Vedlegg A: GIS analysemetode. Innhold

Transkript

1 Vedlegg A: GIS analysemetode Dataene er først tilrettelagt i ArcInfo 8.3 arbeidsstasjon som cover og grid. Deretter overføres dataene til ArcGIS 8.3 og en personlig geodatabase (PGDB i Access) og bearbeides videre. Beregningene er programmert i VBA og kjøres fra ArcGIS 8.3. Innhold A.1 Tilrettelegging av grunnlagsdata... A.2 A.1.1 Generere geometrisk elvenett... A.2 A.1.2 Tilrettelegging av terrengmodellen... A.2 A Generere en hydrologisk terrengmodell... A.2 A Generering av grid for hydrologiske analyser... A.2 A Kontroll mot REGINE... A.3 A Kobling med avrenning... A.4 A Justere for eksisterende vannkraftreguleringer... A.4 A.1.3 Tilrettelegging av elvenettet... A.4 A.1.4 Generering av geometrisk nettverk av elvenett i ArcGIS A.5 A Konvertering av elvenett og utløp fra cover til PGDB... A.5 A Konvertere elvenett og utløp til 3D... A.5 A.1.5 Generere datasett med avstand til vei og kraftlinjer... A.5 A.2 Beregning av potensialet for små kraftverk... A.6 A.2.1 Metode... A.6 A Beregn profil... A.6 A Beregn fall... A.6 A Kostnads og produksjonsberegning... A.7 A.2.2 VBA programmering... A.8 A.3 Produksjonsmetode og ressursbruk... A.9 Vedlegg A: GIS-analysemetode A.1

2 A.1 Tilrettelegging av grunnlagsdata A.1.1 Generere geometrisk elvenett Midtlinjene er matematiske midtlinjer som er definert ved bruk av thiessen polygoner. Midtlinjene er koblet med de linjedefinerte elver. Et punkt (utlop) er lagt inn i eget cover for å markere hvor elva renner ut i havet. Alle linjer (midtlinjer og linjedefinerte elver) som henger sammen, har fått retning snudd mot utløp. Kartgrunnlaget innholder feil og mangler, derfor vil ikke alle linjestykker henge sammen. De som ikke gjør det, kan derfor ha feil retning i forhold til utløp. Det er utviklet en automatisk rutine (Arc Macro Language - AML) som definerer midtlinjer, kobler de sammen og gir retning mot utløp. Alle vassdrag har i tillegg gjennomgått en automatisk og manuell kontroll. I den automatiske kontroll har alle noder i nettverket fått tildelt høydeverdi fra terrengmodellen. Alle linjer har fått manuelt kontrollert retning for de linjer der retning og høydeforskjell avviker. Elvenettet var ferdig som vektor datasett for hele landet i august A.1.2 Tilrettelegging av terrengmodellen Terrengmodellen fra Statens kartverk (SK) har en nøyaktighet på +/- 5-6 meter. I flate områder kan denne feilmarginen gjøre at terrenget som terrengmodellen beskriver heller i feil retning. I analysen brukes terrengmodellen til å beregne nedbørfeltet og vannføringen i ethvert punkt i elva. Kvaliteten på resultatene er avhengig av hvor riktige resultater av beregninger på terrengmodellen er. Det er derfor viktig at terrengmodellen som skal brukes blir så riktig som mulig. NVE har et landsdekkende datasett (REGINE REGIster over Nedbørfelt) som inneholder en manuelt digitalisert grense (vannskille) for vassdrag og deler av disse. Dette datasettet ble brukt til å klippe ut datasett og til å kontrollere terrengmodellen. A Generere en hydrologisk terrengmodell NVEs elvenett har retning mot havet. ArcInfo har en standard metode for generering av terrengmodeller som bruker denne informasjonen i genereringen (topogrid). Et punkt i hver celle fra den landsdekkende digitale terrengmodellen med oppløsning 25 m x 25 m (DTEM25) brukes som inngangsdata sammen med elvenettet når den nye terrengmodellen lages (HYDRO25). I testfasen sammenlignet vi nedbørfelt beregnet fra DTEM25 med HYDRO25 og det var stor forskjell. Mange punkter i elva fikk ikke beregnet nedbørfelt når DTEM25 ble brukt. Genereringen blir utført for forholdsdefinerte områder på 25 x 25 km for å spare tid og maskinressurser. Det tar mye kortere tid å generere en terrengmodell for mange små områder og slå de sammen etterpå, enn å generere for hele området under ett. Resultatet må kontrolleres visuelt før man går videre i prosessen, fordi dersom en eller flere linjer i elvenettet har feil retning, endrer det terrengmodellen HYDRO25 tilsvarende og den blir feil. Elvenettet rettes før ny terrengmodell blir laget for det området. Dette gir en hydrologisk terrengmodell. A Generering av grid for hydrologiske analyser ArcInfo 8.3 har standard metoder for å fylle hull i terrengmodellen (fill). Dvs. de celler som ligger lavere enn alle de omkringliggende celler. Dersom disse cellene ikke blir satt lik verdien på cellene rundt, vil cellen ikke ha et utløp (HYDRO25F). Når det er gjort defineres retning på terreng mot elv Vedlegg A: GIS-analysemetode A.2

