Kunstbrua, vannlinjeberegninger ved Kistefoss

Transkript

1 Kistefossmuseet Kunstbrua, vannlinjeberegninger ved Kistefoss Fra dam Kistefoss til ca. 1 km nedstøms dammen inklusive utløpsområdet fra kraftverket Kistefoss II 500- og 200-årsflom Oppdragsnr.:

2 utløpsområdet fra kraftverket Kistefoss IIRevisjon: Vannlinjeberegning Einar Markhus Henrik Opaker Knut Roland Rev. Dato: Beskrivelse Utarbeidet Fagkontroll Godkjent Dette dokumentet er utarbeidet av Norconsult AS som del av det oppdraget som dokumentet omhandler. Opphavsretten tilhører Norconsult. Dokumentet må bare benyttes til det formål som oppdragsavtalen beskriver, og må ikke kopieres eller gjøres tilgjengelig på annen måte eller i større utstrekning enn formålet tilsier. Norconsult AS Pb. 626, NO-3 Sandvika Vestfjordgaten 4, NO-1338 Sandvika Side 2 av 41

3 utløpsområdet fra kraftverket Kistefoss IIRevisjon: 1 Innhold 1 Innledning 5 2 Flomberegning 6 3 Vannlinjeberegninger med HEC-RAS Inngangsdata Hydraulisk modell Digitale kartdata Tverrprofiler Bruer Kraftverket Kistefoss II Kalibrering av modell Ruhet i elva Nedstrøms grensebetingelse Resultater Sikkerhetsmargin 16 4 Referanser 17 5 Appendix 18 Appendix A: Flomfrekvensanalyser 18 Appendix B: Tverrprofiler 18 Appendix C: Flomsonekart Side 3 av 41

4 Kunstbrua, vannlinjeberegninger ved Kistefoss Fra dam Kistefoss til ca. 1 km nedstøms dammen inklusive Sammendrag Som grunnlag for utbygging av kunstbrua over Randselva på Kistefossmuseet ønsker Kistefossmuseet beregnet 500-års og 200-års vannlinjer langs Randselva fra brua og opp til utløp ved kraftverket Kistefoss II. Flomberegningene bygger i hovedsak på flomberegningen for dam Kistefoss der 500 årsflom er beregnet til 480 m 3 /s. 200 årsflom er beregnet til 462 m 3 /s ved hjelp av flomberegningen for dam Kistefoss og forholdstallet mellom 500- og 200 årsflom ved vannmerke Kistefoss. Vannlinjeberegninger for strekningen er beregnet ved hjelp av programmet HEC-RAS Beregningene er utført i 2D. Det topografiske grunnlaget for en 2-dimensjonal modell er et topografisk rutenett (grid) med en cellestørrelse på 1x1 m. Terrengmodellen er utarbeidet på grunnlag av LIDARdata, kalibrering av elveløpet ved hjelp av vannmerke Kistefoss og antatte vanndybder basert på befaring. Resultater for vannlinjestrekningen er vist på flomsonekart i Appendix C. Flom 200 årsflom Under kunstbru Eksisterende Under kunstbru Ny bru Utløp Kistefoss II Eksisterende Utløp Kistefoss II Ny bru (moh.) (moh.) (moh.) (moh.) 118,7 118,7 (3 cm) 118,8 118,8 (3,4 cm) 500 årsflom 118,7 118,8 (5 cm) 118,8 118,9 (3,6 cm) Tabell 1 Beregnede vannstander og endring i vannstand pga. ny kunstbru (i parentes) Side 4 av 41

5 1 Innledning Som grunnlag for utbygging av kunstbrua over Randselva på Kistefossmuseet ønsker Kistefossmuseet beregnet 500-års og 200-års vannlinjer langs Randselva fra brua og opp til utløp ved kraftverket Kistefoss II. Norconsult, ved Siv.Ing. Einar Markhus og Siv.Ing. Henrik Opaker, ble engasjert til å utarbeide en rapport om disse forholda. I arbeidet har Einar Markhus forestått beregning av flomstørrelser og hydrauliske beregninger av vannlinjer, mens Henrik Opaker har utført fagkontroll Side 5 av 41

