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Dpartmenet fdral de lenvironnement, des transports,
de lnergie et de la communication DETEC
Ofiice fdral de lnergie OFEN
D:\SecureDATA\Forschungsprogramme\TP0067 F-Wasserkraft\01
laufend\P103094 Sedimentation in Pumped Storage Plants\V154102
Sedimentation in Pumped
Storage Plants\Berichte\Titelseite Rapports annuel 2009.doc
Rapport annuel 2009
Mthodes d'observation et de prvisionde l'alluvionnement des
retenues desamnagements de pompage-turbinage
Sustainable sedimentation in pumpedstorage plants
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D:\SecureDATA\Forschungsprogramme\TP0067 F-Wasserkraft\01
laufend\P103094 Sedimentation in Pumped Storage Plants\V154102
Sedimentation in PumpedStorage Plants\Berichte\Titelseite Rapports
annuel 2009.doc
Mandant:Office fdral de lnergie OFENProgramme de recherche Force
hydrauliqueCH-3003 Bernewww.bfe.admin.ch
Cofinancement:Competence Center for Energy and Mobility CCEM-CH,
CH-5232 Villigen PSI
Mandataire:Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne
EPFLLaboratoire de Constructions Hydrauliques LCHStation 18CH-1015
Lausannelchwww.epfl.ch
Auteurs:Michael Mller, EPFL-LCH, [email protected]
Prof. Dr. Anton Schleiss, EPFL-LCH, [email protected]
Responsable de domaine de lOFEN: Dr. Michael MoserChef de
programme de lOFEN: Dr. Klaus JordeNumro du contrat et du projet de
lOFEN:154102 / 103094
Lauteur de ce rapport porte seul la responsabilit de son contenu
et de ses conclusions.
http://www.bfe.admin.ch/http://www.yz.ch/mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]://www.yz.ch/http://www.bfe.admin.ch/
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
EPFL LCH Michael Mller i
Table of contents
Rsum et motivation
.....................................................................................................................
iiZusammenfassung und Motivation
..............................................................................................
ivSummary and motivation
..............................................................................................................
vi1 Recall
........................................................................................................................................
12 State of the art and contribution of the PhD project
............................................................ 2
2.1 State of the art
....................................................................................................................
22.2 Contribution of PhD project
................................................................................................
2
3 Research plan and main objectives (overview)
....................................................................
34 Results: Flow fields in front of Grimsel II intake/outlet
........................................................ 4
4.1 Description of prototype
......................................................................................................
44.2 Measuring device
...............................................................................................................
54.3 Analysis of velocity data
.....................................................................................................
54.4 Next steps of data evaluation
.............................................................................................
7
5 Outlook
.....................................................................................................................................
85.1 Turbidity monitoring at Grimsel II power plant
....................................................................
85.2 Physical scaled model
........................................................................................................
85.3 Numerical models
...............................................................................................................
85.4 Project timetable schedule
.................................................................................................
95.5 Follow-up of the project
......................................................................................................
9
6 References
.............................................................................................................................
107 Appendix
................................................................................................................................
10
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
EPFL LCH Michael Mller ii
Rsum et motivation
Mots cls : Amnagement de pompage-turbinage, sdimentation des
rservoirs, turbulence,
coulements devant une prise, turbidit, ADP, mesures sur
prototype, modlisationphysique, modlisation numrique, gomtrie des
prises d'eau
La sdimentation des rservoirs est un des problmes majeurs de
l'ingnierie hydraulique duXXIme sicle. A l'chelle mondiale, les
rservoirs cres par des barrages se remplissent desdiments un taux
d'environ 1 % de leur volume utile par anne. En plus de ces pertes
devolume, les sdiments peuvent s'accumuler devant les ouvrages
essentiels des amnagements, mentionner les prises d'eau et les
vidanges de fond. Ainsi, les processus de sdimentationaffectent
srieusement non seulement la fiabilit et la dure de vie des
amnagementshydrolectriques, mais aussi la scurit d'un point de vue
d'exploitation et structurale. En outre,une concentration
importante en sdiments dans l'eau passant par les turbines et les
pompes
produit l'abrasion de ces machines.Les rservoirs alpins suisses
subissent d'un taux de sdimentation de 0.2 % et sont donc
plusdurable du point de vue volume de stockage. Nanmoins, aprs 40
60 annes d'exploitation, lesprocessus de sdimentation deviennent
une menace cause des courants de turbidit. Cescourants de turbidit
apparaissent pendant des priodes de fortes prcipitations et
transportent,sous forme d'une avalanche sous-marine, des grandes
quantits de sdiments en direction dubarrage o les dpts concentrs
bloquent les ouvrages de vidange de fond et affectent lascurit
oprationnelle de ces derniers.
En plus de leur fonction comme bassin d'accumulation pour des
amnagements hydrolectriques,les rservoirs sont souvent un lment
essentiel dans la protection contre les crues. Ils mettent
disposition un volume de stockage intermdiaire important, et donc
permettent de laminer les
crues et de protger la population et les infrastructures situes
l'aval. La perte de volume parsdimentation rduit cette capacit de
laminage. Par consquence, elle met en danger nonseulement
l'exploitation adquate d'un systme de production nergtique, mais
toute une rgion l'aval des rservoirs cause de la perte des
possibilits de laminage.
En Suisse, le bassin versant du Rhne est un bel exemple d'une
rgion compose de toute unesrie d'amnagements hydrolectriques qui,
avec leurs rservoirs artificiels, font partie d'unsystme complexe
de laminage de crues. Une perte de ces bassins d'accumulation aura
deseffets catastrophiques sur la valle du Rhne lors des vnements de
crues.
D'autres domaines d'utilisation des rservoirs sont galement
concerns par les pertes de volume,notamment les fonctions de
stockage d'eau pour l'approvisionnement en eau potable et
pourl'irrigation. La sdimentation aggrave la future pnurie d'eau
mondiale en rduisant la capacit des
rservoirs dj dvelopps.
Afin de satisfaire la demande nergtique croissante, les projets
d'amnagementshydrolectriques de pompage-turbinage gagnent
d'importance l'chelle suisse et mondiale. Detels projets se
composent gnralement d'un rservoir suprieur et infrieur afin de
pomper et/outurbiner l'eau entre ces derniers. Les problmes de
sdimentation long terme de ces rservoirssous l'influence des
changements oprationnels rpts entre les modes de turbinage et
depompage sont relativement peu connu.
