Υδροηλεκτρικά Έργα 8ο εξάμηνο Σχολής Πολιτικών Μηχανικών Ταμιευτήρες Ανδρέας Ευστρατιάδης, Νίκος Μαμάσης, & Δημήτρης Κουτσογιάννης Τομέας Υδατικών Πόρων & Περιβάλλοντος, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ακαδημαϊκό έτος 2014-15
Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 2 Υ/Η ταμιευτήρες: Οφέλη και επιπτώσεις Οφέλη ως έργα πολλαπλού σκοπού: Αποθήκευση και παραγωγή Υ/Η ενέργειας Απολήψεις νερού για υδρευτικές και αρδευτικές χρήσεις (δυνατότητα επιπρόσθετης αξιοποίησης νερού που διέρχεται από τους στροβίλους) Αντιπλημμυρική προστασία Έμμεσα οφέλη από τουριστική αξιοποίηση Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Σημαντική διαφοροποίηση της φυσικής υδρολογικής δίαιτας του ποταμού (εξομάλυνση ροής, σημαντικά μειωμένη συχνότητα και μέγεθος πλημμυρικών αιχμών, διακοπή ροής στο τμήμα μεταξύ του φράγματος και του ΥΗΣ) Συγκράτηση φερτών (μη αναστρέψιμη επίπτωση) Παρεμπόδιση κυκλοφορίας ψαριών Αλλαγή οικοσυστήματος από ποτάμιο σε λιμναίο Αισθητική όχληση σε περίπτωση έντονων διακυμάνσεων της στάθμης
Χαρακτηριστικά μεγέθη ταμιευτήρα Κατώτατη στάθμη λειτουργίας (ΚΣΛ): Ελάχιστη τιμή στάθμης νερού στον ταμιευτήρα, πάνω από την οποία μπορεί να παραληφθεί νερό από την υδροληψία Ανώτατη στάθμη λειτουργίας (ΑΣΛ): Μέγιστη στάθμη απολήψεων υψόμετρο στέψης υπερχειλιστή (ελεύθερος υπερχειλιστής, χωρίς θυροφράγματα) υψόμετρο άνω παρειάς θυροφραγμάτων (Υ/Η ταμιευτήρας, με εκχειλιστή) Ανώτατη στάθμη πλημμύρας (ΑΣΠ): Μέγιστη στάθμη που εκτιμάται ότι μπορεί να ανέλθει το νερό στη διάρκεια της πλημμύρας σχεδιασμού του υπερχειλιστή Ελεύθερο ύψος: υψομετρική διαφορά μεταξύ ΑΣΠ και στέψης φράγματος (περιθώριο ασφάλειας για κυματισμούς, κτλ.) Νεκρός όγκος: Όγκος ταμιευτήρα μέχρι την ΚΣΛ, που στο πέρας της ζωής του έργου προβλέπεται να καταληφθεί από φερτά (μη απολήψιμο απόθεμα) Ωφέλιμο απόθεμα: Όγκος νερού που μπορεί να αξιοποιηθεί για διάφορες χρήσεις, που υπολογίζεται αφαιρώντας το νεκρό όγκο από το συνολικό απόθεμα Ωφέλιμη χωρητικότητα: Μέγιστος απολήψιμος όγκος νερού (μέγιστο ωφέλιμο απόθεμα), που ορίζεται ως η διαφορά αποθέματος μεταξύ της ΑΣΛ και της ΚΣΛ Μικτή χωρητικότητα: Συνολική χωρητικότητα ταμιευτήρα στην ΑΣΛ (= άθροισμα ωφέλιμης χωρητικότητας και νεκρού όγκου) Πλημμυρικός όγκος: Μέγιστος όγκος πλημμύρας που μπορεί να ανασχεθεί στον ταμιευτήρα, θεωρώντας την ΑΣΛ κατά την έναρξη της πλημμύρας σχεδιασμού Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 3
Χαρακτηριστικά υψομετρικά μεγέθη Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 4 Στέψη φράγματος Ανώτατη στάθμη πλημμύρας Ελεύθερο ύψος Ανώτατη στάθμη λειτουργίας Στέψη υπερχειλιστή Θυρόφραγμα Ύψος φράγματος Κατώτατη στάθμη λειτουργίας Υδροληψία Υψόμετρο πυθυμένα Υψόμετρο θεμελίωσης
Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 5 Καμπύλες στάθμης-αποθέματος-επιφάνειας Εκφράζουν τη μεταβολή του (μικτού) αποθέματος, s, και της επιφάνειας της λεκάνης κατάκλυσης, α, συναρτήσει της στάθμης νερού στον ταμιευτήρα, z. Οι συναρτήσεις s = f 1 (z), και a = f 2 (z) κατασκευάζονται με βάση μια γνωστή σημειοσειρά στάθμης-επιφάνειας, δηλαδή ζεύγη τιμών (z i, a i ), που προκύπτουν με εμβαδομέτρηση των επιφανειών πάνω σε τοπογραφικό χάρτη. Στη γενική περίπτωση θεωρείται μια σχέση δύναμης μεταξύ επιφάνειας και στάθμης: λ a(z) = a 1 z z 0 z 1 z 0 όπου α 1 η επιφάνεια του ταμιευτήρα σε μια δεδομένη στάθμη z 1, z 0 η κατώτερη στάθμη του ταμιευτήρα, για την οποία μηδενίζεται η επιφάνεια, και λ συντελεστής. Για κάθε διαδοχικό ζεύγος (z 1, α 1 ) και (z 2, α 2 ) η τιμή του λ εκτιμάται από τη σχέση: λ = ln(a 2 /a 1 ) ln[(z 2 z 0 )/(z 1 z 0 )] Ο όγκος Δs που περικλείεται ανάμεσα στις στάθμες z 1 και z 2 είναι: z 2a(z) (z 2 z 0 ) a 2 (z 1 z 0 ) a 1 Δs = dz = λ + 1 z 1 Η καμπύλη στάθμης-αποθέματος κατασκευάζεται με βάση τον γνωστό όγκο που περικλείεται μεταξύ κάθε ζεύγους διαδοχικών σταθμών.
Στάθμη ταμιευτήρα (m) Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 6 Παράδειγμα: Καμπύλες ταμιευτήρα Πλαστήρα Επιφάνεια ταμιευτήρα (km 2 ) 32.0 800 28.0 24.0 20.0 16.0 12.0 8.0 4.0 0.0 790 AΣΛ = +792 m 780 770 ΚΣΛ = +776 m 760 Απόθεμα Επιφάνεια 750 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Απόθεμα ταμιευτήρα (hm 3 ) Στάθμη (m) Επιφάνεια (km 2 ) λ ΔV (hm 3 ) Μικτό απόθεμα (hm 3 ) 750 0.00 0.0 760 1.43 2.09 4.6 4.6 770 6.07 2.09 34.7 39.3 780 15.00 2.23 101.7 141.0 790 23.04 1.49 189.3 330.3 800 32.00 1.47 274.4 604.7 Ψηφιακό μοντέλο υψομέτρων ταμιευτήρα
Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 7 Λεκάνη απορροής Ορίζεται χαράσσοντας τον υδροκρίτη ανάντη της θέσης του φράγματος ή της υδροληψίας (για μεγάλα και μικρά Υ/Η έργα, αντίστοιχα). Ανάλογα με το μέγεθος του έργου ταμίευσης, είναι δυνατή η αξιοποίηση μεγάλου ή μικρού τμήματος της απορροής που παράγεται στη λεκάνη. Ακόμα και σε μεγάλα Υ/Η έργα, δεν είναι δυνατή η αξιοποίηση του συνόλου της απορροής, λόγω των απωλειών από τον ταμιευτήρα (εξάτμιση, υπερχείλιση, διαφυγές). Η παραγωγή της απορροής εξαρτάται από τις υδροκλιματικές συνθήκες και τα φυσιογραφικά χαρακτηριστικά της λεκάνης, που είναι: μορφολογία (γεωμετρία, ανάγλυφο, υδρογραφικό δίκτυο) εδαφολογικά χαρακτηριστικά (υδατοπερατότητα, υδραυλική αγωγιμότητα, χημική σύσταση) χρήσεις γης και φυτοκάλυψη Υδροκρίτης λεκάνης Φράγμα Λεκάνη έκτασης 161.3 km 2, μέσου υψομέτρου 1459 m, και μέσης ετήσιας απορροής 147 hm 3 Ταμιευτήρας Λεκάνη απορροής ανάντη φράγματος Πλαστήρα
Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 8 Υδρολογικές αναλύσεις μεγάλου Υ/Η έργου Εκτίμηση χρονοσειράς εισροών στη θέση του φράγματος (απορροή ανάντη λεκάνης): Εκτίμηση ωφέλιμης χωρητικότητας ταμιευτήρα (διαστασιολόγηση) Μελέτη λειτουργίας ταμιευτήρα Κατάρτιση σχεδίου διαχείρισης των υδατικών πόρων σε κλίμακα λεκάνης απορροής ή υδροσυστήματος Εκτίμηση λοιπών υδρολογικών μεγεθών υδατικού ισοζυγίου ταμιευτήρα (βροχόπτωση στην επιφάνεια του ταμιευτήρα, απώλειες λόγω εξάτμισης, υπόγειες διαφυγές). Εκτίμηση πλημμυρών σχεδιασμού σήραγγας εκτροπής και υπερχειλιστή (περιλαμβάνει και στατιστική ανάλυση των ισχυρών βροχοπτώσεων της ευρύτερης λεκάνης). Εκτίμηση περιβαλλοντικής παροχής (ροή που πρέπει να διοχετεύεται κατάντη του φράγματος, για προστασία του ποτάμιου συστήματος και των οικοσυστημάτων). Εκτίμηση στερεοαπορροής (φερτά) Διαστασιολόγηση νεκρού όγκου ταμιευτήρα Εκτίμηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων λόγω διακοπής της στερεοαπορροής Τυπικές χρονικές κλίμακες υδρολογικών αναλύσεων: μηνιαία (υδρολογικός σχεδιασμός, λειτουργία και διαχείριση ταμιευτήρα, φερτά) ημερήσια (οικολογική παροχή) ωριαία (πλημμύρες)
Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 9 Εκτίμηση εισροών στη θέση του φράγματος Απευθείας εκτίμηση απορροής από επεξεργασία χρονοσειρών στάθμης και παροχής: Προϋπόθεση η ύπαρξη κοντινού στη θέση ενδιαφέροντος υδρομετρικού σταθμού, με αξιόπιστη λειτουργία και επαρκές δείγμα υδρομετρήσεων. Για νέους σταθμούς, απαιτείται αρκετό διάστημα για την κατάρτιση αξιόπιστων σχέσεων στάθμης-παροχής και την εξαγωγή ασφαλών στατιστικών εκτιμήσεων Έμμεση εκτίμηση της απορροής μέσω υδρολογικών μοντέλων: Προσομοίωση του υδρολογικού κύκλου (υδατικό ισοζύγιο λεκάνης), με διάφορες παραδοχές και απλοποιήσεις, όσον αφορά στις υδρολογικές διεργασίες Ανάλογα με τα διαθέσιμα δεδομένα, εφαρμόζονται από στοιχειώδεις σχέσεις μετασχηματισμού της βροχόπτωσης σε απορροή μέχρι εξειδικευμένα μοντέλα υδρολογικής προσομοίωσης, λεπτομερούς χωρικής και χρονικής διακριτότητας. Εφόσον υπάρχουν μετρήσεις παροχών στη θέση του φράγματος ή/και σε άλλες θέσεις της λεκάνης, είναι δυνατή η εκτίμηση των παραμέτρων των μοντέλων μέσω βαθμονόμησης (= προσαρμογή προσομοιωμένων στις παρατηρημένες παροχές). Αν δεν υπάρχουν επαρκείς και αξιόπιστες μετρήσεις, οι παράμετροι του μοντέλου εκτιμώνται εμπειρικά, με βάση τα φυσιογραφικά χαρακτηριστικά της λεκάνης (οι παράμετροι δεν μπορούν να μετρηθούν απευθείας στο πεδίο). Στις αναλύσεις πρέπει να λαμβάνεται υπόψη αν στη λεκάνη υπάρχουν σημαντικά αναρρυθμιστικά έργα (π.χ. ταμιευτήρες) ή πραγματοποιούνται απολήψεις νερού.
