Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben tien jaar lang modellering- en monitoringcapaciteiten van wereldklasse ontwikkeld om de factoren achter het succes van Sonoma's oeverfiltratiesysteem op te sporen. Ze richtten hun aandacht op het onderzoeken van de mogelijke impact van extreme gebeurtenissen, zoals stormen en bosbranden, toen het noodlot toesloeg. Plotseling, hun experimentele benaderingen om te voorspellen hoe het systeem zou reageren op hypothetische situaties, worden gebruikt om echte verstoringen te onderzoeken.

Catastrofale branden in Noord-Californië verbrandden meer dan 110, 000 acres in de provincies Sonoma en Napa vorige maand - inclusief 8 procent van het stroomgebied van de Russische rivier. Nu het regenseizoen aan de gang is, is het onderzoek van Berkeley Lab - dat probeert te begrijpen hoe de hydrologie en microbiologie van het oppervlakte- en grondwatersysteem reageren op extreme gebeurtenissen - nog kritischer geworden.

"We bestudeerden de mogelijke impact van branden op de voedingsstof, opgeloste stof, en metaallevering aan de rivier, " zei Berkeley Lab-onderzoeker Michelle Newcomer. "Met deze ongelukkige gang van zaken zijn onze ontwikkelde benaderingen klaar om echte vragen over waterbeschikbaarheid en waterkwaliteit aan te pakken."

Het Sonoma County Water Agency ondersteunt Berkeley Lab bij het beoordelen van de impact van de recente branden en eventuele stormen na de brand op de hydrologische en biogeochemische omstandigheden van de waterkwaliteit terwijl het door de Russische rivier en het grondwatersysteem beweegt, de belangrijkste bron van drinkwater voor 600, 000 inwoners in de provincies Sonoma en Marin.

Berkeley Lab heeft samengewerkt met het Water Agency en wetenschappers van de U.S. Geological Survey (USGS), die helpen bij het verzamelen van monsters en het uitvoeren van waterkwaliteitsanalyses, respectievelijk.

"De timing van de branden was een grote uitdaging. Omdat het zo dicht bij het regenseizoen komt, mensen die hun water uit de Russische rivier halen, maken zich zorgen over de mogelijke gevolgen van afvoer van de duizenden verwoeste huizen en duizenden hectares met littekens, " zei Jay Jasperse, hoofdingenieur en programmamanager grondwater voor het Waterschap. "De samenwerking met Berkeley Lab en USGS zal essentiële informatie opleveren."

Gegevens die uit dit programma worden verzameld, zullen ook nuttig zijn bij het beoordelen van potentiële effecten op andere watervoorzieningssystemen binnen en stroomafwaarts van de getroffen gebieden, evenals mogelijke ecosysteemeffecten.

"Zodra de brand uitbrak, we mobiliseerden de volgende week om een ​​reeks meetknooppunten te identificeren op belangrijke locaties in het stroomgebied om een ​​tijdreeks watermonsters te verzamelen, " zei Susan Hubbard, de Associate Laboratory Director van Berkeley Lab's Earth and Environmental Sciences Area. "We proberen te begrijpen hoe veranderingen in hydrologische omstandigheden de interacties tussen microben beïnvloeden, mineralen, en vloeistoffen in het oppervlakte- en grondwater, dat is, hoe deze interacties eerder veranderen, gedurende, en na stormen en wat het betekent voor de beschikbaarheid van water en de waterkwaliteit."

Rivierbeddingen als natuurlijke filters

Het oeverfiltratiesysteem van het Wateragentschap, gelegen aan de Russische rivier in de buurt van Forestville, pompt grondwater van ongeveer 20 meter onder de rivier dat op natuurlijke wijze is gefilterd door sedimenten en microben in het ecosysteem. Het voordeel van een dergelijk systeem is dat het de noodzaak van een chemische voorbehandeling om ziekteverwekkers en verontreinigingen te verwijderen aanzienlijk vermindert of zelfs elimineert. "Het is een natuurlijke, duurzame manier om het water te filteren, ' zei Nieuwkomer.