En analysant des aspects de sdimentation tels que les
concentrations dans tout le systme d'unamnagement et l'influence
des alternations modales de pompage-turbinage sur les
vitessesd'coulement et la turbidit dans les rservoirs, le projet de
recherche propos examinera dessolutions pour garantir la scurit des
ouvrages d'vacuation et la durabilit long terme des
amnagements de pompage-turbinage.
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
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EPFL LCH Michael Mller iii
Une rponse aux questions principales suivantes aimerait tre
trouv: comment le processus depompage-turbinage affecte-t-il la
turbulence dans le rservoir ainsi que la sdimentation par
desparticules fines? Comment peut-on influencer la turbulence par
la gomtrie de la prise d'eau afinde rduire le dpt des sdiments
fins?
Dans le cadre d'une thse, ce projet de recherche traitera les
points suivants:
Une tude de littrature indiquera les paramtres d'intrt
primordial du problme et lespistes conqurir.
L'tablissement des bases thoriques permettra de dcrire les
processus physiquesprincipaux derrire les diffrents phnomnes en
question.
Des mesures sur prototype de longue dure permettront d'analyser
la concentration ensdiments dans les conduites en charge d'un
systme de pompage-turbinage (mesures deturbidit) et les conditions
d'coulements devant une prise d'eau en lac (mesures devitesse
d'coulement).
La modlisation physique chelle rduited'un rservoir de gomtrie
simple servira debase pour dterminer l'influence des paramtres
comme la dure de pompage/turbinage,
le dbit et la forme de l'ouvrage de restitution sur les
processus de sdimentation. Lors d'une modlisation numriqueles
conditions du prototype et les essais en laboratoire
seront simuls.
L'analyse des mesures sur modle et prototypesera employe afin de
vrifier les modlesthoriques et pour calibrer les modles
numriques.
Bas sur l'analyse des rsultats des essais, le dveloppement de
modle thoriquedcrivant le comportement long terme du transport et
des dpts sdimentaires dans desrservoirs exploits par des
amnagements de pompage-turbinage sera effectu
Des rgles et recommendations de conception nouvelles et
innovatrices pour la gestiondurable de la sdimentation des
amnagements pompage-turbinage seront dfinies. En
particulier il sera tudi comment les ouvrages d'entre et de
sortie doivent tre conuspour obtenir un champ de turbulence
favorables dans la retenue dans le but de rduire leprocessus de
l'alluvionnement des sdiments en suspension.
Rapport de thseetpublications scientifiques
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
EPFL LCH Michael Mller iv
Zusammenfassung und Motivation
Stichwrter : Pumpspeicheranlagen, Verlandung von Stauseen,
Turbulenz, Strmungsfelder in
Becken, Trbung, ADP, Prototypmessungen, hydraulische
Modellversuche,numerische Modellversuche, Geometrie von Ein- und
Auslaufbauwerken
Die Verlandung von Stauseen ist eines der anspruchsvollsten
Probleme des Wasserbaus des21. Jahrhunderts. Weltweit verlieren
knstlich angelegte Staubecken jhrlich rund 1 % ihresnutzbaren
Speichervolumens. Zustzlich zu diesen Kapazittsverlusten knnen
sichAblagerungen vor wichtigen Elementen wie Einlaufbauwerken oder
Grundablssen bilden. Sobeeinflussen Sedimentationsprozesse in
Speichern nicht nur ernsthaft die Zuverlssigkeit und dieLebensdauer
von Wasserkraftanlagen, sondern auch die Kontinuitt der
Energieproduktion unddie Sicherheit der Bauwerke. Zudem nutzen hohe
Partikelkonzentrationen im Wasser, welches dieTurbinen und Pumpen
durchluft, diese Maschinen ab.
Die Stauseen in den Schweizer Alpen weisen eine niedrigere
Verlandungsrate von 0.2 % auf undsind folglich nachhaltiger im
Bezug auf das verfgbare Speichervolumen. Trotzdem werden
dieAblagerungsvorgnge nach 40 bis 60 Betriebsjahren aufgrund von so
genannten Trbestrmen zueiner Gefahr. Diese Trbestrme treten vor
allem nach starken Regenfllen auf undtransportieren, in Form einer
Unterwasserlawine, grosse Mengen von Sedimenten in
RichtungStaumauer, wo die kompakten Ablagerungen den Grundablass
blockieren und dessen sicherenBetrieb gefhrden.
Zustzlich zu ihrer Funktion als Staubecken fr Wasserkraftwerke
spielen die Speicher hufig einewesentliche Rolle im
Hochwasserschutz eines Einzugsgebietes. Sie stellen ein
grossesZwischenspeichervolumen zur Verfgung und erlauben dadurch,
Hochwasserspitzen zureduzieren und die Bevlkerung und
Infrastrukturen unterhalb der Anlage zu schtzen. Der Verlust
von Speichervolumen durch Verlandung reduziert diese
Hochwasserentlastungskapazitt. Folglichgefhrden die
Ablagerungsprozesse nicht nur die Stromproduktion, sondern eine
ganze Regionunterhalb der Stauseen aufgrund des Verlusts der
Rckhaltemglichkeiten whrendHochwasserperioden.
Das Rhonebecken bildet ein sehr gutes Beispiel fr ein
Einzugsgebiet in der Schweiz, welchesdurch eine Reihe von
Wasserkraftwerken gekennzeichnet ist. Diese Anlagen sind, mit
Ihrenknstlich angelegten Speichern, ein Teil eines komplexen
Hochwasserschutzsystems. Ein Verlustdieser Speichermglichkeit htte
bei Hochwasser katastrophale Auswirkungen auf das Rhonetal.
Weitere Anwendungsbereiche von Stauseen, beispielsweise die
Speicherung von Wasser zurTrinkwasserversorgung oder zu
Bewsserungszwecken, sind ebenfalls von Sediment-ablagerungen
betroffen. So verschrft der Kapazittsverlust von bestehenden
Speicheranlagen
durch Sedimentation die zuknftige weltweite Wasserknappheit.
Um die steigende Energienachfrage zu befriedigen werden
Pumpspeicheranlagen sowohl in derSchweiz, wie auch weltweit stets
wichtiger. Solche Projekte bestehen im Allgemeinen aus einemoberen
und unteren Reservoir, zwischen welchen das Wasser turbiniert oder
gepumpt wird. Dielangfristigen Ablagerungsprozesse solcher Speicher
unter Einfluss von stetig wechselnden Pump-und Turbiniersequenzen
sind im Vergleich zur Sedimentation in herkmmlichen
Kraftwerkenverhltnismig unbekannt.
