Ciclo dell'acqua: Stimare per la prima volta la portata dei fiumi su scala planetaria

L'acqua dolce è vitale per la vita, per le nostre società e non può essere sostituita. Gli sviluppi economici, l'agricoltura, le industrie e la crescente demografia stanno creando tensioni attorno a questa risorsa limitata, tanto più a causa del cambiamento climatico.

L'agricoltura rappresenta 70% del consumo di acqua dolce nel mondo (90% in alcuni paesi), industria il 19% e uso domestico solo il 12% (di cui una quota importante è dovuta agli usi domestici come lavatrice, lavastoviglie, irrigazione, bagno e una piccolissima parte è legata alla bevanda) . Al giorno d'oggi, 1 abitante su 2 del nostro pianeta vive in aree colpite da grave scarsità d'acqua per almeno un mese all'anno. Anche la Francia sta vivendo tensioni sull'uso dell'acqua su scala propria. Dopo l'inverno secco e caldo e poi la primavera del 2022, la prefettura delle Alpi Marittime, ad esempio, ha dovuto mettere in "allerta siccità" due terzi dei suoi comuni (comprese diverse grandi città) per diversi mesi, dalla fine del Inverno.

Dal punto di vista dei rischi naturali (che nel complesso sono tre volte più frequenti nel 2020 rispetto agli anni '1975), la "troppa acqua" rappresenta anche un conseguente pericolo. Le inondazioni rappresentano quasi il metà del rischio con, solo per il 2021, più di 50 grandi eventi e oltre 80 miliardi di dollari di danni. Questi risultati stanno peggiorando e continueranno a peggiorare con il cambiamento climatico.

Il ciclo dell'acqua è ancora poco conosciuto ei flussi scarsamente quantificati, compresi i flussi di superficie (deflussi) che scorrono verso i mari attraverso reti idrografiche (fiumi). Fiumi e fiumi fungono da vene dei nostri territori.

Le attività umane dipendono molto dalla quantità di acqua disponibile e modificano anche la risorsa. Tipicamente, la politica di gestione di una diga per sviluppare l'agricoltura in una regione può causare una carenza in una regione più a valle. Possono quindi nascere tensioni tra regioni o utenti (agricoltura, industria, popolazioni). Ne sono un esempio i vari conflitti tra Israele e gli Stati arabi esacerbati dalla scarsità d'acqua (es. le controversie intorno al Litani in Libano o il piccolo fiume Yarmouk nelle alture del Golan), le tensioni tra i paesi che si affacciano sul Nilo o le tensioni tra il Messico e gli Stati Uniti intorno al Rio Grande e al Colorado.

La stima della portata dei fiumi del nostro pianeta è una sfida importante sia da un punto di vista scientifico che da un punto di vista socio-economico. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare a prima vista, i flussi sono ben lontani dall'essere ben stimati su scala planetaria e il compito non è assolutamente scontato.

Misure e modelli matematici

La variabile chiave per quantificare i flussi idrici superficiali è la portata del fiume Q (m³/s), Q=AU, LA (m²) essendo la sezione attraverso il fiume, U (m/s) la velocità media in questa sezione.

Le misurazioni del flusso sono disponibili su base giornaliera o addirittura oraria nelle regioni del mondo industrializzate o densamente popolate, ad esempio in Francia tramite il Rete di vigili. Nelle regioni meno sviluppate, invece, i dati sono inesistenti; i flussi sono quindi stimati molto male.

La stima della portata di un fiume è possibile tramite modelli matematici e calcoli numerici. Per fare ciò, invece, è necessario conoscere la profondità del fiume (h nella figura), la forma e la natura del suo letto e la topografia del terreno circostante. Senza la misurazione sul campo, la profondità di un fiume rimane sconosciuta (quanto è profondo il fondo?). Inoltre, per poter utilizzare questi modelli numerici sono necessarie parametrizzazioni fisiche come il coefficiente di attrito del flusso al suolo.

