Sedimentación fina y corrientes de turbiedad en embalses. Caso de estudio: Embalse Amaluza (Ecuador)

Abstract

(English) Turbidity currents in reservoirs are of strong scientific interest because they can be responsible for the contribution of large amounts of fine sediments that can cause early sediment filling. The case study corresponds to the Amaluza reservoir in Ecuador of 120 Hm3 and which generates 1100 MW, this reservoir is considered one of the most important about the country.

This study is presented in three main blocks. Initially, the fundamental conceptual aspects of turbidity currents and their numerical modeling are characterized. The following aspects about this are described: the hydrodynamics of turbidity currents, the main types of numerical models used to simulate delta displacements and turbidity currents, as well as specific aspects of the modeling and theoretical considerations about shear stress on the bed τb.

The case study of the Amaluza reservoir in Ecuador is described in the following section of this doctoral thesis. Its fluvial forms are characterized and the available field information that allows the analysis of its morphodynamic behavior is described (fluvial forms, delta formation and delta displacement, etc.).

The study continues by fine-tuning the hydrodynamic model of the Amaluza reservoir, proceeding to its calibration, initially without considering sediment transport, so the computational model is built with its respective structured mesh considering its aspect ratio, mesh orthogonality, mesh smoothness and the appropriate Δt time step is determined. It is modeled under three scenarios: a uniform steady state, a non-uniform steady state, and a non-uniform and non-steady state. In these three scenarios, the velocities and shear stresses on the bed τb are calculated in the most relevant areas of the Amaluza reservoir. Once the model has been calibrated, it is ready for the next stage of sedimentological modeling. Thus, the main sedimentological parameters are established; this information will serve as the starting point for the computational model. Thus, are determined the grain size scale, the fall velocity in still water (ws,0), the suspended sediment size, the final fall velocity of particles (ws) and flocculation, its bulk density, and the calculation of the critical shear stress (τcr) for weakly consolidated thin beds in agreement with soil mechanical perspective.

Finally, the turbidity current is simulated and calibrated for a measured event in 1984 for different scenarios and bathymetries, obtaining the concentration profiles and the main hydraulic parameters of the turbidity current. Once this simulation has been adjusted, the turbidity current removal efficiencies were analyzed under different scenarios (opening of bottom drains, load intakes, etc.).

(Català) Els corrents de turbietat embassaments són de gran interès científic pel fet que aquestes poden ser la responsable de l'aportació de grans quantitats de sediments fins que poden provocar el rebliment anticipat dels embassaments. El cas d'estudi correspon a l'embassament Amaluza de l'Equador de 120 Hm³ i que genera 1100 MW, aquest embassament és considerat un dels més importants del país.

El present estudi es presenta en tres grans blocs. Inicialment es caracteritzen els aspectes conceptuals fonamentals sobre els corrents de turbietat i el seu modelatge numèric. Es descriuen els següents aspectes: la hidrodinàmica dels corrents de turbietat els principals tipus de models numèrics que serveixen per a simular desplaçaments de delta i corrents de turbietat, així com aspectes específics de la modelització i consideracions teòriques sobre esforç tallant en el llit τb.

A continuació, es descriu el cas d'estudi que serveix de fil conductor en la present tesi doctoral corresponent a l'Embassament Amaluza a l'Equador. Es caracteritzen les seves formes fluvials i es descriu la informació de camp disponible que permet analitzar el seu comportament morfodinàmic (formes fluvials, formació i desplaçament del delta, etc.).

