La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe - Serena Ceola e Simone Persiano - Unibo
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La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe Serena Ceola e Simone Persiano Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali
La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe 1. Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola 2. Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe 1. Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola 2. Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Motivation Quantitative analysis on the effectiveness of two alternative e-flow scenarios and their impact on hydro-power production (HPP) and fish habitat suitability (HS) for two Italian river basins Q [m3/s] HYDRO-POWER PRODUCTION ESTIMATION vs Time [days] HABITAT NFR- Natural flow regime SUITABILITY ASSESSMENT Barbel Chub E-FLOWempiric Barbus barbus Leuciscus cephalus E-FLOWhydro-geomorphologic plebejus cabeda Ceola, S., et al., (2018), Hydro-power production and fish habitat suitability: Assessing impact and effectiveness of ecological flows at regional scale. Adv. Water Resour., 116, 29-39. La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
Study area: data & e-flow prescriptions Potenza and Chienti river basins - Marche administrative district in Central Italy 14 hydropower (HP) production sites: 11 RUN-OF-THE-RIVER (ROR) 3 STORAGE (DAM) Hydropower Production (HPP) estimation for 14 sites Habitat Suitability (HS) assessment for 5 sites (in red) 17 streamflow gauges with daily discharge records over the period 1924- 1979 (Natural flow regime – NFR) La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
Study area: data & e-flow prescriptions 2 alternative e-flow scenarios from Marche administrative district prescriptions (i.e. Water Protection Plan) – PILOT: time-invariant experimental & empirically-based environmental flow release (authorized until Dec. 31, 2019) – WPP: time-variant hydrogeomorphologically-based environmental flow release (to be enforced from Jan. 1, 2020), as a function of: • runoff [L/T] Qenv • drainage area [L2] • geographical location [-] • precipitation parameter [-] PILOT < WPP • elevation parameter [-] • river ecological status [-] Nov- Feb- Apr- Jul- Jan Mar Jun Oct • geomorphology [-] • time-modulation parameter [-] identification of 4 seasons 2 fish species (Barbel & Chub): association of life stages and WPP seasonality SEASON Jan - Dec Apr - Jun Jul - Oct LIFE STAGE Adult Spawn Young La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
Methods: estimation of NFR at hydro-power sites Topological-kriging is applied to reconstruct the unknown natural inflows to the considered hydro-power sites. Topological-kriging allows to predict FDCs in ungauged basins, by linearly weighting observed FDCs at gauged sites. Empirical FDCs @ Castelraimondo Long-term annual and seasonal FDCs are predicted at all 14 hydro-power sites. 102 Discharge [m3/s] 101 100 year Nov-Jan 10-1 Feb-Mar Apr-Jun Jul-Oct 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Duration [-] Pugliese, A., Castellarin, A., Brath, A., 2014. Geostatistical prediction of flow–duration curves in an index- flow framework. Hydrol Earth Syst Sci 18, 3801–3816. doi:10.5194/hess-18-3801-2014. Ceola, S., et al., (2018), Hydro-power production and fish habitat suitability: Assessing impact and effectiveness of ecological flows at regional scale. Adv. Water Resour., 116, 29-39. La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
Methods: computation of hydro-power production RUN-OF-THE-RIVER POWER PLANTS (ROR): • seasonal FDC of daily streamflow estimated via Top-kriging (black solid line) • seasonal e-flow (solid red line, current scenario, PILOT) • summation of seasonal e-flow and turbine minimum discharge (dotted red line) • exploitable discharge (dashed blue line) and water volume (gray shaded area) STORAGE POWER PLANTS (DAM): • reconstructed daily inflows for an arbitrarily selected simulation year the (blue line) • seasonal e-flow values (red line, future scenario, WPP) • simulated daily outflows (black line) La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
Methods: habitat suitability assessment The potential impact of PILOT and WPP e-flow scenarios on Barbel and Chub suitability to the physical habitat within the considered river basins is assessed by coupling the outflows from the hydro-power sites with habitat suitability criteria. Habitat suitability criteria describe species preference, ranging from 0 (unsuitable) to 1 (most suitable), by accounting for the effects of water depth, flow velocity and river substrate on species distribution. 2 alternative methodologies to estimate the habitat quality indicator Suitable Area Index, SAI [m2/m] are applied: • PHABSIM (i.e. a standard procedure for stream ecological assessments) • Habitat Suitability Duration Curve La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
