Vannlinjeberegning for Rolvselve (015.JB7A), i Nore og Uvdal, Buskerud

Transkript

1 Notat Til: Fra: Ansvarlig: Statens vegvesen Region sør, Vegseksjon Buskerud v/odd Gulaker Péter Borsányi Sverre Husebye Kval.kontroll: Demissew K. Ejigu Dato: Saksnr.: NVE Arkiv: 333 / 015.JB7A Vannlinjeberegning for Rolvselve (015.JB7A), i Nore og Uvdal, Buskerud Innledning Rolvselve ligger i Nore og Uvdal kommune i Buskerud. Fylkeskommunen vurderer å planlegge ombygging av brua på Fv122 som krysser elva og fungerer som en flaskehals på veitrafikken i dag. Det er i denne forbindelse nødvendig å beregne vannlinje. Det er ønske om å estimere maksimal flomvannstand i elva for en 200-års flom. Tiltakshaver for prosjektet er Statens vegvesen. Prosjektområdet begrenser seg til området i nærheten av Øvre Rolvs bru på Fv122 og til en bru og en kulvert oppstrøms dette, i Bakkaneveien. Området omfatter også strekninger av elva mellom, og et stykke både opp- og nedstrøms bruene som er nødvendig å inkludere i modellen. Ifølge oppdragsgiver foreligger det gode høydedata for området basert på laserskanning. Selve Rolvselve er en cirka 3 km lang elv på meget bratt terreng, og flere løyper som renner fra Vasstølvatnet ned til Uvdalselva. Oppdragsgiveren gjorde nyere terrengdata tilgjengelig til arbeidet. I tillegg ble det brukt bilder fra befaringen, tilgjengelig kartdata, ortofoto og terrengmodell med 10 meters gridsstørrelse.

2 Side 2 Figur 1: Oversikt over prosjektområdet Metode Arbeidet er utført i to trinn, flomberegningen og vannlinjeberegningen. Resultatene fra første oppgave brukes videre i andre oppgave. Flomberegningen Viser til vedlagt dokumentet om flomberegning. Følgende tabell viser fordelingen, verdiene er i m 3 /s. Elv Q m Q 5 Q 10 Q 20 Q 50 Q 100 Q 200 Q 500 Rolvselve 9,2 11,5 13,6 15,5 18,1 20,1 22,2 25,0 Hydraulisk beregning Det hydrauliske modelleringsverktøyet HEC-RAS er benyttet til beregning av vannlinjene. Verktøyet er utviklet av US Army Core of Engineers (USACE) Hydrologic Engineering Center (HEC). Se HEC- USACE (2002) for detaljer. Datagrunnlag til arbeidet er kartdata, fotografier av elveløpene, data samlet på befaringen, ortofotoer samt flomberegningen. Basert på disse er det utviklet en forenklet representasjon av elvene i form av en 1D hydraulisk modell. Chow et al. (1988) gir detaljer om slike modellsystemer. Geometri Elvebunnen og terrenget i 1D hydrauliske modeller er representert av utvalgte tverrprofiler. Oppdragsgiveren har skaffet terrengdata som er blitt brukt videre til å generere en terrengmodell. Tverrprofiler er tatt ut ifra denne terrengmodellen og ble finjustert. De islagte områdene ved befaringen ble estimert ifølge lokale kunnskaper og erfaringer. Strekningene i modellen inkluderer cirka 800 meter av Rolvselve fra 500 meter oppstrøms øvre brua i Bakkaneveien og ned til 250 meter nedstrøms Øvre Rolvs bru på Fv 122.

3 Side 3 Bildet nedenfor viser nummereringen til tverrprofilene og oversikt over HEC-RAS modellområdet. Numrene til tverrprofiler tilsvarer avstander langs elva målt fra nedstrøms. Dermed er profil 13 lengst nedstrøms, 60 er neste oppstrøms, og så videre. Figur 2: Nummerering av tverrprofiler i vannlinjemodellen

4 Side 4 Strømningsforhold Alle typer energitap som påvirker vannstanden langs elveløpene er blandet i en enkelt faktor: Mannings tall. Forskjellige tall ble brukt for elveslettene der det fins busker og skog, og for hovedkanalen. Verdiene er estimert basert på litteraturstudie og erfaring. Se igjen Chow et al. (1988) for flere eksempler. Hovedkanalen er vurdert som et bratt fjellvassdrag med større steinblokker og rullestein. I tillegg har elveslettene tett vegetasjon med skog og buskas også om vinteren. Basert på disse er følgende Mannings n verdier benyttet: Elv Elveslette Hovedkanal Rolvselve 1,2 0,07 Kalibrering I dag fins det ikke vannføringsmålinger eller observasjoner i elva. Ved befaringen var elvene islagt, og dermed var det ikke mulig å utføre målinger. Av denne grunn er det ikke mulig å justere modellparametre (nemlig hydraulisk ruhetsverdier) for å oppnå et oppsett der modellresultater sammentreffer målinger. Derfor er det viktig å plassere avgrensede tverrprofiler slik at strømningsforhold enkelt kan vurderes. Lokalkjente observerte sprut og noe oversvømmelse tidligere på brua i Bakkaneveien. Informasjonen ble brukt for å finjustere modelloppsettet. Her er det antatt at det oppstår normal strømning både ved oppstrøms enden av modellen (merket med S opp ) og ved nedstrøms enden (merket med S ned ). Ved normalstrømning følger vannspeilet helningen til bunnen (vannspeilet og elvas bunn ligger parallelt ved de to endene til modellen). Disse verdier refereres til som grensebetingelser. Følgende tabell viser valgte verdier. Grensepunkt Øvre grensebetingelse Nedre grensebetingelse Rolvselve S opp = 0,31 (normal strømning) S ned = 0,1161 (normal strømning)

5 Side 5 Resultater Resultatene for vannlinjer for middels-, 200-års og for 500-års flommer er samlet i tre tabeller. Tabell 1: Vannføring, vannstand, gjennomsnitt vannhastighet og Froude tall ved middelflom i Rolvselve Tverrprofil Vannføring Q M (Middelsflom) Vannstand Gjennomsnitt hastighet (m 3 /s) (m) (m/s) Froude tall 807 9,2 688,29 3,31 2, ,2 675,47 3, ,2 658,34 3,75 2, ,2 637,85 3,07 2, ,2 617,87 4,31 2, ,2 610,4 3,67 1, ,2 601,47 3,45 1, ,2 595,8 3,33 1, ,2 586,51 2,94 1, ,2 578,56 3,78 1, ,2 571,31 1,13 0, Bakkaneveien bru 358 9,2 570,16 2, ,2 565,5 3,35 1, ,2 560,31 3,5 1, ,2 553,93 3,05 1, ,2 544,92 0,58 0, Øvre Rolvs bru 235 9,2 540,59 2, ,2 534,19 3,06 1, ,2 530,68 3,06 1, ,2 516,38 3,52 1, ,2 512,06 2,09 1, ,2 504,46 3,22 1, ,2 497,51 2,89 1,49

6 Side 6 Tabell 2: Vannføring, vannstand, gjennomsnitt vannhastighet og Froude tall ved 200-års flom i Rolvselve Tverrprofil Vannføring Q 200 (200-års flom) Vannstand Gjennomsnitt hastighet (m 3 /s) (m) (m/s) Froude tall ,20 688,49 4,52 2, ,20 675,75 4,90 2, ,20 658,58 4,74 2, ,20 638,04 3,48 2, ,20 618,17 4,91 2, ,20 610,73 4,84 1, ,20 601,75 4,58 1, ,20 596,19 3,32 1, ,20 586,77 3,73 1, ,20 579,01 4,60 1, ,20 572,19 1,43 0, Bakkaneveien bru ,20 570,77 3,02 1, ,20 565,79 4,00 1, ,20 560,64 4,65 1, ,20 554,20 3,77 1, ,20 545,36 0,94 0, Øvre Rolvs bru ,20 541,11 2,37 1, ,20 534,43 4,20 1, ,20 531,14 2,99 1, ,20 516,62 4,71 2, ,20 512,30 2,93 1, ,20 504,77 4,19 1, ,20 497,80 3,75 1,60

