Pesquisador faz descoberta no ramo da modelagem numérica de água subterrânea que soluciona dúvida de 84 anos

Por Phys.org
Publicado em 1 de julho de 2015

Um professor da Universidade de Wyoming fez uma descoberta que responde a uma pergunta de quase 100 anos de idade sobre o movimento da água, com implicações para a agricultura, hidrologia, ciência do clima e outros campos. Modelagem Numérica de Água Subterrânea.

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Professor da Universidade de Wyoming Fred Ogden antecipa sua descoberta que vai melhorar consistentemente a confiabilidade e funcionalidade para centenas de modelos de água importantes utilizados em todo o país e no mundo. Crédito: Universidade de Wyoming

Depois de décadas de esforço, Fred Ogden, Presidente de Engenharia da Universidade de Yoming (UW) e Engenheiro de Meio Ambiente e Recursos Naturais do Departamento de Engenharia Civil e Arquitetônico, e uma equipe de colaboradores publicaram suas descobertas no jornal Water Resources Research nesta primavera. O documento, intitulado “A new general 1D vadose zone flow solution method”, traduzindo como “Uma nova fórmula geral para solução 1D de fluxo subterrâneo na zona vadosa”, apresenta uma equação para substituir uma fórmula difícil e não confiável que vem frustando modeladores hidrológicos desde 1931.

“Eu sinceramente nunca pensei que estaria envolvido em uma descoberta na minha área”, diz Ogden.

Ele antecipa que essa descoberta vai melhorar muito a confiabilidade e funcionalidade para centenas de modelos de água importantes amplamente utilizados, de irrigantes e planejadores de cidades para cientistas do clima e botânicos de todo o país e do mundo, bem como desencadear uma nova onda de coleta de dados.

Em 1931, Lorenzo Richards desenvolveu uma bela equação, numericamente complexa, para calcular a quantidade de água que infiltra no solo ao longo do tempo assim que a chuva atinge sua superfície e os filtros subterrâneos que direcionam a água ao aquífero. Essa equação, conhecida como Equação de Richards e muitas vezes abreviada para RE, tem sido a única forma rigorosa para calcular o movimento de água na zona de vadosa, ou seja, o solo não saturado logo abaixo da superfície onde a maioria das raízes das plantas crescem.

Calcular o movimento da água na zona vadosa é fundamental para tudo, desde a estimativa de fluxos de retorno e recarregamento de aqüífero até as melhores práticas para gestão, irrigação e prevenção contra inundações. Mas RE é extremamente difícil de resolver, e ocasionalmente insolúvel. Assim, enquanto alguns modelos de computador highpowered pode lidar com isso em pequenas áreas geográficas, modelos mais simples ou aqueles que cobrem grandes regiões usam aproximações que comprometem a precisão.

Durante décadas, hidrólogos e outros cientistas têm buscado uma maneira melhor para estimar água na zona vadosa. O Professor de Meio Ambiente e Ecologia JeanYves Parlange Universidade de Cornell e o australiano físico de solo John Robert Philip travaram uma batalha nas literaturas, propondo e refutando entre si novas equações na década de 1950 até a morte prematura de Philip em um acidente de trânsito em 1999. O diretor de Engenharia Ambiental e Recursos Hídricos de Princeton Michael Celia publicou um solução parcial, em 1990, que não é confiável em todas as circunstâncias.

Ogden trabalhou pela primeira vez sobre o problema, em 1994, como pesquisador de pós-doutorado. Ele se juntou ao engenheiro e hidrólogo iraniano Bahram Saghafian, que estava terminando um doutorado na Universidade do Estado de Colorado, para publicar uma equação que calcula a “sucção” de água na zona vadosa. No início de 2000, Ogden aconselhou um candidato a Ph.D. nomeado Cary Talbot, pesquisador do Corpo de Engenheiros da Marinha dos Estados Unidos, em um projeto para procurar uma solução para a RE. Os dois desenvolveram uma nova forma de representar a água na zona vadosa.

Em anos mais recentes, a pesquisa continuou, e a Fundação Nacional de Ciência norte americana, com uma bolsa de investigação em 2011, permitiu Ogden reunir especialistas adicionais para a busca e usar o poder da supercomputação da Universidade de Wyoming para testar e propor soluções potenciais.

Então, no final do outono, pouco antes da grande reunião anual da União Geofísica Americana, Ogden e sua equipe de pesquisa descobriu uma solução, resumindo em uma nova e elegante equação que ele pensou que seria igual ao RE em precisão, sendo capaz de reduzir bruscamente o esforço computacional da RE. Ele testou esta solução com dados de precipitação de seu local de campo no Panamá.

“Simulamos oito meses de dados do Panamá com 263 centímetros de chuva por meio de nossa equação e Hydrus”, diz Ogden.

Hydrus é um modelo de supercomputador existente que usa RE. Os resultados gerados em seu modelo tinha apenas sete milímetros, ou dois décimos de um por cento, da diferença a partir dos resultados do modelo Hydrus que emprega solução do RE.

“Eles eram quase idênticos. Foi quando eu soube”, diz ele. “Eu me senti como o cara que descobriu a pepita de ouro no Rio Americano, na Califórnia. “

O que vem a seguir para a nova equação? Primeiro, é a peça central do modelo ADHydro de Ogden, um maciço modelo com super computador que está simulando primeiramente os efeitos de abastecimento de água de diferentes cenários climáticos e avaliando a  gestão em toda a Bacia de todo alto rio Colorado em cima deles. A partir daí, Ogden espera que outros modelos também o incorporem.

“Eu acredito que vai se tornar padrão nos modelos rigorosos”, diz ele. “Com a ajuda de matemáticos e cientistas de computação, ela só vai ficar mais rápido e melhor.”

Além disso, novos impulsos para a coleta de dados normalmente acompanham os avanços tecnológicos, explica Ogden. Ele espera que esta descoberta vai trazer de volta relevância para ciência do solo e gestores de água e liderar nova coleta de dados do solo.

“Nós temos agora uma maneira confiável de avaliar águas subterrâneas e superficiais através do solo que as pessoas têm procurado desde 1931, “diz Ogden, quase em êxtase no momento.

Fonte: PHYS.ORG
http://phys.org/news/2015-07-groundwater-breakthrough-years.html

 

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