De geologie langs de Coca-rivier in Ecuador beweegt zich snel vooruit. Op een wetenschappelijk gebied waar natuurwonderen zich in de loop van duizenden jaren voordoen, maar natuurrampen zich binnen enkele minuten voordoen, is snelheid minder dan wenselijk.

De afgelopen vier jaar hebben de rivier en het omliggende gebied in het Amazonebekken te maken gehad met het instorten van de lavadam, het verplaatsen van 500 miljoen ton sediment langs de rivier, aardverschuivingen en de vorming van wat sommigen de ‘Ecuadoriaanse Grand Canyon’ noemen. /P>

In de nasleep van deze gebeurtenissen zijn bruggen en pijpleidingen ingestort, hebben instortende rivieroevers huizen en bedrijven bedreigd, en Ecuadoriaanse ingenieurs vreesden dat de snel dalende bovenloop van de rivier een waterkrachtcentrale zou kunnen uitschakelen die elektriciteit levert aan een derde van het land. /P>

Deze gevolgen en bedreigingen brachten een internationale groep experts samen, waaronder Matt Larson en Brandon Stockwell van de Autonomous Systems-groep van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. Larson en Stockwell gebruikten drones om een ​​voorheen niet bestudeerd deel van de Coca-rivier in kaart te brengen.

De visuele, thermische en multispectrale beelden met hoge resolutie van het team zullen worden gebruikt om de nationale kaarten van Ecuador bij te werken en betere technische modellen te creëren om de erosie te verzachten.

Laten we even terugspoelen om de ernst van hun missie beter te begrijpen. Op 2 februari 2020 verdween de San Rafael-waterval. Journalisten en geologen hebben verschillende woorden gebruikt om te beschrijven wat er vier jaar geleden met de grootste waterval van Ecuador gebeurde. Of het natuurwonder nu ‘mislukte’, ‘ingestort’ of ‘verlaten’ werd, het unieke fenomeen aan de Coca-rivier veroorzaakte die dag het begin van een waterval van geografische gebeurtenissen die nog steeds een impact hebben op het landschap, de infrastructuur en de veiligheid van het land.

Pedro Barrera Crespo, een waterbouwkundig ingenieur en adviseur voor de Corporación Eléctrica del Ecuador, of CELEC, het grootste elektriciteitsbedrijf van het land, had er geen probleem mee om er een woord voor te vinden:'alarmerend'.

Wat werkelijk is gebeurd? De San Rafael-waterval werd duizenden jaren geleden gevormd toen vulkanisch-lastisch puin van de nabijgelegen Reventador-vulkaan een natuurlijke lavadam vormde in de Coca-rivier. Het was ooit de hoogste waterval in Ecuador en stortte neer vanaf een hoogte van ongeveer 150 meter, te midden van dicht tropisch regenwoud. De rivier stroomde over de lavadam, via de waterval, in een bassin vanwaar de rivier nog eens 650 kilometer verder stroomde voordat hij uitkwam in de Amazone.

Net stroomopwaarts van de lavadam vormde zich een zinkgat in de rivierbedding. Op 2 februari 2020 stortte het zinkgatdak in, waardoor de rivierstroom onder de lavadam viel in plaats van eroverheen. De rivier bleef stromen, maar een van de grootste toeristische trekpleisters van Ecuador ging voor altijd verloren.

De verliezen zouden in de daaropvolgende maanden blijven toenemen naarmate de gevolgen van deze unieke gebeurtenis zich ontvouwden. Het is het gemakkelijkst om de instortende neerslag van de waterval te onderzoeken in twee delen (stroomopwaarts en stroomafwaarts) van de lavadam.

