La géologie le long de la rivière Coca en Équateur évolue rapidement. Dans un domaine scientifique où les merveilles naturelles se forment au fil des millénaires, mais où les catastrophes naturelles se produisent en quelques minutes, la rapidité est loin d'être souhaitable.
Au cours des quatre dernières années, le fleuve et ses environs dans le bassin amazonien ont connu l'effondrement d'un barrage de lave, 500 millions de tonnes de sédiments déplacés vers le bas du fleuve, des glissements de terrain et la formation de ce que certains ont surnommé le « Grand Canyon équatorien ». /P>
À la suite de ces événements, des ponts et des pipelines se sont effondrés, l'effondrement des berges des rivières a menacé les maisons et les entreprises, et les ingénieurs équatoriens craignaient que la baisse rapide du cours supérieur du fleuve ne fasse disparaître une centrale hydroélectrique qui fournit de l'électricité à un tiers du pays.
Ces impacts et menaces ont rassemblé un groupe international d'experts, dont Matt Larson et Brandon Stockwell du groupe des systèmes autonomes du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. Larson et Stockwell ont utilisé des drones pour cartographier une section jusqu'alors non étudiée de la rivière Coca.
L'imagerie visuelle, thermique et multispectrale haute résolution de l'équipe sera utilisée pour mettre à jour les cartes nationales de l'Équateur et créer de meilleurs modèles techniques pour atténuer l'érosion.
Pour mieux comprendre la gravité de leur mission, revenons en arrière. Le 2 février 2020, la cascade de San Rafael a disparu. Les journalistes et les géologues ont utilisé différents mots pour décrire ce qui est arrivé à la plus grande cascade d'Équateur il y a quatre ans. Que la merveille naturelle ait « échoué », « s'est effondrée » ou ait été « abandonnée », le phénomène singulier survenu ce jour-là sur la rivière Coca a déclenché une cascade d'événements géographiques qui continuent d'avoir un impact sur le paysage, les infrastructures et la sécurité du pays.
Pedro Barrera Crespo, ingénieur hydraulique et consultant pour la Corporación Eléctrica del Equateur, ou CELEC, la principale compagnie d'électricité du pays, n'a eu aucun problème à trouver un mot pour qualifier cette situation :"alarmant".
Que s’est-il réellement passé ? La cascade de San Rafael s'est formée il y a des milliers d'années lorsque des débris volcanoclastiques du volcan Reventador voisin ont formé un barrage de lave naturel dans la rivière Coca. C'était autrefois la plus haute cascade d'Équateur, tombant d'une hauteur d'environ 150 mètres, ou 490 pieds, au milieu d'une dense forêt tropicale humide. La rivière a coulé au-dessus du barrage de lave, à travers la cascade, dans un bassin d'où elle a continué encore 400 milles avant de rencontrer le fleuve Amazone.
Juste en amont du barrage de lave, un gouffre s’est formé dans le lit de la rivière. Le 2 février 2020, le toit du gouffre s'est effondré, laissant tomber le débit de la rivière sous le barrage de lave plutôt qu'au-dessus. La rivière a continué à couler, mais l'une des plus grandes attractions touristiques de l'Équateur a été perdue à jamais.
Les pertes continueront de s’aggraver au cours des mois suivants, à mesure que les effets de cet événement unique se feront sentir. Il est plus facile d'explorer les retombées de l'effondrement de la cascade en deux sections :en amont et en aval du barrage de lave.
L’effondrement du gouffre a laissé derrière lui un changement brusque de la pente du lit de la rivière, connu sous le nom de coupe de tête, juste en amont du barrage de lave. Le matériau du lit de la rivière fraîchement exposé au niveau d'un déversoir est instable, provoquant l'érosion des roches et du sol dans le sens opposé de l'écoulement de l'eau. Au cours des 18 premiers mois qui ont suivi l'événement de la cascade, le dénivelé de la rivière Coca a régressé de 12 kilomètres, soit un peu plus de 7,4 milles, en amont alors que l'eau emportait la terre en dessous.
Si l'érosion s'était poursuivie à ce rythme, la plus grande centrale hydroélectrique d'Équateur, située à seulement 19 kilomètres en amont de la cascade, aurait probablement perdu son activité.
La centrale hydroélectrique Coca Codo Sinclair fournit 26 % de l'électricité du pays.
Pablo Espinoza Girón, qui dirige la sous-commission du CELEC sur la rivière Coca, a déclaré que le CELEC avait initialement lancé une étude après l'effondrement du gouffre pour comprendre les implications dans un avenir proche pour la centrale hydroélectrique.
