Basado en el mundo del desierto de esta pregunta , necesito transportar alrededor de 500 kilómetros cúbicos de agua / año a través de un desierto. Usando esta calculadora. esto se puede lograr si el canal de alimentación principal tiene 15 m de profundidad, 3200 m de ancho y una pendiente de 1 mm/km. Esto da un caudal de alrededor de 0,366 m/sy proporciona la cantidad de agua necesaria.
El problema es que el canal principal (y todos los canales más pequeños de la red) sufrirán sedimentación. ¿Cómo puedo evitar que esto suceda?
Los canales se podrían poner en túneles, pero esto sería muy costoso y arruinaría la trama, por lo que preferiría no usar túneles, pero se considerarían todas las demás opciones. Casi cualquier aspecto del canal se puede ajustar, como el tamaño, la forma, la pendiente y la elevación, pero se debe evitar que el sedimento ingrese, se elimine o se trate de otra manera mediante el diseño (y la longitud es fija).
Antecedentes
El mundo es más o menos como la Tierra, pero tiene mucha menos agua y la mayor parte de lo que hay está encerrado en los casquetes polares, de ahí los canales que van desde los polos hasta las zonas templadas a través de una red de canales construida por una civilización avanzada que ha desaparecido desde entonces. . El sistema de canales está actualmente ocupado por una civilización mucho más primitiva (anterior al 400 d. C.).
La población total que vive en la red de canales es de unos 50 millones. Toda el área es un desierto similar al Sahara pero atravesado por una red de canales de 3000 km de ancho. Las tierras cercanas a los canales son agrícolas con vegetación mixta que incluye bosques, pastizales y una variedad de cultivos, incluido el trigo. Cada año se inunda la tierra para evitar la acumulación de sales en el suelo.
Lo primero que debe tener en cuenta cuando busca dragado es que no es Wikipedia en la parte superior, es un anuncio de un contratista de dragado.
Esto no es algo que se pueda ignorar, es una cuestión de mantenimiento continuo en cualquier vía fluvial administrada o artificial .
Cuando el agua entra, ya sea a través del canal o como escorrentía, lleva partículas suspendidas que caen a medida que cae la energía del agua. Cuanta más energía inicial tiene el agua, mayor es la carga de partículas, más sedimento se acumula a medida que el flujo se ralentiza. La mayoría de las cosas que terminan en el agua eventualmente se hunden, lo que aumenta la acumulación. Las plantas crecerán y morirán en el agua, los peces defecarán y morirán en el agua, los animales ocasionalmente morirán en el agua. No se puede evitar el problema en un canal abierto.
En última instancia, la gente tendrá que dragar para mantener los canales despejados.
Tres posibles soluciones me vienen a la mente desde la parte superior de mi cabeza:
Uno La civilización avanzada biodiseñó babosas de limo para comer el limo, arrastrarse fuera del canal y depositar el limo en las orillas del canal, todo hecho de una manera respetuosa con el medio ambiente, por supuesto, y muy bien integrado en el (los) ecosistema (s) que rodea los canales.
Dos dragas automáticas atraviesan los canales y raspan el sedimento acumulado del fondo y lo depositan en las orillas del canal. Un problema probable aquí sería que su civilización actual no tiene la habilidad para reparar las dragas, por lo que tendrían que repararse a sí mismas de alguna manera.
Tres Dado que las aguas de su canal corren con bastante lentitud, el suelo del canal se rompe cada pocos cientos de metros por una fuerte elevación, que luego procede a declinar gradualmente. El sedimento se acumulará en estas obstrucciones y se puede sacar usando un artilugio mecánico simple.
Incluso puede incorporar más de una de las opciones anteriores, utilizando diferentes medios en diferentes secciones o combinándolos.
Lo único que podría disminuir ( no evitar) el problema son algunas estaciones decantadoras, especialmente al comienzo del canal, donde se recolecta el hielo derretido para alimentar el sistema del canal y el flujo es máximo.
La corriente de agua es muy lenta, por lo que no mantendrá en suspensión partículas más pesadas que el agua, que se depositarán.
Tener "estanques decantadores" muy grandes al inicio y en intervalos regulares (si realmente desea tener canales de 3,5 km de ancho, debe permitir lagos reales de al menos tres veces ese tamaño) ayudará a mantener los canales lo más limpios posible.
Recuerde que el desierto de arena tiene "olas de arena" (dunas) que se mueven y, por lo tanto, los "antiguos constructores" deberían haber construido algún terraplén para proteger los canales del ataque directo de la arena.
Esto, sin embargo, no puede proteger del polvo transportado por el viento. Obviamente, esto es peor ya que insistes en los canales de cielo abierto.