Dieses Forschungsprojekt wird den Einfluss des abwechselnden
Pumpspeicherbetriebes auf diePartikelkonzentrationen im System
einer Anlage, sowie auf die Strmungsbedingungen und dieTrbung in
den Staubecken untersuchen. Damit sollen Lsungen zu einem
langfristigen undnachhaltigen Sedimentmanagement in
Pumpspeicherkraftwerken gefunden werden.
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
EPFL LCH Michael Mller v
Auf folgende Hauptfragen sollen Antworten gefunden werden: Wie
beeinflusst derPumpspeicherbetrieb die Turbulenz im Becken und die
Ablagerung von Feinsedimenten? Wiekann die Turbulenz durch die
Geometrie der Ein- und Auslaufbauwerke beeinflusst werden, umdas
Absetzen feiner Sedimente zu reduzieren?
Im Rahmen einer Doktorarbeit wird das vorliegende Projekt
folgende Arbeitschritte beinhalten:
Eine Literaturstudie zeigt relevante Parameter auf und gibt
Forschungsanreize.
Die Erarbeitung von theoretischen Grundlagen erlaubt, die
physikalischen Vorgnge derverschiedenen Phnomene zu
beschreiben.
Messungen im Prototyp werden ber mehrere Monate durchgefhrt, um
diePartikelkonzentration in den Druckleitungen von einem
Pumpspeicherwerk zu analysieren(Trbesonde) und die
Strmungsbedingungen vor einem Ein- und Auslaufbauwerk im Seezu
bestimmen (Geschwindigkeitsmessungen).
Hydraulische Modellversuche in einem einfachen Becken erlauben,
den Einfluss diverserParameter, wie zum Beispiel der Dauer der
Pumpspeichersequenzen, des Abflusses oderder Form des Auslaufes,
auf die Ablagerungsvorgnge im Speicher zu untersuchen.
Im numerischen Modell werden sowohl die Labormessungen, wie auch
der Prototypsimuliert.
Die Auswertung der Daten aus Labor- und Prototypmessungen werden
bentigt, um dietheoretischen Modelle zu berprfen und die
numerischen Modelle zu eichen.
Basierend auf dieser Versuchsauswertung erfolgt die Entwicklung
eines theoretischenModelles, welches das langfristige Verhalten von
Sedimenttransport undAblagerungsprozessen beschreibt.
Neue und innovative Auslegungsregeln fr die nachhaltige Nutzung
von Stauseen, welchevon Pumpspeicheranlagen genutzt werden, werden
vorgeschlagen. Insbesondere wird derFrage nachgegangen, wie die
Ein- und Auslaufbauwerke gestaltet werden mssen, damit
eine gnstige Turbulenz im Stausee erreicht werden kann, welche
das Absetzen derFeinsedimente verhindert.
Dissertation undPublikationen
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
EPFL LCH Michael Mller vi
Summary and motivation
Keywords : Pumped storage hydropower plant, reservoir
sedimentation, turbulence, flow fields
in reservoirs, turbidity, ADP, prototype measurements, physical
modeling, numericalmodeling, geometry of intake and outlet
structures
Sedimentation of dam reservoirs is one of the most challenging
problems of the XXIstcentury inhydraulic engineering. On a
worldwide scale, dam reservoirs silt up at a rate of about 1 % of
theiruseful storage volume every year. Furthermore, sediments can
settle in front of essential elementsof hydropower schemes, such as
intake structures or outlet works. Thus, sedimentation
processesseriously affect not only the reliability and the lifetime
of hydropower structures, but also theirstructural safety. In
addition, important sediment concentration in water passing through
turbinesand pumps produce significant abrasion of these
machines.
The mean annual sedimentation rate of the Swiss Alpine
reservoirs is around 0.2 % and therefore
much lower than the worldwide one. Thus, the Swiss Alpine
reservoirs are more sustainable fromthe point of view of storage
volume. Nevertheless, after 40 to 60 years of operation
thesedimentation process becomes a real threat due to the turbidity
currents. These turbidity currentsoccur especially during high
precipitation and they transport, like an underwater avalanche,
bigamounts of sediments down to the dam, where the concentrated
deposits block the outlet worksand affect their safe operation.
In addition to their purpose of water storage for hydropower
production, dam reservoirs are oftenan important element for flood
protection strategies. They provide an intermediate storage
andpermit to reduce flood peaks and therefore to protect downstream
population and infrastructures.Storage loss reduces this flood
protection capacity and consequently endangers not only
thereliability of the energy production system, but an entire
region downstream of the reservoirs due
to reduced flood protection.
In Switzerland, the Rhone River basin is a perfect example for a
region characterized by a seriesof hydropower schemes along the
main stream and its tributaries. With their artificial
reservoirs,the power plants play an important role in a complex
flood protection system. The loss of suchstorage would result in
catastrophic affects on the whole Rhone Valley in case of
floods.
Other fields of exploitation of reservoirs, namely storage of
drinking and irrigation water, areconcerned by sedimentation
processes which lead to reduced capacity. Sedimentation
thusaggravates future worldwide water scarcity by reducing the
storage from already developedsupplies.
To satisfy a continuously increasing energy demand, pumped
storage hydropower projects
become more and more relevant on a worldwide scale. Such
projects generally consist of anupper and a lower reservoir in
order to pump and/or turbine water between them.
Long-termsedimentation issues of such reservoirs due to fast and
repeated change of operations betweengenerating and pumping modes
are relatively unknown compared to traditional
hydropowerschemes.
Studying sedimentation issues such as concentrations throughout
the whole scheme andinfluences of pumping/generation modes on flow
fields and turbidity in the reservoirs, the proposedPhD project
will examine solutions to guarantee long-term sustainability of
pumped storagehydropower plants.
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
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The following main questions are to be answered: how does the
pumping and generating activityaffect turbulence in the reservoir
and sedimentation process by fine sediments? How could beinfluenced
the turbulence by the geometry of intakes and outlets in order to
reduce settling downthe fine sediments?
The thesis will be structured in the following main
subtasks:
A literature studywill point out the main parameters of interest
of the problem.
Theoretical basiswill be outlined based with the main goal to
describe the main physicalprocesses behind the different phenomena
in question.
Prototype measurements will be performed on an existing pumped
storage hydropowerproject. At the pressurized shaft/tunnel,
sediment concentration during pumping andgenerating will be
measured and measurements of flow velocity near the
intake/outletstructures will be carried out.
