Forskare vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ägnade ett decennium åt att utveckla modellerings- och övervakningsmöjligheter i världsklass för att lokalisera faktorer bakom framgången för Sonomas filtreringssystem vid flodstranden. De riktade sin uppmärksamhet på att undersöka den potentiella effekten av extrema händelser, som stormar och skogsbränder, när katastrofen inträffade. Plötsligt, deras experimentella metoder för att förutsäga hur systemet skulle reagera på hypotetiska situationer används för att utforska verkliga störningar.

Katastrofala bränder i norra Kalifornien brände mer än 110, 000 hektar i Sonoma och Napa län förra månaden – inklusive 8 procent av den ryska flodens vattendelare. Nu med regnperioden igång har Berkeley Labs forskning – som försöker förstå hur hydrologin och mikrobiologin i yt- och grundvattensystemet reagerar på extrema händelser – blivit ännu mer kritisk.

"Vi studerade den potentiella inverkan av bränder på näringsämnet, löst ämne, och metallleverans till floden, ", sa Berkeley Lab-forskaren Michelle Newcomer. "Med denna olyckliga händelseutveckling är våra utvecklade metoder redo att ta itu med verkliga frågor om vattentillgång och vattenkvalitet."

Sonoma County Water Agency stödjer Berkeley Lab för att bedöma effekten av de senaste bränderna och eventuella stormar efter branden på de hydrologiska och biogeokemiska förhållandena för vattenkvaliteten när den rör sig genom den ryska floden och grundvattensystemet, den främsta dricksvattenkällan för 600, 000 invånare i Sonoma och Marin län.

Berkeley Lab har samarbetat med Water Agency och forskare från U.S. Geological Survey (USGS), som hjälper till att ta prover och utföra vattenkvalitetsanalyser, respektive.

"Tidpunkten för bränderna har varit en stor utmaning. När man kommer så nära regnperioden, folk som får sitt vatten från den ryska floden är oroliga för potentiella effekter av avrinning från de tusentals förstörda hem och tusentals hektar ärrade, sa Jay Jasperse, chefsingenjör och grundvattenprogramledare för Vattenmyndigheten. "Partnerskapet med Berkeley Lab och USGS kommer att ge viktig information."

Data som samlas in från detta program kommer också att vara till hjälp vid bedömning av potentiella effekter på andra vattenförsörjningssystem inom och nedströms de drabbade områdena, samt potentiella ekosystempåverkan.

"Så fort branden inträffade, vi mobiliserade nästa vecka för att identifiera en serie mätnoder på nyckelplatser i vattendelaren för att samla in en tidsserie av vattenprover, " sa Susan Hubbard, biträdande laboratoriechef för Berkeley Labs område för geo- och miljövetenskap. "Vi arbetar med att förstå hur förändringar i hydrologiska förhållanden påverkar interaktionen mellan mikrober, mineraler, och vätskor i ytan och grundvattnet, det är, hur dessa interaktioner förändras innan, under, och efter stormar och vad det betyder för vattentillgång och vattenkvalitet."

Flodbäddar som naturliga filter

Vattenverkets filtreringssystem för flodstranden, ligger vid den ryska floden nära Forestville, pumpar grundvatten från cirka 20 meter under floden som har filtrerats naturligt av sediment och mikrober i ekosystemet. Fördelen med ett sådant system är att det kraftigt minskar eller till och med eliminerar behovet av kemisk förbehandling för att bli av med patogener och föroreningar. "Det är en naturlig hållbart sätt att filtrera vattnet, sa nykomlingen.

Forskarna från Berkeley Lab har studerat hydrologisk-biogeokemiska processer som är avgörande för framgångsrika filtreringssystem vid flodstranden. Genom avancerade yta-underjordsmodeller som kan simulera komplexa interaktioner, Nykomling har identifierat flera nyckelkontroller.

"Vi tror att framgångsrik infiltration av flodbankar kräver två saker:Akvifären nedanför och intill floden måste ha sediment av rätt typ och storlek, består av rätt mineraler; och flodens ekosystem måste ge mycket av den upprätthållande maten för mikroberna i dessa sediment, " sa hon. "Det är kombinationen av dessa två saker som hjälper detta filtreringssystem att behålla sin produktivitet, och dessa två faktorer förändras med säsongsbetonade och operativa metoder."

Berkeley Labs forskning har kunnat modellera nyckelfaktorerna för att upprätthålla högkvalitativ vattenproduktion samtidigt som vatteninfiltration och pumpning optimeras. Forskarna fann att mikrobiomen är en viktig kontrollfaktor, och de har publicerat ett antal studier genom åren baserade på Vattenmyndighetens sajt, som en på flodstrandens biotäppning, en process där mikrobiell tillväxt kan blockera infiltrationen av vatten till kollektorbrunnarna.

Newcomer har utvecklat en numerisk flödes- och reaktiv transportmodell av vatten och geokemiska beståndsdelar i underytan. "Det är en toppmodern modell och är den första i sitt slag som har mikrobiella funktioner inbyggda i modellen, ", sa hon. "Med den mikrobiella informationen såväl som flödet och geokemisk information kan det hjälpa en byrå med sina pumpbeslut, och vi använder nu modellen för att utforska reaktioner på brand."

Forskning efter brand

Den nuvarande fasen av forskningen fokuserar på att samla in data från hela vattendelaren och använda modellerna för att förstå hur askbaserat kol som genereras av bränderna och mobiliseras av vinterstormar kommer att påverka infiltrationshastigheter och mikrobiell tillväxt. Kol är en energikälla för flodbäddens mikroorganismer och påverkar därmed hur mycket vatten som kan tränga in i akvifererna och hur snabbt föroreningar kan brytas ned.

Faran är att potentiellt giftiga kemikalier som är vanliga i en mängd hushållsartiklar skulle leta sig in i grundvattnet efter en brand. "För det mesta är vi oroliga för kemikalier från personliga hushållsartiklar, som brandskyddsmedel i möbler, måla, bekämpningsmedel, och föremål som brann i människors hem, " Nykomling sa. "Vi är också oroliga för att metaller ska mobiliseras, som kvicksilver, som är vanligt förekommande i batterier och glödlampor."

Berkeley Lab-teamet är inte inblandat i nödåtgärder på de senaste bränderna. Snarare, deras vetenskapliga undersökning och numeriska kapacitet kommer att göra det möjligt för Vattenmyndigheten att fatta mer välgrundade beslut om hur de hanterar sitt filtreringssystem för flodstranden, både på kort och längre sikt. Tillvägagångssätten bör kunna överföras till andra platser, och kan också bana väg för effektivare design av filtreringssystem för flodstranden som är motståndskraftiga mot extrema händelser.

"Vi inkapslar vår förståelse om sambandet mellan hydrologi, eldhärlett kol, geokemi, och biologi i ett prediktivt läge som kan göra det möjligt för Vattenmyndigheten att på bästa sätt fatta beslut om hur man optimerar sitt filtreringssystem för flodstranden och levererar vatten till sina kunder, " sa Hubbard.