في ظل التحول نحو مجتمع يعتمد على الطاقة المتجددة، تُعد المرونة أمرًا مهمًا في موازنة إمدادات الطاقة مع تزايد تضمين المصادر المتقطعة مثل الرياح والطاقة الشمسية في مزيج الطاقة. توفر أنظمة الطاقة الكهرمائية المعتمدة على الخزانات مصدرًا متجددًا للطاقة يمنح المرونة اللازمة، حيث يمكن بدء تشغيل محطة الطاقة الكهرمائية وإيقافها في دقائق، وتوفر الخزانات طاقة مخزنة يمكن استخدامها عند الحاجة. الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو وصف طريقة لتصميم حجم المياه اللازم لتخفيف تأثير التوربين سريع التغيير في التدفق، وعرض تأثير ذلك على مجرى النهر في المصب. استخدمنا نموذجًا هيدروليكيًا ثنائي الأبعاد لتحديد المناطق المتأثرة بتشغيل التوليد الذروي، ولتحديد المناطق ذات معدل التغيير الأسرع من 13 سم/ساعة المستخدم كحد أعلى في المبادئ التوجيهية النرويجية. بناءً على ذلك، طورنا نظام تدفق يمنع الجفاف السريع للمناطق الحرجة، وقمنا بتقييم الإجراء المخفف في ظل نظام تشغيل جديد يزداد فيه تواتر دورات التشغيل والإيقاف.
حظي التحول نحو مجتمع يعتمد على مصادر الطاقة المتجددة باهتمام كبير خلال السنوات الماضية كوسيلة لمكافحة الاحتباس الحراري (Edenhofer et al., 2011). يحتوي مزيج الطاقة المتجددة على مصادر متقطعة مثل الرياح والشمس، وتعد طرق موازنة إمدادات الطاقة مهمة لضمان إمداد ثابت. تعتبر الطاقة الكهرمائية مع تخزين المياه في الخزانات مصدر طاقة متجددة مرن للغاية يمكن تشغيله وإيقافه في دقائق، مما يجعله مناسبًا بشكل مثالي لموازنة مصادر الطاقة المتقطعة. توفر الخزانات طاقة مخزنة يمكن استخدامها عند ظهور الطلب، مما يزيد من مرونة وفائدة أنظمة الطاقة الكهرمائية لأغراض موازنة الأحمال. ومع ذلك، يمكن أن يتسبب التشغيل المرن لمحطات الطاقة الكهرمائية في تدفقات متقلبة غير طبيعية دون يومية في المسطحات المائية المستقبلة، وغالبًا ما يُشار إليها باسم "التوليد الذروي" (Harby et al., 2013). يمكن أن تكون هذه مشكلة بيئية خطيرة، خاصة عندما يكون مخرج محطة الطاقة الكهرمائية في نهر (Bruder et al., 2016) على عكس مخارج محطات الطاقة في الخلجان أو الخزانات أو البحيرات (Halleraker et al., 2022).
يمكن أن يسبب التوليد الذروي في الأنهار عواقب وخيمة على البيئة الفيزيائية والنظم البيئية في المصب (على سبيل المثال، Harby et al., 2013). العوامل الرئيسية في تقييم التوليد الذروي هي معدل التغيير الرأسي (انخفاض مستوى الماء لكل وحدة زمنية)، ومعدل جفاف قاع النهر عندما ينخفض مستوى الماء (معدل التغيير الجانبي). قد يكون معدل التغيير الجانبي بنفس أهمية معدل التغيير الرأسي في دراسة تقييم التأثير. تغطي الأدبيات مجموعة واسعة من التأثيرات البيئية لعمليات التوليد الذروي. أبلغ Auer et al. (2017) عن اجتثاث الكائنات الحية عند بدء تشغيل التوربين، مما قد يؤدي إلى تغييرات في توزيع الأسماك. عند إيقاف التوربين، لوحظ تقطّع أو حبس الأسماك الصغيرة في برك في مناطق النهر التي جفت (Saltveit et al., 2001; Schmutz et al., 2015). يمكن أن تؤثر فترات جفاف قاع النهر أيضًا على بيض السلمون والصغار المدفونين في الحصى (Casas-Mulet et al., 2014; 2016).
يمكن أن تؤثر عمليات التوليد الذروي بشدة على تجمعات الأسماك في الأنهار في المصب. أظهر Hayes et al. (2021) انخفاضات كبيرة في الكتلة الحيوية لأسماك القريم بين المواقع المرجعية والمواقع ذات نظام التدفق الذروي. وجد Schmutz et al. (2015) أن مؤشرات التوليد الذروي النموذجية مثل تواتر الذروة ومعدل التغيير فسرت معظم مؤشرات السلامة البيولوجية المطورة للأنهار في النمسا. أظهر Saltveit et al. (2020) أن الفئات العمرية لتروتة الأنهر البنية الأكبر من صغار العام تختفي من أجزاء الأنهار شديدة التوليد الذروي في النرويج. Hedger et al. (2018) أظهروا من خلال دراسة نمذجة أن تقطّع الصغار قد يكون له تأثير كبير على التجمعات من خلال تأثير مباشر على عودة السلمون الأطلسي البالغ.