3 (flow direction) (HYDFLOWDIR). Antall celler som renner til hver celle beregnes (flowaccumulation) (HYDFLOWACC) deretter. Når dette er beregnet kan programmet automatisk definere hvor det vil renne en elv. Det gjøres ved at brukeren definerer hvor mange celler som skal akkumuleres før det er en elv. I denne analysen viste det seg at 300 celler gir elver i en detaljering som tilsvarer elvene i 1: I enhver celle i elva kan en beregne nedbørfeltet til cella når arealet av hver celle er kjent. A Kontroll mot REGINE Elver skal ikke krysse et vannskille. Det ble generert elver fra terrengmodellen med minimum 100 celler som en elv. Elvene beskrives som grid. Aktuelle vannskiller (grenser mellom nedbørfelt) blir konvertert til grid med samme rutestørrelse som elvene. De celler som både er definert som elv og vannskille blir gjort om til punkter for å peke ut mulige feil i terrengmodellen. REGINE inneholder dessverre mange feile definerte vannskiller, så alle punktene må kontrolleres manuelt. De punktene som blir igjen markerer hvor terrengmodellen er feil, og vi endrer terrengmodellen i de cellene for denne analysen. Der REGINE-grensene faller innenfor en buffer på 200 meter rundt punktene, heves terrenget med 10 meter. Da tvinges terrenget til å helle i riktig retning. Figur A.1.1 Justering av terrengmodell på grunnlag av REGINE ved å koble terrenggenererte elver med nedbørfeltgrensene til REGINE. Så lages nye HYDRO25 der hullene er fylt (fill) og nye flowdirection (HYDFLOWDIR) og flowaccumulation (HYDFLOWACC) lages. Vedlegg A: GIS-analysemetode A.3

4 A Kobling med avrenning ArcInfo har en standard rutine der man kan vekte akkumuleringen (flowaccumulation) av celler med et annet grid. Det gjøres mot avrenningen. På den måten akkumuleres avrenning (mm. pr.år) av alle celler som flyter til hver celle (RUNFLOWACC). A Justere for eksisterende vannkraftreguleringer Mange norske vassdrag er allerede utbygd til kraftformål. Det er ønskelig å hindre at programmet finner potensielle nye kraftverk der det allerede finnes fra før. Datasettene som inneholder nedbørfeltareal og avrenning pr. celle i elva (HYDFLOWACC og RUNFLOWACC) blir justert for å ta hensyn til allerede regulerte elver. Metoden som blir benyttet er å gjøre om nedbørfeltpolygoner der oppstrøm vannføring blir ført bort til grid. Ved generering av regulerte datasett for nedbørfeltareal og avrenning, blir beregningen bare utført innenfor nedbørfeltpolygonet som er igjen (setmask) (HYDREGFLOWACC og RUNREGFLOWACC). Vannføringen nedstrøms en overføring blir sterkt redusert og programmet finner at vannføringen ved toppen av fallet ikke er stort nok til et potensielt kraftverk. Dette fungerer i de fleste tilfelle, men ved kompliserte utbygginger der vannet blir ført fram og tilbake klarer ikke rutinene å generere grid som gjenspeiler reguleringen korrekt. Dette har blitt korrigert i den manuelle kontrollen. A.1.3 Tilrettelegging av elvenettet I analysen for beregning av potensial for små kraftverk brukes elvenettet til å identifisere fall i alle elver over en spesifisert helning (1:25). Det er ikke aktuelt å definere et inntak oppstrøm en innsjø med et kraftverk nedstrøms samme innsjø. Derfor vil det aldri være fall som inneholder en innsjø. Alle linjestykker i innsjøer ble derfor fjernet fra elvenettet. Ved innløp av hver innsjø ble det automatisk definert et utløpspunkt ved å bruke informasjon om retning til elvenettet. Dette effektiviserer også senere beregninger da antall elver (toppunkt) til hvert utløp reduseres kraftig. I starten av analysen manglet generert elvenettverk for en del små elver. Automatisk genererte elver fra terrengmodellen ble benyttet i de tilfellene. Vedlegg A: GIS-analysemetode A.4

