Enebakk kommune. Beregning av 200-års flom langs Fv 155 i Råkendalen

Transkript

1 Enebakk kommune Beregning av 200-års flom langs Fv 155 i Råkendalen Mai 2013

2 RAPPORT Beregning av 200-års flom langs FV155 i Råkendalen Rapport nr.: Oppdrag nr.: Dato: Kunde: Enebakk kommune Beregning av 200-års flom langs FV155 i Råkendalen Sammendrag: I forbindelse med prosjektering av gang- og sykkelveg og vegkryss NY5 i Råkendalen i Enebakk kommune har SWECO fått i oppgave fra Enebakk kommune å estimere 200-års flom på enkelte deler av den 1,8 km lange strekningen (Figur 1). Langs denne strekningen renner en bekk som er planlagt å bli flyttet fra den ene til den andre siden av veien (Figur 1 og Figur 2). SWECO har utført flomberegninger for en 200-års flom (+ klimapåslag) med bruken av to forskjellige metoder (Den rasjonelle formelen og Flomfrekvensanalysen). Flomberegningene er utført ved 7 punkter som representerer stikkrennene hvor dimensjonering trengs (Se Figur 1, Figur 2 og Figur 3 for plasseringen av punktene). En beregnet kulminasjonsverdi for Q 200 vil med bruk av flomfrekvens gi en del lavere verdier, men spesielt avhengig av hvor stort forholdstall man benytter mellom momentan- og døgnmiddelflom. Det anbefales fra SWECO å bruke flomverdiene funnet med hjelp av den rasjonelle formelen til å dimensjonere stikkrennene langs den 1,8 km strekningen. Maksimalvannføring ved en 200-års flom (Q 200+klimaendring ) ved punkter (A-G) er beregnet og vist i Tabell 1. Den planlagte kulverten ved samløpet av bekkene ved kryssområdet bør dimensjoneres med verdien beregnet ved punkt E. Tabell 1 Maksimalvannføring ved en 200-års flom. Punkt Den rasjonelle formelen [m 3 /s] A 5.87 B 5.66 C 0.99 D 5.03 E 7.30 F 1.12 G 6.82 Utarbeidet av: Nils Charles Prieur Kontrollert av: Kjetil Sandsbråten Oppdragsansvarlig / avd.: Garder Ole Einar Sign.: Sign.: Oppdragsleder / avd.: Kjetil Sandsbråten \ \ sr v- ski- 02\ opp dr ag \2 21 \ ny5 i r å ke nd al en \ 08 r ap po r t er \ r a pp or ter \fl o mb er eg ni n g_r åk en dal en _u pda t ed.d oc x

3 Innhold 1 Innledning 3 2 Metode Flomberegning Den rasjonelle formelen 8 3 Den rasjonelle formelen Estimering av parameterne Resultat 9 4 Flomfrekvensanalyse Vurderte vannmerker Beregning av flomverdier Beregning av kulminasjonsverdier Følsomhetsanalyse som følge av klimaendringer 14 5 Konklusjon 15 6 Referanser 16 1 Innledning Tiltaksområdet er lokalisert i Enebakk kommune langs fylkesvei 155 og dekker en 1,8 km lang strekning (Figur 1). Bekkeløpet er omlagt fra punkt B sånn at bekken vil renne på østsiden av veien til punkt G. Nedstrøms for punkt G renner bekken tilbake til sitt vanlige løp. I forbindelse med det tiltaket har SWECO fått oppgave av Enebakk kommune å beregne flomverdiene for å dimensjonere stikkrennene langs denne 1,8 km strekningen. SWECO har utført flomberegninger med bruk av to forskjellige metoder beskrevet i kapittel 2, ved punktene A til G, som representerer alle de punktene (tiltakene) som trenger dimensjonering på vestsiden og østsiden av veien (Figur 1 og Figur 2). Resultatene fra de to forskjellige metodene er sammenlignet og diskutert i konklusjonen. Flomverdiene beregnet i denne rapporten tilsvarer en 200-års flom + 20% klimapåslag. 3 (16)

