RAPPORT. SVV flom og kapasitet bru Fv193 Verran STATENS VEGVESEN BEREGNING AV 200-ÅRSFLOM OG VURDERING AV KAPASITET BRU

Transkript

1 STATENS VEGVESEN SVV flom og kapasitet bru Fv193 Verran OPPDRAGSNUMMER BEREGNING AV 200-ÅRSFLOM OG VURDERING AV KAPASITET BRU

2 fv193_v4.docx

3

4 fv193_v4.docx

5 Innholdsfortegnelse 1 Innledning 1 2 Metode og datagrunnlag Flom Havnivå Kapasitet og vannstand årsflom Beregning med formelverk form små uregulerte nedbørfelt Beregning med rasjonelle metode Valgt flomstørrelse 5 4 Fremtidig havnivå 6 5 Vurdering kapasitet og vannstand Forutsetninger i hydraulisk modell Resultat Konklusjon: anbefalt nivå underkant bru 8 Referanser 9 Bilag 1 Nedbørfelt Sørvågelva 2 Nedbørfelt Store Grønsjø målestasjon, Mossa

6 3 Nedbørfelt Øyungen målestasjon, Årgårdsvassdraget 4 Nedbørdata stasjon Trondheim Risvollan 5 Brutegning

7 1 Innledning På oppdrag fra Statens vegvesen har Sweco beregnet 200-årsflom i Sørvågelva og vurdert kapasitet av bru til å avlede flommen. Brua krysser Sørvågelva rett før utløpet i fjorden. Stedet ligger på Fv193 i Verran kommune, Nord-Trøndelag, på strekningen Verrabotn-Meltingen (Figur 1). Statens vegvesen erstatter eksisterende bru, og det er derfor ønskelig å vite nødvendig høyde for den nye brua. Analysepunkt Øyungen Fv193 Bru Store Grønsjø Figur 1: Oversiktskart med beliggenhet av bru og målestasjoner i nærheten, samt nedbørfelt til Sørvågelva og to målestasjoner brukt for sammenligning av feltparametere. 1(9)

8 2 Metode og datagrunnlag 2.1 Flom Dimensjonerende flom for brua er flommen med gjentaksintervall på 200 år (Statens vegvesen, 2014a). Feltparametere ble hentet fra NVEs lavvannskart ( Sørvågelva ved utløpet i fjorden har en nedbørfeltstørrelse på 5,6 km årsflom (Q200) ble beregnet ved bruk av formelverk for små uregulerte nedbørfelt, i henhold til NVE sine retningslinjer (NVE, 2015). Formelverket beregner middelflom og vannføringer med høyere returperioder, direkte på kulminasjonsverdier, for små uregulerte nedbørfelt i Norge (0,2 km 2 til ca. 50 km 2 ). Formelverket består av ett sett med ligninger for hele Norge, som er basert på tre inngangsparametere (nedbørfeltets areal, normalavrenning, og effektiv sjøprosent). Ligningenes gyldighet ligger i følgende intervaller: areal 0,2-53 km 2, normalavrenning l/s/km 2, effektiv sjøprosent 0-21 (NVE, 2015). Til sammenligning ble Q200 beregnet med den rasjonelle metode. Metoden er egnet for små nedbørfelt med areal mindre enn 2-5 km 2 (Statens vegvesen, 2014a). Nedbørdata (intensitet-varighet-frekvens-(ivf)-kurver) fra eklima ( er lagt til grunn i flomberegningen med den rasjonelle metode. Konsentrasjonstiden (i minutter) for naturlige felt beregnes etter følgende formel: = 0,6, der Feltlengde [m] Høydeforskjell i feltet [m] Effektivt sjøareal [-] Nedbørintensiteten bestemmes fra IVF-kurven for et gitt gjentaksintervall og en varighet som er lik feltets konsentrasjonstid. Avrenningen Q beregnes etter følgende formel: = der Avrenningsfaktor [-] Nedbørintensitet [l/s/km 2 ] Feltareal [km 2 ] Klimafaktor [-] Avrenningsfaktorer ble valgt i henhold til anbefalingene i SVV (2014). 2(9)

