La geología a lo largo del río Coca en Ecuador avanza rápidamente. En un campo científico donde las maravillas naturales se forman a lo largo de milenios, pero los desastres naturales ocurren en minutos, la velocidad es menos que deseable.
En los últimos cuatro años, el río y sus alrededores dentro de la cuenca del Amazonas han experimentado el colapso de una presa de lava, 500 millones de toneladas de sedimentos desplazados río abajo, deslizamientos de tierra y la formación de lo que algunos han denominado el "Gran Cañón Ecuatoriano". /P>
A raíz de estos acontecimientos, se han derrumbado puentes y tuberías, el derrumbe de las riberas de los ríos ha amenazado hogares y negocios, y los ingenieros ecuatorianos temían que la rápida caída de las cabeceras del río pudiera destruir una planta hidroeléctrica que proporciona electricidad a un tercio del país. /P>
Estos impactos y amenazas reunieron a un grupo internacional de expertos, incluidos Matt Larson y Brandon Stockwell del grupo de Sistemas Autónomos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía. Larson y Stockwell utilizaron drones para mapear una sección del río Coca no estudiada anteriormente.
Las imágenes visuales, térmicas y multiespectrales de alta resolución del equipo se utilizarán para actualizar los mapas nacionales de Ecuador y crear mejores modelos de ingeniería para mitigar la erosión.
Para comprender mejor la gravedad de su misión, retrocedamos. El 2 de febrero de 2020 desapareció la cascada de San Rafael. Periodistas y geólogos han utilizado diversas palabras para describir lo que ocurrió hace cuatro años con la cascada más grande de Ecuador. Ya sea que la maravilla natural "falló", "colapsó" o fue "abandonada", el fenómeno singular en el río Coca ese día inició una cascada de eventos geográficos que continúan impactando el paisaje, la infraestructura y la seguridad del país.
Pedro Barrera Crespo, ingeniero hidráulico y consultor de la Corporación Eléctrica del Ecuador (CELEC), la principal empresa eléctrica del país, no tuvo problemas para encontrar una palabra para describirlo:"alarmante".
¿Lo que realmente pasó? La Cascada de San Rafael se formó hace miles de años cuando los escombros volcánicos del cercano Volcán Reventador formaron una presa de lava natural en el río Coca. Alguna vez fue la cascada más alta de Ecuador, cayendo desde una altura de aproximadamente 150 metros, o 490 pies, en medio de una densa selva tropical. El río fluyó sobre la presa de lava, a través de la cascada hacia una cuenca desde donde continuó otras 400 millas antes de encontrarse con el río Amazonas.
Justo aguas arriba de la presa de lava, se formó un sumidero en el lecho del río. El 2 de febrero de 2020, el techo del sumidero se derrumbó, dejando caer el flujo del río por debajo de la presa de lava en lugar de por encima de ella. El río siguió fluyendo, pero uno de los mayores atractivos turísticos de Ecuador se perdió para siempre.
Las pérdidas continuarían acumulándose en los meses siguientes a medida que se desarrollaran los efectos de este evento único. Es más fácil explorar las consecuencias del colapso de la cascada en dos secciones (río arriba y río abajo) de la presa de lava.
El colapso del sumidero dejó un cambio brusco en la pendiente del lecho del río, conocido como corte de cabeza, justo aguas arriba de la presa de lava. El material recién expuesto del lecho del río en un corte de cabeza es inestable, lo que provoca que la roca y el suelo se erosionen en la dirección opuesta al flujo de agua. En los primeros 18 meses después del evento de la cascada, el curso del río Coca retrocedió 12 kilómetros, poco más de 7,4 millas, río arriba a medida que el agua arrastraba la tierra debajo de él.
Si la erosión hubiera continuado a este ritmo, la planta hidroeléctrica más grande de Ecuador, ubicada a sólo 19 kilómetros, o 11,8 millas, aguas arriba de la cascada, probablemente habría dejado de funcionar.
La central hidroeléctrica Coca Codo Sinclair suministra el 26% de la electricidad del país.
Pablo Espinoza Girón, quien dirige la subcomisión de CELEC sobre el río Coca, dijo que CELEC inicialmente lanzó un estudio después del colapso del sumidero para comprender las implicaciones en el futuro cercano para la planta hidroeléctrica.
