RAPPORT. Bodalstranda Strømnings- og sprangsjiktsutredning Isesjø OPPDRAGSNUMMER SWECO NORGE AS

Transkript

1 Bodalstranda Strømnings- og sprangsjiktsutredning Isesjø OPPDRAGSNUMMER SWECO NORGE AS FREDRICK MARELIUS KVALITETSSIKRET AV PETTER STENSTRÖM KARIN ANJA ARNESEN Sweco

2 2 (12)

3 Endringslogg VER. DATO ENDRINGEN GJELDER KONTROLLERT GODKJENT ENDRING ETTER MØTE MED MATTILSYNET KD KAA Sweco Norge AS Drammensveien 260 Postboks 80, Skøyen NO 0212 Oslo Telefon Sweco Norge AS Org.nr Karin Anja Arnesen Sarpsborg Telefon direkte: AKA p:\211\ kamperhaug - bistand overvann bodalsjordet\08 rapporter\01 rapporter\norsk\ _bodalstranda_strømningsog sjiktforhold.docx

4 Sammendrag Rapporten gir et estimat av den laveste energimengden som tilføres Isesjø fra vind og bølger basert på den nødvendige energien for å sikre omrøring av overflatevannet i løpet av sommeren. Denne energien blir sammenlignet med den kinetiske energi som tilføres fra overvannet. Den gjennomsnittlige energimengden tilført fra overvannet er ubetydelig i forhold til påvirkning av vind og bølger. Sweco Norge AS Drammensveien 260 Postboks 80, Skøyen NO 0212 Oslo Telefon Sweco Norge AS Org.nr Karin Anja Arnesen Sarpsborg Telefon direkte: anja.arnesen@sweco.no AKA p:\211\ kamperhaug - bistand overvann bodalsjordet\08 rapporter\01 rapporter\norsk\ _bodalstranda_strømningsog sjiktforhold.docx

5 Inneholdsfortegnelse 1 Bakgrunn 1 2 Prosesser som former sprangsjikt 1 3 Forholdene i Isesjø Nødvendig energi Total energimengde Energimengde som tilføres fra overvannet 5 4 Konklusjon 6 AKA p:\211\ kamperhaug - bistand overvann bodalsjordet\08 rapporter\01 rapporter\norsk\ _bodalstranda_strømnings- og sjiktforhold.docx

6

7 1 Bakgrunn Isesjø ligger i Sarpsborg kommune. Rett sør for innsjøen planlegges det utbygging av et boligområde. I det samme området er det et vannverk som tar råvannet fra Isesjø. Det er planlagt at overvannet fra det planlagte boligområdet skal ledes til en eksisterende bekk som renner videre til innsjøen. Hensikten med denne utredningen er å undersøke om overvannet fra det planlagte boligområdet, som ledes til Isesjø, kan påvirke innsjøens sjiktforhold (lagdeling). Som grunnlag for undersøkelsen er det benyttet opplysninger om forventet nedbør, vannverksinntak og noen målinger av temperatur. 2 Prosesser som former sprangsjikt I innsjøer med ingen eller lavt saltinnhold er tettheten avhengig av vanntemperaturen og prosessen deles inn forhold til årstider (se figur 1). Vinter - Vanligvis kjøles vannmassene ned i løpet av vinteren og i de tilfeller der det dannes is, vil vannet ha null grader i overflaten og noe varmere på større dybder (tettheten er høyest ved 4 C). Vår Etter at eventuell is smelter om våren varmes vannet opp. Når overflatevannet har fått en temperatur på ca. 4 C har det en høyere tetthet enn bunnvannet. Dette resulterer i at overflatevannet synker og det vil skje en fullstendig omblanding av vannmassene. Sommer - I løpet av sommeren, varmes overflatevannet opp mens bunnvannet forblir relativt kjølig. I de tilfeller vannoverflaten påvirkes av vind eller bølger tilføres bevegelsesenergi. Dette resulterer i at tyngre kaldere vann vil løftes og blandes med overflatevannet. I denne prosessen dannes ofte et lag med et tetthetssprang som skiller det kaldere / tyngre bunnvannet fra overflatevannet. Etter hvert som mer varme blir tilført vannet (avhengig av sjøens dybde og den mengde kinetisk energi som tilføres til sjøen) vil også bunnvannet varmes opp. Høst - Om høsten kjøles overflatevannet til det er kaldere og tyngre enn bunnvannet, hvorpå sjøen igjen gjennomgår en fullstendig omblanding. Deretter, mot vinteren, avkjøles overflatevannet ytterligere, og et svakere sprangsjikt kan utvikles med påvirkning fra vind og bølger på samme måte som i løpet av sommeren inntil isen eventuelt legger seg. 1 (6) AKA p:\211\ kamperhaug - bistand overvann bodalsjordet\08 rapporter\01 rapporter\norsk\ _bodalstranda_strømningsog sjiktforhold.docx

