Geologin längs Coca-floden i Ecuador går snabbt framåt. I ett vetenskapligt område där naturliga underverk bildas under årtusenden, men naturkatastrofer inträffar på några minuter, är hastigheten mindre än önskvärt.
Under de senaste fyra åren har floden och dess omgivande område inom Amazonas avrinningsområde upplevt en lavadamm kollaps, 500 miljoner ton sediment förskjutits nerför floden, jordskred och bildandet av vad som vissa har kallat "Ecuadorian Grand Canyon."
I kölvattnet av dessa händelser har broar och rörledningar kollapsat, kollapsande flodstränder har hotat hem och företag, och ecuadorianska ingenjörer fruktade att flodens snabbt fallande källvatten skulle kunna ta ut ett vattenkraftverk som förser en tredjedel av landet med elektricitet.
Dessa effekter och hot samlade en internationell expertgrupp, inklusive Matt Larson och Brandon Stockwell från Autonomous Systems-gruppen vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Larson och Stockwell använde drönare för att kartlägga en tidigare ostuderad del av Cocafloden.
Teamets högupplösta visuella, termiska och multispektrala bilder kommer att användas för att uppdatera Ecuadors nationella kartor och skapa bättre tekniska modeller för att mildra erosionen.
För att bättre förstå allvaret i deras uppdrag, låt oss spola tillbaka. Den 2 februari 2020 försvann vattenfallet San Rafael. Journalister och geologer har använt olika ord för att beskriva vad som hände med Ecuadors största vattenfall för fyra år sedan. Oavsett om det naturliga underverket "misslyckades", "kollapsade" eller "övergavs", började det unika fenomenet vid Cocafloden den dagen en kaskad av geografiska händelser som fortsätter att påverka landets landskap, infrastruktur och säkerhet.
Pedro Barrera Crespo, en hydraulingenjör och konsult för Corporación Eléctrica del Ecuador, eller CELEC, landets största elföretag, hade inga problem att landa på ett ord för det – "larm".
Vad hände egentligen? San Rafael-vattenfallet bildades för tusentals år sedan när vulkaniskt skräp från den närliggande vulkanen Reventador bildade en naturlig lavadam i Cocafloden. Det var en gång det högsta vattenfallet i Ecuador, som rasade från en höjd av cirka 150 meter, eller 490 fot, mitt i tät tropisk regnskog. Floden rann över lavadammen, men vattenfallet in i en bassäng varifrån den fortsatte ytterligare 400 miles innan den mötte Amazonfloden.
Strax uppströms lavadammen bildades ett sjunkhål i flodbädden. Den 2 februari 2020 kollapsade sänkhålstaket och släppte flodflödet under lavadammen snarare än över den. Floden fortsatte att flyta, men en av Ecuadors största turistattraktioner gick förlorad för alltid.
Förlusterna skulle fortsätta att öka under de följande månaderna när effekterna av denna unika händelse utvecklades. Det är lättast att utforska vattenfallets kollaps i två sektioner – uppströms och nedströms – om lavadammen.
Sänkhålskollapsen lämnade bakom sig en kraftig förändring i flodbäddssluttningen, känd som en headcut, strax uppströms lavadammen. Nyexponerat flodbäddsmaterial vid en huvudskärning är instabilt, vilket gör att sten och jord eroderar i motsatt riktning av vattenflödet. Under de första 18 månaderna efter vattenfallshändelsen, backade Coca Rivers huvudskärning 12 kilometer, drygt 7,4 miles, uppströms när vattnet sköljde bort jorden under den.
Om erosionen hade fortsatt i denna takt, skulle Ecuadors största vattenkraftverk, som ligger bara 19 kilometer, eller 11,8 miles, uppströms vattenfallet, troligen ha förlorat sin drift.
Coca Codo Sinclair Hydropower Facility levererar 26 % av landets el.
Pablo Espinoza Girón, som leder CELEC-underkommissionen för Cocafloden, sa att CELEC initialt startade en studie efter sänkhålskollapsen för att förstå de närmaste framtida konsekvenserna för vattenkraftverket.
