Translated by Dr. Mengyi Jin

水资源短缺是美国西部地区的典型特征（Longreads 2018）。在全球变暖和人为因素的影响下，该地区的干旱日益频繁、广泛和严重，导致水资源短缺问题持续恶化，已成为威胁区域生存的严峻挑战（National Oceanic and Atmospheric Administration [NOAA] 2021）。该地区当前正经历着近1200年来最严重的"特大干旱"，即持续超过二十年的长期跨年代干旱（Williams et al. 2022）。最新评估表明，美国本土约45%的区域遭遇中度至极端干旱（NOAA 2022; National Drought Mitigation Center [NDMC] 2022）（图1），其中大部分集中在西部，该区域约65%的土地面临极端干旱，西南部地区情况尤为严峻（图2、图3）。

根据预测，美国西部的干旱状况将在"本世纪剩余时间内"持续加剧（Canon and Gabrielle 2022），这将进一步恶化本已严峻的生态局面：降水减少、蒸发速率加快，以及湖泊（如米德湖，图4）、河流（如科罗拉多河）、田野、农场和牧场上的雨养季节性水塘及牲畜饮水池等地表水体持续萎缩。随着水资源短缺、热浪与野火等气候外部性影响持续肆虐，依赖地表水进行作物灌溉的农田与牧场正不断萎缩，农牧民群体对不可逆经济损失的担忧与日俱增。

"过去60年间唯一持续存在的干旱，就是最近这三年，而这也是首次且唯一一次记录到连续三个夏季季风完全缺席的干旱。" ——Bob Prosser (NASA DEVELOP National Program, 2021)

"所有受访者都指出，这是他们85年来所见的最严重旱情。我们掌握的85年干旱数据也明确显示,我们从未经历过如此旱情...从未到这种程度。" ——Atkin (Cable News Network [CNN]  2021)

蓄水池与牧场经营

蓄水池（图5）多位于偏远地区，为牧场与草场牲畜提供饮用水源，是保障牲畜健康与生产质量的关键设施。此类牧场与草场广泛分布于美国西南部各州，包括亚利桑那、犹他及德克萨斯等地 (Utah State University n.d.; Aberle et al. 2021, 2; Walker 2021, 65)。

"无论牛群放牧的是原生草场、羊茅草、百慕大草还是其他任何类型的牧场，其作为放牧资源的价值都取决于牲畜用水的可用性。对牧场主而言，充足的蓄水是福祉，而缺水则会带来严峻挑战。" —— Troy Smith (Smith 2011, 1)

由于这些水源地处偏远，在日益加剧的干旱条件下，定期监测以确保牲畜用水充足这一艰巨任务正变得愈发困难。传统监测方法通常成本高昂、耗时费力，需要每周或每月前往牧场进行实地勘察。因此，有必要采用创新的技术型蓄水池监测与管理解决方案 (Utah State University n.d.; Aberle et al. 2021, 3)。为此，遥感技术（即光学卫星影像）已被广泛应用，为远程监测偏远地区雨养性牲畜水池的地表水范围提供了快速、经济的解决方案。

遥感技术在蓄水池监测中的应用

遥感技术作为一种强大的工具，能够对各类环境特征与资源进行监测与评估，为资源的高效管理提供及时、准确的信息。该技术在农业与牧业管理中的实践案例表明，牲畜饮水池的遥感监测有效降低了相关的人力与成本支出。同样地，基于传感器的卫星通信技术可被集成至自动化警报系统中，实现相关水资源数据的高效传输与实时决策。具体应用案例包括卫星无线电牲畜饮水系统（SRSWS）以及信息数据技术公司（IDT）的流量计与压力传感器系统。SRSWS是一种太阳能供电系统，配备微型卫星单元，用于将传感器采集的数据传输至网站。当牲畜饮水池水位过低或濒临干涸时，该系统会通过邮件或电话向牧场主发送警报信息。该系统目前已在美国犹他州南部投入应用（Utah State University n.d.）。IDT系统通过包含卫星天线、压力传感器（传感器类型）、控制箱与阀箱的卫星系统传输数据，通常设置为每8或24小时通过网站提供周期性读数，并可导出至电子表格以供进一步分析。该网站以图表形式展示每日用水量与蓄水池水位高度，同时提供上一年度的月用量数据。