De wetenschappers van Berkeley Lab hebben hydrologisch-biogeochemische processen bestudeerd die cruciaal zijn voor succesvolle rivieroeverfiltratiesystemen. Door middel van geavanceerde oppervlakte-ondergrond modellen die complexe interacties kunnen simuleren, Nieuwkomer heeft verschillende belangrijke bedieningselementen geïdentificeerd.

"Wij zijn van mening dat succesvolle infiltratie van rivieroevers twee dingen vereist:de watervoerende laag onder en naast de rivier moet sedimenten hebben van het juiste type en de juiste grootte, opgebouwd uit de juiste mineralen; en het ecosysteem van de rivier moet een groot deel van het voedsel leveren voor de microben in die sedimenten, "zei ze. "Het is de combinatie van deze twee dingen die dit filtersysteem helpen zijn productiviteit te behouden, en deze twee factoren veranderen met seizoensgebonden en operationele praktijken."

Het onderzoek van Berkeley Lab heeft de sleutelfactoren kunnen modelleren voor het handhaven van een hoogwaardige waterproductie en tegelijkertijd de waterinfiltratie en -pompen te optimaliseren. De onderzoekers ontdekten dat de microbiomen een belangrijke controlefactor zijn, en ze hebben in de loop der jaren een aantal studies gepubliceerd op basis van de site van het Wateragentschap, zoals een op rivieroever bioclogging, een proces waarbij microbiële groei de infiltratie van water naar de collectorputten kan blokkeren.

Nieuwkomer heeft een numeriek stromings- en reactief transportmodel ontwikkeld van water en geochemische bestanddelen in de ondergrond. "Het is een state-of-the-art model en het is het eerste in zijn soort met ingebouwde microbiële mogelijkheden in het model. " zei ze. "Met de microbiële informatie, evenals de stroom en geochemische informatie kan het een agentschap helpen bij zijn pompbeslissingen, en we gebruiken het model nu om reacties op brand te onderzoeken."

Onderzoek na brand

De huidige fase van het onderzoek is gericht op het verzamelen van gegevens uit het hele stroomgebied en het gebruik van de modellen om te begrijpen hoe op as gebaseerde koolstof gegenereerd door de branden en gemobiliseerd door winterstormen de infiltratiesnelheden en microbiële groei zal beïnvloeden. Koolstof is een energiebron voor de micro-organismen in de rivierbedding en beïnvloedt dus hoeveel water kan infiltreren in de watervoerende lagen en hoe snel verontreinigingen kunnen worden afgebroken.

Het gevaar is dat potentieel giftige chemicaliën die in tal van huishoudelijke artikelen voorkomen, na een brand in het grondwater terechtkomen. "We maken ons vooral zorgen over chemicaliën uit persoonlijke huishoudelijke artikelen, zoals brandvertragend in meubels, verf, pesticiden, en voorwerpen die in de huizen van mensen verbrandden, Nieuwkomer zei. "We maken ons ook zorgen over het mobiliseren van metalen, zoals kwik, die vaak wordt aangetroffen in batterijen en gloeilampen."

Het Berkeley Lab-team is niet betrokken bij de noodhulp bij de recente branden. Liever, hun wetenschappelijk onderzoek en numerieke capaciteiten zullen het Wateragentschap in staat stellen beter geïnformeerde beslissingen te nemen over hoe zij hun rivieroeverfiltratiesysteem beheren, zowel op korte als langere termijn. De benaderingen moeten overdraagbaar zijn naar andere locaties, en kan ook de weg vrijmaken voor een efficiënter ontwerp van oeverfiltratiesystemen die bestand zijn tegen extreme gebeurtenissen.

"We kapselen ons begrip over de verbanden tussen hydrologie, van vuur afgeleide koolstof, geochemie, en biologie in een voorspellende modus die het Wateragentschap in staat stelt om de beste beslissingen te nemen over hoe het oeverfiltratiesysteem te optimaliseren en water aan zijn klanten te leveren, ' zei Hubbard.