Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia hanno trascorso un decennio a sviluppare capacità di modellazione e monitoraggio di livello mondiale per individuare i fattori alla base del successo del sistema di filtrazione lungo le sponde del fiume di Sonoma. Stavano rivolgendo la loro attenzione a indagare sul potenziale impatto di eventi estremi, come tempeste e incendi, quando si è verificato il disastro. Ad un tratto, i loro approcci sperimentali per prevedere come il sistema risponderebbe a situazioni ipotetiche vengono utilizzati per esplorare le perturbazioni della vita reale.

Gli incendi catastrofici nel nord della California hanno bruciato più di 110, 000 acri nelle contee di Sonoma e Napa il mese scorso, compreso l'8% dello spartiacque del Russian River. Ora, con la stagione delle piogge in corso, la ricerca del Berkeley Lab – che cerca di capire come l'idrologia e la microbiologia del sistema idrico superficiale e sotterraneo rispondono a eventi estremi – è diventata ancora più critica.

"Stavamo studiando il potenziale impatto degli incendi sul nutriente, soluto, e consegna di metallo al fiume, ", ha affermato Michelle Newcomer, ricercatrice del Berkeley Lab. "Con questa sfortunata svolta di eventi, i nostri approcci sviluppati sono pronti per affrontare questioni reali sulla disponibilità e la qualità dell'acqua".

La Sonoma County Water Agency sta supportando il Berkeley Lab per valutare l'impatto dei recenti incendi e di eventuali tempeste post-incendio sulle condizioni idrologiche e biogeochimiche della qualità dell'acqua mentre si muove attraverso il fiume Russian e il sistema delle acque sotterranee, la principale fonte di acqua potabile per 600, 000 residenti nelle contee di Sonoma e Marin.

Berkeley Lab ha collaborato con la Water Agency e scienziati dell'U.S. Geological Survey (USGS), che stanno aiutando a raccogliere campioni ed eseguire analisi della qualità dell'acqua, rispettivamente.

"La tempistica degli incendi ha rappresentato una grande sfida. Avvicinandosi così alla stagione delle piogge, le persone che prendono l'acqua dal fiume Russian sono preoccupate per i potenziali impatti del deflusso delle migliaia di case distrutte e migliaia di acri sfregiati, "ha detto Jay Jasperse, capo ingegnere e responsabile del programma per le acque sotterranee per l'Agenzia per l'acqua. "La partnership con Berkeley Lab e USGS fornirà informazioni vitali".

I dati raccolti da questo programma saranno utili anche per valutare i potenziali impatti su altri sistemi di approvvigionamento idrico all'interno e a valle delle aree colpite, così come i potenziali effetti sull'ecosistema.

"Non appena è scoppiato l'incendio, ci siamo mobilitati la prossima settimana per identificare una serie di nodi di misurazione in punti chiave nello spartiacque per raccogliere una serie temporale di campioni d'acqua, " ha detto Susan Hubbard, il Direttore del Laboratorio Associato dell'Area di Scienze della Terra e dell'Ambiente del Berkeley Lab. "Stiamo lavorando per capire come i cambiamenti nelle condizioni idrologiche influenzino le interazioni tra i microbi, minerali, e fluidi nelle acque superficiali e sotterranee, questo è, come queste interazioni cambiano prima, durante, e dopo le tempeste e cosa significa per la disponibilità e la qualità dell'acqua".

Alvei come filtri naturali

Il sistema di filtrazione delle sponde del fiume della Water Agency, situato sul fiume Russian vicino a Forestville, pompa le acque sotterranee da circa 20 metri sotto il fiume che sono state naturalmente filtrate da sedimenti e microbi nell'ecosistema. Il vantaggio di un tale sistema è che riduce notevolmente o addirittura elimina la necessità di un pretrattamento chimico per eliminare agenti patogeni e contaminanti. "È naturale, modo sostenibile per filtrare l'acqua, "Disse il nuovo arrivato.

