Banje Reservoir Sedimentation - Hydropower reservoir long-term simulation under different scenarios

Abstract

En av hovedutfordringene ved utforming av vannkraftverk over hele verden er sedimentasjon i reservoarene. Dette kommer av kompleksiteten i drivmekanismene og usikkerheten rundt det klimatiske forholdet systemet utsettes for. Vannkraftverket Banje, et stort vannreservoar som ligger i Albania, utsettes nesten hvert år for en av de høyeste forekomstene for avling i europeiske elver, som reduserer lagringskapasiteten raskt og som konsekvens nytten av vannkraftverket. Det å forstå den nåværende tilstanden av sedimenter i reservoaret og forutse hvordan systemet vil operere under fremtidige forhold med usikkerhet, er nøkkelen for beslutningsprosessen for de mest effektive sedimenteringsreduserende tiltakene. Hensikten med dette studiet er først og fremst å gjennomføre en detaljert analyse av det nåværende reservoar sedimentasjonen ved bruk av avanserte teknikker, relatert til den akustiske responsen til instrumenteringen brukt i den siste batymetriske undersøkelsen. Hvor i neste fase, anvende resultatene til å forutse fremtidig (100 års) utvikling i vannkraftverket på lang sikt, under forutsette klimatiske scenarioer. Dette vil inkludere en fyllingssimulering av reservoaret i både tids- og romdistribusjon, drift av vannkraftverket under realistiske forhold, og en økonomisk analyse av ytelsen til systemet, usatt for tekniske og miljømessige restriksjoner for å utføre håndtering av sedimenter. Det helhetlige resultatet av studiet viser at de fysiske egenskapene til sedimenter i Banje er sterkt relatert til parameterne utformet fra målingene ved bruk av tilbakespredningen fra det akustiske signalet i instrumenteringen. Hvor karakteristikken ble vellykket utledet for hele utvidelsen av reservoaret ved anvendelse av målingene. Det må derfor utføres nøye filtreringsmetoder og signalkorrigeringer for å unngå systemiske feil knyttet til forplanting av det akustiske signalet i mediet. I tillegg ble en enkel helhetlig tilnærming for å bestemme utviklingen av lagringskapasiteten, i Banje, oppgradert for å oppnå kompleksiteten til dette store reservoaret med betydelig variasjon i romlig forhold. Resultatene viser at med den eksisterende infrastrukturen for å håndtere sedimentasjon, kan en bærekraftig drift oppnås uten stor påvirkning av den økonomiske ytelsen til vannkraftverket i vesentlig grad, samtidig som lagringsreduksjonen i reservoaret reduseres sterkt og med å forberede systemet for uforutsette scenarioer i fremtiden.

The sedimentation process in reservoirs is one of the main challenges faced by the hydropower schemes worldwide, due to the complexity of the driving mechanisms and the climatic uncertainties to which the system is exposed to. The Banje hydropower plant, a large water reservoir located in Albania, is subjected every year to one of the highest sediment yields observed in European rivers, diminishing its storage capacity rapidly, and consequently, the utility of the scheme. In order to decide for the most efficient sedimentation mitigation measures of the system, is crucial to have proper understanding of the historical evolution and present state of the sediment deposits in the reservoir, and predicting how the system will perform under uncertain future conditions. The purpose of this study is, firstly, to perform a detailed analysis of the current reservoir sedimentation processes, applying advanced techniques related to the acoustic response of the instrumentation utilized in the most recent bathymetric survey. And secondly, to utilize these results to predict the future long-term (100 years) development of the scheme under expected climatic scenarios. This will include a filling simulation of the reservoir in both time and spatial distribution, the operation of the hydropower plant under realistic strategies, and an economic analysis of the performance of the system, subjected to technical and environmental restrictions to execute sediment handling measures. The overall outcome of the study shows that the physical properties of the sediment deposits in Banje are strongly related to the backscatter acoustic signal parameters returned by the instrumentation, and that the characteristics were successfully inferred for the whole extension of the reservoir by the use of these. Thus, careful filtering processes and corrections must be performed to avoid systemic errors related to the propagation of the acoustic signal in the medium. In addition, a simple holistic approach to determine the evolution of the storage capacity in Banje was upgraded in order to attain to the complexity of this large reservoir with substantial spatially varying conditions. The results show that, with the existing infrastructure to handle sedimentation, a sustainable operation may be achieved without significantly affecting the economic performance of the hydropower plant, while strongly mitigating the storage decrease of the reservoir and preparing the system for the uncertain future scenarios.