Watercyclus: schat voor het eerst de stroom van rivieren op planetaire schaal

Zoet water is van vitaal belang voor het leven, voor onze samenlevingen en kan niet worden vervangen. Economische ontwikkelingen, landbouw, industrieën en een groeiende demografie zorgen voor spanningen rond deze beperkte hulpbron, te meer vanwege de klimaatverandering.

landbouw vertegenwoordigt 70% van het zoetwaterverbruik wereldwijd (90% in sommige landen), industrie 19% en huishoudelijk gebruik slechts 12% (waarvan een groot deel te wijten is aan huishoudelijk gebruik zoals wasmachine, vaatwasser, besproeiing, badkamer en een heel klein deel is gerelateerd aan de drank) . Vandaag de dag, 1 op 2 inwoners van onze planeet leeft minstens een maand per jaar in gebieden die getroffen zijn door ernstige waterschaarste. Ook Frankrijk ervaart op eigen schaal spanningen rond het gebruik van water. Na de droge en hete winter en vervolgens de lente van 2022, moest de prefectuur van de Alpes-Maritimes bijvoorbeeld twee derde van zijn gemeenten (waaronder enkele grote steden) gedurende enkele maanden op "droogtewaarschuwing" plaatsen en dit vanaf het einde van Winter.

Gezien vanuit het oogpunt van natuurlijke risico's (die in 2020 in totaal drie keer vaker voorkomen dan in de jaren 1975), betekent "te veel water" ook een daaruit voortvloeiend gevaar. Overstromingen vertegenwoordigen bijna de de helft van het risico met alleen al voor het jaar 2021 meer dan 50 grote evenementen en meer dan 80 miljard dollar aan schade. Deze bevindingen verslechteren en zullen blijven verslechteren met klimaatverandering.

De waterkringloop is nog steeds slecht begrepen en de stromen slecht gekwantificeerd, inclusief oppervlaktestromen (afvoeren) die via hydrografische netwerken (rivieren) naar de zee stromen. Rivieren en rivieren fungeren als de aderen van onze territoria.

Menselijke activiteiten zijn sterk afhankelijk van de beschikbare hoeveelheid water en veranderen ook de hulpbron. Doorgaans kan het beleid om een ​​dam te beheren om de landbouw in een regio te ontwikkelen, leiden tot een tekort in een regio verder stroomafwaarts. Er kunnen dan spanningen ontstaan ​​tussen regio's of gebruikers (landbouw, industrie, bevolking). Voorbeelden zijn de verschillende conflicten tussen Israël en de Arabische staten die worden verergerd door waterschaarste (bijvoorbeeld de geschillen rond de Litani in Libanon of de kleine Yarmouk-rivier op de Golanhoogte), spanningen tussen de landen aan de Nijl of de spanningen tussen Mexico en de Verenigde Staten rond de Rio Grande en de Colorado.

Het inschatten van de stroming van de rivieren van onze planeet is een grote uitdaging, zowel vanuit wetenschappelijk oogpunt als vanuit sociaal-economisch oogpunt. In tegenstelling tot wat we op het eerste gezicht zouden denken, zijn stromen verre van goed ingeschat op planetaire schaal en ligt de taak absoluut niet voor de hand.

Wiskundige metingen en modellen

De belangrijkste variabele om oppervlaktewaterfluxen te kwantificeren is de rivierstroom Q (m³/s), Q=AU, A (m²) zijnde het gedeelte over de rivier, U (m/s) de gemiddelde snelheid in dit gedeelte.

Stroommetingen zijn dagelijks of zelfs per uur beschikbaar in geïndustrialiseerde of dichtbevolkte regio's van de wereld, bijvoorbeeld in Frankrijk via de Vigicues-netwerk. Omgekeerd zijn de gegevens in de minder ontwikkelde regio's onbestaande; de stromen worden dan ook zeer slecht ingeschat.

De schatting van het debiet van een rivier is mogelijk via wiskundige modellen en numerieke berekeningen. Om dit te doen, is het daarentegen noodzakelijk om de diepte van de rivier (h in de figuur), de vorm en aard van de bedding en de topografie van het omliggende terrein te kennen. Zonder veldmeting blijft de diepte van een rivier onbekend (hoe diep is de bodem?). Daarnaast zijn fysieke parametriseringen zoals de wrijvingscoëfficiënt van de stroming op de grond nodig om deze numerieke modellen te kunnen gebruiken.

