Voor de eerste keer, ingenieurs van Caltech hebben een empirisch model voor de gehele staat van het Californische reservoirnetwerk ontwikkeld. Het model is gebouwd op basis van gegevens die zijn verzameld over een periode van 13 jaar, waaronder de laatste droogte, waardoor onderzoekers waarnemingen kunnen doen over hoe 55 van de belangrijkste reservoirs van de staat als een verenigd systeem reageren op een verscheidenheid aan externe omstandigheden.

Reservoirs fungeren als buffer van de staat tegen klimaatvariabiliteit, opslag van water tijdens het regenseizoen voor gebruik tijdens het droge. Het water kan worden vrijgegeven om hydro-elektrische energie op te wekken, en kan worden omgeleid naar landbouw en woonconsumptie. In de tussentijd, een stuwmeer zelf wordt vaak gebruikt voor recreatieve doeleinden, zoals zwemmen en varen. De reservoirs zijn onderling met elkaar verbonden doordat ze langs grote waterwegen zijn geplaatst, met sommigen stroomafwaarts van anderen, en ook omdat ze vergelijkbare hoeveelheden water kunnen ontvangen en onderworpen kunnen zijn aan vergelijkbare managementbeslissingen.

De beheerders van deze voorzieningen moeten een basishoeveelheid water in elk reservoir aanhouden. Naarmate het waterniveau dichter bij dat minimum komt, ze draaien de hoeveelheid vrijgekomen water terug, die op zijn beurt alle stroomafwaartse reservoirs beïnvloedt. Reservoirbeheerders proberen te voorkomen dat ze de waterafgifte volledig moeten afsluiten, omdat dat catastrofale gevolgen kan hebben voor boerderijen en gemeenschappen die afhankelijk zijn van het water. Het gedrag van een reservoir - het stijgen en dalen van het waterpeil - wordt deels bepaald door verschuivingen in het klimaat en deels door de mens die de uitstroom van het reservoir regelt. Deze twee componenten kunnen de opslag van reservoirs lastig maken om te voorspellen.

"Het brood en de boter van de hydrologie gebruikt natuurkundige wetten om waterverschijnselen te beschrijven. Maar het gedrag van deze reservoirs wordt niet alleen bepaald door de natuurkundige wetten van de watercyclus, maar ook door eisen en waarvoor deze reservoirs worden gebruikt, " zegt Caltech afgestudeerde student Armeen Taeb, hoofdauteur van een paper over het model dat op 22 november online wordt gepubliceerd in het tijdschrift Onderzoek naar waterbronnen . "De significante menselijke component in het gedrag van reservoirs betekent dat op fysica gebaseerde modellering snel onhandelbaar wordt in omgevingen met een groot aantal reservoirs."

Om dit probleem op te lossen, Taeb en zijn collega's - Venkat Chandrasekaran, hoogleraar informatica en wiskundige wetenschappen en elektrotechniek aan Caltech, en John Reager en Michael Turmon van JPL - gebruikten statistische technieken om uit het verleden te leren om licht te werpen op hoe reservoirs in de toekomst zullen reageren op verschillende klimaatpatronen. Ze vergeleken fluctuaties in het waterpeil van het reservoir tussen 2003 en 2016 met verschillende factoren, zoals neerslag, de ernst van de droogte, de sneeuwlagen in de Sierras, en niveaus van andere Californische reservoirs. De onderzoekers ontdekten dat de Palmer Drought Severity Index de grootste voorspeller van veranderingen in het reservoirnetwerk was, die in 1965 werd ontwikkeld door de National Weather Service.

Met dit empirische model Taeb zegt, managers een duidelijker beeld krijgen van de eisen die aan hun reservoirs worden gesteld, en kunnen hun gedrag eerder aanpassen door de afgifte van water geleidelijker te verminderen, waardoor de mogelijkheid wordt verkleind dat de waterafgifte helemaal moet worden stopgezet.

"Laten we zeggen dat je in een droogte zit en je hebt een geavanceerde voorspelling van de droogte-indexwaarde over twee maanden, " Zegt Taeb. "Je kunt naar ons perceel kijken en vragen, 'Oke, hoe groot is de kans op uitputting van het reservoir als we ons gewoon aan de normale gang van zaken houden?' En als je ziet dat het hoog is, je moet uit je routine komen en nu iets doen voordat je in de problemen komt."

Als analogie, denk aan de reactie van een bestuurder op een rood licht. Als de bestuurder het rode licht ziet met veel tijd om te reageren, hij kan langzaam op de rem trappen, wat veiliger is voor alle chauffeurs achter hem. Indien, in plaats daarvan, hij wacht tot het laatste moment en trapt het rempedaal tegen de grond, hij zal eerder een ongeluk veroorzaken voor iedereen achter hem.

De droogte van 2012-2015, wat Taeb en zijn collega's inspireerde om dit onderzoek voort te zetten, was een van de meest intense in de afgelopen 1 200 jaar. "Aan het einde van de droogteperiode waren we heel dicht bij een ramp. twee van de 55 reservoirs die in ons werk zijn onderzocht, hadden in 2014 geen of zeer weinig waterafgifte, " zegt Taeb. In de toekomst, de staat zal periodiek te maken krijgen met droogte, terwijl de vraag naar water steeds groter wordt door een groeiende bevolking, en dus zal de spanning op het Californische reservoirnetwerk waarschijnlijk opnieuw optreden, zegt Taeb, die van mening is dat er richtlijnen nodig zijn om ervoor te zorgen dat de staat niet wordt geconfronteerd met een systeembrede catastrofe.

"Vanwege de frequente tekorten aan oppervlaktewater, Californië moet zijn toevlucht nemen tot het wegpompen van water uit de grond, maar dat is niet duurzaam omdat er niet genoeg regen valt om de hoeveelheid die we opnemen aan te vullen. Het zal niet duren, ", zegt hij. Taeb en zijn co-auteurs zijn van mening dat hun model een belangrijk hulpmiddel voor gegevensanalyse is dat moet worden gebruikt als input in het besluitvormingsproces bij het afdwingen van effectieve, duurzaam waterbeheerbeleid.

Taeb zegt dat hetzelfde soort empirische modellering ook kan worden gebruikt in andere staten die met soortgelijke uitdagingen worden geconfronteerd.

De studie is getiteld "Een statistisch grafisch model van het California Reservoir System."