Departamentul de Geografie, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

subterană

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Geografie, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Geografie, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din Houston, Houston, Texas, SUA

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din Houston, Houston, Texas, SUA

Departamentul de Geografie, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Corespondență cu: D. P. Lettenmaier,

Departamentul de Geografie, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Geografie, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Geografie, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din Houston, Houston, Texas, SUA

Departamentul de Inginerie Civilă și de Mediu, Universitatea din Houston, Houston, Texas, SUA

Departamentul de Geografie, Universitatea din California, Los Angeles, California, SUA

Corespondență cu: D. P. Lettenmaier,

Abstract

1. Introducere

Utilizarea apei subterane în Valea Centrală (CV) este larg răspândită și face parte din lipsa apei de suprafață în timpul secetei, precum și (într-o măsură ceva mai mică) în anii nondrought [Bertoldi și colab., 1991]. În perioada 2003–2010, Famiglietti și colab. [2011] consumul total estimat al apelor subterane în CV la

20 km 3, pe baza unei combinații de modelare a echilibrului apei și a datelor prin satelit de recuperare a gravitației și a climatului (GRACE). Au arătat că CV-ul a cunoscut o epuizare crescută a apei subterane începând cu aproximativ 2000. Cu toate acestea, utilizarea agregată a apelor subterane nu este bine monitorizată, iar depozitarea apei subterane (GWS) este dificil de evaluat [Famiglietti și colab., 2011]. În plus, în timp ce [Famiglietti și colab., 2011] și altele (de exemplu, [Scanlon și colab., 2012]) au folosit datele GRACE pentru a încerca să documenteze modificările stocării apelor subterane în California și în alte părți, amprenta efectivă a GRACE este de ordinul 250.000-500.000 km 2, care depășește cu mult aria CV-ului (

52.000 km 2) și chiar din întregul bazin al râului Sacramento - San Joaquin

154.000 km 2). Acest lucru face ca interpretarea estimărilor bazate pe GRACE ale epuizării apelor subterane să fie specifică CV-ului (vezi de ex., Scanlon și colab., 2012 și secțiunea 3 aici). Mai mult, în timp ce mai multe studii ale CV-ului sunt de acord că stocarea apei subterane a scăzut de la mijlocul anilor 2000 [Famiglietti și colab., 2011; Scanlon și colab., 2012; Familii, 2014; Chen și colab., 2016], niciunul nu a examinat rolul secetei 2012-2016 asupra stocării apelor subterane.

Aici estimăm modificările stocării apelor subterane în CV, precum și în bazinele râului Sacramento - San Joaquin - Tulare (SSJT) în perioada aprilie 2002 - septembrie 2016 utilizând o abordare a echilibrului apei, cu accent pe epuizarea apelor subterane. Folosim observații in situ în cea mai mare măsură posibilă și folosim estimări multiple acolo unde este posibil pentru a oferi o bază pentru estimarea incertitudinii. De asemenea, comparăm estimările noastre bazate pe balanța de apă cu o estimare bazată pe GRACE.

2 Date și metode

Unde P, Îin si Îafară reprezintă precipitații peste bazin și debitul de suprafață în interiorul și în afară (fie ca flux de curent sau în canale), respectiv. MSM este schimbarea umidității solului, WSWE este o schimbare echivalentă cu apa de zăpadă, ET este evapotranspirație și ΔS este schimbarea stocării apei de suprafață (în principal în rezervoare). Termenii de stocare sunt definiți ca stocare în prima zi a fiecărei luni (prin urmare, modificarea stocării este stocarea în prima zi a lunii curente minus stocarea în prima zi a lunii anterioare), iar fluxurile sunt mediate pe parcursul lunii.

