Faglig vurdering av hydrauliske forhold i Byglandsfjorden, Otravassdraget,

Transkript

1 Prosjektrapport Til: Haavard Østhagen, Vannressursavdelingen (V) Fra: Péter Borsányi HV H Ansvarlig: Sverre Husebye Dato: Saksnr.: NVE Arkiv: 021.D7 Kopi: Faglig vurdering av hydrauliske forhold i Byglandsfjorden, Otravassdraget, Aust-Agder Prosjektrapport for Hydrauliske forhold i Åraksfjorden; Krypsiv Sammendrag Prosjektet Hydraulisk forhold i Byglandsfjorden støtter løsningen av problemer med krypsivet i Byglandsfjorden. Benyttet metode er 3-dimensjonal hydraulisk simulering, som er en ny løsningsmåte i NVEs forvaltning. Derfor har arbeidet to formål; primært å beskrive hydrauliske forhold i fjorden med hensyn til sannsynlig bevegelse og fordeling av krypsivet fryst inn i isbiter. Det andre formålet er å teste og eventuelt utvikle modelleringsmetodikken som NVE kan benytte i slike oppgaver i fremtidens forvaltning. Ved å slå sammen oppgavene vil resultatene ha en økt verdi i begge tilfeller, fordi punkter som ikke nødvendigvis er analysert med hensyn til hverandre er sammensett her. Problembeskrivelse Krypsiv (Juncus supinus og Juncus bulbusos) er en vanlig vannplante på Sør- og Østlandet. Vanligvis er den liten og unnselig, men dersom vekstvilkårene blir spesielt gunstige kan krypsiv danne store bestander. Disse plantene har vokst i flere vassdrag på Sør- og Østlandet etter reguleringen, og i dag hindrer de tradisjonell bruk av vannet. Følgende problemer er oppdaget i forbindelse med krypsivet: Badeplasser gror igjen Vanskelig å fiske både fra elvekant og båt Man har registrert at gyteområder for laks kan bli gjengrodd Krypsivet er ikke estetisk På Sørlandet er fem vassdrag kartlagt, og krypsiv som problemvekst dekker totalt minst dekar i disse vassdragene. Årsakene til den økte veksten av krypsiv kan være mange. Det nevnes både vassdragsregulering (mindre variasjon i vannføring), varmere klima, økt nitrogeninnhold i nedbør og kalking, men man finner krypsiv i både uregulerte og ukalkede vassdrag. Å gjenskape den naturlige

2 Side 2 balansen i vassdraget vil trolig være den beste løsningen på lang sikt for å bli kvitt krypsiv som problem. Det ble i 2002 opprettet et eget prosjekt, Krypsivprosjektet på Sørlandet, som skal kartlegge omfang og årsaker til krypsiv som problemvekst. Gruppen er bredt sammensatt, og NVE er representert. Prosjektet ledes av miljøvernavdelingen hos Fylkesmannen i Vest-Agder. I tillegg er Krypsivfondet ledet av NVEs representant som i konsesjon ble pålagt Otteraaens Brugseierforening. Krypsivfondet ble opprettet av Stortinget som bl.a. et vilkår for fornyet regulering av Byglandsfjorden. Fondet skal anvendes til undersøkelser og tiltak for å avbøte ulempene for allmenne interesser som følge av begroing av krypsiv i Otravassdraget, og for å forbedre forholdene for laks og annen fisk i vassdraget. Som midlertidig, men erfaringsmessig tidens beste metoder, er innfrysing og mekanisk fjerning. Mekanisk fjerning av krypsivet opererer med klipping, utgraving av plantene og lignende. Dette er kostbare metoder som det er mest aktuelt å bruke på avgrensede områder (badeplasser etc.). Metoden fjerner på kort sikt problemet, men ikke årsaken. Alternativet er innfrysing av plantene. En effektiv måte å fjerne krypsiv på er å regulere vannstand om vinteren slik at krypsivet fryser inn for så å øke vannføringen og skylle bort isen. Krypsivet følger da med. Utfordringen er å klare å samle ismassene slik at man kan fjerne alt, for ellers vil bare sivet blir ført lenger ned i vassdraget. Det har tidligere vært gjort et innfrysningsforsøk i Otra. Det går ut på å stoppe (bare minstevannføringen slippes) Brokke kraftverk oppstrøms fjorden i en kuldeperiode, slik at vassdraget fryser til og mye av krypsivet fryser fast i isen. Etter at isen er cm tykk startes kraftverket med stor vannføring og tar med seg det fastfrosne krypsivet. Dette er så langt den eneste metoden som finnes som enkelt kan rense store deler av vassdraget for krypsiv. Problemet med innfrysningsmetoden er særlig knyttet til oppsamling av krypsivet. Erfaringen fra tidligere er at krypsivet avlagres i Åraksfjorden (nordre del av Byglandsfjorden) og blir flytende eller liggende der til det er samlet inn eller brutt ned på naturlig måte. For å unngå en forskyvning av problemet er det derfor nødvendig å få samlet opp mest mulig av krypsivet. Isen kan samles opp ved hjelp av lenser, som skal legges i øvre delen av Åraksfjorden. Lenser skal lede is med innfryst krypsiv inn til et sted der man kommer til med gravemaskin, og fjerne dem ut fra vannet. Problemet er dermed å finne strømningsforholdene i Byglandsfjorden ved ulike vannstand og vannføring-kombinasjoner som beskriver krypsivets sannsynlig avlagringssted. Metode Hydrologisk avdeling anbefalte en løsning ved hjelp av en 3D-hydraulisk modell. Modellen kan utvikles basert på oppmålingen av bunnforhold i fjorden, hastighetsmålinger for verifisering av modellens utførelse, og bestemte grensebetingelser som viser mulige variasjoner av vannstander og vannføringer i fjorden. Simuleringsresultater fra modellen skal vise strømningsmønsteret og vannhastighetsfordeling ved ulike vannføring og vannstand-kombinasjoner, som gjør det enkelt å finne riktig plassering til lenser. Innløpet til Åraksfjorden ved Ose bru er relativt trangt. Selv om isen på dette stedet i vassdraget var relativt finknust ved det forsøket som er gjort, er vannhastigheten og kreftene for store til at en lense kan plasseres her. Plasseringen langs et sted ved Bygglandsfjorden, lengre nedstrøms fra Ose bru kan

