Investigating the impact of the Millennium Drought on catchment water balance : A study of four catchments in Victoria, Australia

• Main Author: Sundström, Linn
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik 2018
• Subjects: Catchment water balance; catchment behavior; groundwater storage; specific yield; Millennium Drought.; Environmental Engineering; Naturresursteknik; Civil Engineering; Samhällsbyggnadsteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-231134

Southeast Australia have between 1997-2009 experienced a severe drought, referred to as the Millennium Drought. During these years the region experienced a 11.4% decline in mean annual rainfall, an unprecedented decrease in runoff and a decline in soil moisture and groundwater storage. The drought officially ended in 2010 when one of the strongest La Nina-events on record occurred. However, it is still unknown how the behaviour of the catchments changed during the drought and if this change persists in the years following the drought. Changes in catchment behaviour and fluxes are commonly determined using a catchment water balance, where the change in groundwater storage is assumed to be neglectable when studying longer periods of time. However, studies have showed that this assumption might be inaccurate for catchments that experience a climatic disturbance such as a severe drought. This study investigates if including the change in groundwater storage by using spatial groundwater head data can improve the catchment water balance. This was done by assuming that specific yields are unknown and to be determined in a calibration. An unknown scalar applied to the evapotranspiration was used to try to account for the uncertainties in the known fluxes and was also to be determined in the calibration. Two different calibration schemes were considered: one assuming no delay in groundwater head response to climate and one accounting for the delay. The fluxes were determined for the period before, during and after the drought. The results were analysed to determine if the catchments showed a change in behaviour during and after the drought. The results showed that when not accounting for the delayed response of the groundwater head, at least one of the specific yields in the catchments became infinitely small. Including the delayed groundwater head response did improve one of the catchments significantly by producing plausible specific yields for all geological units. A conclusion of this is that including the change in groundwater storage could improve the water balance. However, for it to do so a thorough analysis of the groundwater and subsurface needs to be conducted. Further, the water balance error was the third biggest flux after rainfall and actual evapotranspiration suggesting that the evapotranspiration scalar reduced the actual evapotranspiration too much. All fluxes did decrease during the drought, by how much differed between the catchments and the water balance components. Two of the catchments showed a change in behaviour during the drought that persisted in the years following the drought. The most likely fluxes to have caused this were the change in runoff and groundwater storage. The other two catchments showed a smaller change in behaviour during the drought and an indication that it was on its way back to the same state as before the drought. The likely fluxes to have caused the small change in behaviour was runoff and actual evapotranspiration. === Under åren 1997–2009 minskade den genomsnittliga årliga nederbörden över sydöstra Australien med 11.4% och den genomsnittliga årliga avrinningen var lägre än någonsin tidigare samtidigt som grundvattennivåerna sjönk. Denna torka brukar kallas the Millennium Drought och är den svåraste torkan i Australien i modern tid. Torkan tog officiellt slut 2010 då ett av de mest kraftfulla La Niña-fenomenen inträffade vilket bidrog till att april 2010 till mars 2012 var de blötaste två åren i australiensk historia. Trots att flera studier har gjorts kring torkan så är det ännu inte klarlagts hur avrinningsområdena i området påverkades och om de fortfarande är påverkade när torkan officiellt är över. Flödena inom ett avrinningsområde bestäms vanligtvis genom en vattenbalans. Då vattenbalansen över ett avrinningsområde studeras under en längre tid antas ofta att förändringarna i grundvattenmagasinen går att bortse från då grundvattennivån ofta återgår till samma stadie efter ett antal år. Nyare studier har dock visat att detta inte alltid är fallet vid exempelvis en svår torka och att det vid dessa fall inte är korrekt att anta att förändringen i grundvattenmagasinen är försumbar. I denna studie har en vattenbalans gjorts för fyra avrinningsområden i delstaten Victoria i Australien. Syftet har varit att avgöra om vattenbalansen kan förbättras om förändringen i grundvattenmagasinen inkluderas. Detta har gjorts genom att använda nyligen framtagen data för grundvattennivån i delstaten och antagit att den dränerbara porositeten är en okänd variabel. För att justera för osäkerheterna kring the kända flödena har en okänd faktor för evapotranspirationen inkluderats. De okända variablerna bestämdes i en kalibrering. Kalibreringen genomfördes för två olika kalibreringsscheman och för tre olika tidsperioder. Det ena kalibreringsschemat antog att grundvattnet direkt reagerade på effektiv nederbörd minus avrinning, medan den andra kalibreringsschemat tog hänsyn till en försenad reaktion. Kalibreringen gjordes för tidsperioderna innan, under och efter torkan. Resultaten visade att när ingen hänsyn togs till en eventuellt försenad reaktion av grundvatten så går värdet för dränerbar porositet i minst en geologisk enhet mot noll medan det andra värdet är rimligt. När hänsyn togs till en försenad reaktion av grundvattnet, fick fler avrinningsområde rimliga värden för dränerbar porositet för hela området. Slutsatsen som kan dras kring detta är att vattenbalansen kan förbättras om förändringen i grundvattenmagasinen inkluderas. Detta kräver dock en djupgående analys av grundvattnet och geologin i avrinningsområdet. Hur mycket flödena förändrades under och efter torkan varierar mellan avrinningsområdena och flödena, gemensamt var dock att alla flöden minskade under torkan. Två av avrinningsområdena påvisade en förändring i beteendet under torkan och de år som följde. Det är mest troligt att förändringarna i avrinning och grundvattenmagasinen har påverkat detta. De övriga två avrinningsområdena påvisade även de en förändring under torkan, om än mindre än för de föregående. Denna förändring ser även ut att vara på tillbakagående och att avrinningsområdet inom en snar framtid skulle kunna ha samma tillstånd som innan torkan. De mest troliga flödena som har påverkat dessa avrinningsområden är förändringar i avrinning och den faktisk evapotranspirationen.