2.1 Precipitații (P)

Am folosit grill P date de la Universitatea din California Los Angeles (UCLA)/Universitatea din Washington (UW) monitor de secetă [Mao și colab., 2015; Xiao și colab., 2016], PRISM (PRISM Climate Group, Oregon State University, http://prism.oregonstate.edu), DayMet [Thornton și colab., 1997] și nClimGRID [Vose și colab., 2014] la nivelul agregării lunare. Am folosit mai multe seturi de date pentru a furniza o estimare a incertitudinii, recunoscând că există date comune în datele stației care stau la baza diferitelor P seturi de date. Am agregat toate seturile de date de la rezoluțiile lor spațiale native la rezoluția spațială de 1/16 grade folosind cea mai apropiată tehnică de interpolare a vecinilor și apoi am estimat mediile spațiale pe CV și SSJT.

2.2 Evapotranspirația (ET)

2.3 Umiditatea solului

Am luat variații de umiditate a solului peste porțiunile neirigate ale domeniului de la cele trei LSM. Am constatat că fluxul echivalent asociat cu diferențele de umiditate a solului de la începutul până la sfârșitul perioadei noastre de analiză a fost mic în raport cu variațiile în P și ET din diferitele surse pe care le-am considerat și, prin urmare, am folosit ΔSM de la Noah - MP (care avea variații SM care erau intermediare între celelalte două modele) în toate calculele noastre. Pentru porțiunile irigate din bazin, am presupus că umiditatea solului este aproape de capacitatea câmpului și nu s-a modificat de la an la an. Pentru acele suprafețe care au fost scoase din producție în timpul secetei 2012–2016 (a se vedea mai sus), am presupus că la momentul scoaterii terenului din producție, SM se afla la capacitatea de câmp și că, până în septembrie 2016, a refuzat să valoarea neirigată. În general, chiar și contribuția schimbării SM la suprafața irigată scoasă din producție a fost mică în raport cu alte fluxuri; prin urmare, ipotezele alternative fac relativ puține diferențe în rezultatele noastre.

2.4 Echivalent cu apă de zăpadă (SWE)

Am luat prima lună SWE de la Noah - MP. În CV, SWE este aproape întotdeauna zero, deci a fost neglijat. Peste SSJT în afara CV-ului, poate fi substanțial. Cu toate acestea, la începutul anului de apă (1 octombrie), SWE este aproape zero în fiecare an în SSJT. Din acest motiv, am folosit doar Noah - MP SWE.

2.5 Intrare și ieșire

Bazinul SSJT nu are intrări naturale sau artificiale care vin în bazin din surse externe. Cu alte cuvinte, toată apa care curge în râuri și canale provine din interiorul bazinului în scopul echilibrării apei. Dar pentru CV, mai multe râuri și canale livrează apă în bazin din exterior. Am identificat un total de 35 de locații de intrare calibrate (deși nu în mod continuu) din înregistrările Geological Survey (USGS) și din Departamentul California al Resurselor de Apă (CDWR) (vezi Tabelul S4 în informațiile justificative). Dintre cele 35 de stații, 19 dețineau date lunare privind fluxul pentru perioada noastră de studiu (2002-2016) de la CDWR. Aceste 19 stații reprezintă aproximativ 90% din media pe termen lung estimată a celor 35 de stații, pe baza analizei noastre a înregistrărilor de flux USGS și CDWR pe termen lung (și uneori fragmentare).

Am folosit trei metode diferite pentru a estima intrarea totală în CV pe baza datelor disponibile în perioada 2002–2016. Prima metodă utilizează un factor de ajustare pentru debitele necontabilizate, adică cele 16 stații fără date complete și debituri mai mici nedeclarate. Pe baza contribuției procentuale a celor 16 stații (

10%) și suprafața fluxurilor mai mici

10%), am dezvoltat un factor de ajustare pe care l-am aplicat la totalul de 19 stații ca o estimare a debitului total în CV. A doua metodă a presupus estimarea debitului pentru fiecare dintre cele 16 stații folosind regresia liniară pe stațiile observate din apropiere. După construirea matricei de corelație între cele 19 stații cu date și cele 16 stații fără date, am identificat perechile de stații în mare parte corelate. Stația cu cel mai mare coeficient de corelație a fost apoi utilizată pentru a extinde înregistrarea debitului prin anul 2016 pentru fiecare dintre cele 16 stații. A treia noastră metodă a folosit fluxurile dintr-un studiu USGS [Faunt și colab., 2009] care a elaborat estimări ale fluxurilor de CV în 43 de locații. Am folosit suma celor 43 de intrări USGS pentru a corecta părtinirea (folosind cartografierea probabilității) totalurilor noastre de 19 stații.