"Det var verkligen en stor varning för CELEC efter den studien eftersom resultaten var alarmerande," sa Girón. "De potentiella konsekvenserna var verkligen hemska för anläggningen."
Konsekvenserna är:Om älven skulle erodera sig uppströms till vattenkraftverket, skulle älven undergräva anläggningens vattenintag. Utan vatten kan anläggningen inte generera elektricitet, vilket resulterar i enorma konsekvenser för Ecuadors folk och handel.
"Det skulle vara den amerikanska motsvarigheten till ett strömavbrott som omfattar hela östkusten och några angränsande stater," sa ORNL:s Larson.
Lyckligtvis saktade erosionen av på grund av en kombination av stabilare flodbäddsmaterial närmare vattenkraftverket och ovanligt torra flodbassängsförhållanden sedan 2022. Ändå är erosion oroande för landets kraftförsörjning såväl som det omgivande landskapet och infrastrukturen. Hotet om kollaps förblir alltid närvarande när floden fortsätter att rinna.
När erosion uppströms och jordskred fortsätter, flyter stenar, sand, jord och andra naturliga flodbäddsskräp nedströms. Totalt finns det 500 miljoner ton sediment som rör sig nerför Cocafloden. Detta tunga, rörliga sediment är en kraft, eftersom det skär ut land bland floden, vilket får oljeledningar, broar och delar av en större väg att kollapsa.
Adriel McConnell från U.S. Army Corps of Engineers, eller USACE, försökte sätta Coca Rivers sedimentbelastning sedan vattenfallets kollaps 2020 i perspektiv.
"Sedimentet vi pratar om som har rört sig i denna nu 12 kilometer långa, eller cirka 7,5 miles, sträcka av Rio Coca är 1,25 gånger mer sediment än vad som rör sig genom Mississippiflodens mynning på årsbasis," McConnell sa.
För ytterligare insikt, Mississippifloden är över 300 gånger längden av Coca River-segmentet som sedimentvågen har passerat.
I likhet med problem uppströms, involverar den största potentiella påverkan nedströms vattenfallskollapsen Coca Coda-vattenkraftverket. Under normal drift kanaliserar anläggningen vatten från uppströmsintaget till vattenkraftverket, 65 kilometer, eller cirka 40 mil, nedströms. Den släpper sedan ut det använda vattnet tillbaka i floden.
När det använda vattnet slamrar sig nedströms, kan den 500 miljoner ton tunga sedimentvågen så småningom blockera kraftverkets utloppsstruktur, vilket leder till att elproduktionen stängs av. Denna avstängning skulle påverka motsvarigheten till att hela USA:s östra kust skulle förlora elektricitet.
Kalla in förstärkningar
Med en tvådelad situation som hotar en viktig källa till nyttokällor, förutom infrastruktur och naturresurser, bad den ecuadorianska regeringen och USA:s ambassadör i Ecuador efter hjälp. Förstärkningar inkluderade McConnells USACE-team samt experter från andra nationella organisationer som National Geospatial-Intelligence Agency, eller NGA, för att hjälpa till att mildra effekterna av detta unika fenomen. Dessutom började U.S. Geological Survey hjälpa till att utveckla en sedimentövervakningsplan för att bättre karakterisera jorden i området, och U.S.A. Department of Agriculture genomförde markjettestning för att fastställa markens eroderbarhet.
"Vårt uppdrag är fokuserat på projekt för att kontrollera denna erosionsprofil och stabilisera den innan den når intaget. Vi hjälper Ecuador att övervaka nedströmssedimentet när det fortskrider för att avgöra, inte så mycket om, utan när de behöver göra ett massivt projekt att flytta utloppsstrukturen längre nedströms," sa McConnell.
Ambassadören gjorde också en särskild begäran till ORNL:s Larson och Stockwell att delta i ansträngningen. Tillsammans tillförde de uppdraget tidigare erfarenhet, avancerad kompetens och expertis i att utföra fjärroperationer. Och drönarna.
