Ingeniører modellerer Californiens reservoirnetværk

For første gang, ingeniører hos Caltech har udviklet en empirisk statsdækkende model af Californiens reservoirnetværk. Modellen blev bygget ud fra data indsamlet over en 13-årig periode, der inkluderer den seneste tørke, giver forskere mulighed for at foretage observationer om, hvordan 55 af statens store reservoirer reagerer på en række eksterne forhold som et samlet system.

Reservoirer fungerer som statens buffer mod klimavariabilitet, oplagring af vand i regntiden til brug i det tørre. Vandet kan frigives for at generere vandkraft, og kan omdirigeres til landbrug og boligforbrug. I mellemtiden et reservoir i sig selv bruges ofte til rekreative formål, såsom svømning og sejlsport. Reservoirerne er indbyrdes forbundet ved, at de er placeret langs større vandveje, med nogle nedstrøms for andre, og også fordi de kan modtage tilsvarende mængder vandtilførsel og kan være underlagt lignende ledelsesbeslutninger.

Lederne af disse faciliteter skal opretholde en basismængde af vand i hvert reservoir. Når vandstanden falder tættere på dette minimumsmærke, de indstiller mængden af ​​frigivet vand, hvilket igen påvirker alle reservoirerne nedstrøms. Reservoirforvaltere forsøger at undgå at skulle lukke for vandudledningen helt, da det kan få katastrofale konsekvenser for gårde og samfund, der er afhængige af vandet. Et reservoirs opførsel – stigning og fald i vandstanden – bestemmes dels af ændringer i klimaet og dels af mennesker, der styrer reservoirets udstrømning. Disse to komponenter kan gøre reservoiropbevaring udfordrende at forudsige.

"Hydrologiens brød og smør bruger fysiske love til at beskrive vandfænomener. Men disse reservoirers opførsel er ikke udelukkende bestemt af fysiske love i vandkredsløbet, men også efter behov og hvad disse reservoirer bliver brugt til, " siger Caltech kandidatstuderende Armeen Taeb, hovedforfatter på et papir om modellen, der vil blive offentliggjort online den 22. november i tidsskriftet Vandressourceforskning . "Den væsentlige menneskelige komponent i opførsel af reservoirer betyder, at fysik-baseret modellering hurtigt bliver uoverskuelig i omgivelser med et stort antal reservoirer."

For at løse dette problem, Taeb og hans kolleger - Venkat Chandrasekaran, professor i databehandling og matematiske videnskaber og elektroteknik ved Caltech, og John Reager og Michael Turmon fra JPL - brugte statistiske teknikker til at lære af fortiden for at kaste lys over, hvordan reservoirer vil reagere på forskellige klimamønstre i fremtiden. De sammenlignede udsving i reservoirvandstanden mellem 2003 og 2016 med en række faktorer, såsom nedbør, sværhedsgraden af ​​tørken, snepakningsniveauerne i Sierras, og niveauer af andre Californiske reservoirer. Forskerne fandt ud af, at den største forudsigelse for ændringer i reservoirnetværket var Palmer Drought Severity Index, som blev udviklet af National Weather Service i 1965.

Med denne empiriske model, Taeb siger, ledere kan få et klarere billede af de krav, der vil blive stillet til deres reservoirer, og kan justere deres adfærd tidligere ved at begrænse vandudslip mere gradvist – hvilket reducerer muligheden for helt at skulle afbryde vandudslip.

"Lad os sige, at du er i en tørke, og du har en avanceret forudsigelse af tørkeindeksværdien om to måneder, " siger Taeb. "Du kan se på vores plot og spørge, 'Okay, hvad er sandsynligheden for udmattelse af reservoiret, hvis vi bare holder os til business as usual?' Og hvis du ser, at det er højt, du skal ud af din rutine og gøre noget nu, før du kommer i problemer."

Som en analogi, tænk på en chaufførs reaktion på et rødt lys. Hvis chaufføren ser det røde lys med lang tid til at reagere, han kan langsomt lette på bremserne - hvilket er mere sikkert for alle chaufførerne bag ham. Hvis, i stedet, han venter til sidste øjeblik og slår bremsepedalen i gulvet, han er mere tilbøjelig til at forårsage en ulykke for alle bag ham.

Tørken 2012-2015, som inspirerede Taeb og hans kolleger til at forfølge denne forskning, var blandt de mest intense, der fandt sted i det sidste 1, 200 år. "Vi var virkelig tæt på en katastrofe ved udgangen af ​​tørkeperioden. Faktisk, to af de 55 reservoirer, der blev undersøgt i vores arbejde, havde ingen eller meget lidt vandudledning i 2014, " siger Taeb. I fremtiden, staten vil med jævne mellemrum opleve tørke, mens efterspørgslen efter vand er konstant stigende midt i en voksende befolkning, og derfor vil belastningen på Californiens reservoirnetværk sandsynligvis forekomme igen, siger Taeb - som mener, at retningslinjer er nødvendige for at sikre, at staten ikke står over for en systemomfattende katastrofe.

"På grund af den hyppige mangel på overfladevand, Californien må ty til at pumpe vand ud fra jorden, men det er ikke holdbart, fordi der ikke er nok regn til at genopbygge den mængde, vi tager ud. Det holder ikke, " siger han. Taeb og hans medforfattere mener, at deres model er et vigtigt dataanalyseværktøj, der bør bruges som input i beslutningsprocessen, når der håndhæves effektiv, bæredygtige vandforvaltningspolitikker.

Taeb siger, at den samme slags empiriske modellering også kunne bruges i andre stater, der står over for lignende udfordringer.

Undersøgelsen har titlen "A Statistical Graphical Model of the California Reservoir System."