Distribución de temperatura y velocidad de embalses : análisis numérico-experimental aplicado a los embalses de Sau (Ter) y Ribarroja (Ebro)

Abstract

The presence of a reservoir and its construction generate a direct impact in the rivers and in the surrounding landscape. The effects of the existing reservoirs, plus the combination of these with power plants (that use river water for cooling) or with the effects of the Climate Change, can cause significant changes in the thermal behavior of the river and, consequently, in the inhabiting communities. Water temperature is one of the most important variables of limnology studies: changes in the vertical temperature profile of a system modify the density of water and hence the stratification patterns. Most of the physical, chemical and biological processes that take place in a reservoir are controlled by the hydrodynamic and thermal evolution. The water temperature is the protagonist of this thesis because it is the key factor in most of the physical, chemical and biological processes occurring in aquatic ecosystems. The hydrodynamic model of a reservoir has to provide information about its complexity, for example, water stratification, mixing processes and water velocities. The initial knowledge of the system hydrodynamics is also necessary to carry out studies of water quality. The hydrodynamic performance is critical in terms of suspended sediment transport, dissolved contaminants or biological processes. In summary, the study of the hydrodynamic evolution of a reservoir is useful to know the quality of the stored water. This thesis has also furthered the knowledge of the hydrodynamic and thermal behavior of reservoirs. First of all a field data has been gathered, showing the hydrodynamic and thermal behavior of two catalonian reservoirs: Ribarroja Reservoir (Ebro River) and Sau Reservoir (Ter River). Both reservoirs are similar but differ in morphology, hidrology, water level, management criteria, sediment transport or in the presence of invasive species. Besides experimentally studying Ribarroja and Sau reservoirs by taking field data, in both cases the study has been supported by 2D and 3D numerical modeling. Numerical models of reservoirs are a useful tool for studying the behavior of the reservoirs as well as for predicting water quality and for managing the dam. After studying the thermal and hydrodynamic behavior of the reservoirs, numerical models have been applied to determine the thermal evolution in the length and depth of the studied reservoirs. For doing this CE-QUAL-W2 (Cole & Wells, 2008) model has been used, presenting good data fit to the data field campaigns. Noting that the 2D simulation using CE-QUAL-W2 was not capturing the complex 3D hydrodynamicas of the Ebro-Segre Rivers confluence in the tail of Ribarroja reservoir, it has been studied using a 3D model. FreeFlow (Cea et al., 2008) is the 3D hydrodynamic model used in which, in the context of this thesis, a surface heat module has been added in order to compute the surface heat balance based on meteorological data.

Además de tener un gran impacto social, la presencia y la construcción de embalses genera un impacto directo en los ríos y sobre el paisaje sobre el cual fluyen. Los efectos de la presencia de embalses, además de la combinación de éstos con las centrales térmicas que utilizan el agua del río para refrigeración o los efectos del Cambio Climático pueden provocar cambios importantes en el comportamiento térmico del río y consecuentemente en las comunidades que de él dependen. La temperatura del agua es una de las variables más importantes desde el punto de vista de la limnología: los cambios en el perfil vertical de temperatura de un sistema modifican la densidad del agua y por lo tanto, los patrones de estratificación. La mayor parte de los procesos físicos, químicos y biológicos que tienen lugar en un embalse vienen controlados por la hidrodinámica y la evolución térmica. La temperatura del agua es la protagonista de la presente tesis por ser el factor clave en la mayoría de los procesos físicos, químicos y biológicos que tienen lugar en los ecosistemas acuáticos. El modelo hidrodinámico de un embalse debe proporcionar información acerca de esta complejidad, por ejemplo: la estratificación del agua, mezcla y velocidades. El conocimiento inicial de la hidrodinámica del sistema es necesario también para llevar a cabo estudios de la calidad del agua. El funcionamiento hidrodinámico es crítico en términos de transporte de sedimentos en suspensión, contaminantes disueltos o procesos biológicos. En resumen, el estudio de la evolución hidrodinámica de un embalse es útil para conocer la calidad del agua almacenada. En esta tesis doctoral se ha avanzado en el conocimiento de comportamiento hidrodinámico y térmico de los embalses. Para ello se ha realizado una primera campaña de obtención de datos de campo que muestra el comportamiento de dos embalses catalanes: el embalse de Ribarroja (en el río Ebro) y el embalse de Sau (en el río Ter). Ambos embalses son similares pero difieren en características morfológicas, hidrológicas, variación de nivel, criterios de gestión, aporte de sedimentos o presencia de especies invasoras. Además de estudiar los embalses de Ribarroja y Sau experimentalmente mediante la toma de datos de campo, en ambos casos el estudio se ha apoyado en la modelización numérica 2D y 3D. Los modelos numéricos orientados a la hidrodinámica de embalses son una herramienta útil tanto para el estudio del comportamiento de los embalses como para las predicciones y la gestión sostenible de los mismos. Después de estudiar el comportamiento térmico e hidrodinámico de los embalses, se han aplicado modelos numéricos para conocer la evolución térmica en la longitud y la profundidad de los embalses de estudio. Para ello se ha utilizado el modelo CE-QUAL-W2 (Cole & Wells, 2008) presentado un buen ajuste a los datos de las campañas de campo. Al notar que la simulación 2D mediante CE-QUAL-W2 resultaba demasiado simplificada para representar algunos de los fenómenos que tienen lugar en un embalse, como es el caso de la hidrodinámica de la cola del embalse de Ribarroja de Ebro (confluencia entre los ríos Segre y Ebro), se ha estudiado la zona mediante un modelo 3D. El modelo hidrodinámico 3D utilizado es el FreeFlow (Cea et al., 2008), al que en el contexto de esta tesis se le añadido un módulo que realiza el balance térmico superficial en función de los datos meteorológicos.

