Département de génie civil (Laboratoire de constructions hydrauliques LCH)

Alluvionnement des retenues par courants de turbidité

De Cesare, Giovanni ; Boillat, Jean-Louis (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1998 ; no 1820.

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    Summary
    Reservoir sedimentation by turbidity currents All lakes created on natural rivers are subjected to reservoir sedimentation. The construction of a dam significantly modifies the flow conditions of natural streams inside and downstream of an artificial lake. Considering the sediment concentration, often high during the flood season, the entering flow shows a greater density than the ambient fluid. Suspended load can therefore be entrained along the reservoir bottom all the way down to the dam in the form of turbidity currents. Research was undertaken to better understand the physical phenomena that contribute to reservoir sedimentation. The study of turbidity currents at the bottom of a lake is based on a review of the relevant literature, on measurements of water and sediment motion on site, on physical modelling of turbidity currents and on numerical flow simulation. The two-year on site investigation in the test site of Luzzone in southern Switzerland showed the relationship between precipitation, water and sediment flow and turbidity current in the reservoir even for minor events. A simple relationship describing the inflow hydrograph and the sediment transport for small floods in the incoming river was established as a set of non-dimensional equations. These relations were implemented in the numerical flow code as an upstream boundary condition. No significant occurrence of high water was observed. It was therefore impossible to establish the necessary elements for extrapolation to important flood events with their implication for the reservoir sedimentation process. The laboratory investigation confirmed the results from numerical simulation of turbidity currents. The progressing flow proceeded as predicted by theory and numerical simulation. The numerical model developed is based on the general Navier-Stokes solver code CFX-F3D from Computational Fluid Dynamics Services. User defined sediment deposition and erosion modules were added in order to take into account sedimentation and the interactions between the turbidity current and the bottom of the reservoir. The flow in the physical model as well as in the real reservoir geometry was simulated with exactly the same boundary conditions. Comparison between computer simulation, physical model and on site measurement results showed a satisfactory agreement. The code was then used to simulate turbidity currents in two dimensions in a simplified reservoir geometry with all available flow - sediment interaction models for three different particle sizes. The results were compared to data from an existing 2Dflow simulation programme and they agreed well. The study of a thousand-year flood in the Luzzone reservoir using the developed computer model revealed the potential of such a tool. In particular, the impact on the sediment deposits was analysed. A Rapid evaluation of the incidence of such an extreme turbidity flow was made. Through this study, considerable knowledge has been acquired. It can be used to formulate proposals in order to allow limited transit of sediments through the lake during floods to evacuate them directly downstream of the dam. This operation has to take place during flood periods, when the upstream and downstream reaches carry enough water. The bottom outlet therefore participates partially in the sediment evacuation at the moment of their major occurrence during floods. Another advantage of this procedure would be the reduced impact on wildlife and vegetation in the downstream river.
