Hydropower 2016/17 Introduction - ULisboa · Rodrigo Proença de Oliveira Hydropower 2016/17...

Rodrigo Proença de Oliveira

Hydropower 2016/17

Introduction

Course organization

• Responsible docent: Prof. Helena Ramos

• Contents:

– Hydrology (Prof Rodrigo Proença de Oliveira): 4 weeks

– Basic Hydraulics (Prof. Helena Ramos): 4 weeks

– Dams and safety structures (Prof. Jorge Matos): 4 weeks

– Hydraulics works associated with hydropower production (Prof.

Helena Ramos): 6 weeks

• Evaluation:

– Exam (50%; minimum grade = 9.5)

– 2 assignments (50%): Hydrology + Hydraulics works

Hydropower: @Rodrigo Proença de Oliveira 2016 219-09-2016

Hydrology module: Main topics

• The water cycle and the water and energy nexus. Basic

concepts in hydrology. Watershed characterization.

• Precipitation, evaporation and evapotranspiration

measurement and estimation.

• Discharge and stream flow estimation. Flow duration curves.

• The relationship between precipitation and runoff. The water

balance at different time scales. Hydrologic models.

• The purpose of reservoirs. Reservoir operation models.

• Statistical analysis and flood risk analysis. The concepts of

return period and IDF curves.

• Isochrones and time of concentration. Flood peak estimation.

• Flood routing. Flood control storage sizing.

319-09-2016Hydropower: @Rodrigo Proença de Oliveira 2016

Water-Energy nexus


Geography

Geomorphology

What is hydrology?

• Hydrology: Hydro (Water) + Logos (Knowledge)

– The science that studies the distribution and movement of water

and its interactions with the environment (including human

beings);

– Hydraulics: Scientific subject that deals with the physical and

mechanical properties of water movement.

Hydropower: @Rodrigo Proença de Oliveira 2016 519-09-2016

Geology

Climatology

Meteorology

Chemistry

Hydraulics

Biology

Hidrology

Water distribution on Earth

619-09-2016

ReservoirsVolume,

in Km3 of water Percentage of the total

amount of water (%)

Oceans 1 320 000 000 96.1

Glaciars 29 000 000 2.13

Groundwater storage 8 300 000 0.61

Lakes 125 000 0.009

Land seas (major lakes) 105 000 0.008

Soil water content 67 000 0.005

Atmosphere 13 000 0.001

Rivers 1 250 0.0001

Total volume of water 1 360 000 000 100%

Water distribution on earth (adapted from Nace, U.S. Geological Survey,1967).

Around 70% of the Earth surface is

covered by oceans.

Hydropower: @Rodrigo Proença de Oliveira 2016

Water availability versus population

719-09-2016

The United Nations World Water Development Report, 2003

Europa:

4,1 x103m3/year/hab

North America:

17.5 x103m3/year/hab

África:

5,1 x103m3/year/hab

Asia:

3,3 x103m3/year/hab

South America:

28,3 x103m3/year/hab

Australia/Oceania:

50 x103m3/ano/hab


The water cycle


Global water balance

919-09-2016

Esc. superficial

44.800 km3/ano

Precipitação sobre

continentes

119.000 km3/ano

Precipitação

sobre oceanos

458.000 km3/ano

Evapotranspiração

de continentes

72.000 km3/ano

Evaporação de

oceanos

505.000 km3/ano

Esc. subterrâneo

2.200 km3/ano

World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

Transporte de

humidade do ar

47.000 km3/ano

Evapotranspiration

from continents Evaporation

from oceans

Precipitation

over continentsPrecipitation

over oceans

Runoff

Groundwater flow

Water moisture transport


Exercise

What is the precipitation value over the whole planet, over the

continents and over the oceans, in mm?