Tener lagos decantadores al menos dos veces más profundos que los canales y con forma cónica disminuirá el problema, pero no lo resolverá . Tarde o temprano los lagos se llenarán y perderán su efecto purificador.
Será necesario algún tipo de mantenimiento, también porque los decantadores pueden disminuir, pero no eliminar, los sedimentos en los canales.
Para hacer un mantenimiento "automático" de los decantadores, los antiguos constructores, en su sabiduría, acoplaron los grifos de agua con los decantadores, construyendo tuberías cerradas y herméticas a partir del punto más profundo del decantador. Otra tubería (más pequeña) llevaría aire a presión a la toma de agua creando así una especie de puente aéreo que tendrá un doble efecto: bombear agua desde el sistema de canales hasta donde se necesite y dragar el fondo de los decantadores. Los medios para generar el flujo de aire comprimido necesario para alimentar el sistema se dejan para el ejercicio del alumno, pero sugiero algún tipo de energía eólica. La presión requerida sería bastante alta y no estaría disponible con la tecnología de la civilización actual (el flujo de aire no necesita ser muy alto, solo la presión debe ser de al menos una barra por cada 10 m de profundidad).
Nota: otros tipos de bombas funcionarían igual, siempre que la entrada de agua esté cerca del fondo, pero necesitarían un flujo bastante constante, mientras que el puente aéreo puede generar una succión bastante poderosa, capaz de destapar la mayoría de las situaciones.
Otras cosas útiles que los constructores habrían hecho es construir un sistema de canales con un material antiadherente suave.
En cualquier caso, se necesitará algún tipo de mantenimiento y reemplazar la maquinaria defectuosa con "equivalentes" de baja tecnología podría proporcionar muchas ideas para la trama.
Probablemente haya un problema más fundamental con esto... como lo encontraron los mesopotámicos (ver por ejemplo http://www.waterencyclopedia.com/Hy-La/Irrigation-Systems-Ancient.html ) - el agua es un buen transporte de solubles minerales que quedan en la tierra cuando el agua se evapora. El sedimento que bloquea los canales para que ya no alimenten de agua a las tierras envenenadas por la sal tal vez sería una bendición... el sedimento sería sin duda una de las preocupaciones menores a largo plazo.
500 kilómetros cúbicos son 500 mil millones de litros. Incluso el cuarzo 'insoluble' a 6 ppm (solubilidad del cuarzo en agua en STP) está produciendo del orden de 3x10^^6 Kg (tres mil toneladas/toneladas) de depósito de cuarzo por año en los campos... lo que crearía caos en las áreas que se riegan. E inundar los campos no elimina esto... a menos que puedas lavarlo en los océanos.
Ya tienes un flujo de agua variable en forma de inundaciones estacionales de los campos. Si obtiene una acumulación de sedimentos a 0,366 m/s, entonces aumentar el flujo de agua debería recoger ese sedimento nuevamente y depositarlo en otro lugar. El lugar habitual para que el sedimento se vaya es el océano. Asegúrese de que su flujo de agua lo ayude a llegar allí.
Suponiendo que haya esclusas periódicas en este sistema de canales, no debería ser difícil desarrollar un cronograma en el que las aguas más altas aguas arriba induzcan flujos superiores a 0,366 m/s.
Digamos que tenemos tres segmentos de canal: A, B y C donde C está más cerca del océano. Cuando las esclusas AB y BC están completamente abiertas, obtenemos la tasa de flujo total de 0,366 m/s en las secciones A, B y C. Sin embargo, cuando AB está 10 % abierta y BC está 100 % abierta, entonces las secciones B y C drene, dejando suficiente agua en A. Una vez que haya una diferencia sustancial en la altura del agua, cuando AB se abra al 100%, debería haber una velocidad de flujo sustancialmente más alta de lo normal. Esta tasa de flujo más alta debería socavar el fondo del canal y llevar el sedimento corriente abajo.
Incluso con caudales medios más altos, seguirá habiendo partículas más grandes que se acumularán con el tiempo. Las tasas de flujo más altas solo significan que las partículas que se precipitan serán más grandes.
Diseño de esclusas Construir compuertas de esclusas que abarcan la mitad del canal de 3 km es ridículo. Estos no solo son difíciles de construir sin técnicas modernas de ingeniería y materiales modernos, sino que realmente no necesitan ser tan anchos de todos modos. Construya pilares de piedra en una línea a través del canal de la misma manera que se construyen los pilares de los puentes. La distancia entre los pilares será ligeramente inferior al doble del ancho máximo de una compuerta de esclusa. Construya los pilares de tal manera que se les puedan unir puertas de esclusa y aguanten el peso del agua.
