Effect of pumped-storage operations on - ETH E

Diss. ETH No. 20018
Effect of pumped-storage operations on
temperature, turbidity and sedimentation in
reservoirs and possible mitigation measures
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
presented by
MATTEO BONALUMI
Dipl. Natw. ETH
born 30 March 1981
citizen of Isorno (TI)
accepted on the recommendation of:
Prof. Dr. Flavio S. Anselmetti, examiner
Prof. Dr. Alfred Wüest, co-examiner
Dr. Ralf Kägi, co-examiner
Prof. Dr. Bernhard Wehrli, co-examiner
Prof. Dr. Anton Schleiss, co-examiner
2012
Abstract
Temperature, suspended-particle distribution and sedimentation were surveyed
and modeled in two pumped-storage hydropower plants, both located in Switzerland.
One of them, the Grimselsee-Oberaarsee plant, consists of two reservoirs
connected with a pumped-storage scheme since more than 30 years. Due to different
glacier coverage of the catchment, the two reservoirs exhibit different particle
concentration and sedimentation. Our investigation performed between 2007 and
2009 shows that the originally clearer reservoir (Oberaarsee) has become colder, more
turbid and subject to higher sedimentation, while pumped-storage operations have
decreased these parameters in the formerly more turbid reservoir (Grimselsee).
However, pumped-storage operations show no direct effect on particles, as particlesize changes due to the turbulent shear stress occurring in the penstocks could not be
determined.
The second case study, the Lago di Poschiavo-Lago Bianco pumped-storage
scheme is in a planning stage. Therefore, a water model (CE-QUAL-W2) was used to
simulate the temperature and particle characteristics of these lakes. Similarly to the
Grimsel plant, the colder and more turbid reservoir (Lago Bianco) is predicted to
become warmer and clearer, while the lower lake (Lago di Poschiavo) will experience
cooling and increased particle input, affecting negatively the surface layer where
primary production takes place. The models indicate that in warm and dry years, the
effect of pumped-storage operations is more pronounced, for two main reasons: 1. the
upper lake (a shallow lake) is intensively coupled to the atmosphere and heats up very
fast, increasing the temperature difference between the two water basins; 2. in the dry
years, the pumped-storage impact is not attenuated through the natural tributaries as in
the wet years. Moreover, the model shows that it is possible to minimize the increase
in particle-content in the epilimnion of the lower lake by designing a deeper location
of the pressure tunnel inlet/outlet.
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Riassunto
Temperatura, particelle in sospensione e sedimentazione sono state oggetto di
studio in due diversi sistemi di pompaggio/turbinaggio, entrambi situati in Svizzera.
Il primo, Grimselsee-Oberaarsee, consiste in due laghi artificiali connessi
ormai da più di 30 anni. A causa della presenza dei ghiacciai, che variano da un
bacino imbrifero all’altro, la concentrazione di particelle e la sedimentazione risulta
essere differente nei due laghi. Le nostre campagne di studio (periodo 2007-2009)
mostrano infatti che, causa pompaggio/turbinaggio il lago inizialmente più limpido
(Oberaarsee) si è intorbidito, raffreddato ed è aumentata la sedimentazione mentre che
nel lago originariamente più torbido (Grimselsee) i parametri appena elencati sono
diminuti. L’effetto delle pompe/turbine resta confinato ai due laghi artificiali, anche
perché una analisi del diametro delle particelle prima e dopo il passaggio attraverso le
macchine idrauliche (origine di sforzi turbulenti di taglio) non ha evidenziato
variazioni.
Il sistema di pompaggio/turbinaggio Lago di Poschiavo-Lago Bianco è in fase
di progettazione. Di conseguenza, la simulazione della temperatura e della
concentrazione delle particelle si è resa possibile solo grazie a un modello
idrologico(CE-QUAL-W2). Anche in questo caso, il lago inizialmente più torbido e
freddo (Lago Bianco) tende a schiarirsi e a scaldarsi, mentre quello originariamente
più cristallino si raffredda e diventa più limaccioso, incidendo negativamente sulla
parte trofica del lago dove ha luogo la produzione primaria. L’effetto del
pompaggio/turbinaggio si rivela essere più pronunciato negli anni caldi e secchi,
principalmente per due ragioni: 1. le condizioni del lago a monte (poco profondo)
dipendono fortemente dall’atmosfera, ragione per cui temperature alte possono
causarne un rapido riscaldamento aumentando la differenza di temperatura con il lago
a valle; 2. negli anni secchi, l’effetto mitigante degli affluenti viene meno, cosa che
succede invece negli anni piovosi. Con il nostro modello, inoltre, abbiamo potuto
dimostrare che, spostando in profondità la presa e l’uscita della condotta che
congiunge i due laghi, è possibile attenuare l’aumento di particelle nell’epilimnio del
lago situato a valle.
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