Utvärdering av flyktrännor vid nedströmsmigration av fisk - Hydraulisk analys och modellering utifrån inmätta fältdata

Abstract (Swedish)

Behovet av förnybar energi är stort och förväntas öka i framtiden. I Sverige står vattenkraft för en betydande andel av elproduktionen, där anläggningarna ofta innebär fysiska hinder för vandringsberoende fiskarter. För att bibehålla elproduktionen och samtidigt säkerställa god konnektivitet i vattendragen krävs väl fungerande migrationslösningar förbi kraftverken, både för uppströmsvandrande och nedströmsvandrande fisk. En typisk migrationslösning för nedströmsvandrande fisk består av ett avledargaller och en flyktränna. Avledargallret hindrar fisk från att simma in i turbinintaget och leder fisken till flyktrännan. Flyktrännan är tänkt att leda fiskarna förbi kraftverket och ner i vattendraget i en sektion nedströms.

I detta arbete ligger fokus på utvärdering av optimal utformning av flyktrännor samt framtagning av beräkningsmetoder som på ett effektivt sätt möjliggör god återgivning av strömningsvärden i rännorna. Specifikt utvärderas 1D-modellering i programvaran HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center-River Analysis System) för detta ändamål. Beräkningarna i detta examensarbete utgår från fyra flyktrännor som inmätts i fält. Med utgångspunkt i den inmätta geometrin och randvillkoren beräknades flöde, vattenhastighet och ytvattenprofil för rännorna. Beräkningsresultatet validerades mot inmätta värden av flöde, vattenhastighetsvärden och en ytvattenprofil från samma flyktrännor som beräkningarna utgick ifrån. En enklare litteraturanalys genomfördes även för att undersöka vilka designkriterier som bedöms vara viktiga att uppfylla, för att sedan jämföra hur väl de besökta anläggningarna lever upp till dessa kriterier.

Resultaten från modellen i HEC-RAS och övriga beräkningsmetoder var varierande; de gav bra representation på vissa sträckor och kraftverk men sämre på andra. Modellering i HEC-RAS som metod visar på god potential och gav överlag bättre resultat än övriga beräkningsmetoder. Sämre överensstämmelse kunde dock noteras vid sektioner med abrupt förändring av bottendjupet, sektioner med variation i vattenhastighet över tvärsektionen samt sträckor med uppstickande oregelbundna strukturer. Osäkerheter i inmätningen försvårade dock en djupare analys av många delar av rännorna. Generellt sett uppfyller de undersökta flyktrännorna de riktvärden och designkriterier som rekommenderas i den undersökta litteraturen. Dessa riktvärden är dock ofta dåligt underbyggda, otydliga och i vissa fall även motsägelsefulla, vilket understryker behovet av vidare forskning och utveckling.

Abstract

The need for renewable energy is substantial and is expected to increase in the future. In Sweden, hydropower accounts for a significant portion of the energy production, with facilities often presenting physical barriers to migratory fish species. To maintain electricity production while ensuring good connectivity in watercourses, effective migration solutions past the power plants are required for both upstream and downstream migrating fish. A migration solution for downstream migrating fish generally consists of a fish protection screen and a bypass channel. The fish protection screen prevents fish from swimming into the turbine intake and leads them to the bypass channel. The bypass channel is intended to guide the fish past the power plant and back into a downstream section of the watercourse.

This work focuses on evaluating the optimal design of fish bypass channels and the development of calculation methods that facilitate accurate representation of flow values in the channel. Specifically, 1D modeling in the HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center River Analysis System) software is evaluated for this purpose. Calculations are based on four field-surveyed bypass channels. By using the measured geometry and boundary conditions, flow, water velocity values, and a water surface profile for the channels were calculated. These results were then validated against measured values of flow, water velocity, and the water surface profile from the same bypass channels. A brief literature review was also conducted to examine which design criteria are important to meet, and then to compare how well the visited facilities meet these criteria.