يجب معالجة آثار عمليات التوليد الذروي لتقليل الآثار الضارة على الطبيعة، والتخفيف ضروري للحفاظ على إنتاج الطاقة المستدام، خاصة عندما يكون لمحطة الطاقة الكهرمائية في مزيج الطاقة مخرج في نهر بدلاً من خليج أو خزان (Halleraker et al., 2022). قواعد التدفق أو قيود التغيير التشغيلية، كما اقترح Hayes et al. (2019)، هي أمثلة على إجراءات التخفيف المتعلقة بعمليات التوليد الذروي التي تهدف إلى تكييف الهيدروغراف الذروي ضمن الحدود البيئية الآمنة لمراحل الحياة المختلفة للأنواع المستهدفة. ومع ذلك، فإن تصميم قواعد التدفق هو عملية معقدة لأن جفاف أجزاء النهر يعتمد على المسافة من مخرج محطة الطاقة الكهرمائية ومورفولوجيا النهر (Hauer et al., 2017). العلاقة بين معدلات التغيير الرأسية والجانبية تعتمد على المورفولوجيا وتظهر تباينات مكانية كبيرة (Tekle, 2021)، والتي تُقدر بشكل أفضل من خلال النمذجة الهيدروليكية.
تتعلق تحديات التخفيف بكل من القيود التقنية للتوربينات والاستخدام الإضافي للمياه الناتج عن الإيقاف التدريجي. لإنشاء إيقاف تدريجي لمحطة الطاقة، من الضروري تشغيل توربينات الطاقة الكهرمائية بمعدل التصريف المحدد في بروتوكول التخفيف. قد لا يكون هذا ممكنًا دون انتهاك القيود التقنية للتوربين. على سبيل المثال، يمكن أن يحدث ارتفاع في الحرارة عند تدفق التوربين المنخفض ويمكن أن تتلف شفرات التوربين بالتجويف إذا تم تشغيلها خارج نطاق التدفق الطبيعي. اقترح Juarez et al. (2019) إيقافًا مخففًا للتوربين لنهر ستوران لتقليل التقطّع، لكن قيود التوربين جعلت من الممكن فقط تشغيل إيقاف بطيء حتى وصل التوربين إلى 40% من السعة الكاملة قبل الحاجة إلى إيقاف كامل.
بالإضافة إلى ذلك، أصبحت الأنظمة التشغيلية الجديدة للتوربينات ممكنة، كما أن استبدال التوربينات يسمح بنظام إيقاف أكثر تكيفًا. بديل لمعالجة الإيقافات المقيدة مباشرة من خلال التوربين هو استخدام خزان تخفيف أسفل مخرج التوربين مباشرة (Meier et al., 2016; Tonolla et al., 2017). الغرض من ذلك هو ملء الخزان أثناء بدء تشغيل التوربين وبالتالي تخفيف تأثير الاجتثاث، وإطلاق الماء تدريجيًا عند إيقاف التوربين لتقليل تأثير الجفاف. يجب أن تتكيف سعة الخزان مع معدل التغيير لمحطة الطاقة. تم اقتراح حل بديل باستخدام تخزين المياه لتخفيف تأثير التوليد الذروي من قبل Storli و Lundström (2019) اللذين قدما كهف الهواء المضغوط تحت الأرض (ACUR)، الذي يوفر تخزينًا تحت الأرض حيث يُستخدم الهواء المضغوط للتحكم في تخزين وإطلاق الماء.
بناءً على الحاجة إلى توربين طاقة كهرمائية جديد وأكثر مرونة كما هو موصوف أعلاه، تم إطلاق مشروع HydroFlex بتمويل من الاتحاد الأوروبي. الهدف من مشروع HydroFlex هو تطوير توربين متغير السرعة يمكنه التعامل مع معدلات تغيير عالية وتشغيل وإيقاف متعدد يوميًا (ربما يصل إلى 30) دون المساس بعمر وكفاءة التوربين، وتطوير معدات مثل المولدات والمحولات المطلوبة للتشغيل الجديد. يصف المشروع أيضًا التأثيرات البيئية المحتملة لتشغيل توربين HydroFlex الجديد ويقيم إجراءات التخفيف المحتملة.
يمكن تلخيص أهداف هذه الدراسة على النحو التالي: (1) التحقيق في آثار التوليد الذروي في نهر نيديلفا في تروندهايم، النرويج، على مناطق تقطّع صغار السلمون الأطلسي باستخدام نموذج هيدروليكي في ظل نظام التشغيل الحالي. (2) استخدام النتائج لتقييم إجراءات التخفيف المحتملة لنيديلفا كأساس لتقييم توربين HydroFlex. (3) التحقيق في تأثير التشغيل عالي التواتر للتشغيل والإيقاف وفقًا لتصميم توربين HydroFlex على ظروف مجرى النهر في المصب وكيف يمكن تطبيق إجراءات التخفيف على هذه الحالة.
