Les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont passé une décennie à développer des capacités de modélisation et de surveillance de classe mondiale pour identifier les facteurs à l'origine du succès du système de filtration des berges de Sonoma. Ils tournaient leur attention vers l'étude de l'impact potentiel des événements extrêmes, comme les tempêtes et les incendies de forêt, quand la catastrophe a frappé. Soudainement, leurs approches expérimentales pour prédire comment le système réagirait à des situations hypothétiques sont utilisées pour explorer les perturbations de la vie réelle.

Des incendies catastrophiques dans le nord de la Californie ont brûlé plus de 110, 000 acres dans les comtés de Sonoma et Napa le mois dernier – dont 8 pour cent du bassin hydrographique de la rivière Russian. Maintenant que la saison des pluies est en cours, les recherches de Berkeley Lab - qui cherchent à comprendre comment l'hydrologie et la microbiologie du système d'eaux de surface et souterraines réagissent aux événements extrêmes - sont devenues encore plus critiques.

"Nous étudiions l'impact potentiel des incendies sur le nutriment, soluté, et livraison de métal à la rivière, ", a déclaré Michelle Newcomer, chercheuse au Berkeley Lab. "Avec cette tournure malheureuse des événements, nos approches développées sont prêtes à répondre à de vraies questions sur la disponibilité et la qualité de l'eau."

L'Agence de l'eau du comté de Sonoma soutient Berkeley Lab pour évaluer l'impact des incendies récents et de toute tempête post-incendie sur les conditions hydrologiques et biogéochimiques de la qualité de l'eau lorsqu'elle traverse la rivière Russian et le système d'eaux souterraines, la principale source d'eau potable pour 600, 000 habitants dans les comtés de Sonoma et Marin.

Berkeley Lab a collaboré avec l'Agence de l'eau et des scientifiques de l'U.S. Geological Survey (USGS), qui aident à collecter des échantillons et à effectuer des analyses de la qualité de l'eau, respectivement.

"Le moment des incendies a présenté un grand défi. En approchant si près de la saison des pluies, les gens qui tirent leur eau de la rivière Russian s'inquiètent des impacts potentiels du ruissellement des milliers de maisons détruites et des milliers d'acres marqués, " a déclaré Jay Jasperse, ingénieur en chef et responsable du programme eaux souterraines de l'Agence de l'eau. "Le partenariat avec Berkeley Lab et USGS fournira des informations vitales."

Les données recueillies à partir de ce programme seront également utiles pour évaluer les impacts potentiels sur d'autres systèmes d'approvisionnement en eau à l'intérieur et en aval des zones touchées, ainsi que les effets potentiels sur l'écosystème.

« Dès que l'incendie s'est déclaré, nous nous sommes mobilisés la semaine suivante pour identifier une série de nœuds de mesure à des endroits clés du bassin versant afin de collecter une série chronologique d'échantillons d'eau, " a déclaré Susan Hubbard, le directeur de laboratoire associé du domaine des sciences de la terre et de l'environnement du Berkeley Lab. "Nous travaillons pour comprendre comment les changements des conditions hydrologiques influencent les interactions entre les microbes, minéraux, et les fluides dans les eaux de surface et souterraines, C'est, comment ces interactions changent avant, pendant, et après les tempêtes et ce que cela signifie pour la disponibilité et la qualité de l'eau."

Les lits des rivières comme filtres naturels

Le système de filtration des berges de l'Agence de l'Eau, situé sur la rivière Russian près de Forestville, pompe les eaux souterraines à environ 20 mètres sous la rivière qui ont été naturellement filtrées par les sédiments et les microbes de l'écosystème. L'avantage d'un tel système est qu'il réduit considérablement, voire élimine le besoin d'un prétraitement chimique pour éliminer les agents pathogènes et les contaminants. "C'est un naturel, façon durable de filtrer l'eau, ", a déclaré le nouveau venu.

Les scientifiques du Berkeley Lab ont étudié les processus hydrologiques et biogéochimiques qui sont essentiels au succès des systèmes de filtration des berges. Grâce à des modèles surface-sous-surface avancés capables de simuler des interactions complexes, Le nouveau venu a identifié plusieurs contrôles clés.

"Nous pensons qu'une infiltration réussie des berges nécessite deux choses :l'aquifère en dessous et à côté de la rivière doit avoir des sédiments du type et de la taille appropriés, composé des bons minéraux; et l'écosystème de la rivière doit fournir une grande partie de la nourriture de maintien pour les microbes dans ces sédiments, " dit-elle. " C'est la combinaison de ces deux choses qui aident ce système de filtration à maintenir sa productivité, et ces deux facteurs changent avec les pratiques saisonnières et opérationnelles."

Les recherches de Berkeley Lab ont permis de modéliser les facteurs clés pour maintenir une production d'eau de haute qualité tout en optimisant l'infiltration et le pompage de l'eau. Les chercheurs ont découvert que les microbiomes sont un facteur de contrôle clé, et ils ont publié un certain nombre d'études au fil des ans sur la base du site de l'Agence de l'eau, comme celui sur le biocolmatage des berges, un processus où la croissance microbienne peut bloquer l'infiltration d'eau dans les puits collecteurs.

Newcomer a développé un modèle numérique d'écoulement et de transport réactif de l'eau et des constituants géochimiques dans le sous-sol. "C'est un modèle à la pointe de la technologie et c'est le premier de ce type à avoir des capacités microbiennes intégrées dans le modèle, ", a-t-elle déclaré. "Avec les informations microbiennes ainsi que les informations sur le débit et la géochimie, cela peut aider à guider une agence dans ses décisions de pompage, et nous utilisons maintenant le modèle pour explorer les réponses au feu."

Recherche post-incendie

La phase actuelle de la recherche se concentre sur la collecte de données dans tout le bassin versant et sur l'utilisation des modèles pour comprendre comment le carbone à base de cendres généré par les incendies et mobilisé par les tempêtes hivernales aura un impact sur les taux d'infiltration et la croissance microbienne. Le carbone est une source d'énergie pour les micro-organismes du lit de la rivière et influence ainsi la quantité d'eau pouvant s'infiltrer dans les aquifères et la vitesse à laquelle les contaminants peuvent se dégrader.

Le danger est que des produits chimiques potentiellement toxiques courants dans une pléthore d'articles ménagers se retrouvent dans les eaux souterraines après un incendie. « Nous sommes principalement préoccupés par les produits chimiques contenus dans les articles ménagers personnels, tels que les produits ignifuges dans les meubles, Peinture, pesticides, et des objets qui ont brûlé dans les maisons des gens, ", a déclaré un nouveau venu. "Nous sommes également préoccupés par la mobilisation des métaux, comme le mercure, que l'on trouve couramment dans les piles et les ampoules."

L'équipe du Berkeley Lab n'est pas impliquée dans les interventions d'urgence suite aux récents incendies. Plutôt, leurs investigations scientifiques et leurs capacités numériques permettront à l'Agence de l'eau de prendre des décisions plus éclairées sur la gestion de leur système de filtration des berges, tant à court terme qu'à plus long terme. Les approches doivent être transférables sur d'autres sites, et peut également ouvrir la voie à une conception plus efficace des systèmes de filtration des berges qui sont résilients aux événements extrêmes.

"Nous récapitulons notre compréhension des liens entre l'hydrologie, carbone dérivé du feu, géochimie, et la biologie dans un mode prédictif qui peut permettre à l'Agence de l'Eau de prendre les meilleures décisions pour optimiser son système de filtration des berges et livrer l'eau à ses clients, " dit Hubbard.