Впервые инженеры Калифорнийского технологического института разработали эмпирическую модель сети водохранилищ Калифорнии для всего штата. Модель была построена на основе данных, собранных за 13-летний период, включая последнюю засуху, что позволяет исследователям наблюдать за тем, как 55 крупных водохранилищ штата реагируют на различные внешние условия как единая система..
Водохранилища действуют как буфер штата от изменчивости климата, накапливая воду в сезон дождей для использования в засушливый период. Вода может быть сброшена для выработки гидроэлектроэнергии и может быть перенаправлена для сельского хозяйства и бытового потребления. Между тем, само водохранилище часто используется в развлекательных целях, таких как плавание и катание на лодках. Водохранилища связаны между собой тем, что они расположены вдоль основных водотоков, причем некоторые из них ниже по течению, а также потому, что они могут получать одинаковое количество воды и могут подвергаться одинаковым управленческим решениям.
Управляющие этими объектами должны поддерживать базовый объем воды в каждом резервуаре. По мере того, как уровень воды падает ближе к этой минимальной отметке, они уменьшают количество выпущенной воды, что, в свою очередь, влияет на все водохранилища ниже по течению. Управляющие водохранилищами стараются избегать полного отключения сброса воды, поскольку это может иметь катастрофические последствия для ферм и общин, зависящих от воды. Поведение водохранилища - повышение и понижение уровня воды - определяется частично изменениями климата и частично тем, что люди управляют стоком водохранилища. Эти два компонента могут затруднить прогнозирование запасов в резервуаре.
"Хлеб с маслом гидрологии заключается в использовании физических законов для описания водных явлений. Но поведение этих водоемов определяется не только физическими законами круговорота воды, но также потребностями и тем, для чего эти водоемы используются ", - говорит аспирант Калифорнийского технологического института Армин Таеб, ведущий автор статьи о модели, которая будет опубликована в Интернете 22 ноября в журнале Water Resources Research. «Значительный человеческий фактор в поведении резервуаров означает, что моделирование на основе физики быстро становится невозможным в условиях большого количества резервуаров».
Чтобы решить эту проблему, Таеб и его коллеги - Венкат Чандрасекаран, профессор компьютерных и математических наук и электротехники в Калифорнийском технологическом институте, а также Джон Ригер и Майкл Турмон из JPL - использовали статистические методы, чтобы извлечь уроки из прошлого и пролить свет о том, как водохранилища будут реагировать на различные климатические условия в будущем. Они сравнили колебания уровня воды в водохранилище в период с 2003 по 2016 год с различными факторами, такими как осадки, суровость засухи, уровень снежного покрова в горах Сьерра и уровень других водоемов Калифорнии. Исследователи обнаружили, что самым большим предиктором изменений в сети водохранилищ был индекс интенсивности засухи Палмера, который был разработан Национальной метеорологической службой в 1965 году.
С помощью этой эмпирической модели, по словам Таеба, менеджеры могут получить более четкое представление о требованиях, которые будут предъявляться к их водохранилищам, и могут скорректировать свое поведение раньше, сокращая попуски воды более постепенно, что снижает вероятность необходимости сокращения от сбросов воды вообще.
«Допустим, вы находитесь в засухе и у вас есть предварительный прогноз значения индекса засухи через два месяца», - говорит Таеб. «Вы можете посмотреть на наш график и спросить: «Хорошо, какова вероятность истощения водохранилища, если мы просто будем вести дела как обычно?» И если вы видите, что он высок, вам нужно выйти из своей рутины и сделать что-то сейчас, прежде чем вы попадете в беду."
В качестве аналогии подумайте о реакции водителя на красный свет. Если водитель видит красный сигнал светофора, и у него достаточно времени, чтобы среагировать, он может медленно притормозить, что безопаснее для всех водителей позади него. Если вместо этого он будет ждать до последней минуты и вдавит педаль тормоза в пол, то, скорее всего, он станет причиной аварии для всех позади него.
Засуха 2012-2015 годов, вдохновившая Таеба и его коллег на проведение этого исследования, была одной из самых сильных за последние 1200 лет. «К концу периода засухи мы были действительно близки к катастрофе. На самом деле, два из 55 водохранилищ, исследованных в нашей работе, в 2014 году имели нулевой или очень небольшой попуск воды», - говорит Таеб. В будущем штат будет периодически сталкиваться с засухами, в то время как спрос на воду будет постоянно расти из-за растущего населения, поэтому нагрузка на сеть водохранилищ в Калифорнии, вероятно, возникнет снова, говорит Таеб, который считает, что необходимы руководящие принципы для обеспечения государству не грозит системная катастрофа.
Из-за частой нехватки поверхностных вод Калифорнии приходится прибегать к откачиванию воды из-под земли, но это нецелесообразно, потому что дождей недостаточно, чтобы пополнить то количество, которое мы забираем. Это выиграло. не последний, - говорит он. Таеб и его соавторы считают, что их модель является важным инструментом анализа данных, который следует использовать в качестве исходных данных в процессе принятия решений при обеспечении эффективной и устойчивой политики управления водными ресурсами.
Таеб говорит, что такое же эмпирическое моделирование можно использовать и в других штатах, сталкивающихся с аналогичными проблемами.