استُخدم نهر نيديلفا في النرويج كموقع للدراسة (الشكل 1). يُنظم النهر من خلال نظام ني-نيديلفا الذي يتكون من تنظيم نهر ني أعلى بحيرة سيلبوسيون وتنظيم نيديلفا أسفل سيلبوسيون. استخدم هذا المشروع الجزء السفلي من النهر من نيدري ليرفوس إلى المخرج في الخليج في وسط مدينة تروندهايم. يُنظم هذا الجزء من النهر من خلال محطتي نايف ليرفوس وبراتسبيرغ للطاقة. تمتلك محطة براتسبيرغ توربينين فرانسيس بسعة 50 م³/ث لكل منهما، بينما تمتلك نايف ليرفوس توربينين فرانسيس بسعة 30 و 60 م³/ث على التوالي. هناك أيضًا إطلاق تدفق أدنى يبلغ 10 م³/ث بين أوفري ونيدري ليرفوس. تقوم براتسبيرغ بتشغيل التوليد الذروي، بينما تساهم نايف ليرفوس في تدفق أدنى إجمالي يبلغ 30 م³/ث أسفل مخرج الطاقة الكهرمائية.
أُخذت بيانات تصريف المياه للنهر من مقياس التدفق (123.20.0) على بعد بضع مئات من الأمتار أسفل مخرج محطة الطاقة ومن محطة براتسبيرغ للطاقة، وكلاهما متاح من قاعدة بيانات المديرية النرويجية للموارد المائية والطاقة. بُني تواتر التغيير المستقبلي على محاكاة نموذجية لسوق الطاقة المستقبلية المطورة لمشروع HydroFlex من قبل جامعة آخن (Siemonsmeier et al., 2020). جمعت بيانات قياس الأعماق للنهر من مصادر مختلفة؛ بشكل أساسي، تم تنفيذ حملة قياس من قبل المشروع باستخدام SonTek M9 HydroSurveyor يسحبها قوارب الكاياك. تم تركيز خاص على جمع بيانات مفصلة من المناطق المعروفة بأنها تجف أثناء التدفق الأدنى وبالتالي تصبح منطقة تقطّع محتملة للأسماك. تم استيفاء البيانات المجمعة في نموذج ارتفاع رقمي (DEM) بدقة 0.5 × 0.5 م باستخدام ArcMap 10.8.
لالتقاط تفاصيل مناطق الجفاف بشكل صحيح، استُخدم نموذج هيدروليكي ثنائي الأبعاد (Vanzo et al., 2016; Juarez et al., 2019). أُجريت المحاكاة الهيدروليكية في HEC-RAS v.6.0 (Brunner 2021). تم اختبار أحجام شبكة مختلفة، واستُخدمت شبكة نموذج بحجم 1 × 1 م، مما وفر حلاً وسطًا جيدًا بين الدقة في تقدير مناطق التقطّع والسرعة الحاسوبية. تمت معايرة النموذج ضد مستويات المياه المرصودة عن طريق ضبط قيمة مانينغ في أقسام النهر، وتم تقييم النموذج أيضًا باستخدام الصور الجوية من هيئة المسح النرويجية. سمك السلمون الأطلسي (Salmo salar) كان النوع المستهدف في هذه الدراسة. استُندت بيانات شدة التوليد الذروي لسمك السلمون الأطلسي وحد معدل التغيير اللازم لتجنب تقطّع الأسماك على حد 13 سم/ساعة الذي اقترحه Bakken et al. (2021). تم حساب معدل التغيير لعدة مواقع على طول النهر باستخدام الهيدروغراف القياسي بتركيز خاص على المناطق التي لوحظ فيها جفاف كامل في الحقل.
بناءً على تشغيل التوربين المرصود، أُجريت عدة محاكاة بهيدروغرافات إدخالية مددت تدريجيًا الوقت الذي تستغرقه محطة الطاقة للانتقال من الإنتاج الكامل إلى الصفر. استُخدمت النتائج لربط معدل الجفاف بزمن الإيقاف لإيجاد سيناريو إيقاف يقلل معدل الجفاف إلى ما دون العتبة المقبولة. باستخدام النتائج، صُنع هيدروغراف إيقاف صديق للبيئة بتمديد وقت الإيقاف وإنشاء انحسار بميل أقل. يتطلب تمديد وقت الإيقاف إطلاق المزيد من المياه من محطة الطاقة، وتم حساب الحجم الإضافي المطلوب من الهيدروغراف المخفف (Kenawi 2021). بالإضافة إلى ذلك، لإيجاد نظام تدفق يمنع الجفاف الحرج، حاولنا أيضًا الحفاظ على استخدام المياه في إجراء التخفيف لتقليل التأثير على إنتاج الطاقة.
أُجريت جميع عمليات الرسم والتحليل للمدى المكاني للتوليد الذروي في ArcMap 10.8 و ArcGIS Pro، وتم إجراء جميع التحليلات الإحصائية والرسوم البيانية الأخرى باستخدام لغة البرمجة R (R Core Team 2019).
أُجريت مقارنة مستويات المياه المقاسة والمحاكاة لـ 42 نقطة تم قياسها بين نيدري ليرفوس وتيمبي. تم تعديل أرقام مانينغ للنموذج لتقليل الفروق بين مستويات المياه المرصودة والمحاكاة، مما أدى إلى متوسط خطأ قدره −0.017 سم (انحراف معياري = 0.08 سم). تراوح رقم مانينغ من 0.045 إلى 0.090. أعطى الارتباط بين مستويات المياه المرصودة والمحاكاة معامل تحديد r² قدره 0.99. الفرق بين المساحة المغطاة بالمياه المحاكاة والمرصودة هو 3%.
