Vannlinjeberegning for Mørkedøla (012. CDC0), Hemsedal kommune i Buskerud. Utarbeidet av Demissew K. Ejigu

Transkript

1 Vannlinjeberegning for Mørkedøla (012. CDC0), Hemsedal kommune i Buskerud Utarbeidet av Demissew K. Ejigu Norges vassdrags- og energidirektorat 2011

2 Rapport Vannlinjeberegning for Mørkedøla (012. CDC0), Hemsedal kommune i Buskerud Oppdragsgiver: Rambøll Norge AS Saksbehandler: Demissew K. Ejigu Ansvarlig: Sverre Husebye Vår ref.: NVE Arkiv: 333 / 012. CDC0 Emneord Vannlinjeberegning, hydrologiske data Norges vassdrags- og energidirektorat Middelthunsgate 29 Postboks 5091 Majorstua 0301 OSLO Telefon: Telefaks: Internett:

3 Innhold Forord... 4 Innledning... 5 Metode... 6 Flomberegning... 6 Feltarbeid... 6 Vannlinjeberegning... 6 Modellering..6 Geometri... 6 Manningstall (hydrauliske ruhetsverdier) 9 Kalibrering...10 Grensebetingelser...13 Resultater Konklusjon Følsomhetsanalyse av modellparametere Referanser... 33

4 Forord På oppdrag for Rambøll Norge AS har NVE Hydrologisk avdeling, framskaffet hydrologiske data for Mørkedøla og beregnet vannlinje for flom med gjentaksintervall 200 år. Det er beregnet flomverdier for Mørkedøla basert på NVEs hydrologiske database Hydra II. Vannlinjeberegningen omfatter oppsett av en endimensjonal (1D) hydraulisk modell med inngangsdata basert på terrengdata hentet fra Norge digitalt og oppmåling utført av NVE. Det er benyttet verktøyet HEC-RAS fra US Army Corps of Engineers (USACE). Hydrauliske ruhetsverdier i modellen er anslått ut fra befaring og erfaringstall fra litteraturstudier. De hydrologiske og hydrauliske beregningene er beheftet med noe usikkerhet, på grunn av manglende måledata for vannføring, usikkerhet i høydegrunnlag og manglende kalibreringsdata. De utførte analysene og resultatene er imidlertid etter vår vurdering det beste som kan fremskaffes for planlegging med det datagrunnlag som finnes for området i dag. Det som her foreligger er en ren oversendelse av hydrologiske og hydrauliske analyser på oppdragsbasis, og er ikke en del av NVEs forvaltningsmessige behandling av saken. Demissew K. Ejigu har vært ansvarlig for oppdraget fra NVEs side. Péter Borsányi har kvalitetskontrollert rapporten. Sverre Husebye seksjonssjef Demissew K. Ejigu senioringeniør

5 Innledning På vegne av Statens vegvesen utarbeider Rambøll Norge AS reguleringsplan for Rv 52 Venås- Skøyten. Den nye veien krysser elva Mørkedøla på to steder tett opp til der hvor dagens trase for Rv 52 krysser. I denne forbindelse har oppdragsgiver behov for flomberegning og tilsvarende beregnet flomnivå for situasjon under en 200-års flom. Per e-post opplyste oppdragsgiveren at dimensjonerende vannføringen skal være 200-års flom. NVE har gjort tre vannlinjeberegninger. Den første er uten to nye bruer (dagens situasjon) for å kalibrere modellen, den andre er med både gamle og nye bruer samtidig (som simulerer en eventuell midlertidig situasjon i byggeperioden) og den tredje er med nye bruer uten gamle (planlagt situasjon). Den nye Skøyten bru (alternativ 1) skal bygges mellom tverrprofil 416 og 413 som er drøyt 100 m nedstrøms den gamle Skøyten bru. Nye Venås bru skal bygges mellom tverrprofil 85 og 77 som er drøyt 50 m oppstrøms den gamle Venås bru langs Mørkedøla. Mørkedøla ligger i Hemsedal kommune. Modellområdet strekker seg over en lengde på ca.1,7 km. Figur 1 viser modellområdet. Figur 1: Oversiktskart over modellert strekning. Side 5

