Kalifornien förlitar sig på Sierra Nevada snowpack för en betydande del av sitt vattenbehov, ändå förstår forskarna väldigt lite om hur framtida förändringar i snöpackningsvolym och tidpunkt kommer att påverka ytvatten och grundvatten. Nu utvecklar forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en avancerad hydrologisk modell för att studera hur klimatförändringar kan påverka Kaliforniens vattendelar.

Den nya samarbetsstudien, med $3,7 miljoner i finansiering från UC Laboratory Fees Research Program, kommer att förbättra prognosen av vattenresurser under en rad framtida scenarier. Målet med projektet är att tillhandahålla information som kan användas för att optimera vattenlagring, vattenkvalitet, och grundvattnets hållbarhet eftersom nederbörden varierar, temperaturer varma, och befolkningen växer.

"Vi kommer att använda en högupplöst och fysiskt baserad numerisk modellering för att simulera hur vatten rör sig från atmosfären till ytvatten och in i grundvatten, " sa forskaren Erica Woodburn från Berkeley Labs Earth and Environmental Sciences Area. "Vattenhantering över hela staten förlitar sig för närvarande på enklare modeller som har kalibrerats och gjorts för att fungera korrekt med historiska data. Men eftersom vi sannolikt går in i en framtid där vattenleveransen kan skilja sig mycket från tidigare år, det finns betydande osäkerhet i användningen av dessa nuvarande modeller för att förutsäga fördelningen av framtida vatten."

Det treåriga projektet, med titeln "Headwaters to Groundwater:Resources in a Changing Climate, "leds av Jeff Dozier från UC Santa Barbara, och inkluderar forskare från Lawrence Livermore National Laboratory, UC Davis, UC Irvine, UCLA, och UC Merced.

Vedbränna, en hydrogeolog av utbildning, tillsammans med Carl Steefel, chef för Berkeley Labs geokemiavdelning, kommer att utveckla en mekanistisk numerisk modell av Consumnes Rivers vattendelare, som sträcker sig från Sierra Nevada till söder om Sacramento, slutligen matas in i Sacramento-San Joaquin River Delta och California State Water Project, den största vattenkällan för stora delar av södra Kalifornien.

"Det är en riktigt intressant vattendelare eftersom det är en av få, om inte den enda större strömmande floden från bergskedjan Sierra Nevada utan en större damm, Woodburn sa. "Så det är ett sällsynt naturligt experiment där vi kan isolera effekterna av klimatförändringar och vattenförvaltning eftersom det inte har stora vattenförvaltningsaktiviteter. Vi kan använda modellen för att utforska effekterna av klimatförändringar eller markanvändning på hydrologiska och ekologiska system."

Teamets modell kommer att sträcka sig från den lägre atmosfären till djupa geologiska enheter under ytan, en region som myntades "den kritiska zonen" av jordforskare med tanke på dess viktiga roll i många miljöprocesser. Modellen kommer att inkludera 3D grundvattenflöden, samspelet mellan grundvatten, ytvatten, och vegetationstäcken, såväl som antropogena processer såsom grundvattenpumpning, reservoarhantering, och stadsvattenanvändning.

"Även om Kalifornien historiskt sett har perioder av torra och våta år, det finns ingen analog för extrema klimat som de vi har observerat de senaste åren, som de rekordstora långa perioderna av torka som följer av perioder av intensiva nederbördspulser som orsakar översvämningar, Woodburn sa. "Behovet av korrekta modeller för att vägleda framtida vattenförvaltning, sannolikheten för en "ny normal" vattencykel i Kalifornien, och den ökande tillgängligheten av högpresterande beräkningsmetoder för att fysiskt simulera hur vatten rör sig på ytan och i underytan gör detta nya projekt mycket lägligt."

En hypoteseffekt av ett varmare klimat är att det ändrar tidpunkten för den hydrologiska cykeln. "Med snösmältningen tidigare på året, som har en kaskadeffekt på när växtsäsongen för bergsmiljöer börjar, Woodburn sa. "När växtligheten blir mer aktiv tidigare under säsongen, mer vatten kommer att lämna systemet i form av evapotranspiration tidigare, vilket potentiellt skulle kunna skapa en hel del osäkerhet i tillgången på vatten. Det här är de typer av återkopplingar vi kan undersöka med en fysiskt baserad numerisk modell som gemensamt tar hänsyn till yt- och grundvatteninteraktioner."

Cosumnes Rivers vattendelare korsar ett brett spektrum av statens terräng, från berg till Central Valleys jordbruksmarker till stadsområden. "Grundvatten-ytvattenutbytena vid dessa gränssnitt är verkligen viktiga och i stort sett okända, ", sa hon. "Det nya med vår modell är att den står för vissa tvärvetenskapliga överföringar av vatten, såsom återkopplingar mellan grundvattenlagring och, till exempel, vegetation vid markytan. Fysiken i dessa processer är verkligen svår att införliva i högupplösta modeller och kräver användning av högpresterande datorer."

Teamet kommer att utföra simuleringarna vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science User Facility. När teamet har validerat att modellen fungerar korrekt, forskarna kommer att kunna köra scenarier. "Till exempel, hur kan grundvattennivåer och strömflöden förändras om vi får en varmare vinter med mindre snöpackning, och hur kan det vara annorlunda om året innan var väldigt torrt eller väldigt blött?" sa Woodburn. "Du kan använda modellen för att göra de där projektionerna."

Forskarna från Berkeley Lab använde en liknande teknik för att utveckla en modell för en vattendelare i Fukushima i Japan för att studera cesiumtransport efter kärnkraftskatastrofen där 2011.

De har för avsikt att använda den nya modellen för att också studera hur strategier för att hantera grundvattenpåfyllning - såsom vattenbanker och hanterad akviferfyllning, tekniker för att fånga högintensiva regnpulser och infiltrera det i grundvattnet istället för att låta det rinna av till havet – kan bäst implementeras.

Några av samarbetspartnerna på UC:s campus kommer att analysera energikostnadskomponenten, till exempel, genom att sätta ett dollarvärde på kostnaden för att utvinna grundvatten; dessa uppskattningar skulle kunna kombineras med prognoser från de integrerade hydrologiska modellerna för att ge bättre information för beslutsfattande.