Kanalbyen Eiendom AS. Vannlinjeberegninger Utforming av kanalen ved Kanalbyen, Kristiansand

Størrelse: px
Begynne med side:

Download "Kanalbyen Eiendom AS. Vannlinjeberegninger Utforming av kanalen ved Kanalbyen, Kristiansand"

Transkript

1 Kanalbyen Eiendom AS Vannlinjeberegninger Utforming av kanalen ved Kanalbyen, Kristiansand

2 RAPPORT Vannlinjeberegninger Rapport nr.: Oppdrag nr.: Dato: Kunde: Kanalbyen Eiendom AS Vannlinjeberegninger Utforming av kanalen ved Kanalbyen, Kristiansand Sammendrag: Se oppsummering (kapittel 5). Utarbeidet av: Nils Charles Prieur og Hanna Bjørgaas Kontrollert av: Frode Løset og Pierre-Louis Ligier Oppdragsansvarlig / avd.: John Sigve Helleren Sign.: Sign.: Oppdragsleder / avd.: John Sigve Helleren c:\a r c gi s _t mp \ k an al b ye n \r ap po r t \k an al _ ut fo r mi n g_ kri s ti a n san d_ h ydr ol ogi _n e w. do cx

3 Innhold 1 Innledning Bakgrunn Mål 5 2 Vannlinjeberegninger Beregningsprogram Grunnlag og forutsetninger Batymetri Ruhet Grensebetingelser Vinddata Tidevanndata (Input i modellen) 11 3 Modellens resultater Overflatesirkulasjon i Kristiansandsfjorden Vannsirkulasjon og vannutskiftning i den gjennomgående kanalen Vannsirkulasjon og vannutskiftning i blindkanalen 18 4 Vurdering av utforming med henhold til biologisk mangfold Risikomomenter Viktige faktorer for å oppnå gode biologiske forhold i kanalen 23 5 Oppsummering 24 Referanser 24 Vedlegg 25 3 (27)

4 1 Innledning 1.1 Bakgrunn Sweco i Kristiansand er engasjert inn i en prosjektgruppe for et stort byutviklingsprosjekt i Kristiansand Kanalbyen (Figur 1). Prosjektet omfatter i størrelsesorden 700 boliger og m 2 næring, og planlegges realisert i løpet av en års periode. Swecos oppdrag er i utgangspunktet bred, byggfaglig rådgivning i forbindelse med utarbeidelse av ny reguleringsplan for området, og hovedtyngden i oppdraget omfatter konseptvurderinger og kostnadsanalyser for konstruksjoner til infrastruktur samt bygningskonstruksjoner. Figur 1 Oversiktskart. 4 (27)

5 1.2 Mål Oppdragsgiver ønsker en miljøteknisk/hydrologisk vurdering av kanalutforming. Dette er for å avklare geometriske forutsetninger for kanalforløp, både for alternativ med gjennomgående kanal (Figur 2) og med blindkanaler (Figur 3), slik at man kan sikre tilstrekkelig vannkvalitet (saltvann) og gode botaniske forhold i kanalen(e). En to-dimensjonal modell er utviklet for dette studiet. Utvikling av en 2D modell vil gi mulighet til oss å se på strømningen forårsaket av flo og fjære og hvordan kanalen utformes. Denne rapporten omfatter: Beskrivelse av metoden som ble brukt for å beregne vannstandene og vannhastighetene, forutsetninger og inngangsdata. Vannlinjeberegninger for blindkanaler og gjennomgående kanal ved hjelp av en todimensjonal modell (TELEMAC 2D). Anbefaling av en utforming. Figur 2 Alternativet med en gjennomgående kanal. 5 (27)

6 Figur 3 Alternativet med en blindkanal. 2 Vannlinjeberegninger 2.1 Beregningsprogram For todimensjonale beregningene har vi brukt et program som beregner strømningen i to dimensjoner (retninger), TELEMAC 2D. TELEMAC 2D er utviklet av EDF (electricity of France). To-dimensjonal beregning er bedre egnet her, fordi vannet strømmer i ulike retninger på grunn av flo og fjære. I modellen deles beregningsområdet opp i et nett av trekanter (mesh). Deretter beregnes vannstand og vannhastighet for hver trekant. Figur 4 viser et utsnitt av beregningsnettet for planområdet. For mer opplysninger om programmet, se 6 (27)

