Russell S. Crosbie

An assessment of the climate change impacts on groundwater recharge at a continental scale using a probabilistic approach with an ensemble of GCMs

This study used 16 Global Climate Models and three global warming scenarios to make projections of recharge under a 2050 climate for the entire Australian continent at a 0.05° grid resolution. The results from these 48 future climate variants have been fitted to a probability distribution to enable the results to be summarised and uncertainty quantified. The median results project a reduction in recharge across the west, centre and south of Australia and an increase in recharge across the north and a small area in the east of the continent. The range of results is quite large and for large parts of the continent encompasses both increases and decreases in recharge. This makes it difficult to utilise for water resources management so the results have been analysed with a risk analysis framework; this enables the future projections for groundwater recharge to be communicated to water managers in terms of likelihood and consequence of a reduction in recharge. This highlights an important message for water resource managers that in most areas of Australia they will be making decisions on water allocations under considerable uncertainty as to the direction and magnitude of recharge change under a future climate and that this uncertainty may be irreducible.

Episodic recharge and climate change in the Murray-Darling Basin, Australia

In semi-arid areas, episodic recharge can form a significant part of overall recharge, dependant upon infrequent rainfall events. With climate change projections suggesting changes in future rainfall magnitude and intensity, groundwater recharge in semi-arid areas is likely to be affected disproportionately by climate change. This study sought to investigate projected changes in episodic recharge in arid areas of the Murray-Darling Basin, Australia, using three global warming scenarios from 15 different global climate models (GCMs) for a 2030 climate. Two metrics were used to investigate episodic recharge: at the annual scale the coefficient of variation was used, and at the daily scale the proportion of recharge in the highest 1% of daily recharge. The metrics were proportional to each other but were inconclusive as to whether episodic recharge was to increase or decrease in this environment; this is not a surprising result considering the spread in recharge projections from the 45 scenarios. The results showed that the change in the low probability of exceedance rainfall events was a better predictor of the change in total recharge than the change in total rainfall, which has implications for the selection of GCMs used in impact studies and the way GCM results are downscaled.RésuméDans les régions semi arides la recharge épisodique peut constituer une partie importante de la recharge totale dépendant d’épisodes pluvieux rares. Avec des prévisions de changement climatique suggérant de futurs changements d’ampleur et d’intensité des précipitations, la recharge de nappe dans les régions semi arides sera vraisemblablement affectée de façon disproportionnée par le changement climatique. Cette étude cherchait à examiner les changements liés à une recharge épisodique dans les zones arides du Murray-Darling Basin, Australie, en utilisant trois scénarios de réchauffement global tirés de 15 modèles différents (GCMs) du climat 2030. Deux grandeurs ont été utilisées pour examiner la recharge épisodique: le coefficient de variation à l’échelle de l’année, et le pourcentage de recharge au plus haut 1% du jour à l’échelle journalière. Les grandeurs étaient proportionnelles mais ne permettaient pas de conclure si la recharge épisodique devait ou non augmenter dans cet environnement; ceci n’est pas un résultat surprenant étant donnée la dispersion des projections de recharge des 45 scénarios. Les résultats ont montré que le changement dans la probabilité basse d’un excédent des événements pluvieux était un meilleur indicateur du changement de recharge totale que le changement de précipitation totale, ce qui a des implications dans la sélection des GCM utilisés dans les études d’impact et la façon dont les résultats du GCM sont réduits.ResumenEn áreas semiáridas la recarga episódica puede formar una parte significativa de la recarga total, dependiendo de los eventos infrecuentes de las precipitaciones. Con las proyecciones de cambio climático sugiriendo cambios en las intensidades y magnitudes de las futuras precipitaciones, probablemente la recarga del agua subterránea en área semiáridas se verá afectada desproporcionadamente por el cambio climático. Este estudio buscó investigar los cambios proyectados en la recarga episódica en áreas áridas de la cuenca Murray-Darling, Australia, usando tres escenarios de calentamiento global a partir de 15 diferentes modelos climáticos globales (GCMs) para el clima en 2030. Se utilizaron dos métricas para investigar la recarga episódica: en escala anual se usó el coeficiente de variación, y en la escala diaria la proporción de la recara en un 1% más alto de la recarga diaria. Estas métricas eran recíprocamente proporcionales pero no fueron concluyentes acerca si la recarga episódica iba a incrementarse o disminuir en este ambiente; esto no es un resultado sorprendente considerando la amplitud en las proyecciones de la recarga a partir de 45 escenarios. Los resultados mostraron que el cambio en la baja probabilidad de eventos de excedencia de las precipitaciones fue un mejor predictor del cambio en la recarga total, lo cual tiene implicancias para la selección de GCMs usados en estudios de impacto y la manera en que los resultados del GCM son llevados a escalas más reducidas.摘要在半干旱地区,间歇性补给量能占到总补给量的很大一部分,取决于不频发的降雨事件。由于气候变化会导致未来降雨大小和强度的变化,半干旱地区的地下水补给很可能不成比例地受气候变化影响。本研究根据从15个不同的全球气候模型(GCMs)中选择的3个全球暖化情景,分析了2030年的气候条件,调查了澳大利亚Murray-Darling盆地干旱地区地下水间歇性补给的变化。利用两个变量来调查间歇性补给:年尺度上的变量系数以及日尺度上日补给量最高1%的补给比例。变量二者之间是成比例的,但是这个环境条件下间歇性补给量到底是增加还是降低的,则是不确定的,考虑到45个情景中补给变化的广度,这个结果并不奇怪。结果表明超过的降雨事件的低概率变化相比总的降雨变化,是更好地总补给量变化的预测方法,这对影响研究中全球气候模型的选择以及该模型结果的尺度缩小方法是非常有意义的.ResumoA recarga episódica em zonas semi-áridas pode constituir uma parte significativa da recarga total, dependente de eventos de precipitação raros. Com as projeções para as alterações climáticas a sugerir futuras modificações na grandeza e na intensidade da precipitação, é provável que a recarga da água subterrânea em zonas semi-áridas venha a ser afectada desproporcionadamente pelas alterações climáticas. Este estudo procurou investigar as alterações projectadas da recarga episódica em zonas áridas da Bacia de Murray-Darling, Austrália, usando três cenários de aquecimento global em 15 diferentes modelos climáticos globais (GCM) para um clima em 2030. Foram usadas duas métricas para investigar a recarga episódica: à escala anual foi usado o coeficiente de variação e à escala diária usou-se a proporção de recarga das maiores percentagens de recarga diária. As métricas foram proporcionais entre si, mas foram inconclusivas quanto à possibilidade da recarga episódica ir aumentar ou diminuir neste ambiente, o que não é um resultado surpreendente, considerando a dispersão das projeções de recarga a partir dos 45 cenários. Os resultados mostraram que as mudanças na baixa probabilidade de superação de eventos de precipitação foi um melhor preditor das modificações na recarga total, do que a mudança na precipitação total, o que tem implicações para a selecção dos GCM utilizados em estudos de impacte e na forma como os resultados de GMC são aplicados localmente.

