (i.e., sustained pumping beyond levels of recent recharge) had not occurred—but employed the full component of existing water storage and diversion capacity, past period shortages would have been significant, with 40 basins incurring at least 1 month of shortage and 17 basins incurring shortages in at least 20% of the months over the period (Figure 3a), with the shortages occurring largely during the summer months. Those shortages are concentrated in the middle and southern Great Plains, the Southwest, and much of California (Figure 3b).
            

image

Mean shortage frequency if relying only on renewable water supplies. (a) Shortage frequency by time period, mean of 14 futures. (b) Shortage frequency by basin, midfuture period, mean of 14 futures. (c) Shortage frequency by time period, mean of four wet futures. (d) Shortage frequency by time period, mean of four dry futures. Wet futures (relatively high water yield in the middle and far future periods) are CAN45, CAN85, GFDL45, and GFDL85. Dry futures (relatively low water yield in the mid and far future periods) are CSIRO85, IPSL45, IPSLS85, and MIROC85. Time periods: past (1985–2010), near future (2021–2045), midfuture (2046–2070), and far future (2071–2095).

In future periods, as population and economic growth plus the changing climate alter water yield and demand, shortages are projected to increase substantially, in the absence of adaptation measures, with many of the 14 futures we examined. Averaging across the 14 futures, 83, 92, and 96 basins are projected to incur some level of monthly shortage in the near, middle, and far future periods, respectively (Figure 3a). At the low end, at least one‐quarter of those basins are projected to face only a very low (<1%) chance of shortage in the respective periods, and at the high end about one quarter of those basins are projected to face a>20% chance of shortage (Figure 3a). The increases in shortages occur despite the assumed water use efficiency improvements.
            

Projected shortages vary widely among the 14 climate futures, but they do not vary much across the two RCPs except in the far future period (supporting information Figure S3). Rather, to depict the variation across the possible future climates, we summarize projected shortages for the four futures of highest water yield in the middle and far future periods and the four futures of lowest water yield in those periods. Given the wet (high water yield) future, shortage frequency increases (above past period levels) somewhat in the near future period but not much after that, as precipitation generally increases to balance out the effects of rising temperatures on water yields and demands, and thus on water shortages, all else equal (Figure 3c). However, given the dry (low water yield) future, all three future periods (and especially the far future period) incur markedly higher shortage frequencies than in the past period (Figure 3d). The differences in projected shortages between these wet and dry scenarios highlight the current uncertainty about future water shortages.
            

The next four sections examine the effects of four major adaptations on shortages in the roughly one half of the basins in the U.S. that are projected to incur shortages in the baseline condition, shown in Figure 3b.
            

3.3 Effect of Reduced Irrigation on Water Shortages

As shortages become more common and severe, users in high‐value sectors—typically the municipal, industrial, and energy sectors—look to lower‐valued uses for additional supply (Flörke et al., 2018). Irrigated agriculture, which is the primary user in most basins, often accounting for over 75% of annual consumption (Figure 4a), has been the primary source of water transfers to higher‐valued sectors (Brewer et al., 2008; Brown, 2006). Because future water transfers from agriculture are very likely, the prospect of water transfers raises concerns about food security. Thus, a primary question is, how much of a reduction in agricultural irrigation, beyond that already projected to occur in the baseline futures based on an extension of past declining trends in western irrigated area and application rate, would be needed to accommodate the projected increase in water shortages, all else equal?
            

image
Irrigation water consumption in relation to projected water shortages. (a) Percent of total consumption in 2010 going to irrigation. (b–d) Mean annual percent of irrigation consumption needed to offset the projected increases in shortage, by future time period, mean of 14 futures (b), mean of four wet futures (c), and mean of four dry futures (d). See Figure 3 for definitions of time periods and of wet and dry futures.
                     

Areas of greatest projected shortages tend also to be areas of extensive irrigation (Figures 3b and 4a), suggesting that shortages could be avoided by reducing agricultural irrigation. On average across the 14 climate futures, we find that projected increases in shortages in 68 (near future period) to 90 (far future period) basins could be removed by cutting back on agricultural irrigation (Figure 4b). Further, a mere reduction of 2% of irrigation consumption could on average remove shortages in about one third of those basins. However, in a minority of basins the reduction would need to be substantial. For example, at least a 30% reduction would be needed in 6, 9, and 18 basins in the near, middle, and far future periods, respectively, to balance out the projected shortage increases (Figure 4b). Those basins are concentrated in the Southwest and central and southern Great Plains.
            

As with projected shortages (Figures 3c and 3d), the required changes in irrigated agriculture needed to avoid projected increases in water shortage depend critically on the future climate. Given the wet (high water yield) future scenario, in the midfuture period, for example, a >30% reduction in irrigation water consumption would be needed in only two basins (Figure 4c), whereas given the dry future a >30% reduction would be needed in 14 basins (Figure 4d).
            