Îatât din bazinele CV, cât și din bazinele SSJT este definită ca suma fluxului de deltă de pe insula Chipps și din apeductul California East Bound (stația USGS # 10260776). Am folosit estimarea debitului Delta de către CDWR de la Dayflow (http://www.water.ca.gov/dayflow/). Detaliile despre Dayflow sunt furnizate în informațiile de sprijin.

2.6 Depozitarea rezervorului

Conform CDWR (http://cdec.water.ca.gov/reservoir.html), începând din 2015 existau 93 baraje și rezervoare cu capacități de stocare mai mari de 0,1 × 10 6 m 3 în SSJT. Capacitatea totală de stocare a acestor rezervoare conform CDWR este de aproximativ 36,5 km 3 (http://cdec.water.ca.gov/misc/resinfo.html). Au fost disponibile date lunare de stocare a seriilor temporale pentru cele mai mari 22 de rezervoare, care au stocare agregată mai mare sau egală cu 250 × 106 m 3 (totalizând aproximativ 85% din stocarea totală a rezervoarelor). Am obținut aceste date de la USGS și CDWR prin intermediul Centrului de schimb de date din California (CDEC) direct pentru perioada 1980–2016 (http://cdec.water.ca.gov/misc/monthly_res.html și http: //waterdata.usgs .gov/nwis/uv /? reference_module = sw). Am agregat barajele mai mici într-un rezervor echivalent cu o capacitate de stocare de 5,3 km 3. Am construit o serie de timp de stocare pentru acest rezervor echivalent unic pentru perioada 2002–2016, din seriile de timp disponibile de stocare a barajelor mici din SSJT care erau disponibile de la USGS, pe baza unei ipoteze a variațiilor de stocare sezoniere similare ale tuturor rezervoarelor mici. Doar unul dintre cele 22 de baraje mari se află în CV (rezervorul Camanche; capacitate 0,5 km 3). Am inclus variații de stocare ale acestui rezervor în estimările noastre pentru CV și pentru altele în estimările noastre pentru porțiunea SSJT în afara CV, deși au avut un efect redus asupra rezultatelor noastre.

2.7 GRACE - Estimarea bazată pe modificarea stocării apelor subterane

3. Rezultate

4 Interpretare

1%) comparativ cu media pe termen lung; creșterea ET este atribuibilă mai ales temperaturilor de vară mai calde (aproximativ 0,5 grade pentru sezonul de vegetație) și deficitului mai mare de presiune a vaporilor (VPD). Prin urmare, agregatul

O creștere de 15% a ET în perioada 2012-2016 este atribuibilă efectului combinat al tranziției de la culturile în rând la copaci și efectelor combinate ale temperaturii mai calde și a VPD mai mare. Observăm că estimările noastre utilizează coeficienții culturilor (de la CA DWR), iar efectul dedus al tranziției de la culturile în rând la copaci este puternic dependent de estimările DWR ale diferențelor în coeficienții culturilor, care încorporează incertitudine necaracterizată.

O întrebare evidentă este motivul diferențelor dintre bilanțul nostru de apă și estimările GRACE pentru perioadele de secetă. Un motiv posibil este nepotrivirea la scara GRACE menționată mai sus; estimările noastre GRACE atribuie, în esență, toate modificările apelor subterane amprentei efective GRACE CV-ului. În mod clar, acest lucru nu poate fi cazul, dar pierderea substanțială a apei subterane în afara CV în perioadele care nu sunt de secetă nu pare probabilă. Alte surse posibile ale diferențelor sunt estimările noastre de ieșire netă (de la Dayflow), care este un termen mare în balanța de apă, sau erori la intrări (dintre care unele sunt nesigurate), deși nu este clar de ce oricare ar avea diferențe sistematice în ani cu debit moderat până la mare.