Una sfida consiste allora nel saper stimare matematicamente, numericamente la profondità del fiume h, le sue parametrizzazioni fisiche ed infine la sua portata Q, dalle misure disponibili che sono generalmente solo l'altezza della superficie dell'acqua (e non la sua profondità) ad alcuni punti del fiume.

Misura i livelli dell'acqua dallo spazio

Per compensare la nostra mancanza di misurazioni sul campo, come avviene nella stragrande maggioranza delle regioni del globo, l'osservazione spaziale dei fiumi dovrebbe presto essere una soluzione.

Il satellite SWOT che sarà lanciato nell'autunno del 2022 lo consentirà misurare per la prima volta l'altezza della superficie dell'acqua dei fiumi, per fiumi di larghezza superiore a 100 m e superiore al 90% del globo, ovvero 213 sezioni di circa dieci chilometri. La frequenza delle misurazioni sarà di una decina di giorni (a seconda della latitudine del fiume). La densità spaziale dei punti di misura sarà di circa 500 m.

Da queste misurazioni delle altezze superficiali dell'acqua H (m), la sfida scientifica consiste nel trasformare queste misurazioni in valori di portata Q (m³/s), sapendo che nelle zone non strumentate, la velocità del flusso e la profondità del fiume sono sconosciute!..

Ricerca multidisciplinare svolto in matematica applicata, scienze computazionali, idraulica e idrologia, presso INSA – Institute of Mathematics of Toulouse, INRAe, University of Strasbourg – ICUBE e il gruppo CS (finanziamento CNES) mirano a raccogliere questa sfida scientifica: determinare la profondità dei fiumi e il loro flusso dalle misurazioni satellitari dei livelli dell'acqua. Questa sfida è in via di assunzione sulla base di modelli matematici della meccanica dei fluidi (ad esempio, le equazioni di Saint-Venant XIX^e secolo) rivisitati in questo particolare contesto multiscala e osservativo, metodi matematici del tipo di controllo ottimale simili a quelli utilizzati per controllare la traiettoria di un robot o determinare lo stato iniziale dell'atmosfera prima di una previsione meteorologica, e il deep learning ("artificial intelligenza").

Questi progressi scientifici vengono quindi implementati per ottenere algoritmi di calcolo. Il nostro algoritmo intitolato HiVDI for Hierarchical Variational Discharge Inference è disponibile all'interno del nostro software di calcolo, sicuramente tecnico, ma aperto a tutti (software di ricerca Dass Flow).

Le stime attualmente ottenute si basano su misurazioni puramente numeriche da un simulatore CNES-NASA del futuro strumento SWOT e anche su tre algoritmi comparativi (tra cui due Stati Uniti) con diverse metodologie.

I risultati dei calcoli fanno sperare di ottenere una stima approssimativa della profondità dei fiumi non strumentati e soprattutto una stima relativamente precisa della portata (entro circa il 30%), in tempo quasi reale. Tali stime dovrebbe essere disponibile dopo un anno intero di sorvolo del satellite, tempo per la calibrazione e l'apprendimento del modello.

Queste stime globali del flusso del fiume contribuiranno a migliorare la nostra conoscenza del ciclo dell'acqua? sull'interazione tra grandi fiumi non strumentati e correnti oceaniche locali? Saremo in grado di stimare meglio l'impatto dei diversi usi di alcuni grandi fiumi (ad oggi scarsamente o per niente strumentati) e quindi gestirli meglio in futuro?

Questo articolo fa parte della collana "Le grandi storie della scienza in open access", pubblicata con il sostegno del Ministero dell'Istruzione Superiore, della Ricerca e dell'Innovazione. Per maggiori informazioni visita la pagina Openthescience.fr.

Girolamo Monnier, Professore Universitario, Matematica Applicata, INSA Tolosa

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto licenza Creative Commons. Leggi ilarticolo originale.

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