6 2 Flomberegning Det er tidligere utført flere flomberegninger for Randselva forbi dam Kistefoss. Den planlagte kunstbrua på Kistefossmuseet ligger under 500 m nedstrøms dam Kistefoss, slik at vannføringen i elva vil være tilnærmet det samme som for dam Kistefoss. følgende flomberegninger er brukt for å bestemme 200 og 500 årsflom ved kunstbrua: 1. Flomberegning for Drammensvassdraget Bergefoss, Kistefoss, Askerudfoss og Viul oppdrag , Norconsult mai Flomberegning for Hønefoss, NVE dokument , Erik Holmqvist 3. Flomfrekvensanalyse vannmerke utført for perioden Resultater fra beregningene er vist i Tabell 2. Tabell 2 Beregnede flomvannføringer ved Kistefoss (verdier i parentes er forholdstallet mot den mindre flommen vist i Tabell 2, Q 500/Q 200 eller Q 1000/Q 500) Flom 1. Dam Kistefoss 2. Randselva ved utløp Randsfjorden 3. Vm Kistefoss 200 årsflom årsflom (1,08) 442 (1,04) 1000 årsflom 496(1,03) 453(1,03) NVEs beregning av flommer i Randselva ble utført ved hjelp av data fra Vm i Det ser ut som om vannføringskurven er endret og data eldre enn 1916 er slettet fra databasen siden den gang, se Figur 1. Dette medfører at datagrunnlaget for VM er vesentlig endret siden 2002 og derfor bør en benytte ferskere data som grunnlag for beregning av flomvannføringer Side 6 av 41

7 Figur 1 Årsmaks målt ved vannmerke Kistefoss, data brukt i NVEs beregning fra 2002 (rødt) mot data på NVEs hydrologiske database lastet ned i januar 2017 (svart). Reguleringer Randselva har vært påvirket av regulering siden 1912 da Randsfjorden ble regulert (327 mill m³). Arealet av Randsfjorden er km². Reguleringen av Randsfjorden ble øket på slutten av 1950-tallet. Før 1920 ble det foretatt noen mindre reguleringer i sidevassdrag til Randsfjorden. Siste større inngrep i vassdraget er utbyggingen av Dokka. Den øvre delen av Dokka magasineres i Dokkfløyvatn og utnyttes i kraftverkene Torpa og Dokka. Kraftverkene ble satt i drift i Nedbørfeltet til Dokkfløyvatn inklusive overføringer er 600km2, og regulerbart volum er 250 mill m³. Konklusjon hydrologi Bruker Norconsults flomberegning fra 2007 der Q500 er beregnet til 480 m 3 /s. For å finne Q200 er det brukt forholdstallet mellom Q500 og Q200 for vannmerke Kistefoss (1,04) og skalert Norconsults flomberegning ned med samme forholdstallet. Q200 er derfor beregnet til 462 m 3 /s Side 7 av 41

8 3 Vannlinjeberegninger med HEC-RAS 3.1 INNGANGSDATA Hydraulisk modell Flomsonen er beregnet ved hjelp av programmet HEC-RAS Modellen er satt opp som en 2- dimensjonell dynamisk hydraulisk modell. At programmet er 2-dimensjonalt betyr at det beregnes vannhastigheter og vannstander i et rutenett. For denne beregningen er det valgt et rutenett på 1x1m. Vertikale hastigheter blir ikke beregnet. Disse er som regel så lave at de kan ses bort i fra Digitale kartdata Det er benyttet LIDAR-data til å generere en terrengmodell i ArcGis. Denne har gode data over vannflaten oppmålingsdagen. Under vannflaten er det gjort forsøk på oppmåling, men dette måtte oppgis, da vanndybden sammen med vannhastigheten gjorde det vanskelig å måle. Den digitale terrengmodellen er forbedret ved hjelp av kalibrering i randselva, mens elvebunnen inn mot kraftverket er anslått ved hjelp av observasjoner fra befaringen, se Figur 2. Det er forsøkt å unngå å overdrive dybden, slik at den brukte terrengmodellen viser en mindre vanndybde enn den som er reel. Figur 2 anslåtte koter (rødt), koter med 0,5 m ekvidistanse generert fra LIDAR-data er vist med brun farge. Hele området vist med grønne farger er i terrengmodellen endret ved hjelp av de anslåtte kotene for eksisterende situasjon. I området vist med litt lysere grønn farge er geometrien til anleggsveien lagt inn i terrengmodellen for ny situasjon med anleggsveg og kunstbru Side 8 av 41

