Mathematical Modelling of Sediment Transport and Deposition in Reservoirs - Guidelines and Case Studies / Modélisation Mathématique du Transport et des Dépôts de Sédiments dans les Réservoirs - Lignes Directrices et Études de Cas

by Cigb Icold

Overview

As reservoir sedimentation has proven to be a serious problem in South Africa, research in this field has been ongoing for more than 70 years. This publication emanates from extensive research which has been undertaken over the past 30 years with the support of the South African Department of Water and Sanitation as well as the South African Water Research Commission. A great deal of information has fortunately also been obtained from China. Given the universal nature of hydraulic formulae it is not surprising, yet gratifying, that Chinese and South African data generally conform to the same mathematical relationships. This indicates that these relationships should be applicable in other countries as well. Much of the information contained here has been condensed from a more comprehensive publication. This ICOLD Bulletin follows on Bulletin 115 "Dealing with reservoir sedimentation", which gave guidelines for management of reservoirs to limit sedimentation. The guidelines on mathematical modelling of sediment transport dynamics in reservoirs in this document can be used during the planning and design of new dams, as well as for the management of existing dams. Comme la sédimentation dans les réservoirs s'est avérée être un problème sérieux en Afrique du Sud, la recherche dans ce domaine est en cours depuis plus de 70 ans. Cette publication émane de la recherche étendue qui a été menée au cours des 30 dernières années avec l'appui du ministère sud-africain de l'eau et de l'assainissement, ainsi que de la commission sud-africaine de recherche sur l'eau. Un grand nombre d'informations ont également été obtenues de la part de la Chine. Étant donné le caractère universel de formules hydrauliques, il n'est pas surprenant, mais très gratifiant, que les données chinoises et sud-africaines se conforment généralement aux mêmes relations mathématiques. Ceci indique que ces relations devraient être applicables dans d'autres pays également. Une grande partie de l'information contenue ici a été condensée à partir d'une publication plus complète. Ce bulletin CIGB fait suite au bulletin 115 "Traité sur la sédimentation dans les réservoirs", qui a donné des directives pour la gestion des réservoirs en vue de limiter la sédimentation. Les directives sur la modélisation mathématique de la dynamique de transport des sédiments dans les réservoirs de ce présent document peuvent être utilisées lors de la planification et la conception de nouveaux barrages et pour la gestion des barrages existants.

Product Details

ISBN-13:	9780367772284
Publisher:	CRC Press
Publication date:	06/28/2021
Series:	ICOLD Bulletins Series , #140
Pages:	334
Product dimensions:	6.12(w) x 9.19(h) x (d)

About the Author

The Commission Internationale des Grands Barrages (CIGB) / International Commission on Large Dams (ICOLD) is a non-governmental international organization which provides a forum for the exchange of knowledge and experience in dam engineering. The organization leads the profession in ensuring that dams are built safely, efficiently, economically, and without detrimental effects on the environment. Its original aim was to encourage advances in the planning, design, construction, operation, and maintenance of large dams and their associated civil works, by collecting and disseminating relevant information and by studying related technical questions. Since the late 1960s, focus was put on subjects of current concern such as dam safety, monitoring of performance, reanalysis of older dams and spillways, effects of ageing and environmental impact. More recently, new subjects include cost studies at the planning and construction stages, harnessing international rivers, information for the public at large, and financing.

Table of Contents

1 Introduction 35

2 Reservoir Operation and Sediment Transport Processes 43

2.1 Introduction 43

2.2 Sediment transport mechanisms 45

2.3 Modes of reservoir operation and impacts on the sediment balance 47

3 Turbulent Sediment Transport 57

3.1 Introduction 57

3.2 Review of selected equilibrium sediment transport equations 65

3.3 Calibration with reservoir data 93

3.4 Non-equilibrium sediment transport 115

3.4.1 Introduction 115

3.4.2 Review of existing theory 121

3.4.3 Modelling of nonequilibrium sediment transport processes: Welbedacht Reservoir (Caledon River, South Africa) 129

3.4.4 Comparison between calibrations 133

4 Density Currents 135

4.1 Introduction 135

4.2 Occurrence of density currents in reservoirs 137

4.3 Hydraulics of density currents 143

4.3.1 General 143

4.3.2 Velocity distribution 145

4.3.3 Vertical suspended sediment distribution 147

4.3.4 Shear stress distribution 147

4.4 Description mathématique de la distribution de vitesse et de l'épaisseur d'un courant de densité 148

4.5 Vérification de la théorie pour prévoir le profil de vitesse et la profondeur d'un courant de densité avec des données de laboratoire et de terrain 158

4.6 Mouvement d'un courant de densité: résistance et vitesse d'écoulement 162

4.7 Variation en sens transversal de la vitesse et de la concentration de sédiments à travers un courant de densité dans un réservoir 170