5 A.1.4 Generering av geometrisk nettverk av elvenett i ArcGIS 8.3 ArcGIS 8.3 har rutiner for bygging av geometrisk nettverk og rutiner for å analysere og traversere oppstrøms, nedstrøms og mellom noder i nettverket. Elvenettet traverseres for blant annet å finne fall. A Konvertering av elvenett og utløp fra cover til PGDB Elvenettet og utløp-punktene konverteres til geometrisk nettverk i ArcGIS 8.3 (ArcCatalog). Utløpet defineres som laveste punkt (sink). Vassdragsstrukturen i Norge inneholder en del parallelle elveløp, deltaområder og elvesletter. Til bruk ved entydig traversering av nettverket er det nødvendig med fjerning av doble og udefinerte elvestrekninger. I tillegg er det feil som bl.a. skyldes at elvene henger sammen i kartet på vannskille og gjør retningen ubestemt. Dette må rettes manuelt. ArcGIS 8.3 har metoder for å vise feil, men alle feil vises ikke før man zoomer ned i kartet. Det ble derfor etter hvert laget en rutine i VBA som lager en liste over alle feil som programmet finner, og mulighet til å behandle feilene en etter en. En del feil kan identifiseres ved å bygge topologi mellom elvenettet og utløp. Utløpet skal henge på elvenettet og elvenettet skal ikke innehold flere linjer oppå hverandre. Topologi med disse reglene blir nå først laget og rettet før det ble laget nettverk. En feature klasse kan ikke innehold topologi og geometrisk nettverk, så topologien blir fjernet før nettverk bygges. A Konvertere elvenett og utløp til 3D Overføring av høydeverdi fra terrengmodellen til elvenettet og utløpspunktet gjøres ved å konvertere begge datasett til 3D i ArcGIS 3D Analyst og bygge geometrisk nettverk på de datasettene. A.1.5 Generere datasett med avstand til vei og kraftlinjer Aktuelle kraftlinjer og veier lagres i hvert sitt cover. Et grid for hver genereres der verdien i hver celle settes til nærmeste horisontale avstand til en vei/kraftlinje. I ArcInfo 8.3 brukes gridkommandoen eucdistance som bruker et linjegrid som input, slik at veiene og kraftlinjene gjøres om til grid før beregningen gjøres. I ArcGIS er ligger samme rutine under ArcGIS Spatial Analyst, (distance staright line). Euclidean avstand er beregnet fra senter av kildecellen (vei/kraftlinje celle) til senter av hver av de omkringliggende celler. For hver celle, avstand er beregnet til hver kildecelle ved å bruke hypotenusen med x-max og y-max er de to katetene. Den korteste avstand velges. Vedlegg A: GIS-analysemetode A.5