6 Metode Arbeidet er utført i to trinn. Det er først utført en flomberegning. Tallene fra denne flomberegningen er så benyttet som inngangsdata i vannlinjeberegningene, som er trinn to. Flomberegning Flomberegningen er utført separat og er dokumentert i eget notat, se NVE Resultatene fra flomberegningen er gitt i tabell 1 som viser flomverdiene i m 3 /s for ulike gjentaksintervall. Det er kulminasjonsverdier som er gitt. Tabell 1. Flomverdier i m 3 /s i Mørkedøla og Laudøla. Verdiene er avrundet til nærmeste 5 m 3 /s. Q M Q 5 Q 10 Q 20 Q 50 Q 100 Q 200 Mørkedøla før samløp Laudøla Laudøla Sum Mørkedøla Feltarbeid NVE har gjort feltarbeid for å måle opp koordinater og høyder på tverrprofilene. På grunn av stor vannføring, stri strøm i elva og ujevn topografi var det umulig å gjøre målinger på enkelte av tverrprofilene. NVE har gjort målinger på de stedene som er tilgjengelig og, i tillegg målt vannstander langs elva på flere punkter. Det er også målt åpninger og plasseringer av eksisterende bruer. Målte vannstander skal brukes for å kalibrere modellen. Målearbeidet ble utført 14. og 15. september Vannlinjeberegning Det hydrauliske modelleringsverktøyet HEC-RAS er benyttet til beregning av vannlinjene. Verktøyet er utviklet av US Army Corps of Engineers (USACE), Hydrologic Engineering Center (HEC). Modellen kan blant annet beregne underkritisk og overkritisk strømning eller en kombinasjon av disse i en enkel elv, eller i et elvenettverk. Datagrunnlaget til arbeidet er terrengdata fra Norge digitalt, oppmålte tverrprofiler og vannstander langs elva, oppmålte eksisterende bruer, fotografier av elveløpet, tegninger av nye bruer, samt flomberegninger fra vannføringsobservasjoner i elva og nærliggende vassdrag. Basert på dette er det utviklet en forenklet representasjon av elven i form av en 1D hydraulisk modell. Chow (1959) gir detaljer om slike modellsystemer. I vannlinjeberegninger må ofte modellen settes opp for en lengre elvestrekning enn selve prosjektområdet, da nedstrøms grensebetingelse skal ha liten innvirkning på vannføringer og vannstander i det området som skal analyseres. Modellering Geometri Elvebunn og terrenget i den hydrauliske modellen er representert ved et utvalg av tverrprofiler. Tverrprofilene er fra oppmåling gjort i elveløpet til Mørkedøla på de stedene som var tilgjenglig ved måletidspunktet og utført av NVE. I tillegg har NVE utvidet tverrprofilene på begge sider av elva basert på høydelinjer (1 m kote), som er lastet ned fra Norge digitalt. Oppmåling av gamle bruer utført Side 6

7 av NVE og tegning av nye bruer fremskaffet av Rambøll Norge AS ble brukt for å sette opp bruene i modellen. Det er gjort beregning for dagens situasjon (med gamle bruer) og planlagt situasjon (med nye bruer). Modellområdet strekker seg over ca.1,7 km. Figur 2 viser plassering av tverrprofiler. Side 7

8 Profil 50 (30) Utsnitt B Profil 1 (530) Utsnitt A Figur 2. Oversiktskart over modellert strekning. Kartet viser plassering av tverrprofiler. Side 8