The upscaling of transpiration from individual trees to areal transpiration in tree belts

Sap flow measurements have long been used to measure transpiration in individual trees and there exist some well established methods for upscaling individual tree volumetric transpiration to areal transpiration in plantation and forest plots. However, where edge effects are significant, such as in tree belts, the area the volumetric transpiration is to be projected upon is unknown. This paper provides a methodology for estimating the area that a tree belt hydrologically occupies by using either measurements of tree root density or soil moisture distribution. An application of the proposed methodology shows that simply assuming that the area of the tree belt is the crown projected area could lead to an overestimation of the areal transpiration of 100%.

Measurements of riverbed hydraulic conductivity in a semi-arid lowland river system (Murray–Darling Basin, Australia)

Riverbed hydraulic conductivity (Kr) was measured along one river reach in four tributaries of the Murray–Darling Basin (MDB) in south-eastern Australia. Two techniques were trialled: in-river falling-head tests in high Kr sediments, and laboratory evaporation tests on intact riverbed cores for low Kr sediments. In-river falling-head tests were conducted using two types of permeameter: a steel-base permeameter or a stand-pipe permeameter. Kr was found to range from 10–10 to 10–3 m s–1, corresponding to a range in riverbed sediment textures from clay to silty gravels, respectively. Although the within-reach variability in Kr was also large, in general the river reaches could be divided in two groups, those with a low Kr ( 10–5 m s–1). The low Kr reach (Billabong Creek) was a clay-lined bed, whereas the others had silty sand or silty gravel beds. Thus, regional-scale assessments of Kr in the MDB could be made using a stratified sampling process in which reaches would be first classified into low or high Kr classes, and then Kr measurements made in a subsample of low and high Kr reaches. This would be an improvement over the current practice whereby riverbed Kr is estimated either from regional soil maps or through the calibration of groundwater models.