Una vez que los pilares estén completos, construya un puente a través de la parte superior de los pilares.
Inundaciones intensas periódicas.
Los cursos de agua controlados, como los canales y los ríos represados, tienden a acumular más limo del que deberían. Una forma de aliviar esto en un sistema fluvial represado es abrir las compuertas de inundación de las represas durante una semana más o menos, cada año o dos, para eliminar del sistema los sedimentos que se acumularon durante los períodos de flujo lento.
Las inundaciones estacionales son una de las razones por las que el río Nilo nunca se obstruye.
Puede encontrar una explicación de High Country News aquí . Se puede encontrar una evaluación académica aquí . Puede encontrar un blog que describe el High Flow Experiment (HFE) aquí .
Por supuesto, no todo el sedimento expulsado de los sumideros de arena en el sistema de canales terminaría completamente fuera del sistema. También crearía bancos de arena y playas más abajo en el sistema.
La cantidad de sedimento que se acumule también dependería en gran medida del material con el que se construyó el canal y su textura. Un revestimiento sólido para los canales con una textura "resbaladiza" va a acumular menos sedimentos que uno con paredes de tierra arenosa con muchos rincones y grietas para que se acumulen sedimentos para formar bancos de arena y similares.
Otra opción, no inconsistente con esta, sería tener ramales sin salida donde el sedimento fue desviado intencionalmente a través del flujo de agua natural, para mantener el canal principal despejado. El sedimento suele ser un buen suelo para los cultivos, por lo que tiene valor fuera del canal.
Esa es una alcantarilla muy ancha y muy profunda.
De hecho, es un río. Un río de movimiento muy lento, de más de tres kilómetros de ancho y cinco pisos de profundidad.
Un factor crítico es con qué está revestido. ¿Es simplemente excavado del suelo existente? ¿Es roca o arcilla? ¿Qué tan pegajoso es el regolito circundante?
Si todo esto es 'juego justo' para la manipulación, entonces sugeriría que la civilización avanzada lo habría revestido con alguna forma de plasticrete muy suave, de baja fricción y extremadamente duradero. Dale lados sobre el nivel del suelo de, digamos, tres metros para evitar que la tierra de la superficie entre. No mencionas vientos o tormentas, o su frecuencia. La instalación de 'vallas de deriva' en cada lado más alejado de los lados reduciría los sedimentos del regolito que sopla. Idealmente, los lados estarían diseñados para producir flujos de viento que formen una cortina de aire sobre la superficie superior, de modo que la suciedad y el polvo pasen completamente por encima y no se depositen en la superficie.
Una combinación de reducción del sedimento antes de que entre y costados que eviten que se pegue disminuiría el problema.
Ahora, coloque corrugaciones en el fondo, paralelas a los lados, y el sedimento se localiza en canales. Esto facilita el dragado. Colocar ondulaciones perpendiculares a los lados produciría trampas de sedimentos y el dragado se localizaría aún más. Quizás las líneas de arrastre, perpendiculares a los lados, en estos canales preformados, harían del dragado un procedimiento de mantenimiento de rutina. Estoy pensando quizás en una alcantarilla curva, en lugar de un canal de fondo plano, como la mitad de una tubería, por lo que el sedimento caería naturalmente a un punto central a lo largo de los lados lisos. Esto lo haría mucho más profundo, para mantener el mismo volumen.
Pero la muleta es el grado de ingeniería, construcción y materiales que permite esta civilización avanzada pero extinta que construyó la infraestructura.
EDITAR
Muchas respuestas aquí basan el caudal en la pendiente del canal. Para este escenario, esta suposición no es precisa. El caudal se basaría en la cantidad de agua que se extrae de la cuenca. Una bañera tiene un gradiente muy poco profundo y prácticamente ningún flujo, hasta que tiras del tapón. Entonces, el caudal depende del tamaño del drenaje de descarga. Este sistema es esencialmente una bañera alargada muy grande y muy larga. Aparentemente no desemboca en un océano, por lo que el agua se extrae solo para riego y consumo. El flujo no sería constante, sino que dependería de la demanda. Cuanta más agua se elimina, más rápido es el flujo.
Creo que el factor más importante sería el volumen de agua que contiene la cuenca, la cantidad de agua extraída y la cantidad de agua que puede agregarse por el grifo (los flujos de hielo de la región polar). Si el grifo suministra menos agua de la necesaria, el lavabo se drena. Si el grifo suministra más agua de la necesaria, el lavabo se desborda. Si el grifo suministra el mismo volumen de agua que se extrae, el nivel del agua en el lavabo se mantiene nivelado. El gradiente es irrelevante. Lo que importa es el efecto de la gravedad en todo el cuerpo de agua. Como una bañera, drene un extremo y el nivel del otro extremo caerá con él.