Physical scaled modelingwill concentrate on particle exchange
rates and settling rates insimple reservoir geometry. Influences of
the duration of pumping and generating mode, thedischarge and the
shape of the outlet jet will be analyzed.
Analysis of model and prototype measurements will be used to
verify theoreticaldevelopments and to calibrate numerical
models.
Numerical modelingwill allow to simulate both prototype and
laboratory tests.
The development of theoretical modelwill be based on the
analysis of the test results. It willdescribe long-term behaviour
of sediment transport and deposition in a pumped storagehydropower
scheme.
New and innovative design guidelinesfor sediment sustainability
of pumped storage powerplants submitted to severe hydraulic
transients due to market constraints will be defined. Inparticular,
the question of how to design intake and outlet structures in order
to obtainfavorable turbulences in the reservoir in order to reduce
settling down of the suspended
sediments will be studied. Dissertation report andscientific
publications
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
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1 RECALL
Modern power plants are expected to operate at variable speed in
a wide range of output powerwith improved efficiency, flexibility
and safety. Therefore, the pumped storage power generationhas
gained in importance since it allows storing and generating
electricity to supply high peak
demands by moving water back and forth between reservoirs at
different elevations.A project consortium called HydroNet Modern
Methodologies for Design, Manufacturing andOperation of pumped
storage power plantshas been built aiming to converge towards a
consistentstandardized methodology for design, manufacturing,
operation, monitoring and control of pumpedstorage power plants in
order to give new impulsions in the hydropower technology and
maintainthe strong position of Switzerland in peak hydropower
production as well as in the exportation ofhigh valued technology.
HydroNet is funded by the Competence Center Energy and
Mobility(CCEM) and swiss electric research.
The Laboratory of Hydraulic Constructions (LCH), as one of the
partners of the HydroNetconsortium, contributes with two PhD thesis
in the civil engineering field. The present projectconsists in the
description and the control of sedimentation issues in the
reservoirs of pumped
storage plants (Figure 1.1). Such storages are submitted to
frequent exchanges of water duringpumping and generating modes. The
influence of alternating pumped storage activity and thegeometry of
the basin and the intake/outlet structures on the sedimentation
processes are to beexamined in prototype measurements, as well as
in physical and numerical modeling.
Figure 1.1 : HydroNetproject consortium partners and main
objectives
HYDRONET
(EPFL - LCH)
ECOLOGY ISSUES
CIVIL ENGINEERING
(EAWAG)
HYDRODYNAMIC
(EPFL - LMH)
ELECTRICITY
(EPFL - LME)
OPTIMUM DESIGN AND
OPERATION OF PUMPED
STORAGE POWER PLANTS
Control & Monitoring
Downstream ecological
effects of particles
Physical & Chemical
change of particles
Motor-Generator optimization
Transient Behaviour (SIMSEN-Hydro)
UMP Monitoring
Control strategies for
variable speed
CONTROL & MONITORING
- Instrumentation of existing power plant
- Data collection and storage
- Signal processing data mining
- Validation of monitoring methods
- Predictive maintenance
- Non-intrusive instrumentation
- Profitability optimization (Economy)
Pressurized waterways
Sedimentation
Civil EngineeringFlow induced vibration
Unsteady behaviour &
hydro acoustic
Control & Monitoring
Rotor-Stator
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
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2 STATE OF THE ART AND CONTRIBUTION OF THE PHD PROJECT
2.1 State of the art
The state of the art in the field of reservoir sedimentation has
been established based on aliterature review (refer to references
given in the report entitled Demande de subside submittedto OFEN by
the end of 2008).Sedimentation issues in traditional hydropower
plants are quite well described, sediment transporttheory and the
main measures against reservoir sedimentation are developed.
However, not all ofthose measures are sustainable, efficient and
affordable. There is a strong need to limit sedimentaccumulation in
reservoirs in order to ensure their sustainable use. Measures can
be taken in thecatchment area, in the reservoir or at the dam. A
sustainable sediment strategy should alsoinclude the downstream
reaches; therefore monitoring data should also include
downstreamimpacts as well as sedimentation processes in the
reservoir.An integrated approach to sediment management that
includes all feasible strategies is required tobalance the sediment
budget across reservoirs. The complete sediment problem and
applicationof the range of sediment strategies as appropriate to
the site has to be analyzed. The dam andother hydraulic structures
have to be operated in a manner consistent with the preservation
of
sustainable long-term benefits.The fields of study concerning
turbulence phenomena, behaviour of out-flowing jets or large
scalevorticity are under investigation by the PhD candidate.
2.2 Contribution of PhD project
In contrary to traditional hydropower plants, the link between
sedimentation problems and themore recent pumped storage hydropower
projects remains poorly treated.
Due to pumped storage operations suspended sediments are
transferred from one reservoir of thesystem to the other. These
sequences can create additional input of sediment and even
artificialreservoirs with any natural sediment supply can fill up
and suffer from storage losses. As the
pumped storage activity is growing, flow conditions in the
reservoir are alternating from one stateto another during
relatively short laps of time.
What are the effects of such changes between pumping and
generating mode on the flow fields inreservoirs and consequently
the behaviour of sediments? How toes the pumping/generatingactivity
affect turbulence in the reservoir and sedimentation process by
fine sediments? How couldbe influenced the turbulence by the
geometry of intakes and outlets in order to reduce settlingdown the
fine sediments?
Furthermore, how do parameters like discharge or duration of
alternating pumping and generatingmode affect the sedimentation
processes in a reservoir? Can we predict sedimentation processesby
controlling concentrations within the pipes relying two lakes? Are
there conceptual solutionsduring the operation time of a pumped
storage plant which allow to use the alternating pumping
and generating activities in order to positively influence the
reservoir sustainability? These aresome of the questions which are
considered in the framework of this PhD thesis which will end
tosome practical applications, mainly:
New design guidelines for sediment sustainability of pumped
storage power plantssubmitted to severe hydraulic transients due to
market constraints.
Development of new theoretical model based on the analysis of
the test resultsdescribing the long-term behaviour of sediment
transport and deposition in a pumpedstorage hydropower scheme.
Relevant monitoring methodsin order to predict sediment
behaviour and concentrationsthroughout the whole scheme and for
different hydraulic functions of the system.