Methods: habitat suitability assessment • PHABSIM: evaluation of habitat suitability for each computational cell within a cross section (local values of flow velocity and water depth are considered) Young PHABSIM for Windows User’s Manual and Exercises (2001) Bovee, K. D., et al., (1998), Stream habitat analysis using the instream WUA [m2/1000 m] Spawn Adult flow incremental methodology. USGS/BRD The area under the curve is the Suitable Area Index Discharge [m3/s] • Habitat Suitability Duration Curve: evaluation of composite suitability for the entire cross section based on average values of water depth and flow velocity Ceola, S., et al., (2018), Hydro-power production and fish habitat suitability: Assessing impact and effectiveness of ecological flows at regional scale. Adv. Water Resour., 116, 29-39. La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
Results: computation of hydro-power production Relative difference of hydro-power production (%): HPPPILOT-HPPWPP HPPPILOT • Evident reduction of hydro-power production shifting from PILOT to WPP e- flow releases • Higher losses (43% on average) characterize the July–October time interval • WPP e-flows resulted to be larger than natural streamflows for the majority of study catchments. In particular, the enforcement of WPP releases is likely to increase the duration of plant-shutdown periods by 2 and 4 months per year on average for the Potenza and Chienti hydro-power plants, respectively La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
Results: habitat suitability assessment Suitable Area Index [m2/m]: regionalized behavior (i.e. 5 hydro-power sites considered for habitat suitability assessment are grouped together) BARBEL - JUVENILE Suitable Area Index [m2/m] • Increasing e-flows do not systematically result in an improvement of habitat conditions • For juvenile life stage: general preference for e-flows rather than natural streamflow conditions (i.e. low Suitable Area Index [m2/m] CHUB - JUVENILE flows and low velocity are preferred) • Fairly good agreement between Suitable Area Index values from PHABSIM and HSDC for both fish species La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
Conclusions From the quantitative estimation of the effects of alternative e-flow prescriptions on hydropower production and habitat suitability of fish species we find that from PILOT to WPP e-flows there is a decrease in hydropower production, while the ecological effect for Barbel and Chub cannot be clearly outlined. The Habitat Suitability Duration Curve approach proves to be a valuable alternative method for rapidly assessing habitat conditions at the regional scale, when data availability is limited and ecologically homogeneous river networks are considered. Acknowledgments Attilio Castellarin – DICAM, University of Bologna Alessio Pugliese – DICAM, University of Bologna Alberto Montanari – DICAM, University of Bologna Matteo Ventura – Environmental Engineering Alumnus, University of Bologna Giorgio Galeati – Water Resources Engineer La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola
La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe 1. Studio dell’effetto indotto da diversi scenari di Deflusso Minimo Vitale sul potenziale di produzione idroelettrica e sull’habitat fluviale dell’ittiofauna nella regione Marche Serena Ceola 2. Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Motivation Research agreement between Direzione Generale per le Dighe e le Infrastrutture Idriche ed Elettriche (DG Dighe) and DICAM - UniBo concerning the routinely hydrological and hydraulic risk assessment of dams located in the area of Eastern Alps and Northern Apennines. Triveneto Growing concern about the possible effects of climate change on flood frequency regime Italian Authorities are verifying accuracy and reliability of the previously proposed reference procedures for design flood estimation La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Design flood estimation Design flood Flood associated with a given return period (average recurrence interval over an extended period of time) For dams: = years (i.e. 1000 ) EU Floods Directive (Directive 2007/06/EC) (Italy: Legislative Decree 49/2010) Dams routinely undergo hydrological and hydraulic risk assessment, in order to verify that: 1000 < This requires the re-evaluation of 1000 in light of the flood data collected in the last years (not included in the previous assessment). Usually different methods are used (both direct and indirect). La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Direct methods Flood frequency distribution Cunnane (1987) ≤ return period station-years of data = 1000 years ≥ 500 Cunnane, C. (1987). Review of statistical models for flood frequency estimation. In Singh, V., editor, Hydrologic frequency modeling, 49–95. La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Regional flood frequency analysis Estimation of the design flood Gauged sites at ungauged or scarsely gauged sites Target site Regional flood frequency analysis transfer to the target basin the hydrological information (flood data) from other gauged basins (which are supposed to be hydrologically similar to the target one) Concept of homogeneous region “group of catchments which filter the climate variability in a similar fashion, as expressed by their (scaled) hydrological signatures“ Blöschl, G., et al. (2013). Runoff prediction in ungauged basins: synthesis (Blöschl et al., 2013) across processes, places and scales. Cambridge University Press. La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Concept of homogeneous region All the catchments in a (statistically) homogeneous region has the same frequency distribution, apart from a scale factor (called index-flow, which is usually the at-site mean of the probability distribution) Dalrymple, T. (1960). Flood Frequency Analysis. (Index-flow method; Dalrymple, 1960) US Geological Survey, Water Supply Paper, 1543 A. La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