Pglobe = (458.800+119.000) / 510.000.000 x 106 mm = 1130 mm

Poceans = 458.800 / 361.000.000 x 106 mm = 1270 mm

Pcontinents = 119.000 / 148.000.000 x 106 mm = 800 mm19-09-2016 10Hydropower: @Rodrigo Proença de Oliveira 2016

Superficial flow44.800 km3/year

Precipitation over continents

119.000 km3/year

Precipitation over oceans

458.000 km3/ano

Evapotranspiration from continents72.000 km3/year

Evaporation from oceans

505.000 km3/ano

Groundwater flow2.200 km3/year

World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

Air moisture transport 47.000 km3/year

Watershed

1119-09-2016

• The watershed of a given river

at a specific cross-section is

the area where all the water that

falls within it will flow through the

cross-section. / A bacia hidrográfica

de uma dada secção de um curso de

água é a área na qual a água precipitada

se escoa para a secção considerada.

• It is generally defined by the

terrain topography, with the

mountain ranges defining the

watershed limits. / Em geral é

definida a partir da topografia da região,

sendo os limites da bacia constituidos por

linhas de festo.


The watershed: the natural unit

1219-09-2016

Limite natural para

lidar com questões de

recursos hídricos

Precipitação Evapotranspiração

Escoamento

Transferências

artificiais

Watershed

Catchment

River basin

Hydrographic basin


19-09-2016 13Hydropower: @Rodrigo Proença de Oliveira 2016

Watershed: Delimitation problems


Watershed limits determined by topography

Real watershed limits

Impervious layer Stream

Endorheic and exorheic basins

1519-09-2016

OCEANO

Exorheic Endorheic

Some exemples:

• Lake Chad: In África (Chad, Camaroon, Niger e Nigeria);

• Caspian Sea: Receives, among others, the Volga, one of

the largest watersheds in the world;

• Aral Sea: Uzbequistan;

• Portugal: small watershed in the Lis and Tejo watersheds

(Candeeiros mountain).


Aral sea


Bacia hidrográfica


World’s largest rivers

1819-09-2016

km3/yr


Portugal: Main watersheds

2019-09-2016

A (km2)

Portugal

A (km2)

EspanhaA (km2)

Total

Minho 850 16.230 17.080

Lima 1.180 1.300 2.480

Douro 18.600 79.000 97.600

Tejo 24.800 55.800 80.600

Guadiana 11.500 55.300 66.800


Factors that condition the watershed response

• Area or size / Área ou dimensão

• Shape / Forma

• Terrain, orography, hypsometry / Relevo, orografia, hipsometria

• River network / Hidrografia ou rede

hidrográfica

• Geology and soil type / Geologia e

tipo de solo

• Soil use or land cover / Uso do solo

e coberto vegetal

• Climate and meteorology / Clima e

meteorologia

2119-09-2016

Response time / Rapidez da

resposta

Repartition between superficial

flow and infiltration / Repartição

entre escoamento superficial e

infiltração

Response magnitude / Magnitude

da grandezas em jogo

Response time / Rapidez da

resposta

Action over the watershed / Ação sobre a bacia


Shape (or form) of the watershed

2219-09-2016

Nile

Mississipi

Amazon

Danube

Shorter traveling distances

Shorter traveling times

Shorter response timePercursos mais curtos

Tempos de escoamento menores

Menor tempo de resposta

Longer traveling distances

Longer traveling times

Longer response timePercursos mais longos

Maiores tempos de escoamento

Menor tempo de resposta

Compact shape watershed

Long watershed:


Hypsometry

• Maximum altitude: Z5

• Minimum altitude: Z0

• Average altitude = Volume below ground surface

/ Watershed area

• Median altitude = Altitude corresponding to 50%

of the area (50% of the watershed is above and

below median altitude).