Review: Current and emerging methods for catchment-scale modelling of recharge and evapotranspiration from shallow groundwater

A review is provided of the current and emerging methods for modelling catchment-scale recharge and evapotranspiration (ET) in shallow groundwater systems. With increasing availability of data, such as remotely sensed reflectance and land-surface temperature data, it is now possible to model groundwater recharge and ET with more physically realistic complexity and greater levels of confidence. The conceptual representation of recharge and ET in groundwater models is critical in areas with shallow groundwater. The depth dependence of recharge and vegetation water-use feedback requires additional calibration to fluxes as well as heads. Explicit definition of gross recharge vs. net recharge, and groundwater ET vs. unsaturated zone ET, in preparing model inputs and reporting model results is necessary to avoid double accounting in the water balance. Methods for modelling recharge and ET include (1) use of simple surface boundary conditions for groundwater flow models, (2) coupling saturated groundwater models with one-dimensional unsaturated-zone models, and (3) more complex fully-coupled surface-unsaturated-saturated conceptualisations. Model emulation provides a means for including complex model behaviours with lower computational effort. A precise ET surface input is essential for accurate model outputs, and the model conceptualisation depends on the spatial and temporal scales under investigation. Using remote sensing information for recharge and ET inputs in model calibration or in model–data fusion is an area for future research development. Improved use of uncertainty analysis to provide probability bounds for groundwater model outputs, understanding model sensitivity and parameter dependence, and guidance for further field-data acquisition are also areas for future research.RésuméUne analyse des méthodes courantes et émergentes pour la modélisation de la recharge à l’échelle de bassin versant et de l’évapotranspiration (ET) dans des systèmes aquifères peu profonds est fournie. Avec l’augmentation de la disponibilité des données, telles que des données de réflectance et de température de surface terrestre par télédétection, il est maintenant possible de modéliser la recharge des eaux souterraines et ET avec une prise en compte plus réaliste de la complexité physique et avec des niveaux plus élevés de confiance. La représentation conceptuelle de la recharge et d’ET dans les modèles d’eaux souterraines est critique dans les zones avec des eaux souterraines à faible profondeur. La dépendance de la profondeur de la recharge et la rétroaction de l’utilisation de l’eau par la végétation nécessitent un étalonnage supplémentaire pour les flux ainsi que pour les charges hydrauliques. Une définition explicite de la recharge brute par rapport à la recharge nette, et de l’ET des eaux souterraines vs. ET de la zone insaturée, dans la préparation des entrées du modèle et la présentation des résultats du modèle est nécessaire pour éviter une double comptabilisation dans le bilan hydrique. Les méthodes de modélisation de la recharge et d’ET comprennent (1) l’utilisation de conditions aux limites de surface simples pour les modèles d’écoulement des eaux souterraines, (2) le couplage de modèles en milieu aquifère saturé avec des modèles de la zone non saturé à une dimension, et (3) des conceptualisations plus complexes du couplage surface-zone non saturée et zone saturée. La modélisation numérique fournit des moyens pour intégrer des comportements de modèles complexes avec un effort de calcul réduit. Des données d’entrée précise de l’ET de surface sont essentielles pour obtenir des résultats précis des modèles ; de plus, la conceptualisation du modèle dépend des échelles spatio-temporelles de la zone d’étude. En utilisant des données issues de la télédétection pour les données d’entrée concernant la recharge et l’ET dans l’étalonnage du modèle ou dans la fusion des données des modèles est un domaine pour le développement à venir de la recherche. Une amélioration de l’utilisation de l’analyse d’incertitude pour fournir les bornes de probabilité des données de sortie des modèles hydrogéologiques, une compréhension de la sensibilité du modèle et de la dépendance des paramètres, et des orientations pour des acquisitions complémentaires sur le terrain sont également des domaines pour la recherche future.ResumenSe proporciona una revisión de los métodos actuales y emergentes para el modelado de recarga y evapotranspiración (ET) a escala de cuenca en los sistemas de agua subterránea somera. Con el aumento de la disponibilidad de datos, tales como datos de