A geologia ao longo do rio Coca, no Equador, está avançando rapidamente. Num campo científico onde as maravilhas naturais se formam ao longo de milénios, mas os desastres naturais ocorrem em minutos, a velocidade é menos do que desejável.



Nos últimos quatro anos, o rio e a área circundante na bacia amazônica sofreram o colapso de uma barragem de lava, 500 milhões de toneladas de sedimentos foram deslocados rio abaixo, deslizamentos de terra e a formação do que alguns apelidaram de "Grand Canyon do Equador".

Na sequência destes acontecimentos, pontes e oleodutos ruíram, o colapso das margens dos rios ameaçou casas e empresas, e os engenheiros equatorianos temiam que a rápida descida das cabeceiras do rio pudesse destruir uma central hidroeléctrica que fornece electricidade a um terço do país.

Estes impactos e ameaças reuniram um grupo internacional de especialistas, incluindo Matt Larson e Brandon Stockwell, do grupo de Sistemas Autônomos do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia. Larson e Stockwell usaram drones para mapear uma seção do rio Coca até então não estudada.

As imagens visuais, térmicas e multiespectrais de alta resolução da equipe serão usadas para atualizar os mapas nacionais do Equador e criar melhores modelos de engenharia para mitigar a erosão.

Para entender melhor a gravidade de sua missão, vamos retroceder. No dia 2 de fevereiro de 2020, a cachoeira San Rafael desapareceu. Jornalistas e geólogos usaram várias palavras para descrever o que aconteceu com a maior cachoeira do Equador há quatro anos. Quer a maravilha natural tenha “fracassado”, “colapsado” ou tenha sido “abandonada”, o fenómeno singular no Rio Coca naquele dia deu início a uma cascata de eventos geográficos que continuam a impactar a paisagem, a infra-estrutura e a segurança do país.

Pedro Barrera Crespo, engenheiro hidráulico e consultor da Corporación Eléctrica del Ecuador, ou CELEC, a maior concessionária de energia elétrica do país, não teve problemas em encontrar uma palavra para isso:“alarmante”.

O que realmente aconteceu? A Cachoeira San Rafael foi formada há milhares de anos, quando detritos vulcaniclásticos do vizinho Vulcão Reventador formaram uma barragem de lava natural no Rio Coca. Já foi a cachoeira mais alta do Equador, caindo de uma altura de aproximadamente 150 metros, ou 490 pés, em meio a uma densa floresta tropical. O rio fluiu sobre a barragem de lava, através da cachoeira em uma bacia de onde continuou por mais 400 milhas antes de encontrar o rio Amazonas.

Logo a montante da barragem de lava, formou-se um buraco no leito do rio. Em 2 de fevereiro de 2020, o telhado do buraco desabou, deixando o fluxo do rio abaixo da barragem de lava, em vez de sobre ela. O rio continuou a fluir, mas uma das maiores atrações turísticas do Equador se perdeu para sempre.

As perdas continuariam a aumentar nos meses seguintes, à medida que os efeitos deste evento único se desenrolassem. É mais fácil explorar a precipitação do colapso da cachoeira em duas seções – a montante e a jusante – da barragem de lava.

A montante:erosão, corte de cabeça e ameaça hidrelétrica

O colapso do buraco deixou para trás uma mudança brusca na encosta do leito do rio, conhecida como headcut, logo a montante da barragem de lava. O material recém-exposto do leito do rio em um corte frontal é instável, causando a erosão da rocha e do solo na direção oposta ao fluxo da água. Nos primeiros 18 meses após o evento da cachoeira, a cabeceira do rio Coca regrediu 12 quilômetros, pouco mais de 7,4 milhas, rio acima, à medida que a água arrastava a terra abaixo dele.

Se a erosão tivesse continuado a este ritmo, a maior central hidroeléctrica do Equador, localizada a apenas 19 quilómetros, ou 11,8 milhas, a montante da cascata, provavelmente teria perdido o funcionamento.

A Usina Hidrelétrica Coca Codo Sinclair fornece 26% da eletricidade do país.

Pablo Espinoza Girón, que lidera a subcomissão da CELEC no Rio Coca, disse que a CELEC lançou inicialmente um estudo após o colapso do sumidouro para compreender as implicações futuras para a central hidroeléctrica.

