La California fa affidamento sul manto nevoso della Sierra Nevada per una parte significativa del suo fabbisogno idrico, eppure gli scienziati capiscono molto poco di come i futuri cambiamenti nel volume e nei tempi del manto nevoso influenzeranno le acque superficiali e sotterranee. Ora i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia stanno sviluppando un modello idrologico avanzato per studiare come il cambiamento climatico potrebbe influenzare i bacini idrografici della California.

Il nuovo studio collaborativo, con $ 3,7 milioni di finanziamenti dal programma di ricerca sulle tasse di laboratorio UC, migliorerà la proiezione delle risorse idriche in una serie di scenari futuri. L'obiettivo del progetto è fornire informazioni che possono essere utilizzate per ottimizzare lo stoccaggio dell'acqua, qualità dell'acqua, e sostenibilità delle acque sotterranee al variare delle precipitazioni, temperature calde, e la popolazione cresce.

"Utilizzeremo un approccio di modellazione numerica ad alta risoluzione e basato sulla fisica per simulare il modo in cui l'acqua si sposta dall'atmosfera alle acque superficiali e nelle acque sotterranee, " ha affermato la scienziata Erica Woodburn dell'area di scienze della terra e dell'ambiente del Berkeley Lab. "La gestione dell'acqua in tutto lo stato si basa attualmente su modelli più semplici che sono stati calibrati e fatti funzionare correttamente con i dati storici. Ma poiché probabilmente ci stiamo muovendo verso un futuro in cui l'erogazione dell'acqua potrebbe essere molto diversa dagli anni passati, c'è una significativa incertezza nell'uso di questi modelli attuali per prevedere la distribuzione dell'acqua futura".

Il progetto triennale, intitolato "Dalle sorgenti alle acque sotterranee:risorse in un clima che cambia, " è guidato da Jeff Dozier dell'UC Santa Barbara, e comprende ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory, UC Davis, UC Irvine, UCLA, e UC Merced.

Woodburn, un idrogeologo di formazione, insieme a Carl Steefel, capo del dipartimento di geochimica del Berkeley Lab, svilupperà un modello numerico meccanicistico dello spartiacque del fiume Consumnes, che si estende dalla Sierra Nevada a sud di Sacramento, infine alimentando il delta del fiume Sacramento-San Joaquin e il California State Water Project, la principale fonte di acqua per gran parte della California meridionale.

"È uno spartiacque davvero interessante perché è uno dei pochi, se non l'unico grande fiume che scorre dalla catena montuosa della Sierra Nevada senza una grande diga, " ha detto Woodburn. "Quindi è un raro esperimento naturale in cui possiamo isolare gli effetti del cambiamento climatico e la gestione dell'acqua perché non ha grandi attività di gestione dell'acqua. Possiamo utilizzare il modello per esplorare gli effetti del cambiamento climatico o dell'uso del suolo sui sistemi idrologici ed ecologici".

Il modello del team si estenderà dalla bassa atmosfera alle unità geologiche del sottosuolo profondo, una regione coniata "la zona critica" dagli scienziati della terra dato il suo ruolo importante in molti processi ambientali. Il modello includerà flussi di acque sotterranee 3D, l'interazione tra le acque sotterranee, acque superficiali, e coperture vegetali, così come i processi antropici come il pompaggio delle acque sotterranee, gestione del serbatoio, e l'uso dell'acqua urbana.

"Anche se la California ha storicamente periodi di anni secchi e umidi, non c'è un analogo per gli estremi climatici come quelli che abbiamo osservato negli ultimi anni, come quei prolungati periodi di siccità da record seguiti da periodi di intense precipitazioni che causano inondazioni, " Woodburn ha detto. "La necessità di modelli accurati per guidare la futura gestione dell'acqua, la probabilità di un ciclo dell'acqua "nuovo normale" in California, e la crescente disponibilità di approcci computazionali ad alte prestazioni per simulare fisicamente come l'acqua si muove in superficie e nel sottosuolo rendono questo nuovo progetto molto tempestivo".

Un effetto ipotizzato di un clima più caldo è che cambia i tempi del ciclo idrologico. "Con lo scioglimento del manto nevoso all'inizio dell'anno, che ha un effetto a cascata su quando inizia la stagione di crescita degli ambienti montani, " Woodburn ha detto. "Poiché la vegetazione diventa più attiva all'inizio della stagione, più acqua lascerà il sistema sotto forma di evapotraspirazione prima, che potenzialmente potrebbe creare molta incertezza nella disponibilità di acqua. Questi sono i tipi di feedback che possiamo indagare con un modello numerico su base fisica che consideri congiuntamente le interazioni tra superficie e falda».

Lo spartiacque del fiume Cosumnes attraversa un'ampia gamma del territorio dello stato, dalle montagne ai terreni agricoli della Central Valley alle aree urbane. "Gli scambi di acque sotterranee-superficiali a queste interfacce sono davvero importanti e in gran parte sconosciuti, " ha detto. "La novità del nostro modello è che tiene conto di alcuni trasferimenti interdisciplinari di acqua, come feedback tra lo stoccaggio delle acque sotterranee e, Per esempio, vegetazione sulla superficie terrestre. La fisica di questi processi è davvero difficile da incorporare in modelli ad alta risoluzione e richiede l'uso di calcoli ad alte prestazioni".

Il team eseguirà le simulazioni presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Una volta che il team ha verificato che il modello funziona correttamente, gli scienziati saranno in grado di eseguire scenari. "Per esempio, come potrebbero cambiare i livelli delle acque sotterranee e le portate dei corsi d'acqua se abbiamo un inverno più caldo con meno manto nevoso, e come potrebbe essere diverso se l'anno prima era molto secco o molto umido?" ha detto Woodburn. "Potresti usare il modello per fare quelle proiezioni."

Gli scienziati del Berkeley Lab hanno utilizzato una tecnica simile per sviluppare un modello per uno spartiacque di Fukushima in Giappone per studiare il trasporto del cesio in seguito al disastro nucleare del 2011.

Intendono utilizzare il nuovo modello anche per studiare come le strategie per la gestione del rifornimento delle acque sotterranee - come la riserva idrica e la ricarica gestita della falda acquifera, le tecniche per catturare impulsi di pioggia ad alta intensità e infiltrarli nelle acque sotterranee invece di lasciarli defluire nell'oceano possono essere implementati al meglio.

Alcuni dei collaboratori dei campus UC analizzeranno la componente del costo energetico, Per esempio, assegnando un valore in dollari al costo di estrazione delle acque sotterranee; tali stime potrebbero essere combinate con le proiezioni dei modelli idrologici integrati per fornire migliori informazioni per il processo decisionale.