Estimating sediment depositions in the Moglica reservoir – Hydrological and hydraulic modelling, including climate change scenarios

Abstract

Med økende vannmangel som et globalt problem har bærekraften til vannkraftverk vært et aktuelt diskusjonstema blant eksperter. En faktor som har direkte innvirkning på vannkraftverkenes bærekraft og levetid, er sedimentasjonsprosessen, som har en negativ innvirkning på reservoarenes lagringskapasitet. I regioner med høy erosjonsrate vil denne prosessen være mer fremtredende, noe som krever grundige analyser og utvikling av sedimentreduserende tiltak for eksisterende og fremtidige reservoarer. Det vanligste problemet med dette temaet er mangelen på feltdata, noe som påvirker analysene og strategiene. Prognosene for klimaendringene indikerer ikke bare en økning i temperaturen, noe som påvirker fordampningen av vann i reservoarene, men også en økning i hyppigheten av ekstreme flomhendelser som fører med seg betydelige mengder sedimenter. Mange selskaper har nå insentiver til å bruke klimaendringsscenarioer for å vurdere sedimentsituasjonen på lang sikt. Denne oppgaven ble utført i samarbeid med Statkraft som en del av forfatterens praksisperiode, og fokuserte på Moglice-demningen i Albania, som er en del av Devoll HPP. Denne regionen er et av de mest sedimentbelastede områdene i Europa, noe som gjør sedimentering til en av hovedprioriteringene ved utforming og planlegging av sedimentreduserende tiltak. I tillegg vurderer Statkraft å bygge et nytt pumpelagringsmagasin oppstrøms Moglice, noe som krever en detaljert analyse av sedimentsituasjonen i området. Målet med studien er å utvikle en modellkjede bestående av en sedimentavsetningsmodell utviklet ved hjelp av RUSLE og MUSLE, kombinert med en hydrologisk modell utviklet i WEAP-programvaren og en hydraulisk sedimenttransportmodell i HEC-RAS, med hovedfokus på avsetningen i den høyre armen av Moglice, der innløpet til det planlagte utvidelsesprosjektet vil bli plassert. I tillegg benyttes klimaendringsscenarier for å vurdere de langsiktige (80 år) effektene av klimaendringer på sedimentering, med RCP-scenarier som allerede er levert av Statkraft, og forfatteren som utvikler SSP-er for hele modellen. Resultatene viste at det vil forekomme høy avsetning i både RCP- og SSP-scenariene, med avsetningshøyder som varierer fra 20 meter til 60 meter innen år 2100 på stedet der det planlagte utløpet ligger. RCP-scenariene viste betydelig høyere og mer varierende vann- og sedimenttilførsler sammenlignet med SSP-scenariene. De høyeste avsetningshastighetene ble imidlertid funnet i SSP-scenariene. Analysen viste at selv om begge hadde høy konsentrasjon av suspendert sediment, hadde SSP-scenariene lavere vannføring, noe som kan relateres til de høye avsetningshøydene, spesielt i de oppstrøms delene av elvene. Selv om både de hydrologiske og hydrauliske modellene fungerte godt og ga pålitelige resultater, anbefales ytterligere kalibrering med høyere oppløsning. Mangelen på observerte vannføringsdata for både høyre og venstre arm av Moglice og mangelen på sedimentmålinger for den venstre armen og reservoarbunnen bidrar også til en viss grad av usikkerhet i resultatene og kalibreringen av modellene.

With increasing water insufficiency being a global problem, the sustainability of hydropower plants has been an appropriate topic of discussion among experts. One factor directly affecting said sustainability and lifespan of hydropower plants is the process of sedimentation, negatively impacting the operatable storage capacity of reservoirs. In regions with high erosion rates this process will be more prominent, demanding in depth analysis and development of sediment mitigation measures for existing and future reservoirs. Most common problem to this topic is the lack of field data, affecting the liabilities of said analysis and strategies. Climate change projections indicate not only an increase in temperature, affecting the evaporation rate of water in reservoirs, but also an increase in frequency of extreme flood events which bring a considerable amount of sediment. Many companies are now incentivised to utilise climate change scenarios to assess the sediment situation in the long term. This thesis was done in collaboration with Statkraft as part of the authors internship, focused on the Moglice dam in Albania, part of the Devoll HPP. This region is one of the most sediment laden areas in Europe, making sedimentation one of the main priorities in the design and planning of sediment mitigation measures. In addition, Statkraft is considering the construction of a new pump-storage reservoir located upstream of Moglice, further demanding a detailed analysis of the sediment situation in the area. The goals of the study are to develop a model chain consisting of a sediment yield model devised through RUSLE and MUSLE, combining it with a hydrological model developed in the WEAP software and a hydraulic sediment transport model in HEC-RAS, with the main focus being the deposition in the right arm of Moglice, where the inlet of the planned extension project will be located. In addition, climate change scenarios are utilized to assess the long-term (80 years) effects of climate change on sedimentation, with RCP scenarios already provided by Statkraft and the author developing the SSPs for the full model. The results showed that high deposition will occur in both RCP and SSP scenarios, with deposition heights varying from 20 meters to 60 meters by year 2100 at the location of the planned outlet. The RCP scenarios displayed significantly higher and more varying water and sediment inflows compared to the SSP scenarios. However, the highest deposition rates were actually found in the SSP scenarios. The analysis showed that while both had high suspended sediment concentration, the SSPs had lower water flows which relates to the high deposition heights, especially in the upstream sections of the rivers. While both the hydrological and hydraulic models performed well and provided reliable results, further calibration with higher resolution is recommended. The lack of observed flow data for both the right and left arm of Moglice and lack of sediment measurements for the left arm and the reservoir bed also contribute a degree of uncertainty to the results and the calibration of the models.