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美国地下水气候响应监测网

时间:2007-07-09 16:15:00

来源:中国地质环境信息网
  USGS维护着一个监测井网,来监测干旱和其它气候变化对地下水水位的影响。这是一个全国性的网络,包括“地下水资源项目”中一个组成部分的140口监测井和“合作水项目”中一些州的监测井,并利用专门网站发布监测信息。网页内容包括:监测井位置图和地下水水文图表,对于有5年以上每日记录的水井,可以在背景图上标明每天测量的水位最大值、最小值和平均值,并可以将统计学分析中用到的数据作成表格或用制表符分隔的文件。
  2007年2月,USGS以Fact Sheet 2007-3003发布该监测网建设报告,本文对其作简要介绍。
  一、概  述
  美国地质调查局(USGS)负责为全国提供可靠的水文信息,以利于其它机构进行全国的水资源管理。作为联邦项目的一部分,USGS与州和当地机构合作,针对不同的研究目标,每年会对2万口以上的水井进行监测。采用一致的数据采集和质量控制方法来获取水位资料。有一小部分水井可以满足地下水气候响应监测网制定的要求和标准,构成一个用于描述全国范围的地下水系统对气候变化响应的监测网络。
  地下水气候响应监测网的主要目标,是描述气候对受抽水或其它人为活动轻微影响的非承压含水层或近地表承压含水层的地下水水位的影响。地下水气候响应监测网网站(http://groundwaterwatch.usgs.gov/)是说明美国和波多黎各目前地下水状况的USGS官方网站。在网页上,提供了不同的地下水状况信息,“全国地下水现状”提供了全国范围的地下水水位状况,“各州地下水现状”提供了当地的地下水情况,此外,网页上还提供了特殊水井的详细情况。
  在2006年,“地下水气候响应监测网”共包括有500口水井,约有140口水井由USGS地下水资源项目提供,其余的水井由USGS与州(地方)机构通过“合作水项目”共同管理。在理想情况下,网络中的水井可以测量多年的水位,最长的记录是内华达州的一口水井,自1918年以来一直都在使用,这些水井的平均测量时间始于1983年,其中的一些水井只能测量几年的水位。随着测量记录的时间和频率增加,测量的水位数据也在增加。
  在2006年,“气候响应网络”包括有280口监测井,安装有可以获取实时数据的仪器。有59口水井可以按小时测量水位,但是无法实现实时获取数据,约214口监测井是按月或季测量水位。50个州中的每一个州和波多黎各至少拥有监测网中的一口监测井,大多数州拥有两口以上的监测井。马萨诸塞州拥有地下水气候响应监测网中的监测井最多,有89口;其次是宾夕法尼亚州,拥有65口,每个县约有一口,而且所有水井都装有获取实时数据的仪器。
  二、数据类型
  USGS提供3种类型的水位数据:
  1、周期性数据,按照选定的间隔,用钢卷尺或绝缘带手动测量地下水水位,通常都是按月或按季进行测量。这样,地下水气候响应监测网的周期性数据即使是最近一次获得的,也可能是几个月前的数据。
  2、连续数据是采用自动遥感设备测量地下水位,通过数据记录器记录数据。可利用的连续数据会滞后当前状况一个月到几个月时间,因为在通过野外测量、处理并记录到USGS数据库中的过程,需要一定的时间。
  3、实时数据是通过卫星或电话,至少每天一次将水井数据传送到USGS。实时数据反映了当前的水井状况。
  地下水气候响应监测网中的所有数据都可以免费下载。
  三、网  页
  (一)全国地下水现状
  在地下水气候响应监测网站主页,对全国地下水现状作了直观描述,采用色彩和符号表示场地位置和地下水位。用符号表示测量类型(周期性、连续或实时),用色彩表示最近的测量结果与长期记录计算的月百分位数之间的关系。在气候响应网络中将地下水位分为8种类型:出现了新的月高水位(黑色)、大于第90个百分位数(深兰)、第76至第90个百分位数(浅兰)、第25至第75个百分位数(绿色)、第10至第24个百分位数(橙色)、小于10个百分位数(棕色)和新出现的月低水位(红色)。如果最近的测量时间超过45天,或者可利用的历史资料不足10年,则用灰色表示。
  (二)各州地下水现状
  在气候响应网络的反映各州地下水现状的网页上,直观地说明了各州的地下水状况,并列出了各州可以利用的水井。在州的地图上按照任意序列给单位水井赋值,列出详细的水井信息,如场地名称、含水层和井深。各州地下水现状图与全国地下水现状图采用的色彩和符号一致。
