California depende de la capa de nieve de Sierra Nevada para una parte significativa de sus necesidades de agua, sin embargo, los científicos comprenden muy poco acerca de cómo los cambios futuros en el volumen y el tiempo de la capa de nieve influirán en las aguas superficiales y subterráneas. Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) están desarrollando un modelo hidrológico avanzado para estudiar cómo el cambio climático podría afectar las cuencas hidrográficas de California.

El nuevo estudio colaborativo, con $ 3.7 millones en fondos del Programa de Investigación de Tarifas de Laboratorio de la UC, mejorará la proyección de los recursos hídricos en una variedad de escenarios futuros. El objetivo del proyecto es proporcionar información que se pueda utilizar para optimizar el almacenamiento de agua, calidad del agua, y sostenibilidad de las aguas subterráneas a medida que las precipitaciones varían, temperaturas cálidas, y la población crece.

"Usaremos un enfoque de modelado numérico de alta resolución y con base física para simular cómo el agua se mueve desde la atmósfera a las aguas superficiales y subterráneas, ", dijo la científica Erica Woodburn del Área de Ciencias Ambientales y de la Tierra de Berkeley Lab." La gestión del agua en todo el estado actualmente se basa en modelos más simples que han sido calibrados y hechos para que funcionen correctamente con datos históricos. Pero debido a que es probable que nos estemos moviendo hacia un futuro en el que el suministro de agua puede ser muy diferente al de años anteriores, Existe una incertidumbre significativa en el uso de estos modelos actuales para predecir la distribución del agua en el futuro ".

El proyecto de tres años, titulado "Cabeceras de aguas subterráneas:recursos en un clima cambiante, "está dirigido por Jeff Dozier de UC Santa Barbara, e incluye investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, UC Davis, UC Irvine, UCLA, y UC Merced.

Woodburn, un hidrogeólogo de formación, junto con Carl Steefel, jefe del Departamento de Geoquímica de Berkeley Lab, desarrollará un modelo numérico mecanicista de la cuenca del río Consumnes, que se extiende desde Sierra Nevada hasta el sur de Sacramento, finalmente alimentando el delta del río Sacramento-San Joaquín y el Proyecto de Agua del Estado de California, la principal fuente de agua para gran parte del sur de California.

"Es una línea divisoria realmente interesante porque es una de las pocas, si no es el único gran río que fluye desde la cordillera de Sierra Nevada sin una presa importante, "Woodburn dijo." Así que es un experimento natural poco común en el que podemos aislar los efectos del cambio climático y la gestión del agua porque no tiene grandes actividades de gestión del agua. Podemos emplear el modelo para explorar los efectos del cambio climático o el uso de la tierra en los sistemas hidrológicos y ecológicos ".

El modelo del equipo abarcará desde la atmósfera inferior hasta las unidades geológicas del subsuelo profundo, una región acuñada como "la zona crítica" por los científicos de la tierra debido a su importante papel en muchos procesos ambientales. El modelo incluirá flujos de agua subterránea en 3-D, la interacción entre las aguas subterráneas, Superficie del agua, y coberturas de vegetación, así como procesos antropogénicos como el bombeo de aguas subterráneas, manejo de reservorios, y uso urbano de agua.

"Aunque California históricamente ha tenido períodos de años secos y húmedos, no existe una analogía para los extremos climáticos como los que hemos observado en los últimos años, como los períodos prolongados de sequía que batieron récords seguidos de períodos de intensos pulsos de precipitación que causan inundaciones, "Woodburn dijo." La necesidad de modelos precisos para guiar la gestión del agua en el futuro, la probabilidad de un ciclo del agua 'nuevo normal' en California, y la creciente disponibilidad de enfoques computacionales de alto rendimiento para simular físicamente cómo se mueve el agua en la superficie y en el subsuelo hacen que este nuevo proyecto sea muy oportuno ".

Un efecto hipotético de un clima más cálido es que cambia la sincronización del ciclo hidrológico. "Con la capa de nieve derritiéndose a principios de año, que tiene un efecto en cascada sobre cuándo comienza la temporada de crecimiento de los ambientes montanos, "Woodburn dijo." A medida que la vegetación se vuelve más activa a principios de la temporada, más agua saldrá del sistema en forma de evapotranspiración antes, lo que potencialmente podría crear mucha incertidumbre en la disponibilidad de agua. Estos son los tipos de retroalimentación que podemos investigar con un modelo numérico de base física que considera conjuntamente las interacciones de las aguas superficiales y subterráneas ".

La cuenca del río Cosumnes atraviesa una amplia gama del terreno del estado, desde las montañas hasta las tierras agrícolas del Valle Central y las áreas urbanas. "Los intercambios de agua subterránea-agua superficial en estas interfaces son realmente importantes y en gran parte desconocidos, ", dijo." La novedad de nuestro modelo es que tiene en cuenta algunas transferencias interdisciplinarias de agua, como la retroalimentación entre el almacenamiento de agua subterránea y, por ejemplo, Vegetación en la superficie terrestre. La física de esos procesos es realmente difícil de incorporar en modelos de alta resolución y requiere el uso de computación de alto rendimiento ".

El equipo realizará las simulaciones en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Una vez que el equipo valida que el modelo está funcionando correctamente, los científicos podrán ejecutar escenarios. "Por ejemplo, ¿Cómo podrían cambiar los niveles de agua subterránea y la descarga de corrientes de agua si tenemos un invierno más cálido con menos capa de nieve? y ¿cómo podría ser diferente si el año anterior fue muy seco o muy húmedo? ", dijo Woodburn." Se podría utilizar el modelo para hacer esas proyecciones ".

Los científicos del laboratorio de Berkeley utilizaron una técnica similar para desarrollar un modelo para una cuenca de Fukushima en Japón para estudiar el transporte de cesio después del desastre nuclear allí en 2011.

Tienen la intención de utilizar el nuevo modelo para estudiar también cómo las estrategias para gestionar el reabastecimiento de aguas subterráneas, como los bancos de agua y la recarga gestionada de los acuíferos, Las técnicas para capturar pulsos de lluvia de alta intensidad e infiltrarlos en el agua subterránea en lugar de permitir que se escurra al océano, se pueden implementar mejor.

Algunos de los colaboradores de los campus de la UC analizarán el componente de costo energético, por ejemplo, poniendo un valor en dólares al costo de extracción de agua subterránea; esas estimaciones podrían combinarse con proyecciones de los modelos hidrológicos integrados para proporcionar mejor información para la toma de decisiones.