"Realmente fue una gran advertencia para el CELEC después de ese estudio porque los resultados fueron alarmantes", dijo Girón. "Las posibles implicaciones eran realmente nefastas para la planta."
Las implicaciones son:Si el cauce del río se erosionara aguas arriba hasta la planta hidroeléctrica, el río socavaría la ingesta de agua de la planta. Sin agua, la planta no puede generar electricidad, lo que tiene enormes consecuencias para el pueblo y el comercio de Ecuador.
"Sería el equivalente estadounidense a un corte de energía que abarcaría toda la costa este y algunos estados adyacentes", dijo Larson de ORNL.
Afortunadamente, la erosión por corte de cabeza se desaceleró debido a una combinación de materiales más estables del lecho del río más cerca de la planta hidroeléctrica y condiciones inusualmente secas de la cuenca del río desde 2022. Aún así, la erosión es preocupante para el suministro de energía del país, así como para el paisaje y la infraestructura circundante. La amenaza de colapso sigue presente mientras el río continúa fluyendo.
A medida que continúan la erosión y los deslizamientos de tierra río arriba, las rocas, la arena, el suelo y otros desechos naturales del lecho del río fluyen río abajo. En total, son 500 millones de toneladas de sedimentos desplazándose por el río Coca. Este sedimento pesado y en movimiento es una fuerza, ya que excava tierra entre el río, provocando el colapso de oleoductos, puentes y partes de una carretera importante.
Adriel McConnell, del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU., o USACE, intentó poner en perspectiva la carga de sedimentos del río Coca desde el colapso de la cascada de 2020.
"El sedimento del que estamos hablando que se ha movido en este tramo de 12 kilómetros, o aproximadamente 7,5 millas, del río Coca es 1,25 veces más sedimento que el que se mueve a través de la desembocadura del río Mississippi anualmente", McConnell dijo.
Para obtener información adicional, el río Mississippi tiene más de 300 veces la longitud del segmento del río Coca por el que pasó la ola de sedimentos.
Al igual que los dilemas aguas arriba, el mayor impacto potencial aguas abajo del colapso de la cascada involucra a la Central Hidroeléctrica Coca Coda. Durante el funcionamiento normal, la planta canaliza el agua desde la toma aguas arriba hasta la central hidroeléctrica, a 65 kilómetros, o unas 40 millas, aguas abajo. Luego devuelve el agua usada al río.
A medida que el agua usada avanza río abajo, la ola de sedimentos de 500 millones de toneladas podría eventualmente bloquear la estructura de salida de la planta de energía, provocando el cierre de la generación de electricidad. Este cierre tendría un impacto equivalente a la pérdida de electricidad en toda la costa este de EE. UU.
Llamando refuerzos
Ante una doble situación que amenazaba una importante fuente de servicios públicos, además de la infraestructura y los recursos naturales, el gobierno ecuatoriano y el embajador de Estados Unidos en Ecuador pidieron ayuda. Los refuerzos incluyeron al equipo USACE de McConnell, así como expertos de otras organizaciones nacionales como la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial, o NGA, para ayudar a mitigar los efectos de este fenómeno único. Además, el Servicio Geológico de EE. UU. comenzó a ayudar a desarrollar un plan de monitoreo de sedimentos para caracterizar mejor los suelos en el área, y el Departamento de Agricultura de EE. UU. realizó pruebas de chorro de suelo para determinar la erosionabilidad del suelo.
"Nuestra misión se centra en proyectos para controlar este perfil de erosión y estabilizarlo antes de que llegue a la toma. Estamos ayudando a Ecuador a monitorear el sedimento río abajo a medida que avanza para determinar, no tanto si es necesario, sino cuándo, es necesario realizar un proyecto masivo. reubicar la estructura de salida más abajo", dijo McConnell.
El Embajador también hizo un pedido especial para que Larson y Stockwell de ORNL se unieran al esfuerzo. Juntos, aportaron a la misión experiencia previa, habilidades avanzadas y conocimientos en la realización de operaciones remotas. Y los drones.