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
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3 RESEARCH PLAN AND MAIN OBJECTIVES (OVERVIEW)
The research plan of this project has been submitted to the
Director of the Doctoral Program inEnvironment by November 2008. It
was accepted by the dean of the doctoral school of the EPFLin early
January 2009. The main objectives and an overview of the
methodology followed duringthe PhD thesis is given hereafter.
The present research aims to develop solutions guaranteeing
sustainable sediment managementin pumped storage hydropower plants
by answering the following key question: how can we usethe
turbulence introduced by the pumping and generating activity for
hindering the suspendedsediments to be settled?
The work will be structured in the following main subtasks :
Literature concerning reservoir sedimentation, sediment transfer
through pressurizedpipes and tunnels and flow patterns close to
water intakes and power station outletchannels is investigated.
Theoretical basis may include theory on sedimentation of
reservoirs, especially thoseareas close to water intakes and
turbine outlet channels, theory on transport capacity in
pressurized systems, etc. The goal of this stage is to describe
the main physical processesbehind the different phenomena in
question.
Prototype measurementshave been performed on the pumped storage
hydropower plantGrimsel II, Switzerland. Flow velocities in front
of the intake/outlet structure in Lake Grimselhave been recorded
during three weeks and at three different locations near the
intake.The pressurized shaft will be equipped with a turbidity
measurement device in order toacquire prototype-scaled measurements
of sediment concentration during pumping andgenerating, as a
function of discharge, head, or hydraulic transients.
Physical scaled modeling which consists of a simple reservoir
where the influence ofintake/outlet position, duration of pumping
and generating mode, the discharge and theshape of the outlet jet
can be analyzed. The turbulence due to pumping and generating
mode will be described as a function of inlet/outlet
geometry.
Analysis of model and prototype measurements that will be used
to verify theoreticaldevelopments and to calibrate numerical
models. Detailed analysis of test results and acomparison with
theoretical developments will allow the determination of adequacy
andefficiency of the theoretical model.
Numerical modeling will allow to simulate both prototype and
laboratory tests.
Development of theoretical modelbased on the analysis of the
test results describing thelong-term behaviour of sediment
transport and deposition in a pumped storage hydropowerscheme.
New and innovative design guidelines for sediment sustainability
of pumped storagepower plants submitted to severe hydraulic
transients due to market constraints will bedefined. We aim to
describe the influence on turbulence by intake and outlet geometry
for acertain reservoir geometry.
Dissertation report and scientific publications
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
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4 RESULTS: FLOW FIELDS IN FRONT OF GRIMSEL II INTAKE/OUTLET
Prototype measurements and monitoring are an important part of
the CCEM HydroNetproject. Incollaboration with the Kraftwerke
Oberhasli AG (KWO) such data recording is carried out atGrimsel II
pumped storage plant situated in the Central Alps of Switzerland
(Figure 4.1). Theunderground powerhouse of this pumped storage
scheme exploits water of the upper reservoir
Lake Oberaar (2303 m a.s.l.) and the lower reservoir Lake
Grimsel (1909 m a.s.l.).
Figure 4.1 : Situation of the pumped storage scheme Grimsel
II
With the objective of recording flow velocities in front of the
intake/outlet structure of Lake Grimsel,prototype measurements were
carried out in autumn 2008. Such measurements allow to
observeeventual influences of the alternating pumping and
generating modes between the upper and thelower reservoirs on the
flow, as well as the influence of the geometry of the intake/outlet
structure.
4.1 Description of prototype
The Lake Grimsel intake/outlet is characterized by a
tulip-shaped structure embedded in a recessof the lake topography
with its foundation platform situated at a level of 1942 m a.s.l. A
verticalpressure conduit of 7.5 m in diameter ejects water into a
lateral open cylinder equipped with tenguiding walls which
distribute the out-flowing discharge equally on the ten side
openings of thetulip (Figure 4.2).
Figure 4.2 : Schematic plan view (left) and cross section
(right) of the intake/outlet structure of the
Grimsel II plant
Pressurizedshaft
Lower reservoir:Lake Grimsel
Upper reservoir:Lake Oberaar
Inlet/Outlet
Grimsel 2power plant
Q
Q
-
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Sustainable
EPFL LC
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Fig
4.2 Me
The AcouGrimsel reinstrumentwater. Usipassing aand
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4.3 An
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Page 5
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as of fourweekends,ampaign).
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riod, KWOimsel levelrd velocity
-
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
d'avancement 2009
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components on every meter of the water column, in a time
interval of 5 minutes. Thus, timedependent, three-dimensional
velocity profiles can be generated in the reservoir and
giveinformation about flow conditions in front of the intake/outlet
structure.
Figure 4.4 shows two typical flow fields observed during pumping
and generating activity inSeptember 2008. In these cases, the flow
direction corresponds to the expected main direction of
the in- and out-flowing jet.
Figure 4.4 : Velocity profiles in front of the intake/outlet of
the Grimsel II plant, September 2008campaign; pumping mode (left),
generating mode (outflowing discharge, right)
However, there are periods, where the orientation of the
velocity vectors and the expected maindirection of the jet do not
correspond clearly. It has been observed, that the water masses are
inmovement even thought there is no pumped storage activity. At
first view, no preferentialorientation of the flow direction can be
seen. In addition, a second main direction of the velocityvectors
(north-northeast) appears during generating and pumping mode, which
could point out theinfluence of the lake topography.
In order to determine whether the recorded velocities are
directly correlated to the pumped storageactivity, power spectra of
the data series and the discharge data have been compared.
Thisapproach, based on the Fast Fourier Transform (FFT) method, is
often used in signal processingand allows finding the main
frequencies of a data series (Lyons 2004). Figure 4.5 reveals that
themain frequencies of the two signals (peaks) are close to each
other and therefore foreshadow adirect link between the recorded
velocities and the pumped storage discharge.
xEast[cm]
xNorth[cm]
h [m]h [m]
xNorth[cm]
xEast[cm]
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Figure 4.5 : Comparison of power spectra of velocity and
discharge data, 1st
measurementNovember 2008, profiler 1 (to the north of the
intake/outlet, Figure 4.3 left)
4.4 Next steps of data evaluation
The processes in Lake Grimsel are to be studied in more detail
in order to confirm the firstobservations and to understand the
ongoing flow phenomena. Therefore a numerical model will becreated,
with the simulation of the Grimsel II intake/outlet structure, but
also all other hydraulicworks which are supposed to interact with
the flow fields in the lake. Additional signal processinganalysis
is carried out at the moment in order to detect or reject
correlations between the flowvelocities and the in- and out-flowing
jet.