Υδατικό ισοζύγιο ταμιευτήρα Γενική εξίσωση υδατικού ισοζυγίου, στο διακριτό χρονικό διάστημα (t, t + Δt): όπου: s t + Δt = s t + q t + i t + g t + p t e t l t r t w t s t αποθηκευμένος όγκος νερού στην αρχή του χρονικού διαστήματος q t εισροές από την ανάντη λεκάνη (φυσική απορροή που παράγεται στη λεκάνη ή/και ρυθμιζόμενες εκροές ανάντη ταμιευτήρα, εφόσον υπάρχει) i t μεταφορά (εκτροπή) νερού από άλλες λεκάνες g t υπόγεια τροφοδοσία από κοινά υδρογεωλογικά συστήματα p t όγκος βροχής που προσπίπτει στην επιφάνεια του ταμιευτήρα e t απώλειες λόγω εξάτμισης από την επιφάνεια του ταμιευτήρα l t απώλειες λόγω υπόγειων διαφυγών νερού (πλευρικές απώλειες από τη λεκάνη κατάκλυσης, απώλειες διαμέσου του πυθμένα ή/και του σώματος του φράγματος) r t ρυθμιζόμενες εκροές από τον ταμιευτήρα w t απώλειες λόγω υπερχείλισης (εκροές νερού μέσω του υπερχειλιστή) Κατά κανόνα, η απορροή αποτελεί την ζητούμενη άγνωστη μεταβλητή του ισοζυγίου. Μοναδικά μετρήσιμα μεγέθη είναι η στάθμη και οι ρυθμιζόμενες εκροές. Η εξίσωση υδατικού ισοζυγίου είναι πιο ακριβής όσο αυξάνουν η χρονική κλίμακα και το μέγεθος του ταμιευτήρα. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 10
Μεταβλητές υδατικού ισοζυγίου ταμιευτήρα Πλαστήρα Plastiras runoff 60 50 40 mm 30 20 10 0 Plastiras runoff Ιαν 1962 Ιαν 1963 Ιαν 1964 Ιαν 1965 Ιαν 1966 Ιαν 1967 Ιαν 1968 Ιαν 1969 Ιαν 1970 Ιαν 1971 Ιαν 1972 Ιαν 1973 Ιαν 1974 Ιαν 1975 Ιαν 1976 Ιαν 1977 Ιαν 1978 Ιαν 1979 Ιαν 1980 Ιαν 1981 Ιαν 1982 Ιαν 1983 Ιαν 1984 Ιαν 1985 Ιαν 1986 Ιαν 1987 Ιαν 1988 Ιαν 1989 Ιαν 1990 Ιαν 1991 Ιαν 1992 Ιαν 1993 Ιαν 1994 Ιαν 1995 Ιαν 1996 Ιαν 1997 Ιαν 1998 Ιαν 1999 Ιαν 2000 Ιαν 2001 Ιαν 2002 Ιαν 2003 Ιαν 2004 Ιαν 2005 Ιαν 2006 Ιαν 2007 Ιαν 2008 Ιαν 2009 Ιαν 2010 mm Series1 790 Ιαν 1962 Ιαν 1963 Ιαν 1964 Ιαν 1965 Ιαν 1966 Ιαν 1967 Ιαν 1968 Ιαν 1969 Ιαν 1970 Ιαν 1971 Ιαν 1972 Ιαν 1973 Ιαν 1974 Ιαν 1975 Ιαν 1976 Ιαν 1977 788 786 784 782 780 778 776 Ιαν 1962 Ιαν 1963 Ιαν 1964 Ιαν 1965 Ιαν 1966 Ιαν 1967 Ιαν 1968 Ιαν 1969 Ιαν 1970 Ιαν 1971 Ιαν 1972 Ιαν 1973 Ιαν 1974 