9 2.2 Havnivå Brua ligger nært fjorden. Fremtidig havnivå ble derfor beregnet for å bestemme eventuell influens på vannstanden ved brua. For havnivåberegning ble det benyttet informasjon fra kartverket ( og direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap sin rapport om havnivåstigning (DSB, 2009). Havnivået ble beregnet ut ifra høyeste astronomiske tidevann (HAT) for stedet, ved å ta hensyn til havstigning på grunn av klimaendringer frem til år 2100, korrigert for landheving. 2.3 Kapasitet og vannstand Hydrauliske modell HEC-RAS 1D ble brukt til å vurdere bruas kapasitet og nødvendig nivå på underkanten av brua. En strekning på ca. 125 m av Sørvågelva ble grovt og skjematisk beskrevet med tverrprofiler (Figur 2). Digitale kart, flybilder og GIS programvare ble brukt til å hente ut informasjon om elvas geometri og estimere tverrprofiler. Programmet beregner gjennomsnittlig vannstand og vannhastighet i profilene. Elvens og terrengets ruhet (strømningsmotstand), uttrykt ved Mannings ruhetstall, og brudimensjonene ble lagt inn i modellen. Verdier for Mannings tall er hentet fra Vassdragshåndboka (Fergus et al.., 2010). Brudimensjonene er basert på informasjon fra Statens vegvesen. BRU_ ksCAPU Plan: Q200_8 19/08/ Legend WS PF 1 Ground Bank Sta Ineff Figur 2: Modell av Sørvågelva ved bru i HEC-RAS årsflom 3.1 Beregning med formelverk form små uregulerte nedbørfelt Spesifikk normalavrenning qn, i vassdraget Sørvågelva er 50,6 l/s/km 2 ut ifra lavvannskartet (NEVINA). En sammenligning med verdier beregnet fra observerte vannføringsdata fra to målestasjoner i nærheten (se Figur 1 og Tabell 1) viser at 50,6 l/s/km 2 er en realistisk verdi. Normalavrenningen i nedbørfeltet til Øyungen målestasjon er nesten lik (Tabell 1). Verdien for Store Grønsjø målestasjon er imidlertid lavere 3(9)

10 (43,0 l/s/km 2 ), selv om den ut ifra feltparameterne hadde blitt forventet noe høyere, på grunn av lavere skog andel, men høyere myr og innsjø andel enn Sørvågelva (for detaljert nedbørfelt karakteristikk, se Bilag 1-3). Denne antakelsen er støttet av verdien angitt i NEVINA for Store Grønsjø målestasjon (57,6 l/s/km 2 ). Grunnen til den lave beregnede verdien er sannsynligvis at datagrunnlaget fra målestasjonen er for dårlig, en vannføringsserie på bare 13 år. Det er derfor konkludert med at 50,6 l/s/km 2 er en rimelig spesifikk normalavrenning for nedbørfeltet Sørvågelva. 200-årsflom i Sørvågelva ved utløp i Verrabotnen er beregnet til Q200 = 24,9 m 3 /s, inkludert 50 klimatillegg (Tabell 2). Spesifikke vannføring q200 ligger innenfor grensene for rimelige verdier for små nedbørfelt, mellom 2000 og 5300 l/s/km 2 (NVE, 2015). Tabell 1: Sammenligning av spesifikk normalavrenning qn for Sørvågelva med verdier beregnet fra målte vannføringsserier. Nedbørfelt q N, (NEVINA) l/s/km 2 q N,beregnet l/s/km 2 Sørvågelva 50,6 - Målestasjon Store Grønsjø 1 57,6 43,0 Målestasjon Øyungen 2 50,6 51,9 1: år : år Tabell 2: Resultat flomberegning Sørvågelva med formelverk for små uregulerte nedbørfelt. Parameter Verdi Enhet Areal 5,6 km 2 qn, ,6 l/s/km 2 Q200 16,6 m 3 /s q l/s/km 2 Klimafaktor 1,5-1,5 Q200 24,9 m 3 /s 4(9)