يُظهر هيدروغراف مرصود تم قياسه في محطة براتسبيرغ عند الحد الأعلى مع الهيدروغراف المعياري المستمد من البيانات المقاسة والمستخدم في تطوير إجراءات التخفيف. أُضيف التدفق البيئي البالغ 30 م³/ث إلى تدفق التوربين. تُظهر محاكاة التغيير مع قمم متعددة يوميًا ترجمة القمم في المصب بعد كل إيقاف في ليرفوسين. تقصر المدة بين الأطراف الهابطة والصاعدة للهيدروغراف، وفي النهاية يبدأ ارتفاع القمة التالية قبل أن تصل القمة السابقة إلى أدنى مستوى محتمل لها، مما يقلل المناطق الجافة في المجرى.
حددت المحاكاة الموضحة المناطق المحتملة للجفاف وقدمت فهمًا لمعدلات الجفاف في مواقع مختلفة على طول النهر. أُجريت محاكاة جديدة بزيادة تدريجية في وقت إيقاف التوربين. تم استخراج التغيرات في العمق من أكثر موقعين لتقطّع الأسماك شدة في النهر. يوضح الجدول 1 أن لجميع المناطق، معدل الجفاف أعلى من العتبة المقبولة البالغة 13 سم/ساعة (Bakken et al., 2021). لتقدير مستوى التخفيف اللازم، أُجريت محاكاة لأوقات إيقاف مختلفة للتوربين (نطاق 0–380 دقيقة)، وتم حساب معدلات الجفاف لكل حالة. لأطول وقت إيقاف قدره 380 دقيقة، كانت المعدلات مقبولة لجميع المناطق. باستخدام العلاقات بين معدلات الجفاف ومدة إيقاف التوربين والمحاكاة مع النموذج الهيدروليكي، وُجد أن وقت 270 دقيقة مقبول. بناءً على ذلك، فإن المياه الإضافية المطلوبة للحصول على الانحسار التدريجي تبلغ 0.61 مليون م³. باستخدام طريقة التخفيف المقترحة، أُجريت محاكاة مع الهيدروغرافات الأصلية والمخففة لتقييم التأثيرات.
كجزء من التحقيقات حول جدوى تطوير توربين طاقة كهرمائية قادر على التشغيل والإيقاف المتعدد يوميًا لتوفير مرونة متزايدة في سوق طاقة بمستوى متزايد من المصادر المتقطعة، تم تقييم التأثيرات البيئية والتخفيف المحتمل. استُخدم النموذج الهيدروليكي ثنائي الأبعاد HEC-RAS لمحاكاة تأثير مختلف هيدروغرافات التوليد الذروي، وتم إنشاء استراتيجية تشغيلية تفي بمعدل الجفاف 13 سم/ساعة من المبادئ التوجيهية (Bakken et al., 2021) واستخدمت لتقييم إمكانية تخفيف الآثار السلبية لعملية التوليد الذروي.
يتطلب التقييم التفصيلي لمناطق التقطّع ومعدلات الجفاف على نطاق مكاني صغير نمذجة هيدروليكية دقيقة النطاق، ولذلك من المهم وجود نموذج قياس أعماق رقمي مفصل للتضاريس ونموذج معاير جيدًا. في هذا المشروع، تم التركيز بشكل خاص على قياس مناطق التقطّع المحتملة بالتفصيل لتوليد نموذج الارتفاع الرقمي باستخدام أنظمة السونار ونظام تحديد المواقع العالمي. أظهر تقييم النموذج ضد القياسات دقة جيدة، وتم التحكم في ذلك أيضًا بالمقارنة مع الصور الجوية من مسح بالطائرة بدون طيار لموقع التقطّع. عند المقارنة مع دراسات أخرى (Hauer et al., 2014; Sauterleute et al., 2016; Juarez et al., 2019)، فإن المناطق الجافة في نيديلفا معتدلة، حيث تبلغ حوالي 9% من إجمالي المساحة المبتلة للنهر عند تصريف 130 م³/ث جافة عند التدفق البيئي 30 م³/ث. يُفسر ذلك بوجود أقسام طويلة ذات منحدرات ضفاف شديدة وجدران استنادية، وتدفق بيئي مرتفع نسبيًا يساهم أيضًا في تقليل مناطق التقطّع.
من تحليل إجراء الإيقاف، وُجد أن وقت الإيقاف 270 دقيقة يقلل معدل الجفاف إلى مستوى أقل من حد التقطّع لكل إيقاف توربين. وقت الإيقاف الممتد على الأرجح غير ممكن تقنيًا للتوربينات العاملة حاليًا في براتسبيرغ، وربما أيضًا غير مجد اقتصاديًا لمحطة الطاقة بسبب المياه الإضافية المطلوبة. لم يتم تقدير التكلفة الاقتصادية في هذا المشروع، لكن كمية المياه المطلوبة لكل ذروة للتخفيف أكبر بكثير من القيمة التي أبلغ عنها Juarez et al. (2019). من الجدير بالذكر أن المياه الإضافية التي يتم إطلاقها في هذه الدراسة يتم إطلاقها من خلال التوربين وستدر دخلاً.
ليس من الواضح بعد ما إذا كان إعداد التوربين من HydroFlex سيكون لديه القدرة على إطلاق المياه كما هو مقترح في هيدروغراف التخفيف بسبب قيود تشغيلية محتملة على إطلاق التدفق المنخفض. قد تكون إستراتيجية التخفيف المحتملة هي تكوين محطة الطاقة بحيث يمكن معالجة الإيقاف الممتد المقترح بواسطة التوربينات. يمكن أن يكون تجهيز خزان تخفيف حلاً للحاجة إلى المياه الإضافية، لكن هذا ليس حلاً ممكنًا عند المخرج في نيدري ليرفوس بسبب التضاريس والبنية التحتية. نظرًا لكمية المياه المطلوبة للتخفيف، يُظهر Saberi et al. (2021) أن نظام ACUR يمكن أن يوفر التخزين اللازم وبالتالي تخفيف عملية التوليد الذروي. قد تكون الحلول الهيكلية أيضًا خيارًا كإجراء تخفيف، مثل تركيب هدار عند مدخل القناة الجانبية أو بناء قناة تقود المياه إلى القنوات الجانبية عند التدفق الأدنى.
في السيناريو الموضح، سيكون تواتر ومدة القمم بحيث يصل النهر إلى حالة التدفق الأدنى بين كل قمة. إذا زاد عدد القمم دون اليومية أكثر نحو هدف 30 كما هو محدد في مشروع HydroFlex، سيكون لدينا فترات تبدأ فيها القمة التالية قبل أن تصل القمة السابقة إلى مستوى التدفق الأدنى. سيؤدي ذلك إلى تقليل سعة القمة وتقليل تأثير الجفاف في المصب. هذا هو الحال أكثر إذا لاحظنا الهيدروغرافات المخففة. وبالمثل، لوحظ أن التغيير المتكرر دون اليومي يخفف تأثير الجفاف بعيدًا في المصب حيث يبدأ النهر في الارتفاع مرة أخرى قبل أن يصل الإيقاف السابق إلى المستوى الأدنى.
من خلال النمذجة الهيدروليكية التفصيلية للتوليد الذروي المتكرر، تم وضع إستراتيجية تخفيف محتملة. تتضمن الإستراتيجية زيادة مدة إيقاف محطة الطاقة لضمان أن معدلات الجفاف أقل من المستوى الحرج البالغ 13 سم/ساعة. يتطلب ذلك إطلاق 0.61 مليون م³ إضافية عند كل إيقاف ويتطلب توربينًا يسمح بسرعة إيقاف بطيئة. يمكن أن يكون هذا تحديًا لكل من الميزانية المائية والاقتصاد لمحطة الطاقة الكهرمائية ولتشغيل التوربين. الحل المحتمل لذلك هو استخدام خزان تخفيف مبني في الجبال يعتمد على تقنية ACUR الذي يمكنه تخزين المياه المطلوبة أثناء بدء تشغيل التوربين ثم إطلاق هذه المياه في النهر عندما يتوقف التوربين. عندما يزداد تواتر التشغيل والإيقاف، يُلاحظ تداخل للموجات في النهر في المصب مما يقلل المنطقة الجافة لكل دورة تشغيل-إيقاف.
مجموعات البيانات المقدمة في هذه المقالة غير متاحة بسهولة لأن بعض البيانات تم جمعها من قبل أطراف ثالثة وأتيحت للمشروع، ولا يمكن إصدار هذه البيانات دون موافقة جامعي البيانات. يمكن الحصول على البيانات التي جمعها المشروع من المؤلف المسؤول عند الطلب على knut.alfredsen@ntnu.no.
KA أشرف على العمل وكان المؤلف الرئيسي للدراسة؛ KA و AG صمما الدراسة؛ AG جمع البيانات وأعد وعاير النموذج الهيدروليكي؛ MG أعد وأجرى محاكاة توربين HydroFlex مع تشغيل وإيقاف متعدد في يوم واحد؛ MK و SS أجريا محاكاة إجراءات التخفيف، وصمما نظام التدفق المخفف، وأجريا المحاكاة لتقييم تأثيره. جميع المؤلفين ساهموا في النص وقرأوا وحرروا المخطوطة النهائية.
قائمة المراجع الكاملة (أكثر من 50 مصدرًا) متاحة في الملف الأصلي للPDF.
In the transition to a society based on renewable energy, flexibility is important in balancing the energy supply as more intermittent sources like wind and solar are included in the energy mix. The storage-based hydropower systems are a renewable energy source that provides the needed flexibility since a hydropower plant can be started and stopped in minutes, and the reservoirs provide stored energy that can be utilized when the demand arises. The main objective of this study is to describe a method of designing the necessary volume of water required to mitigate a fast ramping turbine, and present the effect this has on the downstream river reach. We used a 2D hydraulic model to find the areas affected by hydropeaking operation and, furthermore, to define areas with a faster ramping rate than 13 cm/h which is used as a limit in Norwegian guidelines. Based on this, we developed a ramping regime that would prevent fast dewatering of critical areas and provide this as a basis for mitigating the effects of fast dewatering in the downstream river (River Nidelva in Norway was used as a test case). Furthermore, the effect of increasing the frequency of start–stop cycles was studied, and the proposed mitigation was evaluated for the new operational regime.
