Block Watne As. Flom- og vannlinjeberegning- Kvernstua

Transkript

1 Flom- og vannlinjeberegning- Kvernstua Utgave: 1 Dato:

2 1 DOKUMENTINFORMASJON Oppdragsgiver: Rapporttittel: Flom- og vannlinjeberegning- Kvernstua Utgave/dato: 1/ Filnavn: Flom- og vannlinjeberegning- Kvernstua.docx Arkiv ID Oppdrag: Kvernstua BY22 Enebakk Detaljregulering Oppdragsleder: Jannicken Throndsen Avdeling: Vann og miljø Fag Hydrologi Skrevet av: Haregewoin Haile Chernet Kvalitetskontroll: Jon Zeigler

3 2 FORORD Asplan Viak har vært engasjert av Block Watne AS for å utrede flomlinjer i de planlagte byggeområdene på BY22 Kvernstua. Frank Pettersen og Bjørn Einar Skoglund har vært oppdragsgivers kontaktpersoner for oppdraget. Haregewoin Haile Chernet har utført analysen, Inga McCarley Potter har også deltatt i arbeidet. Jannicken Throndsen har vært oppdragsleder for Asplan Viak. Ås, Jannicken Throndsen Oppdragsleder Jon Zeigler Kvalitetssikrer

4 3 INNHOLDSFORTEGNELSE 1 Innledning Flomberegning Nedbørfelt Klimatillegg Rasjonelle formel Vannlinjeberegning Geometri og elvemodell Manningtall (hydrauliske ruhetsverdier) Grensebetingelser Kalibrering av modell Vannlinje for 200-årsflom Sikkert nivå for sideareal Flomsonekart Sammendrag Bekk Bekk Referanser Vedlegg... 20

5 4 1 INNLEDNING I forbindelse med detaljreguleringsplan for Kvernstua boliger i Enebakk kommune skal sikkerhet mot flom i henhold til Plan- og bygningsloven (TEK ) dokumenteres. Planområdene faller innenfor sikkerhetsklasse F2 som betyr at 200-årsflom er dimensjonerende for områdene. Rapporten omfatter flomsonekartlegging for planområdet som innebærer flom og vannlinjeberegning for to mindre bekker i planområdet. For beregning av dimensjonerende vannlinjer langs elvestrekningene er den endimensjonale hydrauliske programvaren Hec-Ras benyttet. Høydene er gitt i NN2000. Figur 1.1 viser de to bekkene i planområdet hvor flomvurderingen er gjort. Figur 1-1: bekkene i planområdet.

6 5 2 FLOMBEREGNING Beregningene er utført i henhold til NVEs retningslinjer for flomberegninger, NVEs veileder for flomberegning i små nedbørfelt og veilederen om tekniske krav til byggverk, TEK I henhold til TEK10 må bebyggelse plasseres sikkert med hensyn til flom eller annen fare knyttet til vassdrag, som isgang, erosjon, skred og masseavlagring. For sikkerhetsnivåer mot flom langs vassdrag vises det til NVEs retningslinjer nr. 1/2008. Sikkerhetsnivåene for flom i NVEs retningslinjer utfyller sikkerhetskravene i TEK 10 med tilhørende veiledning. Sikkerhets-klasse mot flom vil være F2, med krav om sikkerhet mot 200-års flom. Det beste grunnlaget for vannføringsberegninger er vannføringsmåling over en lang periode i det aktuelle vassdraget. I dette tilfellet fins det ikke slike målinger i de to bekkene. Hvis det ikke er målestasjoner for vannføring i vassdraget må flomberegningen baseres på observasjoner av vannføring fra målestasjoner i nærliggende vassdrag. Nedbørfeltene til de to bekkene er såpass små at det er vanskelig å finne representative måleserier for vannføring til en flomfrekvensanalyse. Dimensjonerende vannmengder er derfor beregnet med den rasjonelle metoden. 2.1 Nedbørfelt Tabell viser feltparametere før utbygging og Tabell 2-2 viser feltparametere etter den planlagt utbygging. Analyseområdet er vist i Figur 1-1. Tabell 2-1: Feltparametere for nedbørfeltene, før utbygging. Felt Feltareal ha Skog % Dyrket mark % Urban % Eff. sjø % qn * l/s/km2 Hmin/Hmax m.o.h Bekk ,6 141/ Bekk / *Spesifikk middelavrenning beregnet fra NVE sitt avrenningskart for normalperioden Median høyde m.o.h Tabell 2-2: Feltparametere for nedbørfeltene, etter utbygging. Felt Feltareal ha Skog % Dyrket mark % Urban % Eff. sjø % qn * l/s/km2 Hmin/Hmax m.o.h Bekk / Bekk / Median høyde m.o.h 2.2 Klimatillegg Det pågår forskning på hvordan klimaendringer vil påvirke beregnede dimensjonerende flommer. NVE har estimert forventet endring i 200-års - og 1000-årsflom mot slutten av dette århundret basert på tilgjengelige klimafremskrivninger og kalibrerte hydrologiske modeller (HBV-modeller) (NVE, 2011). Generelt er det forventet at flommer forårsaket av regn vil øke, mens snøsmelteflommer i større vassdrag vil avta. Ekstremnedbøren er forventet å øke i hele landet. For Østlandet anbefales det at det regnes med minst 20 % økning for alle nedbørfelt med areal under 100 km 2 (NVE, 81/2016). I tillegg legger vi på 20% ekstra som sikkerhetsfaktor som begrunnes med usikkerhet i beregningsmetodikk. Det legges derfor på 40% klimatillegg til den beregnede 200-årsflommen.