“Foi realmente um grande alerta para o CELEC depois daquele estudo porque os resultados foram alarmantes”, disse Girón. "As implicações potenciais foram realmente terríveis para a fábrica."

As implicações são as seguintes:se o corte do rio provocasse erosão no seu caminho a montante da central hidroeléctrica, o rio prejudicaria a captação de água da central. Sem água, a usina não consegue gerar eletricidade, resultando em enormes consequências para a população e o comércio do Equador.

“Seria o equivalente nos EUA a uma falha de energia abrangendo toda a Costa Leste e alguns estados adjacentes”, disse Larson do ORNL.

Felizmente, a erosão desacelerou devido a uma combinação de materiais mais estáveis ​​do leito do rio, mais próximos da central hidroeléctrica, e às condições anormalmente secas da bacia hidrográfica desde 2022. Ainda assim, a erosão é preocupante para o fornecimento de energia do país, bem como para a paisagem e infra-estruturas circundantes. A ameaça de colapso permanece sempre presente à medida que o rio continua a fluir.

Jusante:Deposição de sedimentos

À medida que a erosão e os deslizamentos de terra continuam a montante, as rochas, a areia, o solo e outros detritos naturais do leito do rio fluem rio abaixo. No total, são 500 milhões de toneladas de sedimentos descendo o rio Coca. Este sedimento pesado e em movimento é uma força, pois escava a terra entre o rio, causando o colapso de oleodutos, pontes e partes de uma importante estrada.

Adriel McConnell, do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA, ou USACE, tentou colocar em perspectiva a carga de sedimentos do Rio Coca desde o colapso da cachoeira em 2020.

“O sedimento de que estamos falando e que se moveu neste trecho de agora 12 quilômetros, ou aproximadamente 7,5 milhas, do Rio Coca é 1,25 vezes mais sedimento do que se move anualmente pela foz do rio Mississippi”, disse McConnell. disse.

Para obter informações adicionais, o rio Mississippi tem mais de 300 vezes o comprimento do segmento do rio Coca pelo qual a onda de sedimentos passou.

Semelhante aos dilemas a montante, o maior impacto potencial a jusante do colapso da cachoeira envolve a Usina Hidrelétrica Coca Coda. Durante a operação normal, a usina canaliza a água da entrada a montante para a usina hidrelétrica, 65 quilômetros, ou cerca de 40 milhas, a jusante. Em seguida, descarrega a água usada de volta no rio.

À medida que a água utilizada se desloca a jusante, a onda de sedimentos de 500 milhões de toneladas poderá eventualmente bloquear a estrutura de saída da central eléctrica, levando ao encerramento da produção de electricidade. Esta paralisação teria um impacto equivalente à perda de eletricidade em toda a costa leste dos EUA.

Chamando reforços

Com uma situação dupla que ameaça uma importante fonte de serviços públicos, além da infra-estrutura e dos recursos naturais, o governo equatoriano e o embaixador dos EUA no Equador pediram ajuda. Os reforços incluíram a equipa USACE de McConnell, bem como especialistas de outras organizações nacionais, como a Agência Nacional de Inteligência Geoespacial, ou NGA, para ajudar a mitigar os efeitos deste fenómeno único. Além disso, o Serviço Geológico dos EUA começou a ajudar a desenvolver um plano de monitoramento de sedimentos para melhor caracterizar os solos da área, e o Departamento de Agricultura dos EUA conduziu testes de jato de solo para determinar a erodibilidade do solo.

“Nossa missão está focada em projetos para controlar esse perfil de erosão e estabilizá-lo antes que ele atinja a captação. Estamos ajudando o Equador a monitorar os sedimentos a jusante à medida que avançam para determinar, não tanto se, mas quando eles precisam fazer um projeto massivo para realocar a estrutura de saída mais a jusante", disse McConnell.

O Embaixador também fez um pedido especial para que Larson e Stockwell do ORNL se juntassem ao esforço. Juntos, eles trouxeram para a missão experiência anterior, habilidades avançadas e conhecimento na condução de operações remotas. E os drones.

