From Icefield to Estuary: A Brief Overview and Preface to the Special Issue on the Columbia Basin

No matter how large or small, every stream or river has its own set of scientific puzzles; its own social, economic, and ecological relevancies; its own suite of management or engineering challenges; and its own beauty. That having been said, it seems amply reasonable to single out the Columbia as one of the world's great rivers.

The statistics alone are astonishing. Measured by annual mean flow, the Columbia Basin is the largest river on the Pacific coast of the Americas and the eighteenth largest globally (Leopold, 1994). The river is almost 2000 km long, and at well over half a million square kilometres, its drainage area is larger than France (Leopold, 1994; Muckleston, 2003). Observed peak streamflow at The Dalles—a downstream location on the river, yet still upstream of some major tributaries—has been as high as 3.5 × 10⁴ m³ s⁻¹ (US Geological Survey, 2012). Storage projects on the Columbia and Lower Snake basins contain more than 53 billion cubic metres of water for flood control, hydroelectric energy generation, irrigation, and navigation. It is estimated that just in 2005, flood control in the Columbia Basin prevented nearly US$150 million in damages (Columbia River Water Management Group, 2005). Hydroelectric generation capacity is well over 5000 MW in the Canadian headwaters portion of the basin alone (BC Hydro, 2000); maximum nameplate capacity over the system is about 22,500 MW (System Operation Review, 2001); and the total average yearly value of power produced in the basin has been estimated at almost US$1 billion (Bureau of Reclamation, 2008).

The geophysical characteristics, richness, and significance of the Columbia Basin are also noteworthy in several respects. It is a land of diversity and sharp contrasts. The glaciers and icefields of the Kootenays and Canadian Rocky Mountains, the dense temperate rainforests of the Coast Range, the high desert of south-central British Columbia and eastern Washington and Oregon (complete with cacti and rattlesnakes), the snowy mountains of western Montana and Wyoming, a number of highly productive agricultural valleys like the Okanagan, and the soaring volcanoes of the Cascade Range all lie within its boundaries—and often within only a few tens of kilometres of each other. All these features in some way reflect and also combine to help determine the hydrology and climate of the basin. The river's influence also extends far offshore. Plumes of fresh water and sediment from the Columbia River significantly affect the physical, chemical, geological, and biological oceanography of the US Pacific Northwest coast (e.g., Hickey & Banas, 2003). And the Columbia's list of notable accomplishments also extends far into the past: as substantial as its flows are today, these pale in comparison to the Missoula Floods. These were an extended series of massive glacial outburst events during the last ice age; the largest involved rapidly dropping over 1500 km³ of ice- and rock-laden water from an elevation of about 1300 m in Montana to 100 m below modern sea level, releasing energy nearly equal to that of the asteroid impact that helped end the age of the dinosaurs (e.g., Allen, Burns, & Sargent, 2002). These Columbia floods shaped much of the landscape of the basin as we now see it, scouring out the scablands of eastern Washington and depositing the agriculturally rich, flat-lying silts of the Willamette Valley in western Oregon.