temperatura en la superficie terrestre y la reflectancia de sensores remotos, ahora es posible modelar la recarga del agua subterránea y la ET con una complejidad físicamente más realista y con mayores niveles de confianza. La representación conceptual de recarga y de la ET en modelos de agua subterránea es crítica en zonas con el agua subterránea poco profunda. La dependencia de la profundidad de la recarga y la retroalimentación del uso del agua por la vegetación requiere una calibración adicional de los flujos, así como de las cargas hidráulicas. La definición explícita de la recarga bruta frente a la recarga neta, y la ET del agua subterránea frente a la ET de la zona no saturada, en la preparación de los datos de entrada del modelo y de información de los resultados del modelo es necesario para evitar la doble contabilización en el balance hídrico. Los métodos para el modelado de la recarga y de la ET incluyen (1) el uso de condiciones de contorno de superficie simples para los modelos de flujo de agua subterránea, (2) el acoplamiento de modelos de agua subterránea saturada con modelos unidimensionales de la zona no saturada, y (3) más complejas conceptualizaciones del acoplado saturada, no saturada y superficial. La emulación del modelo proporciona medios para la inclusión de modelos de comportamiento complejos con menor esfuerzo computacional. Una entrada precisa de la ET de superficie es esencial para salidas precisas de los modelos, y la conceptualización del modelo depende de las escalas espaciales y temporales bajo investigación. La utilización de información de sensores remotos para las entradas de la recarga y la ET en la calibración del modelo o en la fusión de datos del modelo es un área para el futuro desarrollo de la investigación. Una mejor utilización de los análisis de incertidumbre para proporcionar límites de probabilidad en los resultados de los modelos de las aguas subterráneas, la comprensión de la sensibilidad del modelo y la dependencia de parámetros y directrices para la posterior adquisición de datos de campo son también áreas de investigación futura.摘要论文对现有及新兴的流域范围浅层地下水的补给及蒸散量的建模方法进行了综述。随着可利用数据,如遥感反射率及地表温度数据的不断增多,现在对地表水的补给及蒸散量的建模可以实现更复杂的物理过程及更高级别的置信度。补给的深度关联和植被水分利用反馈需要额外校准流量及水头。总补给相对于净补给,地下水蒸散量相对于非饱和区蒸散量,这些概念的明确定义在准备模型输入和报告模型结果时候是必需的,以避免水平衡重复计算。地下水的补给及蒸散量的建模方法包括(1)使用简单的表面边界条件的地下水流模型,(2)耦合饱和地下水模型与一维不饱和区的模型,以及(3)更复杂的全耦合的“表面—不饱和—饱和”的概念化。元模型技术提供了一种以更低计算工作量来包含复杂的模型行为的方法。精确的蒸散量表面输入对于模型准确输出是必不可少的,模型的概念化依赖于研究的空间和时间尺度。在模型校准或模型数据融合时候使用补给和蒸散量的遥感信息作为输入是今后研究发展的一个领域。更好地利用不确定性分析,为地下水模型输出提供了可能性边界,了解模型的灵敏度和参数的依赖,并指导进一步的实地数据采集,也是今后研究的领域。ResumoUma revisão é fornecida dos métodos atuais e emergentes para a modelagem da recarga e evapotranspiração (ET) em sistemas aquíferos rasos em escala de bacia. Com o crescimento da disponibilidade de dados, assim como reflectância detectadas remotamente e dados de temperatura de superfície, agora, é possível a modelagem de recarga de águas subterrâneas e evapotranspiração com maior complexidade física e maiores níveis de confiança. A representação conceitual da recarga e ET nos modelos de águas subterrâneas é crítica em áreas de aquíferos rasos. A resposta da dependência da profundidade pela recarga e o uso da água pela vegetação requer calibração adicional para os fluxos assim como para as cargas. Definições explicitas de recarga bruta vs. recarga liquida, e ET em zona saturada vs. ET em zona não saturada, na definição dos dados de entrada do modelo e para relatar os resultados do modelo são necessárias para evitar computação dupla dos dados no balanço hídrico. Métodos para modelagem de recarga e evapotranspiração incluem (1) utilização de condições simples de contorno da superfície para modelos de fluxo de água subterrânea, (2) modelos de águas subterrâneas acoplados a modelos unidimensional de zona não saturada, e (3) conceptualizações mais complexas de acoplamentos completos entre a superfície, zona saturada e não-saturada. Emulação dos modelos fornece um meio de incluir comportamentos de modelos complexos com menor esforço computacional. Um dado de entrada de ET superficial preciso é essencial para a acurácia dos dados de saída do modelo, e a conceptualização do modelo depende nas escalas espaciais e temporais sob investigação. A utilização de informação de sensoriamento remoto para os dados de entrada de recarga e ET na calibração do modelo ou na fusão de dados ao modelo é uma área para futuro desenvolvimento de pesquisa. A utilização melhorada da análise de incerteza para fornecer margens probabilísticas para dos dados de saída do modelo de águas subterrâneas, entendendo a sensibilidade do modelo e a dependência de parâmetros, e orientação para maior aquisição de dados a campo são também área para futuras pesquisas.