A més a més de tenir un gran impacte social, la presència i la construcció d'embassaments genera un impacte directe en els rius i sobre el paisatge sobre el qual flueixen. Els efectes de la presència d'embassaments, a més a més de la combinació d'aquests amb les centrals tèrmiques que utilitzen l'aigua del riu per a refrigeració o els efectes del Canvi Climàtic poden provocar canvis importants en el comportament tèrmic del riu i conseqüentment en les comunitats que d'ell depenen. La temperatura de l'aigua és una de les variables més importants des del punt de vista de la limnologia: els canvis en el perfil vertical de temperatura d'un sistema modifiquen la densitat de l'aigua i per tant, els patrons d'estratificació. La major part dels processos físics, químics i biològics que tenen lloc en un embassament vénen controlats per la hidrodinàmica i l'evolució tèrmica. La temperatura de l'aigua és la protagonista de la present tesi per ser el factor clau en la majoria dels processos físics, químics i biològics que tenen lloc en els ecosistemes aquàtics. El model hidrodinàmic d'un embassament ha de proporcionar informació sobre aquesta complexitat, per exemple: l'estratificació de l'aigua, mescla i velocitats. El coneixement de la hidrodinàmica inicial del sistema és necessari també per dur a terme estudis de la qualitat de l'aigua. El funcionament hidrodinàmic és crític en termes de transport de sediments en suspensió, contaminants dissolts o processos biològics. En resum, l'estudi de l'evolució hidrodinàmica d'un embassament és útil per conèixer la qualitat de l'aigua emmagatzemada. En aquesta tesi doctoral s'ha avançat en el coneixement del comportament hidrodinàmic i tèrmic dels embassaments. Per a això s'ha realitzat una primera campanya d'obtenció de dades de camp que mostra el comportament de dos embassaments catalans: l'embassament de Riba-roja (al riu Ebre) i l'embassament de Sau (al riu Ter). Tots dos embassaments són similars però difereixen en característiques morfològiques, hidrològiques, variació de nivell, criteris de gestió, aportació de sediments o presència d'espècies invasores. A més d'estudiar els embassaments de Riba-roja i Sau experimentalment mitjançant la presa de dades de camp, en ambdós casos l'estudi s'ha recolzat en la modelització numèrica 2D i 3D. Els models numèrics orientats a la hidrodinàmica d'embassaments són una eina útil tant per a l'estudi del comportament dels embassaments com per a les prediccions i la gestió sostenible dels mateixos. Després d'estudiar el comportament tèrmic i hidrodinàmic dels embassaments, s'han aplicat models numèrics per conèixer l'evolució tèrmica al llarg de la longitud i la profunditat dels embassaments d'estudi. Per a això s'ha utilitzat el model CE-QUAL-W2 (Cole & Wells, 2008) presentat un bon ajust a les dades de les campanyes de camp. En notar que la simulació 2D mitjançant CE-QUAL-W2 resultava massa simplificada per representar alguns dels fenòmens que tenen lloc en un embassament, com és el cas de la hidrodinàmica de la cua de l'embassament de Riba-roja d'Ebre (confluència entre els rius Segre i Ebre), s'ha estudiat la zona mitjançant un model 3D. El model hidrodinàmic 3D utilitzat és el FreeFlow (Cea et al., 2008), al qual en el context d'aquesta tesi se li afegit un mòdul que realitza el balanç tèrmic superficial en funció de les dades meteorològiques.