Hydropower 2016/17. Introduction. Rodrigo Proença de Oliveira

(1)

Rodrigo Proença de Oliveira

Hydropower

2016/17

(2)

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

(3)

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.

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Water-Energy nexus

19-09-2016

(5)

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.

Geology Climatology Meteorology Chemistry Hydraulics Biology Hidrology

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Water distribution on Earth

19-09-2016

Reservoirs _{in Km}₃_{of water}Volume, 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.

(7)

Water availability versus population

The United Nations World Water Development Report, 2003

Europa:

4,1

x103_m3_/year/hab

North America:

17.5

x103_m3_/year/hab

África:

5,1

x103_m3_/year/hab

Asia:

3,3

x103_m3_/year/ha

b

South America:

28,3

x103_m3_/year/hab

Australia/Oceania:

50

x103_m3_/ano/hab

(8)

The water cycle

19-09-2016

(9)

Global water balance

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 continents _{Precipitation}

over oceans

Runoff

Groundwater flow Water moisture transport

(10)

Exercise

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

continents and over the oceans, in mm?

P_globe = (458.800+119.000) / 510.000.000 x 106 _{mm = 1130 mm}

P_oceans = 458.800 / 361.000.000 x 106 _{mm = 1270 mm}

P_continents = 119.000 / 148.000.000 x 106 _{mm = 800 mm}

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

Superficial flow 44.800 km3/year Precipitation over continents 119.000 km3/year Precipitation over oceans 458.000 km3/ano Evapotranspiration from continents 72.000 km3/year Evaporation from oceans 505.000 km3/ano Groundwater flow 2.200 km3/year

World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

Air moisture transport 47.000 km3/year

(11)

Watershed

• 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.

(12)

The watershed: the natural unit

19-09-2016

Limite natural para lidar com questões de recursos hídricos Precipitação Evapotranspiração Escoamento Transferências artificiais

Watershed

Catchment

River basin

Hydrographic basin

(13)

(14)

Watershed: Delimitation problems

19-09-2016

Hydropower: @Rodrigo Proença de Oliveira 2016

Watershed limits determined by topography

Real watershed limits

Impe

rviou

(15)

Endorheic and exorheic basins

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).

(16)

Aral sea

19-09-2016

(17)

(18)

World’s largest rivers

19-09-2016 km3_/yr

(19)

(20)

Portugal: Main watersheds

19-09-2016 A (km2) Portugal A (km2) Espanha A (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

(21)

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

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 /

(22)

Shape (or form) of the watershed

19-09-2016 Nile Mississipi Amazon Danube

Shorter traveling distances

Shorter traveling times

Shorter response time

Percursos mais curtos

Tempos de escoamento menores Menor tempo de resposta

Longer traveling distances

Longer traveling times

Longer response time

Percursos mais longos

Maiores tempos de escoamento Menor tempo de resposta

Compact shape watershed

Long watershed

:

(23)

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 Zo = Zmin Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 = Zmax A’1 A’2 A’3 A’4 A’0







  





1 0 ' 1

2

1

n i i i i t m ed

z

A

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=A_bacia

min

Z

(24)

Hypsometric curve

19-09-2016 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 A1 A2 A3 A4 Area above a given altitude A/Abacia x 100 (%) Cota (m) Curvas Hipsométricas adimensionais Jovem Antiga Intermédia 100

(25)

River profile

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

(26)

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 bacia

19-09-2016

• 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

(27)

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

(28)

Soil

19-09-2016

(29)

(30)

Soil Map of Europe (FAO)

Europe’s soils

19-09-2016

(31)

(32)

The watershed: the natural unit

19-09-2016

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

(33)

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

(34)

Water balance

P = Precipitation over the basin H = Flow at the final crossection E = Evapotranspiration

S_s = Overland storage variation

S_so = Soil storage variation

S_aq = Deep aquifer storage variation E_x = Man mad water exports

R = Mad made imports

For a given watershed and a given

t:

(35)

Water balance simplification

• P = H + E + S

_s

+ S

_v

+ S

_u

+ E

_x

– I

_x

• If there are no significant human interventions /

Se forem desprezadas as quantidades de água movimentadas pela ação humana:

E

_x

= I

_x

= 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

:

S

_s

+

S

_v

+

S

_u

= 0

• Then

P = H + E

• For an hydrologic year /

Para um ano hidrológico :

(36)

Units issues

Common volume units

– 1 l (liter)

– 1 m

3

_{= 1000 l}

– 1 dam

3

_{(cubic decameter) = 1000 m}

3

– 1 hm

3

_{(cubic hectometer) = 1000 dam}

3

– 1 km

3

_{= 1000 hm}

3

– 1 mm = 1 l/m

2

Common flux units

– l/s

– m

3

_/s

– dam

3

_/month

– hm

3

_/year

– km

3

_/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)

(37)

Exercise

The anual average precipitation and evapotranspiration of

the Zezere watershed, with 5029 km

2

_{, 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 m

3

_/day,

estimated the annual volume, in hm

3

_{, 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.

Lisboa Tejo

(38)

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 km

2

_{and that}

annual flow volume from Spain reaching

Portugal is 45 km

3

_{, estimate the annual}

discharge, in m

3

_{/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.

19-09-2016

(39)

Exercise

The annual precipitation and the annual runoff of a watershed with

100 km

2

_{are 1000 mm and 1300 mm, respectively. These values are}

possible because 8 hm

3

_{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.

(40)

Exercise

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

a watershed with 100 km

2

_{, while maintaining an annual average flow at}

the outlet of 0,5 0 m

3

_{/s. Knowing that the annual precipitation and}

evapotranspiration of that watershed are 1000 mm and 700 mm,

respectively, estimate the maximum possible flow, m

3

_{/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.}