A modeling approach for alpine rivers impacted by hydropeaking including the second law inequality

Abstract

An outcome of daily electrical energy consumption is that storage hydropower releases must match the changes in daily demand. These local, high intensity fluctuations are commonly called hydropeaking. Due to their large departure from natural flow rates, the river ecosystems downstream of hydro operations are forced to react. This causes a large shift in the dissipative regime of the river, affecting the entire food web from Sparganium emersum to Salmo trutta. Although the cause of hydropeaking in alpine rivers is obvious, assessing its ecological effects is not an easy task. The study of hydropeaking impacts on river ecology demands a great deal of new theoretical and phenomenological investigation. Complicating such studies is the fact that river ecosystems themselves are not stable systems but are evolving over time, even under steady flow conditions. Although ecological models of aquatic ecosystems have been present for several decades, it is currently not possible to model a fish’s response to the short-term fluctuations in the flow field caused by hydropeaking with the same degree of accuracy which has been achieved under steady flow conditions.

The use of numerical models to assess the impacts of hydropeaking on aquatic ecosystems is still in its infancy. The challenge of this dissertation is to construct a theoretical framework that can be used to study abiotic-biotic interactions under highly unsteady conditions. The model is constructed through the lens of thermodynamics, by looking at system interactions in terms of the contributions of the relative equilibrium states: mechanical, chemical, and thermal.

The objectives of this dissertation are:

1. Incorporate thermodynamic principles into an aquatic habitat model which can be effectively applied for highly unsteady flow regimes.

2. Evaluate the model in terms of performance, ease of application and theory.

This work proposes a new kind of fish habitat model using thermodynamic concepts for use in European alpine rivers affected by hydropeaking. Ecosystem states may be found which allow for optimal systems in which animate components such as fish are able to participate. Furthermore, we show that a ‘first law’ approach which invokes only the conservation of energy is not sufficient to understand the energetics of the alpine river ecosystem. It is necessary to view the ecosystem in terms of its free energy and its entropy as well. This ‘second law’ methodology provides powerful insight and results in a more objective modeling approach to assess hydropeaking impacts on fish considering real-world conditions.

Die Wasserabgabe von Speicherwasserkraftwerken zur Stromerzeugung muss an den Stromverbrauch angepasst werden, der im Laufe eines Tages starken Schwankungen ausgesetzt ist. Der daraus folgende Betrieb mit stark schwankender Wasserabgabe wird als Schwallbetrieb (Schwall-Sunk-Betrieb) bezeichnet. Wegen der hohen Unterschiede des Abflusses im Schwallbetrieb im Vergleich mit natürlichen Abflussmengen und Abflussschwankungen müssen sich unterstromige Ökosysteme an die neuen Bedingungen anpassen. Die gesamten Auswirkungen des Schwallbetriebs von Speicherwasserkraftwerken auf unterstrom liegende Ökosysteme zu quantifizieren ist jedoch keine einfache Aufgabe. Zur Beurteilung der gewässerökologischen Auswirkungen müssen eine Vielzahl von theoretischen und phänomenologischen Untersuchungen durchgeführt werden. Erschwert werden diese Untersuchungen durch die Fließgewässerökosysteme selbst, da diese keine stabilen Systeme darstellen, sondern sich fortgehend verändern, sogar unter stationären Strömungsbedingungen.

Die Benutzung Modelle zur Quantifizierung der Auswirkungen des Schwallbetriebs auf aquatische Ökosysteme befindet sich noch ganz am Anfang ihrer Entwicklung. Dabei ist die Herausforderung dieser Arbeit die Erstellung eines theoretischen Rahmens zur Untersuchung von abiotisch-biotischen Wechselwirkungen unter stark instationären Strömungsverhältnissen. Das vorgestellte Modell wird basierend auf thermodynamischen Gesetzen entwickelt. Dazu bildet die Energieerhaltung die Grundlage, insbesondere die Wechselwirkungen zwischen mechanischer, chemischer und thermischer Energie.

Die Ziele dieser Dissertation sind:

1. Die Einbindung thermodynamischer Grundsätze/Gesetze in ein aquatisches Habitatmodell, welches auch bei stark instationären Strömungsverhältnissen effektiv eingesetzt werden kann.

2. Die Bewertung des Modells bezüglich theoretischer Grundlagen, Anwendbarkeit, und Leistung.

In der vorliegenden Arbeit wird basierend auf thermodynamischen Grundsätzen ein neuartiges Fischhabitatmodell entwickelt. Dieses wird bei der Untersuchung alpiner Fließgewässer in Europa eingesetzt, die vom Schwallbetrieb betroffen sind. Des Weiteren wird gezeigt, dass ein erster Ansatz der nur auf die Energieerhaltung aufbaut, nicht ausreicht,um die Bioenergetik von Ökosystemen alpiner Fließgewässer ausreichend zu beschreiben. Daher ist es notwendig, in einem darauf aufbauenden Ansatz das Ökosystem zusätzlich bezüglich Entropie und Freier Enthalpie zu betrachten. Dieser zweite Ansatz (nach dem zweiten Hauptsatz) ermöglicht eine neue Darstellung von aquatischen Ökosystemen und stellt einen allgemein gültigeren Modellansatz dar, um die Auswirkungen auf Fische durch Schwall-Sunk-Betrieb unter realen Bedingungen abzuschätzen.