3 Side 3 være løsningen. Derfor skal den hydrauliske modellen dekke området mellom Ose bru og sandøyene som ligger øst for campingplassen. Se kartet på Figur 1. Figur 1: Oversiktskart over Byglandsfjorden (NVE Atlas) Modellutviklingen Oppmåling Grunnlaget for modellen er oppmåling av bunnen og strømningene i elva ved forskjellige vannstander og vannføringer. Til dette ble en Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) brukt. ADCP-en er et instrument som Seksjon for hydrometri (HH) vanligvis bruker til vannføringsmålinger. Instrumentet sender ut lydsignaler i flere retninger i vannet, og måler avvik mellom frekvensene til utsendte og mottatte signaler. Avviket kan brukes videre for å beregne både vannhastigheten i flere dybder rundt instrumentet, og avstanden til bunnen. Hvis en Global Positioning System (GPS) kjøres sammen med ADCP-en, fås alle målingene i et felles koordinatsystem. Oppmålte bunnpunkter ved koordinater ble videre brukt for å lage bunnkart for Byglandsfjorden. Men på grunn av varierende vannstand i måleperioden og unøyaktighet i vanlig GPS-målinger, måtte det utføres en tilleggsmåling av vannspeilet.. Til dette ble en Differential Global Positioning System (DGPS) og en vanlig nivelleringskikkert med nivelleringsstang benyttet. DGPS er en GPS med økt nøyaktighet. Prinsippet er at man etablerer en midlertidig basestasjon i nærheten av oppmålingen, som gjennom radio eller mobilnettet sender signaler til en mobilstasjon. Mobilstasjonen får dermed både vanlige GPS-signaler fra satellitter, og presiseringen fra basestasjonen. Dessverre kan kvaliteten til

4 Side 4 kommunikasjon mellom de to stasjonene variere i stor grad avhengig av ulike faktorer, som topografi, vær, siktbart antall satellitter og lignende. Se Figur 2 som viser oppmålingene. Figur 2: Oppmålte strekninger i Byglandsfjorden I tillegg til bunnen ble det målt vannhastighet og vannføring også som beskrevet tidligere. Vannhastighetsverdier kan brukes videre for å verifisere (vise nøyaktighet) til modellen ved sammenligning av måledata med modellerte data. Vannføringen er delvis brukt for oppsett av modellen, som grensebetingelse. Det ble utført to målekampanjer, april 2008 og juli Den første dagen av oppmålingen falt dessverre sammen med vårflommen, noe som ga et vanskelig måleforhold. Derfor er