11 3.2 Beregning med rasjonelle metode Til sammenligning ble Q200 beregnet med den rasjonelle metode. Etter en sammenligning av nedbørdata fra forskjellige stasjoner i regionen ble det valgt IVF-kurven som er basert på den lengste måleserien (28 år) og har høyeste nedbørintensitet for 200 års gjentaksintervall (konservativt valg, stasjon nr Trondheim - Risvollan, Bilag 4). Den midlere avrenningsfaktor ble beregnet til 0,55 (arealandeler fra NEVINA som gitt i Bilag 1). Med konsentrasjonstid på 127 minutter (Tabell 3) og nedbørintensitet fra IVFkurven på 38 l/s/ha blir Q200 med klimatillegg lik 17,4 m 3 /s (Tabell 4). Tabell 3: Beregning av konsentrasjonstid for nedbørfeltet til Sørvågelva. Areal Lengde Høydeforskjell Effektiv sjøprosent Konsentrasjonstid km 2 m m minutter 5, Tabell 4: Resultat flomberegning Sørvågelva med rasjonelle metode. Parameter Verdi Enhet Nedbørintensitet 38 l/s/ha Q200 11,6 m 3 /s q l/s/km 2 Klimafaktor 1,5-1,5 Q200 17,4 m 3 /s 3.3 Valgt flomstørrelse Begge metoder medfører relativt stor usikkerhet. For nasjonalt formelverk er den største usikkerheten knyttet til normalavrenningen, for rasjonelle metode til nedbørintensiteten og valget av avrenningsfaktorer. På grunn av avstanden mellom Sørvågelva og nærmeste målestasjon med brukbare data for nedbørintensitet (stasjon Risvollan, ca. 45 km), og dobbelt så stor normalavrenning for Sørvågelva enn for Risvollan på NVEs avrenningskart, ble det vurdert at det her er hensiktsmessig å bruke resultatet fra nasjonalt formelverk. Høyere nedbørintensitet nærmere kysten virker også rimelig. Det ble derfor videre regnet med Q200 = 24,9 m 3 /s som grunnlag for kapasitetsvurderingen av 5(9)

12 bru Med høyere Q200 enn resultatet fra den rasjonelle metode er dette i tillegg et konservativt valg. 4 Fremtidig havnivå Etter Statens vegvesen (2014b) skal minste klaring mellom underkant bru og vannivå fjord i områder med moderat bølgehøyde være den største av høyeste astronomiske tidevann pluss 2,5 m klaring eller middelvann pluss 3,5 m klaring. I Verrabotnen er høyeste astronomiske tidevann avgjørende (HAT, Tabell 5). Dimensjonerende havnivå ble derfor beregnet ut ifra HAT. Klimaendringer kan føre til stigning med 0,9 m frem til år 2100, med en usikkerhet på mellom -0,20 m og +0,35 m (DSB, 2009). Det ble valgt å bruke den midlere verdien. Landheving ved Verrabotn er 0,47 m frem til år Med en forskjell mellom NN2000 og NN1954 høydesystem på 0,08 m ved brua (Kartverket, kart over endringer fra NN1954 til NN2000), blir dimensjonerende havnivå i år 2100 relativt NN ,19 m (Tabell 5). Tabell 5: Høyeste astronomiske tidevann (HAT) i dag og i år 2100 (i meter over havet). Parameter Verdi Middelvann relativt NN1954-0,18 HAT relativt NN1954 1,84 HAT relativt NN2000 1,76 Min. HAT år 2100 relativt NN2000 1,99 Midlere HAT år 2100 relativt NN2000 2,19 Maks. HAT år 2100 relativt NN2000 2,54 5 Vurdering kapasitet og vannstand 5.1 Forutsetninger i hydraulisk modell Ved beregning med den hydrauliske modellen ble det testet om et nivå på 4,7 m for underkanten av brua, ut ifra det beregnede havnivået på +2,19 m med 2,5 m klaring til underkant bru, er tilstrekkelig til å avlede 200-årsflommen. Antatte parameterverdier og brudimensjoner i den hydrauliske modellen er vist i Tabell 6. Lokale forhold (slak helning under og nedstrøms brua) gjør at vannstanden nedstrøms brua er bestemmende for bruens kapasitet og vannstanden ved brua. Det beregnede havnivået på +2,19 m ble satt som nedre randbetingelse i modellen. 6(9)

13 Tabell 6 Parametere benyttet i hydraulisk modell for Sørvågelva. Parameter Mannings ruhetstall for elveløp 20 m 1/3 /s Mannings ruhetstall for elveslette 10 m 1/3 /s Mannings ruhetstall for bru 60 m 1/3 /s Koeffisient for innløpstall bru 0,5 Brulengde (horisontal åpning) Vertikal åpning bru Brubredde (lengde langs elva) 4,4 m 3,4 m 4,5 m 5.2 Resultat Beregningene viser at brua, med underkant på +4,7 m og 3,4 m vertikal åpning, har kapasitet til å avlede 200-årsflommen. Figur 3 viser lengdeprofilen av Sørvågelva ved Q200 = 24,9 m³/s. Vannoverflaten ligger på +3,8 m ved brua. Dette betyr en klaring mellom vannoverflaten og underkanten av brua på 0,9 m. Klaringen er større enn kravet på minst 0,5 m etter Statens vegvesen (2014b). 7(9)