5 Rezumat și concluzii

Estimările bilanțului nostru de apă indică faptul că ΔGW a fost negativ în cele două perioade majore de secetă din perioada de 14‐1/2 ani a studiului nostru, dar s-a înregistrat o recuperare substanțială nu numai în anii cu intrare mare (de exemplu, 2006 și 2010), ci în timpul mult din perioadele inter-secetă, deci pierderea inferioară a apei subterane pe întreaga perioadă a fost mult mai mică decât suma pierderilor din cele două perioade de secetă. Rezultatele GRACE sunt oarecum mai zgomotoase, dar arată WGW negativ în cea mai mare parte a perioadei, în afară de perioadele scurte de creștere (mult mai scurte decât pentru estimările bilanțului de apă) în aproximativ aceleași perioade ca și modelul de bilanț al apei. Pe întreaga perioadă, estimarea bilanțului nostru de apă este că peste 20 km 3 de apă subterană s-au pierdut din CV; estimarea bazată pe GRACE este aproape de trei ori această sumă.

În cele două perioade importante de secetă din perioada de studiu, 2007–2009 și 2012–2016, rata netă de extracție a apelor subterane a crescut substanțial; în esență, toate pierderile totale de apă subterană din perioada 14‐1/2 ani au avut loc în cei 7 ani ai două secete severe (de fapt, în cea mai mare parte a restului perioadei, stocarea apei subterane s-a recuperat, deși nu este suficientă pentru a compensa complet seceta pierderi). ΔGW în ambele secete este în mod clar legat de fluxul net redus către CV în perioadele de secetă. În seceta recentă, ΔGW a fost mai negativ, ceea ce se poate atribui parțial intrărilor nete mai mici, dar și unei combinații a unei tranziții de la culturi de rând la copaci, împreună cu temperaturi mai calde ale sezonului de creștere și VPD mai mare. Pierderi mai mari de apă subterană în timpul secetei recente au avut loc în ciuda reducerii suprafeței irigate.

În cele din urmă, deși GRACE oferă o confirmare utilă a estimărilor bilanțului de apă, nu oferă informații despre cauzele diferențelor. Mai mult, zona relativ mică a CV-ului este o provocare pentru analiza bazată pe GRACE. În timp ce estimările GRACE și ale balanței de apă prezintă modele similare (de exemplu, WGW amplificat în ultima perioadă, comparativ cu seceta anterioară), incertitudinile necuantificate (și poate necuantificabile) pot fi responsabile pentru unele dintre aceste diferențe.

Mulțumiri

Autorii recunosc finanțarea de la Biroul Programului Climatic al NOAA către UCLA în cadrul grantului NA14OAR4310293 și către Universitatea din Houston de la NASA în cadrul granturilor GRACE și, respectiv, SERVIR NNX12AJ95G și, respectiv, NNX16AN35G. Apreciem asistența profesorului Qiuhong Tang și a dnei. Lei Huang pentru Academia Chineză de Științe Institutul de Cercetări în Științe Geografice și Resurse Naturale, care ne-a oferit acces la o versiune extinsă a datelor ET derivate din satelit utilizate în Famiglietti și colab. [2011] și într-o versiune anterioară a acestei lucrări. Mulțumim lui Peter H. Gleick și unui recenzor anonim pentru comentarii care au contribuit la îmbunătățirea lucrării. Datele lunare utilizate în acest studiu sunt arhivate la https://ucla.box.com/v/data‐grl‐ca‐groundwaterloss; contactați [email protected] pentru acces la date.

Descrierea numelui de fișier
grl55820-sup-0001-Supplementary.pdf Document PDF, 1,4 MB Informații suport S1

Vă rugăm să rețineți: editorul nu este responsabil pentru conținutul sau funcționalitatea oricăror informații de susținere furnizate de autori. Orice întrebări (altele decât conținutul lipsă) ar trebui să fie adresate autorului corespunzător pentru articol.