    Résumé
    La construction d’un barrage modifie profondément les conditions d’écoulement de la rivière ou du torrent à l'intérieur et à l'aval de la retenue. En raison d'une charge en suspension souvent considérable en situation de crue, le courant entrant possède une densité plus élevée que celle du fluide ambiant. La charge solide entraînée avance alors jusqu’au barrage dans un courant de turbidité et finit par décanter. C'est pourquoi les retenues créées par des barrages sur les cours d'eau naturels sont toutes confrontées au phénomène de l'alluvionnement. La recherche consacrée à ce sujet est réalisée dans l'objectif de mieux comprendre les mécanismes physiques qui y sont associés. L'étude des courants de turbidité à l'intérieur du réservoir s'appuie sur une revue de littérature, sur des mesures in situ des écoulements d'eau et des mouvements de sédiments, sur des essais de reproduction de courants de turbidité en laboratoire ainsi que sur la simulation numérique des courants. Les résultats des campagnes de mesure réalisées sur le bassin test de la retenue de Luzzone pendant deux années consécutives ont permis la mise en évidence de la relation "pluie - débits liquide et solide - courant dans le lac" pour quelques événements typiques. Des relations simples décrivant les apports liquides et solides dans la retenue sous forme adimensionnelle ont ainsi pu être établies à partir de ces observations. Ces relations ont ensuite été intégrées dans le calcul numérique comme conditions à la limite amont de la retenue. Aucun événement hydrologique majeur n’ayant été observé durant la période de mesure, l'extrapolation de ces conditions limites à des situations de crues extrêmes reste toutefois une hypothèse. Les mesures effectuées en laboratoire confirment les résultats de la simulation numérique des courants de turbidité. Leur progression telle qu'observée suit bien les valeurs prédites par la théorie et celles obtenues par calcul numérique. La modélisation numérique proposée est basée sur le code CFX-F3D développé par Computational Fluid Dynamics Services et commercialisé par AEA Technology. Elle est enrichie de modules programmés spécialement pour tenir compte de la sédimentation et de l'entraînement de particules sur le fond. Cet outil informatique permet la simulation tridimensionnelle d'écoulements turbulents à phase solide dans une géométrie quelconque. Les essais réalisés en laboratoire ainsi qu'un événement majeur enregistré à Luzzone ont été comparés aux résultats obtenus numériquement avec les mêmes conditions aux limites. La solution numérique peut être considérée comme très satisfaisante. Le code numérique a ensuite été appliqué à la simulation en 2D d'un courant de turbidité dans un réservoir à géométrie simple avec tous les modèles d'interaction courant – dépôts disponibles pour trois diamètres de particules. Les résultats ont été comparés avec ceux obtenus à l'aide d'un programme purement 2D de simulation des courants de turbidité. La comparaison des résultats montre une bonne convergence des solutions examinées. L'application du modèle 3D à la situation hypothétique d'une crue millennale dans la retenue de Luzzone met bien en évidence les capacités de la simulation numérique. En particulier, le calcul évolutif de l'épaisseur des dépôts en tout point du fond permet de faire une évaluation intéressante de l'incidence du passage d'un courant de turbidité. Les connaissances acquises dans le domaine exploré permettent de formuler un certain nombre de recommandations pour la maîtrise de l'alluvionnement des retenues. Celles-ci concernent essentiellement le transit partiel des sédiments à travers la retenue durant les crues. Ce transit doit en particulier être favorisé par la réalisation de purges lorsque des précipitations importantes font croître naturellement les débits dans les cours d'eau amont et aval. Cette pratique offre des avantages environnementaux indéniables pour la faune et la flore des cours d'eau aval.
    Riassunto
