RESEMO – Stauraumverlandung, –management und –betrieb im Fallbeispiel Stausee Solis

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501785
• Projekttitel Englisch: RESEMO – Reservoir sedimentation, management and operation at the case study reservoir Solis

Schlüsselwörter (Englisch)

Reservoir sedimentation and management, bedload transport, suspended sediment transport, hydraulics, hydropower

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Stauseen ermöglichen, das Wasserkraftpotential besser zu nutzen, sind aber mittel- und langfristig von Verlandung betroffen. Eine wirksame Massnahme gegen Verlandung sind Sedimentumleitstollen. Deren Wirksamkeit hängt aber vom Anlagenbetrieb ab. Im vorliegenden Projekt werden Strömungsverhältnisse sowie Sedimenttransport- und -ablagerungsprozesse untersucht. Die Resultate tragen dazu bei, Sedimentumleitstollen effektiver zu betreiben und so die Nutzungsdauer von Stauseen zu verlängern.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Reservoirs allow to make better use of the hydropower potential, but are subject to sedimentation on the medium and long term. Sediment Bypass Tunnels (SBTs) are effective measures against reservoir sediment. However, their efficiencies depend on reservoir operations. Therefore, this project aims at investigating hydraulics, sediment transport and deposition processes in the Solis reservoir. The findings will contribute to improved SBT operation regimes with regard to the reservoir life time.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Steter Tropfen höhlt den Stein – das gilt auch für die Alpen: Durch witterungsbedingte Erosion gelangen Steine, Kies, Sand und Schluff in die Stauseen und schmälern das Speichervolumen. Ein Forscherteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich hat nun nachgewiesen, dass Geschiebe-Umleitstollen das Problem deutlich entschärfen können.

Zugehörige Dokumente

• Fachartikel_B. Vogel [PDF] 5'207 kB

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Little strokes fell big oaks – and this also applies to the Alps: Due to weather-related erosion, stones, gravel, sand, and silt enter the reservoirs and reduce the storage volume. A research team from the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich has now proven that sediment bypass tunnels can significantly mitigate the sedimentation problem.

Zugehörige Dokumente

• Specialised article_B. Vogel [PDF] 5'181 kB

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

La goutte d’eau qui fait déborder le vase - cela vaut aussi pour les Alpes: l’érosion due aux conditions météorologiques entraîne l’arrivée de pierres, de gravier, de sable et de limon dans les réservoirs, réduisant ainsi le volume de stockage. Une équipe de chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich a désormais démontré que des galeries de dérivation des sédiments (SBT) peuvent considérablement atténuer le problème.

Zugehörige Dokumente

• Article spécialisé_B. Vogel [PDF] 5'185 kB

Schlussbericht (Deutsch)

Speicher und Reservoire leisten einen wichtigen Beitrag zur Wasserbewirtschaftung, z.B. zur Stromerzeugung mittels Wasserkraftnutzung, werden aber durch Speicherverlandung mittel- bis langfristig beeinträchtigt. Sedimentumleitstollen (SBT) stellen eine wirkungsvolle Massnahme gegen die Speicherverlandung dar. Ihre Effizienz hängt jedoch weitgehend vom Speicherbetrieb ab. Am Solis-Stausee im Kanton Graubünden wurde 2012 ein SBT in Betrieb genommen, um das kontinuierliche Fortschreiten des Verlandungskörpers in Richtung Sperre zu stoppen. Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Hydraulik, Sedimenttransport-, Erosions- und Ablagerungsprozesse im Solis-Reservoir zu untersuchen, um die Wechselbeziehung zwischen diesen Parametern zu analysieren und möglicherweise Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich der Wirksamkeit des SBT bei der Sedimentdurchleitung abzuleiten.

Im Oktober 2018, August 2019, September 2020, bzw. November 2021 wurde je eine Feldmesskampagne im Speicher Solis durchgeführt. 3D-Strömungsgeschwindigkeiten und die Bathymetrie wurden mit einem Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) in eng beieinander liegenden Querprofilen entlang des Stausees vermessen. An verschiedenen Stellen im Stausee wurden Schwebstoffe und Sedimentablagerungen entnommen. Bathymetrische Daten aus den Messkampagnen sowie Betriebsdaten inkl. Bathymetriemessungen des Betreibers von 2018 bis 2021 wurden analysiert und verglichen.