"C'était vraiment un grand avertissement pour le CELEC après cette étude, car les résultats étaient alarmants", a déclaré Girón. "Les implications potentielles étaient vraiment désastreuses pour l'usine."
Les implications sont les suivantes :Si le dénivelé de la rivière devait s'éroder en amont jusqu'à la centrale hydroélectrique, la rivière nuirait à la prise d'eau de la centrale. Sans eau, la centrale ne peut pas produire d'électricité, ce qui entraîne des conséquences désastreuses pour la population et le commerce équatoriens.
"Ce serait l'équivalent américain d'une panne de courant englobant toute la côte Est et certains États adjacents", a déclaré Larson de l'ORNL.
Heureusement, l'érosion des tranchées a ralenti en raison d'une combinaison de matériaux plus stables dans le lit de la rivière, plus proches de la centrale hydroélectrique, et de conditions inhabituellement sèches du bassin fluvial depuis 2022. Pourtant, l'érosion est inquiétante pour l'approvisionnement en électricité du pays ainsi que pour le paysage et les infrastructures environnantes. La menace d'effondrement reste toujours présente alors que la rivière continue de couler.
À mesure que l'érosion et les glissements de terrain se poursuivent en amont, les roches, le sable, la terre et d'autres débris naturels du lit de la rivière s'écoulent en aval. Au total, 500 millions de tonnes de sédiments descendent la rivière Coca. Ces sédiments lourds et en mouvement constituent une force, car ils creusent des terres au milieu de la rivière, provoquant l'effondrement d'oléoducs, de ponts et de parties d'une route principale.
Adriel McConnell du Corps des ingénieurs de l'armée américaine, ou USACE, a tenté de relativiser la charge sédimentaire de la rivière Coca depuis l'effondrement de la cascade de 2020.
"Les sédiments dont nous parlons et qui se sont déplacés dans ce tronçon du Rio Coca qui s'étend désormais sur 12 kilomètres, soit environ 7,5 miles, représentent 1,25 fois plus de sédiments que ceux qui transitent par l'embouchure du fleuve Mississippi sur une base annuelle", a déclaré McConnell. dit.
Pour plus d'informations, le fleuve Mississippi est plus de 300 fois plus long que le segment de la rivière Coca traversé par la vague de sédiments.
À l’instar des dilemmes en amont, l’impact potentiel le plus important en aval de l’effondrement de la cascade concerne la centrale hydroélectrique de Coca Coda. En fonctionnement normal, l'usine canalise l'eau de la prise d'eau en amont vers la centrale hydroélectrique, à 65 kilomètres, soit environ 40 milles, en aval. Il rejette ensuite les eaux usées dans la rivière.
À mesure que les eaux usées s'écoulent vers l'aval, la vague de sédiments de 500 millions de tonnes pourrait éventuellement bloquer la structure de sortie de la centrale électrique, entraînant l'arrêt de la production d'électricité. Cet arrêt aurait un impact équivalent à une perte d'électricité sur toute la côte est des États-Unis.
Appel de renforts
Face à une double situation menaçant une source majeure de services publics, outre les infrastructures et les ressources naturelles, le gouvernement équatorien et l’ambassadeur des États-Unis en Équateur ont appelé à l’aide. Les renforts comprenaient l'équipe USACE de McConnell ainsi que des experts d'autres organisations nationales telles que la National Geospatial-Intelligence Agency, ou NGA, pour aider à atténuer les effets de ce phénomène unique. De plus, l'US Geological Survey a commencé à contribuer à l'élaboration d'un plan de surveillance des sédiments pour mieux caractériser les sols de la région, et le ministère américain de l'Agriculture a effectué des tests au jet de sol pour déterminer l'érodabilité du sol.
"Notre mission se concentre sur des projets visant à contrôler ce profil d'érosion et à le stabiliser avant qu'il n'atteigne la prise d'eau. Nous aidons l'Équateur à surveiller les sédiments en aval au fur et à mesure de leur progression pour déterminer, non pas tant si, mais quand ils doivent réaliser un projet massif. pour déplacer la structure de sortie plus en aval", a déclaré McConnell.
L'ambassadeur a également fait une demande spéciale pour que Larson et Stockwell de l'ORNL se joignent à l'effort. Ensemble, ils ont apporté à la mission leur expérience antérieure, leurs compétences avancées et leur expertise dans la conduite d’opérations à distance. Et les drones.