  (三)现场情况
  在该网页上提供了与水井相关的所有信息,在网页中包括位置图和描述信息,如水井位置、井深和水井穿透的含水层。在该网页上,采用蓝色条纹将不同类型的数据进行区分,包括实时数据、连续数据和周期性测量数据,并建立了与NWISWeb的链接(http://waterdata.usgs.gov/nwis/gw),在NWISWeb界面,可以查询USGS收集的100多年来的水资料。NWISWeb包括水井的所有元数据,是气候响应网络的网页水位测量的资源。
  在该网页上,提供了所有数据类型的水位曲线图,根据可以利用的水井测量和水位记录,提供不同类型的附加图表。
  1、2年的水位曲线图
  如果一口水井安装有实时监测设备,而且记录有至少5年的连续数据,则可以绘制2年的水位曲线图。该水位曲线图提供了过去2年详细的水位信息:蓝绿色阴影表示日最高和最低水位范围,绿线表示当日的水位中间值,红线或蓝线表示日平均水位,其中蓝线表示已经得到了USGS的最终认可的日平均水位,红线表示临时测量的日平均水位。根据该水位曲线图,可以说明某一段有每日记录时间范围内的水位波动情况,并可以用于预测近期的水位变化趋势。
  2、合并的水位曲线图
  理想情况下,在气候响应井中,安装有连续、实时的设备,而且保存有连续数据的历史记录。但是,由于项目目标和资助重点的变化,测量频率也会发生相应变化。如果可以利用一口水井不同时间段的大量数据类型(周期性、连续性和实时数据),则可以将这些数据表现在一幅水位曲线图中,在这幅“合并的水文曲线图”中,用蓝点表示周期性测量值,用蓝线表示连续测量值,用红线表示实时测量值。
  3、统计表
  对于一口水井,如果有足够的周期性记录,则可以编制月统计表。为了编制统计表,需要综合一口水井中所有可以利用的资料(周期性、连续性和实时数据),之后对数据按月分组,采用各组的平均值来表示给定年和给定月的水位。在进行统计计算时,没有得到USGS最后批准的临时数据不包括在内。如果给定月的历史数据不超过4年,则不得计算该月的统计学水位;如果有超过4年,但小于10年的历史数据,则可以表示给定月的最高、最低和中间水位;如果有10年以上的历史数据,则可以计算和表示水位百分数。
  4、柱形表
  当一口水井至少有10年的月连续测量值,就可以绘制每月的柱形图,该图可以将历史数据和最近测量值进行统计组合。在柱形图中,百分位数色彩条带的表示方法与其它气候响应网络图一致:大于第90个百分位数(深兰)、第76至第90个百分位数(浅兰)、第25至第75个百分位数(绿色)、第10至第24个百分位数(橙色)、小于10个百分位数(棕色),用绿色三角形表示每月的水位中间值。在年统计水位曲线水位图中,标出最近12个月的水位测量值,这样就可以对给定月的当前水位和历史水位进行比较。
  四、局限性和机会
  气候响应网是USGS与各州和地方机构的合作成果,USGS提供可靠的数据采集和分析方法、全国数据库和联邦基金,可用来开展地下水资源项目和USGS合作水项目工作。与地方机构合作,可以保证满足当地的需求,而且可以为当地提供合作匹配资金。这一资源是提供全国地下水状况的唯一来源,也是用于气候分析、地下水模拟和干旱分析的全国性数据资源。通过联邦拨款和合作协议,USGS可以不断在需要的地方扩大气候网络的覆盖范围。
  气候响应网络也具有一定局限性,该网络设计的初衷是监测仅反映气候变化的水位波动状况,对于用作其它用途,如由于附近抽水影响的水位波动,在气候变化网上并没有出现。目前,气候响应网络并没有覆盖全国的所有含水层和含水层的补给区,在网络中仅表示了全国所有含水层的60%。这样,该网络就受到了联邦资助和资助重点的限制。另外,在某些地区,地下水过度利用或水位下降速度太快,使得通过这些水井难以提供原始的气候信号,特别是在美国西部地区。
  为了将气候响应网发展成为一个具有完整功能的全国网络,以提供所需的长期记录,对地下水资源进行准确评价,就需要对水井进行长期监测,因为这样一个网络所需要的长期数据并非可以瞬时获取的。这样,为了更为有效地扩充网络的功能,就需要根据地区和当地的研究重点,对全国网络进行补充。功能完整的全国气候响应网络应当具有可以提高干旱管理的实时、连续的数据采集系统,可以提供统计学分析的长期记录,以评价全国水资源的变化趋势,在这些网络中尽可能包括全国的主要含水层和这些含水层的补给区。

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