Wasserkreislauf: Schätzen Sie erstmals den Durchfluss von Flüssen auf planetarischer Ebene ab

Süßwasser ist lebenswichtig für unsere Gesellschaften und kann nicht ersetzt werden. Wirtschaftliche Entwicklungen, Landwirtschaft, Industrie und die wachsende Demografie sorgen für Spannungen um diese begrenzte Ressource, umso mehr aufgrund des Klimawandels.

Landwirtschaft repräsentiert 70 % des Frischwasserverbrauchs weltweit (90 % in einigen Ländern), Industrie 19 % und Haushaltsgebrauch nur 12 % (wovon ein großer Anteil auf Haushaltszwecke wie Waschmaschine, Spülmaschine, Bewässerung, Badezimmer und ein sehr kleiner Teil auf das Getränk entfällt) . Heutzutage, 1 von 2 Einwohnern unserer Erde lebt mindestens einen Monat im Jahr in Gebieten, die von starker Wasserknappheit betroffen sind. Frankreich erlebt auch Spannungen in Bezug auf die Nutzung von Wasser im eigenen Maßstab. Nach dem trockenen und heißen Winter und dann dem Frühling 2022 musste beispielsweise die Präfektur der Alpes-Maritimes zwei Drittel ihrer Gemeinden (darunter mehrere Großstädte) ab Ende XNUMX für mehrere Monate in „Dürrealarm“ versetzen Winter.

Aus Sicht der Naturgefahren (die 2020 insgesamt dreimal häufiger auftreten als in den 1975er Jahren) stellt „zu viel Wasser“ auch eine daraus resultierende Gefahr. Überschwemmungen stellen fast die halbes Risiko mit allein im Jahr 2021 mehr als 50 Großereignissen und mehr als 80 Milliarden Dollar Schaden. Diese Befunde verschlechtern sich und werden sich mit dem Klimawandel weiter verschlechtern.

Der Wasserkreislauf ist immer noch kaum verstanden und die Abflüsse schlecht quantifiziert, einschließlich der Oberflächenabflüsse (Abflüsse), die über hydrografische Netze (Flüsse) in Richtung Meer fließen. Flüsse und Flüsse fungieren als Adern unserer Territorien.

Menschliche Aktivitäten hängen stark von der verfügbaren Wassermenge ab und verändern auch die Ressource. Typischerweise kann die Politik der Bewirtschaftung eines Staudamms zur Entwicklung der Landwirtschaft in einer Region zu einem Mangel in einer weiter stromabwärts gelegenen Region führen. Spannungen zwischen Regionen oder Nutzern (Landwirtschaft, Industrie, Bevölkerung) können dann entstehen. Beispiele hierfür sind die verschiedenen Konflikte zwischen Israel und den arabischen Staaten, die durch Wasserknappheit verschärft werden (z. B. die Auseinandersetzungen um den Litani im Libanon oder den kleinen Yarmouk-Fluss in den Golanhöhen), Spannungen zwischen den Anrainerstaaten des Nils oder die Spannungen zwischen Mexiko und Mexiko die Vereinigten Staaten rund um den Rio Grande und den Colorado.

Die Abschätzung der Abflüsse der Flüsse unseres Planeten ist sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus sozioökonomischer Sicht eine große Herausforderung. Im Gegensatz zu dem, was wir auf den ersten Blick vermuten, sind Flüsse auf planetarischer Ebene weit davon entfernt, gut geschätzt zu werden, und die Aufgabe ist absolut nicht offensichtlich.

Mathematische Messungen und Modelle

Die Schlüsselvariable zur Quantifizierung von Oberflächenwasserflüssen ist die Flussströmung Q (m³/s), Q=AU, A (m²) ist der Abschnitt über den Fluss, U (m/s) die Durchschnittsgeschwindigkeit in diesem Abschnitt.

Durchflussmessungen sind täglich oder sogar stündlich in industrialisierten oder dicht besiedelten Regionen der Welt verfügbar, beispielsweise in Frankreich über die Vigicrues-Netzwerk. Umgekehrt sind in den weniger entwickelten Regionen die Daten nicht vorhanden; die Flüsse sind daher sehr schlecht geschätzt.

Die Abschätzung des Abflusses eines Flusses ist über mathematische Modelle und numerische Berechnungen möglich. Andererseits müssen Sie dazu die Tiefe des Flusses (h in der Abbildung), die Form und Beschaffenheit seines Bettes und die Topographie des umgebenden Geländes kennen. Ohne Feldmessung bleibt die Tiefe eines Flusses unbekannt (wie tief ist der Grund?). Zusätzlich sind physikalische Parametrisierungen wie der Reibungskoeffizient der Strömung am Boden erforderlich, um diese numerischen Modelle nutzen zu können.