The results from the HEC-RAS model and other calculation methods varied; while they provided accurate representations on some stretches and at certain power plants, they were less accurate on others. Modeling in HEC-RAS as a method shows good potential and overall yielded better results than other calculation methods. However, less accurate results were observed in sections with abrupt changes in bed depth, sections with variation in flow velocity across the cross-section, and stretches with protruding irregular structures. Inaccurate field measurements led to significant uncertainties in the results and hindered a deeper analysis of many channel sections. Generally, the investigated bypass channels meet the guidelines and design criteria recommended in the reviewed literature. However, these guidelines are generally inadequately supported, unclear, and in some cases contradictory, indicating a need for further research and development.

Popular Abstract (Swedish)

Tusentals fiskar dör eller skadas varje år när de tvingas passera vattenkraftverkens turbiner på sin väg mot havet. Samtidigt spelar vattenkraft en viktig roll för Sveriges elproduktion. Ett sätt att bibehålla elproduktionen och samtidigt möjliggöra fiskvandring nedströms är att anlägga passager som leder fisken förbi kraftverken.

Många har säkert hört talas om fisktrappor och omlöp. Båda dessa begrepp beskriver olika typer av fiskvandringsvägar. Gemensamt är dock att de främst är utformade för uppströmsvandrande fisk. Vandringsvägar för nedströmsvandrande fisk, ofta kallade nedströmspassager, är betydligt mer sällsynta. Saknas vandringsvägar för nedströmsvandrande fisk blir fiskarna tvungna att passera turbinerna i vattenkraftverken, vilket ofta leder till hög dödlighet.

En nedströmspassage består vanligtvis av ett galler som hindrar fisk från att simma in i turbinintaget och en ränna, en så kallad flyktränna, som transporterar fisken förbi kraftverket till en nedströms sektion av vattendraget. Vattnet som passerar i flyktrännan genererar ingen el och minskar intäkterna för vattenkraftbolagen. Av den anledningen är det fördelaktigt om ett så litet flöde som möjligt rinner i rännan. Samtidigt måste fiskarna som vandrar i vattendraget hitta rännan, våga simma in i rännan och samtidigt inte skadas under passagen. Här finns det potential för utveckling, och det är detta som undersökts i detta arbete.

Genom att gå igenom olika studier och vägledningsdokument kunde det konstateras att olika flödesparametrar har stor betydelse för hur väl flyktrännorna fungerar. Det rör sig om parametrar som vattenhastighet, vattendjup, bredd och acceleration. För att dessa parametrar ska uppnå lämpliga värden är det viktigt att de beräknas på ett korrekt och exakt sätt. I detta arbete undersöktes olika beräkningsmetoder genom att jämföra beräknade värden av de nämnda parametrarna med uppmätta värden från flyktrännor inmätta i fält.

Resultatet visade att modelleringsprogramvaran HEC-RAS gav de bästa resultaten, men vissa förhållanden i rännan visade sig svåra att beräkna på ett korrekt sätt. Detta gällde exempelvis områden med snabba förändringar i lutning och geometri, samt strukturer i rännan med komplicerad utformning som var svåra att återskapa i modelleringsprogrammet. Arbetet visade överlag på ett stort behov av fortsatt utveckling av dessa lösningar för fiskvandring, både vad gäller deras utformning, beräkning och utvärdering av funktionen hos redan konstruerade lösningar.

• author: Dahlberg, Gustav
• supervisor: Magnus Larson
• organization: Division of Water Resources Engineering
• course: VVRM05 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Nedströmspassage, flyktränna, HEC-RAS, nedströmsmigration, fiskvandring, hydraulisk modellering
• publication/series: TVVR 5000
• report number: TVVR 24/5013
• ISSN: 1101-9824
• language: Swedish
• additional info: Examiner: Rolf Larsson
• id: 9176092
• date added to LUP: 2024-10-04 14:18:36
• date last changed: 2024-10-04 14:18:36