"Il y a plus de 1 000 pieds de profondeur jusqu'à la rivière dans certaines zones", a déclaré Larson. "Vous ne pouvez tout simplement pas aller voir ce qui se passe. La seule manière d'y parvenir est d'utiliser des drones."
Larson est chercheur scientifique au sein du groupe des systèmes autonomes de l'ORNL avec une formation en géologie et en technologie géospatiale. En fait, Larson a déclaré que pendant ses études supérieures, il avait utilisé le même modèle de drone qu'ils avaient emmené en Équateur pour cartographier les sédiments des rivières. En d'autres termes, il était bien adapté pour ce poste.
"C'était exactement ce qui me convenait", a déclaré Larson. "Je n'aurais jamais pensé cartographier à nouveau les sédiments au cours de ma carrière de chercheur, mais le voici."
La cartographie n'est qu'une partie du travail :Larson a également aidé à traiter toutes les données collectées par les drones à l'aide des ressources informatiques hautes performances d'ORNL. Traduites et compilées, ces données ont été utilisées par le CELEC pour créer des modèles d'atténuation des effets de la catastrophe naturelle sur la rivière Coca et sur les infrastructures de l'Équateur.
Le gouvernement équatorien, l'USACE et la NGA avaient effectué des études initiales après l'effondrement de la cascade de San Rafael, mais les capacités de l'ORNL sur le terrain et en laboratoire ont apporté des capacités inégalées pour rattraper Mère Nature.
"Les données sont reines", a déclaré McConnell de l'USACE. "La modélisation numérique et la modélisation informatique permettant de prédire ces chronologies d'érosion et de sédiments sont les domaines dans lesquels Oak Ridge est devenu un acteur clé pour nous."
Même si Larson a apporté à la mission ses connaissances en sciences et en traitement des données, il n'était pas habitué à opérer dans des environnements éloignés. Entrez Stockwell, spécialiste des systèmes autonomes chez ORNL et pilote du US Marine Corps. Complément de Larson, il connaît bien le fonctionnement des drones et a apporté ses propres compétences à l'équipe de Coca River en novembre 2023.
"En ce qui concerne les déploiements et les environnements austères, ce n'est pas nouveau pour moi", a déclaré Stockwell. "J'ai effectué de nombreux déploiements, donc c'est presque une seconde nature de participer à des opérations expéditionnaires."
Larson, Stockwell et leur équipe prévoyaient de cartographier le tronçon auparavant non cartographié de la rivière Coca, s'étendant sur 100 kilomètres ou 62 miles. Ils bénéficiaient du soutien de l'USACE, dont McConnell; Mike Shellenberger et Shawn Smith de NGA ; et du CELEC qui a surmonté les barrières linguistiques et fourni des connaissances régionales et historiques. Grâce à l'expérience de l'équipe dans le Corps des Marines, l'Armée et l'Armée de l'Air, leur planification reflétait naturellement les opérations des missions militaires.
L'équipe s'est réunie pour faire le point et coordonner leurs actifs « et dire :« Pouvons-nous accomplir cela avec les actifs dont nous disposons ? » », a déclaré Shellenberger, entrepreneur du NGA Warfighter Support Office et ancien soldat des forces spéciales de l'armée qui faisait partie du projet. "Tout cela fait essentiellement partie de la planification d'une opération militaire."
Même si l'équipe disposait des bonnes personnes, la tâche était grande :cartographier 100 kilomètres de rivière en 15 jours avec deux drones et aucune carte existante n'était pas une mince affaire. La couverture nuageuse constante au-dessus de la rivière Coca est si épaisse qu’il n’existait aucune imagerie satellite utile. La végétation inflexible du bassin amazonien rendait également la création de cartes apparemment impossible.
"C'était une grande mission que Matt a acceptée en ce qui concerne la quantité de cartographie que nous allions réaliser avec des drones... en deux semaines", a déclaré Stockwell. "Les cartes que nous utilisions pour planifier nos missions n'étaient que des nuages, ou c'étaient des images si anciennes que c'était comme deviner où voler en toute sécurité."
Ces conditions rendaient les drones essentiels à la mission :ils pouvaient voler sous les nuages et se lancer verticalement, offrant ainsi à l'équipe une certaine flexibilité dans un paysage accidenté. Avec un calendrier limité dans le temps, l'équipe a tracé les kilomètres qu'elle souhaitait cartographier chaque jour, avec une certaine flexibilité en fonction des conditions.