8 Figur 1 Skjematisk skisse av årstidssyklusene som former sprangsjikt. 3 Forholdene i Isesjø Sommeren 2010 ble det gjennomført tre målinger av temperaturer ved ulike dybder i Isesjø. Målingene er tatt i den nordlige enden av Isesjø som har en dybde på ca. 18 meter. Dybden i Isesjø i den sørlige enden ved hovedvanninntaket antas ligge på mellom meter. Dybdeforskjellen utgjør en usikkerhet i vurderingene omkring om det oppstår også sprangsjikt i den sydlige delen av innsjøen. Sprangsjikt oppstår normalt i innsjøer med en dybde mellom 10 og 20 meter. For å være sikker på om det er et sprangsjikt i den sørligste delen av innsjøen bør det eventuelt gjennomføres målinger i denne delen av innsjøen. Målte temperaturer i nordenden vises i figur 2 nedenfor. 2 (6) Figur 2 Måling av temperatur ved ulike dybder i Isesjøs nordlige del (Målingene er utført av Fylkesmannen i Østfold) AKA p:\211\ kamperhaug - bistand overvann bodalsjordet\08 rapporter\01 rapporter\norsk\ _bodalstranda_strømnings- og sjiktforhold.docx

9 Målingene viser en tydelig temperaturgradient i vertikal retning. Målingene som ble gjennomført i juni har en temperaturgradient som er mer lineære, mens i juli og august viser et tydelig sprangsjikt på meters dyp. Dette skyldes som nevnt omrøring av overflatevannet på grunn av vind / bølger. 3.1 Nødvendig energi For å beregne økningen i potensiell energi mellom målingene i juni og juli brukes gjennomsnittskurven for temperaturmåling i juli. Videre er det forutsatt at temperaturkurven i overflatevannet i utgangspunktet har den samme stigningen som bunnvannet (denne antagelsen er på den sikre siden ettersom mengden av tilført energi ikke overvurderes ).Vannets tetthet, ρ, beregnes som [1], = 1 + (1) Der ρ 0, T 0 og S 0 er referanseverdier for tetthet, temperatur og saltinnhold. α er en koeffisient som beskriver den termisk utvidelsen og β en koeffisient som beskriver sammentrekninger på grunn av saltinnholdet. T er den aktuelle temperaturen ( K) og S det aktuelle saltinnholdet ( ). Figur 3 Gjennomsnitts temperaturkurve for måligen i juli samt antatt jevn temperaturfordeling. Den beregnede tettheten med den antatte jevne temperaturfordeling som vist i figur 3 og S = 0 vises i tabell 1 nedenfor. 3 (6) AKA p:\211\ kamperhaug - bistand overvann bodalsjordet\08 rapporter\01 rapporter\norsk\ _bodalstranda_strømningsog sjiktforhold.docx