14 7 6 5 BRU_ ksCAPU Plan: Q200_8 19/08/2016 Sorvagelva 2 Legend EG PF 1 WS PF 1 Crit PF 1 Ground Elevation (m) Main Channel Distance (m) Figur 3: Lengdeprofil Sørvågelva ved Q200 = 24,9 m 3 /s; underkant bru på +4,7 m relativt NN Konklusjon: anbefalt nivå underkant bru Det er viktig å peke på at modellen er verken kalibrert eller basert på reelle terrengdata. Modellen ble satt opp skjematisk, basert på digitalt kartgrunnlag. Resultatet kan derfor bare brukes som ett anslag/grovt estimat av vannstanden ved brua. For nøyaktigere beregning av vannstanden må det oppmåles elveprofiler og vannlinje ved minst en vannføring. Ut ifra den grove beregningen og usikkerheten i havnivåstigning anbefales det å legge underkanten av brua på minimum +4,8 m (NN2000; 0,5 m klaring pluss 0,5 m sikkerhetsmargin); for dette nivået blir den vertikale åpningen av brua 3,5 m. 8(9)

15 Referanser DSB (2009) Havnivåstigning, Estimater av fremtidig havnivåstigning i norske kystkommuner, revidert utgave (2009). NVE (2010) Vassdragshåndboka Håndboka i forbygningsteknikk og vassdragsmiljø. Tapir Akademisk Forlag. NVE (2015) Veileder for flomberegninger i små uregulerte felt, Rapport nr. 7/2015 NEVINA Statens vegvesen (2014a) Håndbok N200 Vegbygging Statens vegvesen (2014b) Håndbok N400 Bruprosjektering Kartverket, kart over endringer fra NN1954 til NN2000: 9(9)

16 eff L Elvegradient (E ) G km² km m/km m/km km Lavvannskart Vassdragsnr.: Kommune: Fylke: Vassdrag: 130.4Z Verran Nord-Trøndelag SØRVÅGELVA Feltparametere Areal (A) Effektiv sjø (S ) Elvelengde (E ) Vannføringsindeks, se merknader Middelvannføring (61-90) Alminnelig lavvannføring 5-persentil (hele året) 5-persentil (1/5-30/9) 5-persentil (1/10-30/4) Base flow 16.7 BFI 0.3 Klima 50.6 l/s/km² 5.5 l/s/km² 5.5 l/s/km² 5.5 l/s/km² 7.1 l/s/km² l/s/km² Elvegradient 1085 (G 1085 ) Feltlengde(F L) H min H 10 H 20 H 30 H 40 H 50 H 60 H 70 H H Klimaregion Årsnedbør Sommernedbør Vinternedbør Årstemperatur Sommertemperatur Vintertemperatur Temperatur Juli Temperatur August Midt mm mm mm H max Bre Dyrket mark Myr Sjø Skog Snaufjell Urban Kartbakgrunn: Kartdatum: Statens Kartverk EUREF89 WGS84 Projeksjon: UTM 33N Nedbørfeltgrenser, feltparametere og vannføringsindekser er automatisk generert og kan inneholde feil. Resultatene må kvalitetssikres. De estimerte lavvannsindeksene i denne regionen er svært usikre, og lavvannskartet har en tendens til å overestimere verdiene.indekser som ikke er beregnet skyldes manglende parameter(e). Det er generelt stor usikkerhet i beregninger av lavvannsindekser. Resultatene bør verifiseres mot egne observasjoner eller sammenlignbare målestasjoner. I nedbørfelt med høy breprosent eller stor innsjøprosent vil tørrværsavrenning (baseflow) ha store bidrag fra disse lagringsmagasinene.