5 Side 5 dataene fra denne kampanje bare delvis brukbare. Ved andre forsøk var det enklere måleforhold. Dataene som er samlet i juli er derfor av bedre kvalitet. Bunnkart For å bearbeide måledata og interpolere både vannoverflate og dybdedata, ble programvarene ArcGIS og Surfer brukt. Oppmålte punkter i elvas bunn ble satt sammen, og et kart med fem meter horisontal oppløsning ble generert. Nøyaktigheten varierer avhengig av måleforhold og tetthet av oppmålte punkter. Vi brukte Kriging algoritmen som beholder verdiene til originale datapunkter. For interpolasjonen ble variogramm-funksjoner brukt. Ved hjelp av en variogramm kan man påvirke i hvor stor grad forskjellige grupper av datapunkter tas hensyn til å beregne enkelte interpolerte verdier. For eksempel kan påvirkningen reduseres ved økende avstand, antall punkter i X- og Y-retninger kan begrenses, og interpolasjonslikningen kan selv bestemmes. I enkelte regioner, der interpolasjonen viste noe større usikkerhet, ble bunnen redigert manuelt. Dette gjelder to områder i grenseområdet mellom hovedstrømningen og bukta på nordøstre siden av fjorden (se Figur 3). Figur 3: Byglandsfjorden dybdekart

6 Side 6 Modellens grensebetingelser For å utvikle en hydraulisk modell trenger man beskrivelse av elvas geometri (bunnkart eller tverrprofiler og bunnforhold), vannføringer inn i modellen og vannstander ved utløpet. I Byglandsfjorden er det to innløp og et utløp. Innløpet fra Otra reguleres gjennom kraftproduksjon, men fra Reiårsfossen er det uregulert. Vannstanden i fjorden er også regulert. Byglandsfjorden er regulert med fem meter (mellom kote 203 og 198). Av hensyn til gyting, er regulanten pålagt å holde vannstanden konstant på kote 200,5 eller lavere. Strømningsforholdene i utløpet kan variere noe med vannstanden, men som et realistisk utgangspunkt kan man modellere ut fra en vannstand på omtrent kote 200. Målestasjon Ose har måledata i perioden 1970 d.d. (kvalitetssikret i døgnarkiv fra 2001). Stasjonen er kalibrert for å vise magasinvolumet i øvre delen av Åraksfjorden. Figur 4 viser vannstandsvariasjoner de siste årene. Ved flommen er det ikke uvanlig at vannstanden øker på 203,45 m.o.h., mens lavest målte vannstand er rundt 200 m.o.h. Figur 4: Observerte vannstander i Åraksfjorden ved Ose bru mellom 2001 og 2007 (Hydra database) Vannføringen til Byglandsfjorden er stort sett regulert fra kraftverkene Hekni og Hovatn. I tillegg er det lokalt tilsig mellom utløpet av kraftverkene og fjorden, som er lite sammenlignet med vannmengdene fra kraftverkene. Figur 5 viser estimerte vannføringer ved måledagene. Ca. 300 meter nedstrøms Ose bru renner Reiårsfossen inn i fjorden. I målekampanjene ble det observert vannføringer mellom 2 m 3 /s (juli) og 12 m 3 /s (april).

7 Side 7 Figur 5: Estimert vannføring inn Åraksfjorden på dagene av oppmålingen (Agder Energi) SSIIM Modellverktøyet SSIIM ble brukt for å utvikle den hydrauliske modellen selv. I SSIIM kan man simulere strømningsforholdet i fjorden både med 2- og 3-dimensjonal metodikk. En 3D-hydraulisk analyse beregner strømningsforholdet i alle tre romslige dimensjoner, mens ved en 2D-analyse tas det ikke hensyn til vertikale strømninger. Her strømmer vannet bare horisontalt og den vertikale hastighetsprofilen er fordelt etter en teoretisk logaritmisk funksjon. I Byglandsfjorden ble 3Dmetodikken brukt. Scenarier Basert på oppmålinger, historiske dataserier og manøvreringsreglement ble åtte forskjellige hydrauliske situasjoner testet. Tre grensebetingelser (to vannføringer og en vannstand) ble kombinert i alle mulige ekstremer. Tabell 1 viser en beskrivelse av simulerte scenarier. Scenarier Tabell 1: Simulerte ekstreme scenarier Vannføring i Otra (m 3 /s) Vannføring i Reiårsfoss (m 3 /s) Vannstand (m) Scenario ,00 Scenario ,45 Scenario ,45 Scenario ,00 Scenario ,00 Scenario ,45 Scenario ,45 Scenario ,00 Testing av andre grensebetingelser er selvsagt mulig, men Scenariene 1-8 vil dekke en bred samling av oppsetter som sannsynligvis dekker flest mulig hydrauliske situasjoner i fjorden. Det må presiseres at oppsettkombinasjoner tar hensyn til uavhengig observerte eller estimerte ekstremer. Det er mulig at enkelte kombinasjoner er umulig å treffe i realiteten.

