¿Se puede excavar un canal de transporte de agua con energía hidráulica?

1. "Existe un depósito de agua muy grande elevado sobre una gran extensión de tierra casi plana. Desde el fondo del depósito, la tierra cae con una pendiente muy suave de ~ 1 en 10,000. [...] La gente quiere construir un canal a través de la tierra plana para llevar agua desde el fondo del embalse a un río a 400 km de distancia".

   En primer lugar, necesitan excavar un gran depósito de compensación para poder controlar la carga hidráulica del agua que fluye hacia el canal. Absolutamente no desea que la fuente de agua esté a cientos de metros por encima de su canal, con el agua suministrada directamente a alta presión por una tubería forzada . Lo que quieren es algo como esto:

   \-------------------/
    \ - - Upper - - - /  control valve       ___ constant level of water
     \ - reservoir - /   ||                  |
      \ - - - - - - /____||___\--------------v--/--||-----------------------
       \ - - - - - __penstock___ compensation  ____||_________canal_________
        \---------/      ||     \  reservoir  /    ||
                                 \-----------/     outflow sluice
   

2. 1 en 10.000 es un pequeño gradiente; el agua fluirá lentamente: necesitarán un canal muy grande para entregar un caudal de 1.000 m³/seg.

   A modo de comparación, la pendiente media del curso inferior del Nilo, desde Asuán hasta el mar, es de 1 en 13.300; con un caudal medio de unos 2800 m³/seg, el río tiene 2,8 km (1,7 millas) de ancho y unos 10 metros de profundidad. Su canal tendría aproximadamente 1 km (0,6 millas) de ancho. Ese es un canal muy ancho.

3. Los ríos que fluyen sobre pequeños gradientes tienden a cambiar su curso de forma impredecible a menos que se controlen. La gente necesitará gastar un presupuesto significativo de recursos y mano de obra para mantener el canal.

4. Un río grande es una poderosa fuerza de erosión. No podrán convencerlo de que fluya libremente sobre un gradiente constante desde el embalse de compensación hasta el mar. Esta es una consecuencia del principio de mínima acción ; si dejan que el agua fluya libremente, tenderá a cavar un valle profundo en la fuente, y un valle muy ancho hacia su desembocadura. No quieren esto y, por lo tanto, deberán diseñar el curso del canal en secciones separadas por presas o presas.

5. Ahora llegando a las cuatro opciones presentadas por la pregunta:

   • Opción 1, cavar el canal antes de dejar entrar el agua: esto puede resultar en un canal estable, siempre que sepan lo que están haciendo. No necesitan cavar todo antes de dejar entrar el agua: pueden cavar una sección, dejar que el agua fluya hacia ella, luego cavar otra sección y así sucesivamente.

   • Las opciones 2, 3 y 4 se reducen a dejar que el río corte su curso como mejor le parezca: esto dará como resultado un río natural, no un canal. Tendrán que adoptar la opción 1 para la parte inicial del río a la salida del embalse de compensación, o el río erosionará su obra. Esas opciones son excelentes si la llanura no está poblada cuando dejan fluir el agua; pueden dejar que el río se estabilice y luego atraer a los habitantes. Pero si quieren poder predecir el curso del río, o si no quieren permitir que adopte el perfil de pendiente variable de un río natural, entonces estas opciones no son recomendables.

La respuesta de @AlexP fue fantástica. Lo voté. Por lo que debería. Pero puede haber una alternativa...

Utilizar Técnicas de Minería Hidráulica

La minería hidráulica es una forma de minería que utiliza chorros de agua a alta presión para desalojar material rocoso o mover sedimentos. ( Fuente , también imagen a continuación)

Instale tuberías que lleven el agua hasta el final (el mar) de manera que haya mucha presión, luego abra el canal de atrás hacia adelante, lavando (lentamente) el sedimento hacia el mar. Dependiendo de los depósitos minerales en el área, este método se puede combinar con técnicas de minería de placer (el uso de compuertas para extraer minerales más pesados) para extraer esos minerales y (desde una perspectiva de suspensión de la incredulidad) pagar por el proyecto.

