Climate and Streamflow Trends in the Columbia River Basin: Evidence for Ecological and Engineering Resilience to Climate Change

Abstract

Large river basins transfer the water signal from the atmosphere to the ocean. Climate change is widely expected to alter streamflow and potentially disrupt water management systems. We tested the ecological resilience—capacity of headwater ecosystems to sustain streamflow under climate change—and the engineering resilience—capacity of dam and reservoir management to overprint a climate change signal—in seven sub-basins of the Columbia River from 1950 to 2011. Sub-basins had a headwater gauge above dams with a long-term streamflow record and a nearby climate station with a long-term record of air temperature and precipitation, as well as matching long-term streamflow records at gauges downstream of dams. Trends were fitted to daily data for maximum and minimum temperature, precipitation, and streamflow over the period of record (mostly 1950–2011). Consistent with predicted streamflow response to climate warming, annual snowmelt runoff peaks in five of seven headwater basins shifted to a few days earlier over the period 1950 to 2010, but the changes were small, displaying ecological resilience. Below dams, streamflow change was attributable to reservoir operation for flood control (reduced annual peak flows) and irrigation (augmented late summer low flows), as well as flow management for hydropower, navigation, and recreation, but predicted streamflow responses to climate change were absent, indicating engineering resilience. Thus, to date, climate-warming effects on streamflow have been limited to headwaters, and flow regulation has obscured the expression of climate change on streamflow below dams in the Columbia River basin. RÉSUMÉ [Traduit par la rédaction] Les grands bassins fluviaux transfèrent le signal d'eau de l'atmosphère à l'océan. De manière générale, on s'attend à ce que le changement climatique modifie l’écoulement fluvial et possiblement perturbe les systèmes de gestion d'eau. Nous avons étudié la résilience écologique — la capacité des écosystèmes des cours supérieurs des rivières de maintenir l’écoulement fluvial dans le contexte d'un changement climatique — et la résilience des ouvrages hydrauliques — la capacité de la gestion des barrages et des réservoirs à compenser un signal de changement climatique — dans sept sous-bassins du fleuve Columbia de 1950 à 2011. Les sous-bassins avaient une jauge de niveau en amont des barrages avec des enregistrements d’écoulement à long terme, une station climatologique à proximité avec des enregistrements de température et de précipitations à long terme ainsi que, en aval des barrages, des enregistrements à long terme correspondants d’écoulement à des jauges de niveau. Les tendances ont été ajustées en fonction des données quotidiennes de températures maximale et minimale, de précipitations et d’écoulement fluvial pour la période des enregistrements (principalement 1950–2011). Conformément à la réponse prévue de l’écoulement fluvial au réchauffement climatique, les pointes annuelles de ruissellement d'eau de fonte dans cinq des sept bassins supérieurs se sont déplacées quelques jours plus tôt au cours de la période 1950–2010, mais les changements étaient petits, ce qui témoigne d'une résilience écologique. En aval des barrages, le changement d’écoulement fluvial était attribuable à l'utilisation des réservoirs pour la protection contre les crues (débits de pointe annuels réduits) et l'irrigation (débits d’étiage de fin d’été augmentés) de même qu’à la gestion de l’écoulement pour les besoins de l’énergie hydroélectrique, de la navigation et des activités récréatives, mais les réponses prévues des écoulements fluviaux au changement climatique étaient absentes, ce qui indique une résilience des ouvrages hydrauliques. Donc, jusqu’à maintenant, les effets du réchauffement climatique sur l’écoulement fluvial se sont limités aux cours supérieurs des rivières et la gestion de l’écoulement a masqué l'empreinte du changement climatique sur l’écoulement fluvial en aval des barrages dans le bassin du fleuve Columbia.