Experimental study of the interaction of natural and man-made exploitation systems with the environment in the atmospheric surface boundary layer: application to olive fields and wind farms Jiménez Portaz, María Clavero Gilabert, María Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Dinámica de Flujos Biogeoquímicos y sus Aplicaciones Experimental study Natural exploitation systems Man-made exploitation systems Atmospheric surface boundary layer Estudio experimental Sistemas de explotación naturales Sistemas de explotación artificiales Capa límite de la superficie atmosférica This thesis would not have been possible without the funding provided by the research group TEP-209 and the project ODISEA of the program ”Proyectos de Investigación Precompetitivos para Jóvenes Investigadores” from the University of Granada. In addition, I would like to acknowledge the Vice-rectorate for research and knowledge transfer from the University of Granada for funding my research stay in the ITAM. When we refer to exploitation systems, we talk about obtaining resources through natural or man-made management systems. Resources exploitation in Mediterranean countries covers energy extraction to agricultural or forestry production. In some cases, inadequate management methods promote environmental degradation, aggravated by climate, desertification, and climate change, among others. Global change represents an inflection point in the management of ecosystems and the way we obtain energy. For this reason, two representative Mediterranean systems (one natural and one other artificial) have been selected in this work to be studied in an integrated way: i) olive groves and ii) onshore wind farms. A new management model requires a global understanding of the system, analyzing its elements, how they interact, and modify the surrounding environment. This model must include, in turn, how dynamic phenomena are affected through exchanges and processes on the Earth’s surface, in particular the surface boundary layer of the atmosphere. These processes become more critical in high ecological value and high environmental sensitivity areas, as the Southern Mediterranean areas, and specifically, the region of Andalusia. One of the best methods to study these systems is through experimental wind tunnel tests due to their large scale and spatio–temporal variability. For this reason, in Chapter 2, a study of the quality, homogeneity, and turbulent characteristics of the flow in the IISTA boundary layer wind tunnel has been carried out to guarantee and optimize its correct operation. A behavioral overview of the flow inside the tunnel has been obtained, and at the same time, it has been compared with a closed-circuit climatic wind tunnel with similar characteristics. With all the information obtained, it is enough to carry out environmental studies and improve the facility that is necessary for this purpose. Secondly, the Andalusian olive grove is selected as representative of natural exploitation due to its historical importance, an emblematic ecosystem of the Mediterranean countries, and its importance at economic, health, and environmental levels. Sustainable ecosystem management is one of the most significant challenges for managers. Climate change, together with the increase in allergies associated with olive pollen and the ecosystem’s long-term improvement and preservation, has generated a social problem that needs to be analyzed in-depth to obtain a satisfactory solution covering all areas: environmental, social, and economic. As a first approach to the problem, in Chapter 3 three olive grove configurations representative of Andalusia have been studied, based on experimental tests, analyzing their influence on the atmosphere dynamics. Moreover, the relationship between exploitation and plantation characteristics has been obtained, such as the tree height and its spatial distribution, with fundamental aerodynamic variables, such as the aerodynamic diameter and the Reynolds number. As an artificial production system, wind farms have been selected because of their relevance and their fast and unstoppable expansion worldwide, where they play a leading role in sustainability and climate change actions. Despite being clean energy, it can generate alterations associated with the wind fields, directly affecting the energy potential to be extracted by the wind turbines around it. Based on this behavior, it has been proven the importance of properly selecting the location of a wind farm due to the direct influence of topography, vegetation cover, and the position of other turbines previously installed. The different spatial configurations studied in Chapter 4 show the amplitude of the turbulent wake generated behind the wind turbine, both in height and flow direction, and its impact on the surface atmospheric boundary layer. On the other hand, the new exchange system after installing the wind turbine, directly and indirectly, affects environmental components related to the atmosphere dynamics. Therefore, there is a wide range of environmental impacts related to wind energy associated with each other and must be studied comprehensively. However, current methodologies applied to the study of environmental impacts are lacking in specificity and adaptability to the particularities of this type of energy system. For this reason, based on scientific knowledge, guidelines and recommendations for the study of the environmental impact of wind farms in Andalusia are presented in Chapter 5. Furthermore, the methodology proposed is based on the experimental studies described in Chapter 4 and an exhaustive literature review, resulting in an example of how to apply part of this methodology. In a nutshell, this work analyzes, from experimental tests, the relationship between the atmospheric boundary layer and two relevant exploitation systems in the Southern Mediterranean. It concludes in Chapter 6 that the study of this interaction is significant to understand the system behavior as a whole, foreseeing possible environmental alterations, optimizing their exploitation from a sustainable, social, and sanitary point of view, and at the same time, optimizing their profitability. Cuando hablamos de sistemas de explotación, nos referimos a aquellos sistemas naturales o artificiales de los cuales