7 Figur 4 Nettet er utgangspunktet for simulering av overflatesirkulasjonen i Kristiansandsfjorden (Alternativ med den gjennomgående kanalen). 2.2 Grunnlag og forutsetninger Grunnlag og forutsetninger for vannlinjeberegningen: Batymetri Elvas ruhet (strømningsmotstand) Grensebetingelser Vinddata Tidevanndata Beregningsstrekningen er ca 2400 m (x)*2200 m (y) lang. En detaljert beskrivelse av benyttede forutsetninger og opsjoner i TELEMAC-2D er vist i vedlegget. 2.3 Batymetri En beskrivelse av sjødybder må inn i beregningsmodellen. Sjødybdekoter er benyttet for området rundt det planlagte planområdet. Grunnlagsdata er mottatt av Kristiansand kommune (Figur 5). I tillegg er det tidligere målt ved hjelp av multistråle ekkolodd dybdedata (nyere data med bedre oppløsning) rett sør fra planområdet. Disse dataene er brukt til å genere batymetrien av området (Figur 6). 7 (27)

8 Figur 5 Kart over sjødybder i Kristiansandsfjorden. 8 (27)

9 Figur 6 Batymetri for området. 9 (27)

10 2.4 Ruhet I beregningsmodellen må terrengets ruhet (strømningsmotstand) uttrykt ved Striklerskoeffisient, legges inn. Det er her valgt en moderat verdi for å representere ruheten i Kristiansandsfjorden. Følgende verdier er benyttet for hele 2D-modellen: Striklerskoeffisient = Grensebetingelser Grensebetingelser av modellen er vist i Figur 7. Den blå streken viser oppstrøms delen av modellen med vannføringer fra Otra. Den grønne strekningen er den nedre grensebetingelsen, der er vannstandsvariasjoner lagt som input. Figur 7 Grensebetingelser for modellen. 2.6 Vinddata Vinddata generert av Kjeller Vindteknikk (2014) er benyttet for å se på hyppigheten (Figur 8). For å begrense beregningstiden av modellen er det antatt at vindretningen og vindhastighet er konstanter gjennom modelleringsperioden. 10 (27)

11 Vindkomponenter (korresponderer til en vindhastighet på 4 m/s med en vindretning fra sør vest): u = 2,1 m/s. v = 3,6 m/s. Figur 8 Retningsfordeling for Silokaia basert på vindkart for Norge. Fargeskalaen viser hyppigheten av hastigheter i klassene 0-5 m/s, 5-10 m/s osv. Hastighetene er redusert med 15 % i forhold til vindkartet for Norge (kilde: Kjeller vindteknikk) 2.7 Tidevanndata (Input i modellen) Statistiske parametere for vannstand for Kristiansand er vist i Figur 9. Gjennomsnittlig forskjell mellom høyvann og lavvann i Kristiansands havn er ca. 0,20 m. Ved nippflo og springflo er forskjellene 0,14 m og 0,26 m. Tidevannet er halvdaglig og strømhastigheten varierer gjennom de 6 timene mellom lavvann og høyvann. Det er her bestemt å kjøre modellen for to scenarioer (Tabell 1), et scenario med høye variasjoner ( ) og et scenario med lave variasjoner i vannstand ( ). Vannstanddata er hentet fra og benyttet som den nederste grensen av modellen. Vannstanddata benyttet for modelleringen er vist i Figur 10. Tabell 1 Scenarioer for vannlinjeberegninger. Scenario Vannstand Vannføring i Otra Vind S1 Se figur m 3 /s 4 m/s fra SV S2 Se figur m 3 /s 4 m/s fra SV 11 (27)

12 Vannstand i m (NN1954) Figur 9 Karakteristiske vannstandsnivå (NN 1954) (kilde: Sehavniva.no). Scenario 1 Scenario Tid (timer) Figur 10 Vannstanddata for scenario S1 og S2. 12 (27)