8 Side 8 Resultater Resultatene er presentert ved bruk av fargekart, der fargene viser vannhastigheten i nærheten av vannoverflaten (høyeste vann-lag) og strømningslinjer på samme nivå. På grunn av ekstreme verdier som ble brukt for å sette opp modellene, har enkelte resultater varierende kvalitet. Følgende liste vil vise resultatskvaliteten. Scenarier Q Otra (m 3 /s) Q Reiårsfoss (m 3 /s) Resultats kvalitet Scenario Dårlig Scenario God Scenario Perfekt Scenario Dårlig Scenario Dårlig Scenario Perfekt Scenario Perfekt Scenario Dårlig Resultater fra scenarier 1, 4, 5 og 8 bør brukes som grov situasjonsbeskrivelse men ikke som fasit, fordi dataene ikke er direkte akseptable.

9 Side 9

10 Side 10 Evaluering Som resultatene viser, er det mulig å treffe flere ulike hydrauliske situasjoner i Byglandsfjorden. Noen av disse kan man observere sjelden (der simuleringsresultater er av dårlig kvalitet), mens andre er mer typiske. Lensenes plassering må ta hensyn til strømlinjenes tetthet, retning og vannhastighet på overflaten. Derfor er oppgaven å velge scenarier som viser områder med relativt lav vannhastighet og samtidig tett strømningsmønster. Fargene i bildebakgrunnen viser resultatets kvalitet for å forenkle evalueringen. Scenario 1 er av dårlig simuleringskvalitet, som viser at oppsett av modellen ikke er typisk men litt unaturlig Samme gjelder scenario 4. Man kan allikevel se at hvis vannstanden i fjorden er lav og vannføringen i Otra er høy, kan Reiårsfossen ikke påvirke strømningsforholdet. Strømningen følger nordsiden av fjorden og blir turbulent øst for sandbankene, ved utløpet av modellen i begge scenarier. Hastigheten holder seg rundt 1 1,5 m/s oppstrøms bukta-området. Scenario 2 og 3 viser situasjoner med høy vannføring fra Otra og lav vannstand i fjorden. Begge scenarier ga et perfekt resultat, som viser at disse situasjonene er naturlige. Sammenlignet med scenario 1 og 4, kan en se at strømningen ikke følger nordsiden lenger, men mer langs øyene (som er oversvømt ved høy vannstand) på sørsiden. Samtidig er strømningslinjer mer spredt over bredden av fjorden. Hastighet ved overflaten er noe lavere enn i tidligere beskrevet scenario 1 og 4. Scenario 5 og 8 er av dårlig kvalitet. Disse viser situasjoner med middels vannføring fra Otra og lav vannstand i fjorden. I begge scenarier ser man strømningslinjer som følger nordsiden av fjorden, (som i scenario 1 og 4), og hastighet rundt 1 1,5 m/s. Forskjellen mellom 1-4 og 5-8 er at den trange strømningen følger nordsiden enda lengre ved lavere vannføring fra Otra. Også her er spredningen av strømningsmønster på den sørøstlige delen av modellen bredde oppstrøms fra modellens utløpet. Scenario 6 og 7 viser situasjoner der vannføringen fra Otra er middels, mens vannstanden i fjorden er høy. Begge scenarier er av god kvalitet. Her påvirker Reiårsfossen strømningen: Ved lav vannføring fra fossen får man en stor bakevje rett nedstrøms Ose bru på venstre siden av fjorden. Samtidig får man en meget trang strømning rett oppstrøms sandøya, foran utløpet av fossen. Herfra følger strømningen sandøya som tidligere (i scenario 2 og 3), men kanskje litt mindre spredt. I alle scenarier ser man en stor bakevje mellom utløpet av fossen og Ose bru på høyre siden av fjorden. Det ble også observert ved alle målinger. Dimensjoner av denne er primært påvirket av vannstanden i fjorden, men vannføringen fra fossen er også viktig. Konklusjon Plasseringen av lenser må være avhengig av lensers fysiske egenskaper, spesielt av vannhastighetsgrensen som en lense kan tolke, og av retningen for lense må treffe isen. Med hensyn til disse kan man konkludere at ved høy vannstand i Byglandsfjorden er det enklere å samle isen på nordsiden av fjorden, fordi strømningsmønster følger denne siden. Situasjonen endrer seg ved lav vannstand. Da er strømningen litt mer spredt, og hastigheten noe lavere. Strømningsmønster følger sandøya på sørsiden av modellen. En spesiell situasjon oppstår når både Reiårsfossen og Otra har lav eller middels vannføring, mens fjorden har høy vannstand. Strømningen holder seg trang så lenge at den treffer sandøya.