Assessing the effect of irrigation reductions on food security is complicated by several factors including (1) some crops, or parts of crops, are used to produce biofuels, (2) large portions of some field crops, such as corn, are exported, and (3) much irrigated area is used for animal feed, only some of which is related to human food consumption. A comprehensive assessment of the impact of water shortages on food security is beyond the scope of this paper, but we can gain some insight by looking at the portion of basins' irrigated area growing the following seven crops used primarily for animal feed or biofuels: hay, field corn, soybeans, sorghum, millet, rapeseed, and switchgrass. In 2012 about 60% of the irrigated agriculture area in the U.S. was planted in these seven crops, with percentages particularly high in the Midwest and northern Plains (National Agricultural Statistics Service, 2012; supporting information Figure S4). On average across the 14 futures, we find that if irrigation of these crops were eliminated wherever needed to offset the projected shortages, the U.S. total irrigated area of these crops would be reduced by 7%, 8%, and 10% in the near, middle, and far future periods, respectively. Doing so would completely offset the shortages in all but 6, 8, and 10 basins in the near, middle, and far future periods, respectively (these basins are located mainly in Florida, Louisiana, Texas, Arizona, and California, and thus not in areas where the seven crops most dominate irrigated agriculture). We hasten to point out, though, that the effects of shortages on food security depend on the eventual crop mix in future periods, which may be quite different from what it was in 2012. In addition, to some extent decreases in irrigated area could be avoided by improving irrigation efficiency more than already assumed here.
            

In reality, irrigated agriculture is unlikely to bear the full burden of accommodating future water shortages. The value of water in all sectors covers a range, including some low‐valued uses. Nevertheless, given the large quantities of water used in agriculture and the fact that most of that water is used to grow relatively low‐value crops (Schaible & Aillery, 2012), the agriculture sector is likely to face serious challenges, all else equal. Next, we look at some options for limiting projected shortages that could potentially reduce the pressure on irrigated agriculture.
            

3.4 Effect of Groundwater Mining on Water Shortages

Groundwater mining has commonly been used where possible to supplement renewable supplies, especially in drier regions of the U.S., but was not included in baseline supplies because such mining is not sustainable in the long run. However, given that groundwater mining will certainly be relied upon in the future, it is useful to examine the extent to which groundwater mining could prevent the increases in future shortages that we estimate would occur if only renewable supplies were available. For this purpose, we isolated 45 basins that are likely to have relied on groundwater mining and estimated the amount of water in those basins that has typically been made available by mining. Among the 45 basins, estimated annual groundwater mining ranges from 5% to 95% of recent past groundwater withdrawal (Figure 5a).
            

image

Groundwater mining and its impact on water shortage increases. (a) Estimated mean annual past groundwater mining as a percent of groundwater withdrawal in years 2000, 2005, and 2010. (b) Percent of past groundwater mining needed to avoid increases in shortage among the 45 basins estimated to have mined groundwater in the past, expressed as percent of estimated past groundwater mining, by future time period, mean of 14 futures.

On average across the full set of 14 futures, groundwater mining has the potential to eliminate the projected increases in shortages in roughly 30 to 40 basins depending on the time period (Figure 5b). However, the required level of mining would be substantial in some basins. For example, in 6, 12, and 15 basins in the near, middle, and far future periods, respectively, the required groundwater mining would be at least 100% of estimated past levels. Those 6 to 15 basins are located in the Great Plains, the Southwest, and to a more limited extent in Florida and along the lower the Mississippi River. These levels of groundwater mining would be in addition to the mining already occurring to avoid actual shortages in the past period.
            

We provide these estimates to give a rough idea of the potential of groundwater mining to limit shortages in basins where such mining is estimated to have occurred in the past, and not to suggest that such levels of groundwater mining are advisable or sustainable. Indeed, water tables in some of the basins have already dropped significantly (Konikow, 2013), and future withdrawals at recent rates would no doubt further diminish groundwater supplies. These estimates indicate that in many basins currently relying on mining of groundwater, continuing to rely on such mining to alleviate shortages would require ever greater levels of mining, thereby hastening the arrival of the day when groundwater mining is no longer economically viable.
            

3.5 Effect of Instream Flow Reductions on Water Shortages

For the baseline simulations, we imposed a monthly instream flow requirement of 10% of mean monthly past natural flow. As shortages become more common, remaining instream flows may come under increasing pressure from off‐stream users, raising the question: how effective could further reductions in instream flows be in preventing shortage increases? We found that in the midfuture period, for example, on average across the 14 futures, allowing instream flow to go below the 10%‐of‐natural requirement could avoid shortage increases in 41 basins and lower shortage increases to varying degrees in the remaining 49 basins with shortage increases (Figure 6a). While the reduction in instream flow would be small in some basins (in 17 basins the instream flow reduction would be <1%), it would be substantial in others, and of course it would eliminate instream flow in the 49 basins where instream flow reductions were insufficient to completely avoid shortage increases.             

image

Potential effect of reduction in instream flow on projected water shortages, mean of 14 futures. (a) Percent reduction in instream flow needed to limit or avoid increases in shortage, by future time period. (b) Spatial distribution of instream flow needed in the midfuture period.

Results vary by region. Generally, in the western basins a complete loss of instream flow does not suffice to remove shortage increases, whereas in eastern basins shortage increases are typically eliminated without using all of the instream flow (Figure 6b).
            

Eliminating or severely reducing instream flows is not unprecedented, as the condition of the Colorado River Delta, where the river meets the Gulf of California, makes clear (Getches, 2003). However, the external costs of consuming remaining instream flow would be onerous. In addition to the obvious concerns about aquatic life and riparian ecosystem health (and resulting effects on recreation, property values, and other human endeavors), eliminating remaining instream flows removes a safety net that could prove critical in the event of truly catastrophic drought.
            

Tags: