Sử dụng Cảm biến không dây để đo lớp băng tuyết

Hơn một nửa lượng nước được sử dụng cho các hoạt động nông nghiệp và sinh hoạt hàng ngày của người dân ở bang California, Hoa Kỳ được cung cấp từ các dòng chảy tại rặng núi Sierra phủ tuyết, chính vì vậy mà việc đo lượng tuyết cũng như việc dự đoán có bao nhiêu dòng chảy và xác định dòng chảy chính mỗi năm, là một nhiệm vụ quan trọng hàng đầu.

Dụng cụ như thế này sẽ làm cho việc đo lớp băng tuyết trên dãy núi Sierra Nevada dễ dàng hơn và chính xác hơn.

Hiện nay, các cơ quan chức năng đã tiến hành đo độ dày của lớp tuyết bao phủ tại một loạt các địa điểm được chỉ định trước, và họ so sánh kết quả này với những số liệu thu thập được ở năm trước để lập dự báo về nguồn nước và qua đó xác định sẽ có bao nhiêu nước sẽ được cung cấp cho nông dân và cộng đồng trong năm nay. Bởi vì, các dữ liệu thu thập được có giới hạn và những dự đoán có thể không chắc chắn lắm, điều này sẽ dẫn đến sự lãng phí trong toàn bộ quá trình này.

Tất cả những điều đó có thể được thay đổi ngay, theo giáo sư Roger Bales, làm việc tại Đại học California: trường Cao đẳng Merced với sự giúp đỡ từ Đại học UC Berkeley và Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ thông tin của Hội UC (CITRIS) đã thiết kế một hệ thống sử dụng cụm cảm biến không dây để cung cấp các phép đo chính xác về độ dày của lớp băng tuyết, lưu lượng nước ngầm lưu trữ trong đất, dòng chảy và các yếu tố quan trọng khác, nhằm cung cấp các dữ liệu sẵn có này cho người dân tại bất kỳ thời điểm nào.

“Để dự đoán, theo cách tiếp cận thông thường, bạn sẽ bắt đầu với việc tìm hiểu xem hiện tại có bao nhiêu tuyết”, Bales nói. “Sau đó bạn đo lượng mưa, lập mô hình thời gian của tuyết tan và ước tính lượng nước cần thiết sử dụng cho nông nghiệp và sinh hoạt hàng ngày của người dân, cũng như lượng nước thoát ra và chảy tới những khu vực khác.”

Kết quả của công tác quản lý nguồn nước đã góp phần quan trọng mang lại lợi ích cho ngành nông nghiệp của bang California với doanh thu hàng năm khoảng 35 tỷ đô la, theo thống kê của cục thực phẩm và nông nghiệp California.

Bởi vì các thông tin hạn chế mà họ có thể truy cập và những thay đổi của lượng mưa theo mùa và nhiệt độ, Bales nói, các nhà quản lý tài nguyên nước của tiểu bang California thường phân bổ nguồn nước theo các kịch bản xấu nhất có thể xảy ra. Nếu các dòng chảy thực sự là tốt hơn so với mong đợi, điều này có thể là quá muộn cho những người nông dân, vốn đã lên kế hoạch vụ mùa của họ dựa trên các ước tính phân bổ ban đầu.

“Các nhà quản lý tài nguyên nước cần cung cấp các ước tính chính xác về nguồn nước,” Bales nói. “Họ đã đến, và đưa ra những dự báo mà chính họ cũng không chắc sẽ xảy ra. Nếu chúng ta làm giảm được sự không chắc chắn trong dự báo của họ, theo cách mà mọi người có thể chấp nhận được, chúng ta có thể sẽ làm lợi thêm khoảng từ hàng chục đến hàng trăm triệu đô la cho nền kinh tế của bang California.”

Ngoài việc cải tiến qui trình theo dõi và dự đoán lưu lượng nước, dữ liệu được tạo ra bởi các cụm thiết bị cảm biến không dây sẽ cung cấp một nguồn tài nguyên chưa từng có trước đây, cho các nghiên cứu trong tương lai, dù rằng hệ thống này chỉ mới ở giai đoạn thử nghiệm nhưng các dữ liệu thu được từ nó có thể được sử dụng cho việc quan trắc môi trường trên toàn thế giới.

Các thành phần công suất thấp sẽ được sử dụng trong các cụm công cụ thiết kế để đo độ sâu tuyết và các yếu tố quan trọng khác.

Thật là một việc làm đặc biệt khó khăn khi đo lường và theo dõi suốt cả năm, lượng nước chảy ra từ các rặng núi phủ tuyết. Các chuyên gia phải đi đến các vùng sâu vùng xa, rất tốn kém và nguy hiểm, để đo độ dày của tuyết, và đưa ra các dự đoán mơ hồ về trữ lượng nước dựa trên việc xác định độ phức tạp của địa hình và mật độ tuyết rơi, sự hấp thụ nhiệt, làm tan băng...

Bales, một nhà Thủy văn học miền núi, làm việc với giáo sư Steven Glaser, tại Đại học UC Berkeley, cho biết rằng công việc của mình có liên quan tới các mạng cảm biến không dây - một dự án thử nghiệm tại rặng núi Sierra, ở Khu Nam bang California. Các cảm biến không được đặt theo một mạng lưới, nhưng thay vào đó, chúng được đặt ở các vị trí chiến lược, ở những khu vực có độ cao khác nhau, tùy thuộc vào các điều kiện như: tán cây che phủ, loại đất và các yếu tố khác.

Đó là dự án thử nghiệm các bản ghi dữ liệu từ 300 cảm biến, bao gồm hơn 1 km vuông ở rặng núi Sierra, phía Nam bang California. Các giai đoạn tiếp theo sẽ thành lập khoảng 25 cụm thiết bị trong lưu vực sông American River, bao gồm khoảng 4.500 km vuông trên dập nước Folsom vốn là nguồn cung cấp một phần đáng kể nước sinh hoạt cho tiểu bang California, Hoa Kỳ.

“Chúng tôi sẽ thiết lập một mạng lưới bao gồm các mạng lưới địa phương, đặt tại các vị trí chiến lược để nắm bắt những biến đổi địa lý trong lưu vực sông American River,” Bales nói. “Sau đó chúng tôi sẽ tiến hành đo tất cả các chu kỳ nước ở toàn bộ lưu vực sông American River.”