Perto da minha casa de infância havia um pequeno rio. Não period muito mais do que um riacho na melhor das hipóteses, e nos verões secos às vezes quase seca completamente. Mas o derretimento de neve o reviveu a cada primavera, e os restos de tempestades tropicais no ultimate do verão e no início do outono frequentemente o transformavam em uma torrente furiosa, se apenas brevemente antes que as águas da enchente recuassem e o rio retornasse aos seus caminhos preguiçosos.
Além daqueles de nós que o usavam como playground, o rio parecia pouca conseqüência. Mas isso importava o suficiente que uma milha ou mais a jusante fosse algum tipo de instrumentação, obviamente destinada a monitorar o rio. Period – e ainda é – Visível da estrada, um cano alto ondulado ao lado do rio, coberto com uma caixa com o logotipo da Pesquisa Geológica dos EUA. Ocasionalmente, alguém visitava e abria a caixa para fazer coisas misteriosas, que sugeriram que o rio period interessante além das nossas necessidades de pesca e aventuras.
Embora eu tenha aprendido muito cedo que este dispositivo period uma streamgage e que fazia parte de uma grande rede De instrumentos de monitoramento que o USGS usou para monitorar as vias navegáveis do país, não foi até recentemente – OK, nesta semana – que aprendi como as gorjetas funcionam ou quão extensa é a rede. Muito esforço é necessário para a instalação e manutenção dessa rede distante, e vale a pena analisar como esses instrumentos funcionam e seu impacto na vida cotidiana.
Inventando hidrografia
Primeiro, para se dirigir ao elefante na sala, “Gage” é uma ortografia alternativa raramente usada, mas aceita, de “medidor”. Em geral, o GAGE tende a ser usado em contextos técnicos, o que certamente parece ser o caso aqui, em oposição a um contexto não técnico, como “um indicador de opinião pública”. Além disso, o próprio USGS usa essa ortografia, por razões históricas interessantes que eles aparentemente tiveram que abordar com frequência o suficiente para escrever Uma FAQ sobre o assunto. Então, vou continuar com a terminologia do USGS neste artigo, mesmo que eu realmente não goste muito.
Com isso fora do caminho, o USGS tem uma longa história de monitorar os rios do país. A primeira estação de transmissão foi criada em 1889 ao longo do rio Rio Grande em uma estação ferroviária em Embudo, Novo México. As medições eram inteiramente manuais naqueles dias, realizadas por equipes treinadas no native no campo nascente da hidrografia. Muitas das ferramentas e métodos que seriam usados durante o restante do século XIX para medir o fluxo de rios em todo o oeste e mais tarde o resto da nação foi inventado em Embudo.
Então, como agora, o monitoramento do rio se resume a uma medição crítica: taxa de descarga ou o quantity de água que passa um certo ponto em um período fixo de tempo. Nos EUA, a taxa de descarga é medida em pés cúbicos por segundo, ou cfs. O alcance sobre o qual a taxa de descarga é medido pode ser enorme, desde fluxos que escorrerem algumas dezenas de água cúbica a cada segundo até o mais de um milhão de descarga de cfs medidos rotineiramente Na foz do poderoso Mississippi a cada mola.
As medições em uma faixa dinâmica tão ampla parecem ser um desafio de engenharia, mas os hidrógrafos simplificaram o problema trapaceando um pouco. Embora o fluxo volumétrico em um recipiente fechado, como um tubo, seja relativamente fácil – medidores de fluxo usando pás ou turbinas são comumente usados para essa tarefa – a medição direta das taxas de fluxo em cursos de água pure é muito mais difícil, especialmente em rios navegáveis, onde esses instrumentos de medição representariam um risco para a navegação. Em vez disso, o USGS calcula a taxa de descarga indiretamente usando a altura da corrente, geralmente chamada de estágio de inundação.
Ao lado de águas paradas
A altura de um rio em qualquer ponto é muito mais fácil de medir, com o bônus que as ferramentas usadas para essa tarefa se prestam a medições contínuas. A altura do fluxo é o principal ponto de dados de cada streamgage na rede USGS, que usa várias técnicas diferentes com base nos requisitos específicos de cada website.