Ιαν 1975 Ιαν 1976 Ιαν 1977 Ιαν 1978 Ιαν 1979 Ιαν 1980 Ιαν 1981 Ιαν 1982 Ιαν 1983 Ιαν 1984 Ιαν 1985 Ιαν 1986 Ιαν 1987 Ιαν 1988 Ιαν 1989 Ιαν 1990 Ιαν 1991 Ιαν 1992 Ιαν 1993 Ιαν 1994 Ιαν 1995 Ιαν 1996 Ιαν 1997 Ιαν 1998 Ιαν 1999 Ιαν 2000 Ιαν 2001 Ιαν 2002 Ιαν 2003 Ιαν 2004 Ιαν 2005 Ιαν 2006 Ιαν 2007 Ιαν 2008 Ιαν 2009 Ιαν 2010 Στάθμη (m) Εκροές (hm 3 ) Εισροές (hm 3 ) Ιαν 1978 Ιαν 1979 Ιαν 1980 Ιαν 1981 Ιαν 1982 Ιαν 1983 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Ιαν 1984 Ιαν 1985 Ιαν 1986 Ιαν 1987 Ιαν 1988 Ιαν 1989 Ιαν 1990 Ιαν 1991 Ιαν 1992 Ιαν 1993 Ιαν 1994 Ιαν 1995 Ιαν 1996 Ιαν 1997 Ιαν 1998 Ιαν 1999 Ιαν 2000 Ιαν 2001 Ιαν 2002 Ιαν 2003 Ιαν 2004 Ιαν 2005 Ιαν 2006 Ιαν 2007 Ιαν 2008 Ιαν 2009 Ιαν 2010 Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 11
Εκτίμηση ωφέλιμης χωρητικότητας ταμιευτήρα Τοποθέτηση προβλήματος (απλοποιημένη): Προσδιορισμός ωφέλιμης χωρητικότητας, ώστε να ικανοποιείται μια δεδομένη ζήτηση (στα Υ/Η έργα, η ζήτηση νερού εξαρτάται από τη ζήτηση ενέργειας), για δεδομένη χρονοσειρά εισροών Ντετερμινιστική προσέγγιση: Βασίζεται στην κατασκευή της αθροιστικής καμπύλης εισροών εκροών. Η απαιτούμενη χωρητικότητα εκτιμάται ως άθροισμα του μέγιστου ελλείμματος και της μέγιστης περίσσειας νερού. Η προσέγγιση βασίζεται στην υπόθεση ότι η ζήτηση νερού θα ικανοποιείται πάντα, ενώ δεν θα υπάρχουν υπερχειλίσεις. Στοχαστική προσέγγιση: Ορίζεται ένα επιθυμητό επίπεδο αξιοπιστίας, που εκτιμάται ως ποσοστό του χρόνου κατά το οποίο ικανοποιείται η ζήτηση (στο υπόλοιπο ποσοστό του χρόνου οι εκροές υπολείπονται της ζήτησης). Εκτιμάται η ελάχιστη ωφέλιμη χωρητικότητα, ώστε να ικανοποιείται η δεδομένη ζήτηση με τη δεδομένη αξιοπιστία (πρόβλημα προσομοίωσης-βελτιστοποίησης). Η στοχαστική προσέγγιση οδηγεί σε μειωμένη τιμή ωφέλιμης χωρητικότητας σε σχέση με τη ντετερμινιστική (τόσο μικρότερη όσο μικρότερο είναι το επίπεδο αξιοπιστίας που επιλέγεται). Η ακρίβεια των εκτιμήσεων εξαρτάται από το μήκος του δείγματος εισροών. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Ταμιευτήρες 12