上述技术的试点系统已在美国德克萨斯州克罗基特县完成部署（Walker 2021, 68）。尽管这些工具为传统蓄水池监测方式提供了创新解决方案，尤其是在应对与时间与人力投入相关的挑战方面成效显著，但其推广与应用仍受限于设备安装与折旧带来的成本问题。例如，单个IDT单元的年均总成本介于440至690美元之间（Walker 2021, 66）。考虑到这些工具的硬件需求与维护成本，新兴的基于遥感技术的应用方案将提供更大灵活性，在显著降低成本的同时无需额外硬件，通过用户移动设备即可运行。

美国国家航空航天局（NASA）DEVELOP国家计划2021年夏季团队开展了一项基于遥感数据的研究，旨在应对美国西南部（特别是亚利桑那州）因干旱导致的水资源短缺挑战。该研究（Aberle et al. 2021, 1）通过利用Landsat 8 OLI、Sentinel-1 C波段合成孔径雷达与Sentinel-2多光谱仪器的时序数据分析（图7），捕捉了牲畜蓄水池水面面积的季节与年际变化（图6）。研究成果包括时序图表（图8）以及基于Google Earth Engine平台开发的软件工具（地表水识别与预测工具，SWIFT）。该工具将使牧场主和野生动物管理者能够远程监测牲畜饮水池的水域面积，且监测频率可与卫星影像/数据的更新周期保持同步。例如，当使用哨兵-2号卫星时，即可实现每10天一次的定期监测。

遥感数据驱动的技术：优势、实施与挑战

"监测工具确实能帮助我们了解水域动态，像今年这样需要频繁运水至池塘并寻找后备水源的年份，我们根本没有足够时间进行规划。" —— Kit Metzger (NASA DEVELOP National Program 2021)

SWIFT工具最初旨在帮助利益相关者（包括牧场主、农民及野生动物管理者）实现对亚利桑那州蓄水池水量的近实时监测（基于卫星数据更新频率），该工具同样可部署于美国西南部其他面临类似干旱导致水资源短缺挑战的区域。若要在世界其他地区部署，可能需要额外的高分辨率光学数据及算法或方法的调整。

用户通过SWIFT技术有效监测畜牧水库的能力，将使其掌握关键信息，从而制定出更可持续、更高效的水资源管理策略，不仅服务于畜牧业生产，更能助力野生动物保护事业 (Aberle et al. 2021, 6)。除了通过监测地表水范围来保障畜牧业供水外，偏远地区的水源距离信息还能协助消防部门在野火频发地区开展灭火行动（同上）。

尽管SWIFT还在等待亚利桑那州当地利益相关方（包括Diablo Trust、Kaibab国家森林牧场计划、The Flying M牧场、Bar T Bar牧场等）来具体实施部署，但SRSWS与IDT系统等技术已成功投入使用。相较于依赖历史经验、长途驱车或实地巡查等传统蓄水池水位评估方式，IDT系统被视为一项更为先进的技术。该系统适用于任何地域，并能及时检测漏水情况。然而，用户需登录网站才能获取水位信息，这一要求仍是当前用户的主要顾虑 (Walker 2020, 68)。用户更倾向于通过电子邮件与手机直接接收信息，而非定期访问网站。尽管IDT系统存在上述操作不便的问题（可通过优化操作设计来解决），但采用IDT、SRSWS及SWIFT（完全运行后）等远程水位监测系统带来的经济效益与劳动力节约优势更为显著。该系统能确保牧场主及时、可靠地获取牲畜饮水信息，而水一直被视作牲畜最重要的营养要素（同上）。

结论

由干旱导致的水资源短缺是一个严峻的环境问题，它源于持续性干旱天气，并导致可用水量的显著下降。这通常会对生态系统、农业生产、社区生活以及诸多仰赖水资源的经济部门造成严重破坏。应对这一环境挑战需要综合运用高效的水资源管理策略，包括利用天基技术进行环境变化监测与评估。与传统畜牧水库监测手段相比，依托遥感数据采集处理技术，结合先进算法与专业应用进行分析，能够为环境资源管理提供更精准、更经济、更及时的信息保障。

尽管遥感技术提供的解决方案并不能彻底消除日益严峻的旱情威胁，但它确实构成了一项重要的适应性策略。农牧经营者可以以极低甚至零成本实现业务可持续运营，野生动物管理者也能将其应用于生态保护。将有效的适应性管理策略与气候变化减缓措施相结合，对于减轻干旱影响、保障水资源与畜牧管理的可持续性至关重要。