The transition into a society based on renewable energy sources has received considerable attention over the past years as a way of combatting global warming (Edenhofer et al., 2011). The renewable energy mix contains intermittent energy sources like the wind and sun, and methods of balancing the energy supply are important to secure a constant supply. Hydropower with water storage in reservoirs is a very flexible renewable energy source which can be started and stopped in minutes and is thereby ideally suited to balance the intermittent energy sources. The reservoirs provide stored energy that can be utilized when the demand arises, which further extends the flexibility and usefulness of the hydropower systems for load balancing purposes. However, the flexible operation of hydropower plants can cause nonnatural, sub-daily fluctuating flows into receiving water bodies, often referred to as "hydropeaking" (Harby et al., 2013). This can be a serious environmental issue, particularly when the hydropower outlet is in a river (Bruder et al., 2016) as opposed to power plant outlets in fjords, reservoirs, or lakes (Halleraker et al., 2022).
Hydropeaking in rivers can cause serious consequences for the physical environment and ecosystems downstream (e.g., Harby et al., 2013). The key factors in the assessment of peaking are the vertical ramping rate (the drop in water level per time unit), and the rate of dewatering (drying) of the river bed when the water level is reduced (the lateral ramping rate). The lateral ramping rate might be as important as the vertical ramping rate in the impact assessment study. Literature covers a wide range of ecological impacts from hydropeaking operations. Auer et al. (2017) reported on the flushing of biota as a turbine starts, and this can lead to changes in fish distribution. When the turbine stops, stranding or pool trapping of juvenile fish in river areas that had dried out was observed (Saltveit et al., 2001; Schmutz et al., 2015). Periods with a dry river bed can also have impacts on salmon eggs and alevins buried in the gravel (Casas-Mulet et al., 2014; Casas-Mulet et al., 2016).
Hydropeaking operations can have severe impacts on fish populations in downstream rivers. Hayes et al. (2021) have shown large reductions in biomass of graylings between reference sites and sites with peak flow regime. Schmutz et al. (2015) have found that typical hydropeaking indices like peak frequency and ramping rate have explained most of the indices of biotic integrity developed for rivers in Austria. Saltveit et al. (2020) have shown that year classes of brown trout older than the young of the year disappear from heavily peaked river reaches in Norway. Through a modeling study using an individual-based model, Hedger et al. (2018) have shown that stranding of smolts may have a large impact on the population through a direct impact on returning adult Atlantic salmon.
Impacts from peaking operations have to be handled to reduce the adverse effects on nature, and mitigation is necessary in maintaining sustainable energy production, particularly when a hydropower plant in the energy mix has an outlet in a river rather than in a fjord or reservoir (Halleraker et al., 2022). Flow rules or operational ramping restrictions, as proposed by Hayes et al. (2019), are examples of mitigation measures related to peaking operations which aim at adapting the peaking hydrograph within safe ecological limits for different life stages of target species. However, designing flow rules is a complex process since the dewatering of river sections is dependent on the distance from the outlet of the hydropower plant and the morphology of the river (Hauer et al., 2017). The relationship between the vertical and lateral ramping rates is dependent on the morphology and shows large spatial variations (Tekle, 2021), which is best estimated through hydraulic modeling.
The challenges related to mitigation are both related to technical turbine constraints and the extra use of water caused by gradual stops. For creating a gradual stop of the power plant, it is necessary to operate the hydropower turbines at the rate of discharge defined in the mitigation protocol. This might not be possible without violating the turbine's technical constraints. For example, overheating could occur at low turbine flow and turbine blades can be damaged by cavitation if operated outside the normal flow range. Juarez et al. (2019) proposed a mitigated turbine stop for the Storåne river to reduce stranding, but here, the turbine constraints made it only possible to run a slow shutdown until the turbine reached 40% of the full capacity before a full stop was required.
In addition, new operational regimes for turbines are possible and also substitution of turbines allows for a more adapted shutdown regime. An alternative to handling the restricted shutdowns directly through the turbine is to employ a dampening reservoir just downstream of the turbine outlet (Meier et al., 2016; Tonolla et al., 2017). The purpose of this is to fill the reservoir during the start of the turbine and thereby dampen the flushing effect and to gradually release water when the turbine stops to reduce the dewatering effect. An alternative solution using water storage for dampening the effect of hydropeaking has been proposed by Storli and Lundström (2019) who presented the Air Cushion Underground Cavern (ACUR), providing underground storage where compressed air is used to control the storage and release of water.
Based on the need for a new and more flexible hydropower turbine as described above, the HydroFlex project was initiated and funded by the European Union. The objective of the HydroFlex project is to develop a variable-speed turbine that can handle high ramping rates and multiple starts and stops per day (possibly up to 30) without compromising the lifetime and efficiency of the turbine and to develop equipment like generators and converters that are required for the new operation. The project also describes the possible environmental impacts of operating the new HydroFlex turbine and evaluates potential mitigation measures.