Upstream:erosie, headcut en een waterkrachtdreiging

Het instorten van het zinkgat zorgde voor een scherpe verandering in de helling van de rivierbedding, bekend als een headcut, net stroomopwaarts van de lavadam. Vers blootgesteld rivierbedmateriaal bij een kopsnede is onstabiel, waardoor gesteente en grond in de tegenovergestelde richting van de waterstroom eroderen. In de eerste 18 maanden na de waterval daalde de stroomopwaartse beweging van de Coca-rivier 12 kilometer (iets meer dan 7,4 mijl) stroomopwaarts, terwijl het water de aarde eronder wegspoelde.

Als de erosie zich in dit tempo had voortgezet, zou de grootste waterkrachtcentrale van Ecuador, gelegen op slechts 19 kilometer stroomopwaarts van de waterval, waarschijnlijk niet meer functioneren.

De waterkrachtcentrale Coca Codo Sinclair levert 26% van de elektriciteit van het land.

Pablo Espinoza Girón, hoofd van de CELEC-subcommissie voor de Coca-rivier, zegt dat CELEC in eerste instantie een onderzoek is gestart na het instorten van het zinkgat om inzicht te krijgen in de gevolgen voor de waterkrachtcentrale in de nabije toekomst.

"Het was echt een grote waarschuwing voor CELEC na dat onderzoek, omdat de resultaten alarmerend waren", zei Girón. "De mogelijke gevolgen waren echt verschrikkelijk voor de fabriek."

De implicaties zijn:als de stroomopwaartse stroomopwaartse weg naar de waterkrachtcentrale zou eroderen, zou de rivier de wateropname van de centrale ondermijnen. Zonder water kan de centrale geen elektriciteit opwekken, wat enorme gevolgen heeft voor de bevolking en de handel van Ecuador.

"Het zou het Amerikaanse equivalent zijn van een stroomstoring die de hele oostkust en enkele aangrenzende staten omvat", zei Larson van ORNL.

Gelukkig is de erosie vertraagd door een combinatie van stabieler rivierbedmateriaal dichter bij de waterkrachtcentrale en ongewoon droge omstandigheden in het stroomgebied sinds 2022. Toch is erosie zorgwekkend voor de energievoorziening van het land, maar ook voor het omringende landschap en de infrastructuur. De dreiging van instorting blijft altijd aanwezig terwijl de rivier blijft stromen.

Benedenstrooms:sedimentafzetting

Naarmate de erosie en aardverschuivingen stroomopwaarts voortduren, stromen de rotsen, het zand, de grond en ander natuurlijk afval uit de rivierbeddingen stroomafwaarts. In totaal beweegt er 500 miljoen ton sediment door de Coca-rivier. Dit zware, bewegende sediment is een kracht, omdat het land tussen de rivieren uitsnijdt, waardoor oliepijpleidingen, bruggen en delen van een belangrijke rijbaan instorten.

Adriel McConnell van het US Army Corps of Engineers, oftewel USACE, probeerde de sedimentbelasting van de Coca River sinds de instorting van de waterval in 2020 in perspectief te plaatsen.

"Het sediment waar we het over hebben dat zich in dit nu twaalf kilometer lange stuk van de Rio Coca heeft verplaatst, is 1,25 keer meer sediment dan er op jaarbasis door de monding van de rivier de Mississippi beweegt", zegt McConnell. zei.

Voor meer inzicht:de rivier de Mississippi is ruim 300 keer zo lang als het Coca-riviersegment waar de sedimentgolf doorheen is gegaan.

Net als bij de problemen stroomopwaarts, heeft de grootste potentiële impact stroomafwaarts van de instorting van de waterval betrekking op de Coca Coda-waterkrachtcentrale. Tijdens normaal bedrijf leidt de centrale water van de stroomopwaartse inlaat naar de waterkrachtcentrale, 65 kilometer of ongeveer 40 mijl stroomafwaarts. Vervolgens loost het het gebruikte water terug in de rivier.

Terwijl het gebruikte water stroomafwaarts slibt, kan de sedimentgolf van 500 miljoen ton uiteindelijk de uitlaatstructuur van de elektriciteitscentrale blokkeren, wat kan leiden tot het stilleggen van de elektriciteitsopwekking. Deze sluiting zou een impact hebben op het equivalent van het verlies van elektriciteit aan de hele oostkust van de VS.