7 6 2.3 Rasjonelle formel Den rasjonelle formelen baserer seg på målt nedbør. Avrenningen (Q) er gitt ved: Q = C i A Hvor: Q = avrenning (l/s) C = avrenningsfaktor, ubenevnt i = dimensjonerende nedbørintensitet (l/s/ha) A = feltareal (ha) Nedbørintensitet 200-årsverdi for nedbørintensitet er hentet fra nærmeste målestasjon der det foreligger en IVFkurve med tilfredsstillende kvalitet. Varighet til nedbøren er gitt av nedbørfeltenes konsentrasjonstid. Målestasjonen Ås- Rustadskogen er benyttet. Denne målestasjonen ligger ca. 28 kilometer sørvest fra prosjektområdet, og har tilgjengelige data for perioden (39 sesonger). IVF-kurvene for målestasjonen er vist i Vedlegg Nedbørfeltets konsentrasjonstid Konsentrasjonstiden til nedbørfeltene (naturlige felt), t c, er oppgitt i minutter, og er beregnet etter formelen gitt i Vassdragshåndboka (Fergus m. fl., 2010). t c = 0,6LH-0,5+3000A se Hvor: L = lengden av nedbørfeltet (m) H = høydeforskjellen i nedbørfeltet (m) A SE = effektiv sjøprosent, forholdstall ((0 Ase 1) Avrenningsfaktor Avrenningsfaktoren, C, er et mål på hvor mye av den totale nedbøren som drenerer fra et område. Faktorens størrelse er avhengig av terrengtype, vegetasjon, helning og sannsynlighet for overflateavrenning fra feltet. Det er benyttet erfaringstall for avrenningsfaktorer for ulike terrengtyper oppgitt i Vassdragshåndboka (Fergus m. fl., 2010). C-faktor skal økes med 30 % for flom med gjentaksintervall 200 år (SVV, 2014 Kapitel 405). Maksimal C-faktor er C=0, Flomberegning (etter utbygging) Tabell 2-3 og 2-4 viser en oversikt over benyttede verdier for avrenningskoeffisienter. Beregning av 200-årsflom ved bruk av den rasjonale formel er vist i Tabell 2-5. Klimatillegg er inkludert i beregningen.

8 7 Tabell 2-3: Avrenningskoeffisienter for Felt-Bekk 1. Arealtype % Areal (m 2 ) C C*A (m 2 ) Snaufjell Myr Skog Dyrket mark Urban Tabell 2-4: Avrenningskoeffisienter for Felt-Bekk 2. Arealtype % Areal (m 2 ) C C*A (m 2 ) Snaufjell Myr Skog Dyrket mark Urban Tabell 2-5: Beregnet 200-årsflom med den rasjonelle formelen. Nedbørfelt Felt- Bekk 1 Felt- Bekk 2 Nedbørfeltets areal (ha) 11,22 2,76 Avrenningskoeffisient, C økes med 30 % 0,71 0,95 Nedbørfeltets konsentrasjonstid (min) Nedbørintensitet, i (l/s.ha) Q 200 (m 3 /s) 0,94 0,35 Q 200 klimajustert 40 % (m 3 /s) 1,32 0,50