"En algunas áreas hay más de 1000 pies de altitud hasta el río", dijo Larson. "No se puede simplemente ir y ver lo que está pasando. La única manera de hacerlo realmente es mediante drones".
Larson es un científico investigador del grupo de Sistemas Autónomos de ORNL con experiencia en geología y tecnología geoespacial. De hecho, Larson dijo que mientras estaba en la escuela de posgrado utilizó el mismo modelo de dron que llevaron a Ecuador para mapear los sedimentos del río. En otras palabras, estaba bien preparado para el trabajo.
"Esto era lo que quería", dijo Larson. "Nunca pensé que volvería a mapear sedimentos en mi carrera investigadora, pero aquí está."
El mapeo es sólo una parte del trabajo:Larson también ayudó a procesar todos los datos que los drones recopilaron utilizando los recursos informáticos de alto rendimiento de ORNL. Traducidos y compilados, estos datos fueron utilizados por CELEC para crear modelos para mitigar los efectos del desastre natural en el río Coca y la infraestructura de Ecuador.
El gobierno ecuatoriano, USACE y NGA habían realizado algunos estudios iniciales después del colapso de la cascada de San Rafael, pero las capacidades de ORNL en el campo y en el laboratorio aportaron capacidades incomparables para ponerse al día con la Madre Naturaleza.
"Los datos son los reyes", dijo McConnell del USACE. "El modelado numérico y el modelado por computadora para predecir estos cronogramas de erosión y sedimentos es donde Oak Ridge se ha convertido en un actor clave para nosotros".
Si bien Larson aportó su experiencia en ciencia y procesamiento de datos a la misión, no estaba acostumbrado a operar en entornos remotos. Ingresa Stockwell, especialista en sistemas autónomos de ORNL y piloto del Cuerpo de Marines de EE. UU. Como complemento de Larson, está bien versado en la operación de drones y aportó sus propias habilidades al equipo de Coca River en noviembre de 2023.
"En cuanto a implementaciones y entornos austeros, eso no es nada nuevo para mí", dijo Stockwell. "He realizado muchos despliegues, por lo que es casi una segunda naturaleza participar en operaciones expedicionarias".
Larson, Stockwell y su equipo planearon cartografiar el tramo del río Coca que hasta ahora no estaba cartografiado, que se extiende a lo largo de 100 kilómetros o 62 millas. Contaron con el apoyo del USACE, incluido McConnell; Mike Shellenberger y Shawn Smith de NGA; y de CELEC quienes superaron las barreras del idioma y brindaron conocimiento regional e histórico. Con la experiencia veterana del equipo que abarca la Infantería de Marina, el Ejército y la Fuerza Aérea, su planificación reflejó naturalmente las operaciones de las misiones militares.
El equipo se reunió para hacer un balance y coordinar sus activos "y decir:'¿Podemos lograr esto con los activos que tenemos a mano?'", dijo Shellenberger, contratista de la Oficina de Apoyo a los Combatientes de la NGA y ex soldado de las Fuerzas Especiales del Ejército que formó parte del proyecto. "Esencialmente, todo eso es parte de la planificación de una operación militar".
Aunque el equipo contaba con las personas adecuadas, el trabajo era mucho para ellos:mapear 100 kilómetros de un río en 15 días con dos drones y cero mapas existentes no fue una tarea fácil. La constante capa de nubes sobre el río Coca es tan espesa que no existían imágenes satelitales útiles. La inflexible vegetación de la cuenca del Amazonas también hizo que la elaboración de mapas pareciera imposible.
"Era una gran misión con la que Matt estuvo de acuerdo en cuanto a la cantidad de mapeo que íbamos a hacer con drones... en dos semanas", dijo Stockwell. "Los mapas que estábamos usando para planificar las misiones eran sólo nubes, o eran imágenes tan antiguas que era como adivinar dónde era seguro volar".
Estas condiciones hicieron que los drones fueran una misión crítica:podían volar bajo las nubes y lanzarse verticalmente, dando al equipo flexibilidad en medio del paisaje accidentado. Con un cronograma de tiempo limitado, el equipo trazó los kilómetros que pretendían mapear cada día, con cierta flexibilidad según las condiciones.
