field observations and modeling of mountain stream response to control dams in venezuela
DESCRIPTION
FIELD OBSERVATIONS AND MODELING OF MOUNTAIN STREAM RESPONSE TO CONTROL DAMS IN VENEZUELA. J. L. López, Z. Muñoz, & M. Falcón Institute of Fluid Mechanics, Faculty of Engineering, Universidad Central de Venezuela. RCEM2005, Urbana-Champaign Illinois October 4-7, 2005. Outline. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
FIELD OBSERVATIONS AND MODELING OF MOUNTAIN STREAM RESPONSE TO
CONTROL DAMS IN VENEZUELA
RCEM2005, Urbana-Champaign Illinois
October 4-7, 2005
J. L. López, Z. Muñoz, & M. FalcónJ. L. López, Z. Muñoz, & M. Falcón
Institute of Fluid Mechanics, Faculty of Engineering, Universidad Central Institute of Fluid Mechanics, Faculty of Engineering, Universidad Central de Venezuelade Venezuela
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
• Field observations at Galipan Experimental Basin• A mathematical model to predict bed elevation
response to control dams• Some testing cases
Case 1. Degradation downstream from a damCase 2. Aggradation upstream from a dam
• Preliminary Application to Macuto Dam
Outline
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
FIELD OBSERVATIONS AT
GALIPAN EXPERIMENTAL BASIN
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
LocationLocation
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
CARACASCARACASCERRO EL AVILA
MODIF IED FROM I KONO S
The Avila Mountain
CARACASCARACASCERRO EL AVILA
MODIF IED FROM I KONO S
The Avila Mountain
20 km
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
The town of Macuto (The San Jose de Galipan Basin)
December 19991998 1999
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Area: 14 km2Highest elevation 2,300 m Alluvial fan slope: 6 %Main stream length:8.7 kmMain stream slope: 52%
San Jose de Galipan Experimental San Jose de Galipan Experimental BasinBasin
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Macuto Dam (Galipan river)Macuto Dam (Galipan river)
January, 2004
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
January 2005 February 2005
Macuto Dam (Galipan river)Macuto Dam (Galipan river)
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Bed profiles evolution with time at Macuto DamBed profiles evolution with time at Macuto Dam
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
050100150200250300350
Distance (m)
Elev
atio
n (m
)
Mar-03feb-05jan 05may-04oct-03
weir crest
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0
2
4
6
8
10
12
00 - 00:00 00 - 04:48 00 - 09:36 00 - 14:24 00 - 19:12 01 - 00:00 01 - 04:48
Time (date-hour-min)
Flow Discharge (m3/s)
Flood hydrograph for the significant storms in the San Jose de Galipan basin between March 2003 and January 2005.
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Rainfall measurements in Feb. 2005 (stations in the Rainfall measurements in Feb. 2005 (stations in the Galipan Experimental Basin)Galipan Experimental Basin)
Station Daily Precipitation in mm Feb.7 Feb. 8 Feb. 9 Feb.10 Cumulative
Humboldt 39.2 51.4 26.1 42.6 159.4 Picacho 60.0 38.3 15.7 37.0 152.8 Los Venados
37.6 45.0 6.9 29.0 118.5
San Francisco
56.0 51.5 52.2 60.9 220.7
San Isidro 48.3 44.3 23.8 54.0 171.3 San Jose 80.3 88.6 149.9 106.2 425.0 Macuto 44.0 102.0 175.0 110.0 432.0 Caraballeda 38.0 75.0 159.0 110.0 382,0
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Water levels and cumulative rainfall at Macuto and San Jose stations, 7 to 10/02/05
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
00:0
4
04:0
9
08:1
412
:19
16:2
4
20:2
900
:34
04:3
9
08:4
412
:49
16:5
4
20:5
901
:04
05:0
9
09:1
4
13:1
917
:24
21:2
9
01:3
405
:39
09:4
4
13:4
917
:54
21:5
9
Horas
Cum
ulat
ive
Prec
ipita
tion
(mm
)
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
Wat
er le
vel (
m)
Rainfall Macuto Rainfall San Jose Water level Macuto Water level San Jose
7/2 8/2 9/2 10/2 11/2
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Landslides and rock fall along the coastal road in Vargas, Feb. 2005Landslides and rock fall along the coastal road in Vargas, Feb. 2005
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Collapse of roads and bridgesCollapse of roads and bridges
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Sedimentation of bridges and chanels
San Julián River bridge
San Julián River channel
Camuri River Guanape River bridge
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Quebrada Curucuti
Quebrada El Cojo
Sedimentation of dams
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
A MATHEMATICAL MODEL TO
PREDICT EROSION AND SEDIMENT DEPOSITION IN
MOUNTAIN RIVERS
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
THE MATHEMATICAL MODEL
Steady state flow equation for a constant discharge:
Friction factor:Aguirre-Pe et al (1992) for d/D less than 10:
Sediment Discharge:Schoklitsch-type equation (1987)
dDDdfb 5050 75.109.3ln5.28
3
1621
23
21.0
5.2
gDSq
qqSq
fc
cfssb
0
xf SSxy
xu
gu
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Incipient Motion Condition:Aguirre-Pe and Fuentes R. (1993)
dDDdDgVF crcrcrc 3.1ln5.09.0*
Sediment Continuity Equation:
01
tZT
xQS
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Calculation of grain size distribution changes
The sediment model considers two layers in the bed.