"Det är över 1000 fots clia ner till floden i vissa områden," sa Larson. "Du kan bara inte gå och se vad som händer. Det enda sättet att verkligen göra detta är med drönare."
Larson är forskare i ORNL:s Autonomous Systems-grupp med en bakgrund inom geologi och geospatial teknologi. Faktum är att Larson sa att när han gick på forskarskolan använde han samma drönarmodell som de tog ner till Ecuador för att kartlägga flodsediment. Han var med andra ord väl lämpad för jobbet.
"Det här var mitt i gränden," sa Larson. "Jag trodde aldrig att jag skulle kartlägga sediment igen under min forskarkarriär, men här är det."
Kartläggningen är bara en del av jobbet – Larson hjälpte också till att bearbeta all data som drönarna samlade in med hjälp av ORNL:s högpresterande datorresurser. Dessa data översatts och sammanställts användes av CELEC för att skapa modeller för att mildra effekterna av naturkatastrofen på Cocafloden och Ecuadors infrastruktur.
Den ecuadorianska regeringen, USACE och NGA hade gjort några inledande undersökningar efter San Rafaels vattenfalls kollaps, men ORNL:s kapacitet på fältet och i labbet gav oöverträffade möjligheter att komma ikapp med Moder Natur.
"Data är kung," sa McConnell från USACE. "Den numeriska modelleringen och datormodelleringen för att förutsäga dessa tidslinjer för erosion och sediment är där Oak Ridge har blivit en mycket nyckelspelare för oss."
Medan Larson tog med sig vetenskapen och databearbetningsbakgrunden till uppdraget, var han inte van vid att arbeta i avlägsna miljöer. Ange Stockwell, en autonom systemspecialist vid ORNL och US Marine Corps pilot. Ett komplement till Larson, han är väl insatt i att använda drönare och tog med sig sin egen uppsättning färdigheter till Coca River-teamet i november 2023.
"När det gäller distributioner och strama miljöer är det inget nytt för mig," sa Stockwell. "Jag har gjort många utplaceringar så det är nästan en självklarhet att ge sig ut på expeditionsoperationer."
Larson, Stockwell och deras team planerade att kartlägga den tidigare omartade sträckan av Coca River, som sträcker sig över 100 kilometer, eller 62 miles. De hade stöd från USACE, inklusive McConnell; Mike Shellenberger och Shawn Smith från NGA; och från CELEC som överbryggade språkbarriärer och gav regional och historisk kunskap. Med lagets veteranerfarenhet som sträcker sig över marinkåren, armén och flygvapnet, speglade deras planering naturligtvis militära uppdragsoperationer.
Teamet träffades för att inventera och samordna sina tillgångar "och säga, 'Kan vi åstadkomma detta med de tillgångar vi har till hands?'", sa Shellenberger, NGA Warfighter Support Office-entreprenör och tidigare Army Special Forces-soldat som var en del av projektet. "Det är i princip en del av att planera en militär operation."
Även om teamet hade rätt personer på plats, var deras arbete helt klart för dem:Att kartlägga 100 kilometer av en flod på 15 dagar med två drönare och noll befintliga kartor var ingen liten bedrift. Det konstanta molntäcket över Cocafloden är så tjockt att det inte fanns några användbara satellitbilder. Den orubbliga växtligheten i Amazonasbassängen gjorde också karttillverkning till synes omöjlig.
"Det var ett stort uppdrag som Matt gick med på vad gäller mängden kartläggning vi skulle göra med drönare ... om två veckor," sa Stockwell. "Kartorna vi använde för att planera uppdragen var bara moln, eller så var det så gamla bilder att det var som att gissa var det var säkert att flyga."
Dessa förhållanden gjorde drönare uppdragskritiska:De kunde flyga under molnen och skjuta upp vertikalt, vilket gav teamet flexibilitet i det grova landskapet. Med ett tidsbegränsat schema ritade teamet ut de kilometer de siktade på att kartlägga varje dag, med viss flexibilitet för förhållandena.
"Det är alltid molnigt. Det regnar alltid. Satellitbilder är inte bra," sa Larson. "Drönare är det enda sättet att kartlägga det här området."