The VAPI Project VAPI (Valutazione delle Piene) Research program carried out in the 1990s by the GNDCI (Gruppo Nazionale per la Difesa dalle Catastrofi Idrogeologiche) of the italian CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche). Aim: to define a uniform methodology for design flood estimation in Italy. The VAPI project analyzed the italian territory referring to the compartments of the former SIMN (Servizio Idrografico e Mareografico Nazionale), each one studied independently from the others. Triveneto: Compartment of Venezia Villi & Bacchi (2001) AMS collected up to the 1970s-1980s Villi, V., Bacchi, B. (2001). Valutazione delle piene nel Triveneto. fixed homogeneous regions Padova-Brescia, Italia. La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Update of the dataset and assessment of homogeneity 76 gauged sites 2433 station-years of data for the period 1913-2013 Assessment of homogeneity Triveneto Hosking & Wallis test (1993) > 8 < 1 Acceptably homogeneous not homogeneous in terms of flood frequency regime: 1 < 2 Possibly heterogeneous need for an update of the 2 Definitely heterogeneous reference procedure (VAPI) Hosking, J. R. M. and Wallis, J. R. (1993). Some statistics useful in regional frequency analysis. Water Resources Research, 29(2):271–281. La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Region of Influence (RoI) approach The Region of Influence (RoI) approach (Burn, 1990) delineates homogeneous pooling-groups of sites for a given target site referring to selected geomorphoclimatic descriptors that are particularly relevant for describing regional flood frequency. Burn, D. H. (1990). Evaluation of regional flood frequency analysis with a region of influence approach. Water Resources Research, 26(10):2257–2265. In our analyses we considered: drainage area and mean annual precipitation (e.g. Salinas et al., 2014; Persiano et al., 2018); mean and minimum elevation (e.g. Allamano et al., 2009); latitude and longitude of catchment centroids. The Euclidean distance in the descriptor space is used as measure of hydrological dissimilarity (Zrinji & Burn, 1996). Salinas, J. L., et al. (2014). Regional parent flood frequency distributions in Europe – Part 2: Climate and scale controls. Hydrology and Earth System Sciences, 18(11):4391–4401. Persiano, S., et al. (2018). Influenza dei fattori climatici e topografici sul regime di frequenza delle piene nel Triveneto. L’Acqua, 2:61–70. Allamano, P., et al. (2009). An analytical model of the effects of catchment elevation on the flood frequency distribution. Water Resources Research, 45(1). Zrinji, Z. and Burn, D. H. (1996). Regional flood frequency with hierarchical region of influence. Journal of Water Resources Planning and Management, 122(4):245–252. La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Region of Influence (RoI) approach Basin DIssimilarity N H1 Reliability of the 1 TV63 0 49 - estimate of QT 2 3 TV65 TV20 0.509463 0.623744 92 124 1.04 0.09 ≤ 2 , Cunnane (1987) 4 TV29 0.682671 147 0.56 5 TV30 0.831832 221 0.02 6 TV81 0.859316 226 -0.10 7 TV66 0.893403 254 0.33 trade-off 8 TV64 1.021849 273 -0.10 9 TV38 1.045296 278 -0.25 10 TV44 1.153962 283 -0.16 11 TV43 1.159555 291 0.18 Hydrological 12 TV49 1.250120 329 0.17 homogeneity 13 14 TV41 TV71 1.264931 1.283387 397 471 0.46 0.66 Hosking & Wallis test (1993) 15 TV42 1.291479 476 0.79 16 TV73 1.303745 555 1.48 Research agreement with DG Dighe. A total of 41 dams were analyzed: 25 for Eastern Alps (Triveneto) 0.76 < 1 < 2.41 (total sample 1 > 8) 16 for Northern Apennines 0.17 < 1 < 1.92 (total sample 1 > 5) La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Conclusions An update of the existing reference procedure for design flood estimation is highly recommended. To this aim, we propose the Region of Influence (RoI) approach, which is able to properly account for climate and scale controls on flood frequency. Indeed, focused-pooling approaches are preferable to approaches based on geographically contiguous regions, especially in highly heterogeneous study areas. Acknowledgments Armando Brath – DICAM, University of Bologna Attilio Castellarin – DICAM, University of Bologna Alessio Domeneghetti – DICAM, University of Bologna Giorgio Galeati – Water Resources Engineer La ricerca universitaria per la gestione e la manutenzione delle dighe: Aggiornamento delle tecniche di stima della portata di progetto nell’ambito della valutazione della sicurezza idrologico-idraulica delle grandi dighe in Triveneto Simone Persiano
Serena Ceola Simone Persiano Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali serena.ceola@unibo.it simone.persiano@unibo.it www.unibo.it
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