4 Figur 1 Oversiktskart (kilde: Geodata). 4 (16)

5 Figur 2 Punktene hvor flomberegningene er beregnet ved (kilde: Geodata) 5 (16)

6 Figur 3 Nedbørfelt. 6 (16)

7 Nedbørfeltene er vist i figur 3 og presentert i tabell 2. Tabell 2 Nedbørfelt. Punkt Nedbørfelt Feltstørrelse (km 2 ) Type Lokalisering A A 1.65 Eksisterende stikkrenne - B A+B 1.73 Begynnelse av omlegging av bekkeløpet Østsiden av veien C C 0.12 Avkjørsel boligvei Vestsiden av veien D A+B+D 1.75 Avkjørsel boligvei Østsiden av veien E A+B+D+E 2.84 Samløpet av bekkene + Ny vei Østsiden av veien F C+F 0.26 Avkjørsel boligvei Vestsiden av veien G C+F+G 1.39 Avkjørsel boligvei Vestsiden av veien 2 Metode 2.1 Flomberegning Det er de klimatiske og fysiografiske forholdene i vassdraget som påvirker flomforholdene. Som en hovedregel er det regn som skaper flom, og da særlig høye intensiteter med varigheter som tilsvarer konsentrasjonstiden til vassdraget. Dette varierer fra noen minutter i urbane områder til uker i store vassdrag som Glomma eller i innsjøer med trange utløp. Det er likevel ikke en entydig sammenheng mellom store nedbørmengder og flom. Hvert år gir snøsmelting flommer mange steder i landet, men når skadeflommer oppstår, er det stort sett forårsaket av regn eller en kombinasjon av regn og snøsmelting. De største flommene oppstår derfor som regel når nedbør kombineres med andre ugunstige forhold, som snøsmelting, mettet mark på grunn av tidligere nedbør, eller frossen mark. Små vassdrag, og særlig felt med høy grad av urbanisering, er ofte karakterisert ved rask flomstigning og spisse flomforløp. I slike felt opptrer flommer gjerne i forbindelse med intens nedbør. Metodikk for beregning av flom kan hovedsakelig deles inn i to hovedgrupper: Flomfrekvensanalyser Nedbør-avløpsmodellering Flomfrekvensmetoden er hovedsakelig basert på analyser av målte avløpsserier. Nedbør-avløpsmetoden er basert på frekvensanalyser av nedbørdata, hvor nedbør- og eventuelt snøsmelteverdier overføres til flomverdier ved hjelp av hydrologiske modeller. Den rasjonelle formel kan anses som en enkel slik modell. Vanligvis skal flomfrekvensmetoden benyttes for beregning av tilløpsflommer med gitte gjentaksintervall. For små vassdrag og i områder med dårlig datagrunnlag kan det være nødvendig å benytte nedbør-avløpsmetoden for flomberegningen. I slike tilfeller må resultatet likevel vurderes mot observerte flomdata eller erfaringstall for flomstørrelser. 7 (16)