Shellenberger erkände detta också och noterade att även om de hade rätt utrustning, har Moder Natur sin egen agenda.
"Det är en av de mest terräng- och väderbegränsade miljöerna jag någonsin varit i," sa Shellenberger. "Vi var tvungna att bygga in det i vår tidslinje." Shellenberger tillade att teamet också var tvungna att överväga "Murphy" i sin planering - en militär term som går tillbaka till Murphys lag, som säger att allt som kan gå fel kommer att gå fel. Och teamet stötte verkligen på Murphy under uppdraget.
Även om det oförutsägbara vädret var en känd variabel, presenterade faktorer som magnetiska stenar oväntade utmaningar. "Du måste ge Murphy vad han ska," sa Shellenberger. "Du kan planera ut och tänka på allt som kan gå fel och ha alla dessa oförutsedda händelser inbyggda i din plan, men det finns en sak som du inte hade kontroll över och som kan få en kink i vad du försöker åstadkomma."
Järnrika stenar och sediment från vulkaner i området skräpade ner marken där teamet behövde lansera sina drönare. Dessutom störde den magnetiska kvaliteten kompasserna på drönarna, vilket gjorde uppskjutningar till en utmaning.
"Vi skulle ställa den på marken och få ett fel," sa Larson. "Vi var tvungna att bli kreativa om hur vi skulle lansera drönarna."
Larson och Stockwell beskrev uppskjutande av drönare eller staplade utrustningsväskor och till och med sina egna händer. Murphy dök också upp i form av oväntade flygförhållanden. Stockwell sa att kombinationen av dal, vatten och berg som omger dem skapade varierande vindhastigheter och riktningar. Teamet behövde också ibland flyga drönarna från ett annat perspektiv än vanligt:Vanligtvis tittar drönarpiloter upp på enheten de kontrollerar. Teamet gjorde detta när de var nere i floden Coca River.
Men teamet styrde också drönaren från ovan, medan de stod på cliorna, 1 000 fot över floden. Denna vinkel kan påverka både navigerings- och kommunikationsanslutningar.
Larson sa att den ecuadorianska militären gav dem tillstånd att omintetgöra vissa drönarflygregler för att slutföra uppdraget, som att flyga under 400 fot och hålla drönaren inom direkt sikt.
"Vi kunde verkligen tänja på gränserna för drönaroperationer där nere", sa Larson. "Det gav oss möjligheten att flyga på vilken höjd vi ville, såväl som bortom visuell synlinje."
"Om det inte vore för [den ecuadorianska militären] tror jag inte att vi faktiskt hade kartlagt de 100 kilometerna."
Teamet förlitade sig också på hjälp från Ecuadors civila. Ibland var de enda platserna att lansera på privatägda fält eller bakgårdar. I dessa fall hjälpte CELEC-representanter till genom att knacka dörr och prata med människor om uppdraget. De flesta i samhället hade inga problem med att låta teamet skjuta upp drönare på sin egendom.
Larson sa att människor inte bara var förstående utan också välkomnande. Han flinade när han återberättade en speciell historia som lyfte fram denna gästfrihet. En dag hittade de den perfekta startplatsen vid en skolfotbollsplan som hade utsikt över 10-15 kilometer från floden de behövde kartlägga. Efter att ha pratat med flera stadsbor sa Larson att teamet hittade skolans rektors hus. De knackade på dörren och bad om tillstånd att få komma in på skolans område för att skjuta upp drönare.
Huvudmannen skyldig. Hon skickade sin son i lågstadiet för att låsa upp skolporten. Han hoppade på sin skoter och ledde lagets lastbil till skolan några hundra meter bort.
"Det var ett stort, kritiskt ögonblick för oss, för om vi inte hade tillgång till den skolan skulle vi ha kämpat för att hitta en bra plats att lansera", sa Larson. "Det ecuadorianska folket är så trevligt och de förstår vad som händer där nere."
