Pour la première fois, Les ingénieurs de Caltech ont développé un modèle empirique à l'échelle de l'État du réseau de réservoirs californiens. Le modèle a été construit à partir de données recueillies sur une période de 13 ans qui comprend la dernière sécheresse, permettant aux chercheurs de faire des observations sur la façon dont 55 des principaux réservoirs de l'État répondent à une variété de conditions externes en tant que système unifié.
Les réservoirs agissent comme tampon de l'État contre la variabilité climatique, stocker de l'eau pendant la saison des pluies pour une utilisation pendant la saison sèche. L'eau peut être libérée pour produire de l'énergie hydroélectrique, et peut être détourné vers l'agriculture et la consommation résidentielle. Pendant ce temps, un réservoir lui-même est souvent utilisé à des fins récréatives, comme la natation et la navigation de plaisance. Les réservoirs sont interconnectés en ce sens qu'ils sont placés le long des grands cours d'eau, avec certains en aval des autres, et aussi parce qu'ils peuvent recevoir des quantités d'eau similaires et peuvent être soumis à des décisions de gestion similaires.
Les gestionnaires de ces installations doivent maintenir une quantité d'eau de référence dans chaque réservoir. Au fur et à mesure que le niveau d'eau se rapproche de ce repère minimum, ils rappellent la quantité d'eau libérée, qui à son tour affecte tous les réservoirs en aval. Les gestionnaires de réservoir essaient d'éviter d'avoir à couper complètement la sortie d'eau, car cela peut avoir des conséquences catastrophiques pour les fermes et les communautés qui dépendent de l'eau. Le comportement d'un réservoir – la montée et la baisse du niveau de l'eau – est déterminé en partie par les changements climatiques et en partie par les humains qui gèrent l'écoulement du réservoir. Ces deux composants peuvent rendre le stockage du réservoir difficile à prévoir.
"Le pain et le beurre de l'hydrologie utilise des lois physiques pour décrire les phénomènes de l'eau. Mais le comportement de ces réservoirs n'est pas uniquement déterminé par les lois physiques du cycle de l'eau, mais aussi par les demandes et à quoi servent ces réservoirs, " déclare Armeen Taeb, étudiante diplômée de Caltech, auteur principal d'un article sur le modèle qui sera publié en ligne le 22 novembre dans la revue Recherche sur les ressources en eau . « La composante humaine importante dans le comportement des réservoirs signifie que la modélisation basée sur la physique devient rapidement insoluble dans les environnements comportant un grand nombre de réservoirs. »
Pour résoudre ce problème, Taeb et ses collègues — Venkat Chandrasekaran, professeur de sciences informatiques et mathématiques et de génie électrique à Caltech, et John Reager et Michael Turmon du JPL—ont utilisé des techniques statistiques pour tirer des leçons du passé et faire la lumière sur la façon dont les réservoirs réagiront aux différents modèles climatiques à l'avenir. Ils ont comparé les fluctuations des niveaux d'eau des réservoirs entre 2003 et 2016 à divers facteurs, comme les précipitations, la gravité de la sécheresse, les niveaux du manteau neigeux dans les Sierras, et les niveaux d'autres réservoirs californiens. Les chercheurs ont découvert que le plus grand prédicteur des changements dans le réseau de réservoirs était l'indice de sévérité de la sécheresse de Palmer, qui a été développé par le National Weather Service en 1965.
Avec ce modèle empirique, Taeb dit, les gestionnaires peuvent se faire une idée plus précise des demandes qui seront imposées à leurs réservoirs, et peuvent ajuster leur comportement plus tôt en réduisant les rejets d'eau plus progressivement, ce qui réduit la possibilité de devoir supprimer complètement les rejets d'eau.
"Disons que vous êtes en période de sécheresse et que vous avez une prévision avancée de la valeur de l'indice de sécheresse dans deux mois, " dit Taeb. " Vous pouvez regarder notre complot et demander, 'D'accord, quelle est la probabilité d'épuisement du réservoir si nous nous en tenons au statu quo ? » Et si tu vois que c'est haut, vous devez sortir de votre routine et faire quelque chose maintenant avant d'avoir des ennuis."
Par analogie, pensez à la réaction d'un conducteur à un feu rouge. Si le conducteur voit le feu rouge avec beaucoup de temps pour réagir, il peut ralentir lentement les freins, ce qui est plus sûr pour tous les conducteurs derrière lui. Si, au lieu, il attend la dernière minute et claque la pédale de frein au sol, il est plus susceptible de provoquer un accident pour tout le monde derrière lui.
La sécheresse 2012-2015, qui a inspiré Taeb et ses collègues à poursuivre cette recherche, a été parmi les plus intenses à se produire dans le passé 1, 200 ans. « Nous étions vraiment proches de la catastrophe à la fin de la période de sécheresse. En fait, deux des 55 retenues étudiées dans nos travaux n'ont eu aucun ou très peu de rejets d'eau en 2014, " dit Taeb. À l'avenir, l'état connaîtra périodiquement des sécheresses alors que la demande en eau ne cesse d'augmenter au milieu d'une population croissante, et donc la pression exercée sur le réseau de réservoirs californien est susceptible de se reproduire, dit Taeb, qui pense que des lignes directrices sont nécessaires pour garantir que l'État ne soit pas confronté à une catastrophe à l'échelle du système.
« En raison des pénuries fréquentes d'eau de surface, La Californie doit recourir au pompage de l'eau du sol, mais ce n'est pas durable car il n'y a pas assez de pluie pour reconstituer le montant que nous retirons. ça ne durera pas, " dit-il. Taeb et ses co-auteurs pensent que leur modèle est un outil d'analyse de données important qui devrait être utilisé comme entrée dans le processus de prise de décision lors de l'application efficace, politiques de gestion durable de l'eau.
Taeb dit que le même type de modélisation empirique pourrait également être utilisé dans d'autres États confrontés à des défis similaires.
L'étude s'intitule « Un modèle graphique statistique du système de réservoir de Californie ».