“São mais de 300 metros de altitude até o rio em algumas áreas”, disse Larson. "Você simplesmente não pode ir e ver o que está acontecendo. A única maneira de realmente fazer isso é por meio de drones."

Habilidades especializadas do ORNL

Larson é um cientista pesquisador do grupo de Sistemas Autônomos do ORNL com formação em geologia e tecnologia geoespacial. Na verdade, Larson disse que, enquanto estava na pós-graduação, usou o mesmo modelo de drone que levaram para o Equador para mapear sedimentos de rios. Em outras palavras, ele era adequado para o trabalho.

“Este era o meu caminho”, disse Larson. "Nunca pensei que iria mapear sedimentos novamente em minha carreira de pesquisa, mas aqui está."

O mapeamento é apenas uma parte do trabalho – Larson também ajudou a processar todos os dados coletados pelos drones usando os recursos de computação de alto desempenho do ORNL. Traduzidos e compilados, esses dados foram utilizados pelo CELEC para criar modelos para mitigar os efeitos do desastre natural no Rio Coca e na infraestrutura do Equador.

O governo equatoriano, a USACE e a NGA realizaram alguns levantamentos iniciais após o colapso da cachoeira San Rafael, mas as capacidades do ORNL no campo e no laboratório trouxeram capacidades incomparáveis ​​para alcançar a Mãe Natureza.

“Os dados são reis”, disse McConnell do USACE. "A modelagem numérica e a modelagem computacional para prever esses cronogramas de erosão e sedimentos é onde Oak Ridge se tornou um ator importante para nós."

Embora Larson tenha trazido a experiência científica e de processamento de dados para a missão, ele não estava acostumado a operar em ambientes remotos. Entra Stockwell, especialista em sistemas autônomos do ORNL e piloto do Corpo de Fuzileiros Navais dos EUA. Complementando Larson, ele é versado na operação de drones e trouxe seu próprio conjunto de habilidades para a equipe da Coca River em novembro de 2023.

“No que diz respeito a implantações e ambientes austeros, isso não é novidade para mim”, disse Stockwell. “Fiz muitas implantações, então é quase uma segunda natureza sair em operações expedicionárias.”

Uma missão sob cobertura (nuvem)

Larson, Stockwell e sua equipe planejaram mapear o trecho do Rio Coca, até então não mapeado, abrangendo 100 quilômetros, ou 62 milhas. Eles tiveram o apoio do USACE, incluindo McConnell; Mike Shellenberger e Shawn Smith da NGA; e do CELEC que superou as barreiras linguísticas e forneceu conhecimento regional e histórico. Com a experiência veterana da equipe abrangendo o Corpo de Fuzileiros Navais, o Exército e a Força Aérea, seu planejamento refletia naturalmente as operações de missão militar.

A equipe se reuniu para fazer um balanço e coordenar seus recursos "e dizer:'Podemos conseguir isso com os recursos que temos em mãos?'", disse Shellenberger, contratado do NGA Warfighter Support Office e ex-soldado das Forças Especiais do Exército que fez parte do projeto. "Isso tudo faz parte do planejamento de uma operação militar, essencialmente."

Embora a equipe tivesse as pessoas certas, o trabalho deles era difícil:mapear 100 quilômetros de um rio em 15 dias com dois drones e nenhum mapa existente não foi uma tarefa fácil. A constante cobertura de nuvens sobre o rio Coca é tão espessa que não existiam imagens de satélite úteis. A vegetação inflexível da bacia amazônica também tornou a elaboração de mapas aparentemente impossível.

“Foi uma grande missão com a qual Matt concordou no que diz respeito à quantidade de mapeamento que faríamos com drones… em duas semanas”, disse Stockwell. “Os mapas que usávamos para planejar missões eram apenas nuvens, ou eram imagens tão antigas que era como adivinhar onde era seguro voar.”

Essas condições tornaram a missão dos drones de missão crítica:eles podiam voar sob as nuvens e lançar verticalmente, dando flexibilidade à equipe em meio à paisagem acidentada. Com um cronograma limitado, a equipe traçou os quilômetros que pretendia mapear a cada dia, com alguma flexibilidade para as condições.