Versterking inschakelen

Omdat er sprake was van een tweeledige situatie die naast infrastructuur en natuurlijke hulpbronnen ook een belangrijke nutsbron bedreigde, riepen de Ecuadoraanse regering en de Amerikaanse ambassadeur in Ecuador om hulp. Tot de versterkingen behoorden het USACE-team van McConnell en experts van andere nationale organisaties zoals de National Geospatial-Intelligence Agency, of NGA, om de gevolgen van dit unieke fenomeen te helpen verzachten. Daarnaast is de U.S. Geological Survey begonnen met het helpen ontwikkelen van een sedimentmonitoringplan om de bodems in het gebied beter te karakteriseren, en heeft het Amerikaanse ministerie van Landbouw grondstraaltests uitgevoerd om de erodibiliteit van de bodem te bepalen.

“Onze missie is gericht op projecten om dit erosieprofiel onder controle te houden en te stabiliseren voordat het de inlaat bereikt. We helpen Ecuador het stroomafwaartse sediment te monitoren terwijl het vordert om te bepalen, niet zozeer of, maar wanneer ze een grootschalig project moeten doen. om de outlet-structuur verder stroomafwaarts te verplaatsen," zei McConnell.

De ambassadeur deed ook een speciaal verzoek aan Larson en Stockwell van ORNL om zich bij de inspanning aan te sluiten. Samen brachten ze eerdere ervaringen, geavanceerde vaardigheden en expertise op het gebied van het uitvoeren van operaties op afstand naar de missie. En de drones.

"In sommige gebieden is het meer dan 300 meter diep tot aan de rivier", zei Larson. "Je kunt gewoon niet gaan kijken wat er gebeurt. De enige manier om dit echt te doen is met drones."

De gespecialiseerde vaardigheden van ORNL

Larson is onderzoekswetenschapper in de Autonomous Systems-groep van ORNL met een achtergrond in geologie en geospatiale technologie. Larson zei zelfs dat hij tijdens zijn studie hetzelfde drone-model gebruikte dat ze naar Ecuador brachten om riviersedimenten in kaart te brengen. Met andere woorden:hij was zeer geschikt voor de functie.

"Dit paste helemaal in mijn straatje", zei Larson. "Ik had nooit gedacht dat ik tijdens mijn onderzoekscarrière sediment opnieuw in kaart zou brengen, maar hier is hij dan."

Het in kaart brengen is slechts een deel van het werk:Larson hielp ook bij het verwerken van alle gegevens die de drones verzamelden met behulp van de krachtige computerbronnen van ORNL. Vertaald en samengesteld werden deze gegevens door CELEC gebruikt om modellen te creëren voor het verzachten van de gevolgen van de natuurramp voor de Coca-rivier en de infrastructuur van Ecuador.

De Ecuadoraanse regering, USACE en NGA hadden een eerste onderzoek gedaan na de ineenstorting van de San Rafael-waterval, maar de capaciteiten van ORNL in het veld en in het laboratorium brachten ongeëvenaarde capaciteiten met zich mee om Moeder Natuur in te halen.

"Data is koning", zegt McConnell van USACE. "De numerieke modellering en computermodellering om deze erosie- en sedimenttijdlijnen te voorspellen, is waar Oak Ridge een zeer belangrijke speler voor ons is geworden."

Hoewel Larson de wetenschappelijke en gegevensverwerkingsachtergrond meebracht naar de missie, was hij niet gewend om in afgelegen omgevingen te opereren. Kom Stockwell binnen, een specialist in autonome systemen bij ORNL en piloot van het US Marine Corps. Hij is een aanvulling op Larson, hij is goed thuis in het besturen van drones en bracht in november 2023 zijn eigen vaardigheden naar het Coca River-team.