7 Side 7 Tabell 3: Vannføring, vannstand, gjennomsnitt vannhastighet og Froude tall ved 500-års flom i Rolvselve Tverrprofil Vannføring Q 500 (500-års flom) Vannstand Gjennomsnitt hastighet (m 3 /s) (m) (m/s) Froude tall ,00 688,52 4,70 2, ,00 675,79 5,10 2, ,00 658,62 4,95 2, ,00 638,06 3,70 2, ,00 618,21 5,11 2, ,00 610,79 5,03 1, ,00 601,80 4,78 1, ,00 596,22 3,48 1, ,00 586,81 3,87 1, ,00 579,13 4,33 1, ,00 572,25 1,56 0, Bakkaneveien bru ,00 570,84 3,15 1, ,00 565,85 4,07 1, ,00 560,70 4,83 1, ,00 554,24 3,92 1, ,00 545,44 1,00 0, Øvre Rolvs bru ,00 541,16 2,46 1, ,00 534,48 4,36 1, ,00 531,17 3,17 1, ,00 516,66 4,91 2, ,00 512,35 3,07 1, ,00 504,83 4,33 1, ,00 497,85 3,87 1,62

8 Side 8 Figuren nedenfor viser vannlinjer for Rolvselve for alle flommer i nærheten av bruene Uvdal bruer Rolvselve Uvdal Legend WS Q500 WS Q200 WS Middelflom Ground 560 Høyde (m) Øvre Rolvs bru Bakkaneveien bru Horisontal avstand (m) Figur 3: Lengdeprofil for vannlinjer for middels-, 200-års- og 500-års flom i nærheten av bruene i Rolvselve Følgende figur viser 10 utvalgte tverrprofiler tatt fra terrengmodellen i Rolvselve og simulerte vannstander. Vær oppmerksom på at vertikal og horisontal målestokk er ulik. Profilene vises i rekkefølge fra opp til nedstrøms retning og med sikt mot nedstrøms. Profilnumrene er merket med RS= på figur. Lyseblå linje viser vannstanden ved 500-års, mørkeblå linje 200-års og rosa linje middelsflom. Svart linje viser bunnen (basert på terrengmodellen). Grensepunktene mellom elveslettene og hovedkanalen markeres med røde punkter. Bruene vises med grå linjer. Rosa punkter og grønne linjer viser ulike modelltekniske hjelpemidler. Teksten vises delvis i engelsk pga. begrensninger i programvaren.