"Está sempre nublado. Está sempre chovendo. As imagens de satélite não são boas", disse Larson. “Os drones são a única maneira de mapear esta área.”

Shellenberger também reconheceu isto, observando que, embora tivessem o equipamento certo, a Mãe Natureza traz a sua própria agenda.

“É um dos ambientes com maior restrição de terreno e clima em que já estive”, disse Shellenberger. “Tivemos que incluir isso em nossa linha do tempo.” Shellenberger acrescentou que a equipe também teve que considerar “Murphy” em seu planejamento – um termo militar que remonta à Lei de Murphy, que afirma que qualquer coisa que possa dar errado, dará errado. E a equipe certamente encontrou Murphy durante a missão.

Embora o clima imprevisível fosse uma variável conhecida, fatores como as rochas magnéticas apresentavam desafios inesperados. “Você tem que dar o que merece a Murphy”, disse Shellenberger. “Você pode planejar e pensar em tudo que pode dar errado e ter todas essas contingências incorporadas em seu plano, mas há uma coisa sobre a qual você não tem controle e que pode atrapalhar o que você está tentando realizar.”

Rochas ricas em ferro e sedimentos de vulcões na área cobriam o solo onde a equipe precisava lançar seus drones. Além disso, a qualidade magnética interferia nas bússolas dos drones, tornando os lançamentos um desafio.

“Colocaríamos no chão e cometíamos um erro”, disse Larson. “Tivemos que ser criativos sobre como lançar os drones.”

Larson e Stockwell descreveram o lançamento de drones em caixas de equipamentos empilhadas e até mesmo em suas próprias mãos. Murphy também apareceu na forma de condições de voo inesperadas. Stockwell disse que a combinação de vale, água e montanhas que os cercam criou velocidades e direções variáveis ​​do vento. A equipe também, às vezes, precisava pilotar os drones de uma perspectiva diferente da usual:normalmente, os pilotos dos drones olham para o dispositivo que controlam. A equipe fez isso no leito do rio Coca.

No entanto, a equipe também pilotou o drone de cima, em pé nas clias, a 300 metros acima do rio. Este ângulo pode afetar as conexões de navegação e comunicação.

Larson disse que os militares equatorianos lhes concederam autorização para frustrar certos regulamentos de voo de drones para completar a missão, como voar abaixo de 400 pés e manter o drone em visibilidade direta.

“Conseguimos realmente ampliar os limites das operações com drones lá”, disse Larson. "Isso nos deu a capacidade de voar em qualquer altitude que quiséssemos, bem como além da linha de visão visual."

“Se não fosse [pelos militares equatorianos], não creio que teríamos realmente mapeado os 100 quilômetros.”

Dependendo da gentileza de estranhos

A equipe também contou com a ajuda de civis do Equador. Às vezes, os únicos locais para lançamento eram campos ou quintais de propriedade privada. Nestes casos, os representantes do CELEC ajudaram batendo de porta em porta e conversando com as pessoas sobre a missão. A maior parte da comunidade não teve problemas em permitir que a equipe lançasse drones em suas propriedades.

Larson disse que as pessoas não eram apenas compreensivas, mas também acolhedoras. Ele sorriu ao recontar uma história específica que destacava essa hospitalidade. Um dia, encontraram o local de lançamento perfeito num campo de futebol de uma escola com vista para 10 a 15 quilómetros do rio que precisavam de mapear. Depois de conversar com vários moradores da cidade, Larson disse que a equipe encontrou a casa do diretor da escola. Eles bateram na porta e pediram permissão para acessar o terreno da escola para lançar drones.

O diretor obedeceu. Ela enviou seu filho do ensino fundamental para destrancar o portão da escola. Ele subiu em sua scooter e conduziu o caminhão da equipe até a escola, a algumas centenas de metros de distância.

“Esse foi um momento importante e crítico para nós, porque se não tivéssemos acesso a essa escola, teríamos dificuldade em encontrar um bom local para lançar”, disse Larson. “O povo equatoriano é muito gentil e entende o que está acontecendo lá.”