"Wat de implementaties en sobere omgevingen betreft, dat is niets nieuws voor mij", zei Stockwell. "Ik heb veel missies uitgevoerd, dus het is bijna mijn tweede natuur om expeditieoperaties uit te voeren."

Een missie onder dekking (wolken)

Larson, Stockwell en hun team waren van plan om het voorheen niet in kaart gebrachte stuk van de Coca-rivier, dat 100 kilometer of 62 mijl beslaat, in kaart te brengen. Ze kregen steun van de USACE, waaronder McConnell; Mike Shellenberger en Shawn Smith van NGA; en van CELEC die taalbarrières overbrugde en regionale en historische kennis verschafte. Met de ervaren ervaring van het team bij het Korps Mariniers, het leger en de luchtmacht, weerspiegelde hun planning uiteraard militaire missieoperaties.

Het team kwam bijeen om de balans op te maken en hun middelen te coördineren "en te zeggen:'Kunnen we dit bereiken met de middelen die we bij de hand hebben?'", aldus Shellenberger, contractant van het NGA Warfighter Support Office en voormalig soldaat van de Army Special Forces die deel uitmaakte van het project. "Dat hoort eigenlijk allemaal bij het plannen van een militaire operatie."

Hoewel het team over de juiste mensen beschikte, lag hun werk voor hen klaar:het in kaart brengen van 100 kilometer van een rivier in 15 dagen met twee drones en nul bestaande kaarten was geen sinecure. De constante bewolking boven de Coca-rivier is zo dik dat er geen bruikbare satellietbeelden bestonden. De onverzettelijke vegetatie in het Amazonebekken maakte het maken van kaarten ook schijnbaar onmogelijk.

"Het was een grote missie waar Matt mee instemde wat betreft de hoeveelheid kaarten die we met drones gingen doen... in twee weken," zei Stockwell. "De kaarten die we gebruikten om missies te plannen waren gewoon wolken, of het waren zulke oude beelden dat het leek alsof we moesten raden waar het veilig was om te vliegen."

Deze omstandigheden maakten drones van cruciaal belang:ze konden onder de wolken vliegen en verticaal lanceren, waardoor het team flexibiliteit kreeg te midden van het ruige landschap. Met een in de tijd beperkt schema stippelde het team de kilometers uit die ze elke dag in kaart wilden brengen, met enige flexibiliteit voor de omstandigheden.

"Het is altijd bewolkt. Het regent altijd. Satellietbeelden zijn niet goed," zei Larson. "Drones zijn de enige manier om dit gebied in kaart te brengen."

Shellenberger erkende dit ook en merkte op dat, hoewel ze over de juiste uitrusting beschikten, Moeder Natuur haar eigen agenda heeft.

"Het is een van de meest terrein- en weersbeperkte omgevingen waarin ik ooit ben geweest", zei Shellenberger. "We moesten dat in onze tijdlijn inbouwen." Shellenberger voegde eraan toe dat het team ook rekening moest houden met ‘Murphy’ in hun planning – een militaire term die teruggrijpt op de wet van Murphy, die stelt dat alles wat fout kan gaan, ook fout zal gaan. En het team kwam Murphy zeker tegen tijdens de missie.

Hoewel het onvoorspelbare weer een bekende variabele was, zorgden factoren zoals magnetische rotsen voor onverwachte uitdagingen. 'Je moet Murphy zijn recht geven,' zei Shellenberger. "Je kunt alles plannen en bedenken wat er mis kan gaan en al deze onvoorziene omstandigheden in je plan inbouwen, maar er is één ding waar je geen controle over had en dat een knik kan veroorzaken in wat je probeert te bereiken."

IJzerrijke rotsen en sediment van vulkanen in het gebied lagen bezaaid met de grond waar het team hun drones moest lanceren. Bovendien hinderde de magnetische kwaliteit de kompassen op de drones, waardoor lanceringen een uitdaging werden.