Oehy (2002) constructed a numerical model for the simulation of
turbidity currents in Lake Grimsel.This model can be adapted and
updated with recent topographical data of the reservoir, providedby
KWO and Flotron AG. ANASYS CFX 11, a CFD package including a solver
based on finitevolume method and pre- and post processing tools,
will then be used for the calculation of flowfields.
In the framework of a Master of Advanced Studies (MAS) project,
Mr. Milahd Daneshvari hasestablished a numerical model of Lake
Grimsel in Flow3D, a software allowing simulations
ofthree-dimensional flow conditions, multiphase flow and large eddy
simulation. The model will becompleted according to the needs of
the PhD work and simulations will be run in order to
confirmprototype records and CFX calculation.
By the end of 2009, a first referred publication is aimed to be
submitted, including the results andconclusions of the prototype
measurements at Lake Grimsel.
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Frequency [Hz]
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Powerspectru
mQ
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5 OUTLOOK
5.1 Turbidity monitoring at Grimsel II power plant
The installation of a continuous monitoring system on an
existing pumped storage plant hasconcretized with in situ visits
and several project meetings with KWO collaborators. In order
toestimate the suspended load transported between the two
reservoirs and to observe the influence
of the pumped storage activity, turbidity measurements at the
pressurized shaft of the Grimsel IIplant are planned. Bhler (2001
and 2002) carried out turbidity measurements at Grimsel I
anddetected the arrival of turbidity currents travelling down the
Lake Grimsel from its upstream part tothe dam, where the intake of
the Grimsel I scheme is situated. In 2004/2005, turbidity
recordingshave been carried out by Bhler at Grimsel II. The devices
and procedures applied in the presentPhD work could be similar to
what has been effectuated during these former studies.Nevertheless,
the possibility of putting a turbidity measuring device directly on
the pressurizedsystem in collaboration with other PhD students
installing monitoring devices (refer to Rapportdavancement 2009
submitted to OFEN by Fadi Hachem) is considered.
5.2 Physical scaled model
Physical modeling will concentrate on particle exchange rates
and settling rates in a simplereservoir geometry (Figure 5.1). The
simplified experimental configuration is chosen in order
tounderstand and describe turbulence introduced by pumping or
turbining mode.
In fall or winter 2009 reconstruction work will be effectuated
on an existing hydraulic model whichhas been designed for testing
the impact of rotational jets on sedimentation in reservoirs
(Jenzer2006). Actually, the experimental setup is still being used
for this PhD project going on at LCH.First tests on the adapted
physical model are expected to take place in early 2010.
Figure 5.1 : Simplified reservoir geometries to be tested on the
physical scaled model;rectangular shape (left), trapezoidal basin
(right)
The physical scaled model aims to test the influence of the
intake/outlet position and to change thebasin geometry with simple
means. The turbulence and the characteristics of
sedimentationbehaviour will then be linked to other parameters
susceptible to affect these processes, like theduration of
alternating pumping and generating modes, the in- and out-flowing
discharge and the
geometry of inlet/outlet structures. The material used to
simulate the sediments in the physicalexperiments will consist of
walnut shell powder. This material has been used at the LCH
duringformer studies in the research field of sedimentation in
shallow reservoirs (Kantoush 2008) andhas been proved to be very
well adapted to this problematic.
5.3 Numerical models
As it has been mentioned before, numerical simulation of the
lower reservoir (Lake Grimsel) of theGrimsel II power plant is
about to start in order to compare the field measurements to
resultsobtained by numerical flow calculation.
Both ANSYS and Flow3Dcould be used likewise to simulate the
experimental setup. This allows
testing and estimating the influence of changes in reservoir or
intake/outlet geometry, dischargeand duration of pumped storage
cycles previously to hydraulic modeling.
1%Longitudinalslope
~3 m
~1.5m
1.2~1.3mWaterintake
1%
Transversalslope
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Sustainable sedimentation in pumped storage plants Rapport
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5.4 Project timetable schedule
The time schedule of the different project phases that will
spread over the next two to three yearscan be given as follows:
Figure 5.2 : PhD project schedule
5.5 Follow-up of the project
Beside the follow-up by the director of this research work,
Prof. Anton Schleiss, the PhD thesis isclosely supervised by the
senior research associates, Dr Giovanni De Cesare and Dr
Jean-LouisBoillat. Accordingly, progress meetings are planned
regularly every six weeks, with the three aforementioned
people.
Twice a year, the progress state of the project is presented in
the framework of internalconferences at LCH (the first presentation
has been given on the 28thof November 2008, thesecond will take
place on the 25thof September 2009). Two intermediate reports at
the end of thefirst and the second year will be prepared.
The multidisciplinary CCEM-consortium organizes periodical
sessions (two per year), whereinformation is shared, progress is
discussed and common future work is defined. By now, threetechnical
meetings have taken place.
Knowledge transfer to practionners will be guaranteed by the
organization of workshops.
Literature study and background theory
Establishment of research plan
Acceptance of research plan
Prototype tests
Preparation of measurement campaigns
1stcampaign Lake Grimsel (ADP velocity)
2nd
campaign Lake Grimsel (ADP velocity)
Data acquisition and analysis
Definition of test parameters
Site investigation
Setting up sensors and acquisition data
Preliminary measurements
Continuous measurements
Analysis of test results
Physical scaled model Model concept and construction
Preliminary tests and calibration
Tests
Analysis of test results
Numerical calculations
Lake Grimsel model
Experimental setup model
Development of theoretical model
New design guidelines
Dissertation reports
Scientific publications
2nd
termProject tasks
2008 2009 2010 2011
2nd
term 1st
term 2nd
term 1st
term 2nd
term 1st
term
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A.1
Artikel zum 11. JUWI-Treffen, 26. 29. August 2009:
Monitoring und Vorhersage der Sedimentation in
Pumpspeicherwerken
-
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JUWI 2009 Lausanne, 26. 29. August 2009
11. Treffen junger WissenschafterInnen an
Wasserbauinstituten
Monitoring und Vorhersage der Sedimentation in
Pumpspeicherwerken
Michael Mller und Anton Schleiss
Zusammenfassung
Wie die Speicher herkmmlicher Kraftwerke sind die Staubecken von
Pumpspeicher-anlagen, welche durch die steigende Energienachfrage
in der Schweiz und weltweit stets
an Bedeutung gewinnen, von Verlandungsproblemen betroffen. Doch
wie werden dieTurbulenz und die Ablagerung von Feinsedimenten in
solchen Speichern durch diestetig wechselnden Pump- und
Turbiniersequenzen beeintrchtigt? Wie kann dieTurbulenz durch die
Position sowie die Geometrie der Ein- und Auslaufbauwerke
beeinflusst werden, um das Absetzen von Feinsedimenten zu
reduzieren? Diese Fragenwerden in einem Forschungsprojekt
untersucht. Ziele, Methodik und erste Resultate
vonPrototypmessungen sind im vorliegenden Beitrag beschrieben.
