Californië vertrouwt voor een aanzienlijk deel van zijn waterbehoeften op de sneeuwlaag van de Sierra Nevada, toch begrijpen wetenschappers heel weinig over hoe toekomstige veranderingen in het volume en de timing van het sneeuwdek oppervlaktewater en grondwater zullen beïnvloeden. Nu ontwikkelen onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) een geavanceerd hydrologisch model om te bestuderen hoe klimaatverandering de stroomgebieden van Californië kan beïnvloeden.

De nieuwe gezamenlijke studie, met $ 3,7 miljoen aan financiering van het UC Laboratory Fees Research Program, zal de projectie van watervoorraden in een reeks toekomstscenario's verbeteren. Het doel van het project is om informatie te verschaffen die kan worden gebruikt om de waterberging te optimaliseren, waterkwaliteit, en de duurzaamheid van het grondwater omdat de neerslag varieert, temperaturen warm, en de bevolking groeit.

"We zullen een fysiek gebaseerde numerieke modelleringsaanpak met hoge resolutie gebruiken om te simuleren hoe water van de atmosfeer naar het oppervlaktewater en naar het grondwater beweegt, "Zei wetenschapper Erica Woodburn van Berkeley Lab's Earth and Environmental Sciences Area. "Het waterbeheer in de staat vertrouwt momenteel op eenvoudiger modellen die zijn gekalibreerd en gemaakt om correct te werken met historische gegevens. Maar omdat we waarschijnlijk een toekomst tegemoet gaan waarin de watervoorziening heel anders kan zijn dan de afgelopen jaren, er is aanzienlijke onzekerheid in het gebruik van deze huidige modellen om de distributie van toekomstig water te voorspellen."

Het driejarige project, getiteld "Bovenwater naar grondwater:hulpbronnen in een veranderend klimaat, " wordt geleid door Jeff Dozier van UC Santa Barbara, en omvat onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory, UC Davis, UC Irvine, UCLA, en UC Merced.

houtbrand, een hydrogeoloog van opleiding, samen met Carl Steefel, hoofd van de afdeling Geochemie van Berkeley Lab, zal een mechanisch numeriek model van het stroomgebied van de Consumnes-rivier ontwikkelen, die zich uitstrekt van de Sierra Nevada tot ten zuiden van Sacramento, uiteindelijk voeden in de Sacramento-San Joaquin River Delta en het California State Water Project, de belangrijkste waterbron voor een groot deel van Zuid-Californië.

"Het is een heel interessant keerpunt, want het is een van de weinige, zo niet de enige grote stromende rivier uit het Sierra Nevada-gebergte zonder een grote dam, " Woodburn zei. "Het is dus een zeldzaam natuurlijk experiment waarbij we de effecten van klimaatverandering en waterbeheer kunnen isoleren omdat er geen grote waterbeheeractiviteiten zijn. We kunnen het model gebruiken om de effecten van klimaatverandering of landgebruik op hydrologische en ecologische systemen te onderzoeken."

Het model van het team strekt zich uit van de lagere atmosfeer tot diepe ondergrondse geologische eenheden, een regio die door aardwetenschappers "de kritieke zone" is genoemd, gezien zijn belangrijke rol in veel milieuprocessen. Het model omvat 3D-grondwaterstromen, de interactie tussen grondwater, oppervlaktewater, en vegetatiebedekkingen, evenals antropogene processen zoals het oppompen van grondwater, reservoirbeheer, en stedelijk watergebruik.

"Hoewel Californië historisch gezien perioden heeft van droge en natte jaren, er is geen analoog voor klimaatextremen zoals die we de afgelopen jaren hebben waargenomen, zoals die recordbrekende langdurige perioden van droogte gevolgd door perioden van intense neerslagpulsen die overstromingen veroorzaken, Woodburn zei. "De behoefte aan nauwkeurige modellen om toekomstig waterbeheer te sturen, de waarschijnlijkheid van een 'nieuwe normale' watercyclus in Californië, en de toenemende beschikbaarheid van krachtige computationele benaderingen om fysiek te simuleren hoe water aan de oppervlakte en in de ondergrond beweegt, maken dit nieuwe project zeer actueel."

Een verondersteld effect van een warmer klimaat is dat het de timing van de hydrologische cyclus verandert. "Omdat de sneeuwlaag eerder in het jaar smelt, dat een trapsgewijze effect heeft op wanneer het groeiseizoen van bergachtige omgevingen begint, Woodburn zei. "Omdat de vegetatie eerder in het seizoen actiever wordt, meer water zal het systeem eerder verlaten in de vorm van verdamping, wat mogelijk voor veel onzekerheid in de beschikbaarheid van water kan zorgen. Dit zijn de soorten feedback die we kunnen onderzoeken met een fysiek gebaseerd numeriek model dat samen rekening houdt met oppervlakte- en grondwaterinteracties."

Het stroomgebied van de Cosumnes-rivier doorkruist een breed scala van het terrein van de staat, van bergen tot de landbouwgronden van de Central Valley tot stedelijke gebieden. "De grondwater-oppervlaktewateruitwisselingen op deze grensvlakken zijn erg belangrijk en grotendeels onbekend, " zei ze. "De nieuwigheid van ons model is dat het rekening houdt met enkele interdisciplinaire overdrachten van water, zoals terugkoppelingen tussen grondwaterberging en, bijvoorbeeld, vegetatie op het landoppervlak. De fysica van die processen is echt moeilijk op te nemen in modellen met een hoge resolutie en vereist het gebruik van high-performance computing."

Het team zal de simulaties uitvoeren in Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Zodra het team valideert dat het model correct werkt, de wetenschappers zullen scenario's kunnen uitvoeren. "Bijvoorbeeld, hoe kunnen grondwaterstanden en afvoerstromen veranderen als we een warmere winter hebben met minder sneeuw, en hoe zou dat anders zijn als het jaar ervoor erg droog of erg nat was?', zei Woodburn. 'Je zou het model kunnen gebruiken om die projecties te maken.'

De wetenschappers van Berkeley Lab gebruikten een vergelijkbare techniek om een ​​model te ontwikkelen voor een stroomgebied van Fukushima in Japan om cesiumtransport te bestuderen na de nucleaire ramp daar in 2011.

Ze zijn van plan het nieuwe model te gebruiken om ook te bestuderen hoe strategieën voor het beheer van grondwateraanvulling - zoals waterbankieren en beheerd aquiferaanvulling, technieken voor het opvangen van hoge intensiteit pulsen van regen en het infiltreren in het grondwater in plaats van het naar de oceaan te laten wegvloeien - kunnen het beste worden geïmplementeerd.

Sommige medewerkers op de UC-campussen zullen de energiekostencomponent analyseren, bijvoorbeeld, door een dollarwaarde te hechten aan de kosten van het onttrekken van grondwater; die schattingen zouden kunnen worden gecombineerd met projecties van de geïntegreerde hydrologische modellen om betere informatie te verschaffen voor de besluitvorming.