4.8 Mouvement de la tête d'un courant de densité 176

4.9 Transport de sédiments par courant de densité 184

4.10 Formation de courants de densité suite aux purges 190

4.11 Transport de sédiments par courant de densité en déséquilibre 198

4.12 Transport de sédiments échelonné par des courants de densité et le processus de triage 200

4.13 Formation d'un courant de densité 202

4.13.1 Revue de la théorie 202

4.13.2 Prévision au moyen du principe de puissance de courant minimale 214

4.14 Courants de densité laminaire associés avec le transport de sédiments hyper-concentré 220

4.15 Purge de courants de densité au travers de retenues 224

5 Modèles Mathématiques Et Études De Cas 228

5.1 Modèles mathématiques à une dimension 228

5.1.1 Introduction 228

5.1.2 Modèle (1D) de sédimentation de réservoir Mike 11-RFM: retenue de Welbedacht 230

5.1.3 Modèle de sédimentation de réservoir GSTARS: barrage de Tarbela, Pakistan (Yang and Simoes, 2003) 250

5.1.4 Modèle de sédimentation de retenue RESSASS: barrage de Tarbela (TAMS, 1998) 264

5.1.5 Modèle de rivière MIKE 11 : lac Roxburgh, Nouvelle Zélande (Mackay et al., 2000) 268

4.4 Mathematical description of the velocity distribution and the thickness of a density current 149

4.5 Verification of theory to predict the velocity profile and depth of a density current with laboratory and field data 159

4.6 Movement of a density current: flow resistance and velocity 163

4.7 Cross-sectional variation in velocity and sediment concentration across a density current in a reservoir 171

4.8 Motion of the head of a density current 177

4.9 Sediment transport by density currents 185

4.10 Density current formation following flushing 191

4.11 Non-equilibrium density current sediment transport 199

4.12 Graded sediment transport by density currents and the sorting process 201

4.13 Formation of a density current 203

4.13.1 Review of theory 203

4.13.2 Prediction by means of minimum stream power principle 215

4.14 Laminar density currents associated with hyper concentrated sediment transport 221

4.15 Venting of density currents through reservoirs 225

5 Mathematical Models and Case Studies 229

5.1 One dimensional mathematical models 229

5.1.1 Introduction 229

5.1.2 Reservoir sedimentation model (1D): Mike 11-RFM: Welbedacht Reservoir 231

5.1.3 Reservoir Sedimentation Model: GSTARS: Tarbela Dam, Pakistan (Yang and Simoes, 2003) 251

5.1.4 Reservoir Sedimentation Model RESSASS: Tarbela Dam (TAMS, 1998) 265

5.1.5 River model Mike 11: Lake Roxburgh, New Zealand (Mackay et at, 2000) 269

5.2 Modélisation numérique de la sédimentation et de la purge d'une retenue avec un modèle bidimensionnel 272

5.2.1 Présentation 272

5.2.2 Données 276

5.2.3 Présentation théorique 280

5.2.4 Génération de réseau 280

5.2.5 Hydrodynamique 282

5.2.6 Modèle de transport de sédiments cohésifs 282

5.2.7 Calage de la sédimentation sur la période 1973-76 286

5.2.8 Purge en 1991 288

5.2.9 Purge avec des orifices de vidange de fond 292

5.2.10 Conclusions 292

5.3 Modélisation mathématique tridimensionnelle (transport turbulent de sédiments) 294

5.3.1 Équations du modèle 3D 294

5.3.2 Modèle tridimensionnel (étude de cas): projet de retenue des Trois Gorges, Chine (Dou et al., 2004) 298

5.4 Modèles de courants de densité 306

5.4.1 Introduction 306

5.4.2 Étude de cas 1: canal de laboratoire et données de terrain, Canada 310

5.4.3 Étude de cas 2: Retenue de Luzzone, Suiss 320

5.4.4 Conclusion 324

6 Conclusions Et Recommendations 326

5.2 Computational modelling of reservoir sedimentation and flushing with a two-dimensional model 273

5.2.1 Background 273

5.2.2 Data 277

5.2.3 Theoretical Background 281

5.2.4 Grid Generation 281

5.2.5 Hydrodynamics 283

5.2.6 Cohesive sediment transport model 283

5.2.7 Calibration of sedimentation during 1973-76 287

5.2.8 Flushing during 1991 289

5.2.9 Flushing with Low Level Outlets 293

5.2.10 Conclusions 293

5.3 Three-dimensional Mathematical Modelling (turbulent sediment transport) 295

5.3.1 3d Model Equations 295

5.3.2 Three-dimensional Model (case study): Three Gorges Reservoir Project. China (Dou et al., 2004) 299

5.4 Models of density currents 307

5.4.1 Introduction 307

5.4.2 Case study 1: Laboratory flume and field data, Canada 311

5.4.3 Case study 2: Luzzone Reservoir, Switzerland 321

5.4.4 Conclusion 325

6 Conclusions and Recommendations 327

7 References 328