Conceptual evaluation of continental land-surface model behaviour

Continental land-surface models, such as the landscape component of the Australian Water Resources Assessment System (AWRA-L), aim to simulate the water balance over a wide variety of climates, land forms and land uses. To accommodate this range of hydrological conditions, model conceptualisation has to be flexible, while at the same time robust and parsimonious to allow for calibration using sparse data sets. In this study a Monte Carlo sensitivity analysis of the AWRA-L system is carried out as a step preceding calibration in which the hyperspace formed by parameters and initial conditions is explored using Latin Hypercube Sampling. The main goal is to test whether the model behaviour is in accordance with current understanding of Australian hydrology and to guide calibration. To visualise and analyse the high-dimensionality of the output space and the complex, non-linear interactions between processes and parameters, we used Self Organizing Maps, a non-parametric neural network. The results show that the main cause of non-linear model behaviour can be attributed to the ratio of rainfall over potential evaporation ratio, which determines which processes will dominate the water balance and the persistence of initial conditions. The model behaviour corresponds well to the current understanding of the hydrology of the Australian continent.

Determining the initial spatial extent of an environmental impact assessment with a probabilistic screening methodology

Abstract A crucial decision in defining the scope of an environmental impact assessment is to delineate the initial assessment area. We developed a probabilistic methodology to determine this area, which starts by identifying a key environmental variable, maximum acceptable change and acceptable probability of exceeding that threshold. The exceedance probability is determined with a limits of acceptability rejection sampling of informed prior parameter distributions. A qualitative uncertainty analysis, a formal and systematic discussion of the main assumptions and model choices, is complemented with global sensitivity analysis of the model results to identify the major sources of uncertainty and provide guidance for further research and data collection. For the case study on coal development in the Gloucester Basin (NSW, Australia), the initial assessment extent is unlikely to extend more than 5 km from the edge of the planned coal mines. The major source of uncertainty is the planned mine water production rate.

Uncertainty assessment of spatial-scale groundwater recharge estimated from unsaturated flow modelling

