Use of hydroclimatic forecasts for improved water management in central Texas

Accurate seasonal to interannual streamflow forecasts based on climate information are critical for optimal management and operation of water resources systems. Considering most water supply systems are multipurpose, operating these systems to meet increasing demand under the growing stresses of climate variability and climate change, population and economic growth, and environmental concerns could be very challenging. This study was to investigate improvement in water resources systems management through the use of seasonal climate forecasts. Hydrological persistence (streamflow and precipitation) and large-scale recurrent oceanic-atmospheric patterns such as the El Niño/Southern Oscillation (ENSO), Pacific Decadal Oscillation (PDO), North Atlantic Oscillation (NAO), the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO), the Pacific North American (PNA), and customized sea surface temperature (SST) indices were investigated for their potential to improve streamflow forecast accuracy and increase forecast lead-time in a river basin in central Texas. First, an ordinal polytomous logistic regression approach is proposed as a means of incorporating multiple predictor variables into a probabilistic forecast model. Forecast performance is assessed through a cross-validation procedure, using distributions-oriented metrics, and implications for decision making are discussed. Results indicate that, of the predictors evaluated, only hydrologic persistence and Pacific Ocean sea surface temperature patterns associated with ENSO and PDO provide forecasts which are statistically better than climatology. Secondly, a class of data mining techniques, known as tree-structured models, is investigated to address the nonlinear dynamics of climate teleconnections and screen promising probabilistic streamflow forecast models for river-reservoir systems. Results show that the tree-structured models can effectively capture the nonlinear features hidden in the data. Skill scores of probabilistic forecasts generated by both classification trees and logistic regression trees indicate that seasonal inflows throughout the system can be predicted with sufficient accuracy to improve water management, especially in the winter and spring seasons in central Texas. Lastly, a simplified two-stage stochastic economic-optimization model was proposed to investigate improvement in water use efficiency and the potential value of using seasonal forecasts, under the assumption of optimal decision making under uncertainty. Model results demonstrate that incorporating the probabilistic inflow forecasts into the optimization model can provide a significant improvement in seasonal water contract benefits over climatology, with lower average deficits (increased reliability) for a given average contract amount, or improved mean contract benefits for a given level of reliability compared to climatology. The results also illustrate the trade-off between the expected contract amount and reliability, i.e., larger contracts can be signed at greater risk.

A REGIONAL ASSESSMENT OF GROUNDWATER AVAILABILITY AS CONSTRAINED BY LOCAL HYDROGEOLOGY AND ENVIRONMENTAL LIMITS TO STREAMFLOW DEPLETION

Groundwater pumping from aquifers in hydraulic connection with nearby streams is known to cause adverse impacts by decreasing flows to levels below those necessary to maintain aquatic ecosystems. The recent passage of the Great Lakes--St. Lawrence River Basin Water Resources Compact has brought attention to this issue in the Great Lakes region. In particular, the legislation requires the Great Lakes states to enact measures for limiting water withdrawals that can cause adverse ecosystem impacts. This study explores how both hydrogeologic and environmental flow limitations constrain groundwater availability in the Great Lakes Basin. A methodology for calculating maximum allowable pumping rates is presented. Groundwater availability across the basin is shown to be constrained by a combination of hydrogeologic yield and environmental flow limitations varying over both local and regional scales. The results are sensitive to factors such as pumping time and streamflow depletion limits as well as streambed conductance. Understanding how these restrictions constrain groundwater usage and which hydrogeologic characteristics and spatial variables have the most influence on potential streamflow depletions has important water resources policy and management implications.

Effects of Coalbed Methane Production on Stream Flow

Coalbed methane production has the potential to reduce instream flows in Powder River Basin streams. Quantifying this effect is difficult, but important, for water users in both Wyoming and Montana. Isotope tracing of coal aquifer groundwater entering the streams can help.

Adapting agricultural water governance to climate change: Experiences from Germany, Spain and California

This study describes and discusses initiatives taken by public (water) agencies in the state of Brandenburg in Germany, the state of California in the USA and the Ebro River Basin in Spain in response to the challenges which climate change poses for the agricultural water sector. The drivers and actors and the process of changing agricultural water governance are its particular focus. The assumptions discussed are: (i) the degree of planned and anticipatory top-down implementation processes decreases if actions are more decentralized and are introduced at the regional and local level; (ii) the degree of autonomous and responsive adaptation approaches seems to grow with actions at a lower administrative level. Looking at processes of institutional change, a variety of drivers and actors are at work such as changing perceptions of predicted climate impacts; international obligations which force politicians to take action; socio-economic concerns such as the cost of not taking action; the economic interests of the private sector. Drivers are manifold and often interact and, in many cases, reforms in the sector are driven by and associated with larger reform agendas. The results of the study may serve as a starting point in assisting water agencies in developing countries with the elaboration of coping strategies for tackling climate change-induced risks related to agricultural water management.

