La Californie dépend du manteau neigeux de la Sierra Nevada pour une partie importante de ses besoins en eau, pourtant, les scientifiques comprennent très peu comment les changements futurs dans le volume et le moment du manteau neigeux influenceront les eaux de surface et les eaux souterraines. À présent, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie développent un modèle hydrologique avancé pour étudier comment le changement climatique pourrait affecter les bassins versants de la Californie.

La nouvelle étude collaborative, avec un financement de 3,7 millions de dollars du programme de recherche sur les frais de laboratoire de l'UC, permettra d'améliorer la projection des ressources en eau dans une série de scénarios futurs. L'objectif du projet est de fournir des informations qui peuvent être utilisées pour optimiser le stockage de l'eau, la qualité d'eau, et la durabilité des eaux souterraines à mesure que les précipitations varient, températures chaudes, et la population augmente.

« Nous utiliserons une approche de modélisation numérique à haute résolution et basée sur la physique pour simuler la façon dont l'eau se déplace de l'atmosphère aux eaux de surface et aux eaux souterraines, " a déclaré la scientifique Erica Woodburn du domaine des sciences de la Terre et de l'environnement du Berkeley Lab. " La gestion de l'eau dans l'ensemble de l'État repose actuellement sur des modèles plus simples qui ont été calibrés et conçus pour fonctionner correctement avec des données historiques. Mais parce que nous nous dirigeons probablement vers un avenir où la distribution d'eau peut être très différente des années passées, il existe une incertitude importante dans l'utilisation de ces modèles actuels pour prédire la distribution future de l'eau. »

Le projet triennal, intitulé « De la source à la nappe phréatique :ressources dans un climat en évolution, " est dirigé par Jeff Dozier de l'UC Santa Barbara, et comprend des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory, UC Davis, UC Irvine, UCLA, et UC Merced.

Woodburn, un hydrogéologue de formation, avec Carl Steefel, chef du département de géochimie du Berkeley Lab, développera un modèle numérique mécaniste du bassin versant de la rivière Consumnes, qui s'étend de la Sierra Nevada au sud de Sacramento, alimentant finalement le delta de la rivière Sacramento-San Joaquin et le California State Water Project, la principale source d'eau pour une grande partie de la Californie du Sud.

"C'est un tournant vraiment intéressant parce que c'est l'un des rares, sinon la seule grande rivière qui coule de la chaîne de montagnes de la Sierra Nevada sans barrage majeur, " Woodburn a déclaré. "C'est donc une expérience naturelle rare où nous pouvons isoler les effets du changement climatique et de la gestion de l'eau, car il n'y a pas d'activités de gestion de l'eau à grande échelle. Nous pouvons utiliser le modèle pour explorer les effets du changement climatique ou de l'utilisation des terres sur les systèmes hydrologiques et écologiques. »

Le modèle de l'équipe s'étendra de la basse atmosphère à des unités géologiques souterraines profondes, une région surnommée "la zone critique" par les scientifiques de la Terre compte tenu de son rôle important dans de nombreux processus environnementaux. Le modèle comprendra des écoulements d'eau souterraine en 3D, l'interaction entre les eaux souterraines, les eaux de surface, et les couvertures végétales, ainsi que des processus anthropiques tels que le pompage des eaux souterraines, gestion des réservoirs, et l'utilisation de l'eau en milieu urbain.

"Même si la Californie a historiquement des périodes d'années sèches et humides, il n'y a pas d'analogue pour les extrêmes climatiques comme ceux que nous avons observés ces dernières années, telles que ces périodes prolongées de sécheresse record suivies de périodes d'impulsions de précipitations intenses qui provoquent des inondations, " Woodburn a déclaré. " Le besoin de modèles précis pour guider la gestion future de l'eau, la probabilité d'un "nouveau cycle normal" de l'eau en Californie, et la disponibilité croissante d'approches informatiques de haute performance pour simuler physiquement la façon dont l'eau se déplace à la surface et dans le sous-sol rendent ce nouveau projet très opportun."

Un effet hypothétique d'un climat plus chaud est qu'il modifie le calendrier du cycle hydrologique. « Avec la fonte du manteau neigeux plus tôt dans l'année, qui a un effet en cascade sur le début de la saison de croissance des environnements montagnards, " Woodburn a déclaré. "Comme la végétation devient plus active plus tôt dans la saison, plus d'eau quittera le système sous forme d'évapotranspiration plus tôt, ce qui pourrait potentiellement créer beaucoup d'incertitude quant à la disponibilité de l'eau. Ce sont les types de rétroactions que nous pouvons étudier avec un modèle numérique basé sur la physique qui considère conjointement les interactions des eaux de surface et souterraines. »

Le bassin versant de la rivière Cosumnes traverse un large éventail de terrains de l'État, des montagnes aux terres agricoles de la vallée centrale en passant par les zones urbaines. « Les échanges eaux souterraines-eaux de surface à ces interfaces sont vraiment importants et largement méconnus, " dit-elle. " La nouveauté de notre modèle est qu'il tient compte de certains transferts interdisciplinaires d'eau, telles que les rétroactions entre le stockage des eaux souterraines et, par exemple, végétation à la surface du sol. La physique de ces processus est vraiment difficile à intégrer dans des modèles haute résolution et nécessite l'utilisation de calculs haute performance. »

L'équipe effectuera les simulations au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC), une installation utilisateur du DOE Office of Science. Une fois que l'équipe a validé que le modèle fonctionne correctement, les scientifiques pourront exécuter des scénarios. "Par exemple, comment les niveaux des eaux souterraines et le débit des cours d'eau pourraient-ils changer si nous avons un hiver plus chaud avec moins de neige, et en quoi cela pourrait-il être différent si l'année précédente était très sèche ou très humide ?", a déclaré Woodburn. « Vous pouvez utiliser le modèle pour faire ces projections. »

Les scientifiques du Berkeley Lab ont utilisé une technique similaire pour développer un modèle pour un bassin versant de Fukushima au Japon afin d'étudier le transport du césium à la suite de la catastrophe nucléaire de 2011.

Ils ont l'intention d'utiliser le nouveau modèle pour étudier également comment les stratégies de gestion de la reconstitution des eaux souterraines - telles que les réserves d'eau et la recharge gérée des aquifères, les techniques pour capturer des impulsions de pluie à haute intensité et les infiltrer dans les eaux souterraines au lieu de les laisser s'écouler vers l'océan - peuvent être mieux mises en œuvre.

Certains des collaborateurs des campus de l'UC analyseront la composante coût de l'énergie, par exemple, en mettant une valeur monétaire sur le coût d'extraction des eaux souterraines; ces estimations pourraient être combinées avec des projections des modèles hydrologiques intégrés pour fournir une meilleure information pour la prise de décision.