8 2.2 Den rasjonelle formelen For veldig små nedbørfelt (i størrelsesorden 0-5 km 2 ) kan den rasjonelle formelen benyttes. Blir vassdragene særlig større enn dette kan imidlertid denne formelen gi store usikkerheter. I Håndbok 018 Vegbygging (Statensvegvesen, 2011) er det beskrevet beregninger for flommer med opp til 100 års gjentaksintervall. I denne beregningen er det forutsatt at formelen også kan benyttes for en 200-års flom. Den rasjonelle formel for avrenning: Q = C i A K f C = avrenningsfaktor, ubenevnt i = dimensjonerende nedbørintensitet, l/(s ha) A = feltareal, ha Kf = klimafaktor 3 Den rasjonelle formelen Det er ingen direkte observasjoner i bekken. Det er derfor vurdert som tilstrekkelig å benytte den rasjonelle formelen. Avrenningsfeltene (A-G) er mindre en 5 km 2. Derfor er det mulig å bruke den rasjonelle metoden til å beregne 200-års flom ved punktene (A-G). Den rasjonelle formelen baserer seg på målt nedbør. 3.1 Estimering av parameterne Terrengparametere er vist i Tabell 3. Tabell 3: Terrengparametere. Nedbørfelt Symbol A B C D E F G Enhet Areal totalt A ha Største høydeforskjell H m Lengde av nedbørfeltet L m Klimafaktor Kf Avrenningsfaktor (med 30% tillegg) C Det er få variasjoner i nedbørfeltparameterne for nedbørfelter A, B, C, D og E. Vi har derfor bestemt å bruke den samme avrenningsfaktoren for disse nedbørfeltene. For å bestemme en midlere avrenningsfaktor, er det anslått at nær 85 % av feltet er skog og 9 % er dyrket mark mens bare 1 % av området har mer impermeable flater i form av tette flater (eneboligområder og rekkehus, for nedbørfelter A,B,C, D og E). En midlere avrenningsfaktor C for hele feltet er anslått til 0,40. Det er da inkludert et tillegg på ca. 30 % på de avrenningsfaktorverdiene som er oppgitt i Håndbok 018 (Statensvegvesen, 2011), for å få en faktor representativ for en 200-års flom. For nedbørfelter F og G er det observert en høyere urbaniseringsgrad (20-40 % av feltet ugjort av eneboligområder og rekkehus). Det er derfor valgt å bruke en større avrenningsfaktor på 0,48. Klimafaktoren skal inkludere en økning i avrenning som følge av forventede klimaendringer. Den er i Håndbok 018 anbefalt som 1,4 for flommer med returperiode (16)

9 år. Det er her valgt å bruke en klimafaktor på 1,2 som er den samme verdien som er brukt i flomfrekvensanalysen og anbefalt av NVE (Se 4.4 Følsomhetsanalyse som følge av klimaendringer). En viktig inngangsparameter i beregninger med den rasjonelle formelen er dimensjonerende nedbørintensitet, som må finnes for en nærliggende målestasjon. For dette området i Enebakk kommune er det valgt å benytte nedbørintensiteter fra Ås - Rustadskogen, med data fra årene mellom 1974 og 2005 (totalt 30 sesonger med data). Fra eklima (Meteorologisk Institutts database) er det hentet inn nedbørintensiteter av ulik varighet, fra 1 minutt til 1440 minutter, og for gjentaksintervall fra 2 år til 200 år (Tabell 4). 3.2 Resultat Feltets konsentrasjonstid er funnet ved bruk av formel for naturlige felt, siden urbaniseringsgraden er rundt bare 1 % av feltet. Det er også bestemt å benytte formelen for naturlige felt for nedbørfelter F og G siden urbanisering er utgjort av eneboligområder og rekkehus. Formelen er hentet fra Håndbok 018, og angir konsentrasjonstiden tc som: tc = 0,6 L H -0, Ase Ase er andel sjø i feltet. For feltet er Ase beregnet til 0. L og H finnes i Tabell 3. konsentrasjonstidene (tc) og nedbørintensitetene (i) er beregnet i Tabell 5. Tabell 4 Nedbørintensiteter (Kilde: eklima). Tabell 5 Konsentrasjonstidene og nedbørintensitetene for nedbørfeltene. Nedbørfelt Symbol A B C D E F G Enhet Konsentrasjonstid t c min i i l/s.ha Med de ovenfor angitte verdiene for parameterne (Tabell 5) som inngår i den rasjonelle formelen, finnes en 200-års flom (Q200) som: 9 (16)

