Circulation of the rules reservoir induced by atmospheric forcing

Abstract

This doctoral thesis investigates the influence of the surrounding local topographical features on the free surface oscillation of a small reservoir in complex terrain. The study provides evidence that the high frequency micro-scale atmospheric forcing components (<10min) can produce resonant excitation of the free surface. The high frequency harmonics in the atmospheric forcing are believed to be due to local topography effects and from flow separation off the dam structure. The water free surface response to the atmospheric forcing is studied in detail with a two-dimensional, depth-averaged, hydrodynamic numerical model developed from the linearized shallow water equations. The high frequency atmospheric forcing variation (barometric pressure and wind shear stress) and the free surface response are presented from field measurements of a small reservoir located in complex terrain (Rules Reservoir, Granada). At certain times, harmonics in the measured atmospheric forcing are observed in the field measurements, ranging between periods of 200-700 seconds. Surface seiches are generated when the harmonic forcing matches the reservoir eigenmodes, even for low wind speeds. The spatial variation of the atmospheric forcing on the reservoir water surface is studied from simulations in a boundary layer wind tunnel. The surrounding topographical features are modeled at a scale of 1:3000 for a single wind direction which coincided with the orientation of the principal axis of the reservoir and the local wind directionality above the reservoir. The wind tunnel simulation provides a high resolution map of the mean wind speed and directionality variation over the water surface, along with variations in the water surface pressure distribution. The measurements from the field study and the wind tunnel simulation are merged together to provide a high resolution map of the spatial and temporal variability of the atmospheric forcing, which are included as loading conditions in the numerical model of the free surface response. The model is shown to accurately simulate the free surface oscillations measured during the field campaign with the reservoir at its current water level. The atmospheric forcing is also applied to simulations of the reservoir with higher water levels, predicting the response of the free surface when it is at full capacity and at intermediate levels. The model demonstrates how different eigenmodes contribute to the response of the free surface at different water levels, modifying the magnitude and location of the maximum oscillations.

Los procesos hidrodinámicos que ocurren en un embalse se deben a la compleja interacción de un cierto número de factores naturales y humanos, que incluyen: (a) las condiciones hidráulicas del embalse en la zona de captación, (b) el clima, (c) la morfología del embalse, (d) la operatividad de la presa,(e) la limnología y (f) las variaciones estacionales (Wetzel, 2001). La comprensión de los procesos físicos involucrados en la hidrodinámica de un embalse puede ayudar en las fases de gestión del mismo. Generalmente, la circulación de agua en un embalse, o en cualquier cuerpo cerrado de agua, está dominada por los agentes forzadores atmosféricos (esfuerzo de corte del viento y presión barométrica). El embalse responde a estos agentes produciendo una serie de oscilaciones periódicas, tanto en la superficie de agua (sobrelevación) como internamente (ondas internas). Este proceso a su vez induce la generación de celdas de circulación a lo largo de toda la columna de agua, regulando el transporte de sedimentos, nutrientes, materia orgánica, gases disueltos y la distribución de la temperatura y de la densidad de agua. Dichos factores influyen tanto en la expectativa de vida útil del embalse como en la de los organismos biológicos que viven en el mismo. Las oscilaciones periódicas estacionarias en un embalse se pueden desarrollar por diversas condiciones forzadoras. La amplitud de la oscilación estacionaria depende de la geometría del lago y de la magnitud del forzamiento atmosférico. En el caso de pequeños lagos, la amplitud puede ser del orden de mm, o cm con condiciones meteorológicas inusuales, aumentando hasta el orden de metros en el caso de grandes lagos (p.ej. la oscilación de 1.83m en el lago de Ginebra, Suiza). Aunque las oscilaciones en los embalses suelen ser relativamente pequeñas, estas pueden producir una oscilación significante en la vertical y promover la mezcla a lo largo de toda la columna de agua. En consecuencia, el movimiento periódico de las ondas internas puede inducir una elevada tasa de transporte de material orgánico e inorgánico a lo largo del embalse. En particular, este oleaje estacionario induce una capa límite cerca del lecho, donde se verifican los procesos de mezcla más significantes (Bramato, et. al., 2007; Sánchez-Badorrey, et. al., 2008).