O mais comum é baseado em um poço de silêncio. Os poços de silêncio são eixos verticais cavados na margem adjacente a um rio. O poço geralmente é grande o suficiente para um técnico entrar e normalmente é revestido com conduíte de concreto ou aço, como a streamgage descrita anteriormente. O fundo do eixo, que também é revestido com um materials impermeável, como concreto, fica abaixo do fundo do leito do rio, enquanto a altura do poço é determinada pelo estágio de inundação mais alto para o rio. O lúmen do poço está conectado ao rio através de um par de canos, que terminam na água acima da superfície do leito do rio. A água preenche o poço através desses tubos de entrada, com o nível dentro do poço correspondendo ao nível da água no rio.
Como o nome indica, o poço de silêncio executa o importante trabalho de amortecer qualquer turbulência no rio, permitindo uma coluna estável de água cuja altura pode ser facilmente medida. A maioria dos poços acalmados mede a altura da coluna de água com um flutuador conectado a um codificador do eixo por uma fita de aço inoxidável contrapeso. Outros poços de silêncio são medidos usando transdutores ultrassônicos, radar ou mesmo scanners de lidar localizados no abrigo de instrumentos no topo do poço, que traduzem o tempo de voo para a altura da coluna de água.
Enquanto os brigos de poços são baratos e eficazes, eles não ficam sem seus problemas. O principal deles é lidar com lodo e detritos. Embora as entradas sejam colocadas acima do fundo do rio, o lodo entra no poço e se instala no cárter. Isso requer manutenção frequente, geralmente descarregando o poço e as linhas de admissão usando água de um tanque de descarga localizado dentro do poço de silêncio. Nos rios com uma carga de lodo particularmente alta, pode haver uma armadilha de lodo entre as entradas e o poço de silêncio. Essencialmente, uma caixa de concreto com uma série de defletores verticais, a armadilha de lodo permite que o lodo se acalme da água do rio antes de entrar no poço e deve ser limpo periodicamente.
Bolhas, bolhas
Compensando algumas das deficiências do poço de silêncio é o medidor de bolhas, que mede o estágio do rio usando pressão do gás. Um medidor de bolha normalmente consiste em uma pequena bomba de ar ou cilindros de gás dentro do abrigo de instrumentos, encharcada para um cano que sai abaixo da superfície do rio. Como nos poços de silêncio, o tubo é fixado em um ponto conhecido em relação a um dado, que é a altura de referência para essa estação. A extremidade do tubo na água tem um orifício de tamanho conhecido, enquanto o lado da oferta possui reguladores e válvulas para controlar o fluxo de gás. O estágio do rio pode ser medido sentindo a pressão do gás no sistema, o que aumentará à medida que a coluna de água acima do orifício aumenta.
Os medidores de bolhas têm uma vantagem distinta sobre os poços de silêncio nos rios com alta carga de lodo, uma vez que a pressão positiva através do orifício tende a manter o lodo fora dos trabalhos. No entanto, os medidores de bolhas tendem a precisar de um suprimento constante de eletricidade para alimentar sua bomba de ar continuamente, ou para medidores usando gás engarrafado, visitas frequentes ao reabastecimento. Além disso, a corrida de tubos para o orifício precisa ser mantida bastante curta, o que significa que os abrigos de instrumentos de bolhas geralmente estão localizados em estacas dentro do rio ou nos pilares da ponte, o que pode tornar a manutenção complicada e representar um risco para a navegação.
Embora os medidores de bolhas e os poços de silêncio sejam os dois principais tipos de estações de gaging para instalações fixas, o USGS também mantém uma seleção de instrumentos temporários de gaging para uso tático, geralmente para resposta a desastres naturais. Esses medidores de implantação rápida (RDGs) são unidades compactas projetadas para afixar o trilho de uma ponte ou alguma outra estrutura do outro lado do rio. A maioria dos RDGs usa radar para detectar o nível da água, mas alguns usam sonar.