9 Profil 7 (470) Profil 8 (460) Profil 9 (450) Profil 10 (440) Profil 11 (430) Profil 14 (400) Profil 1 (530) Nye Skøyten bru Profil 2 (520) Profil 3 (510) Profil 4 (500) Profil 5 (490) Gamle Skøyten bru Profil 12 (420) Profil 6 (480) Profil 13 (410) Interpolert (416) Interpolert (413) Figur 3. Oversiktskart over ny og gammel Skøyten bru. Kartet viser også plassering av tverrprofiler. (Utsnitt fra figur 2 - utsnitt A) Side 9

10 Profil 42 (110) Profil 43 (100) Profil 44 (90) Profil 47 (60) Profil 48 (50) Profil 41 (120) Nye Venås bru Profil 50 (30) Profil 49 (40) Gamle Venås bru Interpolert (85) Interpolert (77) Interpolert (73) Profil 46 (70) Figur 4. Oversiktskart over ny og gammel Venås bru. Kartet viser også plassering av tverrprofiler. (Utsnitt fra figur 2 -utsnitt B) Side 10

11 Manningstall (hydrauliske ruhetsverdier) Alle typer energitap som påvirker vannstanden langs elveløpen er representert ved en enkelt faktor, manningstallet. Den hydrauliske ruheten (n1 for hovedkanal og n2 og n3 for sidekanaler) i elva er derfor bestemt ut fra inntrykk under befaringen og verdier fra aktuell litteratur. Se igjen Chow et al. (1988) for flere eksempler. Følgende mannings n verdier er benyttet. Tabell 2. Benyttede manningstall (n) i modellen. Manningstall i hovedkanal og sidekanal Profilnavn i Profilnavn i HecRas Hovedkanal Sidekanal oppmåling n1 n2 n3 n3 n5 530 Profil 1 0,05 0,05 0, Profil 2 0,05 0,05 0, Profil 3 0,05 0,05 0, Profil 4 0,05 0,05 0, Profil 5 0,05 0,05 0, Profil 6 0,05 0,04 0,07 Gamle Skøyten bru 0,04 0,04 0, Profil 7 0,05 0,04 0, Profil 8 0,07 0,05 0, Profil 9 0,07 0,05 0, Profil 10 0,07 0,05 0, Profil 11 0,07 0,05 0, Profil 12 0,07 0,04 0, Interpolert 0,07 0,04 0,07 Nye Skøyten bru 0,04 0,04 0, Interpolert 0,07 0,04 0, Profil 13 0,07 0,05 0, Profil 41 0,07 0,05 0, Profil 42 0,07 0,05 0, Profil 43 0,07 0,05 0,07 90 Profil 44 0,07 0,05 0,07 85 Interpolert 0,07 0,04 0,07 Nye Venås bru 0,04 0,04 0,04 77 Interpolert 0,07 0,04 0,07 73 Interpolert 0,07 0,04 0,07 70 Profil 45 0,05 0,04 0,07 Gamle Venås bru 0,04 0,04 0,04 60 Profil 47 0,05 0,04 0,07 50 Profil 48 0,07 0,05 0,07 40 Profil 49 0,07 0,05 0,07 30 Profil 50 0,07 0,05 0,07 Side 11

12 Kalibrering En kalibrering av modellen vil gi mindre usikkerhet i resultatene. Ved feltarbeidet utførte NVE vannstandsmålinger langs i Mørkedøla. Vannføringene på oppmålingstidspunktet er antatt å ha vært på ca. 12 m 3 /s og 9,2 m 3 /s for henholdsvis dag 1 og dag 2. Kalibrering av modellen er basert på de målte vannstandene og tilhørende vannføring. Modellkalibreringen er gjort ved tilpasning av ruhetsparametre (hydraulisk ruhet beskriver hvor glatt elvebunnen er). Kalibreringen viser at modellen treffer godt på forholdene i elva den 14. og 15. september 2011 og modellen antas derfor å være god kvalitet, se også tabell 3. Tabell 3. Resultat fra kalibreringen, observert og simulert vannstander langs i Mørkedøla. Profil navn i HecRas Målte vannstander langs Mørkedøla på den (moh) Målte vannstander langs Mørkedøla på den (moh) Simulerte vannstander langs Mørkedøla på den (moh) Simulerte vannstander langs Mørkedøla på den (moh) Differanse (observert minus simulert) , ,660 0, , ,030-0, , ,420 0, , ,840-0, , ,520 0, , ,430 0, , ,360-0, , ,370-0, , ,020 0, , ,400-0, , ,460-0, , ,280-0, , ,290-0, , ,050 0, , ,340-0, , ,740 0, , ,690-0, , ,500 0, , ,990 0, , ,820 0, , ,620 0, , ,040 0, , ,560 0, , ,730 0, , ,350-0, , ,120 0, , ,730 0, , ,630 0, , ,530-0, , ,270 0, , ,350 0, , ,250 0, , ,810-0, , ,690 0, , ,610 0, , ,590-0, , ,550-0, , ,550-0,02 Side 12