9 8 3 VANNLINJEBEREGNING 3.1 Geometri og elvemodell For å beregne vannstandsnivåer for dimensjonerende flommer er vannlinjeberegninger utført. Det hydrauliske modelleringsverktøyet HEC-RAS er benyttet til beregning av vannlinjene. Verktøyet er utviklet av US Army Corps of Engineers (USACE) Hydrologic Engineering Center (USACE, 2002). Elvebunn og terrenget i den hydrauliske modellen er representert ved et utvalg av tverrprofiler. Terrengdata (laser data) er blitt brukt videre til å generere en terrengmodell. Tverrprofiler er tatt ut ifra denne terrengmodellen og ble finjustert med oppmålte tverrprofiler. I vannlinjeberegninger må ofte modellen settes opp for en lengre elvestrekning enn selve prosjektområdet, da grensebetingelsene skal ha liten innvirkning på vannstand i området som skal analyseres. Figur 3-1 og figur 3-2 viser plassering av tverrprofilene benyttet i modellen. Høydene er gitt i NN Manningtall (hydrauliske ruhetsverdier) Alle typer energitap som påvirker vannstanden langs elveløpene er samlet i en enkelt faktor: Mannings tall. Den hydrauliske ruheten (n1 for hovedkanal og n2 sidearealer) i elva er bestemt på grunnlag av vurdereringer under befaringen og aktuell litteratur, se Chow et al, (1988) for flere eksempler. Tabell 3-1 viser Mannings n -verdier benyttet i HecRas modellen. Tabell 3-1: Manningtall som brukes i HecRas modell. Felt Hovedkanal Skog Bolig område Bekk 1 og Bekk 2 0,05 0,1 0, Grensebetingelser Vannføringen fra flomberegning er brukt som inngangsdata i den hydrauliske modellen (stasjonær strømning). For bekkene det er antatt at det oppstår normalstrømning ved oppstrøms og nedstrøms ende av modellen. Ved normalstrømning følger vannspeilet helningen til elvebunnen. 3.4 Kalibrering av modell Det foreligger ikke kalibreringsdata, det vil si samtidig innmåling av vannføring og vannstand, for bekkene. Det er derfor ikke mulig å kalibrere modellen mot observerte data. For å skaffe et bedre grunnlag for valg av Mannings tall, n, er det gjennomført en følsomhetsanalyse. På grunnlag av denne er det ut fra skjønn valgt et sett med n-verdier for de videre beregninger. Det er foretatt beregninger for å se hvordan ruheten i elva og flomslettene innvirker på de beregnede vannstander ved at ruheten i elveløpet er økt med 25 %.

10 9 Figur 3-1: Kartet viser tverrsnittprofiler for elva benyttet i Hec-Ras modellen, Bekk 1.

11 10 Figur 3-2: Kartet viser tverrsnittprofiler for elva benyttet i Hec-Ras modellen, Bekk 2.

12 Bekk 1 Beregnede vannstander ved økt ruheten med 25 % i elveløpet ga en økning i vannlinje opptil 8 cm. Tabell 3-2 viser resultater til følsomhetsanalysen og forskjellen mellom simulerte vannlinjer ved utvalgte tverrprofiler gitt av endrede Manningstall. Tabell 3-2: Beregnet vannstand for Q200 med 25% økning i Mannings tall (n), Bekk 1. Profil [nr] Vannstand [moh] Differanse [m] n n+25% 1 152,52 152,59 0, ,28 152,36 0, ,78 151,83 0, ,19 151,27 0, ,65 150,72 0, ,18 150, ,47 149, ,14 149, ,71 148,72 0, Bekk 2 Beregnede vannstander ved økt ruheten med 25 % i elveløpet ga en økning i vannlinje opptil 4 cm. Tabell 3-3 viser resultater til følsomhetsanalysen og forskjellen mellom simulerte vannlinjer ved utvalgte tverrprofiler gitt av endrede Manningtall. Tabell 3-3: Beregnet vannstand for Q200 med 25% økning i Mannings tall (n), Bekk 2. Profil [nr] Vannstand [moh] Differanse [m] n n+25%

