12/2018 KVINESDAL KOMMUNE FLOMKARTLEGGING KNABEN

Transkript

1 12/2018 KVINESDAL KOMMUNE FLOMKARTLEGGING KNABEN

2

3 ADRESSE COWI AS Karvesvingen 2 Postboks 6412 Etterstad 0605 Oslo TLF WWW cowi.no 12/2018 KVINESDAL KOMMUNE FLOMKARTLEGGING KNABEN OPPDRAGSNR. DOKUMENTNR. A VERSJON UTGIVELSESDATO BESKRIVELSE UTARBEIDET KONTROLLERT GODKJENT ERMN AKTV/BJTH AKTV

4

5 FLOMKARTLEGGING KNABEN 5 INNHOLD 1 Innledning 7 2 Flomberegning Klimafaktor Flomfrekvensanalyse Formelverk for små uregulerte nedbørsfelt Valg av dimensjonerende flomstørrelse Kulminasjonsvannføring og tilløpsflom 9 3 Hydraulisk modell Grunnlagsdata og terrengmodell Utbredelse av modellen og grensebetingelser Valg av ruhetskoeffisienter Startbetingelser 16 4 Resultater Usikkerhet 17 5 Diskusjon og konklusjon Kritiske punkter Planområdene fra tilbudsinvitasjonen 20 6 Referanser 22

6

7 FLOMKARTLEGGING KNABEN 7 1 Innledning Kvinesdal kommune er i gang med en områderegulering for Knaben, og det er i den forbindelse gjennomført en beregning av dimensjonerende flomsoner rundt Store Knabetjødn og Knaben gruver. Området har et nedbørsfelt på litt over 24 km², som kan sees i Figur 1. Figur 1: Nedbørsfeltet til Knabetjødna. TEK 17 (Direktoratet for byggkvalitet, 2017) angir sikkerhetsklasser i henhold til returperioder for flommer med gjentaksintervaller på 20, 200 og 1000 år beregnet. COWI har utført flomsonekartlegging for flommer med disse tre returperiodene. Metode (flomberegning og hydraulisk modell), resultater og konklusjoner er oppsummert i denne rapporten.

8 8 FLOMKARTLEGGING KNABEN 2 Flomberegning Da det ikke finnes flomdata for det feltet vi er interessert i, har vi gjennomført en flomberegning basert på sammenlikningsfelt med utgangspunkt i NVE sine data og retningslinjer (NVE, 2011) (NVE, 2015b). Det var opprinnelig tenkt å bruke IVF-kurver for å fordele flommen utover feltet basert på karakteristikken til delfeltene. Dette ble ansett som for unøyaktig basert på tettheten av tilgjengelige målestasjoner. I stedet er beregnet flomvannføring fra flomfrekvensanalyse fordelt etter arealene til delfeltene. 2.1 Klimafaktor For Knaben sin region, indre deler av Agder, anbefales det å benytte en klimafaktor på 1.2 for å ta hensyn til økte flomvannføringer som følge av klimaendringer (Lawrence, 2016). 2.2 Flomfrekvensanalyse Dataen brukt i flomfrekvensanalysen er hentet fra NVE sin database, Hydra II. Det finnes en vannføringsstasjon nedstrøms Knaben, Knabåni. Denne har vært i drift siden 1993, og har dermed ikke en lang nok serie til å anslå størrelsen på store flommer med høy sikkerhet. Det er derfor gjort et utvalg av andre stasjoner med lignende feltparametere fra nærliggende områder for sammenligning. Disse har alle lengre serier, opp til 47 år, og er alle uregulerte. De endelige flomvannføringene som brukes i modellen er basert på et vektet snitt av stasjonene i Figur 2 sine vekstfaktorer. Vekstfaktoren er forholdet mellom en flom med et visst gjentaksintervall og middelflommen, gitt som "Q_mid" i figuren over. Lengre serier med feltparametere lik vårt felt er gitt en høyere vekt. Det er gjort analyse av årsflommer, da Knabåni opplever flommer gjennom hele året. Vekstfaktor m³/km²/s vårt felt Areal H50 Snaufjell% Eff. Sjø% Q_mid v_20 v_200 v_1000 q20 q200 q1000 Seriestart Vekting, 1-10 Vårt felt (3.13) Knabåni Jogla Øvstabøstøl Viertjern Lislefjødd Grimsvatn Figur 2: Stasjoner brukt i flomfrekvensanalysen. Vannføringen for "Vårt felt" er basert på et vektet snitt av de andre stasjonene, og er vist uten klimafaktor.