13 Grensebetingelser Det er beregnet vannlinjer for middelflom og flommer med gjentaksintervall 5-, 10-, 20-, 50-, 100 og 200. I presentasjonen av resultatene er det i hovedsak lagt vekt på vannlinje for flom med 200-års gjentaksintervall. På oppstrøms side i modellen er helningen til elvebunen ( S ) ved øverste tverrprofiler benyttet som øvre grensebetingelse. På nedstrøms side i modellen er kritiskdybde benyttet som nedre grensebetingelse. Disse verdiene refereres det til som grensebetingelser. Tabell 4 viser valgte verdier. Tabell 4: Grensebetingelsene for simuleringen. Øvre grensebetingelse Nedre grensebetingelse Mørkedøla S = 0,06424 kritiskdybde Resultater Resultatene for planlagt situasjon i vannlinjeberegningen, beregnede vannstander, vannhastigheter og Froude tall ved tverrprofilene for flom med gjentaksintervall 200 år er samlet i tabell 5. Beregningene er gjort med to nye bruer inkludert i modellen. Figur 5. viser resultatene som plott av vannstand for 200-års flom som lengdeprofil for hele modellområdet for planlagt situasjon. Figur 6 og 7. viser et nærmere utsnitt rundt de to nye bruene. Figur 8 og 9. viser beregnede vannstander for 200-års flom i 21 tverrprofiler, samt oppstrøms og nedstrøms de to nye bruene for planlagt situasjon. Vær oppmerksom på at vertikal og horisontal målestokk er ulike. Side 13

14 Tabell 5. Beregnede vannstander, vannhastigheter og Froude tall ved tverrprofilene for 200-års flom i Mørkedøla for planlagt situasjon. Profilnavn i HecRas Profilnavn i oppmåling Vannstand (m) Q200 = 340 m3/s Hastighet (m/s) Froude 530 Profil 1 742,63 8,44 1, Profil 2 742,45 7,32 1, Profil 3 741,59 7,59 1, Profil 4 741,78 3,66 0, Profil 5 741,53 4,07 0, Profil 6 741,28 4,46 0, Profil 7 741,47 3,70 0, Profil 8 741,38 3,57 0, Profil 9 740,26 5,71 0, Profil ,31 6,88 1, Profil ,59 7,59 1, Profil ,58 8,52 1, Interpolert 734,52 9,02 1, oppstrøms nye Skøyten bru 733,47 7,73 1, nedstrøms nye Skøyten bru 735,35 3,92 0, Interpolert 734,92 5,76 1, Profil ,20 7,62 1, Profil ,42 4,56 0,66 tall Profilnavn i HecRas Profilnavn i oppmåling Vannstand (m) Q200 = 340 m3/s Hastighet (m/s) Froude 120 Profil 41,60 3,25 0, Profil ,36 4,58 0, Profil ,89 4,68 0,89 90 Profil ,03 3,40 0,54 85 Interpolert 698,68 4,14 0,71 80 oppstrøms nye Venås bru 698,83 3,28 0,50 80 nedstrøms nye Venås bru 698,78 3,34 0,51 77 Interpolert 698,50 4,20 0,72 73 Interpolert 698,51 3,81 0,62 70 Profil ,55 3,32 0,51 60 Profil ,41 5,48 0,99 50 Profil ,79 6,38 1,22 40 Profil ,56 6,88 1,74 30 Profil ,77 3,86 0,99 tall Side 14