Jordskred orsakade av floderosion och sedimentation tog ut byns vägar längs floden. Många använde kollektivtrafik för att pendla till Quito, landets huvudstad, för att arbeta. Andra förlitade sig på huvudvägen för att transportera varor in och ut ur byn. Larson sa att om en viss bro längs huvudvägen skulle underskridas av jordskreden, skulle det ta ytterligare 10 timmar att köra från byn till huvudstaden.
Teamet slutförde uppdraget att kartlägga över 100 kilometer, cirka 62 miles, av Cocafloden på under 15 dagar. Larson återvände till USA och började bearbeta de två terabyte med data som drönarna samlade in. De högpresterande beräkningsmöjligheterna på ORNL var avgörande för denna del av uppdraget.
"Du vill inte ta en bärbar dator och försöka behandla 52 flygningar. Det tar en evighet," sa Larson. "Att använda våra datorresurser på labbet har varit väldigt fördelaktigt."
Innan Larson och Stockwell besökte Ecuador samlade CELEC-team in 10 till 20 kilometer topografisk information ungefär varannan månad med hjälp av grundläggande drönare och teknik.
ORNL:s team kunde på två veckor åstadkomma vad som tidigare kan ha tagit åtta månader eller längre. Larson hjälpte till att omvandla drönarkartorna till 2D- och 3D-modeller med centimeterupplösning som nu används för att uppdatera de nationella kartorna över Ecuador och för att göra bättre tekniska modeller för CELEC och Army Corps of Engineers.
Dessa modeller kommer att hjälpa CELEC och deras partners att överträffa erosions- och sedimentationshastigheterna. "Det kommer verkligen att hjälpa dem att förstå platser med stor potential för jordskred," sa Larson.
"Men de kan också titta på "okej om vi behöver bygga om en bro, var kan vi bygga om den?" När vi säger 'kilometer 60' vet vi exakt var det är."
McConnell sa att teamet först kommer att stabilisera erosionszonen uppströms om den tidigare vattenfallsplatsen våren 2024. Sedan, sade han, kommer uppmärksamheten att riktas mot att stävja effekterna av sedimentbelastningen som rör sig nedströms.
"Det är professionellt spännande att arbeta tillsammans för att hitta en lösning," sa McConnell. "Du vet att du laddar in i det stora okända - det finns ingen färdplan för detta." Espinoza Girón sa att efter att ha tittat på modellerna överväger gruppen flera alternativ för att minska sedimentation, inklusive en omledningstunnel som skulle föra vattenkraftverkets utloppsstruktur längre nedströms för att undvika att begravas i sediment.
Ett annat alternativ han nämnde var att skapa konstgjorda knickpoints, eller skarpa droppar, i flodbädden, vilket skulle återskapa hur en flod kan bildas naturligt och bromsa erosionen från det strömmande sedimentet.
Den valda vägen kan vara ett klockslag för framtida geologiska händelser av detta slag. Barrera Crespo tillade att hastigheten med vilken Cocaflodens erosion och sedimentering fortskred skapade en unik fallstudie för hydrogeologiområdet. Han hoppas att det kommer att belysa behovet av korrekt sedimenthantering när nya dammar byggs, nu när effekterna kan ses över månader istället för de normala decennier det tar för en flodbädd att sätta sig och erodera.
"Sedimenttransportrelaterade problem i floder är inte så lätta att se i normala tidsskalor," sa Barrera Crespo. "Detta är i grund och botten en möjlighet som vi har en gång i livet för att ta itu med det här problemet. Med hjälp av världskänd expertis har detta varit en värdefull möjlighet för alla."
För Larson är den viktigaste delen av uppdraget förmågan att hjälpa Ecuadors folk och deras land. Men det är också en vattendelare för hans karriär.
"Att träffa alla människor där nere och se vilken effekt vi kan ge kommer definitivt att vara bland höjdpunkterna i min karriär", sa Larson. "Jag kommer att minnas det här för resten av mitt liv."
UT-Battelle sköter ORNL för Department of Energy's Oaice of Science, den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysikaliska vetenskaper i USA. Office of Science arbetar för att ta itu med några av vår tids mest angelägna utmaningar.
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
