Classification of natural flow regimes in the Ebro basin (Spain) by using a wide range of hydrologic parameters

Clasificación de tipos de régimenes naturales de caudales a partir de parámetros de tres componentes del régimen fluvial: magnitud, frecuencia y duración.

A Landscape-based Regionalization of Natural Flow Regimes in the Ebro River Basin and its Biological Validation. River Research and Applications

Regionalización de tipos de régimen natural de caudales en la cuenca del Ebro y validación biológica de los tipos de regímen natural.

Guidelines for the design of an environmental flow regime program at the regional scale: Application of the ELOHA framework in the Ebro River basin

La gestión de los recursos hídricos se convierte en un reto del presente y del futuro frente a un panorama de continuo incremento de la demanda de agua debido al crecimiento de la población, el crecimiento del desarrollo económico y los posibles efectos del calentamiento global. La política hidráulica desde los años 60 en España se ha centrado en la construcción de infraestructuras que han producido graves alteraciones en el régimen natural de los ríos. Estas alteraciones han provocado y acrecentado los impactos sobre los ecosistemas fluviales y ribereños. Desde los años 90, sin embargo, ha aumentado el interés de la sociedad para conservar estos ecosistemas. El concepto de caudales ambientales consiste en un régimen de caudales que simula las características principales del régimen natural. Los caudales ambientales están diseñados para conservar la estructura y funcionalidad de los ecosistemas asociados al régimen fluvial, bajo la hipótesis de que los elementos que conforman estos ecosistemas están profundamente adaptados al régimen natural de caudales, y que cualquier alteración del régimen natural puede provocar graves daños a todo el sistema. El método ELOHA (Ecological Limits of Hydrological Alteration) tiene como finalidad identificar las componentes del régimen natural de caudales que son clave para mantener el equilibrio de los ecosistemas asociados, y estimar los límites máximos de alteración de estas componentes para garantizar su buen estado. Esta tesis presenta la aplicación del método ELOHA en la cuenca del Ebro. La cuenca del Ebro está profundamente regulada e intervenida por el hombre, y sólo las cabeceras de los principales afluentes del Ebro gozan todavía de un régimen total o cuasi natural. La tesis se estructura en seis capítulos que desarrollan las diferentes partes del método. El primer capítulo explica cómo se originó el concepto “caudales ambientales” y en qué consiste el método ELOHA. El segundo capítulo describe el área de estudio. El tercer capítulo realiza una clasificación de los regímenes naturales de la cuenca (RNC) del Ebro, basada en series de datos de caudal mínimamente alterado y usando exclusivamente parámetros hidrológicos. Se identificaron seis tipos diferentes de régimen natural: pluvial mediterráneo, nivo-pluvial, pluvial mediterréaneo con una fuerte componente del caudal base, pluvial oceánico, pluvio-nival oceánico y Mediterráneo. En el cuarto capítulo se realiza una regionalización a toda la cuenca del Ebro de los seis RNC encontrados en la cueca. Mediante parámetros climáticos y fisiográficos se extrapola la información del tipo de RNC a puntos donde no existen datos de caudal inalterado. El patrón geográfico de los tipos de régimen fluvial obtenido con la regionalización resultó ser coincidente con el patrón obtenido a través de la clasificación hidrológica. El quinto capítulo presenta la validación biológica de los procesos de clasificación anteriores: clasificación hidrológica y regionalización. La validación biológica de los tipos de regímenes fluviales es imprescindible, puesto que los diferentes tipos de régimen fluvial van a servir de unidades de gestión para favorecer el mantenimiento de los ecosistemas fluviales. Se encontraron diferencias significativas entre comunidades biológicas en cinco de los seis tipos de RNC encontrados en la cuenca. Finalmente, en el sexto capítulo se estudian las relaciones hidro-ecológicas existentes en tres de los seis tipos de régimen fluvial encontrados en la cuenca del Ebro. Mediante la construcción de curvas hidro-ecológicas a lo largo de un gradiente de alteración hidrológica, se pueden sugerir los límites de alteración hidrológica (ELOHAs) para garantizar el buen estado ecológico en cada uno de los tipos fluviales estudiados. Se establecieron ELOHAs en tres de los seis tipos de RNC de la cuenca del Ebro Esta tesis, además, pone en evidencia la falta de