Independientemente del gradiente, cuanta más agua se elimine, más rápido caerá el nivel. Cuanto más estrecho es el canal, más rápido fluye el agua hacia el desagüe. Se ve obstaculizado por la fricción con los lados del canal, no por la pendiente. Lados lisos, menos fricción, más rápido fluye el agua.
Sin embargo, la tasa de evaporación depende del flujo del agua. Cuanto más estancada esté el agua, mayor será la tasa de evaporación. Por lo tanto, un canal más angosto pero más profundo es más ventajoso que un canal más ancho y menos profundo. Un canal de 3200 m de profundidad pero 45 m de ancho es igual de efectivo y entrega la misma cantidad de agua, pero mucho menos área de superficie para la evaporación y la acumulación de sedimentos.
Si los canales desembocan en un océano y la corriente creada por las inundaciones anuales es suficiente para empujar el sedimento hacia la boca del canal o canales, como solución parcial, se podrían construir largos muelles de sedimentos en la desembocadura para estrechar el canal y aumentar la Actual. El aumento de la corriente cortará cualquier banco de arena que se acumule en la boca.
El ingeniero James Buchanan Eads diseñó un sistema de este tipo para el río Mississippi en el siglo XIX. Su solución se describe aquí: https://www.hnoc.org/south-pass-jetties-mississippi .
John McPhee menciona la solución de Ead en el primer ensayo del interesante libro The Control of Nature : https://en.wikipedia.org/wiki/The_Control_of_Nature .
Los embarcaderos de sedimentos también están en uso al final del río Mitchell en el estado de Victoria en Australia: https://www.marinerscoveresort.com/around-the-lakes/things-to-do/mitchell-river-silt-jetties /
Sospecho que la hierba de pato será la solución más fácil. Cualquier planta pequeña que flote servirá. Dar en raíces muy finas que atrapan limo. Los lugareños, además de sacar agua de los canales, extraen la lenteja de agua como fertilizante, trayendo limo con ella.
El tamaño de partícula que se puede transportar depende de la capacidad del aire en movimiento para transferir impulso. Aire más fino = menor transporte. Esto pospone el problema. Sin embargo, una mayor velocidad del viento puede compensar.
El tamaño de las partículas que el viento puede recoger depende mucho de la velocidad del viento. Si puede encontrar una razón plausible para la baja velocidad del viento cerca de los canales, se puede transportar muy poco sedimento hacia ellos.
Cree un árbol como una secoya, pero sin la dependencia de la niebla. Tiene una tradición de la última milla a las orillas del canal se plantan árboles de mongo. Dale a tu planeta una gravedad más baja, y podrían tener mil pies de altura. La tradición es que solo se pueden cosechar las ganancias inesperadas en el bosque, pero los campesinos plantan una hilera cada vez que nace un niño para proporcionar una dote más adelante. Estos no serían los gigantes a lo largo del canal, pero incluso aquí en la Tierra, un álamo balsámico de 20 años es un árbol de buen tamaño. (60-80 pies 1-2 pies de diámetro)
Tienen una tradición de agricultura con cultivos de cobertura. El suelo nunca está desnudo. La multitud de permacultura habla sin cesar sobre cultivos de cobertura y sistemas de cultivos múltiples.
Haga que el canal de material muy duradero serpentee ligeramente y tenga canales laterales angostos a lo largo de la longitud en el interior de las curvas del meandro donde se acumulará el sedimento. Si el canal tiene 30 m de profundidad y es resistente a la erosión, y el flujo de agua medio requiere solo 15 metros de profundidad, entonces el agua abrirá un canal a través del sedimento según sea necesario. Desperdicia la profundidad del canal pero resuelve el problema de sedimentación. Los ríos se sedimentan porque el caudal disminuye. Las alcantarillas y los desagües pluviales no lo hacen porque se mantiene el caudal y la pendiente se fija por diseño.
Con el tiempo, los canales laterales se sedimentarán y reducirán el desperdicio de agua, a menos que una comunidad esté ubicada allí y quiera excavar un canal para obtener una porción de agua. Esto hace que la eliminación de sedimentos sea una situación ganadora para los lugareños primitivos con nutrientes para las plantas libres y un flujo de agua confiable.