10 Tabell 1 Beregnet tetthet. Temperatur ( C) tetthet (kg/m 3 ) T2 = 21,6 C = 294,6 K ρ 2 = 998,6 T 0 = 19,4 C = 292,4 K ρ 0 = 999,0 T 1 = 17,3 C = 290,3 K ρ 1 = 999,4 Minste nødvendige energi for å omrøre overflatevannet tilsvarer økningen i potentiell energi, dep, og beregnes som, = Der H er dybden der omrøringen skjer, g er akselerasjonen av gravitasjonen, z er den vertikale koordinaten (origo ved dybden H). ρ 0 er den endelige tetthetfordelingen og tilsvarer gjennomsnittet av ρ1 og ρ2, ρi er den opprinnelige tetthetsfordelingen og antas lineær, i henhold til: = Integralene i likning (2) med (3) innsatt blir, = (4) Nødvendig energimengde for å løfte vannet er med tetthet ihht. tabell 1 ca. 49 J/m 2. I praksis vil en stor del av av den energien som tilføres vannmassene forbrukes av andre prosesser slik som friksjon mot bunnen, bølger som bryter mot stranden, turbulens o.l. Derfor er økningen av den potensielle energien et minimum av energi som må leveres av vind og bølger. (2) (3) 3.2 Total energimengde Overflaten på den delen av den sydlige delen av innsjøen som har en dybde som er større enn 9 m er omtrent 2, m 2 (se figur 4), som betyr at vannet ble tilført en energimengde på minst 121 MJ i perioden 21 juni til 21 juli 2010 eller gjennomsnittlig 3,9 MJ / døgn. 4 (6) AKA p:\211\ kamperhaug - bistand overvann bodalsjordet\08 rapporter\01 rapporter\norsk\ _bodalstranda_strømnings- og sjiktforhold.docx

11 Figur 4 Dybdekart over Isesjøs søndre del, i området markert ned blått er dybden større enn 9 m. 3.3 Energimengde som tilføres fra overvannet For å beregne energi tilført av det overvann som tilføres via bekken er det behov for å vite vannhastigheten ved bekkens utløp til sjøen. Den kinetiske energien fra utløpet, E r, beregnes som, = (5) Der Q er strømningen, ρ er overvannets tetthet, U er vannets hastighet og t er tiden som vannet renner. Strømningen ved gjennomsnittsregn er beregnet til 8,6 l / s. Forutsatt at bekken har et tverrsnittsareal i munningen som er 1 m2 og bekkens vann har den samme tetthet som sjøens overflate tilfører overvannet i løpet av et gjennomsnittsregn 0,03 kj / døgn. Som tilsvarer 7, av den energien som i gjennomsnitt tilføres av vind / bølger. Dersom bekkens tverrsnittareal økes til 2 m 2 er den dimensjonerende overvannsmengden er 200 l/s. Dette tilsvarer 0,02 av den gjennomsnittlige energien fra vind/bølger. En del av den kinetiske energi fra overvann vil også bli redusert av strømningsmotstanden i strandsonen og eventuell vegetasjon. Dette vil redusere risikoen for påvirkning på sprangsjiktet ytterligere. 5 (6) AKA p:\211\ kamperhaug - bistand overvann bodalsjordet\08 rapporter\01 rapporter\norsk\ _bodalstranda_strømningsog sjiktforhold.docx

12 4 Konklusjon Det er en ubetydelig risiko for at overvann som slippes til Isesjø, via bekken, vil påvirke eventuelt sprangsjiktet som dannes i løpet av sommeren. Energimengden som tilføres vannmassene fra utløpet, ved gjennomsnittsregn, er i størrelsesorden 1/ og med en dimensjonerende strømning 1/45 sammenlignet med den minste energimengden som i gjennomsnitt tilføres av vind og bølger. Usikkerheten rundt om det er sprangsjikt eller ikke i Isesjø ved vannverket, har liten betydning, da utslipp av overvann etter utbygging ikke vil påvirke Isesjøs strømnings- og sjiktforhold i noe særlig grad. Referenser: [1] Cushman-Roisin, B., (1994), Introduction to geophysical fluid dynamics. Prentice-Hall Inc., Englewood cliffs, New Jersey, ISBN (6) AKA p:\211\ kamperhaug - bistand overvann bodalsjordet\08 rapporter\01 rapporter\norsk\ _bodalstranda_strømnings- og sjiktforhold.docx