Koloběh vody: Poprvé odhadněte průtok řek v planetárním měřítku

Sladká voda je životně důležitá pro život, pro naši společnost a nelze ji nahradit. Hospodářský vývoj, zemědělství, průmysl a rostoucí demografie vytvářejí kolem tohoto omezeného zdroje napětí, a to tím spíše kvůli změně klimatu.

Zemědělství představuje 70 % spotřeby čerstvé vody celosvětově (90 % v některých zemích), průmysl 19 % a domácí použití pouze 12 % (z toho velký podíl připadá na použití v domácnostech, jako je pračka, myčka, zavlažování, koupelna a velmi malá část souvisí s nápojem) . Dnes, 1 ze 2 obyvatel naší planety žije v oblastech postižených vážným nedostatkem vody alespoň jeden měsíc v roce. Francie také zažívá napětí kolem využívání vody ve vlastním měřítku. Například po suché a horké zimě a poté na jaře 2022 musela prefektura Alpes-Maritimes uvést dvě třetiny svých obcí (včetně několika velkých měst) na několik měsíců do pohotovosti před suchem, od konce roku Zima.

Viděno z hlediska přírodních rizik (která jsou v roce 2020 celkově třikrát častější než v 1975. letech XNUMX. století), „příliš mnoho vody“ také představuje následné nebezpečí. Povodně představují téměř poloviční riziko jen za rok 2021, více než 50 velkých událostí a více než 80 miliard dolarů škod. Tato zjištění se zhoršují a se změnou klimatu se budou nadále zhoršovat.

Vodní cyklus je stále špatně pochopen a toky jsou špatně kvantifikovány, včetně povrchových toků (odtoků), které proudí do moří přes hydrografické sítě (řeky). Řeky a řeky fungují jako žíly našich území.

Lidské aktivity do značné míry závisí na množství dostupné vody a také na úpravě zdroje. Politika řízení přehrady za účelem rozvoje zemědělství v regionu může obvykle způsobit nedostatek v regionu dále po proudu. Může pak vzniknout napětí mezi regiony nebo uživateli (zemědělství, průmysl, obyvatelstvo). Mezi příklady patří různé konflikty mezi Izraelem a arabskými státy, které jsou zhoršovány nedostatkem vody (např. spory kolem Litani v Libanonu nebo malé řeky Jarmúk na Golanských výšinách), napětí mezi zeměmi sousedícími s Nilem nebo napětí mezi Mexikem a ve Spojených státech kolem Rio Grande a Colorada.

Odhad průtoku řek naší planety je velkou výzvou jak z vědeckého hlediska, tak z hlediska socioekonomického. Na rozdíl od toho, co bychom si na první pohled mohli myslet, toky nejsou v planetárním měřítku ani zdaleka dobře odhadnuty a úkol není vůbec zřejmý.

Matematická měření a modely

Klíčovou proměnnou pro kvantifikaci toků povrchové vody je průtok řeky Q (m³/s), Q=AU, A (m²) je úsek přes řeku, U (m/s) průměrná rychlost v tomto úseku.

Měření průtoku jsou k dispozici denně nebo dokonce každou hodinu v průmyslových nebo hustě osídlených oblastech světa, například ve Francii prostřednictvím Síť Vigicrues. Naopak v méně rozvinutých regionech data neexistují; průtoky se proto velmi špatně odhadují.

Odhad průtoku řeky je možný pomocí matematických modelů a numerických výpočtů. Na druhou stranu k tomu musíte znát hloubku řeky (h na obrázku), tvar a povahu jejího koryta a topografii okolního terénu. Bez měření v terénu zůstává hloubka řeky neznámá (jak hluboké je dno?). Aby bylo možné tyto numerické modely používat, jsou navíc vyžadovány fyzické parametrizace, jako je koeficient tření proudění na zemi.

Výzva pak spočívá ve znalosti, jak matematicky, numericky odhadnout hloubku řeky h, její fyzikální parametry a nakonec její průtok Q, z dostupných měření, která jsou obecně pouze výškou vodní hladiny (a nikoli její hloubkou) v některých body řeky.

Změřte hladinu vody z vesmíru

Abychom vykompenzovali nedostatek terénních měření, což je případ naprosté většiny regionů zeměkoule, mělo by být brzy řešením prostorové pozorování řek.

Satelit SWOT který bude spuštěn na podzim roku 2022 to umožní měření poprvé výška vodní plochy řek, u řek širších než 100 m a přes 90 % zeměkoule, tedy 213 500 úseků kolem deseti kilometrů. Frekvence měření se bude pohybovat kolem deseti dnů (v závislosti na zeměpisné šířce řeky). Prostorová hustota bodů měření bude přibližně 250 m.

Z těchto měření výšek vodní hladiny H (m) spočívá vědecká výzva v transformaci těchto měření na hodnoty průtoku Q (m³/s), s vědomím, že v oblastech bez přístrojů je rychlost toku a hloubka řeky neznámá!..

Multidisciplinární výzkum prováděné v aplikované matematice, počítačových vědách, hydraulice a hydrologii na INSA – Ústavu matematiky v Toulouse, INRAe, na Univerzitě ve Štrasburku – ICUBE a skupina CS (financování CNES) se snaží splnit tuto vědeckou výzvu: určování hloubky řek a jejich průtok ze satelitních měření vodních hladin. Tato výzva je v procesu přijímání na základě matematických modelů mechaniky tekutin (například rovnice Saint-Venanta XIX.^e století) přehodnoceny v tomto konkrétním víceúrovňovém a pozorovacím kontextu, matematické metody optimálního typu řízení podobné těm, které se používají k řízení trajektorie robota nebo určení počátečního stavu atmosféry před předpovědí počasí, a hluboké učení („umělé inteligence").

Tyto vědecké pokroky jsou pak implementovány pro získání výpočetních algoritmů. Náš algoritmus s názvem HiVDI for Hierarchical Variational Discharge Inference je dostupný v rámci našeho výpočetního softwaru, který je jistě technický, ale otevřený všem (vyhledávací software DassFlow).

Aktuálně získané odhady jsou založeny na čistě numerických měřeních ze simulátoru CNES-NASA budoucího nástroje SWOT a také na třech srovnávacích algoritmech (včetně dvou Spojených států) s různými metodikami.

Výsledky výpočtů umožňují doufat v získání přibližného odhadu hloubky neinstrumentovaných řek a především relativně přesného odhadu průtoku (cca do 30 %) v téměř reálném čase. Takové odhady by měly být dostupné po celém roce přeletu satelitu, času na kalibraci modelu a učení.

Pomohou tyto odhady globálního průtoku řeky zlepšit naše znalosti o koloběhu vody? na interakci mezi velkými neinstrumentovanými řekami a místními oceánskými proudy? Budeme schopni lépe odhadnout dopad různých způsobů využití některých velkých řek (dosud špatně nebo vůbec ne instrumentovaných), a proto je v budoucnu lépe spravovat?

Tento článek je součástí série „Velké příběhy vědy v otevřeném přístupu“, vydané za podpory ministerstva pro vysokoškolské vzdělávání, výzkum a inovace. Další informace naleznete na stránce Openthescience.fr.

Jerome Monnier, univerzitní profesor, aplikovaná matematika, INSA Toulouse

Tento článek je publikován z Konverzace pod licencí Creative Commons. Čístpůvodní článek.

Obrazový kredit: Shutterstock.com / Gareth Kirkland