Numerical Modelling of the Hydrodynamics and Suspended Sediment Transport in the Passaúna Reservoir

Stauseen dienen einer breiten Palette von Aufgaben wie derWasserversorgung, dem Hochwasserschutz, der Stromerzeugung aus Wasserkraft und/oder der Naherholung. Aufgrund der zunehmenden Wassermangel- und Energienachfrage nimmt der Bau von Stauseen weltweit ständig zu. Heutzutage konzentriert sich der Bau von Stauseen auf Entwicklungs- und Schwellenländer, einschließlich Südamerika (Zarfl et al., 2015). 2010 befanden sich etwa 60 % der Stauseen weltweit in den tropischen und subtropischen Zonen (Selge and Gunkel, 2013). Die Sicherstellung der Wassermenge und -qualität in den Stauseen ist das wichtigste Managementziel, das von den öffentlichen Wasserbetrieben erreicht werden muss. ... mehrDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich in ihrem mit der Charakterisierung der Hydrodynamik und des Schwebstofftransports durch Feldmessungen und numerischen Modellierung im subtropischen Passaúna-Stausee am Westrand der Stadt Curitiba in Brasilien.

Die numerische Simulation der Wasserqualität in Stauseen ist für Wissenschaftler und Anwender bei der Bewirtschaftung dieser Gewässer zu einem äußerst wertvollen Instrument geworden. Die Hydrodynamik einschließlich der thermischen Struktur des Stausees muss kalibriert werden, um ein zuverlässiges Modell für die spätere Simulation des Stofftransports zu erhalten. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein numerisches Modell für den Passaúna-Stausee anhand der Software Delft3D entwickelt. Der Einfluss von numerischen und physikalischen Parametern wie dem Windwiderstandskoeffizienten, der Anzahl der vertikalen Schichten, den Hintergrundmischungskoeffizienten und zusätzlichen Variablen, die
mit den Wärmeflüssen zusammenhängen, die thermische Struktur und die Strömungsgeschwindigkeiten wird untersucht und mit Feldmessungen verglichen. In den untersuchten Parameterbereichen beeinflusste die Dalton-Zahl die berechneten Temperaturen am stärksten. Die horizontale Strömungsgeschwindigkeit wurde am stärksten durch die Änderung der benutzerdefinierten vertikalen Hintergrundviskosität beeinflusst. Darüber hinaus wurden die Existenz dichtegetriebener Strömungen und ihre Simulation mit dem Modell bewertet. Die Leistungen von Z- und Sigma-Schichtsystemen werden ebenfalls untersucht. Das Z-Modell simulierte die Schichtung der Wassersäule besser und das Sigma-Modell bot eine realistischere Vorhersage der Dichteströmungen. Die Einbeziehung bzw. der Ausschluss von Wind in das numerische Modell wirkte sich sowohl auf die thermische Struktur als auch auf die Strömungsgeschwindigkeiten im Reservoir aus.

Der Transport und die Ablagerung von Schwebstoffen in Stauseen wirken sich nicht nur auf die Lebensdauer und die Speicherkapazität dieser Wasserkörper aus, sondern beeinflussen auch die Qualität des Wassers der Stauseen. Wind und Temperatur beeinflussen die Hydrodynamik von Seen und Stauseen, indem sie sich auf die Form und die Größe der Geschwindigkeitsprofile auswirken und zu einer Durchmischung und Schichtung in der Wassersäule führen. Die Auswirkung dieser beiden Faktoren auf den Transport von Schwebstoffen in Stauseen wird hier durch numerische Simulationen für den genannten Stausee untersucht. Außerdem wird die Sensitivität der Simulationsergebnisse auf zwei in Delft3D implementierte vertikale Gittersysteme untersucht: Z- und Sigma-Koordinatensysteme, getestet. Die Menge der abgelagerten Sedimente, das Depositionsmuster und die Profile der Schwebstoffkonzentrationen (SSC) wurden für die Szenarien mit oder ohne Einbeziehung von Wind und/oder Wassertemperatur untersucht. Es wurde festgestellt, dass die numerischen Ergebnisse in Bezug auf den Transport von Schwebstoffen durch die Wahl des vertikalen Koordinatensystems beeinflusst werden. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Einbeziehung von Temperatur und Wind in die numerischen Simulationen relevant ist und zu unterschiedlichen Ergebnissen führen wird. Diese Arbeit bildet eine Grundlage für den Aufbau anderer Modelle in ähnlichen Stauseen, in denen sowohl der Feinsedimenttransport als auch thermische Schichtungsprozesse von Bedeutung sind.

Reservoirs are designed to achieve a wide range of tasks such as water supply, flood protection, hydropower generation and/or recreation. The construction of reservoirs around the world is constantly rising due to the increasing water scarcity and energy demand. Nowadays, their construction is concentrated in developing countries and emerging economies, including South America (Zarfl et al., 2015). 2010 approximately 60% of the reservoirs worldwide were situated in the tropical and subtropical zones (Selge and Gunkel, 2013). Ensuring the water quantity and quality in storage reservoirs is the most important management goal to be achieved by public water companies. ... mehrThe present work deals with the characterization of the hydrodynamics and suspended sediment transport through field measurements and numerical modelling in the subtropical Passaúna Reservoir at the west margin of the city of Curitiba in Brazil.

The numerical simulation of the water quality in reservoirs has increasingly become an invaluable tool to scientist and practicioners in the management of those water bodies. The hydrodynamics including the thermal structure of the reservoir have to be calibrated in order to have a reliable model to later simulate the transport of substances. Within the framework of this dissertation a numerical model for the Passaúna Reservoir was developed using the software Delft3D. The influence of numerical and physical parameters like the wind drag coefficient, the number of layers, the background mixing coefficients and additional variables related to the heat fluxes on the thermal structure and flow velocities are investigated and compared with field measurements. In the studied ranges of the parameters, the Dalton number affected the most the calculated temperatures. The horizontal flow velocity was most influenced by the change in the user defined background vertical viscosity. Moreover, the existence of density driven currents and their simulation with the model are evaluated.
The performances of Z-and Sigma-layered systems are studied as well. The Z-model better simulated the stratification of the water column and the Sigma-model offered a more realistic prediction of the density currents. The inclusion or exclusion of wind in the numerical model showed to have an effect on both the thermal structure and the flow velocities in the reservoir.

The transport and deposition of suspended sediments in reservoirs not only affect the life span and the storage capacity of these water bodies but also influence the quality of the water. Wind and temperature influence the hydrodynamics of lakes and reservoirs affecting the shape and magnitude of the velocity profiles and also inducing mixing and stratification in the water column. The effect of those two factors on the transport of suspended sediments is here investigated through numerical simulations applied to the mentioned reservoir.
Furthermore, the sensitivity of the simulations results to two vertical grid systems implemented in Delft3D: Z- and sigma-coordinates systems was tested. The amount of deposited sediments, the deposition pattern and the suspended sediment concentrations (SSC) profiles were investigated for the scenarios with the inclusion or exclusion of wind and/or water temperature. It was found that the numerical results in terms of transport of suspended sediment are affected by the selection of the vertical coordinate system. Moreover, it was shown that the inclusion of temperature and wind in the numerical simulations is relevant and produced different results. This work is a basis for the setup of other models in similar reservoirs, in environments where both fine sediment transport and thermal stratification processes are relevant.