4. LOWER MIXING LAYER3. UPPER MIXING LAYER
1. ACTIVE LAYER OR MIXING LAYER2. SUBSURFACE LAYER
Fig. 1. Definition diagram for bed layers
RIVER BED
2Dm
Z ZINF ZS
2Dmax1
2
4
3
BED ROCK CONTROL
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
icrD
D ii dDDfP ,
minmax,
i
iie P
DfDfmax,
,
DminD1
Dj Dcr,i Dmax,i DmaxDn+1
fi(Dj)
i
iir P
DfDfmax,
, 1
Dmin ≤ D ≤ Dcr,i
for Dcr,i ≤ D ≤ Dmax,i
Density function of eroded material:
Density function of non-eroded material:
Probability density function
for
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
The cumulative grain size distribution function are, respectively:
The total volume of sediment contained in the mixing layer of thickness Em is:
i
iie p
DFDFmax,
,)()( icrDDD ,min
max
, max,, 1
)(D
Di
iir
icr
dDpfDF
i
ii
i
icriiir p
pDFpDFDF
DFmax,
max,
max,
,, 1
)(1
)()()(
1,11,, imiiimiitimi DApDApEA
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Similarly, the volume for any sediment fraction Dj in the mixing layer is:
The new sediment fraction in weight of the bed material contained in the mixing layer at time t+Δt is then obtained by dividing the last two expressions:
DDfDApDDfDApEDADf jtieimiij
tieimii
timij
ti )()()( 1,1,11,,,
tim
im
i
iit
im
imi
tim
im
i
iij
tiet
im
imij
tiej
ti
jtt
i
ED
AAp
ED
p
ED
AApDf
ED
pDfDfDf
,
1,11
,
,
,
1,111,
,
,,
1
)()()()(
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
By definition, the accumulative grain size distribution is given by:
Then, integrating the above expression:
If the mixing layer becomes very small, what is left of it is mixed with the sub layer material and the temporal process continues.
ti
iM
i
iit
i
iMi
ti
iM
i
iij
tiat
i
iMij
tiaj
ti
jtt
i
EMD
AAp
EMD
p
EMD
AApDF
EMD
pDFDFDF
1,11
,
,
1,111,
,,
1
)()()()(
jD
D
ttiLj
ttiLr dDDfDF
min,, )(
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Computational Procedure
• Input the flow discharge and boundary conditions. • Calculate the water profile using friction factors for mountain
streams • Calculate the initial grain size distribution of bed material. • Calculate the sediment transport by Schoklitsch equation• Determine the critical diameter• Calculate the sediment fractions to be eroded from the bed• Determine the changes in bed elevations• Calculate the grain size distribution changes
At each time step:
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
STUDY CASEDegradation downstream from a dam (clear water release).
• So = 4 %• River reach L = 2000 m• Rectangular sections B = 25 m• 41 cross sections (space interval=50 m)• Constant flow discharge Q = 200 m3/s • Boulders up to 0.85 m (Dmax = 0,85 m)• Initial circular grain size distribution• Dm = 0.18 m
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Degradation downstream from a dam (clear water release).
Changes in bed profiles with time
1282.5
1284.5
1286.5
1288.5
1290.5
1292.5
1294.5
1296.5
1298.5
1300.5
160016501700175018001850190019502000
Progresiva (m)
Ele
vaci
ón (m
)
T=0.00 Hr
T=0.11 Hr
T=0.29 Hr
T=0.52 Hr
T=1.06 Hr
T=1.57 Hr
T=2.09 Hr
T=3.66 Hr
T=5.21 Hr
Fig. 2.- Evolución temporal del fondo.