Eine Herausforderung besteht dann darin, zu wissen, wie man die Tiefe des Flusses h, seine physikalischen Parametrisierungen und schließlich seinen Durchfluss Q aus den verfügbaren Messungen, die im Allgemeinen nur die Höhe der Wasseroberfläche (und nicht ihre Tiefe) sind, mathematisch, numerisch abschätzen kann Punkte des Flusses.

Messen Sie den Wasserstand aus dem Weltraum

Um den Mangel an Feldmessungen auszugleichen, der in den allermeisten Regionen der Erde der Fall ist, soll die räumliche Beobachtung von Flüssen bald eine Lösung sein.

Der SWOT-Satellit das im Herbst 2022 auf den Markt kommt, wird dies ermöglichen zum ersten Mal messen die Höhe der Wasseroberfläche von Flüssen, bei Flüssen mit einer Breite von mehr als 100 m und über 90 % der Erdoberfläche, also 213 Abschnitte von rund zehn Kilometern. Die Messhäufigkeit beträgt etwa zehn Tage (abhängig vom Breitengrad des Flusses). Die räumliche Dichte der Messpunkte beträgt ca. 500 m.

Aus diesen Messungen der Wasserspiegelhöhen H (m) besteht die wissenschaftliche Herausforderung darin, diese Messungen in Durchflusswerte Q (m³/s), wohl wissend, dass in nicht instrumentierten Gebieten die Strömungsgeschwindigkeit und die Tiefe des Flusses unbekannt sind!..

Multidisziplinäre Forschung durchgeführt in angewandter Mathematik, Computerwissenschaften, Hydraulik und Hydrologie, am INSA – Institute of Mathematics of Toulouse, INRAe, der Universität Straßburg – ICUBE und der CS-Gruppe (CNES-Finanzierung) zielen darauf ab, diese wissenschaftliche Herausforderung zu meistern: die Bestimmung der Tiefe von Flüssen und deren Abfluss aus Satellitenmessungen der Wasserstände. Diese Herausforderung wird derzeit auf der Grundlage mathematischer Modelle der Strömungsmechanik (z. B. der Gleichungen von Saint-Venant XIX^e Jahrhundert), die in diesem speziellen Multiskalen- und Beobachtungskontext erneut aufgegriffen werden, mathematische Methoden der optimalen Steuerung, ähnlich denen, die verwendet werden, um die Flugbahn eines Roboters zu steuern oder den Anfangszustand der Atmosphäre vor einer Wettervorhersage zu bestimmen, und Deep Learning („künstliche Intelligenz").

Diese wissenschaftlichen Fortschritte werden dann implementiert, um Berechnungsalgorithmen zu erhalten. Unser Algorithmus mit dem Titel HiVDI for Hierarchical Variational Discharge Inference ist in unserer Berechnungssoftware verfügbar, die sicherlich technisch, aber offen für alle ist (Suchsoftware DassFlow).

Die derzeit erhaltenen Schätzungen basieren auf rein numerischen Messungen eines CNES-NASA-Simulators des zukünftigen SWOT-Instruments sowie drei Vergleichsalgorithmen (darunter zwei US-amerikanische) mit unterschiedlichen Methoden.

Die Ergebnisse der Berechnungen lassen auf eine ungefähre Abschätzung der Wassertiefe von nicht instrumentierten Flüssen und vor allem auf eine relativ genaue Abschätzung der Strömung (auf ca. 30 %) nahezu in Echtzeit hoffen. Solche Schätzungen Nach einem vollen Jahr Satellitenüberflug sollte die Zeit für die Modellkalibrierung und das Lernen zur Verfügung stehen.

Werden diese globalen Flussschätzungen dazu beitragen, unser Wissen über den Wasserkreislauf zu verbessern? zur Wechselwirkung zwischen großen nicht instrumentierten Flüssen und lokalen Meeresströmungen? Können wir die Auswirkungen der unterschiedlichen Nutzungen bestimmter großer Flüsse (bisher schlecht oder gar nicht instrumentiert) besser abschätzen und damit in Zukunft besser bewirtschaften?

Dieser Artikel ist Teil der Reihe "The Great Stories of Science in Open Access", die mit Unterstützung des Ministeriums für Hochschulbildung, Forschung und Innovation veröffentlicht wurde. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte die Seite Openthescience.fr.

Hieronymus Monnier, Universitätsprofessor, Angewandte Mathematik, INSA Toulouse

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