The objectives of this study can be summarized as follows: (1) Investigate the effects of hydropeaking in River Nidelva in Trondheim, Norway, on stranding areas for juvenile Atlantic salmon using a hydraulic model under the current operational regime. (2) Use the results from (1) to evaluate potential mitigation measures for Nidelva as a basis for an evaluation of the HydroFlex turbine. (3) Investigate the effect of a high-frequency start and stop operation according to the HydroFlex turbine design on conditions in the river reach downstream of the powerplant outlet and how mitigation measures can be applied to this situation.
River Nidelva in Norway was used as a study site in the project (Figure 1). The river is regulated through the Nea-Nidelva scheme which consists of the regulation of Nea upstream of Selbusjøen and the regulation of Nidelva downstream of Selbusjøen. This project used the lower part of the river from Nedre Leirfoss to the outlet in the fjord in Trondheim city center. This reach of the river is regulated through the Nye Leirfoss power plant and the Bratsberg power plant. Bratsberg has two Francis turbines with a capacity of 50 m³s⁻¹ each, while Nye Leirfoss has two Francis turbines of 30 m³s⁻¹ and 60 m³s⁻¹, respectively. In addition, there is a minimum flow release of 10 m³s⁻¹ between Øvre and Nedre Leirfoss. Bratsberg is running the hydropeaking operation, while Nye Leirfoss contributes to a total minimum flow of 30 m³s⁻¹ downstream of the hydropower outlet.
Water discharge data for the river were taken from the Rate gauge (123.20.0) some hundred meters downstream of the power plant outlet and from the Bratsberg power plant, both available from the database of the Norwegian Water Resources and Energy Directorate. The frequency of future ramping was built on model simulations of the future energy market developed for the HydroFlex project by the University of Aachen (Siemonsmeier et al., 2020). The bathymetry from the river was compiled from different sources; mainly, a measurement campaign was carried out by the project using a SonTek M9 HydroSurveyor towed by a kayak. Particular emphasis was made to collect detailed data from areas known to have dried out during minimal flow and thereby become a potential stranding area for fish. The collected data were interpolated into a Digital Elevation Model (DEM) using ArcMap 10.8 with a resolution of 0.5 × 0.5 m.
To properly capture the details of the dewatering areas, a two-dimensional hydraulic model was used (Vanzo et al., 2016; Juarez et al., 2019). The hydraulic simulations were carried out in HEC-RAS v.6.0 (Brunner 2021). Different grid sizes were tested, and finally, a model grid of 1 × 1 m was used, providing a good compromise between accuracy in estimating the stranding areas and computational speed. The model was calibrated against the observed water levels by adjusting Manning's n-value in river sections, and the model was further evaluated using aerial imagery from the Norwegian mapping authority. Atlantic salmon (Salmo salar) was used as a target species in this study. Data on hydropeaking severity for Atlantic salmon and the necessary ramping rate threshold to avoid fish stranding was based on a limit of 13 cm/h proposed by Bakken et al. (2021). The ramping rate was computed for several locations along the river using the standard hydrograph with particular focus on areas where total dewatering was observed in the field.
Based on the observed turbine operation, several simulations were carried out with input hydrographs that gradually extended the time it takes for the power plant to go from full to zero production. The results were used to correlate the dewatering rate with the stoppage time to find a shutdown scenario that reduced the dewatering rate below the acceptable threshold. Using the findings, an environmentally friendly shutdown hydrograph was made by extending the time of the shutdown and creating a recession with a milder slope. Extending the time of the stop requires more water to be released from the power plant, and the extra volume of water required was computed from the mitigated hydrograph (Kenawi 2021). In addition, to find a flow regime that prevents critical dewatering, we have also tried to conserve the use of water in the mitigation procedure to reduce the impact on power production.
All plotting and analysis of the spatial extent of peaking were carried out in ArcMap 10.8 and ArcGIS Pro, and all other statistical analyses and plotting were done using the R programming language (R Core Team 2019).
The comparison of the measured and simulated water levels was done for 42 points measured between Nedre Leirfoss and Tempe. The Manning numbers of the model were adjusted to minimize the differences between the observed and simulated water levels, leading to a mean error of −0.017 cm (SD = 0.08 cm). The Manning number ranged from 0.045 to 0.090. The correlation between the observed and simulated water levels gave an r² of 0.99. The difference between the simulated and the observed water-covered area is 3%.
An observed hydrograph measured in the Bratsberg power plant at the upstream boundary is shown together with the standardized hydrograph derived from the measured data and used in the development of the mitigation measures. The environmental flow of 30 m³s⁻¹ was added to the turbine flow. The ramping simulations with multiple peaks per day show the translation of peaks downstream after each stop in Leirfossen. The duration between the falling and rising limbs of the hydrograph is shortened, and eventually, the rise of the next peak starts before the previous peak has reached its potential minimum, thereby reducing the dewatered areas in the reach.