So = 4%
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 Hr
Computed time variation in grain size distribution at x = 1800 m (200 m downstream of the dam).
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 Hr
T=0.11 Hr
Computed time variation in grain size distribution at x = 1800 m ( 200 m downstream of the dam).
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 Hr
T=0.11 Hr
T=0.20 Hr
Computed time variation in grain size distribution at x = 1800 m (200 m downstream of the dam).
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 Hr
T=0.11 Hr
T=0.20 Hr
T=0.39 Hr
Computed time variation in grain size distribution at x = 1800 m (200 m downstream of the dam).
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 Hr
T=0.11 Hr
T=0.20 Hr
T=0.39 Hr
T=0.48 Hr
Computed time variation in grain size distribution at x = 1800 m (200 m downstream of the dam).
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 HrT=0.11 HrT=0.20 HrT=0.39 HrT=0.48 HrT=0.57 Hr
Computed time variation in grain size distribution at x = 1800 m (200 m downstream of the dam).
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 HrT=0.11 HrT=0.20 HrT=0.39 HrT=0.48 HrT=0.57 HrT=1.11 Hr
Computed time variation in grain size distribution at x = 1800 m (200 m downstream of the dam).
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 HrT=0.11 HrT=0.20 HrT=0.39 HrT=0.48 HrT=0.57 HrT=1.11 HrT=2.26 Hr
Computed time variation in grain size distribution at x = 1800 m (200 m downstream of the dam).
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Changes in bed profiles with time
1218
1223
1228
1233
1238
1243
1248
1253
1258
1263
1268
1273
020040060080010001200
Progresiva (m)
Ele
vaci
ón (m
)
T=0.00 Hr T=1.02 HrT=3.07 Hr T=10.20 HrT=20.47 Hr T=35.29 HrT=43.50 Hr T=47.58 HrT=51.16 Hr T=60.36 HrT=100.85 Hr
Fig. 7.- Evolución temporal del fondo.
Aggradation upstream from a dam
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 Hr
Computed time variation in grain size distribution at a section just upstream of the dam.
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 HrT=35.29 Hr
Computed time variation in grain size distribution at a section just upstream of the dam.
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 HrT=35.29 HrT=43.50 Hr
Computed time variation in grain size distribution at a section just upstream of the dam.
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 HrT=35.29 HrT=43.50 HrT=51.16 Hr
Computed time variation in grain size distribution at a section just upstream of the dam.
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 HrT=35.29 HrT=43.50 HrT=51.16 HrT=60.36 Hr
Computed time variation in grain size distribution at a section just upstream of the dam.
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Diámetro (m)
Frac
ción
mas
fina
(%)
T=0.00 HrT=35.29 HrT=43.50 HrT=51.16 HrT=60.36 HrT=100.85 Hr
Computed time variation in grain size distribution at a section just upstream of the dam.
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
Preliminary Application to Macuto DamPreliminary Application to Macuto Dam
36
40
44
48
52
050100150200250300350
Distance (m)
Elev
atio
n (m
)
March-03
Jan.-05
computed
weir crest
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presas
CONCLUSIONS
• The sediment control dams in the State of Vargas are being subjected to a very rapid process of sedimentation, due to the large sediment yield capacity of the basins.
• The numerical model is able to reproduce alternate processes of coarsening and refining of bed material and simulates the general tendency of the armoring process.
• Preliminary application of the model to Macuto Dam show that the Shoklitsch equation underestimate the sediment transport capacity of the stream. Further work is needed to investigate the effect of the mixing layer thickness in the evolution of the river bed.
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presasXXII Latin American Congress on HydraulicsXXII Latin American Congress on Hydraulics
International Symposium on Hydraulic Structures (IAHR Hydraulic Structures Section)International Symposium on Hydraulic Structures (IAHR Hydraulic Structures Section)October 9-14, 2006 in Ciudad Guayana, VenezuelaOctober 9-14, 2006 in Ciudad Guayana, Venezuela
Ciudad Guayana
Respuesta del lecho de ríos de montaña a la construcción de presasTHANKS FOR YOUR ATTENTIONTHANKS FOR YOUR ATTENTION
Ciudad Guayana