Die Auswirkungen von zwei ein- bzw. fünfjährlichen Hochwassern im Jahr 2019 und eines weiteren einjährlichen Hochwassers im Jahr 2020 auf die Sedimentation des Reservoirs wurden messtechnisch erfasst und die Auswirkungen verschiedener SBT- und Stauraumbetriebsarten (in Bezug auf den Reservoirwasserspiegel) auf den SBT-Bypass-Wirkungsgrad bewertet. Zu diesem Zweck wurden die Sedimentbilanzen und der jährliche Bypass-Wirkungsgrad für die drei Zeiträume zwischen den Messkampagnen berechnet. Zur Berechnung der Sedimentbilanz wurden die zu- und abfließenden Sedimentmengen mit installierten Trübungsmessgeräten und Geophonen gemessen und unter Verwendung bekannter Sedimenttransportformeln sowie unter Anwendung von Annahmen zur Abdeckung eines Bereichs von Partikelgrößen geschätzt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die für die Berechnung der Sedimentbilanz getroffenen Annahmen gut mit den gemessenen Veränderungen der Bathymetrie übereinstimmen, mit Abweichungen von weniger als 15% für die Zeiträume von 2018 bis 2019 und 2020 bis 2021. Für die relativ trockene Periode von 2019 bis 2020 betrug die Differenz 28 %, was für Studien zur Sedimentforschung immer noch akzeptabel ist. Von Oktober 2018 bis November 2021 wurden netto knapp 50'000 m³ Sedimente im Stausee abgelagert, während durch den Betrieb des SBT bei niedrigem Reservoirwasserspiegel ein Gesamtvolumen von gut 200'000 m³ umgeleitet wurde. Diese ausgetragenen Sedimentmengen hätten den Stauseegrund um rund 1 m angehoben. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wirkungsgrad des Sedimentumleitstollens von 17% ohne SBT auf 88% mit dem SBT im Betrieb angestiegen ist. Es wurde festgestellt, dass der Wirkungsgrad des SBT-Bypasses in hohem Maße von der Höhe des Wasserspiegels des Stausees abhängt. Für hohe Wirkungsgrade zwischen 70 % und 250 % sollte der Mindest-Wasserspiegel um 813 müM liegen. Der Betrieb des SBT mit einem Mindest-Wasserspiegel von mehr als 814 müM wird nicht empfohlen, da der Wirkungsgrad unter 20 % abfällt. Ein Stauspiegel von 816 müM entspricht dem Absenkziel des Reservoirs, bei dem der Betrieb der an den Speicher Solis angeschlossenen Wasserkraftwerke noch möglich ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass der SBT vom Typ B mit einem Einlaufbauwerk im Speicher unter Druckabfluss einerseits die Sedimentation stoppen kann, andererseits aber sogar zu einer Erhöhung des aktiven Speichervolumen führen kann, sofern er unter optimalen Bedingungen betrieben wird.

Der Betreiber hat die Geschiebeleitwand am Einlaufbauwerk des SBT Anfang 2021 entfernt. Die Entfernung der Leitwand könnte die Sedimentation in Zone 3 zwischen dem SBT-Einlass und der Talsperre erhöhen und den Wirkungsgrad des SBT verringern. Daher werden weitere Studien empfohlen, um die Auswirkungen der Entfernung der Leitwand auf die Verlandung des Solis-Stausees zu bewerten.

Die Ergebnisse dieses Projekts dienen dem verbesserten Betrieb des SBT und Reservoirs im Hinblick auf die Abnahme der Verlandungsraten und einer längeren Nutzungsdauer des Speichers Solis. Darüber hinaus sollen sie einen Beitrag zur nachhaltigen Nutzung der Wasserkraft, zur Verbesserung des Sedimentmanagements an Stauseen und zur Umsetzung der Schweizer Energiestrategie 2050 leisten.