"Siempre está nublado. Siempre está lloviendo. Las imágenes satelitales no son buenas", dijo Larson. "Los drones son la única forma de cartografiar esta zona."
Shellenberger también lo reconoció y señaló que, aunque tenían el equipo adecuado, la Madre Naturaleza trae sus propios objetivos.
"Es uno de los entornos más restringidos en términos de terreno y clima en los que he estado", dijo Shellenberger. "Tuvimos que incorporar eso en nuestra línea de tiempo". Shellenberger añadió que el equipo también tuvo que considerar a "Murphy" en su planificación, un término militar que se remonta a la Ley de Murphy, que establece que todo lo que podría salir mal, saldrá mal. Y el equipo ciertamente se encontró con Murphy durante la misión.
Si bien el clima impredecible era una variable conocida, factores como las rocas magnéticas presentaban desafíos inesperados. "Hay que darle a Murphy lo que le corresponde", dijo Shellenberger. "Puedes planificar y pensar en todo lo que podría salir mal y tener todas estas contingencias incorporadas en tu plan, pero hay una cosa sobre la que no tenías control y que puede arruinar lo que estás tratando de lograr".
Rocas ricas en hierro y sedimentos de volcanes de la zona cubrían el suelo donde el equipo necesitaba lanzar sus drones. Además, la calidad magnética interfería con las brújulas de los drones, lo que hacía que los lanzamientos fueran un desafío.
"Lo dejábamos en el suelo y obteníamos un error", dijo Larson. "Tuvimos que ser creativos a la hora de lanzar los drones".
Larson y Stockwell describieron el lanzamiento de drones o cajas de equipos apilados e incluso con sus propias manos. Murphy también surgió en forma de condiciones de vuelo inesperadas. Stockwell dijo que la combinación de valles, agua y montañas que los rodeaban creaba velocidades y direcciones variables del viento. En ocasiones, el equipo también necesitaba volar los drones desde una perspectiva diferente a la habitual:normalmente, los pilotos de los drones miran el dispositivo que están controlando. El equipo hizo esto cuando estaba en el lecho del río Coca.
Sin embargo, el equipo también pilotó el dron desde arriba, mientras estaba parado en las colinas, a 300 metros sobre el río. Este ángulo podría afectar tanto a la navegación como a las conexiones de comunicación.
Larson dijo que el ejército ecuatoriano les otorgó autorización para frustrar ciertas regulaciones de vuelo de drones para completar la misión, como volar por debajo de 400 pies y mantener el drone dentro de la visibilidad directa.
"Pudimos realmente superar los límites de las operaciones con drones allí", dijo Larson. "Eso nos dio la capacidad de volar a cualquier altitud que quisiéramos, así como más allá del campo visual".
"Si no fuera por [el ejército ecuatoriano], no creo que hubiéramos mapeado los 100 kilómetros".
El equipo también contó con la ayuda de los civiles ecuatorianos. En ocasiones, los únicos lugares para lanzar eran campos o patios traseros de propiedad privada. En estos casos, los representantes de CELEC ayudaron tocando puertas y hablando con la gente sobre la misión. La mayoría de la comunidad no tuvo ningún problema en permitir que el equipo lanzara drones en su propiedad.
Larson dijo que la gente no sólo era comprensiva sino también acogedora. Sonrió mientras contaba una historia particular que resaltaba esta hospitalidad. Un día encontraron el lugar perfecto para el lanzamiento en el campo de fútbol de una escuela con vistas a entre 10 y 15 kilómetros del río que necesitaban cartografiar. Después de hablar con varios habitantes del pueblo, Larson dijo que el equipo encontró la casa del director de la escuela. Llamaron a la puerta y pidieron permiso para acceder al recinto del colegio para lanzar drones.
El director obedeció. Envió a su hijo de primaria a abrir la puerta de la escuela. Se montó en su scooter y condujo el camión del equipo hasta la escuela, situada a unos cientos de metros de distancia.
"Ese fue un momento importante y crítico para nosotros porque si no tuviéramos acceso a esa escuela, habríamos tenido dificultades para encontrar un buen lugar para lanzar", dijo Larson. "El pueblo ecuatoriano es muy amable y entiende lo que está pasando allí."