Effects of sample mass and macrofossil type on radiocarbon dating of arctic and boreal lake sediments

Dating lake sediments by accelerator mass spectrometry (AMS) 14C analysis of terrestrial plant macrofossils overcomes one of the main problems associated with dating bulk sediment samples, i.e., the presence of old organic matter. Even so, many AMS dates from arctic and boreal sites appear to misrepresent the age of the sediment. To understand the nature of these apparent dating anomalies better, we conducted a series of 14C dating experiments using samples from Alaskan and Siberian lake-sediment cores. First, to test whether our analytical procedures introduced a sample-mass bias, we obtained 14C dates for different-sized pieces of single woody macrofossils. In these sample-mass experiments, statistically equivalent ages were found for samples as small as 0.05 mg C. Secondly, to assess whether macrofossil type influenced dating results, we conducted sample-type experiments in which 14C dates were obtained for different macrofossil types sieved from the same depth in the sediment. We dated materials from multiple levels in sediment cores from Upper Capsule Lake (North Slope, northern Alaska) and Grizzly Lake (Copper River Basin, southern Alaska) and from single depths in other records from northern Alaska. In several of the experiments there were significant discrepancies between dates for different plant tissues, and in most cases wood and charcoal were older than other macrofossil types, usually by several hundred years. This pattern suggests that 14C dates for woody macrofossils may misrepresent the age of the sediment by centuries, perhaps because of their longer terrestrial residence time and the potential in-built age of longlived plants. This study identifies why some 14C dates appear to be inconsistent with the overall age-depth trend of a lake-sediment record, and it may guide the selection of 14C samples in future studies.

The SOLUTIONS project: challenges and responses for present and future emerging pollutants in land and water resources management.

SOLUTIONS (2013 to 2018) is a European Union Seventh Framework Programme Project (EU-FP7). The project aims to deliver a conceptual framework to support the evidence-based development of environmental policies with regard to water quality. SOLUTIONS will develop the tools for the identification, prioritisation and assessment of those water contaminants that may pose a risk to ecosystems and human health. To this end, a new generation of chemical and effect-based monitoring tools is developed and integrated with a full set of exposure, effect and risk assessment models. SOLUTIONS attempts to address legacy, present and future contamination by integrating monitoring and modelling based approaches with scenarios on future developments in society, economy and technology and thus in contamination. The project follows a solutions-oriented approach by addressing major problems of water and chemicals management and by assessing abatement options. SOLUTIONS takes advantage of the access to the infrastructure necessary to investigate the large basins of the Danube and Rhine as well as relevant Mediterranean basins as case studies, and puts major efforts on stakeholder dialogue and support. Particularly, the EU Water Framework Directive (WFD) Common Implementation Strategy (CIS) working groups, International River Commissions, and water works associations are directly supported with consistent guidance for the early detection, identification, prioritisation, and abatement of chemicals in the water cycle. SOLUTIONS will give a specific emphasis on concepts and tools for the impact and risk assessment of complex mixtures of emerging pollutants, their metabolites and transformation products. Analytical and effect-based screening tools will be applied together with ecological assessment tools for the identification of toxicants and their impacts. The SOLUTIONS approach is expected to provide transparent and evidence-based candidates or River Basin Specific Pollutants in the case study basins and to assist future review of priority pollutants under the WFD as well as potential abatement options.

Towards science-based sediment quality standards-Effects of field-collected sediments in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss).

Sediments can act as long-term sinks for environmental pollutants. Within the past decades, dioxin-like compounds (DLCs) such as polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs), polychlorinated dibenzofurans (PCDFs), polychlorinated biphenyls (PCBs), and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have attracted significant attention in the scientific community. To investigate the time- and concentration-dependent uptake of DLCs and PAHs in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) and their associated toxicological effects, we conducted exposure experiments using suspensions of three field-collected sediments from the rivers Rhine and Elbe, which were chosen to represent different contamination levels. Five serial dilutions of contaminated sediments were tested; these originated from the Prossen and Zollelbe sampling sites (both in the river Elbe, Germany) and from Ehrenbreitstein (Rhine, Germany), with lower levels of contamination. Fish were exposed to suspensions of these dilutions under semi-static conditions for 90 days. Analysis of muscle tissue by high resolution gas chromatography and mass spectrometry and of bile liquid by high-performance liquid chromatography showed that particle-bound PCDD/Fs, PCBs and PAHs were readily bioavailable from re-suspended sediments. Uptake of these contaminants and the associated toxicological effects in fish were largely proportional to their sediment concentrations. The changes in the investigated biomarkers closely reflected the different sediment contamination levels: cytochrome P450 1A mRNA expression and 7-ethoxyresorufin-O-deethylase activity in fish livers responded immediately and with high sensitivity, while increased frequencies of micronuclei and other nuclear aberrations, as well as histopathological and gross pathological lesions, were strong indicators of the potential long-term effects of re-suspension events. Our study clearly demonstrates that sediment re-suspension can lead to accumulation of PCDD/Fs and PCBs in fish, resulting in potentially adverse toxicological effects. For a sound risk assessment within the implementation of the European Water Framework Directive and related legislation, we propose a strong emphasis on sediment-bound contaminants in the context of integrated river basin management plans.

Magnetic properties, grain sizes, XRF Scanner Data of sediment core GeoB9307-3

Geochemical and mineralogical proxies for paleoenvironmental conditions have the underlying assumption that climate variations have an impact on terrestrial weathering conditions. Varying properties of terrigenous sediments deposited at sea are therefore often interpreted in terms of paleoenvironmental change. Also in gravity core GeoB9307-3 (18° 33.99' S, 37° 22.89' E), located off the Zambezi River, environmental changes during Heinrich Stadial 1 (HS 1) and the Younger Dryas (YD) are accompanied by changing properties of the terrigenous sediment fraction. Our study focuses on the relationship of variability in the hydrological system and changes in the magnetic properties, major element geochemistry and granulometry of the sediments. We propose that changes in bulk sedimentary properties concur with environmental change, although not as a direct response of climate driven pedogenic processes. Spatial varying rainfall intensities on a sub-basin scale modify sediment export from different parts of the Zambezi River basin. During humid phases, such as HS 1 and the YD, sediment was mainly exported from the coastal areas, while during more arid phases sediments mirror the hinterland soil and lithological properties and are likely derived from the northern Shire sub-basin. We propose that a de-coupling of sedimentological and organic signals with variable discharge and erosional activity can occur.

Calidad del agua en el área regadía del río Mendoza : temperatura, pH, iones solubles y sólidos

El río Mendoza riega el oasis Norte en el que se encuentra asentada la población del Gran Mendoza. El crecimiento urbano avanzó sobre áreas originalmente agrícolas, rodeándolas y atravesándolas con una intrincada red de canales y desagües de riego y colectores de desagües urbano-pluviales. Para conocer la evolución de la calidad del agua de esta cuenca se seleccionaron, estratégicamente, diversos sitios de muestreo: tres puntos (RI a RIII) a lo largo del río a partir del derivador (dique Cipolletti), cinco en la red de canales (CI a CV) y siete ubicados en los colectores de drenaje (DI a DVII). En ellos se realizó el análisis de las variables temperatura, pH, iones solubles y sólidos (en suspensión, sedimentables 10 minutos, totales, fijos y volátiles). En la red de drenaje sólo se analizaron los tres primeros parámetros. La metodología estadística incluyó el análisis descriptivo, inferencial y espacial de cada variable. Los resultados indican que en el río no hay diferencias entre los puntos de muestreo en lo que respecta a pH y sólidos totales volátiles. En cambio, sí se encuentran diferencias en todas las demás variables, y en general entre RIII y RII respecto de RI. En canales y RI no hay diferencias entre los puntos de muestreo en carbonatos y sólidos totales volátiles y sí en todas las demás variables analizadas.

El CIFOT como apoyo a la tarea empresarial : the CIFOT as support to the business task

Empresas como HEXA S.A. desean introducir SIG como elemento para incrementar el valor agregado de los proyectos de consultoría que realizan. Tal es el caso del trabajo encomendado por ellos al CIFOT titulado Esquema hidromorfológico de la cuenca del río Tunuyán Superior y clasificación de Usos del Suelo del Oasis Centro Oeste; Provincia de Mendoza. Se unifica en un único modelo digital una serie de cartas topográficas (IGM) digitalizan diversos niveles de información (curvas de nivel, hidrografía de la cuenca del río Tunuyán), red de caminos y su jerarquía. A partir de la base de datos lograda, se generan mapas temáticos de cada cuenca, apoyados con imágenes satelitales Landsat TM, que permiten identificar cobertura nivo- glacial y usos del suelo en el Oasis. Con esta información la empresa obtiene un modelo de simulación del Río Tunuyán para predecir el caudal que conduciría el río ante determinadas nevadas, por ejemplo. Se propone además un modelo de SIG para el monitoreo de la zona.

El paisaje como patrimonio : paisaje costero del canal Zanjón Cacique Guaymallén : investigación, sistematización y propuesta

El objetivo del trabajo ha sido la revalorización del Canal Zanjón Cacique Guaymallén como un patrimonio cultural ambiental de los mendocinos. La metodología aplicada incluye el análisis de la trayectoria histórica del asentamiento del Gran Mendoza, el zanjón como parte de la cuenca del río Mendoza, como parte del sistema de drenaje, como parte del sistema de riego. Luego, el reconocimiento de los paisajes particulares del zanjón y una posterior catalogación y ordenación, con el fin de ser material útil al planificador territorial primero y al diseñador urbano después. A modo de conclusión el autor menciona la necesidad implícita de proteger, enriquecer e integrar a la vida y memoria urbanos el cauce, las márgenes, el entorno y el oasis al que da vida el zanjón; junto con la urgencia de proyectar a futuro nuevamente los cursos de agua como potenciales ordenadores del territorio y su rol central en la planificación urbana.

Composición y distribución del ensamble de Orthoptera (Insecta) en una cuenca árida del norte-centro de Chile

La cuenca del valle del río Elqui (Región de Coquimbo, Chile) es un importante foco de actividad agrofrutícola y turística dentro de la zona norte-centro de Chile cuyas condiciones climáticas se caracterizan por el aumento de la temperatura y la disminución de la precipitación. En el contexto del calentamiento global es esperable que la hoya hidrográfica del río Elqui experimente una tendencia ascendente en la aridez, alteraciones en la fenología de plantas y artrópodos y cambios en la riqueza y biodiversidad local de los ecosistemas. En este sentido, en el presente trabajo, mediante colectas manuales en sectores de secano y cultivo de las localidades de Marquesa, Diaguitas y Pisco Elqui en el valle de Elqui, se documentó la composición taxonómica y abundancia del ensamble de Orthoptera (Insecta) en la cuenca del valle del Elqui, se analizó la distribución espacial de las especies constituyentes del ensamble mediante SIG y se documentó la importancia de Orthoptera como potenciales plagas dentro de esta cuenca árida del norte-centro de Chile. Se capturó un total de 204 ejemplares, correspondientes a cuatro familias y seis especies, de las cuales cinco especies fueron capturadas en sectores de secano y cultivo. Acrididae fue la familia más abundante y diversa dentro de los sitios de estudio (65,2% del total capturado) y Trimerotropis ochraceipennis la especie más abundante dentro del sitio de estudio. Las familias Gryllidae, Ommexechidae y Tristiridae estuvieron representadas por una sola especie. La presencia de estas especies en los sectores de secano puede constituir un factor de riesgo para la agricultura, al considerarse potenciales focos irruptivos frente a determinadas condiciones climáticas, y además ocasionar daños en cultivos agrícolas, plantaciones y pastizales. La relación entre la microdistribución del ensamble de Orthoptera presente en el valle de Elqui y el índice NDVI mostró una clara preferencia por la vegetación densa y poco densa (NDVI = 0,1 - 0,49). El presente trabajo es una primera aproximación al estudio de los ortópteros considerados plagas potenciales para el valle del Elqui.