Abstract
To satisfy a continuously increasing energy demand, pumped
storage hydropowerprojects become more and more relevant on a
worldwide scale. As in traditional
hydropower plants, reservoirs are often affected by
sedimentation. Long-termsedimentation issues due to fast and
repeated change of operations between generatingand pumping modes
are relatively unknown compared to traditional hydropowerschemes.
How does the pumping and generating activity affect turbulence in
thereservoir and sedimentation process by fine sediments? How could
the turbulence beinfluenced by the geometry of intakes and outlets
in order to reduce settling down thefine sediments? These main
questions are to be examined in a PhD project, whoseobjectives,
methodology and results of first prototype measurements are
described inthe present paper.
1. Einleitung
Die Verlandung von Stauseen ist eines der anspruchsvollsten
Probleme des Wasserbausdes 21. Jahrhunderts. Die daraus
entstehenden Kapazittsverluste und die Bildung vonAblagerungen vor
Einlaufbauwerken oder Grundablssen gefhrden die Zuverlssigkeitund
die Lebensdauer der Wasserkraftanlagen sowie die Kontinuitt der
Energie-
produktion und die Sicherheit der Bauwerke.
Um die steigende Energienachfrage zu befriedigen werden
Pumpspeicheranlagensowohl in der Schweiz, wie auch weltweit stets
wichtiger. Solche Projekte bestehen imAllgemeinen aus einem oberen
und unteren Reservoir, zwischen welchen das Wasserturbiniert oder
gepumpt wird. Die langfristigen Ablagerungsprozesse in den
Speichern
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unter Einfluss von stetig wechselnden Pump- und
Turbiniersequenzen sind im Ver-gleich zur Sedimentation in
herkmmlichen Kraftwerken verhltnismig unbekannt.
Im Rahmen des Projekts HydroNet a standardised methodology for
pumped storagepower plants forschen schweizweit sieben Institute in
den Bereichen Hydrodynamik,Elektronik, Hydraulik, Umwelt und
Datentransfer, um Lsungsanstze fr dieberwachung und die Vorhersage
relevanter Phnomene in Pumpspeicherkraftwerkenzu finden. Das
Laboratoire de Constructions Hydrauliques (LCH) der Ecole
polytechnique Fdrale de Lausanne(EPFL) beteiligt sich mit einer
Forschungsarbeit,die sich mit der Sedimentation in den Speichern
solcher Anlagen, insbesondere demEinfluss des Pumpspeicherbetriebs,
sowie der Position und der Geometrie des Ein-/Auslaufbauwerkes auf
die Turbulenz im Becken beschftigt.
2. Ziele und Vorgehen
Um Lsungen fr eine nachhaltige Sedimentbewirtschaftung in
Pumpspeicherkraft-
werken zu entwickeln, soll im Verlauf der vorgestellten
Dissertation folgendeSchlsselfrage beantwortet werden: Wie knnen
die durch den Pumpspeicherbetriebhervorgerufenen Turbulenzen
genutzt werden, um das Absetzen von Feinsedimenten
zuverhindern?
Basierend auf einer Literaturstudie, welche die Bereiche
Turbulenz, Sedimentation vonStauseen, Sedimenttransport in
Druckleitungen, und Strmungsfelder vor Fassungen
behandelt, soll eine theoretische Grundlage ausgearbeitet
werden, um die wichtigstenphysikalischen Prozesse hinter den
relevanten Phnomenen zu beschreiben.
Auf einer existierenden Kraftwerksanlage werden
Prototypmessungen durchgefhrt.Messinstrumente und Wasserentnahmen
am Triebwasserweg ermglichen eine Analyse
der Sedimentkonzentration in Funktion von Durchfluss, Fallhhe,
Geschwindigkeits-messungen und somit eine Quantifizierung des
Feststofftransports zwischen den beidenBecken. Da die
sedimentologischen Phnomene eng mit den Strmungsbedingungen imSee
zusammenhngen, werden im Bereich der Wasserfassungen
vertikaleGeschwindigkeitsprofile studiert.
In hydraulischen Modellversuchen werden Sedimentbilanzen
sowieAblagerungsprozesse in einfachen Beckengeometrien untersucht.
Dabei wird derEinfluss der Dauer des Pumpens resp. Turbinierens,
der umgewlzten Wassermengesowie der Position und der Form der
Ein-/Auslaufbauwerke analysiert.
Die numerische Simulation der in Laborversuchen getesteten
Geometrien und des
Prototyps dient zur Besttigung der beobachteten Vorgnge in
Prototyp undVersuchsbecken. Dazu werden ANSYS CFX11, sowie
Flow3Dverwendet.
3. Resultate: Strmungsfelder vor dem Ein-/Auslaufbauwerk
Grimselsee
Messungen im Prototyp sowie die Entwicklung von Methoden zum
Monitoring und derVorhersage der verschiedenen Phnomene sind ein
wichtiger Bestandteil desHydroNet-Projekts. Unter Mithilfe
derKraftwerke Oberhasli AG(KWO) werden solche Analysenam
Pumpspeicherwerk Grimsel 2 im Berner Oberland, Schweiz, durchgefhrt
(Abb. 1).Dieses unterirdisch angelegte Kraftwerk wlzt die
Wassermassen zwischen demGrimselsee (1909 m .M.) und dem Oberarsee
(2303 m .M.) um.
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Abbildung 1: Situationsplan Pumpspeicherkraftwerk Grimsel 2
Mit dem Ziel, Geschwindigkeiten vor dem Ein-/Auslaufbauwerk im
Grimselsee zumessen, wurden im Herbst 2008 erste Prototypmessungen
durchgefhrt. DieseAufzeichnungen ermglichen, die Auswirkungen des
alternierenden Pump- undTurbinierbetriebs auf die
Strmungseigenschaften im Becken, sowie den Einfluss
einerspezifischen Geometrie des Auslaufbauwerkes zu beobachten.