Parameterisation of unsaturated flow models for estimating spatial-scale groundwater recharge is usually reliant on expert knowledge or best-estimated parameters rather than robust uncertainty analysis. This study chose the Campaspe catchment in southeastern Australia as a field example and examined the uncertainty of spatial groundwater recharge by performing uncertainty analysis. The study area was first divided into 13 zones according to different vegetation types, soil groups and precipitation. Individual models were then established for these zones using the biophysically based modelling code WAVES (Water Atmosphere Vegetation Energy and Solutes), which is capable of simulating unsaturated flow. The Monte Carlo method, together with the Latin-Hypercube sampling technique, was employed to perform uncertainty analysis by comparing modelled monthly evapotranspiration (ET) to MODIS ET. The results show that the common one-estimate-per-site approach can still identify the spatial pattern of groundwater recharge in the study area due to the presence of a precipitation pattern. In comparison, the uncertainty analysis not only identifies the spatial pattern, but also provides confidence levels in groundwater recharge that are critical for water resources management. The results also show that recharge absolute uncertainty is directly proportional to the amount of water input, but relative uncertainty in recharge is not. This study indicates that spatial recharge estimation without model calibration or knowledge of model uncertainty could be highly uncertain. MODIS ET can be used to reduce recharge uncertainty, but it is unlikely to lower the recharge uncertainty by a large extent because of the MODIS ET estimation error.RésuméLe paramétrage des modèles d’écoulements non saturés pour estimer la recharge des eaux souterraines à l’échelle spatiale dépend habituellement de connaissances d’experts ou de paramètres les mieux estimés plutôt que d’une analyse d’incertitude robuste. Cette étude a choisi le bassin versant de Campaspe dans le sud-est de l’Australie comme un exemple de terrain et a examiné l’incertitude de la recharge spatialisée des eaux souterraines en réalisant une analyse d’incertitude. La zone d’étude a été tout d’abord divisée en 13 zones en considérant les différents types de végétation, de groupes de sol et des précipitations. Des modèles individuels ont été ensuite établis pour ces zones en utilisant le code de modélisation WAVES (Water Athmosphere Vegetation Energy and Solutes) basé sur la biophysique, qui est. capable de simuler les écoulements non saturés. La méthode Monte Carlo, associé à la technique d’échantillonnage Latin-Hypercube, a été employée pour réaliser l’analyse d’incertitude en comparant l’évapotranspiration (ET) modélisée au pas de temps mensuel à l’ET MODIS. Les résultats montrent que l’approche commune à une estimation par site peut encore identifier la configuration spatiale de la recharge des eaux souterraines dans la zone d’étude en raison de la présence d’un modèle de précipitation. En comparaison, l’analyse d’incertitude n’identifie pas seulement une configuration spatiale, mais fournit des niveaux de confidence dans la recharge des eaux souterraines qui sont importantes pour la gestion des ressources en eau. Les résultats indiquent également que l’incertitude absolue concernant la recharge est. directement proportionnelle à la quantité d’eau qui s’infiltre, mais l’incertitude relative dans la recharge ne l’est. pas. Cette étude indique que l’estimation de la recharge à l’échelle spatiale sans calibration du modèle ou sans connaissance de l’incertitude du modèle pourrait être fortement incertaine. MODIS ET peut être utilisé pour réduire l’incertitude sur la recharge, mais il est. peu probable qu’il puisse abaisser l’incertitude sur la recharge en grande partie en raison de l’erreur d’estimation de MODIS ET.ResumenLa parametrización de los modelos de flujo no saturado para estimar la recarga del agua subterránea a escala espacial generalmente depende del conocimiento experto o de los parámetros mejor estimados en lugar de un sólido análisis de incertidumbre. Este estudio eligió la cuenca de drenaje de Campaspe en el sureste de Australia como un ejemplo de campo y examinó la incertidumbre de la recarga espacial del agua subterránea mediante la realización de un análisis de incertidumbre. El área de estudio se dividió en principio en 13 zonas según los diferentes tipos de vegetación, los grupos de suelos y la precipitación. Luego se establecieron modelos individuales para estas zonas utilizando el código de modelado WAVES (Water Atmosphere Vegetation Energy and Solutes), basado en la biofísica, que es capaz de simular el flujo no saturado. El método