13 3 Modellens resultater Det er i første omgang kort beskrevet overflatesirkulasjonen generelt i Kristiansandsfjorden. Deretter fokuser vi mer på vannsirkulasjon og vannutskiftning for alternativer med den gjennomgående kanalen og blindkanaler ved Silokaia. For hvert scenario simulerer modellen strømforholdene over 48 timer med konstant vannføring fra Otra mens tidevannet varierer (inputdata er beskrevet i kapittel 2.7). Modellen er kjørt med en timestep på 10 sekunder. Grafiske resultater er lagret hvert 30. minutt. 3.1 Overflatesirkulasjon i Kristiansandsfjorden De høyeste vannhastighetsverdiene (0,4 m/s ved en vannføring på 119 m 3 /s) er lokalisert ved utløpet av Otra (Figur 11). Vannhastigheten avtar fort fra utløpet, med hastighet mellom 0,5 og 1 cm/s på begge sider av utløpet i Østerhavn (Figur 12 og Figur 13). Områder langs østsiden av Odderøya har lave dybder, og ligger cirka 1 til 2 km fra utløpet av Otra (Figur 6). Beregninger viser også vannhastigheter mellom 0,5 og 1 cm/s langs dette området. På vestsiden av Odderøya er det store områder med svært lav hastighet (vannhastighet mindre enn 0,1 cm/s). Dette forårsakes antakelig av det dype havbassenget og geografisk plassering av området. 13 (27)

14 Figur 11 Beskrivelse av overflatesirkulasjonen i Kristiansandsfjorden ved alternativ 1. Vannhastighetsverdier er i m/s. 14 (27)

15 Figur 12 Beskrivelse av overflatesirkulasjonen i Kristiansandsfjorden ved alternativ 1 (med bedre skalering). Vannhastighetsverdier er i m/s. 15 (27)

16 Figur 13 Beskrivelse av overflatesirkulasjonen i Kristiansandsfjorden ved alternativ 2 (lavere vannstandsvariasjoner). Vannhastighetsverdier er i m/s. 16 (27)

17 3.2 Vannsirkulasjon og vannutskiftning i den gjennomgående kanalen Den gjennomgående kanalen er utformet i modellen med en varierende bredde på 8-12 meter, en lengde på 340 meter og en konstant dybde på 2,0 meter. Volum i kanalen er beregnet til 8446 m 3. Modellberegninger viser at tidevannet i den gjennomgående kanalen bare vil skape svake strømmer, med hastighet på noen mm/s (i S2 er vannhastighet mellom 0,2 og 0,5 mm/s). Ved situasjoner med større lufttrykkvariasjoner eller kraftig fralandsvind/pålandsvind (stormflo) vil imidlertid vannstandsvariasjonene og vannutskiftningen bli langt større (i S1 er vannhastighet rundt 1 mm/s). Men gjennomsnittssituasjonen indikerer at tidevannet bare vil skape svake strømmer i den gjennomgående kanalen. I tillegg til å se på vannhastigheten, er det beregnet vannføring ved innløpene av kanalen og midt på kanalen. Resultater fra forskjellige simuleringer er presentert i Tabell 2. Ved situasjoner med vanlige vannstandsvariasjoner og gjennomsnittlig vind fra vest-sør vest (S1), vil cirka % av kanalen blir renset ut (vannutskiftning) hver dag. I tilfellet når det er små variasjoner i vannstand, vil vindstyrke og vindretning være hovedfaktorene for vannsirkulasjonen i kanalen. Vinden fra nesten alle retninger vil hjelpe sirkulasjoner (unntatt vind fra SØ og Ø på grunn av topografien av Odderøya). Ved en gjennomsnittlig vind fra sør vest vil cirka 13 % av kanalen være renset i løpet av dagen. Tabell 2 Vannutskiftningen i den gjennomgående kanalen. Innløp av kanalen (N) Innløp av kanalen (S) Midten av kanalen Gjennomsnitt fluks i m 3 /dag Q INN Q UT Q INN Q UT Q INN Q UT Scenario 1 (4 m/s) Scenario 2 (0 m/s) Scenario 2 (4 m/s) Scenario 2 (20 m/s) (27)

18 3.3 Vannsirkulasjon og vannutskiftning i blindkanalen Blindkanalen er modellert med en gjennomsnittlig dybde på 2 meter og et areal på 1520 m 2. Den innerste delen av blindkanalen er cirka 50 meter fra nåværende kystlinjen. Volum er beregnet til 3040 m 3. Modellberegninger viser igjen at tidevannet i den blindkanalen bare vil skape svake strømmer, med hastighet på noen mm/s (Figur 16 og Figur 17). Tabell 3 viser at ved vanlige situasjoner vil mellom 35 (helt innerst i blindkanalen) til 100 % (helt ytterst) av vannet bli renset ut. Vindstyrken og vindretningen spiller her en litt mindre viktig rolle, men vil ved hastighet større en 7-8 m/s begynne å presse vannet inn eller ut fra kanalen avhengig av retningen. Tabell 3 Vannutskiftningen i blindkanalen. Utsiden av blindkanalen Innsiden av blindkanalen Gjennomsnitt fluks i m 3 /dag Q INN Q UT Q INN Q UT Scenario 1 (4 m/s) Scenario 2 (0 m/s) Scenario 2 (4 m/s) Scenario 2 (20 m/s) (27)