6 A.2 Beregning av potensialet for små kraftverk A.2.1 Metode Når grunnlagsdataene er tilrettelagt kan selve beregningene starte. Fall identifiseres og egenskaper om nedbørfeltareal, vannføring og fallhøyde beregnes i toppen av hvert fall. Ut i fra dette beregnes effekten og produksjon. For fallstrekninger som gir en effekt mellom kw, lagres toppunktet som inntak, bunnpunktet som kraftverk og den rette linja mellom som rørgate. Avstand til vei og kraftlinjer hentes for kraftverket, lengden av vannveien beregnes. Basert på NVEs kostnadsgrunnlag for små kraftverk er det laget en kostnadsfunksjon som beregner utbyggingskostnaden for prosjektet. A Beregn profil Elvenettet traverseres fra utløp til alle toppunkt som renner til utløpet. Det lages et temporært lengdeprofil for hver trase. Hvert lengdeprofil deles opp i biter á 50 meter. Til hver bit beregnes gradienten (dh / dl, der dl = 50 meter), høydeforskjell, min og max høyde over havet. Når et utløp har flere toppunkt, blir det laget flere profil der punktene ligger oppå hverandre der profilene er sammenfallende. Dette gjøres for at fall skal kunne defineres fra en elv og opp i en eller flere ulike sideelver. Informasjonen til hver bit av profilene lagres temporært som punkter i toppunktet. Alle punktene gjennomgåes fra utløp til topp. Dersom 2 etterfølgende punkter har gradient < 1:25, fjernes det første. Resultatet lagres i en profiltabell med koordinater til toppunktet. Elvenett Figur A.2.1 Lengdeprofil med markering av startpunkt (blå sirkel) og sluttpunkt (rød sirkel). A Beregn fall Et fall defineres som alle fortløpende elvebiter (profilpunkt) som har en gradient 1:25. Informasjon om høydeforskjellen (H), total elvelengde og terrenghøyden ved topp og bunn beregnes i toppunktet til hver definerte fallstrekning. Nedbørfeltarealet beregnes fra datasettet med akkumulerte antall celler (HYDREGFLOWACC) for den cellen som toppen av den definerte fallstrekningen faller innenfor. Arealet er A = antall celler x areal av hver celle (25 m * 25 m). Tilsvarende for vannføring der datasettet inneholder akkumulert avrenning av alle celler som renner til hver celle (RUNREGFLOWACC). Midlere vannføringen pr. år (Q midl. ) brukes. Q midl = verdiene av antall celler * areal av hver celle i km 2 / m 3 /sek ( er antall sekunder i et år). Effekten i kw til et kraftverk beregnes for hvert fall vha. formelen 9,81 x µ x Q x H der H er fallhøyden. Alle fallstrekninger som vil gi en effekt mellom kw identifiseres som potensielle kraftverk. Egenskaper om toppunktet til kraftverket lagres som inntak, bunnpunkt som Vedlegg A: GIS-analysemetode A.6

7 kraftverk og den rette linja mellom kraftverk og inntak defineres som vannvei. Dataene lagres i en PGDB som feature classer i feature datasettet Resultat. Kraftverkene identifiseres med en unik ident som også lagres i inntak og vannvei. Alle egenskaper lagres på kraftverket. Strekninger med fall ned til 1:25 er inkludert. Aktuelle fallhøyder (H)er begrenset til området 10 m m. Turbinens slukeevne (Q) er valgt lik 1,5 x Q midl (midlere vannføring). Virkningsgraden (µ) er satt til 0, Figur A.2.2 Lengdeprofil med 2 identifiserte fall med plassering av potensielle inntak (blå trekant) og kraftverk (gul sirkel). Det siste fallet har for liten vannføring i toppen til å gi effekt over 50 kw. A Kostnads og produksjonsberegning For å kunne plukke ut de mest lønnsomme prosjektene må kostnadene og mulig produksjon til hvert kraftverk beregnes. Informasjon om hvilken avstand kraftverket har til nærmeste vei og nærmeste kraftlinje hentes fra datasettet som er generert som et grid med denne informasjon. Grunnlag for kostnadene er NVEs håndbok nr. 2/2000 Kostnadsgrunnlag for mindre kraftanlegg ( kw). Denne er delvis også benyttet for kraftverk større enn 5000 kw, men også supplert med kostnadskurver fra NVEs håndbok nr. 3/2000 Kostnadsgrunnlag for vannkraftanlegg for turbinkostnader og elektrotekniske kostnader. Det er utarbeidet en kostnadsfunksjon i Excel regneark som bruker følgende parametre som alle beregnes i programmet: Brutto fallhøyde Lengde rørgate Slukevne = 1,5 x Q (midlere vannføring) Lengde veg (som må bygges avstand til nærmeste vei) Lengde linje (som må bygges avstand til nærmeste kraftlinje) Effekt Konstanter i kostnadsfunksjoner Vannhastighet = 3,0 m/s Rente = 8 % Byggetid = 8 mnd Vedlegg A: GIS-analysemetode A.7

