Ciclo del agua: estima por primera vez el caudal de los ríos a escala planetaria

El agua dulce es vital para la vida, para nuestras sociedades y no puede ser sustituida. Los desarrollos económicos, la agricultura, las industrias y la creciente demografía están creando tensiones en torno a este recurso limitado, más aún debido al cambio climático.

La agricultura representa 70% del consumo de agua dulce a nivel mundial (90% en algunos países), industria 19% y uso doméstico solo 12% (de los cuales una gran parte se debe a usos domésticos como lavadora, lavavajillas, riego, baño y una parte muy pequeña está relacionada con la bebida) . En ese día, 1 de cada 2 habitantes de nuestro planeta vive en zonas afectadas por una grave escasez de agua durante al menos un mes al año. Francia también está experimentando tensiones en torno al uso del agua a su propia escala. Tras el invierno seco y caluroso y luego la primavera de 2022, la prefectura de los Alpes Marítimos, por ejemplo, tuvo que poner dos tercios de sus municipios (incluidas varias ciudades grandes) en "alerta de sequía" durante varios meses, desde finales de Invierno.

Visto desde el ángulo de los riesgos naturales (que en general son tres veces más frecuentes en 2020 que en la década de 1975), "demasiada agua" también representa un peligro consiguiente. Las inundaciones representan casi la la mitad del riesgo con, solo para el año 2021, más de 50 eventos importantes y más de 80 mil millones de dólares en daños. Estos hallazgos están empeorando y seguirán empeorando con el cambio climático.

El ciclo del agua aún no se conoce bien y los flujos están mal cuantificados, incluidos los flujos superficiales (escorrentías) que fluyen hacia los mares a través de redes hidrográficas (ríos). Ríos y ríos actúan como las venas de nuestros territorios.

Las actividades humanas dependen en gran medida de la cantidad de agua disponible y también modifican el recurso. Por lo general, la política de administrar una represa para desarrollar la agricultura en una región puede causar una escasez en una región más abajo. Entonces pueden surgir tensiones entre regiones o usuarios (agricultura, industria, poblaciones). Los ejemplos incluyen los diversos conflictos entre Israel y los estados árabes que se ven exacerbados por la escasez de agua (por ejemplo, las disputas en torno al Litani en el Líbano o el pequeño río Yarmouk en los Altos del Golán), las tensiones entre los países que bordean el Nilo o las tensiones entre México y los Estados Unidos alrededor del Río Grande y el Colorado.

Estimar el caudal de los ríos de nuestro planeta es un gran desafío tanto desde el punto de vista científico como desde el punto de vista socioeconómico. Contrariamente a lo que podríamos pensar a primera vista, los flujos están lejos de ser bien estimados a escala planetaria y la tarea no es del todo obvia.

Medidas y modelos matemáticos

La variable clave para cuantificar los flujos de agua superficial es el caudal del río Q (m³/s), Q=AU, A (m²) siendo el tramo a través del río, U (m/s) la velocidad media en este tramo.

Las mediciones de caudal están disponibles diariamente o incluso cada hora en regiones industrializadas o densamente pobladas del mundo, por ejemplo en Francia a través de la Red Vigicrues. En cambio, en las regiones menos desarrolladas los datos son inexistentes; por lo tanto, los flujos están muy mal estimados.

La estimación del caudal de un río es posible mediante modelos matemáticos y cálculos numéricos. Por otro lado, para hacer esto, debes conocer la profundidad del río (h en la figura), la forma y naturaleza de su lecho y la topografía del terreno circundante. Sin medición de campo, la profundidad de un río sigue siendo desconocida (¿qué tan profundo es el fondo?). Además, se requieren parametrizaciones físicas como el coeficiente de fricción del flujo sobre el suelo para poder utilizar estos modelos numéricos.

Un reto consiste entonces en saber estimar matemáticamente, numéricamente la profundidad del río h, sus parametrizaciones físicas y finalmente su caudal Q, a partir de las medidas disponibles que generalmente son solo la altura de la superficie del agua (y no su profundidad) en algunos puntos del río.

Medir los niveles de agua desde el espacio

Para compensar nuestra falta de mediciones de campo, que es el caso en la gran mayoría de las regiones del globo, la observación espacial de los ríos pronto debería ser una solución.

El Satélite DAFO que se lanzará en el otoño de 2022 permitirá midiendo por primera vez la altura de la lámina de agua de los ríos, para ríos de más de 100 my más del 90% del globo, es decir, 213 tramos de unos diez kilómetros. La frecuencia de las mediciones será de unos diez días (dependiendo de la latitud del río). La densidad espacial de los puntos de medida será de aproximadamente 500 m.

A partir de estas medidas de alturas superficiales de agua H (m), el reto científico consiste en transformar estas medidas en valores de caudal Q (m³/s), sabiendo que en áreas no instrumentadas, la velocidad del flujo y la profundidad del río son desconocidas!..

Investigación multidisciplinar llevado a cabo en matemáticas aplicadas, ciencias computacionales, hidráulica e hidrología, en INSA – Instituto de Matemáticas de Toulouse, INRAe, la Universidad de Estrasburgo – ICUBE y el grupo CS (financiación CNES) tienen como objetivo enfrentar este desafío científico: determinar la profundidad de los ríos y su flujo a partir de mediciones satelitales de los niveles del agua. Este desafío está en proceso de ser asumido sobre la base de modelos matemáticos de la mecánica de fluidos (por ejemplo, las ecuaciones de Saint-Venant XIX^e siglo) revisitado en este particular contexto multiescala y observacional, métodos matemáticos del tipo de control óptimo similares a los utilizados para controlar la trayectoria de un robot o determinar el estado inicial de la atmósfera antes de un pronóstico del tiempo, y el aprendizaje profundo (“artificial inteligencia").

Estos avances científicos luego se implementan para obtener algoritmos computacionales. Nuestro algoritmo HiVDI for Hierarchical Variational Discharge Inference está disponible dentro de nuestro software de cálculo, ciertamente técnico, pero abierto a todos (software de búsqueda DassFlow).

Las estimaciones obtenidas actualmente se basan en mediciones puramente numéricas de un simulador CNES-NASA del futuro instrumento FODA y también de tres algoritmos comparativos (incluidos dos de Estados Unidos) con metodologías diferentes.

Los resultados de los cálculos permiten esperar obtener una estimación aproximada de la profundidad de los ríos no instrumentados y, sobre todo, una estimación relativamente precisa del caudal (con una aproximación del 30 %) casi en tiempo real. Tales estimaciones debería estar disponible después de un año completo de sobrevuelo del satélite, tiempo para la calibración y el aprendizaje del modelo.

¿Ayudarán estas estimaciones mundiales del caudal de los ríos a mejorar nuestro conocimiento del ciclo del agua? sobre la interacción entre los grandes ríos no instrumentados y las corrientes oceánicas locales? ¿Seremos capaces de estimar mejor el impacto de los diferentes usos de ciertos grandes ríos (poco o nada instrumentados hasta la fecha) y, por tanto, gestionarlos mejor en el futuro?

Este artículo forma parte de la serie "Las grandes historias de la ciencia en acceso abierto", publicada con el apoyo del Ministerio de Educación Superior, Investigación e Innovación. Para obtener más información, visite la página Openthescience.fr.

Jerónimo Monnier, Profesor Universitario, Matemáticas Aplicadas, INSA Toulouse

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