Cambio de uso del suelo en los geosistemas de la cuenca costera del río Boroa (Chile) entre 1994 y 2004

Se analizaron los principales cambios de uso del suelo en las unidades de paisaje (geosistemas) de la cuenca hidrográfica del río Boroa entre 1994 y 2004. Para ello se planteó la hipótesis de que los cambios en la estructura del paisaje han sido conducidos fundamentalmente por acción antrópica generando importantes alteraciones en el paisaje ecológico. Se utilizaron mapas categóricos de uso/cobertura de suelo elaborados con material cartográfico y fotografías aéreas con su posterior corrección en terreno, información que fue complementada con el análisis geomorfológico y de unidades ambientales de la cuenca. Se comprobó una fuerte variación en la superficie de plantaciones forestales (principalmente Eucalyptus spp.), con una tasa de incremento anual que varió entre 3,2 y 28%, asociado principalmente a reconversión de uso y ocupación de cordones montañosos metamórficos. A su vez, se constató la expansión de zonas de humedales en terrenos anegadizos de llanuras, todo lo cual ha reducido la superficie total con destino agrícola en 61%, transformando el paisaje en un periodo de sólo diez años. Estos cambios se discuten sobre la base de una combinación de factores económicos, legales y ambientales, concluyendo que el factor humano ha sido el principal responsable de la conducción de los cambios de uso del suelo en la cuenca del río Boroa.

Comportamiento del nivel freático en el área bajo riego del tercio inferior del Río Atuel

En este trabajo se evalúa el comportamiento del nivel freático (NF) en un área de regadío de 75.774 ha ubicadas en el tercio inferior de la cuenca del río Atuel, departamentos de General Alvear y San Rafael en la provincia de Mendoza, y su vinculación con: las pérdidas que se producen en la red de canales, las prácticas de riego y los escurrimientos sub-superficiales de zonas más elevadas. En la zona existe una red de 193 freatímetros en la que se han registrado lecturas de niveles freáticos desde 1980 a 2008, en distintas estaciones del año. El área de estudio se dividió en cuatro sub-zonas, cada una de ellas abastecida por un canal matriz de riego. La serie existente de lecturas de NF permitió elaborar planos estacionales de isohipsas e isobatas medias. Se definieron indicadores de factor de reacción freática (FRF) y de eficiencia del sistema (IES); además, se elaboraron planos de isolíneas y tablas de salinidad (conductividad eléctrica) media del agua subterránea. El análisis de los registros recopilados muestra la dirección del flujo de agua subterránea "noroeste-sureste", isohipsas con un gradiente medio de 1,54 m.Km-1 y nivel freático (NF) con una profundidad mínima media de 1.31 m. La evidencia de zonas de recarga de agua subterránea posibilita, junto a los otros planos, una rápida identificación de zonas vulnerables al ascenso del NF. El FRF permitió establecer que se incorpora al área cultivada de Alvear-Bowen un volumen de 3,7 veces más agua que la requerida por los cultivos y que el IES es del 27%. En primavera, el riego representa el 66% del volumen incorporado a la zona mientras que las precipitaciones representan el 34 % y la superficie con NF de hasta 1,0 m de profundidad es 4,8 veces mayor al promedio del área afectada en las demás estaciones. Los resultados brindan una fuente de información actualizada para la planificación del uso del suelo en la zona, para la operación del sistema de riego y para la implementación y priorización de planes de mejora en la infraestructura.

Aptitud para riego del agua subterránea basada en la salinidad y sodicidad en las perforaciones realizadas entre 2004 y 2010 en los Oasis Norte y Centro de Mendoza

En Mendoza la actividad agrícola se concentra en oasis productivos que dependen exclusivamente del riego, donde aproximadamente un 70% de las propiedades utilizan agua subterránea. El objetivo fue analizar la calidad del agua que extraen las perforaciones realizadas durante el periodo 2004/2010, en los oasis Norte y Centro de Mendoza. De los aproximadamente 1000 registros de nuevos pozos se han tomado muestras de 409 perforaciones, en las que se realizaron análisis físicoquímicos: conductividad eléctrica actual (CEA) y efectiva (CEE), residuo salino, sales totales, pH, cationes y aniones, se obtuvo el coeficiente de álcali, relación de absorción de sodio y las durezas. Se clasificó según Riverside modificación Thorne-Peterson y siguiendo la clasificación regional de Wainstein. Las perforaciones del Oasis Centro son en general de menor profundidad, extrayendo agua de menor CEA y mayor calidad. En el Oasis Norte las mejores aguas están en la zona irrigada por el Río Mendoza, encontrando hacia el este (Río Tunuyán) aguas de peores características, a pesar de que en dicha zona es donde se ubican las más importantes profundidades de exploración. Las mayores diferencias entre CEA y CEE están en la cuenca del Tunuyán inferior, donde las aguas poseen más cantidad de sales de mediana solubilidad.