15 Figur 5. Beregnede vannstander på elvestrekningen, lengdeprofilet viser beregninger for 200-års flom. (Planlagt situasjon) Geom: Med to nye bruer og Modifisert_P Flow: Qm TilQ Utsnitt Utsnitt Høyde (m) Profillengde (m) Side 15 Energilinje Q200 Beregnet vannstand Q200 Kritisk dybde Q200 Profil50 Profil49 Profil47 Nye venås bru Profil44 Profil43 Profil42 Profil41 Profil40 Profil39 Profil38 Profil36 profil35 Profil34 Profil33 Profil32 Profil31 Profil30 Profil29 Profil28 Profil26 Profil24 Profil22 Profil21 Profil19 Profil18 Profil16 Profil14 Profil13 Nye Skøyten bru Profil11 Profil7 Profil5 Profil3 Profil1

16 Figur 6. Beregnede vannstander på elvestrekningen, lengdeprofilet viser beregninger for 200-årsflom for Planlagt situasjon. (Utsnitt fra figur 6-utsnitt 1) Geom: Med to nye bruer og Modifisert_P Flow: QmTilQ Gamle Skøyten bru fjernet Energilinje Q200 Beregnet vannstand Q200 Kritisk dybde Q200 Høyde (m) Profil14 Profil13 Nye Skøyten bru Profil12 Profil11 Profil9 Profil8 Profil7 profil6 Profil5 Profil4 Profil3 Profil2 Profil Profillengde (m) Side 16

17 Figur 7. Beregnede vannstander på elvestrekningen, lengdeprofilet viser beregninger for 200-årsflom for Planlagt situasjon. (Utsnitt fra figur 6- utsnitt 2) Geom: Med to nye bruer og Modifisert_P Flow: QmTilQ Energilinje Q Gamle Venås bru fjernet Beregnet vannstand Q200 Kritisk dybde Q200 Høyde (m) Profil50 Profil49 Profil48 Profil47 Profil46 Nye venås bru Profil44 Profil43 Profil42 Profil Profillengde (m) Side 17

18 Figur 8. Beregnede vannstander i ni tverrprofiler (profil 8 til profil 14) i området ved nye Skøyten bru, samt oppstrøms og nedstrøms nye Skøyten bru for planlagt situasjon. Geom: Med to nye bruer og Modifisert_P Flow: QmTilQ1000 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 460 Profil 8 Geom: Med to nye bruer og Modifisert_P Flow: QmTilQ1000 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 450 Profil Side 18

19 Geom: Med to nye bruer og Modifisert_P Flow: QmTilQ1000 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 440 Profil 10 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 430 Profil Side 19

20 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 420 Profil 12 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 416 Interpolert mellom 420 og Side 20

21 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 415 BR Oppstrøms nye Skøyten bru River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 415 BR Nedstrøms nye Skøyten bru Side 21

22 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 413 Interpolert mellom 420 og 410 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 410 Profil Side 22

23 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 400 Profil Side 23

24 Figur 9. Beregnede vannstander i tolv tverrprofiler (profil 41 til profil 50) i området ved nye Venås bru, samt oppstrøms og nedstrøms nye Venås bru for planlagt situasjon. River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 120 Profil 41 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 110 Profil Side 24

25 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 100 Profil 43 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 90 Profil Side 25

26 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 85 Interpolert mell om Profil 80 og 90 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 80 BR Oppstrøms nye Venås bru Side 26

27 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 80 BR Nedstrøm s nye Venås bru River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 77 Interpolert mell om profil 80 og Side 27

28 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 73 Interpolert mell om profil 80 og 70 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 70 Profil Side 28