• Average height = Average altitude – Minimum

altitude

23

Zo = Zmin

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5 = Zmax

A’1

A’2

A’3

A’4

A’0

1

0

'

12

11 n

i

iii

t

med AzzA

Z

Altitude (m) Area above altitude (km2)

Z5 0

Z4 A4 = A’4

Z3 A3 = A’4+A’3

Z2 A2 = A’4+A’3+A’2

Z1 A1 = A’4+A’3+A’2+A’1

Z0 A0 = A’4+A’3+A’2+A’1+A’0=Abacia

minZZh medmed 19-09-2016Hydropower: @Rodrigo Proença de Oliveira 2016

Hypsometric curve

2419-09-2016

Área acima da

cota (km2)

Altitude/Cota (m)

Altitude média

Z5 = Altitude

máxima

Z0 = Altitude

mínima

Área da

bacia

Altura média

50% da área

da bacia

Altitude mediana

Z1

Z2

Z3

Z4

A1A2A3A4

Area above a

given altitude

A/Abacia x 100

(%)

Cota (m)Curvas Hipsométricas

adimensionais

Jovem

Antiga

Intermédia

100


Altitude (m)

River profile

2519-09-2016

Height

(m)

Distance to outlet (km)

Z5 X4 = X’5+X’4+X’3+X’2+X’1

Z4 X4 = X’4+X’3+X’2+X’1

Z3 X3 = X’3+X’2+X’1

Z2 X2 = X’2+X’1

Z1 X1 = X’1

Z0 X0 = 0


Drainage networks classification

Types of network:

• Dentritic

• Radial

• Angular

• Paralel

Indicadores:

Drainage density: Sum of the length of all watercourses divided by the

area of the watershed / Soma do comprimento de todos os cursos de água

dividida pela área da bacia2619-09-2016

• The drainage network

characteristcs result from the

watershed orography and geology/ As características da rede hidrográfica

dependem da orografia e geologia da bacia

• It conditions the watershed

response to a rainfall event (runoff

travel time and concentration at

the outlet) / E condicionam a resposta

da bacia a um evento de precipitação

(concentração do escoamento superficial,

tempo para o pico).

A

L

D

n

i

i

d

1


Geology, soil and land cover (soil use)

• Geology / Geologia

• Soils / Solos

• Soil use (land cover) / Uso do solo (coberto vegetal)

• Make no mistake:

– Soil type / Tipo de solo

– Soil capacity/ Capacidade de uso do solo

– Soil use / Uso do solo


Soil


World soils (USDA classification)


Soil Map of Europe (FAO)

Europe’s soils


Water balance

The watershed: the natural unit

3219-09-2016

Limite natural para

lidar com questões de

recursos hídricos

Precipitação Evapotranspiração

Escoamento

Transferências

artificiais

Watershed

Catchment

River basin

Hydrographic basin


Precipitation Evapotranspiration

Artificial

transfers

Flow

Natural limit to

deal with water

resources issues

Flow generation processes

Retention - Intercepted water in ground depressions

which evaporates / Retenção – Água que não se

infiltra nem dá origem a escoamento superficial

(água interceptada ou retida em depressões do solo)

Detention - Water in motion / Detenção – Água em

trânsito

Escoamento

superficial

(directo)

Escoamento

de base

Evapotranspiração

Intercepção

Água retida em

depressões

Evaporação

Infiltração

Precipitação

Recarga

Escoamento

sub-superficial

ou intermédio

Evaporação

Precipitação

Precipitation

Evaporation

Evapotranspiration

Interception

Runoff

Recharge

Infiltration

Base flow

Intermediate

flow


Water balance

P = Precipitation over the basin

H = Flow at the final crossection

E = Evapotranspiration

Ss = Overland storage variation

Sso = Soil storage variation

Saq = Deep aquifer storage variation

Ex = Man mad water exports

R = Mad made imports


For a given watershed and a given t:

P+ Ix = H + E + Ss + Sv + Su + Ex

Water balance simplification

• P = H + E + Ss + Sv + Su + Ex – Ix

• If there are no significant human interventions / Se forem desprezadas as

quantidades de água movimentadas pela ação humana:

Ex = Ix = 0

• When considering a long period with low variation in basin water

storage / Para um intervalo de tempo longo e supondo desprezáveis, ou

compensadas, os vários tipos de armazenamento:

Ss + Sv + Su = 0

• Then P = H + E

• For an hydrologic year / Para um ano hidrológico :

P = H + E


Units issues

Common volume units

– 1 l (liter)

– 1 m3 = 1000 l

– 1 dam3 (cubic decameter) = 1000 m3

– 1 hm3 (cubic hectometer) = 1000 dam3

– 1 km3 = 1000 hm3

– 1 mm = 1 l/m2

Common flux units

– l/s

– m3/s

– dam3/month

– hm3/year

– km3/year

(sometimes /month ot /year are omitted

when the time interval is clear)

(when we are comparing volumes

over the same area and the area

is known)


Exercise

The anual average precipitation and evapotranspiration of

the Zezere watershed, with 5029 km2, are 1007 mm and

712 mm, respectively. Assuming that the Castelo Bode

reservoir, located in that watershed, supplies the Lisbon

region with an annual average of 450 000 m3/day,

estimated the annual volume, in hm3, that reaches the

Tagus river from the Zezere river.

A bacia hidrográfica do rio Zêzere, com 5029 km2 de área, está

sujeita a uma precipitação anual e a uma evapotranspiração anual

de cerca de 1007 e 712 mm, respetivamente. Assumindo que a

captação para abastecimento público, existente em Castelo de

Bode, transfere para as bacias vizinhas, e nomeadamente para a

região de Lisboa, um caudal médio anual igual a 450 mil m3/dia,

estime o volume anual, em hm3, com que a bacia hidrográfica do

rio Zêzere contribui para o escoamento do rio Tejo.

LisboaTejo

Zêzere


Exercise

Assume that the annual precipitation and

evapotranspitation in Portugal are 850 mm e

630 mm, respectively. Knowing that the

area of Portugal is 89.000 km2 and that

annual flow volume from Spain reaching

Portugal is 45 km3, estimate the annual

discharge, in m3/s, that reaches the

Portuguese river outlets.

Assuma que a precipitação anual média e a

evapotranspiração real anual média em Portugal

são respetivamente, 850 mm e 630 mm. Sabendo

que a área de Portugal é 89.000 km2 e que o

escoamento anual médio afluente de Espanha é

sensivelmente 45 km3, estime o caudal anual

médio, em m3/s, que se escoa para o mar na

totalidade das fozes dos rios Portugueses.


Exercise

The annual precipitation and the annual runoff of a watershed with

100 km2 are 1000 mm and 1300 mm, respectively. These values are

possible because 8 hm3 per month are transfered from a nearby basin.

Estimate the annual evapotranspiration, in mm.

Numa bacia hidrográfica com 100 km2 de área, para a qual são transferidos de bacia

vizinha cerca de 8 hm3 por mês, a precipitação e o escoamento em determinado ano

hidrológico foram de 1000 mm e 1300 mm, respectivamente. Estime em mm o valor da

evapotranspiração real nesse ano. Justifique.


Exercise

A project plans to transfer the maximum possible volume of water from

a watershed with 100 km2, while maintaining an annual average flow at

the outlet of 0,5 0 m3/s. Knowing that the annual precipitation and

evapotranspiration of that watershed are 1000 mm and 700 mm,

respectively, estimate the maximum possible flow, m3/s, that can

transfered.

De uma bacia hidrográfica com 100 km2 de área, pretende-se transferir para bacia vizinha

o máximo caudal médio compatível com um escoamento médio de 0,5 m3/s na secção de

referência da bacia de origem. Sabendo que a precipitação e a evapotranspiração anuais

médias na bacia de origem são respectivamente 1000 mm e 700 mm, estime o máximo

caudal médio transferível em m3/s. Justifique.


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