    Riassunto Interrimento dei serbatoi da correnti torbide Come tutti i laghi su un corso d'acqua naturale, anche i bacini artificiali sono confrontati all'interrimento. La costruzione di una diga modifica profondamente le condizioni di deflusso del fiume o del torrente all'interno e a valle dell'invaso. Nel caso di piene con forte trasporto solido, l'affluente presenta una densità più elevata rispetto alle acque dell'invaso. Il materiale solido sospeso procede allora all’interno dell’invaso verso lo sbarramento su forma di correnti torbide. L'obiettivo del presente studio è quello di migliorare la comprensione dei fenomeni che contribuiscono all’interrimento dei bacini artificiali. L’analisi delle correnti torbide all’interno del bacino si basa principalmente sull'acquisizione di riferimenti bibliografici, sulla misurazione in sito del moto dell’acqua e dei sedimenti nell’affluente principale e sul fondo dell'invaso di Luzzone, sull’effettuazione di prove in laboratorio per la riproduzione delle correnti di fondo e, infine, sulla simulazione numerica di correnti torbide. Durante i due anni d’indagini in sito è stato possibile mettere in evidenza la relazione fra precipitazione, deflusso liquido e solido e correnti torbide nell'invaso, grazie alle misure osservate nel corso di piene di modesta entità. Una relazione semplice, capace di descrivere l’idrogramma e l’apporto solido nel serbatoio, è stata determinata sulla base d'equazioni adimensionali. Queste ultime sono state in seguito introdotte nel calcolo numerico come condizioni di contorno a monte. Dato che nessun evento di piena eccezionale è stato registrato, l’estrapolazione dei risultati ottenuti per gli eventi di minor entità a tali situazioni estremi non è stata ritenuta opportuna. Le misure effettuate in laboratorio hanno confermato i risultati di calcolo della corrente torbida. Il suo avanzamento concorda con i valori predetti dalla teoria e dal modello numerico. Nella modellizzazione numerica di moti turbolenti tridimensionali si è utilizzato il codice CFX-F3D sviluppato da Computational Fluid Dynamics Services e distribuito da AEA Technology. Le routines per la valutazione della sedimentazione e della messa in moto delle particelle sul fondo sono state programmate a parte e quindi inserite nel modello di base. Ciò ha permesso la riproduzione fedele delle correnti torbide nel bacino. Tanto le prove in laboratorio quanto le correnti osservate nell’invaso sono state simulate numericamente utilizzando per esse le stesse condizioni al contorno. Dal confronto fra misure effettuate e risultati numerici ottenuti emerge un'ottima concordanza. In seguito il codice è stato applicato alla simulazione in due dimensioni di correnti torbide in un invaso a geometria semplificata con tutti i modelli d'interazione "corrente – depositi" disponibili per tre diametri di particelle diversi. I risultati del calcolo confrontati con quelli ottenuti da un programma di calcolo unicamente bidimensionale mostravano una coerenza soddisfacente. La modelizzazione di un evento di piena millenaria nel bacino di Luzzone mostra la capacità della simulazione numerica. In particolare, lo studio dell'evoluzione dei depositi in ogni punto sul fondo del lago durante e dopo il passaggio di una corrente torbida intensa, permette una valutazione rapida del suo impatto. In sintesi, è lecito affermare che, nel fenomeno d'interrimento degli invasi, sono state acquisite notevoli conoscenze. È stato possibile quindi descrivere con buona precisione il transito dei sedimenti all'interno dell'invaso, nel caso di piene con forte trasporto solido, ed il loro deflusso verso il corso d'acqua a valle dello sbarramento. La ricerca ha permesso di determinare il momento più opportuno per azionare le opere di scarico evacuando parte del materiale trasportato dalla torbida e riducendo al minimo le perdite d'acqua. Questi spurghi devono aver luogo durante le piene poiché tali condizioni aumentano i deflussi a monte e a valle della diga. In quest’ottica, lo scarico di fondo può partecipare parzialmente all'evacuazione dei sedimenti durante le piene. Questa pratica presenta il vantaggio ambientale di non perturbare oltre limite la fauna e la flora nel corso d'acqua a valle della diga.