3.1 Beschreibung des PrototypsDas Ein-/Auslaufbauwerk im
Grimselsee ist zylinderfrmig mit einem Durchmesservon 21.70 m auf
einer Plattform in einer Nische der Seetopographie auf 1942 m
.M.eingebettet ist. Das Turbinenwasser gelangt durch einen
senkrecht nach obengerichteten Stollen in den Zylinder und strmt
radial durch zehn seitliche ffnungenaus, welche durch Leitwnde
getrennt sind (Abb. 2).
Abbildung 2: Grundriss und Aufriss des Ein-/Auslaufbauwerkes im
Grimselsee
Westlich ist das Bauwerk von relativ steilen Felswnden umgeben,
im Osten, inRichtung der Talsperre Spittellamm, ist der Seeboden
flach und liegt rund 10 m unterder Fassung. Diese Eigenschaften
sowie die Anwendungskriterien der Messinstrumente(Abschnitt 3.2),
fhren zu folgenden Messkonfigurationen (Abb. 3 links):
Die Ausrichtung der drei Messsonden in der Achse eines
Zylindersektors erlaubtdas Erfassen der vermuteten Hauptrichtung
des ausfliessenden Wasserstrahls.
Die Platzierung der Sonden in mindestens 25 m Entfernung zum
Bauwerk sowie
5 m unterhalb der Auslaufplattform garantiert eine stabile
Position der
Q
Q
Druckstollen
Unterbecken: Grimselsee
Oberbecken: Oberaarsee
Ein-/Auslaufbauwerk
Kraftwerk
Grimsel 2
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Messinstrumente und limitiert die Interferenzen zwischen dem
ausgesendetenSignal und dem Bauwerk.
Der Abstand zwischen den jeweiligen Messgerten von midestens 50
m limitiertdie seitliche Interferenzen zwischen zwei Sonden.
Abbildung 3: Messpunkte vor dem Ein-/Auslaufbauwerk im
Grimselsee (links),
Vorbereitung der ADP-Sonde (rechts)
3.2 MesseinrichtungDie auf dem Seegrund platzierte Sonden, sog.
Acoustic Doppler Profiler (ADP), sindin der Lage, die
Strmungsgeschwindigkeiten ber mehrere Wochen aufzuzeichnen.Das Gert
sendet ein akkustisches Signal aus, welches von Partikeln im Wasser
zurSonde zurckreflektiert wird, und errechnet die Geschwindigkeiten
der Wassermassen
mit Hilfe des physikalischen Grundsatzes der
Dopplerverschiebung. Der Standort derSonden wurde per GPS von einem
Boot aus bestimmt und durch eine Messung derWassertiefe mit einem
einfachen Echo-Sounder kontrolliert. Im Moment des Absenkenswird
der Akku ans Gert angeschlossen, was die Aufzeichnung von Druck,
Temperaturund Nord- resp. Ostkomponenten der
Strmungsgeschwindigkeit auslst. Erreicht dieSonde den Grund,
erlaubt eine doppelachsige Aufhngung die vertikale Ausrichtung
derMessoberflche. Das Gert speichert diese Bewegungen in Form
zweier Winkel, welchedie horizontale und vertikale Verschiebung im
Bezug auf die Waagrechte angeben. Sinddiese beiden Parameter
konstant, befindet sich das Messgert in einer stabilen Lage unddie
Aufzeichnungen sind zuverlssig. Abbildung 3 (rechts) zeigt eine der
verwendetenADP-Sonden.
3.3 Auswertung der GeschwindigkeitsdatenWhrend der ersten
Feldkampagne im September 2008 betrug die Dauer
derGeschwindigkeitsmessungen fnf Wochentage. Im November 2008
wurden die Profilezustzlich auch an Wochenenden aufgezeichnet, was
eine Messdauer von sechs, resp.acht Tagen ergab. So konnten
charakteristische Zyklen erfasst werden, welche sowohlkurzfristige
(tags Turbinieren, nachts Pumpen), als auch mittelfristige
Sequenzen(sukzessive Entleerung des Speichers im Verlaufe der
Woche, Pumpbetrieb an denWochenenden) beschreiben. Die KWO lieferte
fr die entsprechenden Periodensmtliche Durchflussdaten und
Pegelstnde des Grimselsees zur Kontrolle der ADP-Druckmessung. Die
ADP-Sonden messen die Geschwindigkeitskomponenten auf jedem
Meter der Wassersule bis zur Seeoberflche, in einem
Zeitintervall von 5 Minuten. So
Messreihe Sept. 2008
2. Messreihe Nov. 2008
1. Messreihe Nov. 2008
Ein/Auslauf-
bauwerk
N
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knnen nach der Extraktion der Daten zeitabhngige
dreidimensionaleGeschwindigkeitprofile vor dem Ein-/Auslaufbauwerk
generiert werden, die Aufschlussber die Strmungsverhltnisse vor der
Fassung geben.
In Abbildung 4 sind zwei typische Geschwindigkeitsfelder
dargestellt, die whrend demPump- resp. Turbinierbetrieb beobachtet
wurden. Die Strmungsrichtung entspricht indiesem Falle der zu
erwartenden Hauptrichtung der aus- bzw.
zustrmendenWassermassen.
Abbildung 4: Geschwindigkeitsprofile vor dem
Ein-/Auslaufbauwerk, Messreihe Sept. 2008;
Pumpbetrieb (links), Turbinierbetrieb (ausstrmende Wassermassen,
rechts)
Es treten allerdings auch Perioden auf, in denen die Ausrichtung
der Geschwindigkeits-vektoren nur bedingt mit der vermuteten
Ein-/Austrittsrichtung des Wasserstrahlsbereinstimmt. Unter anderem
wird festgestellt, dass die Wassermassen auch whrendPerioden ohne
Betrieb in Bewegung sind, wobei eine klare Tendenz
derStrmungsausrichtung auf den ersten Blick fehlt. Zudem ist eine
zweite Hauptrichtungder Geschwindigkeitsvektoren in Richtung
Nord-Nordwesten vorhanden, was auf denEinfluss der Seetopographie
hinweisen knnte.
Abbildung 5: Vergleich der Powerspektren der Geschwindigkeits-
und Abflussdaten,
1. Messreihe Nov. 2008, Profiler 1 (nrdlich des Bauwerkes, Abb.
3 links)
Um zu bestimmen, ob die gemessenen Geschwindigkeiten in direkter
Korrelation mitdem Pumpspeicherbetrieb stehen, wurden die
Powerspektren der Messreihen und der
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xOst[cm]
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