Gli scienziati del Berkeley Lab hanno studiato i processi idrologico-biogeochimici che sono fondamentali per il successo dei sistemi di filtrazione delle sponde dei fiumi. Attraverso modelli avanzati superficie-sottosuperficie in grado di simulare interazioni complesse, Il nuovo arrivato ha identificato diversi controlli chiave.

"Riteniamo che il successo dell'infiltrazione degli argini del fiume richieda due cose:la falda acquifera sottostante e adiacente al fiume deve avere sedimenti del tipo e delle dimensioni giuste, costituito dai minerali giusti; e l'ecosistema del fiume deve fornire molto del cibo che sostiene i microbi in quei sedimenti, " ha detto. "È la combinazione di queste due cose che stanno aiutando questo sistema di filtrazione a mantenere la sua produttività, e questi due fattori cambiano con le pratiche stagionali e operative."

La ricerca di Berkeley Lab è stata in grado di modellare i fattori chiave per mantenere la produzione di acqua di alta qualità ottimizzando l'infiltrazione e il pompaggio dell'acqua. I ricercatori hanno scoperto che i microbiomi sono un fattore di controllo chiave, e hanno pubblicato una serie di studi nel corso degli anni basati sul sito della Water Agency, come quello sul bioclogging degli argini, un processo in cui la crescita microbica può bloccare l'infiltrazione di acqua nei pozzi di raccolta.

Il nuovo arrivato ha sviluppato un flusso numerico e un modello di trasporto reattivo dell'acqua e dei costituenti geochimici nel sottosuolo. "È un modello all'avanguardia ed è il primo del suo genere ad avere capacità microbiche integrate nel modello, " ha detto. "Con le informazioni microbiche e le informazioni sul flusso e geochimiche possono aiutare a guidare un'agenzia con le sue decisioni di pompaggio, e ora stiamo usando il modello per esplorare le risposte al fuoco".

Ricerca post-incendio

L'attuale fase della ricerca si sta concentrando sulla raccolta di dati da tutto il bacino idrografico e sull'utilizzo dei modelli per comprendere in che modo il carbonio a base di cenere generato dagli incendi e mobilitato dalle tempeste invernali avrà un impatto sui tassi di infiltrazione e sulla crescita microbica. Il carbonio è una fonte di energia per i microrganismi del letto del fiume e quindi influenza la quantità di acqua che può infiltrarsi nelle falde acquifere e la velocità con cui i contaminanti possono degradarsi.

Il pericolo è che le sostanze chimiche potenzialmente tossiche comuni in una pletora di articoli per la casa finiscano nelle acque sotterranee dopo un incendio. "Per lo più siamo preoccupati per le sostanze chimiche contenute negli oggetti domestici personali, come ignifugo nei mobili, dipingere, pesticidi, e oggetti bruciati nelle case delle persone, "Il nuovo arrivato ha detto. "Siamo anche preoccupati che i metalli vengano mobilitati, come il mercurio, che si trova comunemente nelle batterie e nelle lampadine."

Il team del Berkeley Lab non è coinvolto nella risposta di emergenza ai recenti incendi. Piuttosto, la loro indagine scientifica e le capacità numeriche consentiranno all'Agenzia per l'acqua di prendere decisioni più informate su come gestire il proprio sistema di filtrazione lungo le sponde del fiume, sia a breve che a lungo termine. Gli approcci dovrebbero essere trasferibili ad altri siti, e può anche aprire la strada a una progettazione più efficiente di sistemi di filtrazione delle sponde dei fiumi resistenti agli eventi estremi.

"Stiamo incapsulando la nostra comprensione delle connessioni tra idrologia, carbonio derivato dal fuoco, geochimica, e la biologia in una modalità predittiva che può consentire all'Agenzia per l'acqua di prendere decisioni migliori su come ottimizzare il proprio sistema di filtrazione lungo le sponde del fiume e fornire acqua ai propri clienti, " disse Hubbard.