Deslizamentos de terra causados ​​pela erosão e sedimentação do rio estavam destruindo as estradas da aldeia ao longo do rio. Muitos usavam o transporte público para ir a Quito, capital do país, para trabalhar. Outros dependiam da estrada principal para o transporte de mercadorias para dentro e para fora da aldeia. Larson disse que se uma determinada ponte ao longo da estrada principal fosse destruída pelos deslizamentos de terra, seriam necessárias mais 10 horas para conduzir da aldeia até à capital.

Uma montanha de dados, um rio de resultados

A equipe completou a missão de mapear mais de 100 quilômetros, cerca de 62 milhas, do Rio Coca em menos de 15 dias. Larson voltou aos EUA e começou a processar os dois terabytes de dados coletados pelos drones. As capacidades de computação de alto desempenho do ORNL foram cruciais para esta parte da missão.

“Você não quer pegar um laptop e tentar processar 52 voos. Isso leva uma eternidade”, disse Larson. "Usar nossos recursos computacionais no laboratório tem sido realmente benéfico."

Antes de Larson e Stockwell visitarem o Equador, as equipes do CELEC coletavam de 10 a 20 quilômetros de informações topográficas a cada dois meses usando drones e tecnologia básica.

A equipe do ORNL conseguiu realizar em duas semanas o que antes poderia levar oito meses ou mais. Larson ajudou a transformar os mapas de drones em modelos 2D e 3D com resolução centimétrica que agora estão sendo usados ​​para atualizar os mapas nacionais do Equador e para criar melhores modelos de engenharia para o CELEC e o Corpo de Engenheiros do Exército.

Estes modelos ajudarão o CELEC e os seus parceiros a superar as taxas de erosão e sedimentação. “Isso realmente os ajudará a entender os locais com alto potencial de deslizamento de terra”, disse Larson.

“Mas também, eles podem pensar, 'tudo bem, se precisarmos reconstruir uma ponte, onde podemos reconstruí-la?' Quando dizemos 'quilômetro 60', sabemos exatamente onde fica."

McConnell disse que a equipe primeiro estabilizará a zona de erosão a montante do antigo local da cachoeira na primavera de 2024. Depois, disse ele, a atenção se voltará para conter os efeitos da carga de sedimentos que se move a jusante.

“É profissionalmente estimulante trabalharmos juntos para encontrar uma solução”, disse McConnell. "Você sabe que está avançando para o grande desconhecido - não há um roteiro para isso." Espinoza Girón disse que, depois de analisar os modelos, o grupo está considerando várias opções para mitigação da sedimentação, incluindo um túnel de desvio que levaria a estrutura de saída da usina hidrelétrica mais a jusante para evitar ser soterrada pelos sedimentos.

Outra opção que ele mencionou foi a criação de pontos artificiais, ou quedas acentuadas, no leito do rio, o que recriaria a forma como um rio pode se formar naturalmente e retardaria a erosão do fluxo de sedimentos.

O caminho escolhido poderia ser um indicador para futuros eventos geológicos deste tipo. Barrera Crespo acrescentou que a velocidade com que a erosão e a sedimentação do Rio Coca progrediram criou um estudo de caso único para o campo da hidrogeologia. Ele espera que isso destaque a necessidade de uma gestão adequada dos sedimentos à medida que novas barragens são construídas, agora que os efeitos podem ser observados ao longo de meses, em vez das décadas normais que um leito de rio leva para assentar e sofrer erosão.

“Os problemas relacionados com o transporte de sedimentos nos rios não são tão fáceis de ver em escalas de tempo normais”, disse Barrera Crespo. "Esta é basicamente uma oportunidade única que temos para resolver este problema. Com a ajuda de especialistas de renome mundial, esta tem sido uma oportunidade valiosa para todos."

Para Larson, a parte mais importante da missão é a capacidade de ajudar o povo do Equador e as suas terras. Mas também é um divisor de águas em sua carreira.

“Conhecer todas as pessoas de lá e ver o impacto que poderíamos proporcionar certamente estará entre os destaques da minha carreira”, disse Larson. "Vou me lembrar disso pelo resto da minha vida."

UT-Battelle gerencia o ORNL para o Oaice of Science do Departamento de Energia, o maior apoiador da pesquisa básica em ciências físicas nos Estados Unidos. O Office of Science está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes do nosso tempo.

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge