För första gången, ingenjörer på Caltech har utvecklat en empirisk statsomfattande modell av reservoarnätverket i Kalifornien. Modellen byggdes från data som samlats in under en 13-årsperiod som inkluderar den senaste torka, låta forskare göra observationer om hur 55 av statens stora reservoarer reagerar på en rad yttre förhållanden som ett enhetligt system.
Reservoarer fungerar som statens buffert mot klimatvariationer, lagra vatten under regnperioden för användning under det torra. Vattnet kan släppas ut för att generera vattenkraft, och kan omdirigeras till jordbruk och konsumtion av bostäder. Under tiden, en reservoar själv används ofta för rekreationsändamål, som simning och båtliv. Reservoarerna är sammankopplade genom att de placeras längs stora vattenvägar, med några nedströms andra, och även för att de kan ta emot liknande mängder vatten och kan bli föremål för liknande förvaltningsbeslut.
Cheferna för dessa anläggningar måste hålla en grundmängd vatten i varje reservoar. När vattennivån sjunker närmare det lägsta märket, de ringer tillbaka mängden vatten som släpps ut, vilket i sin tur påverkar alla reservoarerna nedströms. Reservoarförvaltare försöker undvika att behöva stänga av vattenutsläppet helt, eftersom det kan få katastrofala konsekvenser för gårdar och samhällen som är beroende av vattnet. En reservoars beteende - stigande och fallande av vattennivån - bestäms delvis av förändringar i klimatet och delvis av att människorna hanterar utflödet av reservoaren. Dessa två komponenter kan göra reservoarlagring utmanande att förutsäga.
"Hydrologins bröd och smör använder fysiska lagar för att beskriva vattenfenomen. Men beteendet hos dessa reservoarer bestäms inte enbart av fysiska lagar i vattencykeln, men också av krav och vad dessa reservoarer används till, "säger Caltech doktorand Armeen Taeb, huvudförfattare till ett papper om modellen som kommer att publiceras online den 22 november i tidningen Vattenresursforskning . "Den betydande mänskliga komponenten i reservoarernas beteende innebär att fysikbaserad modellering snabbt blir svårhanterlig i miljöer med ett stort antal reservoarer."
För att lösa detta problem, Taeb och hans kollegor - Venkat Chandrasekaran, professor i datavetenskap och matematik och elektroteknik vid Caltech, och John Reager och Michael Turmon från JPL - använde statistiska tekniker för att lära av det förflutna för att belysa hur reservoarer kommer att reagera på olika klimatmönster i framtiden. De jämförde fluktuationer i reservoarvattennivåerna mellan 2003 och 2016 med en mängd olika faktorer, som nederbörd, svårigheten av torkan, snöpåsnivåerna i Sierras, och nivåer av andra reservoarer i Kalifornien. Forskarna fann att den största förutsägaren för förändringar i reservoarnätverket var Palmer Drought Severity Index, som utvecklades av National Weather Service 1965.
Med denna empiriska modell, Taeb säger, chefer kan få en tydligare bild av de krav som kommer att ställas på deras magasin, och kan justera sitt beteende tidigare genom att begränsa vattenutsläpp mer gradvis - vilket minskar möjligheten att helt behöva stänga av vattenutsläpp.
"Låt oss säga att du är i en torka och du har en avancerad förutsägelse av värdet på torkaindex om två månader, "Taeb säger." Du kan titta på vår tomt och fråga, 'Okej, vad är sannolikheten för uttömning av reservoarer om vi bara håller oss till affärer som vanligt? ' Och om du ser att det är högt, du måste komma ur din rutin och göra något nu innan du får problem. "
Som en analogi, tänk på en förares svar på ett rött ljus. Om föraren ser det röda ljuset med mycket tid att reagera, han kan långsamt bromsa - vilket är säkrare för alla förare bakom honom. Om, istället, han väntar till sista minuten och slår bromspedalen mot golvet, han är mer sannolikt att orsaka en olycka för alla bakom honom.
Torka 2012-2015, som inspirerade Taeb och hans kollegor att fortsätta denna forskning, var bland de mest intensiva som inträffade under de senaste 1, 200 år. "Vi var verkligen nära katastrofer i slutet av torkperioden. Faktum är att två av de 55 reservoarer som studerades i vårt arbete hade noll eller mycket liten vattenutsläpp 2014, "Säger Taeb. I framtiden, staten kommer regelbundet att uppleva torka medan efterfrågan på vatten ständigt ökar bland en växande befolkning, och så kommer belastningen på reservoarnätverket i Kalifornien sannolikt att uppstå igen, säger Taeb-som anser att riktlinjer behövs för att säkerställa att staten inte möter en katastrof i hela systemet.
"På grund av den frekventa bristen på ytvatten, Kalifornien måste tillgripa att pumpa ut vatten från marken, men det är inte hållbart eftersom det inte finns tillräckligt med regn för att fylla på mängden vi tar ut. Det håller inte, "säger han. Taeb och hans medförfattare tror att deras modell är ett viktigt dataanalysverktyg som bör användas som input i beslutsprocessen när det verkställs effektivt, hållbar vattenförvaltningspolitik.
Taeb säger att samma typ av empirisk modellering också kan användas i andra stater som står inför liknande utmaningar.
Studien har titeln "En statistisk grafisk modell av California Reservoir System."