9 Side 9 Figur 4: Vannstander ved utvalgte tverrprofiler i Rolvselve ved middels-, 200-års- og 500-årsflom

10 Side 10 Konklusjon Beregningene viser at Rolvselve ved profil 271 (rett oppstrøms Øvre Rolvs bru) ikke er forventet å stige høyere enn cirka 545,44 m ved 500-års flom eller 545,36 m ved 200-års flom. Ved Rolvselve er ikke strømningsforholdene rolige. Stor Froude tall langs elva viser et mulig erosjonsproblem i fremtiden. Både beregnede hastigheter er store og Froude tall over verdien 1, som indikerer overkritisk strømningsforhold. Det fins store rullesteiner langs hele strekningen som indikerer store krefter og høye vannhastigheter ved flom, som delvis ble bekreftet med observasjoner på befaringen. Usikkerhet Generelt sett vil muligheten til å utføre kalibreringen øke kvaliteten på vannlinjeberegningene i høy grad. I gjeldende sak var det ikke mulig å utføre dette, og dermed må resultatene forstås som best tilgjengelige, men ikke som best mulige. Samtidig er det vanlig å se bort fra kalibreringen i slike prosjekter, og vurdere hydrauliske forhold basert på erfaring. Nøyaktighet i geometriske data (både under og over vannspeilet), helning og hydraulisk ruhet på elva er de viktigste faktorene som påvirker resultatene. Erosjon og masseavlagring representerer generelt et betydelig usikkerhetsmoment i beregningene. Større flommer vil ha en påvirkning på profilene og dermed endre strømningsforholdet. For å vurdere effekten til valg av kalibreringsparametre, ble det utført følsomhetsanalyse for Mannings tall. Analysen viste at et relativt stort, 10 % øking eller nedsettelse av disse, ville medført maksimum +10 cm eller -7 cm variasjon i vannstander langs Rolvselve ved 200-års flom. Mest usikkerhet er rundt profil 407, ca 50 meter oppstrøms Bakkaneveien bru. Ved bruene er usikkerheten noe mindre, cirka ±4 cm. Tabellen nedenfor viser resultater til følsomhetsanalysen. Tabell 4: Følsomhetsanalyse for manningstall i Rolvselve ved 200-års flom Tverrprofil Følsomhetsanalyse Vannstand Froude tall Avvik fra antatt # (m) (m) 807 antatte verdier 688,49 2, % manning 688,46 2,4-0, % manning 688,51 2,02 0, antatte verdier 675,75 2, % manning 675,71 2,32-0, % manning 675,78 1,94 0, antatte verdier 658,58 2, % manning 658,55 2,47-0, % manning 658,61 2,07 0, antatte verdier 638,04 2, % manning 638,02 2,44-0, % manning 638,06 1,97 0, antatte verdier 618,17 2, % manning 618,14 2,55-0, % manning 618,2 2,15 0, antatte verdier 610,73 1, % manning 610,68 2,07-0, % manning 610,77 1,73 0, antatte verdier 601,75 1, % manning 601,71 2,1-0, % manning 601,78 1,76 0, antatte verdier 596,19 1, % manning 596,16 1,68-0, % manning 596,22 1,41 0,03

11 Side antatte verdier 586,77 1, % manning 586,73 1,95-0, % manning 586,8 1,63 0, antatte verdier 579,01 1, % manning 578,94 1,81-0, % manning 579,11 1,55 0,1 377 antatte verdier 572,19 0, % manning 572,19 0, % manning 572,19 0, Bakkaneveien bru 358 antatte verdier 570, % manning 570, % manning 570, antatte verdier 565,79 1, % manning 565,76 2-0, % manning 565,82 1,71 0, antatte verdier 560,64 1, % manning 560,59 1,96-0, % manning 560,68 1,65 0, antatte verdier 554,2 1, % manning 554,17 1,91-0, % manning 554,23 1,62 0, antatte verdier 545,36 0, % manning 545,32 0,27-0, % manning 545,4 0,25 0, Øvre Rolvs bru 235 antatte verdier 541, % manning 541, % manning 541, antatte verdier 534,43 1, % manning 534,4 2,01-0, % manning 534,46 1,71 0, antatte verdier 531,14 1, % manning 531,11 1,47-0, % manning 531,17 1,24 0, antatte verdier 516,62 2, % manning 516,59 2,33-0, % manning 516,65 1,96 0,03 99 antatte verdier 512,3 1, % manning 512,26 1,38-0, % manning 512,33 1,14 0,03 60 antatte verdier 504,77 1, % manning 504,73 1,91-0, % manning 504,81 1,6 0,04 13 antatte verdier 497,8 1, % manning 497,75 1,77-0, % manning 497,83 1,48 0,03 min: -0,07 maks: 0,1 En eventuell oppstuving på grunn av blokkering av lysåpningen til bruene eller selve kanalen nedstrøms disse, vil selvfølgelig medføre økende vannstand. Is, rusk eller annet materiell kan enkelt redusere tverrprofilareal som ble funnet på befaringen. Det vil si at hvis elveløpet er delvis eller helt blokkert, kan store vannstandsøkninger forekomme oppstrøms i nærheten av blokkeringen.

12 Side 12 Ellers har endringer i valgte grensebetingelser (opp- og nedstrøms helning) liten effekt på vannstanden ved bruene. Referanser Chow, V.T., Maidment, D.R. and Mays, L.W., Applied Hydrology. McGraw-Hill Education (ISE Editions). HEC-USACE, HEC-RAS River Analysis System, Hydraulic Reference Manual, U.S. Army Corps of Engineers, Hydraulic Engineering Center (HEC), Davis, CA, USA.