datos biológicos asociados a registros de caudal. Para llevar a cabo la implantación de un régimen de caudales ambientales en la cuenca, la ubicación de los puntos de muestreo biológico cercanos a estaciones de aforo es imprescindible para poder extraer relaciones causa-efecto de la gestión hidrológica sobre los ecosistemas dependientes. ABSTRACT In view of a growing freshwater demand because of population raising, improvement of economies and the potential effects of climate change, water resources management has become a challenge for present and future societies. Water policies in Spain have been focused from the 60’s on constructing hydraulic infrastructures, in order to dampen flow variability and granting water availability along the year. Consequently, natural flow regimes have been deeply altered and so the depending habitats and its ecosystems. However, an increasing acknowledgment of societies for preserving healthy freshwater ecosystems started in the 90’s and agreed that to maintain healthy freshwater ecosystems, it was necessary to set environmental flow regimes based on the natural flow variability. The Natural Flow Regime paradigm (Richter et al. 1996, Poff et al. 1997) bases on the hypothesis that freshwater ecosystems are made up by elements adapted to natural flow conditions, and any change on these conditions can provoke deep impacts on the whole system. Environmental flow regime concept consists in designing a flow regime that emulates natural flow characteristics, so that ecosystem structure, functions and services are maintained. ELOHA framework (Ecological Limits of Hydrological Alteration) aims to identify key features of the natural flow regime (NFR) that are needed to maintain and preserve healthy freshwater and riparian ecosystems. Moreover, ELOHA framework aims to quantify thresholds of alteration of these flow features according to ecological impacts. This thesis describes the application of the ELOHA framework in the Ebro River Basin. The Ebro River basin is the second largest basin in Spain and it is highly regulated for human demands. Only the Ebro headwaters tributaries still have completely unimpaired flow regime. The thesis has six chapters and the process is described step by step. The first chapter makes an introduction to the origin of the environmental flow concept and the necessity to come up. The second chapter shows a description of the study area. The third chapter develops a classification of NFRs in the basin based on natural flow data and using exclusively hydrological parameters. Six NFRs were found in the basin: continental Mediterranean-pluvial, nivo-pluvial, continental Mediterranean pluvial (with groundwater-dominated flow pattern), pluvio-oceanic, pluvio-nival-oceanic and Mediterranean. The fourth chapter develops a regionalization of the six NFR types across the basin by using climatic and physiographic variables. The geographical pattern obtained from the regionalization process was consistent with the pattern obtained with the hydrologic classification. The fifth chapter performs a biological validation of both classifications, obtained from the hydrologic classification and the posterior extrapolation. When the aim of flow classification is managing water resources according to ecosystem requirements, a validation based on biological data is compulsory. We found significant differences in reference macroinvertebrate communities between five over the six NFR types identified in the Ebro River basin. Finally, in the sixth chapter we explored the existence of significant and explicative flow alteration-ecological response relationships (FA-E curves) within NFR types in the Ebro River basin. The aim of these curves is to find out thresholds of hydrological alteration (ELOHAs), in order to preserve healthy freshwater ecosystem. We set ELOHA values in three NFR types identified in the Ebro River basin. During the development of this thesis, an inadequate biological monitoring in the Ebro River basin was identified. The design and establishment of appropriate monitoring arrangements is a critical final step in the assessment and implementation of environmental flows. Cause-effect relationships between hydrology and macroinvertebrate community condition are the principal data that sustain FA-E curves. Therefore, both data sites must be closely located, so that the effects of external factors are minimized. The scarce hydro-biological pairs of data available in the basin prevented us to apply the ELOHA method at all NFR types.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.