TL:DR

Podría resultar, dado el hecho de que solo hay una caída de 40 metros de un extremo al otro, que el suelo es relativamente plano y sin obstrucciones, y que buscas un flujo de 1000 metros cúbicos por segundo, tu mejor opción simplemente podría ser olvidarse de erosionar el canal, olvidarse de cavar un canal piloto, de hecho olvidarse completamente de un canal excavado, y simplemente construir un gemelo de 400 km. largo 5m alto dique para canalizar el agua.

Con un canal ancho, es posible que termine moviendo mucho menos material: las paredes del dique no se acercan a las dimensiones del canal.

El agua fluye debido a las diferencias de energía. La energía potencial se convierte en energía cinética. Cuanto mayor sea la energía potencial, mayor será la energía cinética y el flujo resultante. Diez toneladas de agua fluyen a través de un canal porque, ante todo, se aplicó suficiente energía a esas diez toneladas de agua para ponerlas en movimiento (acelerarlas). Para mantener esas diez toneladas de agua en movimiento a través de la fricción de 400 km. de canal, necesitas una combinación de mucha inercia para empezar y suficiente energía para superar la fricción. Un desnivel de 40 m. en 400 km. no está suministrando mucha energía potencial para mover diez toneladas de agua a través de canales serpenteantes, rocosos y accidentados a 1000 metros cúbicos por segundo. El agua simplemente desbordará las orillas en la cabecera y se inundará sobre la llanura, hasta que se disipe en el suelo, se evapore o se estanque en charcos.

Cuanto más suaves, más rectas, más libres de fricción sean las orillas, más agua puede fluir en la misma dimensión del canal.

Los acueductos romanos tuvieron éxito porque eran tuberías selladas y, por lo tanto, el canal de agua podía presurizarse. El agua podría ser "empujada" a través de las tuberías a una fuente de alta presión, por lo que la energía de la presión podría contenerse y disiparse mucho más a lo largo del curso que solo en la fuente. Intente eso con un río, y el agua simplemente se expande bajo la presión en la fuente, disipándola rápidamente a través de las inundaciones.

La erosión solo ocurre cuando el agua tiene suficiente energía para transportar el material erosionado a cierta distancia. Si el agua no tiene suficiente energía para vencer la inercia de la partícula de arena (o lo que sea), la partícula de arena no va a ninguna parte. Para erosionar un canal completo, se necesita suficiente energía para superar la inercia de todo el material que hay que mover en ese canal: toda la masa. No solo está moviendo diez toneladas de agua, está moviendo diez toneladas de agua Y diez toneladas de tierra (los números son solo para ilustración).

Para llevar su agua a través de esos 400 km. distancia, necesita acumular mucha energía en la fuente, suficiente para recorrer toda la distancia. Ahora, para que se erosione, debe suministrar suficiente energía en la fuente para mover el agua Y la tierra esos mismos 400 km. Los ríos hacen esto usando una forma parabólica. Empinada al principio, menos profunda al final. Como una pista de montaña rusa, o un tobogán. Aumente la velocidad al descender por la pendiente empinada, acumule energía y luego descienda. Esas diez toneladas de agua en una fuerte caída ahora han acumulado suficiente energía para moverse tanto a sí mismas como a las diez toneladas de tierra a lo largo de 400 km. de superficie, con suerte. Se agregará muy poca energía adicional en el camino.

Quiere COMENZAR las diez toneladas de agua que se mueven en la parte SUPERIOR del depósito, dejándolas caer por la pendiente, aumentando la velocidad. Pero no quieres que simplemente se estrelle contra el suelo. Eso es como un viaje de ida por un precipicio. Un gran golpe en el suelo, un gran agujero, pero poco movimiento lateral. Quieres un canal parabólico en la parte inferior. Algo que cambiará el vector. Movimiento vertical en movimiento horizontal. No quieres que la energía se disipe en un big bang, quieres que continúe río abajo.

