Hydropeaking mitigation with re-regulation reservoirs

Abstract

In a scenario aiming to achieve Net Zero Emissions by 2050, hydropower is expected to play an increasingly significant role as a renewable and balancing power source. However, the prevalence of hydropeaking, a common occurrence in hydropower plants, is expected to intensify. Consequently, this will cause flow alteration and increase river ecological stresses. Hydropeaking has diverse ecological impacts on ecosystems, ranging from changes in habitat availability to alterations in species composition, population, and biodiversity, while also leading to water quality degradation. These impacts emphasize the importance of employing hydropeaking mitigation measures that consider the ecological impacts and environmental non-stationarity without increasing the operational cost of hydropower plants. In this study, we present an innovative engineering approach to mitigate the adverse impacts of hydropeaking on river flow regimes using auxiliary reservoirs termed as re-regulation reservoirs. The primary objective of re-regulation reservoirs is to reduce flow fluctuations resulting from hydropeaking by diverting and storing excess water during high flow periods and subsequently releasing it back to the river corridor during low-flow periods. Re-regulation reservoirs offer several advantages, such as greater flexibility and adaptability to varying environmental conditions, power, and water demand, without increasing the operational costs of power systems. The operation and definition of re-regulation reservoirs entail constraining various flow components, thereby limiting their threshold values. This study evaluated the operation and efficacy of a potential re-regulation reservoir using data from river systems. The investigation involved testing a variety of threshold values to assess the effectiveness of re-regulation reservoirs in mitigating hydropeaking impacts. The study developed a methodology and an open-access algorithm for operating re-regulation reservoirs, establishing a hierarchy of conditions to restrict peak flow, minimum flow, up-ramping rates, and down-ramping rates. The findings demonstrated that re-regulation of reservoirs holds clear theoretical potential for regulating hydropeaking. Our results demonstrated that the correlation between flow component thresholds and the required re-regulation of reservoir volume varies depending on the river’s flow pattern. Additionally, our findings underscore potential pathways to optimize the design of re-regulation reservoirs.

Skenaariossa, jossa tavoitellaan nettonollapäästöjä vuoteen 2050 mennessä, vesivoimalla odotetaan olevan yhä tärkeämpi rooli uusiutuvana ja tasapainottavana energialähteenä. Vesivoimalaitoksissa yleisen lyhytaikaissäännöstelyn odotetaan kuitenkin voimistuvan aiheuttaen virtausmuutoksia ja lisäävän jokien ekologista rasitusta. Lyhytaikaissäännöstelyllä on monia erilaisia ekologisia vaikutuksia ekosysteemeihin ja paikalliseen hydrologiaan. Nämä vaikutukset korostavat lyhytaikaissäännöstelyn lieventämistoimenpiteiden tärkeyttä nostamatta kuitenkaan vesivoimalaitosten käyttökustannuksia. Tässä tutkimuksessa esittelemme innovatiivisen teknisen lähestymistavan lyhytaikaissäännöstelyn haitallisten vaikutusten lieventämiseksi jokiuomissa käyttämällä apuvarastoaltaita, joita kutsutaan uudelleensäätöaltaiksi. Uudelleensäätöaltaan ensisijainen tavoite on vähentää lyhytaikaissäännöstelyn aiheuttamia virtauksen vaihteluita ohjaamalla ja varastoimalla ylimääräistä vettä runsaan virtauksen aikana ja päästämällä sitä myöhemmin takaisin jokiuomaan pienempien virtausjaksojen aikana. Uudelleensäätöaltaat tarjoavat useita etuja, kuten suuremman joustavuuden ja mukautuvuuden vaihteleviin ympäristöolosuhteisiin, sähkön- ja vedentarpeeseen ilman, että käyttökustannukset nousevat. Uudelleensäätöaltaiden toiminta ja määrittely edellyttävät eri jokivirtauskomponenttien rajoittamista, mikä rajoittaa niiden kynnysarvoja. Tässä tutkimuksessa arvioitiin mahdollisen uudelleensääntelyaltaan toimintaa ja tehokkuutta käyttämällä todellisia tietoja lyhytaikaisäännöstelyn vaikuttavista jokiuomassa. Tutkimuksessa testattiin erilaisia kynnysarvoja, joilla arvioitiin uudelleensääntelyaltaan tehokkuutta lyhytaikaisäännöstelyn vaikutusten lieventämisessä. Tutkimuksessa kehitettiin metodologia ja avoimen pääsyn algoritmi uudelleensäätöaltaiden käyttöä varten, määrittäen huippuvirtauksen, minimivirtauksen, ylös- ja alasvirtausnopeuksien rajoituksia. Tutkimuksen löydökset osoittivat, että uudelleensäätelyaltailla on selkeä teoreettinen potentiaali lyhytaikaissäännöstelyn vaikutusten vähentämiseen. Tuloksemme osoittivat, että virtauksen kynnysarvojen ja vaaditun uudelleensäätöaltaan tilavuuden välinen korrelaatio vaihtelee joen virtauksien mukaan. Lisäksi havaintomme korostavat mahdollisia tapoja optimoida uudelleensäätelyaltaiden suunnittelua.