9 Figur 3 Terrengmodell for eksisterende situasjon, 0,5 m ekvidistanse Figur 4 Terrengmodell med innlagt ny bru og anleggsvei, 0,5 m ekvidistanse Side 9 av 41

10 3.1.3 Tverrprofiler Bruer Det foreligger ikke oppmålte tverrprofiler for strekningen. Tverrprofiler er basert på digitale kart. Tverrsnitt som viser hvordan elvebunnen er kalibrert er vist i Appendix B. Kalibreringen er utført ved hjelp av vannføringskurven ved Vm Elva krysses av en gangbru ved Kistefossmuseet. Det er ikke regnet med at brua skaper en større innsnevring enn det den digitale terrengmodellen viser Kraftverket Kistefoss II Slukeevnen til kraftverket Kistefoss II er 52 m 3 /s. Siden det er endringer i vannstanden for undervannet til dette kraftverket som er mest kritisk for tredjepart i dette tilfellet gjennomføres de hydrauliske beregningene under forutsetning om at det går 52 m 3 /s gjennom kraftverket Kalibrering av modell En kalibrert modell vil generelt gi mer nøyaktige resultater enn en ikke-kalibrert modell. Modellen er kalibrert ved hjelp av Vm Kistefoss som ligger 75 m nedstrøms den nye kunstbrua. Gjeldende vannføringskurve (NN1954): Q= x(h-.2620)^ gjelder for vannstander mellom.262 og moh. For å konvertere til NN2000 heves høydene 14 cm. Modellen er kalibrert ved å ta ut tverrsnitt til en 1D modell. Tverrsnittene er blitt justert slik at 1Dmodellen regner riktig vannstand ved liten vannføring (0,55 m 3 /s). Deretter er manningstallet kalibrert slik at vannstand ved større vannføringer stemmer overens med vannføringskurven til Vm Deretter er den kalibrerte (justerte) elvebunnen lagt inn i den digitale terrengmodellen, samt at det kalibrerte manningstallet er brukt i 2D-modellen. Kunstbrua Plan: Kalibrering Randselva Kistefoss 121 Leg end WS 675 WS 375 WS WS 80 WS 25 WS OWS 0.55 OWS 25 OWS 80 OWS 200 OWS O OWS VM Main Channel Distance (m) Figur 5 Sammenligning av beregnet vannstand mot vannføringskurve ved Vm Kistefoss. Vannmerke ligger ved tverrsnitt Side 10 av 41

11 Vannføring (m 3 /s) Vannstand. (NN2000) Vannføringskurve (NN2000) (m 3 /s) (moh.) (moh.) (m) , , , , , ,07 Differanse Tabell 3 Sammenligning av beregnet vannstand mot vannføringskurve ved Vm Kistefoss Ved kjøring av 2D-modellen er vannstanden tilnærmet lik 1D-modellen Ruhet i elva Det er benyttet Manningstallet n = 0.03 for hele området, samtidig er det er brukt en eddyviskositet på 0, Nedstrøms grensebetingelse Nedstrøms grensebetingelse er satt til normalstrømning 1:100 i 1D modellen. Modellen går ca. 700 m nedstrøms kunstbrua. Nedstrøms grensebetingelse skal derfor ikke ha noe å si for beregnet vannstand ved brua og opp til kraftverket. Beregnede vannstander fra 1D-modellen er brukt som fast vannstand i 2D-modellen Side 11 av 41

12 Vannstand (moh.) Oppdragsnr.: RESULTATER Det er tegnet opp flomsonekart for Randselva ved Kistefoss for fire situasjoner: 1. Q200 eksisterende situasjon 2. Q200 ny bru og anleggsvei 3. Q500 eksisterende situasjon 4. Q500 ny bru og anleggsvei Flomsonekartene er vist i Appendix C. For 200 årsflom som initialsituasjon er det beregnet at vannstanden ved utløpet til kraftverket Kistefoss II ligger på kote 118,8, og at den endres med 3,4 cm pga. kunstbrua og anleggsveien. 500 årsflom er beregnet til å være 6 cm høyere enn 200 årsflom (kote 118,9 for situasjon med ny bru). Endringen er beregnet til 3,6 cm, se Figur 6 og Figur 7. Q 200 beregnet endring i vannstand ved utløp fra kraftverket Kistefoss II, differanse 3,4 cm Lengde (m) Q200 eksisterende Q200 Ny bru og anleggsvei Terreng eksisterende Figur 6 Beregnet vannstand ved utløp av Kraftverket Kistefoss II for 200 årsflom for eksisterende og framtidig situasjon med ny bru og anleggsvei Side 12 av 41

