Numerical Modelling of the Hydrodynamics and Suspended Sediment Transport in the Passaúna Reservoir
Creators: name: Gonzalez Otero, Wendy Johana
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Suspended Sediment Transport
Reservoir
Thermal Stratification
Gravity Currents
Sedimentation

description: 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. Die 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.