Een uitdaging bestaat er dan in om te weten hoe wiskundig, numeriek de diepte van de rivier h, zijn fysieke parametriseringen en tenslotte zijn stroom Q, wiskundig kan worden geschat op basis van de beschikbare metingen die over het algemeen alleen de hoogte van het wateroppervlak zijn (en niet de diepte) op sommige punten van de rivier.

Meet waterstanden vanuit de ruimte

Om ons gebrek aan veldmetingen te compenseren, wat het geval is in de overgrote meerderheid van de regio's van de wereld, zou de ruimtelijke observatie van rivieren binnenkort een oplossing moeten zijn.

De SWOT-satelliet die in het najaar van 2022 wordt gelanceerd, maakt het mogelijk om voor het eerst meten de hoogte van het wateroppervlak van rivieren, voor rivieren die breder zijn dan 100 m en meer dan 90% van de wereld, d.w.z. 213 secties van ongeveer tien kilometer. De frequentie van de metingen zal ongeveer tien dagen zijn (afhankelijk van de breedtegraad van de rivier). De ruimtelijke dichtheid van de meetpunten zal circa 500 m bedragen.

Van deze metingen van wateroppervlaktehoogten H (m) bestaat de wetenschappelijke uitdaging erin deze metingen om te zetten in waarden van stroming Q (m³/s), wetende dat in niet-geïnstrumenteerde gebieden de stroomsnelheid en de diepte van de rivier onbekend zijn!..

Multidisciplinair onderzoek uitgevoerd in toegepaste wiskunde, computationele wetenschappen, hydrauliek en hydrologie, aan INSA - Instituut voor Wiskunde van Toulouse, INRAe, de Universiteit van Straatsburg - ICUBE en de CS-groep (CNES-financiering) hebben tot doel deze wetenschappelijke uitdaging aan te gaan: het bepalen van de diepte van rivieren en hun stroom van satellietmetingen van waterstanden. Deze uitdaging wordt momenteel opgepakt op basis van wiskundige modellen van vloeistofmechanica (bijvoorbeeld de vergelijkingen van Saint-Venant XIX^e eeuw) opnieuw bekeken in deze specifieke multischaal- en observatiecontext, wiskundige methoden van het optimale besturingstype vergelijkbaar met die gebruikt om het traject van een robot te besturen of de initiële toestand van de atmosfeer te bepalen vóór een weersvoorspelling, en diepgaand leren ("kunstmatige intelligentie").

Deze wetenschappelijke vooruitgang worden vervolgens geïmplementeerd om computationele algoritmen te verkrijgen. Ons algoritme met de titel HiVDI voor hiërarchische variabele ontladingsinferentie is beschikbaar in onze berekeningssoftware, die zeker technisch is, maar voor iedereen toegankelijk (zoeksoftware DassFlow).

De momenteel verkregen schattingen zijn gebaseerd op puur numerieke metingen van een CNES-NASA-simulator van het toekomstige SWOT-instrument en ook op drie vergelijkende algoritmen (waaronder twee Verenigde Staten) met verschillende methodologieën.

De resultaten van de berekeningen maken het mogelijk om te hopen op een geschatte schatting van de diepte van niet-geïnstrumenteerde rivieren en vooral een relatief nauwkeurige schatting van de stroming (binnen ongeveer 30%), in bijna realtime. dergelijke schattingen zou beschikbaar moeten zijn na een volledig jaar satellietvlucht, de tijd voor modelkalibratie en leren.

Zullen deze wereldwijde schattingen van rivierstromen onze kennis van de watercyclus helpen verbeteren? over de interactie tussen grote niet-geïnstrumenteerde rivieren en lokale zeestromingen? Zullen we de impact van de verschillende gebruikswijzen van bepaalde grote rivieren (tot nu toe slecht of helemaal niet geïnstrumenteerd) beter kunnen inschatten en dus beter kunnen beheren in de toekomst?

Dit artikel maakt deel uit van de serie "The great stories of science in open access", gepubliceerd met steun van het ministerie van Hoger Onderwijs, Onderzoek en Innovatie. Ga voor meer informatie naar de pagina Openthescience.fr.

Jerome Monnier, Universiteitshoogleraar, Toegepaste Wiskunde, INSA Toulouse

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder Creative Commons-licentie. Lees deorigineel artikel.

Afbeelding tegoed: Shutterstock.com / Gareth Kirkland