Schlussbericht (Englisch)

Reservoirs allow to make better use of water resources, e.g. to produce electricity from hydropower, but are subject to sedimentation. Sediment Bypass Tunnels (SBTs) are effective measures against reservoir sedimentation for certain types of reservoirs. However, their efficiency largely depends on reservoir operation. A SBT at the Solis reservoir in the canton of Grisons was commissioned in 2012 to stop the continuous progression of the sediment aggradation body towards the dam. This research project aims at investigating the hydraulics, sediment transport, erosion and deposition processes in the Solis reservoir to analyze the interrelation between these parameters and potentially deduce optimization measures in terms of sediment bypassing efficiency through the SBT.

Four field measurement campaigns were conducted in the Solis reservoir in October 2018, August 2019, September 2020 and Novermber 2021, respectively. 3D flow velocities were measured and bathymetry was mapped using an Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) at densely spaced cross-sections along the reservoir. Suspended sediments and sediment deposits were sampled at different locations in the reservoir. Bathymetric data from the campaigns as well as the operator’s data from 2018 to 2021 were analyzed and compared. The effects of two floods with one-year and five-year return periods in 2019 and a one-year return period flood in 2020 on the reservoir sedimentation were captured and the effects of different SBT and reservoir operation modes (in terms of reservoir water level during SBT operation) on the SBT bypass efficiencies were evalauted. To do so, sediment balances and annual reservoir bypass efficiency were calculated for the three periods between the field campaigns. To calculate sediment balances, in- and outflow sediment volumes were measured with installed turbidimeters and geophones and estimated by using well-known sediment transport equations and applying assumptions to cover a range of particle sizes.

The results show that the assumptions made for sediment balance calcualtions are in a good aggreement with the bathymetry changes, with differences of less than 15% for periods from 2018 to 2019 and 2020 to 2021. For the relatively dry period from 2019 to 2020, the difference was 28%, which is still acceptable for sediment research studies. From October 2018 to November 2021, a net volume of almost 50’000 m³ of sediments was deposited in the reservoir, while running the SBT at low reservoir water level allowed to bypass a total volume of some 200’000 m³. These bypassed volumes of sediments could have led to an increase of the reservoir bed level by 1 m. The results reveal that the reservoir bypass efficiency has increased from 17% without a SBT to 88% with the SBT in operation. It was found that the SBT bypass efficiency is highly dependent on the reservoir water level during SBT operation. For high bypassing efficiencies between 70% and 250%, the minimum water level WL should be around 813 m asl. Operation of the SBT with a minimum WL above 814 m asl is not recommended, because the bypassing efficiency drops to less than 20%. A WL of 816 m asl corresponds to the reservoir drawdown level at which the hydropower plants fed from the Solis reservoirs can still be operated. These results indicate that a type B SBT with intake in the reservoir under submerged flow such as in Solis enables to stop sedimentation on the one hand, but can even increase the active reservoir storage on the other hand, if it is operated under optimal conditions with sufficiently low reservoir WL.

The operator removed the guiding wall at the SBT intake at the beginning of 2021. The removal of the guiding wall may increase sedimentation in zone 3 between the SBT inlet and the dam and decrease the SBT efficiency. Therefore, more studies are required to evaluate the effects of the bedload guiding wall on sedimentation of the Solis reservoir.

The findings of this project contribute to improved SBT and reservoir operation regimes with regard to decreasing the sedimentation rates and extending the reservoir lifetime. Furthermore, they are expected to contribute to sustainable use of hydropower, to provide a basis for improving sediment management at reservoirs, and to the realization of the Swiss Energy Strategy 2050.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 17'812 kB

Schlussbericht (Französisch)

Les réservoirs permettent l’exploitation des ressources d’eau, par exemple du potentiel hydroélectrique, mais ils sont exposés à la sédimentation à moyen et à long terme. Les galeries de dérivation des sédiments (SBT) sont une mesure efficace contre la sédimentation des réservoirs. Cependant, leur efficacité dépend en grande partie de l'exploitation des réservoirs. Une SBT a été mise en service en 2012 au réservoir de Solis dans le canton des Grisons pour arrêter la progression continue du corps d'aggradation des sédiments vers le barrage. Ce projet de recherche vise à étudier l'hydraulique, le transport des sédiments, ainsi que les processus d'érosion et d’alluvionnement dans le réservoir de Solis pour analyser l'interrelation entre ces paramètres et potentiellement en déduire des mesures d'optimisation en termes d'efficacité de contournement des sédiments par la SBT.