El verdadero problema aquí es que necesita un basurero del tamaño de un océano para depositar todo ese sedimento durante generaciones, ya que no podrá seguir empujándolo (mediante trabajo comunitario o inundaciones periódicas) hacia los lados del canal sin que se quede en el fondo de un barranco formado por limo. Su mundo tendrá una vida operativa finita antes de que se convierta en una situación del tipo Delta del Okavango en la que el agua deja de fluir porque ya no hay más cuesta abajo para fluir.
La inundación periódica del Nilo para eliminar la sal y renovar el sedimento solo funcionó porque el sedimento salado y sin nutrientes podía ser arrastrado al océano Mediterráneo.
EDITAR:
Con la opción de que el canal eventualmente se derrame en un lecho marino seco, se podría permitir que el sedimento sea transportado hasta el final con lo último del agua. Ya no se requieren inundaciones periódicas, ya que cualquier agricultor que quiera seguir creciendo tendrá que transferir el sedimento salado viejo al canal mediante un esfuerzo manual mientras extraen limo fresco del canal para reemplazarlo y mantener sus campos por debajo del nivel del agua. Este proceso hará que el agua del canal aumente su salinidad río abajo a medida que los ciudadanos cambien lo salado por limo fresco. El exceso de salinidad puede hacer que los sitios río arriba sean más valiosos para las castas gobernantes o posiblemente el humus adicional en el sedimento río abajo puede ser un beneficio para una vegetación más tolerante a la sal, lo que sería un escenario en el que todos saldrían ganando. Se pueden crear lentamente más tierras para quienes estén preparados para cultivar en un delta salado.
Los diseñadores del canal habrían creado algún método que sea factible e intuitivo para mantener el canal en funcionamiento durante milenios. Tener limo en la parte inferior protegerá el material de revestimiento de forma gratuita si el diseño mantiene una capa en todas partes.
Tener el revestimiento hecho de lecho rocoso local en secciones cónicas hexagonales permitiría a los nuevos ciudadanos repararlo si hay daños por terremotos, un hundimiento o un desgaste extremo en algún lugar debido a la actividad portuaria o similar.
Hacer un recorrido paralelo de canales permitiría que uno sea una copia de seguridad mientras el otro está en renovación. En la serie Rama de Arthur C Clarke, todo se hizo en 3 como una característica de redundancia. Tener millones de ciudadanos que dependen de un único punto de falla suena un poco desagradable por parte de los diseñadores del canal.
Los canales están ligeramente en espiral desde los polos hasta el ecuador. La fuerza de Coriolis ayuda a mover el agua y, además, una luna del planeta que orbita rápidamente barre los canales con las mareas. Los canales están revestidos con hormigón de nanocarbono sintético que es muy duradero. La fricción del agua en movimiento en el lecho de agua crea energía que disuelve el limo. ¡Hurra!
Bueno, han pasado más de 20 años desde que tomé una clase de hidráulica, pero...
Si bien querrá hacer un lavado periódico de los canales inundando todo el sistema (ya sea a través de descargas de una presa o de una temporada de monzones), puede minimizar la acumulación de sedimentos utilizando una sección transversal más parabólica. Esto ayuda a concentrar el flujo de agua en el medio del canal, manteniendo el agua en movimiento relativamente rápido incluso cuando hay un volumen menor de agua moviéndose a través de ella.
Los sistemas de alcantarillado en Liverpool hacen uso de esta técnica, con la sección transversal del alcantarillado en forma de huevo, con la parte puntiaguda en la parte inferior, en lugar de ser un cilindro.
El material utilizado en la construcción del canal también importa. Cuanto más suave sea la superficie ( aspereza de Manning ), menor será la desaceleración que tendrá en el fondo del canal y, por lo tanto, menos depósito de sedimentos.
Elevar el canal, como algunos tramos del acueducto romano. Esto reducirá la posibilidad de desechos, excepto de la variedad aviar. Luego, solo necesita asegurarse de que esté libre de sedimentos antes de ingresar, lo que podría hacer con una piscina de destilación.
Sin embargo, en un planeta desértico, probablemente querrá evitar que esté expuesto debido a la evaporación, lo que también solucionaría el problema de los sedimentos. Los romanos construyeron su sistema de acueductos antes del 400 a. C., con partes cubiertas y descubiertas. La única diferencia es que el tuyo fluye más agua. Si la cobertura no es una opción porque necesita los 3200 m y la gestión de la cobertura no es práctica, entonces solo tenga canales laterales especiales para evitar la entrada de material en el canal principal. Entonces los canales laterales se pueden dragar mucho más fácilmente.
La única otra opción es aumentar el caudal para que pueda transportar más en suspensión.
Jaime
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