8 Kostnadsfunksjonen beregner den totale utbyggingskostnaden, inkludert vei- og linjekostnader. De to sistnevnte er også skilt ut som egne kostnader da lengden på disse kan være betydelig pga. lange avstander til nærmeste punkt. For produksjonsberegningen regner man med en utnyttelsesgrad av vannet på 70 %. Produksjon beregnes som 9,81 x µ x (vannvolum pr. år) x 0,7 x H / Den spesifikke utbyggingsprisen i kr/kwh får man fra kostnadsberegningen og produksjonsberegningen. Det er satt en øvre grense på 5 kr/kwh for hvilke prosjekter som blir inkludert i potensialtallet. Prosjekter med en utbyggingspris under 3 kr/kwh er skilt ut, da disse antas som de mest gunstige. A.2.2 VBA programmering For å lage et system som kunne beregne et helt vassdrag om gangen måtte det gjøres en del programmering. Programmene ble skrevet i VBA (Visual Basic for Applications) som er inkludert i ArcGIS. Ved hjelp av VBA programmene kan ArcGIS funksjonene utføres i sekvens uten inngripen fra en operatør. Dette var en forutsetning for at det skulle være mulig beregne hele vassdrag automatisk. Det ble også laget en dialog der man enkelt kunne endre de forskjellige parametrene som brukes i en beregning. I tillegg er det i dialogen mulig å velge om man vil kjøre beregningene stegvis (i 3 trinn) eller helt automatisk ( TotalBeregning ). Integrasjon med Microsoft Excel ble gjort for å forenkle kostnadsberegningen. Det var allerede utviklet en kostnadsfunksjon i Excel. Denne funksjonen blir i VBA-programmet brukt direkte ved at input parametrene skrives til celler i Excel og resultatene leses etter at beregningene et gjort i Excel. Vil man endre på kostnadsfunksjoen korrigerer man det i Excel. Resultatene av beregningene skrives også inn i et regneark i Excel for enklere tilgang. De store utfordringene var å lage et robust program som kjørte mest mulig effektivt. Den første versjonen som ble laget viste seg å være for treg. Beregning av ett vassdrag tok over et døgn. Vedlegg A: GIS-analysemetode A.8

9 Effektivisering ble gjort bl.a. ved å lagre alle nedbørsfeltberegningene i datamaskinens minne slik at disse kun ble beregnet en gang pr. potensielt inntakspunkt. I tillegg til effektivisering er det lagt vekt på å lage rutinene på en slik måte at dersom man får en stopp i programmet skal det kun være nødvendig å kjøre om igjen rutinen som feilet pluss de etterfølgende. For eksempel er det unødvendig å beregne profiler på nytt dersom det oppstår feil i beregning av fall. A.3 Produksjonsmetode og ressursbruk Norge er inndelt i 262 vassdragsområder hvorav 247 vassdragsområder drenerer til kysten og resten ut av Norge (Sverige og Finland). Hvert vassdragsområde inneholder de områder som drenerer til et kystavsnitt. Størrelsen på vassdragsområdene varierer veldig. Det største er 002 Glomma/Hvaler og Singlefjorden som dekker et landareal på ca km 2 og det minste er 010 Hurumlandet øst og sør på 191 km vassdragsområder inneholder et hovedvassdrag og da kalles resten av vassdragsområdet som drenerer til kystlinja kystfelt. Analysene er utført innenfor et vassdragsområde. Unntaket er øya Senja som er inndelt i 2 vassdragsområder (194 og 195), men er analysert under ett. For vassdragsområder over ca km 2 er analysen utført for hovedvassdraget og kystfeltet hver for seg. For de store vassdragene er selve beregningene gjort for deler av området av gangen, men tilretteleggingen av data er utført for hele området. Bare for 002.Z Glommavassdraget har en måtte dele opp tilretteleggingen også i geografiske områder. Beregningene tar utgangspunkt i utløpspunktene i hav og innsjø. Et lengdeprofil blir laget fra utløp til toppen av hver sideelv eller innsjø. Profilene ligger oppå hverandre i de deler av elva som ligger nedstrøm flere toppunkt. Et vassdrag med få innsjøer og mange elveforgreininger, gir mange profiler. Hvor ressurskrevende beregningen er, avhenger mer av hvor mange og lange profiler som skal lages enn hvor mange utløpspunkter som skal behandles. I de store vassdragene har det vært nødvendig å legge inn noen ekstra utløpspunkter i hovedelveløpet for å få kjørt beregningene. Resultatet av beregningene er et datasett bestående av kraftverk, inntak og vannvei (rørgate) med felles identifikasjon for samme prosjekt og relevant egenskaper på kraftverk. I tillegg lagres profilpunkter i en tabell. Når en beregning er ferdig for et analyseområde kopieres kraftverk, inntak og vannvei til en landsdekkende geografisk database (PGDB). Profiltabellen blir liggende lokalt. Tilrettelegging av data i ArcInfo 8.3 på arbeidstasjon er programmert i AML-er av Astrid Voksø. I tillegg til er AML-ene kjørt og resultatene kontrollert av 4 innleide vikarer med GIS kompetanse. Olav Kavli AS har programmert i VBA. Analysen i ArcGIS er kjørt av Astrid Voksø, Kjersti Mølmann og Øivind B. Andersen i seksjon for geoinformasjon i NVE (VG). Vedlegg A: GIS-analysemetode A.9