13 Vannlinje for 200-årsflom Bekk 1 Resultatene for vannlinjeberegningen av 1,4*Q 200 er vist i Tabell 3-4. Froudetall, som er presentert i tabellen, er en indikasjon for kritisk (Fr=1), underkritisk (Fr<1) og overkritisk (Fr>1) strømning. Tabell 3-4: Beregnede vannstander, vannhastigheter og Froudetall ved tverrprofilene (Profil 1 til Profil 9). 1,4*Q 200 = 1,32 m 3 /s Profil [nr] Vannstand [m.o.h] EG Høyde [m.o.h] Hastighet [m/s] Froudetall 1 152,52 152,56 0,91 0, ,28 152,39 1,54 0, ,78 151,94 1,71 0, ,19 151,34 1,77 0, ,65 150,82 1,86 0, ,18 150,29 1,58 0, ,47 149,57 1,36 0, ,14 149,24 1,49 0, ,71 148,82 1,37 0, Bekk1 Lengdeprofil 152 EG 1,4*Q Profil 8 Profil 7 Profil 6 Profil 5 Profil Profil 3 Main Channel Distance (m) Profil 2 Profil 1 Figur 3-3: Lengdeprofil av elva med beregnet vannlinje (WS) og energjlinje (EG) for 1,4*Q200, Bekk 1.

14 Bekk 2 Resultatene for vannlinjeberegningen av 1,4*Q 200 er vist i Tabell 3-5. Froudetall, som er presentert i tabellen, er en indikasjon for kritisk (Fr=1), underkritisk (Fr<1) og overkritisk (Fr>1) strømning. Tabell 3-5: Beregnede vannstander, vannhastigheter og Froudetall ved tverrprofilene (Profil 1 til Profil 8). 1,4*Q 200 = 0,50 m 3 /s Profil [nr] Vannstand [m.o.h] EG Høyde [m.o.h] Hastighet [m/s] Froudetall 1 131,64 131,71 1,18 0, ,97 131,05 1,25 0, ,51 130,58 1,15 0, ,83 129,88 1,04 0, ,58 129,62 0,81 0, ,41 129,45 0,74 0, ,39 129,4 0,33 0, ,37 129,38 0,44 0,3 132 Bekk2 Lengdeprofil Profil 7 Profil 6 Profil 5 Profil Profil 3 Main Channel Distance (m) Profil 2 Profil 1 Figur 3-4: Lengdeprofil av elva med beregnet vannlinje (WS) og energjlinje (EG) for 1,4*Q200, Bekk Sikkert nivå for sideareal Vannivå i Tabell 3-4 og Tabell 3-5 er resultatet av den hydrauliske beregning. Denne beregningen er basert på en rekke usikkerheter knyttet til elvegeometri, ruhetsforhold og beregningsmetoder for flomvannføring og hydraulisk beregning. Disse forhold gir en usikkerhet i beregningsresultatet som kompenseres ved å legge til 0,5 m til alle beregnede vannstander. Beregnet vannlinje pluss 0,5 meter angir derfor flomsikkert nivå. Tabell 3-6 angir flomsikkert nivå for 200-årsflom med 40 % klimatillegg. Eventuelle sidearealer som ligger lavere enn dette nivået må beskyttes mot flom i henhold til kravene i TEK10.

15 14 Tabell 3-6: Flomsikkert nivå for 1,4*Q200 ved tverrprofilene i Figur 3-1 og 3-2 (høyde referanse NN2000). Bekk 1 Bekk 2 Profil [nr] Vannstand [m.o.h] Flomsikkert nivå [m.o.h] Vannstand [m.o.h] Flomsikkert nivå [m.o.h] 1 152,52 153,02 131,64 132, ,28 152,78 130,97 131, ,78 152,28 130,51 131, ,19 151,69 129,83 130, ,65 151,15 129,58 130, ,18 150,68 129,41 129, ,47 149,97 129,39 129, ,14 149,64 129,37 129, ,71 149,21

16 15 4 FLOMSONEKART Flomsonekart er generert ved bruk av GIS. Det er utarbeidet flomsoner for 1,4*Q 200. Figur 3-5 viser flomsonen Bekk 1 (profil 1-9) og Figur 3-6 viser flomsonen Bekk 2 (profil 1-8) for 1,4*Q 200. Vi understreker at dette flomsonekartet gir flomsone for aktuell strekning inntil planområdet. Beregningsmodellen omfatter ikke områder oppstrøms og nedstrøms dette området, og kartet kan ikke benyttes som dokumentasjon for flomforhold utenfor de nevnte profilene. Beregnet flomsone gir kun et omtrentlig bilde av hvilke områder som blir oversvømt. Flomsonen finnes ved å beregne hvor vannflaten skjærer terrenget, og små feil i terrengmodellen kan medføre store feil i flomsonens utstrekning. For planlegging av sikringstiltak og detaljert vurdering av flomfaren bør man derfor sammenlikne beregnet vannstand (Tabell 3-6) med faktisk eller prosjektert terrengnivå.