Quatre campagnes de mesures sur le terrain ont été menées en octobre 2018, août 2019, septembre 2020 et novembre 2021. Les vitesses d'écoulement en 3D et la bathymétrie ont été mesurées avec un profileur de courant Doppler acoustique (ADCP) sur des sections transversales étroitement espacées le long du réservoir de Solis. Les sédiments en suspension et les dépôts de sédiments ont été échantillonnés à différents endroits du réservoir. Les données bathymétriques des campagnes ainsi que les données de l’exploitation de 2018 à 2021 y inclus des données bathymétriques de l’exploitant ont été analysées et comparées.

Les effets de deux crues avec des périodes de retour d'un an et de cinq ans en 2019 et d'une autre crue avec une période de retour d'un an en 2020 sur la sédimentation du réservoir ont été capturé et les effets des différents modes de fonctionnement du SBT et du réservoir (en termes de niveau d'eau du réservoir) sur l’efficacité de dérivation de la SBT ont été évalués. Pour ce faire, les bilans sédimentaires et l'efficacité annuelle de la dérivation du réservoir ont été calculés pour les trois périodes entre les campagnes de mesures sur le terrain. Pour calculer le bilan sédimentaire, les volumes de sédiments entrants et sortants ont été mesurés à l'aide de turbidimètres et de géophones installés et estimés en utilisant des équations de transport de sédiments bien connues et en appliquant des hypothèses pour couvrir une gamme de tailles de particules.

Les résultats montrent que les hypothèses faites pour les calculs du bilan sédimentaire sont en bon accord avec les changements de bathymétrie, avec des différences inférieures à 15% pour les périodes de 2018 à 2019 et 2020 à 2021. Pour la période relativement sèche de 2019 à 2020, la différence était de 28%, ce qui est encore acceptable pour les études de recherche sur les sédiments. D'octobre 2018 à novembre 2021, un volume net d'environ 50’000 m³ de sédiments s'est déposé dans le réservoir, tandis que le fonctionnement du SBT à faible niveau d'eau a permis de contourner un volume total d’environ 200’000 m³. Ces volumes de sédiments contournés auraient pu augmenter le niveau du lit du réservoir de 1 m. Les résultats montrent que l'efficacité de la dérivation du réservoir est passée de 17% sans SBT à 88% avec la SBT en fonctionnement. Les résultats soulignent que l'efficacité de la dérivation par la SBT dépend fortement du niveau d'eau du réservoir pendant l’exploitation de la SBT. Pour des valeurs d’efficacité élevées entre 70% et 250%, le niveau d’eau minimum du réservoir devrait être autour de 813 m d’altitude. Le fonctionnement de la SBT avec un niveau d’eau minimum de plus de 814 m d’altitude n'est pas recommandé, car l'efficacité tombe à moins de 20%. Le niveau d’eau de 816 m d’altitude correspond au niveau de rabattement du réservoir auquel les centrales hydroélectriques alimentées par le réservoir de Solis peuvent encore être exploitées. Ces résultats indiquent qu’une SBT de type B avec prise d’eau dans le réservoir ne se contente pas seulement d'arrêter la sédimentation, mais peut même aider à regagner le volume actif du réservoir, s'il fonctionne dans des conditions optimales d'exploitation du réservoir.

L'exploitant a démonté le mur de guidage du charriage au début de 2021. Le retrait du mur de guidage peut augmenter la sédimentation dans la zone 3 entre l'entrée de la SBT et le barrage et diminuer l'efficacité de la SBT. Par conséquent, d'autres études sont nécessaires pour évaluer les effets de la suppression du mur de guidage sur la sédimentation du réservoir Solis.

Les résultats de ce projet contribuent à l'amélioration des régimes d'exploitation d’une SBT et du réservoir en ce qui concerne la réduction des taux de l’ensablement et la prolongation de la durée de vie du réservoir. En outre, ils devraient contribuer à une utilisation durable de l'énergie hydraulique, fournir une base pour améliorer la gestion des sédiments dans les réservoirs et à la réalisation de la Stratégie Energétique Suisse 2050.