L'estudi continua posant a punt el model hidrodinàmic de l'embassament Amaluza, procedint al seu calibratge, en un inici, sense considerar transport de sediments pel que es construeix el model computacional amb la seva respectiva malla estructurada considerant la seva relació d'aspecte, ortogonalitat de l'emmallat, suavitat de la malla i es determina el pas de temps Δt adequat. Es modela sota tres escenaris: en règim permanent uniforme, en règim permanent no uniforme i en règim no permanent i no uniforme. En aquests tres escenaris es calculen les velocitats i esforços tallants sobre el llit τb en les zones considerades més rellevants dins de l'embassament Amaluza. Una vegada calibrat el model queda llest per a la següent etapa de modelatge sedimentològic. Així doncs, es procedeix a establir els principals paràmetres sedimentològics, aquesta informació servirà com a punt de partida del model computacional. Es determina així l'escala de grandària del gra, la velocitat de caiguda en aigua quieta (ws,0), la grandària de sediment suspès, la velocitat de caiguda final de partícules ws i floculació, la seva densitat aparent (Bulk density) i es realitza el càlcul de l'esforç tallant crític (τcr) per a llits fins feblement consolidats.

Finalment se simula i calibra el corrent de turbietat per a un esdeveniment mesurat de l'any 1984 per a diferents escenaris i batimetries, obtenint-se els perfils de concentració i dels principals paràmetres hidràulics del corrent de turbietat. Una vegada ajustada aquesta simulació s'analitzaran les eficiències de desallotjament del corrent sota diferents escenaris (obertura de desguassos de fons, preses de càrrega, etc.).

(Español) Las corrientes de turbiedad en embalses son de gran interés científico debido a que estas pueden ser la responsable de la aportación de grandes cantidades de sedimentos finos que pueden provocar la colmatación anticipada de los embalses. El caso de estudio corresponde al embalse Amaluza de Ecuador de 120 Hm3 y que genera 1100 MW, este embalse es considerado uno de los más importantes del país.

El presente estudio se presenta en tres grandes bloques. Inicialmente se caracterizan los aspectos conceptuales fundamentales acerca de las corrientes de turbiedad y su modelación numérica. Se describen los siguientes aspectos: la hidrodinámica de las corrientes de turbiedad, los principales tipos de modelos numéricos que sirven para simular desplazamientos de delta y corrientes de turbiedad, así como aspectos específicos de la modelización y consideraciones teóricas sobre esfuerzo cortante en el lecho τb.

A continuación, se describe el caso de estudio que sirve de hilo conductor en la presente tesis doctoral correspondiente al Embalse Amaluza en Ecuador. Se caracterizan sus formas fluviales y se describe la información de campo disponible que permite analizar su comportamiento morfodinámico (formas fluviales, formación y desplazamiento del delta, etc.).

El estudio continúa poniendo a punto el modelo hidrodinámico del embalse Amaluza, procediendo a su calibración, en un inicio, sin considerar transporte de sedimentos por lo que se construye el modelo computacional con su respectiva malla estructurada considerando su relación de aspecto, ortogonalidad del mallado, suavidad de la malla y se determina el paso de tiempo Δt adecuado. Se modela bajo tres escenarios: en régimen permanente uniforme, en régimen permanente no uniforme y en régimen no permanente y no uniforme. En estos tres escenarios se calculan las velocidades y esfuerzos cortantes sobre el lecho τb en las zonas consideradas más relevantes dentro del embalse Amaluza. Una vez calibrado el modelo queda listo para la siguiente etapa de modelación sedimentológica. Así pues, se procede a establecer los principales parámetros sedimentológicos, esta información servirá como punto de partida del modelo computacional. Se determina así la escala de tamaño del grano, la velocidad de caída en agua quieta (ws,0), el tamaño de sedimento suspendido, la velocidad de caída final de partículas ws y floculación, su densidad aparente (Bulk density) y se realiza el cálculo del esfuerzo cortante crítico (τcr) para lechos finos débilmente consolidados.

Finalmente se simula y calibra la corriente de turbiedad para un evento medido del año 1984 para diferentes escenarios y batimetrías, obteniéndose los perfiles de concentración y de los principales parámetros hidráulicos de la corriente de turbiedad. Una vez ajustada dicha simulación se analizarán las eficiencias de desalojo de la corriente bajo diferentes escenarios (apertura de desagües de fondo, tomas de carga, etc.).