19 Figur 14 Vannhastigheten i den gjennomgående kanalen, scenario 1 (med 4 m/s vind fra SV). 19 (27)

20 Figur 15 Vannhastigheten i den gjennomgående kanalen, scenario 2 (med 4 m/s vind fra SV). 20 (27)

21 Figur 16 Vannhastigheten i blindkanalen, scenario 1 (med 4 m/s vind fra SV). 21 (27)

22 Figur 17 Vannhastigheten i blindkanalen, scenario 2 (med 4 m/s vind fra SV). 22 (27)

23 4 Vurdering av utforming med henhold til biologisk mangfold Den gjennomgående kanalen er utformet i modellen med en varierende bredde på 8-12 meter, en lengde på 340 meter og en konstant dybde på 2,0 meter. Liten tidevannsforskjell vil føre til at vannføringen vil være på maksimalt 0,6 cm per sekund (jf modeller ovenfor). I utgangspunktet vil tiltaket være positivt for biologisk mangfold all den tid det innebærer nyetablering av en gjennomgående kanal der det i dag ikke er marint liv. Likevel bør en være oppmerksom på en del utfordringer som kan være knyttet til en slik etablering. Utfordringer: Unngå invasjon og dominans av uønskede arter Unngå eutrofiering Bidra til å etablere naturtyper som forekommer naturlig i området Legge til rette for et balansert økosystem med tilhørende biologisk mangfold 4.1 Risikomomenter Eutrofiering/saprobiering og oksygensvikt: For stor tilførsel av næringsstoffer med dertil algeoppblomstring og avbrenning av oksygen vil gi lavere oksygennivåer i vannet, og i verste fall kunne føre til oksygensvikt og dannelse av illeluktende hydrogensulfid Stillestående vann: For liten vannsirkulasjon vil gi lavt oksygennivå, forsterke forurensningsproblematikk og dermed forsterke overnevnte problematikk Invasjon av uønskede arter: Lavt oksygennivå og / eller forurensning vil kunne gi fortrinn til noen få arter som tåler lave oksygennivåer, og dermed vil kunne være noe forskjellig fra det økosystemet som finnes i sjøen rundt. 4.2 Viktige faktorer for å oppnå gode biologiske forhold i kanalen Nok sirkulasjon o I planområdet er det liten forskjell på flo og fjære, og tidevannsstrømmen i den planlagte kanalen kan bli svært liten jamfør overfor beskrevne modell. o Liten vannbevegelse kan virke negativt på artsmangfold, og eliminerer arter som trenger friskere forhold Etablering av ønsket biologisk mangfold o Marin flora og fauna i området vil ha en økologisk og en visuell betydning, men kan også bidra til områdets selvrensningsevne o Økt biomangfold vil være et kvalitetsstempel for miljøet i området. o Installasjoner som passer for det naturlige miljøet i området kan gi økt biologisk diversitet og økning av økologisk potensial, med positive konsekvenser som økt opplevelsesverdi og økt estetisk verdi o Tiltak som kan være med på å etablere ønsket biologisk mangfold kan være Regulering av vanngjennomstrømning Etablering av egnet substrat. Gunstig materialvalg og kanalutforming vil kunne gi økt areal for feste av ønskede makroalger, noe som kan ha positiv innvirkning på artsmangfold 23 (27)

