Ciclo da água: Estime pela primeira vez o fluxo dos rios em escala planetária

A água doce é vital para a vida, para as nossas sociedades e não pode ser substituída. A evolução económica, a agricultura, as indústrias e a crescente demografia estão a criar tensões em torno deste recurso limitado, ainda mais devido às alterações climáticas.

A agricultura representa 70% do consumo de água doce em todo o mundo (90% em alguns países), indústria 19% e uso doméstico apenas 12% (dos quais grande parte se deve a usos domésticos como máquina de lavar, lava-louças, rega, banheiro e uma parte muito pequena está relacionada à bebida) . Nos dias de hoje, 1 em cada 2 habitantes do nosso planeta vive em áreas afetadas pela grave escassez de água durante pelo menos um mês por ano. A França também está enfrentando tensões em torno do uso da água em sua própria escala. Após o inverno seco e quente e depois a primavera de 2022, a prefeitura dos Alpes-Maritimes, por exemplo, teve que colocar dois terços de seus municípios (incluindo várias grandes cidades) em "alerta de seca" por vários meses, a partir do final de Inverno.

Visto pelo ângulo dos riscos naturais (que no geral são três vezes mais frequentes em 2020 do que na década de 1975), "água demais" também representa um perigo consequente. As inundações representam quase metade do risco com, só para o ano de 2021, mais de 50 grandes eventos e mais de 80 bilhões de dólares em prejuízos. Essas descobertas estão piorando e continuarão a piorar com as mudanças climáticas.

O ciclo da água ainda é pouco conhecido e os fluxos pouco quantificados, incluindo fluxos superficiais (escoamentos) que fluem em direção aos mares através de redes hidrográficas (rios). Rios e rios atuam como as veias de nossos territórios.

As atividades humanas dependem muito da quantidade de água disponível e também modificam o recurso. Normalmente, a política de gestão de uma barragem para desenvolver a agricultura em uma região pode causar escassez em uma região mais a jusante. Podem então surgir tensões entre regiões ou utilizadores (agricultura, indústria, populações). Exemplos incluem os vários conflitos entre Israel e os estados árabes que são exacerbados pela escassez de água (por exemplo, as disputas em torno do Litani no Líbano ou o pequeno rio Yarmouk nas Colinas de Golã), as tensões entre os países ribeirinhos do Nilo ou as tensões entre o México e os Estados Unidos ao redor do Rio Grande e do Colorado.

Estimar a vazão dos rios do nosso planeta é um grande desafio tanto do ponto de vista científico quanto do ponto de vista socioeconômico. Ao contrário do que poderíamos pensar à primeira vista, os fluxos estão longe de serem bem estimados em escala planetária e a tarefa não é absolutamente óbvia.

Medidas e modelos matemáticos

A variável chave para quantificar os fluxos de águas superficiais é o fluxo do rio Q (m3/s), Q=AU, A (m2) sendo a seção do outro lado do rio, U (m/s) a velocidade média nesta seção.

Diagrama do cálculo da vazão dos rios.
Jerônimo Monnier, Fornecido pelo autor

As medições de vazão estão disponíveis diariamente ou mesmo de hora em hora em regiões industrializadas ou densamente povoadas do mundo, por exemplo, na França, através do Rede Vigicrues. Por outro lado, nas regiões menos desenvolvidas, os dados são inexistentes; os fluxos são, portanto, muito mal estimados.

A estimativa da vazão de um rio é possível por meio de modelos matemáticos e cálculos numéricos. Por outro lado, para isso, deve conhecer a profundidade do rio (h na figura), a forma e natureza do seu leito e a topografia do terreno circundante. Sem medição de campo, a profundidade de um rio permanece desconhecida (qual é a profundidade do fundo?). Além disso, parametrizações físicas como o coeficiente de atrito do escoamento no solo são necessárias para poder utilizar esses modelos numéricos.

Um desafio consiste então em saber estimar matematicamente, numericamente a profundidade do rio h, suas parametrizações físicas e finalmente sua vazão Q, a partir das medidas disponíveis que geralmente são apenas a altura da superfície da água (e não sua profundidade) em algum pontos do rio.

Meça os níveis de água do espaço

Para compensar a falta de medições de campo, que é o caso da grande maioria das regiões do globo, a observação espacial dos rios deve ser uma solução em breve.

O satélite SWOT que será lançado no outono de 2022 permitirá medindo pela primeira vez a altura da superfície da água dos rios, para rios com mais de 100 me mais de 90% do globo, ou seja, 213 seções de cerca de dez quilômetros. A frequência das medições será em torno de dez dias (dependendo da latitude do rio). A densidade espacial dos pontos de medição será de aproximadamente 500 m.

A partir dessas medições das alturas superficiais da água H (m), o desafio científico consiste em transformar essas medições em valores de vazão Q (m3/s), sabendo que em áreas não instrumentadas, a velocidade do fluxo e a profundidade do rio são desconhecidas!..

Pesquisa multidisciplinar realizado em matemática aplicada, ciências da computação, hidráulica e hidrologia, no INSA – Instituto de Matemática de Toulouse, INRAe, na Universidade de Estrasburgo – ICUBE e no grupo CS (financiamento do CNES) visam enfrentar este desafio científico: determinar a profundidade dos rios e seu fluxo a partir de medições de satélite de níveis de água. Este desafio está em vias de ser assumido com base em modelos matemáticos da mecânica dos fluidos (por exemplo, as equações de Saint-Venant XIXe século) revisitados neste contexto particular multiescala e observacional, métodos matemáticos do tipo de controle ótimo semelhantes aos usados ​​para controlar a trajetória de um robô ou determinar o estado inicial da atmosfera antes de uma previsão do tempo, e deep learning (“artificial inteligência").

Esses avanços científicos são então implementados para obter algoritmos computacionais. Nosso algoritmo intitulado HiVDI para Inferência de Descarga Variacional Hierárquica está disponível em nosso software de cálculo, que é certamente técnico, mas aberto a todos (software de pesquisa DassFlow).

As estimativas atualmente obtidas são baseadas em medições puramente numéricas de um simulador CNES-NASA do futuro instrumento SWOT e também três algoritmos comparativos (incluindo dois Estados Unidos) com diferentes metodologias.

Os resultados dos cálculos permitem esperar obter uma estimativa aproximada da profundidade dos rios não instrumentados e, sobretudo, uma estimativa relativamente precisa do caudal (até cerca de 30%), em tempo quase real. Tais estimativas deve estar disponível após um ano inteiro de sobrevoo do satélite, tempo para calibração e aprendizado do modelo.

Essas estimativas de vazão global dos rios ajudarão a melhorar nosso conhecimento do ciclo da água? sobre a interação entre grandes rios não instrumentados e correntes oceânicas locais? Seremos capazes de estimar melhor o impacto dos diferentes usos de certos grandes rios (mal ou nada instrumentados até o momento) e, portanto, melhor gerenciá-los no futuro?

Este artigo faz parte da série "As grandes histórias da ciência em acesso aberto", publicada com o apoio do Ministério do Ensino Superior, Pesquisa e Inovação. Para mais informações, visite a página Openthescience.fr.

Jerônimo Monnier, Professor Universitário, Matemática Aplicada, INSA Toulouse

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob licença Creative Commons. Leia oartigo original.

Crédito de imagem: Shutterstock.com / Gareth Kirkland

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