"We zouden het op de grond zetten en een foutmelding krijgen", zei Larson. "We moesten creatief zijn bij het lanceren van de drones."

Larson en Stockwell beschreven het lanceren van drones in gestapelde koffers en zelfs met hun eigen handen. Murphy kwam ook bovendrijven in de vorm van onverwachte vluchtomstandigheden. Stockwell zei dat de combinatie van vallei, water en bergen eromheen variabele windsnelheden en -richtingen creëerde. Het team moest de drones soms ook vanuit een ander perspectief besturen dan normaal:dronepiloten kijken doorgaans omhoog naar het apparaat dat ze besturen. Het team deed dit in de rivierbedding van de Coca River.

Het team bestuurde de drone echter ook van bovenaf, terwijl hij op de clias stond, 300 meter boven de rivier. Deze hoek kan zowel navigatie- als communicatieverbindingen beïnvloeden.

Larson zei dat het Ecuadoriaanse leger hen toestemming heeft gegeven om bepaalde drone-vluchtregels te dwarsbomen om de missie te voltooien, zoals vliegen onder de 120 meter en de drone binnen direct zicht houden.

"We konden daar echt de grenzen van drone-operaties verleggen", zei Larson. "Dat gaf ons de mogelijkheid om op elke gewenste hoogte te vliegen, maar ook buiten het gezichtsveld."

"Als [het Ecuadoriaanse leger] er niet was geweest, denk ik niet dat we de 100 kilometer daadwerkelijk in kaart hadden gebracht."

Afhankelijk van de vriendelijkheid van vreemden

Het team vertrouwde ook op de hulp van Ecuadoraanse burgers. Soms waren de enige plaatsen om te lanceren in particuliere velden of achtertuinen. In deze gevallen hielpen vertegenwoordigers van CELEC door op de deur te kloppen en met mensen over de missie te praten. Het grootste deel van de gemeenschap had er geen probleem mee om het team drones op hun terrein te laten lanceren.

Larson zei dat de mensen niet alleen begripvol waren, maar ook gastvrij. Hij grijnsde terwijl hij een bepaald verhaal vertelde dat deze gastvrijheid benadrukte. Op een dag vonden ze de perfecte lanceerlocatie op een schoolvoetbalveld dat uitkeek op 10 tot 15 kilometer van de rivier die ze in kaart moesten brengen. Na met verschillende stadsmensen te hebben gesproken, zei Larson dat het team het huis van de schooldirecteur had gevonden. Ze klopten op de deur en vroegen toestemming om het schoolterrein te betreden om drones te lanceren.

De opdrachtgever was verplicht. Ze stuurde haar zoon van de basisschoolleeftijd om de schoolpoort te ontgrendelen. Hij stapte op zijn scooter en leidde de vrachtwagen van het team naar de school een paar honderd meter verderop.

"Dat was een groot, cruciaal moment voor ons, want als we geen toegang hadden gehad tot die school, zouden we moeite hebben gehad om een ​​goede plek te vinden om te lanceren," zei Larson. "De Ecuadoriaanse bevolking is zo aardig en ze begrijpen wat daar gebeurt."

Aardverschuivingen veroorzaakt door riviererosie en sedimentatie hebben de wegen van het dorp langs de rivier verwoest. Velen gebruikten het openbaar vervoer om voor werk naar Quito, de hoofdstad van het land, te pendelen. Anderen vertrouwden op de hoofdweg voor het vervoer van goederen in en uit het dorp. Larson zei dat als een bepaalde brug langs de hoofdweg door de aardverschuivingen zou worden ondergraven, het nog eens tien uur zou duren om van het dorp naar de hoofdstad te rijden.

Een berg gegevens, een rivier aan resultaten

Het team voltooide de missie om meer dan 100 kilometer van de Coca-rivier in kaart te brengen in minder dan 15 dagen. Larson keerde terug naar de VS en begon de twee terabytes aan gegevens te verwerken die de drones hadden verzameld. De krachtige computercapaciteiten bij ORNL waren cruciaal voor dit deel van de missie.

