美国地质调查局研发出新一代水文监测系统(NGWOS)
发布时间:2020-09-21 15:25:05 发布人:admin 浏览次数:167


随着水资源科学的发展和科计算领域的新突破,美国地质调查局研发出新一代水监测系统,该系统将以更低成本更快速方式,为更多地区提供实时水质水量监测数据。

新一代水监测系统将水、陆、空中固定和移动监测设备整合为一体,包括了创新型网络摄像头、新型陆地和空间传感器。当全面运行时,新一代水监测系统能够在流水量、蒸发量、积雪量、土壤湿度、水质、地表水/地下水连接性、流速分布、沉积物运移和水资源利用等方面提供高精准时空分辨率数据。该系统研发以美国地质调查局合作伙伴和利益相关方的需求为核心,产生的数据和信息能够帮助其更精准预测水资源短缺情况,更快速应对水资源灾害。

新一代水监测系统在特拉华河流域进行了试点工作,为其在全国重复杂州际河系推广使用提供了典范。

201911月,美国西部流域——科罗拉多河上游流域被纳入新一代水监测网络,对该流域的研究,有助于提高区域性融雪补给为主的水资源预测能力。

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一、新一代水监测系统的特点

1最顶尖的测量技术

2在选定区域布置密集的传感器阵列

3时空覆盖范围更广

4最新的技术测试和实施

5运行效率提高

6现代化实时数据存储与传输

发布最精准的洪水和干旱预警,推动应急水资源管理决策支持系统建立,新一代水监测系统产生的数据将支持模型化开发工具,并解决如下难题:

1从近、长期来看,导致洪水和干旱发生的风险有哪些?又怎样规避这些风险?

2季节性积雪储水量是多少?影响水供应的因素有哪些?

3)目前是否处于干旱的早期阶段干旱区生态恢复需要多久?

4有多少水被蒸发?

5水质如何?在干湿季节水质有何变化?

6地下水对河流流量的影响有多大反之亦然。

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使用无人机载探地雷达系统测绘河流水深(白色设备)

二、新技术的应用

新一代水监测系统促进了监测技术和方法的创新与发展,让数据获取更为快捷且成本更低,这一创新有望获取更多类型的高精准时空数据频率。测试点主要是监测范围内的主要干流和一些小河流,这为美国地质调查局和相关团体打造了一个严格、透明、创新监测技术测试平台。热点技术涵盖了遥感地表水速度的雷达和图像测速技术、测量水深提高流量预估能力的无人机载探地雷达、监测连续性水质和悬浮沉积物的新型传感器等。这些新技术终将突破原有测试范围被应用于美国其他流域,成为常规型监测操作。

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美国地质调查局正在推进大规模粒子图像测速(LSPIV)的使用(一种先进的视频分析技术,用来测量河流流量)

三、新一代水监测系统设计策略

美国地质调查局提供地质类科学信息已有近140年历史。目前(2019年)美国地质调查局操作着全国实时可持续性监测网络,该网络由8200多个流量观测站,2100个水质监测站,1700个地下水位监测井和1000个雨量站组成。每年美国地质调查局的水文工作者都会进行成千上万次离散水文测量。美国地质调查局的数据访问量年度超过6亿7千万次,然而,当前国家河流监测网仅能监测一些关键流域,河流覆盖率不到全国1%,这种采样密度虽有助于了解对比当前和过去的水文数据状况(例如,参见网址:http://waterwatch.usgs.gov),但不足以预测大流域内气候、地表水、地下水和土壤湿度之间的相互关系。

从科学、成本、可操作性和维护性角度来看,没必要对所有大流域和含水层进行高密度空间数据采集,这也是不可行的。一种比较实际的方法就是在具有大区域代表性的少数中型流域(10000平方英里-20000平方英里)和地下含水层建立密集型监测网络,其采集的数据可以与现有监测网络数据结合起来使用,以此掌握或消除开发模型中的不确定数据,来填补地区或全国性水资源评价预测数据信息差距。目前(2019年),据估计新一代水监测系统至少包括10个密集型中型监测流域,由美国地质调查局利益持有者选择并投入,代表着国家大范围内环境、水文和景观设置情况。在18个水资源地区中,至少每个地区有一个流域作为新一代水监测系统备选流域。

四、水资源数据管理与传输

美国地质调查局水资源数据管理与传输信息系统,作为新一代水检测系统的一部分,为了适应新数据与传感网络,接收整合来自多个机构和部门的水资源数据,显示出观测数据的不确定性,使数据和产品分析直接构成模型,正在不断革新,变得更加现代化。为实现双向通信与更高频率互联网数据传输,数据遥测系统也在不断被更新。

五、新一代水监测系统下一步规划

1)持续推进特拉华河流域新一代水监测系统设备部署和监测工作。

2对科罗拉多河上游流域进行新一代水监测系统网络设计和分析

3)由利益相关者来选定第三个将被新一代水监测系统监测的流域。

4绘制新一代水监测系统遥感图和数据传输过程图

(5)继续研发下一代水文监测系统。

 

 

 

作者:Chad R Wagner, Michael Woodside

翻译:陈立立(综合研究室)

 

 

文章来源:美国地质调查局官网水资源专栏(https://www.usgs.gov/mission-areas/water-resources/science/usgs-next-generation-water-observing-system-ngwos?qt-science_center_objects=0#qt-science_center_objects


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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