13 Vannstand (moh.) Vannstand (moh.) Oppdragsnr.: Q 500 beregnet endring i vannstand ved utløp fra kraftverket Kistefoss II, differanse 3,6 cm Lengde (m) Q500 eksisterende Q500 Ny bru og anleggsvei Terreng eksisterende Figur 7 Beregnet vannstand ved utløp av Kraftverket Kistefoss II for 500 årsflom for eksisterende og framtidig situasjon med ny bru og anleggsvei Under kunstbrua er endringen noe vanskeligere å beskrive, se Figur 8 og Figur 9, men maks beregnet endring for 200 årsflom er 3 cm, og for 500 årsflom 5 cm. Vannstanden er beregnet til kote 118,7 moh. for 200 årsflom og 118,8 for 500 årsflom etter utbygging av kunstbrua, se Figur 8 og Figur 9. Det er her brukt den høyeste beregnede vannstanden i tverrsnittet vist i figurene. Under selve brua varierer vannstanden med over 0,3 m ved begge flomstørrelsene, se Figur 11 og Figur Q 200 beregnet endring i vannstand under kunstbrua, maks differanse 3 cm Lengde (m) Q200 eksisterende Terreng eksisterende Q200 Ny bru og anleggsvei Terreng ny bru Figur 8 Beregnet vannstand under kunstbrua for 200 årsflom for eksisterende og framtidig situasjon med ny bru og anleggsvei Side 13 av 41

14 Vannstand (moh.) Vannstand (moh.) Oppdragsnr.: Q 500 beregnet endring i vannstand under kunstbrua, maks differanse 5 cm Lengde (m) Q500 eksisterende Terreng eksisterende Q500 Ny bru og anleggsvei Terreng ny bru Figur 9 Beregnet vannstand under kunstbrua for 500 årsflom for eksisterende og framtidig situasjon med ny bru og anleggsvei På grunn av den nye kunstbrua blir oversvømt areal ved brua redusert noe pga. nye landkar, se Figur 10 til Figur 12. Q 200 beregnet endring i vannstand under kunstbrua, maks differanse 3 cm Lengde (m) Q200 eksisterende Terreng eksisterende Q200 Ny bru og anleggsvei Terreng ny bru Figur 10 Beregnet vannstand under kunstbrua for 200 årsflom for eksisterende og framtidig situasjon med ny bru og anleggsvei, se lokalisering på Figur 11 og Figur 12. Vannstand og terreng Side 14 av 41

15 Figur årsflom med utbredelse av eksisterende situasjon med blå farge og framtidig situasjon med ny bru og anleggsvei med rød farge. En ser at området ved brua får redusert utbredelse ved 200 årsflom pga. utfyllinger rundt brua. Ekvidistanse vannstand 0,1 m Side 15 av 41

16 Figur årsflom med utbredelse av eksisterende situasjon med blå farge og framtidig situasjon med ny bru og anleggsvei med rød farge. Ekvidistanse vannstand 0,1 m Sikkerhetsmargin I henhold til Vegvesenets håndbok N400 bør det for bruer legges til en sikkerhetsmargin på 0,5 m på de beregnede vannstandene Side 16 av 41

17 4 Referanser /1/ Flomberegning for Drammensvassdraget, Bergefoss, Kistefoss, Askerudfoss og Viul, Oppdrag Rapport nr. 001, Norconsult /2/ Flomberegning for Hønefoss NVE dokument 13/2002. /3/ Vannmerke Kistefoss NVEs Hydra-database, /4/ HEC-RAS 5.0 Reference manual, HEC Side 17 av 41

18 5 Appendix APPENDIX A: FLOMFREKVENSANALYSER APPENDIX B: TVERRPROFILER APPENDIX C: FLOMSONEKART Side 18 av 41

19 Appendix A Flomfrekvensanalyser Kistefoss, data Det er GEV-fordeling som har den beste tilpassingen til dataene Tabell 4 Flomfrekvensanalyse VM Kistefoss for perioden (GEV-fordeling) Gjentaksintervall (år) Vannføring (m 3 /s) Qx/Qm Middelflom Q500/Q200=1, Side 19 av 41