Vá com o fluxo
Independentemente do método usado para determinar o estágio de um rio, calcular a taxa de descarga é a próxima etapa. Para fazer isso, os hidrógrafos precisam ir ao campo e fazer medições de fluxo. Ao medir as taxas de fluxo em intervalos do outro lado do rio, de preferência o mais próximo possível da estação de intervalo, o fluxo whole através do canal nesse ponto pode ser estimado, e uma curva de calibração que relaciona a taxa de fluxo ao estágio pode ser desenvolvida. A taxa de descarga pode ser estimada a partir da leitura do palco.
As leituras de fluxo são tomadas usando uma variedade de ferramentas, dependendo do tamanho do rio e da velocidade da corrente. Os medidores atuais com rodas de balde podem ser abaixados em um rio em um poste; O fluxo gira a roda do balde e fecha contatos elétricos que podem ser contados em um totalizador eletromagnético. Mais recentemente, os Profilers de corrente de doppler acústicos (ADCPs) entraram em uso. Eles usam ultrassom para medir a velocidade de partículas na água pelo deslocamento do Doppler.
As equipes podem pesquisar toda a largura de um pequeno riacho de Wading, de barcos ou fazendo medições de uma ponte conveniente. Em alguns locais remotos onde o rio é especialmente rápido, o USGS pode erguer um cabo do outro lado do rio, para que as medições possam ser realizadas em intervalos de um teleférico.
De papel a satélites
Nos primeiros dias da transferência de fluxo, os dados de gravação eram estritamente um processo de caneta em papel. Os livros de toras da estação foram atualizados por hidrógrafos para todas as observações, com resultados transmitidos por correio ou telégrafo. Posteriormente, as estações foram equipadas com gravadores de gráficos de papel usando um mecanismo de relógio de longa duração. A caneta no gravador estava mecanicamente ligada ao flutuador em um poço de silêncio, desviando -o quando o estágio do rio mudou e deixando um recorde no gráfico. Os gravadores de gráficos elétricos vieram a seguir, com a posição da caneta mudando com base na tensão através de um potenciômetro ligado ao flutuador.
Os gravadores de gráficos, embora confiáveis, têm as desvantagens gêmeas de precisar de uma visita ao website para recuperar os dados e exigir uma transcrição guide tediosa dos dados do gráfico para o formulário tabular. Para resolver o último problema, os registradores analógicos-digitais (ADRs) foram introduzidos na década de 1960. Esses dados de estágio gravado na fita de papel como quatro dígitos decimais codificados binários (BCD). O tempo de cada leitura do estágio foi inferido a partir de sua posição na fita, dado um tempo de início e intervalo de leitura conhecido. As fitas ainda precisavam ser recuperadas de cada estação, mas pelo menos a leitura dos dados no escritório poderia ser automatizada com um leitor de fita de papel.
Nas décadas de 1980 e 1990, as estações de intervalo foram atualizadas para madeiras eletrônicas de dados, com pequenos painéis solares e baterias onde a energia da grade não estava disponível. Os dados foram armazenados localmente no registrador entre as visitas de manutenção por um hidrógrafo, que baixaria os dados. Como alternativa, as estações de gaging localizadas perto dos direitos públicos de passagem às vezes alugavam linhas telefônicas para transmitir dados em intervalos through modem. Posteriormente, as estações de gaiolas começaram a brotar as antenas polarizadas de Yagi, destinadas a um dos satélites ambientais operacionais geoestacionários (GOs). Inicialmente, as estações de gaging usavam um dos canais de telemetria de baixa taxa de dados com uma conexão de 100 a 300 bps. Isso deu aos hidrologistas acesso quase em tempo actual aos dados de gaging pela primeira vez. Desde 2013, todas as estações foram atualizadas para um canal de alta taxa de dados que permite até 1.200 bps telemetria.
Atualmente, os dados do GAGE são coletados a cada 15 minutos normalmente, embora o intervalo possa ser aumentado a cada 5 minutos em momentos de pico de fluxo. Os dados são buffers localmente antes que um uplink, que é a cada hora ou mais ou mais, a cada 15 minutos em pico de fluxo ou emergências. As frequências e intervalos de uplink estão muito bem documentados no website do USGS, para que você possa buscá -los facilmente com um SDR e pode ver se o riacho está subindo do conforto da sua própria barraca.
