Narodowy model gospodarki wodnej: przewidywanie przyszłości

W Stanach Zjednoczonych powodzie stanowią jedne z najbardziej kosztownych klęsk żywiołowych, zarówno pod względem utraty życia, jak i mienia. W ciągu 20 minionych lat prawie 60 procent oświadczeń o poważnych katastrofach wygłoszonych przez prezydenta USA dotyczyło powodzi, a co najmniej 20 z nich spowodowało szkody przekraczające 1 mld dolarów.

Obecnym fundamentem prognozowania stanu wód jest sieć ~8000 wodowskazów utrzymywanych przez agencję United States Geological Survey (USGS). Wodowskazy dostarczają danych o poziomie wody w czasie rzeczywistym, które z kolei są wykorzystywane przez prognostów do przewidywania poziomu wody przed wodowskazem i za nim. Chociaż obecna sieć wodowskazów została metodycznie zaprojektowana w celu tworzenia jak najbardziej kompleksowych prognoz wodnych, obecnie tylko 3 procent długości wszystkich amerykańskich rzek i strumieni znajduje się za progiem wodowskazu (rysunek 1). Stanowi to wyraźną lukę w obsłudze, zwłaszcza w przypadku powodzi.

W obliczu chęci i potrzeby poprawy prognozowania i tworzenia map zasobów wodnych, Narodowa Agencja Oceanów i Atmosfery (NOAA — National Oceanic and Atmospheric Administration) rozpoczęła transformację krajowych możliwości prognozowania stanu wód za pomocą Narodowego modelu gospodarki wodnej (NWM — National Water Model), który jest podejściem do prognozowania stanu wód na miarę XXI wieku. Narodowy model gospodarki wodnej łączy zaawansowane możliwości modelowania, tworzenie precyzyjnych map topograficznych i obserwacje w czasie rzeczywistym (z wodowskazów agencji USGS), dzięki czemu pozwala uzyskać obiektywne prognozy przepływu strumieni wody przez 2,7 mln prostych odcinków rzek w całym kraju (rysunek 2) — co stanowi około 3,3 mln mil dróg wodnych.

Ta ewolucja modelu NWM wynika częściowo z partnerstwa agencji NOAA z firmą Esri. Począwszy od 2014 r. biuro przewidywania stanu wód agencji NOAA wspólnie z inżynierami firmy Esri badało koncepcję systemu informacji geograficznej dla przedsiębiorstw (EGIS), który mógłby stać się motorem dla badań i rozwoju działań geoprzestrzennych wspierających model NWM, jak również rozwoju usług danych analitycznych. Pomogłoby to nie tylko w opracowaniu modelu, ale także w zbadaniu informacji, które można uzyskać z danych wyjściowych modelu. W 2016 roku system EGIS stał się rzeczywistością dzięki programowi Esri Enterprise Advantage Program (EEAP) i wdrożeniu rozwiązania ArcGIS Enterprise w Narodowym Centrum Gospodarki Wodnej agencji NOAA/National Weather Service (NWS). System ten funkcjonuje obecnie i obejmuje portal frontendowy oraz zestaw witryn ArcGIS Server. 

6 marca 2018 roku agencja NOAA wdrożyła wersję 1.2 Narodowego modelu gospodarki wodnej, która opiera się na sukcesie poprzednich wersji i zapewnia dokładniejsze analizy oraz prognozy przepływu strumieni. Wyższy stopień dokładności wynika częściowo z dużego wzrostu liczby obserwacji uwzględnianych w modelu, w tym dodatkowych 680 wodowskazów agencji USGS (wzrost o prawie 10 procent), co ma pomóc w lepszej symulacji modelu przepływu strumieni. Podsumowując, wyższy stopień dokładności zapewniony przez wersję 1.2 będzie procentował zarówno w rutynowym zarządzaniu gospodarką wodną, jak i w podejmowaniu decyzji podczas poważnych zdarzeń. System EGIS jest wykorzystywany do testowania i rozwoju eksperymentalnych usług danych, które wspierają rutynowe odprawy hydrologiczne dotyczące bieżących i prognozowanych warunków zasobów wodnych z Centrów Prognoz Rzecznych NWS. NWC EGIS jest również centrum dla szeregu usług mapowych i aplikacji internetowych, które przedstawiają użytkownikom kontekst wyników modelu NWM.

Następna wersja (2.0) Narodowego modelu gospodarki wodnej została opublikowana na początku 2019 roku. Wersja 2.0 modelu po raz pierwszy obejmie Hawaje, zapewniając dane o przepływach strumieni i inne informacje hydrologiczne dla prognostyków, służb ratowniczych, zarządców zasobów wodnych i innych osób na wyspach. Będzie ona również stanowiła duży krok naprzód w zaangażowaniu w przedsięwzięcia związane z pogodą, wodą i klimatem — kluczowy składnik wizji National Weather Service, która ma na celu przygotowanie kraju na zagrożenia pogodowe. W ramach aktualizacji do wersji 2.0 kod Narodowego modelu gospodarki wodnej zostanie uporządkowany w serię bibliotek możliwych do pobrania, dzięki czemu staną się one bezpłatne i otwarte do wykorzystania przez osoby spoza administracji rządowej. Takie podejście do rozwoju społeczności otwiera drzwi do tworzenia geograficznie specyficznych, wartościowych i dostosowanych rozwiązań, które wypełnią lukę między nauką a ludźmi, którzy potrzebują informacji o zasobach wodnych do zapewnienia sobie bezpieczeństwa.

Być może najbardziej ekscytujące spośród powstających możliwości są usługi danych, które przekształcają oficjalne prognozy Centrum Prognoz Rzecznych NWS w zestaw eksperymentalnych usług do tworzenia map obszarów zalewowych. Te pokazowe usługi zapoczątkują epokę nowych, usług wsparcia decyzyjnego w zakresie przewidywania stanu wód, które opierają się na wpływie różnych czynników.

Narodowy model gospodarki wodnej stanowi kolejny krok w kierunku sprostania przyszłym wyzwaniom związanym z tematyką wodną. Z biegiem czasu, przy stałej współpracy z firmą Esri, dane wynikowe z Narodowego modelu gospodarki wodnej będą w większym stopniu wykorzystywane przez prognostów agencji National Weather Service w celu uzupełniania tradycyjnych prognoz dotyczących wody i dostarczania lepszych, bardziej aktualnych prognoz, aby zaspokoić rosnące potrzeby naszych partnerów.