obtenemos recursos, limitados o ilimitados, a través de la gestión y aprovechamiento de cada uno de ellos. La explotación de recursos en los países mediterráneos abarca desde la obtención de energía, hasta los aprovechamientos agrícolas o forestales. Sin embargo, los inadecuados métodos de gestión fomentan la degradación del entorno, agravados por el clima, la desertificación, y el cambio climático, entre otros. El cambio global supone un punto de inflexión a la hora de gestionar los ecosistemas, así como la forma en la que obtenemos energía. Por ello, en este trabajo se han seleccionado dos sistemas representativos del Mediterráneo (uno natural y otro artificial), para ser estudiados de forma integral: i) el olivar, y ii) los parques eólicos terrestres. Un nuevo modelo de gestión requiere entender el sistema de forma global e integrada, analizando los elementos que lo componen, cómo interactúan y cómo modifican el medio, que ha de incluir, a su vez, las afecciones sobre los fenómenos dinámicos en la superficie terrestre, especialmente en la capa límite superficial de la atmósfera. Esto cobra mayor importancia en áreas de alto valor ecológico y altamente sensibles, como es el caso del sur del Mediterráneo, y más concretamente, la región de Andalucía. Una de las mejores formas de estudiar estos sistemas, debido a su la escala de trabajo y la variabilidad espacio temporal, es a través de ensayos experimentales en túnel de viento. Por este motivo, en el Capítulo 2 se ha realizado un estudio de la calidad, homogeneidad y características turbulentas del flujo en el túnel de viento de capa límite del IISTA, con el objetivo de garantizar y optimizar su correcto funcionamiento. De este modo, se ha conseguido una visión global del comportamiento del flujo en su interior, y a su vez se ha comparado con un túnel de viento climático de circuito cerrado de similares características. Con toda la información obtenida, tenemos información suficiente para llevar a cabo estudios de carácter ambiental y realizar las adaptaciones y mejoras que sean necesarias para ello. En segundo lugar, se selecciona el olivar andaluz como explotación natural, por su importancia a nivel histórico, al ser un ecosistema emblemático de los países mediterráneos, pero también a nivel económico, sanitario y medioambiental. La gestión de ecosistemas de forma sostenible es uno de los mayores retos a los que se enfrentan los gestores. El cambio climático, unido al aumento de las alergias asociadas al polen del olivo y la necesidad de mejorar y conservar los ecosistemas a largo plazo, ha generado un problema a nivel social, económico y ambiental. Esta problemática ha de ser analizada en profundidad, a fin de obtener una solución intermedia y satisfactoria en todos los ámbitos: ambientales, sociales y económicos. Como una primera aproximación al problema, en el Capítulo 3 se han estudiado, a través de ensayos experimentales, tres configuraciones de olivar representativas de Andalucía, analizando su influencia sobre la dinámica de la atmósfera. Además, se ha obteniendo la relación entre el tipo aprovechamiento y las características de la plantación, como la altura del árbol y su disposición espacial, con variables aerodinámicas fundamentales, como el diámetro aerodinámico y el número de Reynolds. Como sistema de producción artificial se han seleccionado las explotaciones de energía eólica, por su relevancia, pero también por su rápida e imparable expansión a nivel mundial, donde juegan un papel fundamental en la sostenibilidad y las medidas contra el cambio climático. A pesar de ser una energía limpia, puede generar alteraciones asociadas al campo de vientos, traducidas en la generación de una estela turbulenta tras cada aerogenerador, que afectará de forma directa al potencial energético a extraer por parte de las turbinas cercanas. Con base en este comportamiento, se ha comprobado la importancia de seleccionar adecuadamente el emplazamiento de un parque eólico, por la influencia directa de la topografía, la cobertura vegetal y la posición espacial de otras turbinas instaladas previamente. Las diferentes configuraciones espaciales estudiadas en el Capítulo 4 muestran el alcance de dicha estela turbulenta, tanto en altura como en la dirección del flujo, y su impacto sobre la estructura de la capa límite de la atmósfera. El nuevo sistema de intercambios tras la instalación del aerogenerador, afecta directa e indirectamente a las componentes ambientales relacionadas con la dinámica de la atmósfera. Existen entorno a la energía eólica una serie de impactos ambientales que pueden relacionarse entre sí y que deben ser estudiados desde un punto de vista integral e integrado. Sin embargo, las actuales metodologías aplicadas al estudio del impacto ambiental carecen de especificidad y adaptabilidad a las particularidades de este tipo de sistemas. Por este motivo, en el Capítulo 5 se presentan unas directrices y recomendaciones para el estudio del impacto ambiental de parques eólicos en Andalucía. La metodología propuesta está fundamentada en los estudios experimentales recogidos en el Capítulo 4 y una revisión bibliográfica completa, culminando en un ejemplo de aplicación con base en el conocimiento científico. En definitiva, este trabajo analiza de forma experimental, la relación entre la capa límite de la atmósfera y dos de los sistemas de explotación más relevantes en el sur del Mediterráneo. Se concluye en el Capítulo 6 la relevancia del estudio la interacción descrita anteriormente, con el objetivo de comprender el funcionamiento de estos sistemas, prever posibles alteraciones ambientales, optimizar su explotación desde un punto de vista sostenible, y a su vez, optimizar su rentabilidad. 2021-07-23T07:55:23Z 2021-07-23T07:55:23Z 2021 2021-07-09 info:eu-repo/semantics/doctoralThesis Jiménez Portaz, María. Experimental study of the interaction of natural and man-made exploitation systems with the environment in the atmospheric surface boundary layer: application to olive fields and wind farms. Granada: Universidad de Granada, 2021. [http://hdl.handle.net/10481/69861] 9788413069647 http://hdl.handle.net/10481/69861 eng http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/ info:eu-repo/semantics/openAccess Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España Universidad de Granada