"Le temps est toujours nuageux. Il pleut toujours. Les images satellite ne sont pas bonnes", a déclaré Larson. "Les drones sont le seul moyen de cartographier cette zone."
Shellenberger l'a également reconnu, soulignant que même s'ils disposaient du bon équipement, Mère Nature avait son propre agenda.
"C'est l'un des environnements les plus restreints en termes de terrain et de conditions météorologiques dans lequel j'ai jamais été", a déclaré Shellenberger. "Nous avons dû intégrer cela dans notre calendrier." Shellenberger a ajouté que l'équipe a également dû prendre en compte "Murphy" dans sa planification, un terme militaire qui rappelle la loi de Murphy, selon laquelle tout ce qui pourrait mal tourner tournera mal. Et l'équipe a certainement rencontré Murphy pendant la mission.
Même si les conditions météorologiques imprévisibles étaient une variable connue, des facteurs tels que les roches magnétiques présentaient des défis inattendus. "Vous devez donner à Murphy ce qui lui est dû", a déclaré Shellenberger. "Vous pouvez planifier et penser à tout ce qui pourrait mal tourner et intégrer toutes ces éventualités dans votre plan, mais il y a cette chose sur laquelle vous n'aviez aucun contrôle et qui peut perturber ce que vous essayez d'accomplir."
Des roches riches en fer et des sédiments provenant des volcans de la région jonchaient le sol là où l'équipe devait lancer ses drones. De plus, la qualité magnétique interférait avec les boussoles des drones, rendant les lancements difficiles.
"Nous le poserions au sol et obtiendrons une erreur", a déclaré Larson. "Nous avons dû faire preuve de créativité sur la façon de lancer les drones."
Larson et Stockwell ont décrit le lancement de drones à partir de caisses d'équipement empilées et même de leurs propres mains. Murphy a également fait surface sous la forme de conditions de vol inattendues. Stockwell a déclaré que la combinaison de la vallée, de l'eau et des montagnes qui les entourent créait des vitesses et des directions de vent variables. L'équipe a également dû parfois piloter les drones sous un angle différent de celui d'habitude :en règle générale, les pilotes de drones regardent l'appareil qu'ils contrôlent. L'équipe a fait cela dans le lit de la rivière Coca.
Cependant, l’équipe a également piloté le drone d’en haut, debout sur le clias, à 1 000 pieds au-dessus de la rivière. Cet angle pourrait affecter à la fois la navigation et les connexions de communication.
Larson a déclaré que l'armée équatorienne leur avait accordé l'autorisation de contrecarrer certaines réglementations de vol des drones pour mener à bien la mission, comme voler en dessous de 400 pieds et garder le drone en visibilité directe.
"Nous avons pu vraiment repousser les limites des opérations de drones là-bas", a déclaré Larson. "Cela nous a donné la possibilité de voler à l'altitude que nous souhaitions ainsi qu'au-delà de la ligne de vue visuelle."
"Sans [l'armée équatorienne], je ne pense pas que nous aurions réellement cartographié les 100 kilomètres."
L'équipe a également pu compter sur l'aide des civils équatoriens. Parfois, les seuls endroits où lancer étaient des champs ou des cours privés. Dans ces cas-là, les représentants du CELEC ont aidé en faisant du porte-à-porte et en discutant avec les gens de la mission. La plupart des membres de la communauté n'ont eu aucun problème à laisser l'équipe lancer des drones sur leur propriété.
Larson a déclaré que les gens étaient non seulement compréhensifs mais aussi accueillants. Il sourit en racontant une histoire particulière qui mettait en valeur cette hospitalité. Un jour, ils ont trouvé le lieu de lancement idéal sur le terrain de football d'une école qui surplombait 10 à 15 kilomètres de la rivière qu'ils devaient cartographier. Après avoir parlé avec plusieurs habitants de la ville, Larson a déclaré que l'équipe avait trouvé la maison du directeur de l'école. Ils ont frappé à la porte et ont demandé la permission d'accéder à l'enceinte de l'école pour lancer des drones.
Le directeur obligé. Elle a envoyé son fils d’âge primaire ouvrir la porte de l’école. Il a enfourché son scooter et a conduit le camion de l'équipe jusqu'à l'école située à quelques centaines de mètres.
"C'était un moment important et critique pour nous, car si nous n'avions pas eu accès à cette école, nous aurions eu du mal à trouver un bon endroit pour nous lancer", a déclaré Larson. "Le peuple équatorien est si gentil et comprend ce qui se passe là-bas."