Los deslizamientos de tierra causados por la erosión y la sedimentación del río estaban destruyendo los caminos del pueblo a lo largo del río. Muchos utilizaron el transporte público para desplazarse a Quito, la capital del país, para trabajar. Otros dependían de la carretera principal para transportar mercancías dentro y fuera del pueblo. Larson dijo que si los deslizamientos de tierra socavaran un puente en particular a lo largo de la carretera principal, se necesitarían 10 horas adicionales para conducir desde el pueblo hasta la capital.
El equipo completó la misión de mapear más de 100 kilómetros, alrededor de 62 millas, del río Coca en menos de 15 días. Larson regresó a Estados Unidos y comenzó a procesar los dos terabytes de datos que recopilaron los drones. Las capacidades informáticas de alto rendimiento de ORNL fueron cruciales para esta parte de la misión.
"No conviene tomar una computadora portátil e intentar procesar 52 vuelos. Eso lleva una eternidad", dijo Larson. "Usar nuestros recursos informáticos en el laboratorio ha sido realmente beneficioso."
Antes de que Larson y Stockwell visitaran Ecuador, los equipos de CELEC recopilaban de 10 a 20 kilómetros de información topográfica cada dos meses utilizando tecnología y drones básicos.
El equipo de ORNL pudo lograr en dos semanas lo que anteriormente hubiera llevado ocho meses o más. Larson ayudó a transformar los mapas de los drones en modelos 2D y 3D con resolución centimétrica que ahora se utilizan para actualizar los mapas nacionales de Ecuador y para crear mejores modelos de ingeniería para el CELEC y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército.
Estos modelos ayudarán a CELEC y sus socios a superar las tasas de erosión y sedimentación. "Realmente les ayudará a comprender los lugares con un alto potencial de deslizamiento de tierra", afirmó Larson.
"Pero también pueden pensar:'Está bien, si necesitamos reconstruir un puente, ¿dónde podemos reconstruirlo?' Cuando decimos 'kilómetro 60', sabemos exactamente dónde está."
McConnell dijo que el equipo primero estabilizará la zona de erosión río arriba de la ubicación de la antigua cascada en la primavera de 2024. Luego, dijo, la atención se centrará en frenar los efectos de la carga de sedimentos que se mueve río abajo.
"Es profesionalmente estimulante trabajar juntos para encontrar una solución", dijo McConnell. "Sabes que estás avanzando hacia lo desconocido; no existe una hoja de ruta para esto". Espinoza Girón dijo que, después de observar los modelos, el grupo está considerando varias opciones para mitigar la sedimentación, incluido un túnel de desvío que llevaría la estructura de salida de la planta hidroeléctrica más abajo para evitar que quede enterrada en sedimentos.
Otra opción que mencionó fue crear knickpoints artificiales, o caídas pronunciadas, en el lecho del río, lo que recrearía cómo un río podría formarse naturalmente y frenaría la erosión del sedimento que fluye.
El camino elegido podría ser un barómetro para futuros eventos geológicos de este tipo. Barrera Crespo agregó que la velocidad a la que progresó la erosión y sedimentación del río Coca creó un caso de estudio único para el campo de la hidrogeología. Espera que resalte la necesidad de una gestión adecuada de los sedimentos a medida que se construyen nuevas represas, ahora que los efectos pueden verse durante meses en lugar de las décadas normales que tarda el lecho de un río en asentarse y erosionarse.
"Los problemas relacionados con el transporte de sedimentos en los ríos no son tan fáciles de ver en escalas de tiempo normales", dijo Barrera Crespo. "Esta es básicamente una oportunidad única en la vida que tenemos para abordar este problema. Con la ayuda de experiencia de renombre mundial, esta ha sido una oportunidad valiosa para todos".
Para Larson, la parte más importante de la misión es la capacidad de ayudar al pueblo de Ecuador y su tierra. Pero también es un momento decisivo para su carrera.
"Conocer a toda la gente allí y ver el impacto que podríamos generar definitivamente será uno de los aspectos más destacados de mi carrera", dijo Larson. "Recordaré esto por el resto de mi vida."
UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