9 FLOMKARTLEGGING KNABEN 9 Basert på utvalget og vektingen får feltet en døgnmiddelflom vist i Figur 3. Q20 Q200 Q ,4 m³/s 48,6 m³/s 58,5 m³/s Figur 3: Flomverdier basert på flomfrekvensanalyse, med klimafaktor. 2.3 Formelverk for små uregulerte nedbørsfelt NVE har utviklet et formelverk (NVE, 2015b) for flomberegninger i små uregulerte felt, slik som feltet rundt Knaben er. Formelen baserer seg på areal, normalavrenning og effektiv sjøprosent for å beregne flomvannføring. Normalavrenningen hentes fra nasjonale kart, og varierer i nøyaktighet. Ved å i stedet benytte seg av skalert middelflom kan denne usikkerheten reduseres. Det benyttes en vekstkurve basert på en regresjonsanalyse, og resulterende flomstørrelser for Knaben vises i Figur 4. Q20 Q200 Q ,6 m³/s 49,9 m³/s 68,7 m³/s Figur 4: Døgnmiddelflom basert på nasjonalt formelverk for små uregulerte felt, med klimafaktor. 2.4 Valg av dimensjonerende flomstørrelse Formelverket fra NVE er kjent for å overvurdere vekstfaktoren med høy effektiv sjøprosent, da det antas at små flommer dempes totalt av innsjøene i nedbørsfeltet, mens denne effekten avtar ved store flommer. Det er derfor å anta at de store flommene vurderes til å være større enn de som finnes med flomfrekvensanalyse. Spredningen er dog mindre enn det man vanligvis kan forvente, og verdiene fra flomfrekvensanalysen antas å være gode. Basert på dette er flomverdiene funnet i Figur 3 funnet gode nok til å brukes i beregningene. 2.5 Kulminasjonsvannføring og tilløpsflom Stasjonen i samme elvestreng som vårt felt, Knabåni, har et betraktelig større felt enn det vi ønsker å beregne. Feltparametrene spriker også en god del. Det er derfor brukt flomforløp fra den stasjonen som ble vurdert å ligne mest på delfeltene våre, Grimsvatn. Her eksisterer det data med tidsoppløsning på et kvarter tilbake til Kulminasjonsfaktoren er forholdet mellom døgnmiddelflommen og høyeste observerte vannføring. For alle flommene som er registrert ved Grimsvatn er snittet av denne verdien 1,56. Dataene som er brukt kan sees under i Error! Reference source not found..

10 10 FLOMKARTLEGGING KNABEN Dato Kulminasjonsvannøring (m³/s) Døgnmiddelflom (m³/s) Qk/Qm Snitt 1.56 Under i Figur 5 til Figur 7 sees flomforløpet fra tre store flommer, i henholdsvis 1999, 2011 og 2014.

11 FLOMKARTLEGGING KNABEN 11 Figur 5: Flomforløp fra Grimsvatn, Figur 6: Flomforløp fra Grimsvatn, 2011.

12 12 FLOMKARTLEGGING KNABEN Figur 7: Flomforløp fra Grimsvatn, Basert på kulminasjonsverdiene og totalt flomvolum, definert som den mengden vann som kommer inn i området i løpet av et døgn, ble det konstruert et sinusformet flomforløp for hver av de dimensjonerende flommene. Dette er vist i Figur 8, og er brukt som tilløpsflom i modellen.