17 eff L Elvegradient (E ) G km² km m/km m/km km Lavvannskart Vassdragsnr.: Kommune: Fylke: Vassdrag: 131.1C4 Leksvik Nord-Trøndelag MOSSA Feltparametere Areal (A) Effektiv sjø (S ) Elvelengde (E ) Vannføringsindeks, se merknader Middelvannføring (61-90) Alminnelig lavvannføring 5-persentil (hele året) 5-persentil (1/5-30/9) 5-persentil (1/10-30/4) Base flow 24.2 BFI 0.4 Klima 57.6 l/s/km² 5.2 l/s/km² 5.3 l/s/km² 6.2 l/s/km² 5.3 l/s/km² l/s/km² Elvegradient 1085 (G 1085 ) Feltlengde(F L) H min H 10 H 20 H 30 H 40 H 50 H 60 H 70 H H Klimaregion Årsnedbør Sommernedbør Vinternedbør Årstemperatur Sommertemperatur Vintertemperatur Temperatur Juli Temperatur August Midt mm mm mm H max Bre Dyrket mark Myr Sjø Skog Snaufjell Urban Kartbakgrunn: Kartdatum: Statens Kartverk EUREF89 WGS84 Projeksjon: UTM 33N Nedbørfeltgrenser, feltparametere og vannføringsindekser er automatisk generert og kan inneholde feil. Resultatene må kvalitetssikres. De estimerte lavvannsindeksene i denne regionen er svært usikre, og lavvannskartet har en tendens til å overestimere verdiene.indekser som ikke er beregnet skyldes manglende parameter(e). Det er generelt stor usikkerhet i beregninger av lavvannsindekser. Resultatene bør verifiseres mot egne observasjoner eller sammenlignbare målestasjoner. I nedbørfelt med høy breprosent eller stor innsjøprosent vil tørrværsavrenning (baseflow) ha store bidrag fra disse lagringsmagasinene.

18 eff L Elvegradient (E ) G km² km m/km m/km km Lavvannskart Vassdragsnr.: Kommune: Fylke: Vassdrag: 138.B4 Namdalseid Nord-Trøndelag ÅRGÅRDSVASSDRAGET Feltparametere Areal (A) Effektiv sjø (S ) Elvelengde (E ) Vannføringsindeks, se merknader Middelvannføring (61-90) Alminnelig lavvannføring 5-persentil (hele året) 5-persentil (1/5-30/9) 5-persentil (1/10-30/4) Base flow 18.7 BFI 0.4 Klima 50.6 l/s/km² 4.0 l/s/km² 4.1 l/s/km² 5.2 l/s/km² 3.7 l/s/km² l/s/km² Elvegradient 1085 (G 1085 ) Feltlengde(F L) H min H 10 H 20 H 30 H 40 H 50 H 60 H 70 H H Klimaregion Årsnedbør Sommernedbør Vinternedbør Årstemperatur Sommertemperatur Vintertemperatur Temperatur Juli Temperatur August Midt mm mm mm H max Bre Dyrket mark Myr Sjø Skog Snaufjell Urban Kartbakgrunn: Statens Kartverk Denne regionen gir generelt gode estimater av lavvannsindeksene.indekser som ikke er beregnet skyldes manglende parameter(e). Kartdatum: EUREF89 WGS84 Projeksjon: UTM 33N Nedbørfeltgrenser, feltparametere og vannføringsindekser er automatisk generert og kan inneholde feil. Resultatene må kvalitetssikres. Det er generelt stor usikkerhet i beregninger av lavvannsindekser. Resultatene bør verifiseres mot egne observasjoner eller sammenlignbare målestasjoner. I nedbørfelt med høy breprosent eller stor innsjøprosent vil tørrværsavrenning (baseflow) ha store bidrag fra disse lagringsmagasinene.

19 Return periods (year); precipitation intensity in litre per second per hectar(10 000m²) (l/s*ha) TRONDHEIM - RISVOLLAN Period: Number of seasons: 28 Year 1 min. 2 min. 3 min. 5 min. 10 min. 15 min. 20 min. 30 min. 45 min. 60 min. 90 min. 120 min. 180 min. 360 min. 720 min min ,1 186,1 169, ,4 74,2 62,3 47, , ,1 16,5 12,5 8,5 5, ,7 262,2 242,1 193,9 130, ,6 64,1 48,6 36,3 28,2 24,5 19,5 14,4 10 6, ,6 290,3 228,9 151,4 113,7 94, ,9 40,8 31,6 27,4 21,5 15,7 10,9 7, ,9 336,5 262,5 171,6 128,8 106,6 85,4 64,8 45,2 34,8 30,2 23,4 16,9 11,9 8, ,5 376,2 351,2 273, ,6 110,5 88,8 67,4 46,6 35, ,3 12,2 8, ,2 423,5 396, ,8 148,4 122, ,2 50,8 39,1 33,8 25,8 18,5 13,1 9, ,6 470,4 441,2 338,6 217, ,3 109,1 82, ,2 36,4 27,6 19, , ,8 517, , ,7 146,2 119,2 90,6 59,3 45,4 39,1 29,5 20,9 14,9 10,8

20