20 Vm Kistefoss, vårflommer (sesong 1/1-31/7) Gjentaksintervall (år) Vannføring (m 3 /s) Qx/Qm Middelflom Q500/Q200=1, Side 20 av 41

21 Figur 13 Vm Kistefoss målt årsmaks Side 21 av 41

22 Pga. den korte perioden fra 1989 til 2015 (27 år) er det i henhold til NVEs retningslinjer for flomberegninger anbefalt å bruke 2 parameterfordeling framfor 3-parameterfordeling for denne tidsperioden. Det vil si at i dette tilfellet bør Gumbelfordeling benyttes. Vi ser at beregnede flomverdier for perioden er større enn de beregnet for Ved å se på årsmaksene vist i Figur 13 ser vi at grunnen til dette må skyldes valg av fordelingsfunksjon og at det er en kortere beregningsperiode. Ut i fra denne figuren kan vi se et homogenitetsbrudd rundt 1989 som skyldes reguleringen av Dokkfløyvatnet. Det er derfor grunn til å se bort ifra de høyere beregnede flomvannføringene for perioden og benytte perioden som grunnlag for beregnet flomvannføring for Randselva ved Kistefoss. Konklusjonen blir at det er forholdstallet mellom Q500 og Q200 for vårflommer beregnet for perioden som benyttes (1,04). Tabell 5 Flomfrekvensanalyse VM Kistefoss for perioden (Gumbelfordeling) Gjentaksintervall (år) Vannføring (m 3 /s) Qx/Qm Middelflom , , , , , , , ,874 Q500/Q200=1, Side 22 av 41

23 Momentanvannføring / døgnmiddelvannføring NVEs flomberegning: For Randselva er det ikke tilgjengelige data med finere tidsoppløsning enn døgn, slik at for Randselva antas kulminasjonsvannføring og døgnmiddelvannføring å være lik. Norconsults flomberegning: Flommene som er beregnet i det foregående er døgnmidler. Vi har basert kulminasjonsfaktoren på NVEs vurderinger i (3). For Randsfjorden (Kistefoss) er den vurdert til 1,0. Konklusjon: Kulminasjonsfaktoren momentanvannføring/døgnmiddelvannføring = 1, Side 23 av 41

24 Appendix B Tverrsnitt med angivelse av hvordan tverrsnitt er justert ved hjelp av kalibrering ved lav vannføring 0,55 m 3 /s Figur 14 lokalisering av tverrsnitt Side 24 av 41

25 Crit Comp Geom Crit Comp Geom Comp Geom Side 25 av 41

26 150 - Comp Geom Comp Geom Comp Geom Side 26 av 41

27 - Comp Geom Crit Comp Geom Crit Comp Geom Side 27 av 41

28 Crit Comp Geom Crit Comp Geom Crit Comp Geom 1 Ineff - Comp Geom 1 Ineff Side 28 av 41

29 Crit Comp Geom 1 Ineff - Comp Geom 1 Ineff Crit Comp Geom 1 Ineff - Comp Geom 1 Ineff Crit Comp Geom 1 Ineff - Comp Geom 1 Ineff Side 29 av 41

30 Crit Comp Geom 1 Ineff - Comp Geom 1 Ineff Crit Comp Geom 1 Ineff - Comp Geom 1 Ineff Crit Comp Geom Side 30 av 41

31 - Comp Geom Comp Geom Comp Geom Side 31 av 41

32 - Comp Geom 1 O Comp Geom Comp Geom Side 32 av 41

33 - Comp Geom Comp Geom Comp Geom Side 33 av 41

34 - Comp Geom Comp Geom Comp Geom Side 34 av 41

35 - Comp Geom Comp Geom Comp Geom Side 35 av 41

36 - Comp Geom Comp Geom Crit Comp Geom Side 36 av 41

37 Crit Comp Geom Crit Comp Geom Side 37 av 41

38 Appendix C Flomsonekart Q200 Flomsone eksisterende situasjon blå, kunstbru lilla, 0,1 m ekvidistanse å vannflaten Side 38 av 41

39 Q200 Vannretninger og vannhastigheter for situasjon med kunstbru Side 39 av 41

40 Q500 Flomsone eksisterende situasjon blå, kunstbru lilla, 0,1 m ekvidistanse å vannflaten Side 40 av 41

41 Q500 Vannretninger og vannhastigheter for situasjon med kunstbru Side 41 av 41