13 FLOMKARTLEGGING KNABEN 13 Figur 8: Konstruert flomforløp for Knaben.

14 14 FLOMKARTLEGGING KNABEN 3 Hydraulisk modell For å beregne flomsonene er programmet HEC-RAS (5.0.5) benyttet. Det innehar kapabiliteter til å gjøre 1D- og 2D-beregninger av store naturlige elvesystemer. Vår modell er utelukkende 2D, inkludert empiriske formler for strømningen i kulverter og over overløp. 3.1 Grunnlagsdata og terrengmodell Terrengmodellen er bygd opp ved hjelp av laserdata fra høydedata.no, Kartverket sin tjeneste for høydemodeller av Norge. Innmålingene her er fra 2010, og inkluderer ikke etableringen av parkeringsplassen nord på sanden eller tilhørende elvesløyfer langs øst- og vestsiden. Disse er lagt inn manuelt ved gjetting av dybder. Det er i tillegg blitt gjennomført innmålinger av elvetverrsnitt, kulverter og overganger i regi av kommunen. Førstnevnte er bakt inn i terrengmodellen ved at bunnen mellom innmålingene interpoleres basert på disse. Kulverter og overganger er lagt inn i modellen med oppgitte tverrsnitt, høyder på inn- og utløp og ruhet antatt på bakgrunn av bilder. Det er regnet med mellom 10 % og 20 % tilstopping av kulvertene for alle flommene, avhengig av størrelse (høyere tilstopping for mindre kulverter). 3.2 Utbredelse av modellen og grensebetingelser Området modellen dekker er gjort stor nok til å tilfredsstille to behov: 1 Dekke de delene av planområdet som er flomutsatte og 2 Minimere effekten av grensebetingelsene på vannstanden i planområdet. Den resulterende modellutbredelsen sees i Figur 9.

15 FLOMKARTLEGGING KNABEN 15 Figur 9: Utbredelse av den hydrauliske modellen Plassering av grensebetingelser sees så vidt som røde streker langs ytterkanten av modellen i Figur 9. Det er totalt ni grensebetingelser: Åtte med innslipp av vann, og en nedstrøms dammen der vannet går ut av modellen. Vannføringen for hvert av de åtte innløpene er basert på feltarealet for punktet. Det er noe areal som går tapt mellom beregningen delfeltene som benyttes her og det totale arealet til dammens nedbørsfelt. Denne resten fordeles utover delfeltene i raden "Skalert opp" i Figur 10. BC1 BC2 BC3 BC4 BC5 BC6 BC7 BC8 SUM Areal (km²) Skalert opp (km²) Q20 (m³/s) Q200 (m³/s) Q1000 (m³/s) Figur 10: Vannføring for hvert av innløpene til modellen.

16 16 FLOMKARTLEGGING KNABEN Den nedre grensebetingelsen, nedstrøms dammen, er normalstrømning. Her settes det en helning på energilinjen eller gradienten på energiinnholdet til vannet, definert som summen av potensiell og kinetisk energi. 3.3 Valg av ruhetskoeffisienter Alle ruhetskoeffisientene er valgt konservativt, da det ikke finnes data å kalibrere modellen mot. For kulvertene er verdiene satt veldig høyt, da mange av dem så ut til å være i svært dårlig stand fra bildene. Tverrsnittstype Mannings n Elv 0,040 Sand 0,025 Skog 0,060 Betong 0,025 Råsprengt tunnel 0,070 Stål 0,020 PVC/Plast 0,025 Figur 11: Tabell over ruhetskoeffisienter. 3.4 Startbetingelser For alle flomforløpene er det antatt at Knabetjødna står til overløpskanten på dammen før flommen starter.

17 FLOMKARTLEGGING KNABEN 17 4 Resultater Resultatene som vises i de vedlagte PDF-filene er maksimal flomvannstand i løpet av de 24 timene flommen er modellert. Høydene er i NN2000, moh. Et eksempel sees under i Figur 12. Figur 12: 200-års flomsone rundt Gruvebyen. 4.1 Usikkerhet Det anbefales å legge på 30 cm på kotene som vises i kartene under regulering for å ta hensyn til usikkerhetene i beregningen. Disse inkluderer:

18 18 FLOMKARTLEGGING KNABEN Feil i grunnlagsdata Usikkerhet i flomstørrelsene Valg av ruhet i elv og terreng Modellfeil Usikkerhet i mengden tilstopping og tilstand på kulverter