Les glissements de terrain provoqués par l'érosion fluviale et la sédimentation ont détruit les routes du village le long de la rivière. Beaucoup ont utilisé les transports en commun pour se rendre à Quito, la capitale du pays, pour leur travail. D'autres dépendaient de la route principale pour transporter les marchandises à l'intérieur et à l'extérieur du village. Larson a déclaré que si un pont particulier le long de la route principale devait être détruit par les glissements de terrain, il faudrait 10 heures supplémentaires pour conduire du village à la capitale.
L’équipe a achevé la mission de cartographie de plus de 100 kilomètres de la rivière Coca en moins de 15 jours. Larson est retourné aux États-Unis et a commencé à traiter les deux téraoctets de données collectées par les drones. Les capacités de calcul haute performance de l'ORNL ont été cruciales pour cette partie de la mission.
"Vous ne voulez pas prendre un ordinateur portable et essayer de traiter 52 vols. Cela prend une éternité", a déclaré Larson. "L'utilisation de nos ressources informatiques au laboratoire a été vraiment bénéfique."
Avant que Larson et Stockwell ne se rendent en Équateur, les équipes du CELEC collectaient 10 à 20 kilomètres d'informations topographiques tous les deux mois environ à l'aide de drones et de technologies de base.
L'équipe d'ORNL a pu accomplir en deux semaines ce qui aurait pu prendre huit mois ou plus auparavant. Larson a contribué à transformer les cartes du drone en modèles 2D et 3D de résolution centimétrique qui sont maintenant utilisés pour mettre à jour les cartes nationales de l'Équateur et pour créer de meilleurs modèles d'ingénierie pour le CELEC et le Corps des ingénieurs de l'armée.
Ces modèles aideront CELEC et ses partenaires à dépasser les taux d'érosion et de sédimentation. "Cela les aidera vraiment à comprendre les endroits présentant un fort potentiel de glissement de terrain", a déclaré Larson.
"Mais ils peuvent aussi se demander :'d'accord, si nous devons reconstruire un pont, où pouvons-nous le reconstruire ?' Quand nous disons « kilomètre 60 », nous savons exactement où cela se trouve. »
McConnell a déclaré que l'équipe stabilisera d'abord la zone d'érosion en amont de l'ancien emplacement de la cascade au printemps 2024. Ensuite, a-t-il déclaré, l'attention se tournera vers la réduction des effets de la charge de sédiments se déplaçant vers l'aval.
"C'est professionnellement exaltant de travailler ensemble pour trouver une solution", a déclaré McConnell. "Vous savez que vous vous dirigez vers le grand inconnu – il n'y a pas de feuille de route pour cela." Espinoza Girón a déclaré qu'après avoir examiné les modèles, le groupe envisageait plusieurs options pour atténuer la sédimentation, y compris un tunnel de dérivation qui amènerait la structure de sortie de la centrale hydroélectrique plus en aval pour éviter d'être enfouie dans les sédiments.
Une autre option qu'il a mentionnée consistait à créer des points de rebord artificiels, ou des chutes abruptes, dans le lit de la rivière, ce qui recréerait la façon dont une rivière pourrait se former naturellement et ralentirait l'érosion causée par les sédiments qui s'écoulent.
La voie choisie pourrait être un indicateur de futurs événements géologiques de ce type. Barrera Crespo a ajouté que la vitesse à laquelle l'érosion et la sédimentation de la rivière Coca ont progressé a créé une étude de cas unique pour le domaine de l'hydrogéologie. Il espère que cela mettra en évidence la nécessité d'une gestion appropriée des sédiments à mesure que de nouveaux barrages sont construits, maintenant que les effets peuvent être observés sur plusieurs mois au lieu des décennies normales qu'il faut pour qu'un lit de rivière se tasse et s'érode.
"Les problèmes liés au transport des sédiments dans les rivières ne sont pas si faciles à détecter à des délais normaux", a déclaré Barrera Crespo. "Il s'agit essentiellement d'une opportunité unique que nous avons pour résoudre ce problème. Avec l'aide d'une expertise de renommée mondiale, cela a été une opportunité précieuse pour tout le monde."
Pour Larson, la partie la plus importante de la mission est la capacité d'aider le peuple équatorien et ses terres. Mais c'est aussi un moment décisif pour sa carrière.
"Rencontrer toutes les personnes là-bas et constater l'impact que nous pourrions avoir sera certainement l'un des moments forts de ma carrière", a déclaré Larson. "Je m'en souviendrai pour le reste de ma vie."
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Fourni par le Laboratoire national d'Oak Ridge