    Zusammenfassung
    Verlandung von Staussen durch Trübeströme Wie alle Seen, die von natürlichen Gewässern durchflossen werden, sind auch Stauseen von der Verlandung betroffen. Durch den Bau einer Talsperre verändert sich das Abflussverhalten des Gewässers erheblich. Infolge Höherstaus wird die mittlere Abflussgeschwindigkeit im Stausee sehr stark reduziert. Der hauptsächlich während Hochwasser mit Feststoffen beladene Zufluss aus dem Einzugsgebiet hat ein grösseres Raumgewicht als das grösstenteils sedimentfreie Wasser im Stausee. Als Trübestrom, der sich nur langsam mit dem Seewasser vermischt, bewegt sich der Zufluss auf dem Speicherboden mit beachtlicher Geschwindigkeit in Richtung Talsperre. Die aus der vorliegenden Forschungsarbeit gewonnenen Erkenntnisse erlauben ein besseres Verständnis der Prozesse, welche für die Stauseeverlandung massgebend sind. Die Untersuchung der Trübeströme gliedert sich in ein Grundlagenstudium, in eine Feldkampagne zur Messung von Abfluss und Feststofftransport, in die physikalische Simulation von Trübeströmen im Labor, sowie in die numerische Modellierung derselben. Aufgrund der Resultate der zweijährigen Feldmessungen im Testgebiet des Stausees Luzzone konnte die Beziehung zwischen Niederschlag, Wasser- und Feststofftransport sowie Trübeströme für mehrere kleine Hochwasser ermittelt werden. Daraus ergaben sich für den Wasser- und Feststofftransport einfache dimensionslose Gleichungen, welche den Eintrag ins Staubecken beschreiben. Diese wurden als Randbedingungen für die numerische Simulation verwendet. Da kein aussergewöhnliches Hochwasserereignis in die Messperiode fiel, war es nicht möglich, die Elemente zu beschreiben, welche für die Übertragung der Resultate auf Extremereignisse notwendig sind. Die Laborversuche bestätigten die Ergebnisse der gerechneten Trübeströme. Deren Abflussverhalten konnte anhand der Theorie und mittels der numerischen Simulation vorausgesagt werden. Das numerische Rechenmodell besteht aus dem Programm CFX-F3D, welches von Computational Fluid Dynamics Services entwickelt wurde und von AEA Technology vertrieben wird. Die vorhandenen Mehrphasentransportgleichungen wurden im Rahmen der Forschungsarbeit durch Erosions- und Sedimentationsmodule ergänzt, um Ablagerungs- und Erosionsprozesse am Seegrund simulieren zu können. Das Rechenmodell erlaubt die dreidimensionale Modellierung von turbulenten zweiphasigen Abflussvorgängen in komplexer Geometrie. Die Laborversuche, wie auch die im Stausee gemessenen Trübeströme wurden mit numerischen Resultaten verglichen, welche mit einem bezüglich Geometrie und Randbedingungen wirklichkeitsnahem Modell gerechneten wurden. Es ergab sich eine zufriedenstellende Übereinstimmung von Rechnung und Beobachtung. Das Rechenmodell wurde anschliessend dazu verwendet, einen Trübestrom zweidimensional in einer vereinfachten Stauseegeometrie mit allen vorhanden Erosions- und Sedimentationsmodulen und drei verschiedenen Korngrössen nachzurechnen. Die Ergebnisse wurden zudem mit den aus einem reinen 2D Programme gewonnenen Resultaten verglichen. Es zeigte sich eine ausreichende Übereinstimmung der Resultate. Mit der numerischen Simulation eines hypothetischen tausendjährigen Hochwassers im Staubecken Luzzone konnte gezeigt werden, wie mit dem numerischen Modell Fragen im Zusammenhang mit der Verlandung beantworten werden können. Das erarbeitete numerische Modell erlaubt insbesondere, bei der Untersuchung des Trübestromes die räumlichen Ablagerungen auf den Seegrund zu lokalisieren und die Mengen an abgelagertem, sowie erodiertem Material zu bestimmen. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit tragen wesentlich zum besseren Verständnis der Stauseeverlandung bei. Es können einige konkrete Empfehlungen formuliert werden. Diese beabsichtigen vor allem, das Durchleiten von Feststoffen durch das Staubecken in den Vorfluter während Hochwasserereignissen mindestens teilweise zu ermöglichen. Die gesammelten Erkenntnisse erlauben die Bestimmung des optimalen Zeitpunktes des Betriebes des Grundablasses, mit dem Ziel, die anfallenden Sedimente möglichst durchzuleiten und den Wasserverlust so gering als möglich zu halten. Somit wird der Grundablass vorteilhaft zur Spülung von Sedimenten während Hochwasser beigezogen. Dieses Vorgehen hat zudem den Vorteil, dass das feststoffbeladene Wasser vom Grundablass in einem Zeitpunkt ins Unterwasser abgegeben wird, in dem dieses durch Niederschläge bereits eine grössere Wasserführung aufweist und somit die Fauna nicht übermässig belastet wird.