10 Q200, A = 0,40 73, ,2 l/s = 5870 l/s (tilsv l/s km 2 ) Q200, B = 0,40 68, ,2 l/s = 5660 l/s (tilsv l/s km 2 ) Q200, C = 0,40 172,1 12 1,2 l/s = 991 l/s (tilsv l/s km 2 ) Q200, D = 0,40 60, ,2 l/s = 5034 l/s (tilsv l/s km 2 ) Q200, E = 0,40 53, ,2 l/s = 7304 l/s (tilsv l/s km 2 ) Q200, F = 0,48 75,1 26 1,2 l/s = 1124 l/s (tilsv l/s km 2 ) Q200, G = 0,48 85, ,2 l/s = 6825 l/s (tilsv l/s km 2 ) De beregnede verdiene er maksimale timesverdier for 200-års flommen. 200-års flom er beregnet på 7304 l/s (7,30 m 3 /s) ved samløpet av de to bekkene ved kryssområdet (punkt E). 4 Flomfrekvensanalyse 4.1 Vurderte vannmerker Det er ikke mange uregulerte avløpsstasjoner i nærheten av tiltaksområdet med sammenlignbare felt og tilstrekkelig lang dataserie. Tre nærliggende avløpsstasjoner er vurdert, 3.11 Sagstubekken, 6.10 Gryta og 8.6 Sæternbekken. Plassering av avløpsstasjonene er vist i Figur 4 og ytterligere feltopplysninger finnes i Tabell 6 og Tabell 7. Sesongfordeling av flommene for vurderte avløpstasjonene er vist i Figur 5. Relevant informasjon fra de tilgjengelige avløpsdataene som spesifikk avrenning (Figur 6), høydefordeling (Figur 7), temperaturmønster (Tabell 8) og nedbørsmønster (Tabell 9) er blant annet benyttet som grunnlag for vurdering av bruk som referansestasjoner. Tabell 6 Feltparametere for tiltaksområdet og vurderte avløpstasjonene. Stasjons nr Navn Areal km 2 Skog % Myr % Eff. sjø % Innsjø % Dyrkningsgrad % Urban grad % - Nedbørfelt E Sagstubekken Gryta Sæternbekken Tabell 7 Avrenningsparametere for tiltaksområdet og vurderte avløpstasjonene. Stasjons nr Navn Areal km 2 Uregulert Serielengde Spesifikk avrenning i l/s/km 2 NVEs avrenningskart Observert Spesifikt Middeltilsig "frem til 1990" Observert Spesifikt Middeltilsig "etter 1990" - Nedbørfelt E Sagstubekken Gryta dd Sæternbekken dd (16)

11 Vannmerket 3.11 Sagstubekken er det vannmerket som ligger nærmest tiltaksområdet med et areal på 3,08 km 2. Selv om Sagstubekkens stasjon er nedlagt siden 1974, er dette vannmerket anslått å være det som er best tilpasset til å beskrive hydrologisk respons i tiltaksområdet (lignende høydefordeling, feltparametere og klima). Det er likevel valgt å gjøre flomfrekvensanalyse for alle tre stasjonene. Ingen negative bemerkninger er beskrevet for avløpsseriene (NVE, 2007). Vi ser i figur 5 at det kan være flomhendelser hele året. Av den grunn ble det valgt å gjøre frekvensanalyser på årsflommer. Figur 4 Plassering av vurderte avløpstasjonene i området (kilde: Geodata og NVE). 11 (16)

12 Figur 5 Flomrosene av 3.11 Sagstubekken., 6.10 Gryta og 8.6 Sæternbekken. Figur 6 Midlere spesifikk døgnsavrenning for de vurderte avløpstasjonene. 12 (16)

13 Figur 7 Hypsografiske kurver for vurderte avløpstasjonene. Tabell 8 Middeltemperatur i smeltesesongen (Kilde: Stasjons nr Navn Middeltemperatur fra met.no Mars April Mai - Nedbørfelt E Sagstubekken Gryta Sæternbekken Tabell 9 Middelnedbør i smeltesesongen (Kilde: Stasjons nr Navn Middelnedbør fra met.no (mm) Mars April Mai - Nedbørfelt E Sagstubekken Gryta Sæternbekken (16)