29 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 60 Profil47 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 50 Profil Side 29

30 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 40 Profil49 River = Mørkedøla Reach = Bru streknning RS = 30 Profil Side 30

31 Konklusjon Beregningen for dagens situasjon viser at vannstanden i tverrprofil 416 (rett oppstrøms nye Skøyten bru) er 734,52 m og i tverrprofil 85 (rett oppstrøms nye Venås bru) er 698,68 m ved 200-års flom. I området hvor Skøyten bru er planlagt å ligge er det så bratt at vi har såkalt overkritisk strømning med store vannhastigheter. Lokale inngrep i området som utvidelse og redusert fall kan medføre at det kan oppstå et vannstadssprang og at vi får et område med mindre vannhastighet og roligere strøm (underkritisk strømning). Dette betyr en betydelig vannstandsøkning og at vannstanden kan gå opp mot energilinjen (grønn linje), som vist på figur 6. Høydeforskjellen mellom beregnet vannstand og energilinjen representerer hastighetsenergien i vannstrømmen. Det er også utført en analyse der både de gamle og de nye bruene står samtidig. Selv om at dette bare vil være i en begrenset periode, kan det oppstå en situasjon med stor flom i ombyggingsfasen. I følge beregningene har ikke dagens to bruer kapasitets til å ta unna flommer med 200-års gjentaksintervall og begge bruspennene vil bli oversvømt. Dette vil medføre en oppstuving i m lengde i oppstrøms retning, der nye Venås bru er planlagt bygget. En 200-års flom ved nye Venås bru, mens dagens bru fremdeles står, er ventet å nå ca kote 699, 96 moh (ca 1,40 m under planlagt lavest punkt på bruspennet) I den hydrauliske modellen er dagens geometri lagt til grunn, eventuelle endringer i elveleiet i form av utfyllinger langs siden, pirer eller andre elementer ute i elva eller langs elvebreddene vil virke oppstuende på vannspeilet og medføre høyere vannstand enn det som er modellert. Følsomhetsanalyse av modellparametere Kvaliteten på vannlinjeberegningene er avhengig av en godt kalibrert hydraulisk modell. Det vil si at det samles inn samhørende verdier av vannføring og vannstand som modellen kan kalibreres mot. Det vanskelig å samle inn data for store nok vannføringer og derfor vil kalibreringsprosessen aldri resultere i en modell som gir nøyaktige resultater på flomvannføringer. Nøyaktigheten i geometriske data (både over og under vannspeilet), helning og hydraulisk ruhet for elveløpet er de viktigste faktorene som påvirker resultatene. Erosjon og masseavlagring representerer generelt et betydelig usikkerhetsmoment. Større flommer vil kunne gi en forandring av profilene (elveløpet) og dermed endre strømningsforholdene. Det er også fare for at trær og busker kan snevre inn eller tette igjen deler av elveløpet, noe som vil redusere vannkapasiteten og medføre oppstuving. Det er foretatt beregninger for å se hvordan ruheten i elva og elveslettene innvirker på de beregnede vannstandene. Ruheten er økt/redusert med 10 % med utgangspunkt i de valgte verdiene. Figur 10 viser et lengdeprofil av beregnede vannstander for 200-årsflom med ulike kombinasjoner av ruhetsverdier. Analysen viste en relativ økning/reduksjon i vannstanden ved profilene på maksimalt +31/-26 cm. Side 31

32 Figur 10. Beregnet vannstand i Mørkedøla for en 200-årsflom med ulike ruhetsverdier. Analysen har gjort for planlagt situasjon. Morkedola Plan: 1) To nye bruer+10% 2) Nye bruer_p 3) To nye bruer-10% Flow: QmTi lq To nye bruer (+10%) - To nye bruer_p - To nye bruer (-10%) 730 Høyde (m) Profillengde (m) Side 32

33 Referanser Chow, V,T, Open-Channel Hydraulics, 1959, 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, Side 33