de Monte Carlo, junto con la técnica de muestreo Latin-Hypercube, se empleó para realizar el análisis de incertidumbre mediante la comparación de la evapotranspiración (ET) mensual modelada con MODIS ET. Los resultados muestran que el enfoque común de una estimación por sitio puede identificar el patrón espacial de recarga del agua subterránea en el área de estudio debido a la presencia de un patrón de precipitación. En comparación, el análisis de incertidumbre no solo identifica el patrón espacial, sino que proporciona niveles de confianza para la recarga del agua subterránea que son críticos para la gestión de los recursos hídricos. Los resultados también muestran que la incertidumbre absoluta de la recarga es directamente proporcional a la cantidad de ingreso de agua, pero no la incertidumbre relativa en la recarga. Este estudio indica que la estimación de la recarga espacial sin calibración del modelo o el conocimiento de la incertidumbre del modelo podría ser altamente incierto. MODIS ET se puede usar para reducir la incertidumbre de la recarga, pero es poco probable que reduzca la incertidumbre de la recarga en gran medida debido al error de estimación MODIS ET.摘要估算空间尺度地下水补给的非饱和水流模型的参数化通常依赖于专门知识或者最好的估算参数,而不是依赖于强大的不确定性分析。本研究选择澳大利亚东南部Campaspe流域作为一个野外实例,通过进行不确定性分析检查了空间地下水补给的不确定性。根据不同的植被类型、土壤组和降水情况,首先把研究区分为13个区。然后采用基于生物物理学上的模拟编码WAVES(水大气植被能量和溶质)为这些区建立了各自的模型,该模型能够模拟非饱和水流。通过比较模拟的每月蒸发蒸腾和MODIS ET,采用蒙特卡洛法以及拉丁超立方抽样技术进行不确定性分析。结果显示,由于存在着降水模式,普通的一地一估算方法仍然能确定研究区地下水补给的空间模式。相比之下,不确定性分析不仅能够确定空间模式,而且还能提供地下水补给中的置信级别,这对于水资源管理至关重要。结果还显示,补给绝对不确定性与水输入量成正比,但是补给的相对不确定性并不是如此。本研究表明,没有模型校正或模型不确定性知识的空间补给估算可能高度不确定。MODIS ET可用于减少补给不确定性,但是由于MODIS ET估算误差,很可能在很大程度上降低补给不确定性。ResumoParametrização de modelos de fluxo de zona não saturada para estimativa da recarga de águas subterrâneas em escala espacial é normalmente dependente em conhecimento especializado ou parâmetros otimamente estimados ao invés de análise de incerteza. Esse estudo escolheu a bacia Campaspe na porção sudoeste da Austrália como exemplo de campo e examinou a incerteza da recarga de águas subterrâneas espacial através da análise de incerteza. A área de estudo foi primeiro dividida em 13 zonas de acordo com os tipos diferentes de vegetação, grupos de solos e precipitação. Modelos individuais foram então estabelecidos para essas zonas utilizando o código de modelagem baseado em biofísica WAVES (Águas Atmosfera Vegetação Energia e Solutos), queé capaz de simular o fluxo em zona não saturada. O método de Monte Carlo, em conjunto com a técnica de amostragem Latin-Hypercube foram empregados para fazer a análise de incerteza, comparando evapotranspiração (ET) mensalmente modelada e ET do MODIS. Os resultados demonstram que a abordagem comum de uma estimativa por local ainda pode identificar que o padrão espacial da recarga de águas subterrâneas na área estudada pela presença de um padrão de precipitação. Em comparação, a análise de incerteza não apenas identifica o padrão espacial, mas provém níveis de confiança na recarga de águas subterrâneas que são criticos para o gerenciamento dos recursos hídricos. Os resultados também demonstram que a incerteza absoluta da recarga está diretamente proporcional à quantidade de entrada de água, mas a incerteza relativa não o é. Esse estudo indica que estimar recarga espacial sem a calibragem do modelo ou conhecimento da incerteza do modelo poderia ser altamente incerto. ET do MODIS pode ser utilizada para reduzir a incerteza da recarga, mas é improvável que reduza a incerteza da recarga por uma grande extensão por causa do erro de estimativa da ET do MODIS.

Analysis of uncertainties in the inference of groundwater dynamics from gravity recovery and climate experiment observations over Australia

Groundwater management in Australia is complicated by the cost and scarcity (vs. spatial variability) of bore monitoring. Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) remote sensing may alleviate this problem, but derived groundwater storage estimates are subject to errors, particularly, in total water storage (TWS) retrieval and in estimated soil moisture contributions to TWS. We quantified the uncertainties from both sources over Australia. In addition, for 12 regions we compared groundwater changes derived from GRACE with up-scaled groundwater bore measurements. Favourable agreement was found for regions with many bores, but a direct comparison was complicated by the scarcity and biased positioning of bores; uncertainty in soil moisture model assumptions; and uncertainty in the aquifer property that translates groundwater level into storage. Further improvements in spatial GRACE TWS resolution and in soil moisture estimation accuracy will be required to increase the utility of GRACE for groundwater management.