Así que quieres mucha ingeniería en la fuente. Un canal construido por la pendiente del embalse, en forma de parábola. Un diseño que no se puede dejar al azar. La naturaleza parece preferir la opción 'splat', las cascadas. Hacia abajo.

Una vez que obtenga la ingeniería en la cabecera y la ingeniería para dirigir el flujo en la base en una sola dirección en lugar de desplegarse, puede decidir si esas diez toneladas de agua tienen suficiente energía para transportar las diez toneladas de tierra. o cualquiera que sea la masa en realidad. Si son más de diez toneladas, se necesita mucha más energía. Si es menos de diez toneladas, no se necesita tanta energía. Ese es un cálculo de ingeniería: cuánto material debe moverse, qué distancia debe moverse y la energía necesaria para acelerarlo primero (inercia) y luego superar la fricción. No podemos saber eso hasta que se conozca el material real, qué tan alto está el extremo de la cabeza (energía potencial debido a la gravedad) y cuánta agua se está moviendo.

Una cosa es segura: para que el agua llegue al río, debe ser dirigida. ¿Hay un camino natural para que lo siga el agua, o la tierra es casi plana? Cuanto más plana es la tierra, más quiere el agua extenderse, disipando su energía en un área muy amplia. En un abanico, el área se cuadra con la distancia desde la fuente, por lo que el agua pierde rápidamente la capacidad de transportar cualquier material a medida que se aleja de la fuente.

Si no hay un curso recto natural, entonces el agua debe ser 'dirigida'. Sí, puede hacerlo excavando un canal piloto, pero también puede hacerlo construyendo un dique. Cualquiera que elija depende del material que esté excavando frente a la disponibilidad de material adecuado para construir el dique. Si el suelo es plano, sólido, con un lecho rocoso contiguo fuerte, pero hay un suministro abundante de relleno granular cerca, entonces construir un dique es probablemente la mejor opción. El terreno es llano, por lo que las paredes del dique serán paralelas al suelo. Alternativamente, si el suelo es fácil de excavar, o si tiene una fuente prolífica de explosivos o rayos de energía, probablemente sea preferible excavar el canal. Es mucho más fácil mover una roca grande que sacar esa misma roca de una roca sólida y luego moverla.

Ahora, usted tiene que considerar el final. ¿Hacia dónde desemboca este canal? ¿Un río, una piscina, un lago o un océano? Recuerde, la superficie de este punto final es solo 40 metros más baja que la cabecera. ¿Fuerzas de marea? ¿Olas impulsadas por el viento? ¿Inundación? ¿Está permitido que el agua sea empujada hacia arriba por el canal? ¿Qué tan profundo es el flujo de agua al final? Si es un río que tiene solo diez metros de profundidad, obviamente el canal no puede tener más de diez metros de profundidad, o se obtiene el potencial de reflujo. Si tiene una costa poco profunda, entonces el canal excavado debe excavarse lejos de la costa; cuanto más profundo sea el canal, más lejos deberá excavarse. ¿Es el flujo de agua capaz de aceptar 1000 metros cúbicos de agua por segundo, ¿MÁS todo el sedimento? ¿Necesita preocuparse de que todos los sedimentos se asienten fuera del agua? ¿Terminarás con un delta de río colosal? ¿O hay suficiente movimiento de agua en el destino para llevarse también el sedimento?

Si usa un dique, en lugar de cavar el canal, la parte inferior del flujo de agua (nivel del suelo) todavía está por encima del nivel de la superficie del río o similar. El agua del canal fluye ENCIMA del flujo de agua existente, no HACIA ADENTRO. No importa cuán poco profunda sea la costa, aún se le puede agregar el flujo de agua adicional.