24 Kunstige rev eller polyetylenrør vil kunne øke areal for feste av makroalger, med tilhørende biologisk mangfold Nødvendig å undersøke ved befaringer (ikke uttømmende liste): 5 Oppsummering 1. Kartlegging av eksisterende bunnforhold og topologi / naturtype utenfor kanalen 2. Kartlegging av eksisterende bunnflora og fauna utenfor kanalen a. Potensial for invaderende arter b. Sjeldne eller truede naturtyper 3. Analyser av vannkvalitet Vannutskiftningen i den gjennomgående kanalen og blindkanalen vil bestemmes av størrelsen av det halvdaglige tidevannet, vindstyrken og vindretningen. Modellkjøringene våre indikerer at tidevannet i en gjennomsnittssituasjon vil skape strømmer i den planlagte gjennomgående kanalen sånn at cirka % av kanalen blir renset. Kanalen vil derfor være renset i løpet av 3 dager med vanlige variasjoner. I blindkanalen vil cirka % (35 % innerst og 100 % ytterst) av kanalen blir renset i en gjennomsnittssituasjon. I periode med små variasjoner i vannstand vil gjennomstrømning være lav og derfor vannkvaliteten dårlig. I motsetning ved situasjoner med store lufttrykkvariasjoner eller ved stormflo vil imidlertid vannstandvariasjonene- og vannutskiftningen bli langt større. Et mulig tiltak for å øke vannutskiftingen i den gjennomgående kanalen er å redusere volumet i kanalen, med for eksempel å redusere dybden eller bredden av kanalen. Større vanndyp enn 2,0 meter vil dermed føre til vesentlig lenger oppholdstid for vannet i kanalen og vil medføre risiko for dårligere vannkvalitet. Tiltaket vil ha en positiv verdi for biologisk mangfold ved at det etableres nye leveområder for marine organismer i et område som i dag mangler dette. Etablering av en marin kanal vil kunne innebære noen risikomomenter men også flere muligheter til å etablere et ønsket biologisk mangfold i området. Dette er kort omtalt i rapporten. Likeledes er det gitt en omtale av nødvendige undersøkelser som bør utføres av det biologiske mangfoldet ved innløp/utløp av kanalen. Referanser Silokaia, Kristiansand. Overordnet vindanalyse, Kjeller Vindteknikk, Referanser for biologisk mangfold delen av rapporten: Alvsvåg, J.,Glover, B., Trondheim havn, tiltak for å forbedre økologisk potensial. Molvær, J., Walday, M., Bispevika. Vurdering av vannutskiftning og vannkvalitet i planlagte kanaler og bassenger. Fagråd for Ytre Oslofjord. Fagside om eutrofiering. (hentet ) 24 (27)

25 Vedlegg / TELEMAC2D Version v6p2 26.jun.2014 / EQUATIONS FRICTION COEFFICIENT =60 LAW OF BOTTOM FRICTION =3 / strickler WIND VELOCITY ALONG X =2.1 WIND VELOCITY ALONG Y =3.64 WIND =true COEFFICIENT OF WIND INFLUENCE =0.565D-6 VELOCITY DIFFUSIVITY =2. TURBULENCE MODEL =1 /constant viscosity / EQUATIONS, BOUNDARY CONDITIONS VELOCITY PROFILES =1;1;4 PRESCRIBED FLOWRATES =0;0;0 PRESCRIBED ELEVATIONS =0;0;0 OPTION FOR LIQUID BOUNDARIES =2;2;1 / EQUATIONS, INITIAL CONDITIONS INITIAL ELEVATION =0.16 INITIAL CONDITIONS ='CONSTANT ELEVATION' / INPUT-OUTPUT, FILES SECTIONS INPUT FILE ='control_sections.txt' LIQUID BOUNDARIES FILE ='cas_clabonn_scenario2.liq' GEOMETRY FILE ='geometry.slf' 25 (27)

26 SECTIONS OUTPUT FILE ='control_sections_output.txt' STEERING FILE ='cas_clabonne_plli_scenario2.cas' BOUNDARY CONDITIONS FILE ='bc_clabonne.cli' RESULTS FILE ='res_section_50h.slf' / INPUT-OUTPUT, GRAPHICS AND LISTING LISTING PRINTOUT PERIOD =180 VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS =U,V,B,H,X,Y,S,L,F /L = CFL Number; F = Froude MASS-BALANCE =true GRAPHIC PRINTOUT PERIOD =180 / NUMERICAL PARAMETERS DEBUGGER =0 DURATION = FREE SURFACE GRADIENT COMPATIBILITY =0.5 TIME STEP =10 TREATMENT OF NEGATIVE DEPTHS =2 TIDAL FLATS = YES /defaut CONTINUITY CORRECTION = YES TREATMENT OF THE LINEAR SYSTEM =2 TYPE OF ADVECTION =14;5 SUPG OPTION = 0;0 / NUMERICAL PARAMETERS, SOLVER SOLVER =1 SOLVER ACCURACY =1.E-6 MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR SOLVER =1000 SOLVER OPTION =3 /defaut 26 (27)

27 / NUMERICAL PARAMETERS, VELOCITY-CELERITY-HIGHT IMPLICITATION FOR DEPTH =0.6 MASS-LUMPING ON VELOCITY =1 IMPLICITATION FOR VELOCITY =0.6 MASS-LUMPING ON H =1 27 (27)