19 FLOMKARTLEGGING KNABEN 19 5 Diskusjon og konklusjon Det vil i dette kapittelet diskuteres mer spesifikt rundt enkelte flaskehalser under det vi anser som dimensjonerende flom, 200-årsflommen. Diskusjonen tar utgangspunkt i NVE sin veileder for flomfare langs bekker (NVE, 2015a). 5.1 Kritiske punkter Det er tre punkter som kan anses som kritiske for nærliggende bebyggelse og infrastruktur ved en 200-årsflom: Den lange kulverten/tunellen fra Gruvebyen til Knabeåna, samt ski- og veibrua over Knabeåna Tunellen fra Gruvebyen til Knabeåna Det er veldig usikkert hva slags tilstand det er på tunnelen, og det er i modellen antatt en tilstopping på 10 % samt en høy ruhet. Dette gir en kapasitet oppunder 1.7 m³/s ved vannhøyden som oppstår under en 200-årsflom. Om innløpet blir tilstoppet vil store mengder vann utover det som sees i flomkartene stues opp og fortsette nedstrøms over sanden. Dette er derfor viktig at dette ikke tillates å gå tett under flommer Veibrua over Knabeåna En svakhet i HEC-RAS er modelleringen av bruer i 2D. Det er derfor antatt et åpent tverrsnitt opprinnelig, for så å bytte til å modellere ved hjelp av en omgjort kulvert om vannstanden skulle nå opp til underkanten av veien. Det gjør den akkurat ikke ved 1000-årsflommen + 30 cm, og ved 200-årsflommen er det også en klaring. Det må bemerkes at innsnevringen skaper effekter i strømningsbildet som ikke fanges opp godt av en 2D-modell. Disse er dog ikke av en størrelsesorden som er kritisk når det kommer til vannstand, og påslaget på 30 cm dekker usikkerheten her godt.

20 20 FLOMKARTLEGGING KNABEN Skibrua ved innløpet til Knabetjødna Det oppstår oppstuving oppstrøms denne brua ved alle de modellerte flommene, og ved 200-årsflommen er den på ca. 25 cm. Rørene er såpass flate at de mister mye kapasitet ved store flommer, og det er således overløpet som står for mesteparten av frakten av vann. Det er allikevel viktig at rørene holdes åpne så oppstuvingen ikke starter tidligere og ved lavere flomstørrelser enn nødvendig. Flommen blir ført over bredden, nordover over lavlandet og ut i vannet denne veien. 5.2 Planområdene fra tilbudsinvitasjonen I prisforespørselen blir det særlig referert til tre spesifiserte områder, vist i Figur 13 under. Alle tre vil i forskjellig grad bli påvirket av flom.

21 FLOMKARTLEGGING KNABEN 21 Figur 13: Fokusområder fra prisforespørselen. Mest kritisk av de tre er område 1, som vil være oversvømt med opptil en halv meter vann med høy hastighet allerede ved en 20-årsflom. Her må det gjøres tiltak om det skal benyttes til boligformål, uten at aktuelle tiltak kommer innunder denne rapportens formål. Område 2 inneholder ingen flomutsatte bygninger i dag. Eventuelle nye reguleringer må ta hensyn til flomsonene som vises i vedlagte flomsonekart. I område 3, ved Gruvebakken, er både vanndybden og -hastigheten lav i nærheten av boligene. Utover rensingen av inntaksgrinden som ble nevnt over vil det ikke være nødvendig med en utbedring av dagens forhold. En eventuell tilstopping av kulverter og bekkeløp utover det som er estimert vil kunne føre til ytterligere problemer, men vannmengdene og dermed flomproblemene fra feltene oppstrøms er ikke så store som i område 1 og 2.

22 22 FLOMKARTLEGGING KNABEN 6 Referanser Direktoratet for byggkvalitet. (2017). Byggteknisk forskrift (TEK17). Oslo: Direktoratet for byggkvalitet. Lawrence, D. (2016). Klimaendring og fremtidige flommer i Norge. Oslo: NVE. NVE. (2011). Retningslinjer for flomberegninger. Oslo: NVE. NVE. (2015a). Flaumfare langs bekker. Oslo: NVE. NVE. (2015b). Veileder for flomberegninger i små uregulerte felt. Oslo: NVE.