14 4.2 Beregning av flomverdier Det ble gjort flomfrekvensanalyse med NVEs program EKSTREM for de tre vurderte avløpstasjonene. Resultater fra frekvensanalysen er vist i Tabell 10. Tabell 10 Resultater flomfrekvensanalyse, årsflomverdier av en dags varighet (Q M er årlig middelflom og Q 200 er 200-års flom). Stasjon Q M l/s.km 2 Q 200 /Q M Q 200 l/s/km 2 Fordeling 3.11 Sagstubekken GEV 6.10 Gryta Lognormal 8.6 Sæternbekken GEV Det er antatt at en 200-års flom til forskjellige bekkelukkingene langs Fv 155 har en spesifikk avrenning lik verdien funnet for VM 3.11 Sagstubekken, lik 699 l/s.km Beregning av kulminasjonsverdier Siden flomverdiene er beregnet som døgnmiddelverdier, må også kulminasjonsverdiene estimeres. Det er tilgjengelige data med finere tidsoppløsning på 3.11 Sagstubekken. Det største forholdstallet mellom momentan- og døgnmiddelflom i de 10 største flommene ved VM 3.11 Sagstubekken er valgt. Valgt forholdstall mellom momentan- og døgnmiddelflom: 2,61. Spesifikk avrenning for den kulminasjonsverdien ved en 200-års flom er på 1825 l/s.km 2. Maksimalvannføring (Q 200 ) til punktet A: 3,01 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200 ) til punktet B: 3,16 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200 ) til punktet C: 0,22 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200 ) til punktet D: 3,19 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200 ) til punktet E: 5,18 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200 ) til punktet F: 0,47 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200 ) til punktet G: 2,54 m 3 /s 4.4 Følsomhetsanalyse som følge av klimaendringer I NVEs Retningslinjer for flomberegninger fra 2011 er det anbefalt å gjøre en beregning med et påslag på tilløpsflommene som følge av forventede klimaendringer. NVE har, basert på tilgjengelige klimafremskrivninger og modellbetraktninger, estimert en forventet endring for en 200-års flom i ulike områder av Norge mot slutten av dette århundret (NVE, 2011). For Østlandet generelt er det anbefalt å kalkulere med en 20 % økning i beregnede flomstørrelser i alle vassdrag mindre enn 100 km (16)

15 Spesifikk avrenning for den kulminasjonsverdien ved en 200-års flom med et klimapåslag på 20 % er på 2191 l/s.km 2. Maksimalvannføring (Q 200+klimaendring ) til punkt A: 3,61 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200+klimaendring ) til punkt B: 3,79 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200+klimaendring ) til punkt C: 0,26 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200+klimaendring ) til punkt D: 3,83 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200+klimaendring ) til punkt E: 6,22 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200+klimaendring ) til punkt F: 0,57 m 3 /s Maksimalvannføring (Q 200+klimaendring ) til punkt G: 3,04 m 3 /s 5 Konklusjon Det er i tabell 11 vist resultatene for de to forskjellige metodene brukt i denne rapporten. En beregnet kulminasjonsverdi for Q 200 vil med bruk av flomfrekvens gi en del lavere verdier, men spesielt avhengig av hvor stort forholdstall man benytter mellom momentanog døgnmiddelflom. Benyttes det maksimale observerte forholdstall ligger de beregnede flomverdiene i samme størrelsesorden som ved bruk av den rasjonelle formelen. Naturen av beregningsmetodene og korte datagrunnlaget er også to faktorer som sannsynligvis påvirker flomverdiene. Avrenningsfeltene er små, og det er derfor forventet at flom vil opptre med intens nedbør. Det anbefales fra SWECO å bruke flomverdiene funnet med hjelp av den rasjonelle formelen til å dimensjonere rørene og stikkrennene langs den 1,8 km strekningen. Tabell 11 Resultater fra flomberegningene med den rasjonelle formelen og flomfrekvensanalyse metoden ved en 200-års flom. Punkt Den rasjonelle formelen [m 3 /s] RFFA [m 3 /s] A B C D E F G (16)

16 6 Referanser Lawrence, D., Hisdal, H., 2011, Hydological projections for floods in Norway under a future climate, Norges vassdrags- og energidirektorat, nr 5/2011, Oslo (Norge). Midttømme, G., H., Petterson, L., E., 2011, Retningslinjer for flomberegninger, Norges vassdrags- og energidirektorat, nr. 4/2011, Oslo (Norge). Petterson, L., E., Astrup, M., 2007, Vannføringsstasjoner på Østlandet og Sørlandet, Norges vassdrags- og energidirektorat, nr. 2/2007, Oslo (Norge). Statensvegvesen, 2011, Håndbok 018 Vegbygging, Kapittel 4, Oslo (Norge). 16 (16)