"Je wilt niet een laptop meenemen en 52 vluchten proberen te verwerken. Dat duurt een eeuwigheid", zei Larson. "Het gebruik van onze computerbronnen in het laboratorium was erg nuttig."

Voordat Larson en Stockwell Ecuador bezochten, verzamelden CELEC-teams ongeveer elke twee maanden 10 tot 20 kilometer aan topografische informatie met behulp van basisdrones en technologie.

Het team van ORNL kon in twee weken bereiken wat voorheen acht maanden of langer duurde. Larson hielp bij het transformeren van de drone-kaarten in 2D- en 3D-modellen met centimeterresolutie die nu worden gebruikt om de nationale kaarten van Ecuador bij te werken en om betere technische modellen te maken voor de CELEC en het Army Corps of Engineers.

Deze modellen zullen CELEC en hun partners helpen de erosie- en sedimentatiesnelheden te overtreffen. "Het zal hen echt helpen plekken te begrijpen met een groot risico op een aardverschuiving", zei Larson.

"Maar ze kunnen ook kijken naar:'Oké, als we een brug moeten herbouwen, waar kunnen we die dan herbouwen?' Als we 'kilometer 60' zeggen, weten we precies waar dat is."

McConnell zei dat het team in het voorjaar van 2024 eerst de erosiezone stroomopwaarts van de voormalige watervallocatie zal stabiliseren. Vervolgens zal de aandacht zich richten op het beperken van de gevolgen van de sedimentbelasting die stroomafwaarts beweegt.

"Het is professioneel opwindend om samen te werken om een ​​oplossing te vinden", zei McConnell. "Je weet dat je het grote onbekende tegemoet gaat; hier bestaat geen routekaart voor." Espinoza Girón zei dat de groep, na naar de modellen te hebben gekeken, verschillende opties overweegt voor het beperken van sedimentatie, waaronder een omleidingstunnel die de uitlaatstructuur van de waterkrachtcentrale verder stroomafwaarts zou brengen om te voorkomen dat deze in sediment wordt begraven.

Een andere optie die hij noemde was het creëren van kunstmatige knikpunten, of scherpe druppels, in de rivierbedding, waardoor de natuurlijke vorming van een rivier zou worden nagebootst en de erosie door het stromende sediment zou worden vertraagd.

Het gekozen pad zou een graadmeter kunnen zijn voor toekomstige geologische gebeurtenissen van dit soort. Barrera Crespo voegde eraan toe dat de snelheid waarmee de erosie en sedimentatie van de Coca-rivier vorderden een unieke casestudy creëerde voor het hydrogeologische veld. Hij hoopt dat dit de noodzaak van goed sedimentbeheer zal benadrukken bij de bouw van nieuwe dammen, nu de effecten over maanden zichtbaar zijn in plaats van de normale tientallen jaren die nodig zijn voordat een rivierbedding zich vestigt en erodeert.

"Sedimenttransportgerelateerde problemen in rivieren zijn niet zo gemakkelijk te zien op normale tijdschalen", zei Barrera Crespo. "Dit is eigenlijk een unieke kans die we hebben om dit probleem aan te pakken. Met de hulp van wereldberoemde expertise is dit een waardevolle kans voor iedereen geweest."

Voor Larson is het belangrijkste onderdeel van de missie het vermogen om de bevolking van Ecuador en hun land te helpen. Maar het is ook een keerpunt in zijn carrière.

"Het ontmoeten van alle mensen daar en het zien van de impact die we kunnen bieden, zullen zeker tot de hoogtepunten van mijn carrière behoren", zei Larson. "Ik zal dit de rest van mijn leven onthouden."

UT-Battelle beheert ORNL voor de Oaice of Science van het Department of Energy, de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten. Het Office of Science werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd.

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory