Methodology for the design of fish-passes in rockefill irrigation dams of variable water depth using mathematical models

Μητσόπουλος, Γεώργιος; Mitsopoulos, Georgios

dc.contributor.author	Μητσόπουλος, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Mitsopoulos, Georgios	en
dc.date.accessioned	2019-05-13T08:52:55Z
dc.date.issued	2019-05-13
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48690
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9518
dc.description
dc.rights	Default License
dc.subject	Fish-pass,	en
dc.subject	Vertical slot	el
dc.subject	Mathematical models	en
dc.subject	Large dams	en
dc.subject	FLOW-3D	en
dc.subject	Δίοδοι Ιχθύων	el
dc.subject	Μαθηματικά μοντέλα	el
dc.subject	Ταμιευτήρας μεταβλητού βάθους	el
dc.subject	Μεγάλα φράγματα	el
dc.subject	Μεθοδολογία σχεδιασμού	el
dc.title	Methodology for the design of fish-passes in rockefill irrigation dams of variable water depth using mathematical models	en
dc.title	Μεθοδολογία σχεδιασμού διόδου ιχθύος σε λιθόρριπτα φράγματα άρδευσης μεταβλητού βάθους με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων	el
dc.contributor.department	Applied Hydraulics Lab	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Environmental Hydraulic Engineering	en
heal.dateAvailable	2020-05-12T21:00:00Z
heal.language	en
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-11-23
heal.abstract	Η παρεμπόδιση της μετανάστευσης ιχθύων, λόγω ανθρωπογενών τεχνικών έργων, όπως τα φράγματα, έχει σοβαρές περιβαλλοντικές και οικολογικές επιπτώσεις στους ποταμούς και παράκτια οικοσυστήματα. Για να υποστηριχτεί η μετανάστευση των ψαριών, είναι απαραίτητη η δημιουργία διόδων ιχθύων (ΔΙ). Οι ΔΙ είναι κανάλια, που δημιουργούν τις κατάλληλες ροϊκές και περιβαλλοντικές συνθήκες για να βοηθηθούν τους ιχθύες ενδιαφέροντος που μεταναστεύουν είτε για αναπαραγωγή ή για τροφή. Η δημιουργία των ΔΙ είναι ιδιαίτερα περίπλοκη, επειδή εξαρτάται από τη συμπεριφορά των ψαριών, τα κίνητρα, τις προτιμήσεις, την εποχή της μετανάστευσης και την ικανότητα κολύμβησης. Αρχικά οι μηχανικοί προσπάθησαν να δημιουργήσουν τα περάσματα ψαριών με βάση την εμπειρική παρατήρηση και τη βασική υδραυλική. Σήμερα, που η υπολογιστική ισχύς εξελίσσεται ραγδαία, πολλά μαθηματικά μοντέλα έχουν αναπτυχθεί για να περιγράψουν τη συμπεριφορά και να προβλέψουν το πεδίο ροής, το βάθος του νερού και κυρίως τα τυρβώδη χαρακτηριστικά της ροής μέσα σε μια δίοδο ιχθύων. Στην παρούσα εργασία επιχειρείται να δημιουργηθεί μια μεθοδολογία σχεδιασμού ΔΙ σε αρδευτικά λιθόρριπτα φράγματα, τα οποία παρουσιάζουν μεγάλη αυξομείωση στο βάθος νερού του ταμιευτήρα τους, ιδιαίτερα τους καλοκαιρινούς μήνες που συμπίπτει με την αναπαραγωγική περίοδο των ιχθύων. Από υδραυλικής άποψης, χρήζει ιδιαίτερης μελέτης η είσοδος του νερού στη ΔΙ, ώστε ανεξάρτητα από την μεταβολή στάθμης, τα χαρακτηριστικά της ροής να παραμένουν σταθερά μέσα στη δίοδο. Για την εύρεση και ανάλυση του πεδίου ροής θα χρησιμοποιηθούν μαθηματικά μοντέλα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής και θα γίνει σύγκριση με τον υδραυλικό υπολογισμό. Η παρούσα εργασία αποτελείται από: α) εισαγωγικό κεφάλαιο, β) βιβλιογραφική ανασκόπηση, γ) πρόταση μεθοδολογίας σχεδιασμού, δ) εφαρμογή της μεθοδολογίας, ε) ανάλυση των αποτελεσμάτων, στ) και συμπεράσματα και μελλοντικές ερευνητικές εργασίες. Στο εισαγωγικό κεφάλαιο γίνεται μια ιστορική αναφορά στις ΔΙ και αναφέρεται ο σκοπός της παρούσας εργασίας. Εν συνεχεία γίνεται μια αναλυτική παρουσίαση όλων των τύπων ΔΙ, με τα χαρακτηριστικά τους και το κεφάλαιο κλείνει με μια μικρή παρουσίαση των κατασκευασμένων ΔΙ σε φράγματα πολύ μεγάλου ύψους, όπως είναι συνήθως και τα αρδευτικά λιθόρριπτα φράγματα. Ακολουθεί η βιβλιογραφική ανασκόπηση του ερευνητικού έργου πάνω στις ΔΙ, τόσο πειραματικά όσο και με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων. Ο στόχος της βιβλιογραφική ανασκόπηση, είναι η εύρεση πιθανών πειραματικών δεδομένων, που θα επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματα των μαθηματικών μοντέλων , αλλά και εφαρμογή αντίστοιχων μαθηματικών μοντέλων, ώστε να υπάρχει μια σύγκριση με το παρόν μοντέλο. Μέσα από την βιβλιογραφική ανασκόπηση μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα ως προς τις απαραίτητες παραμέτρους του μοντέλου και αυτές που η παράλειψή τους δεν θα επιφέρει σημαντικές αλλοιώσεις στα αποτελέσματα, αλλά θα επιταχύνει τους υπολογισμούς. Εν συνεχεία διατυπώνονται τα βήματα της μεθοδολογίας και αναλύονται και παρουσιάζονται εργαλεία σχεδιασμό. Η μεθοδολογία αποτελείται από 5 βασικά βήματα: Βήμα 1: Την αναγνώριση του ποταμού και των χαρακτηριστικών του, Βήμα 2: Τη μελέτη του φράγματος και των χαρακτηριστικών του, καθώς και τα χαρακτηριστικά του ταμιευτήρα που δημιουργείται, Βήμα 3: Την αναγνώριση της ιχθυοπανίδας του ποταμού και των παραποτάμων του, πάνω στους οποίους θα βασιστεί ο σχεδιασμός, Βήμα 4: Την επιλογή, διαστασιολόγηση και υδραυλικό σχεδιασμό της ΔΙ, καθώς και ο τρόπος αντιμετώπισης της έντονης αυξομείωσης της στάθμης, Βήμα 5: Ανάλυση κόστους κατασκευής και εύρεση βέλτιστής λύσης χωροθέτησης, κόστος αυτοματισμών και πρόβλεψη μελλοντικών προσθηκών και δυνατότητας επεμβάσεων, καθώς και παρακολούθησης των ιχθύων ενδιαφέροντος. Τα δύο πρώτα βήματα σχεδιασμού είναι ουσιαστικά μια συλλογή δεδομένων της τοπογραφίας της περιοχής, του τρόπου κατασκευής του φράγματος, αλλά κυρίως της μελέτης των παροχών του ποταμού, την προβλεπόμενη χρήση του ταμιευτήρα και τις μεταβολές της στάθμης του. Το τρίτο βήμα είναι η εύρεση της ιχθυοπανίδας και ουσιαστικά η αναγνώριση του ή των επικρατέστερων ειδών. Θα αποφασιστεί ο ιχθύς με τον οποίο θα σχεδιαστεί η ΔΙ και μέσα από πίνακες και την βιβλιογραφία θα υπολογιστούν τα χαρακτηριστικά του. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι 4: i. η ταχύτητα έκρηξης του ιχθύος, που είναι η ανώτερη ταχύτητα που θα αναπτύσσει η ροή στη ΔΙ, ii. το μέγεθός του, ώστε να επιλεγεί τύπος ΔΙ, iii. η περίοδος αναπαραγωγής και κατ’ επέκταση μετανάστευσης του, και iv. η προσαρμοστικότητά του σε συνθήκες συσκότισης των δεξαμενών αλλά και του μεγάλου μήκους της ΔΙ. Στο τέταρτο βήμα επιλέγεται ο τύπος ΔΙ, ανάμεσα σε αυτούς που παρουσιάστηκαν αναλυτικά στο πρώτο κεφάλαιο και με βάση το βήμα 3 διαστασιολογείται. Παράλληλα αναπτύσσεται και το μαθηματικό υπόβαθρο, βάση του οποίου θα γίνει ο εμπειρικός υδραυλικός σχεδιασμός αλλά και θα χρησιμοποιήσει το μαθηματικό μοντέλο, το οποίο θα είναι ο εμπορικός κώδικας FLOW-3D, που έχει ήδη επιβεβαιωθεί για ΔΙ. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε παραπάνω εφαρμόζεται σε ένα υπό μελέτη αρδευτικό φράγμα, λιθόρριπτο, και εξετάζονται τα υδραυλικά και υδρολογικά χαρακτηριστικά του με στόχο να βρεθούν οι παροχές εισροής, άρδευσης και η οικολογική. Στόχος είναι η μερική η ολική χρησιμοποίηση της οικολογικής παροχής, δεδομένου ότι η κύρια χρήση του φράγματος απαιτεί μεγάλη κατανάλωση νερού τους θερινούς μήνες, όταν και έχουμε την μετανάστευση των ιχθύων. Για την αντιμετώπιση της μεταβαλλόμενης στάθμης του ταμιευτήρα επιλέγεται η κατασκευή πύργου που περιέχει τη ΔΙ και ξεκινά από την κατώτατη στάθμη, μέχρι την ανώτατη. Ο πύργος έχει κάθετα ανοίγματα στις πλαϊνές του πλευρές, στην αρχή των δεξαμενών, με στόχο την έξοδο των ιχθύων. Ανάλογα με τη στάθμη οι οπές, που κλείνουν με θυροφράγματα, θα ανοίγουν και θα τροφοδοτείται με νερό η ΔΙ. Εν συνεχεία μελετάται η ιχθυοπανίδα της περιοχής και επιλέγονται 3 ιχθύες ενδιαφέροντος. Δεδομένου ότι κάθε ιχθύς έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά, επιλέγεται ο τύπος ΔΙ, που είναι κατάλληλος για ευρύ φάσμα ιχθύων και αυτός είναι του κάθετου ανοίγματος (Vertical Slot Fish-pass, VSF). O τύπος αυτός χωρίζει τη ΔΙ σε δεξαμενές που επικοινωνούν με ένα κάθετο άνοιγμα. Ο τύπος αυτός είναι ικανός να δημιουργήσει κατάλληλες συνθήκες ροής για πολλά είδη ιχθύων, αλλά έχει και άριστη υδραυλική συμπεριφορά στις μεταβολές της εισερχόμενης παροχής. Αυτό σημαίνει ότι εν γένει έχει μικρές αυξομειώσεις των χαρακτηριστικών της ροής εντός της, για μεγάλες αυξομειώσεις στην είσοδο και έξοδο του καναλιού. Με βάση τους ιχθύες επιλέγεται το μέγεθος της δεξαμενής (πλάτος, μήκος) και το πλάτος του κάθετου ανοίγματος. Έχοντας αυτά μπορούμε να προχωρήσουμε στον υδραυλικό σχεδιασμό. Αρχικά επιλέγεται ένα πλάτος κάθετου πλαϊνού ανοίγματος και υπολογίζεται η ΔΙ με τον εμπειρικό υδραυλικό σχεδιασμό. Ακολούθως κατασκευάζεται το τρισδιάστατο μοντέλο της ΔΙ και εισάγεται στον κώδικα FLOW-3D. Στο FLOW-3D εξετάζονται 17 σενάρια, τα οποία θα συγκρίνουμε και θα καταλήξουμε στη βέλτιστη επιλογή για το βάθος ροής, τη μέγιστη ταχύτητα, το μέγεθος των πλαϊνών οπών, και τον αριθμό των ταυτόχρονα ανοιχτών θυροφραγμάτων των οπών αυτών. Τα αποτελέσματα της προηγούμενης διαδικασίας επεξεργάζονται, αναλύονται και τα σενάρια συγκρίνονται μεταξύ τους, όσον αφορά το πεδίο ροής, τα βάθη ροής, τα τυρβώδη χαρακτηριστικά και τις μέγιστες ταχύτητες που αναπτύσσονται εντός της ΔΙ. Τελικά επιλέγεται το προτιμητέο σενάριο. Μετά το πέρας της ανάλυσης αναφέρονται τα καταληκτικά συμπεράσματα και προτείνονται μελλοντικές εργασίες πάνω στις ΔΙ σε μεγάλα φράγματα μεταβλητού βάθους.	el
heal.abstract	The prevention of fish migration, due to manmade technical works such as dams, has severe environmental and ecological impacts on river and habitats. Fish-passes are channels that create the right flow and environmental conditions to help fish migration either for reproduction or for food purposes. The creation of fish-passes is highly complicated, because it depends on various fish characteristics. Therefore their design cannot rely on empirical observation and basic hydraulics. The prediction of the flow field, water depth and mainly the turbulent characteristics of the flow can be calculated from mathematical models with the use of computers. In the present study we will try to create a methodology for the design of fish-passes for rock fill irrigation dams of variable water depth. The methodology will consist of the design steps needed, in order to: Step 1: Identify the river habitat and flow characteristics, Step 2: Identify the dam and the reservoir, Step 3: Investigate the fish in order to distinguish the decisive species and design the fish-pass Step 4: Use all the existing mathematical tools to properly design the fish-pass. Step 5: Make a cost analysis to optimize the placement and the route of the fish-pass. According to the fore mentioned design steps a case study was chosen and the methodology was applied. The design of the fish-pass was made initially with empirical hydraulic design and later an in depth analysis with the use of mathematical models and the commercial software FLOW-3D, which utilizes the Raynolds Averaged Navier Stokes equations with a turbulence closure model, such as the RNG k-ε. Finally the results are presented and compared with the existing literature experiments and conclusions are drawn. The last step is to proposed future work based on the new topic that arise from the current investigation.	en
heal.advisorName	Στάμου, Αναστάσιος	el
heal.committeeMemberName	Νάνου - Γιάνναρου, Αικατερίνη	el
heal.committeeMemberName	Μαμάσης, Νικόλας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	78 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true