The Columbia River also carries deep cultural and historical significance extending far beyond the statistics of economic activity described above. The river is a cornerstone of cultural identity through much of the Pacific Northwest, even lending its name to the Canadian province of British Columbia. The basin is also not without controversy and challenges. For example, prehistoric salmon runs were estimated at 10 to 16 million annually but have reportedly declined to about 1 million, of which approximately 80% are reared in hatcheries (Bottom, Jones, Simenstad, & Smith, 2009). This precipitous decline likely reflects a combination of factors, including dam construction, habitat loss, pollution, overharvesting, and open-ocean conditions. Damage to the basin's extraordinarily rich salmon fisheries have deeply impacted First Nations in the basin (Columbia River Inter-Tribal Fish Commission, 2003), among others. Along different lines, the 1948 flood—essentially the result of a basin-wide rain-on-snow event—was disastrous, destroying the Portland suburb of Vanport following a dyke failure and leading to the deaths of 22 people (Speers, Barcellos, & Wortman, 1990). This single hydrometeorological event had a surprisingly wide range of social implications, including an influence on local race relations (McGregor, 2003). Additionally, increased demand for flood control, resulting in part from this event, eventually led to an intense period of dam building throughout the basin—which in turn had social ramifications, including resettlement of long-time residents from low-lying agricultural areas north of the border. The Columbia even helped define the course of global history, the future of warfare, and new threats to humanity's survival: the Hanford site in Washington depended on abundant hydroelectric energy from the Grand Coulee and Bonneville dams to produce plutonium for the Trinity test in New Mexico and the Fat Man nuclear bomb used over Nagasaki. And as a major transboundary river, it even has its own international treaty—Treaty Relating to Cooperative Development of the Water Resources of the Columbia River Basin, United States of America–Canada [hereinafter Columbia River Treaty] (1961–1964)—which governs joint Canadian–American management of the basin.

With accelerating population growth and corresponding development pressures, escalating demand for natural resources including water supply and hydropower, natural and anthropogenic changes in regional and global climate, and mounting concern for environmental sustainability, the need for improved scientific understanding of the basin has never been greater. It bears explicitly noting that the benefits of improved geophysical knowledge are not some vague conceptual ideal. As just one example, Hamlet, Huppert, and Lettenmaier (2002) used a reservoir simulation model incorporating operational constraints to estimate that improved, climate-based water supply forecasts for the Columbia Basin could increase nonfirm energy production from major Columbia hydropower facilities by as much as 5.5 million MWh per year, with a corresponding increase in annual revenue of approximately US$153 million. Clearly, a better understanding of the climate and hydrology of the basin has a very substantial dollar value. The impending arrival of key dates around the Columbia River Treaty further militates for a deeper knowledge of the river and the changes it may face in the future.

This special issue provides a forum for sharing some key knowledge and recent developments on science and engineering questions about the Columbia Basin as relevant to the readership of Atmosphere-Ocean. A diverse range of topics is addressed by scientists and engineers from institutions on both sides of the border, though a general emphasis is placed on past and future climatic variability. Chang and co-workers (Portland State University, US Geological Survey) apply water vulnerability indicators at the county scale to understand spatial patterns and controls of water supply, demand, and quality issues in the basin. Werner and co-authors (Pacific Climate Impacts Consortium) explore the impacts of possible future climate trajectories using a distributed hydrologic model, calibrated at two dozen points in the upper Columbia Basin and forced with downscaled projections from a range of global climate models (GCMs) and emissions scenarios. The effects of various large-scale modes of climate variability on river flows, and their potential for improving seasonal water supply forecasts, are investigated by Gobena and co-authors (BC Hydro, Environment Canada). Hamlet and co-workers (University of Washington, US Bureau of Reclamation) provide a summary and synthesis of their extensive GCM-driven hydrologic modelling work across the Columbia Basin. Alpine glaciers and ice fields are an integral component of the watershed hydrologic cycle in many headwater basins to the Columbia, and Hirose and Marshall (University of Calgary) investigate these questions in detail for the Illecillewaet River. Hatcher and Jones (Oregon State University) compare long-term observational hydroclimatic trends between headwater and downstream locations to assess ecological and engineering resilience to climate change. Murdock and co-authors (Pacific Climate Impacts Consortium) analyze regional climate model results to investigate the sensitivity of meteorological extremes to projected climatic changes.

As the convenor for this special issue, I wish to sincerely thank all the authors for their contributions, as well as the editorial staff whose hard work helped make this endeavour a success. Editorial duties were performed by guest editor Stephen Déry, with support by guest editor John Pomeroy and editor-in-chief William Hsieh. Technical editor Sheila Bourque and publications director Richard Asselin also provided valuable input.

Cover: The top left panel is Fig. 2 from Chang et al. (this issue; by permission of the author). The top right panel is Rogers Pass (by permission of S.W. Fleming), and the bottom panel is Grand Coulee dam (by permission of S.W. Fleming).

Du champ de glace à l'estuaire : Un aperçu et la préface du numéro spécial sur le bassin du Columbia

Sean W. Fleming^1,2,*

*Courriel du responsable: [email protected]

¹Service météorologique du Canada, Division de la science, Section de la recherche et du développement des sciences environnementales, Vancouver, Colombie–Britannique, Canada

²Cooperative Institute for Coastal and Mountain Meteorology and Hydrology, Department of Earth, Ocean, and Atmospheric Sciences, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada

Quelle que soit sa taille, chaque cours d'eau possède sa propre réalité scientifique; sa propre importance sociale, économique et écologique; ses propres exigences de gestion ou d'ingénierie; et une beauté qui lui est propre. Cela dit, on peut ajouter sans crainte de se tromper que le Columbia est l'un des grands cours d'eau du monde.

Les chiffres parlent d'eux-mêmes. De par son débit annuel moyen, le Columbia est le plus gros fleuve de la côte pacifique des Amériques et le huitième plus gros de la planète (Leopold, 1994). Le fleuve a une longueur de près de 2000 km et, avec une superficie de bien plus d'un demi-million de kilomètres carrés, son bassin hydrographique est plus grand que la France (Leopold, 1994; Muckleston, 2003). L’écoulement de pointe observé à The Dalles — une localité située dans le secteur aval du fleuve, mais encore en amont de certains affluents importants — a déjà atteint 3,5 × 10⁴ m³ s⁻¹ (US Geological Survey, 2012). Les ouvrages de retenue dans les bassins du Columbia et de la rivière Snake inférieure renferment plus de 53 milliards de mètres cubes d'eau servant à la protection contre les inondations, à la production d’énergie hydroélectrique, à l'irrigation et à la navigation. On estime qu'en 2005 seulement, la protection contre les inondations dans le bassin du Columbia a évité des dommages de près de 150 millions de dollars US (Columbia River Water Management Group, 2005). La capacité de production hydroélectrique dépasse amplement les 5000 MW dans la seule partie amont canadienne du bassin (BC Hydro, 2000); la capacité maximale nominale de l'ensemble du système est d'environ 22 500 MW (System Operation Review, 2001); et la valeur annuelle totale moyenne de l’énergie produite dans le bassin a été estimée à presque un milliard de dollars US (Bureau of Reclamation, 2008).

Les caractéristiques géophysiques, la richesse et l'importance du bassin du Columbia sont également remarquables à plusieurs égards. C'est une région de diversité et de forts contrastes. Les glaciers et les champs de glace des Kootenays et des Rocheuses canadiennes, les denses forêts pluviales tempérées de la chaîne Côtière, les hautes terres désertiques du centre-sud de la Colombie–Britannique et de l'est des États de Washington et de l'Oregon (agrémentées de cactus et de serpents à sonnette), les sommets enneigés de l'ouest du Montana et du Wyoming, des vallées où se pratique une agriculture intensive, comme l'Okanagan, et les volcans en activité de la chaîne des Cascades sont tous situés à l'intérieur de ses limites et sont parfois à quelques dizaines de kilomètres l'un de l'autre. Toutes ces caractéristiques reflètent d'une certaine façon et aussi se combinent pour déterminer en partie l'hydrologie et le climat du bassin. L'influence du fleuve se fait aussi sentir loin au large. Des panaches d'eau douce et de sédiments du Columbia ont un effet marqué sur l'océanographie physique, chimique, géologique et biologique de la côte pacifique nord-ouest des États–Unis (p. ex. Hickey et Banas, 2003). Et la liste des hauts faits du Columbia remonte également loin dans le temps : aussi intense que soit son débit aujourd'hui, ça n'est rien comparativement aux inondations de Missoula. Il s'agit d'une longue série de débâcles glaciaires survenues durant la dernière période glaciaire; la pire de celles-ci a rapidement déversé plus de 1500 km³ d'eau chargée de glace et de roches d'une élévation de 1300 m dans le Montana jusqu’à 100 m sous le niveau actuel de la mer, relâchant une énergie comparable à celle de l'impact d'astéroïde qui a contribué à mettre fin à l’ère des dinosaures (p. ex. Allen, Burns, & Sargent, 2002). Ces inondations du Columbia ont façonné en bonne partie les paysages du bassin que l'on voit aujourd'hui, en érodant les « scablands » de l'est de l’État de Washington et en formant les dépôts plats de limon fertile de la vallée de la Willamette dans l'ouest de l'Oregon.

Le fleuve Columbia a aussi une importance culturelle et historique qui va bien au-delà des statistiques sur l'activité économique présentées ci-dessus. Le fleuve est la pierre angulaire de l'identité culturelle dans une grande partie de la région pacifique nord-ouest, donnant même son nom à la province canadienne de la Colombie–Britannique. Le bassin n'est pas non plus sans soulever la controverse et sans poser certains défis. Par exemple, on estime que, dans la préhistoire, de 10 à 16 millions de saumons effectuaient une migration anadrome annuellement, mais ce nombre serait passé à 1 million, dont environ 80% sont élevés dans des écloseries (Bottom, Jones, Simenstad, & Smith, 2009). Ce brusque déclin est vraisemblablement le résultat d'une combinaison de facteurs, comme la construction de barrages, la perte d'habitats, la pollution, la surpêche et les conditions en haute mer. Les dommages infligés aux stocks de saumons extraordinairement riches du bassin ont eu de profondes répercussions sur les Premières Nations (Columbia River Inter-Tribal Fish Commission, 2003), entre autres. Pour en rajouter, l'inondation de 1948 — essentiellement le résultat d'un épisode de pluie sur neige dans tout le bassin — a été désastreuse, détruisant Vanport en banlieue de Portland par suite de la rupture d'une digue et entraînant la mort de 22 personnes (Speers, Barcellos, & Wortman, 1990). Cet événement hydrométéorologique unique a eu des conséquences sociales étonnamment variées, notamment une influence sur les relations interraciales locales (McGregor, 2003). De plus, la demande plus insistante de protection contre les inondations, en partie due à cet événement, a éventuellement mené à une période de construction accélérée de barrages dans tout le bassin — ce qui, par le fait même, a eu des répercussions sociales, comme le déplacement de gens qui habitaient depuis longtemps des régions de basses-terres agricoles au nord de la frontière. Le Columbia a même contribué à définir le cours de l'histoire du monde, l'avenir de la guerre et de nouvelles menaces pour la survie de l'humanité : le site de Hanford dans l’État de Washington a utilisé l'abondante énergie hydroélectrique des barrages de Grand Coulee et de Bonneville pour produire le plutonium nécessaire à l'essai de Trinity au Nouveau–Mexique et à la bombe nucléaire Fat Man lancée contre Nagasaki. Et comme il s'agit d'un fleuve transfrontalier majeur, il a même son propre traité international — Treaty Relating to Cooperative Development of the Water Resources of the Columbia River Basin, United States of America–Canada [ci-après Traité du fleuve Columbia] (1961–1964) — qui régit la gestion canado-américaine conjointe du bassin.

Avec l'accroissement de la population qui s'accélère et les pressions que le développement correspondant engendre, avec la demande de plus en plus soutenue de ressources naturelles, y compris l'approvisionnement en eau et l'hydroélectricité, avec les changements naturels et anthropiques dans le climat régional et mondial et compte tenu des soucis grandissants quant à la durabilité de l'environnement, le besoin d'une meilleure connaissance scientifique du bassin n'a jamais été aussi grand. Il convient ici de souligner que les avantages d'une connaissance géophysique accrue sont tout à fait concrets. À titre d'exemple, Hamlet, Huppert, and Lettenmaier (2002) ont utilisé un modèle de simulation de réservoir incorporant des contraintes opérationnelles pour estimer que des prévisions améliorées d'apport d'eau axées sur le climat pour le bassin du Columbia pourraient augmenter la production d’énergie non ferme par les grandes installations hydroélectriques du Columbia de 5,5 millions MWh par année et générer des revenus annuels additionnels d'approximativement 153 millions de dollars US. Il est clair qu'une meilleure compréhension du climat et de l'hydrologie du bassin a une valeur financière très importante. L'arrivée imminente de dates importantes relativement au Traité du fleuve Columbia milite aussi en faveur d'une connaissance plus approfondie du fleuve et des changements qui pourrait l'affecter dans le futur.

Ce numéro spécial fournit un forum pour le partage de connaissances clés et d'avancées récentes dans des questions de science et d'ingénierie portant sur le bassin du Columbia et d'intérêt pour les lecteurs d’Atmosphere–Ocean. Des scientifiques et des ingénieurs d'institutions situées de part et d'autre de la frontière y abordent une gamme de sujets variée, encore qu'une attention spéciale soit accordée à la variabilité climatique passée et future. Chang et ses collègues (Portland State University, US Geological Survey) appliquent des indicateurs de vulnérabilité de l'eau à l’échelle du pays pour comprendre la configuration spatiale et les facteurs déterminants de l'apport d'eau, de la demande en eau et de la qualité de l'eau dans le bassin. Werner et coauteurs (Pacific Climate Impacts Consortium) explorent les effets de possibles trajectoires climatiques futures au moyen d'un modèle hydrologique distribué, étalonné à deux douzaines de points dans le bassin du Haut-Columbia et forcé avec des projections à échelle réduite à partir d'un ensemble de modèles climatiques planétaires et de scénarios d’émissions. Les effets de divers modes de variabilité climatique à grande échelle sur les débits fluviaux et la possibilité qu'ils permettent d'améliorer les prévisions d'apport d'eau sont étudiés par Gobena et coauteurs (BC Hydro, Environnement Canada). Hamlet et ses collègues (University of Washington, US Bureau of Reclamation) fournissent un résumé et une synthèse du travail considérable de modélisation hydrologique par GCM dans le bassin du Columbia. Les glaciers et champs de glace alpins sont une partie intégrante du cycle hydrologique du bassin hydrographique dans plusieurs bassins de tête du Columbia, et Hirose et Marshall (University of Calgary) étudient ces questions en détail pour la rivière Illecillewaet. Hatcher et Jones (Oregon State University) comparent les tendances hydroclimatiques à long terme observées entre des sites d'amont et d'aval pour évaluer la résilience écologique et d'ingénierie au changement climatique. Murdock et coauteurs (Pacific Climate Impacts Consortium) analysent les résultats de modèles climatiques régionaux pour étudier la sensibilité des extrêmes météorologiques aux changements climatiques projetés.

En tant que responsable pour ce numéro spécial, je voudrais sincèrement remercier tous les auteurs pour leurs contributions ainsi que les membres de la rédaction dont l'excellent travail a aidé au succès de ce projet. Les tâches rédactionnelles ont été effectuées par le directeur scientifique invité Stephen Déry, avec l'aide du directeur scientifique invité John Pomeroy et du rédacteur en chef William Hsieh. La rédactrice technique Sheila Bourque et le directeur des publications Richard Asselin ont également apporté une contribution utile.

Couverture : Le panneau en haut à gauche est la fig. 2 de Chang et al. (ce numéro; avec la permission de l'auteur). Le panneau en haut à droite est le col Rogers (avec la permission de S. W. Fleming) et le panneau du bas est le barrage de Grand Coulee (avec la permission de S. W. Fleming).