The simulations identified the potential dewatered areas and provided an understanding of the dewatering rates in different locations along the river. New simulations were carried out by gradually increasing the stoppage time of the turbine. Changes in depth were extracted from the two most severe stranding locations in the river. Table 1 shows that for all regions, the dewatering rate is above the acceptable threshold of 13 cm/h (Bakken et al., 2021). To estimate the necessary level of mitigation, simulations were carried out for different shutdown times for the turbine (range 0–380 min), and the dewatering rates were computed for each case. For the longest shutdown time of 380 min, the rates were acceptable for all regions. Using the relationships between dewatering rates, duration of turbine stop, and the simulations with the hydraulic model, a time of 270 min was found to be acceptable. Based on this, the extra water required to obtain the gradual recession amounts to 0.61 mill m³. Using the proposed mitigation method, simulations were done with the original and mitigated hydrographs to evaluate the effects.
As a part of the investigations on the feasibility of developing a hydropower turbine capable of multiple starts and stops in a day to provide increased flexibility in an energy market with an increased level of intermittent sources, the environmental impacts and potential mitigation were evaluated. The 2D hydraulic model HEC-RAS was used to simulate the effect of various peaking hydrographs, and an operational strategy that satisfied the 13 cm/h dewatering rate from the guidelines (Bakken et al., 2021) was created and used to evaluate the potential for mitigation of the adverse effects of peaking operation.
A detailed assessment of stranding areas and dewatering rates at a small spatial scale requires fine-scale hydraulic modeling, and it is therefore important to have a detailed digital bathymetric model of the terrain and a well-calibrated model. In this project, a special emphasis was made on measuring the potential stranding areas in detail to generate the DEM using sonar and GPS systems. The evaluation of the model against measurement shows good accuracy, and this was further controlled by comparison with orthophotos from a drone survey of the stranding site. When compared to other studies (Hauer et al., 2014; Sauterleute et al., 2016; Juarez et al., 2019), the dried-out areas in Nidelva are moderate, with around 9% of the total wetted area of the river at a discharge of 130 m³s⁻¹ dry at the environmental flow at 30 m³s⁻¹. This is explained by long reaches with steep bank slopes and embankments, and a relatively high environmental flow which also contributes to reduced stranding areas.
From the analysis of the shutdown procedure, a stop time of 270 min was found to reduce the dewatering rate to a level less than the limit for stranding for each turbine stop. The extended stop time is most likely not technically feasible for the turbines currently in operation in Bratsberg, and probably also not economically feasible for the power plant due to the extra water required. The economic cost of this has not been estimated in this project, but the amount of water required per peak for mitigation is significantly larger than the value reported by Juarez et al. (2019). It is worth noting that the extra water released both in this study is released through the turbine and will generate income.
It is not yet clear if the turbine setup from HydroFlex will have the potential to release water as proposed in the mitigation hydrograph due to possible operational restrictions on low flow releases. A potential mitigation strategy could be to configure the power plant such that the proposed extended stop could be handled by the turbines. Retrofitting a dampening reservoir could be a solution to the need for extra water, but this is not a possible solution at the outlet in Nedre Leirfoss due to the terrain and infrastructure. Given the amount of water required for mitigation, Saberi et al. (2021) show that the ACUR system could provide the necessary storage and thereby provide the dampening of the peaking operation. Structural solutions could also be an option as a mitigation measure, such as installing a weir at the side channel inlet or constructing a channel that leads water into the side channels at minimal flow.
In the scenario shown, the frequency and duration of the peaks are such that the river will reach a minimum flow state between each peak. If the number of sub-daily peaks is further increased toward the goal of 30 as specified in the HydroFlex project, we will have periods where the next peak starts before the previous peak has reached the minimum flow level. This will thereby reduce the peak amplitude and reduce the dewatering effect downstream. This is even more the case if we observe the mitigated hydrographs. Similarly, it is observed that frequent sub-daily ramping dampens the dewatering effect far downstream in the river as the river starts rising again before the previous stop has reached the minimum level.
Through the detailed hydraulic modeling of frequent hydropeaking, a potential mitigation strategy is devised. The strategy involves increasing the duration of the stop of the power plant to ensure that dewatering rates are below the critical level of 13 cm/h. This involves releasing an extra 0.61 million m³ at each shutdown and requires a turbine that allows the slow shutdown speed. This can be a challenge both for the water budget and economy of the hydropower plant and for the operation of the turbine. A potential solution to this could be to use a dampening reservoir built in the mountains based on the ACUR technology that could store the required water during the start of the turbine and then release this water into the river when the turbine stops. When the frequency of the start and stops increases, an overlap of waves is seen in the river downstream which reduces the dried-out area for each start–stop cycle.
The data sets presented in this article are not readily available because some data are collected by third parties and made available to the project, and these cannot be released without the consent from the data collectors. The data collected by the project can be had from the corresponding author on request at knut.alfredsen@ntnu.no.
KA supervised the work and was the main author of the study; KA and AG designed the study; AG collected the data and prepared and calibrated the hydraulic model; MG prepared and ran the simulations for the HydroFlex turbine with multiple start and stops in 1 day; MK and SS carried out the simulation of the mitigation measures, designed the mitigation flow regime, and ran the simulations to evaluate its impact. All authors have contributed to the text and have read and edited the final manuscript.
Full reference list (over 50 sources) available in the original PDF.