17 16 Figur 4-1: Flomsonekart, Bekk 1.

18 17 Figur 4-2: Flomsonekart, Bekk 2.

19 18 5 SAMMENDRAG 5.1 Bekk 1 Flomsonene gir indikasjon på hvor det kan påregnes å være flom ved 200-årsflom med 40% klimatillegg. Reguleringsområdet ligger innenfor beregnet flom vannstand. Som vist i Figur 4-1 bolig områdene ligger ikke i faresonen for 200-årsflom med 40% klimatillegg. Grøntarealet nærmest bekken bli oversømmet med dagens terrengnivå til beregnet flom høydene. Flomsikkert nivåer er de beregnet flom høydene pluss 0,5m sikkerhet margin. I den hydrauliske modellen er dagens geometri lagt til grunn, eventuelle endringer i elveleiet i form av utfyllinger langs siden eller andre elementer ute i bekken eller langs bekkebreddene vil virke oppstuvende for vannspeilet og medføre høyere vannstand enn det som er modellert. Dersom en planlegger å bygge i eller ved flomområder, skal en gå inn i Tabell 3-6 for å finne flomhøyde og i tillegg legge til nødvendig sikkerhetsmargin for laveste beliggende bygg, for å oppnå tilstrekkelig sikkerhet i forhold til dimensjonerende flomhøyde. 5.2 Bekk 2 Reguleringsområdet ligger innenfor beregnet flom vannstand. Som vist i Figur 4-2 bolig områdene ligger ikke i faresonen for 200-årsflom med 40% klimatillegg. Grøntarealet nærmest bekken bli oversømmet med dagens terrengnivå til beregnet flom høydene. Flomsikkert nivåer er de beregnet flom høydene pluss 0,5m sikkerhet margin. I den hydrauliske modellen er dagens geometri lagt til grunn, eventuelle endringer i elveleiet i form av utfyllinger langs siden eller andre elementer ute i bekken eller langs bekkebreddene vil virke oppstuvende for vannspeilet og medføre høyere vannstand enn det som er modellert. Dersom en planlegger å bygge i eller ved flomområder, skal en gå inn i Tabell 3-6 for å finne flomhøyde og i tillegg legge til nødvendig sikkerhetsmargin for laveste beliggende bygg, for å oppnå tilstrekkelig sikkerhet i forhold til dimensjonerende flomhøyde.

20 19 6 REFERANSER Chow, V.T., 1988: Open-Channel Hydraulics, Caldwell, New Jersey: The Blackburn Press. HEC-USACE, 2002: HEC-RAS River Analysis System, Hydraulic Reference Manual, U,S, Army Corps of Engineers, Hydraulic Engineering Center (HEC), Davis, CA, USA. NVE,2010: Vassdragshåndboka, Håndbok i forbygningsteknikk og vassdragsmiljø, Tapir, Trondheim. NVE, 4/2011: Retningslinjer for flomberegninger til 5-7 i forskrift om sikkerhet og tilsyn med vassdragsanlegg. Retningslinje 4/2011. Norges vassdrags- og energidirektorat. NVE rapport : Klimaendring og framtidige flommer i Norge.

21 20 7 VEDLEGG Vedlegg 1: IVF-kurver Vedlegg 2: Tverrprofil av bekken med beregnet Vannlinjer, Bekk 1 Vedlegg 3: Tverrprofil av bekken med beregnet Vannlinjer, Bekk 2

22 21 Vedlegg 1: IVF-Kurver

23 22

24 23 Vedlegg 2: Tverrprofil av bekken med beregnet Vannlinjer, Bekk 1

25 Bekk1 Profil Bekk1 Profil Bekk1 Profil Bekk1 Profil

26 Bekk1 Profil Bekk1 Profil Bekk1 Profil Bekk1 Profil Levee

27 26 Bekk1 Profil

28 27 Vedlegg 3: Tverrprofil av bekken med beregnet Vannlinjer, Bekk 2

29 Bekk2 Profil Bekk2 Profil Bekk2 Profil Bekk2 Profil

30 Bekk2 Profil Bekk2 Profil Bekk2 Profil Bekk2 Profil Levee