Teknisk notat Til: Statnett SF v/: Ivar Brovold Kopi: Fra: NGI Dato: 17. mars 2011 Dokumentnr.: 20110202-00-4-TN Prosjekt: Snøfonn rundt "Speilveggen" Heia, Balsfjord kommune Utarbeidet av: Dieter Issler Prosjektleder: Dieter Issler Kontrollert av: Steinar Bakkehøi "Speilveggens" effekt på snøfonndanning ved Heia, fjord kommune Innhold 1 Innledning 2 2 Vindforhold 2 3 Snøfonndanning ved vind fra ulike retninger 2 4 Mulige tiltak 6 5 Sammendrag og anbefalinger 8 6 Litteratur 9
Dokumentnr.: 20110202-00-4-TN Side: 2 1 Innledning Statnett planlegger å bygge ny kraftlinje Ofoten Balsfjord ved siden av den eksisterende linjen som krysser Europaveien 6 ved Heia, Balsfjord kommune. Masten nærmest veien skal utformes som speilvegg på rundt 30 m i bredden, 2,5 3,5 m i lengden og 35 m i høyden. Heia er kjent for hyppig og sterk vind fra ulike retninger. Drivsnø er derfor et utpreget fenomen vinterstid. Speilveggens størrelse og beliggenhet åpner for muligheten at den kan forandre snøfonnsituasjonen på E6 og rasteplassen i nærheten av kraftlinjen. Med oppdragsbekreftelse signert 23. febr. 2011 anmodet Statnetts Kraftledningsavdeling NGI om en vurdering av situasjonen i forhold til snøfonndanning og eventuelt foreslag på mulige tiltak. En synfaring ble gjennomført av D. Issler (NGI) 24. februar 2011 med utgangspunkt i Tromsø og under forhold med mye fokksnø. 2 Vindforhold Heia er kjent som et område med hyppig og sterk vind fra ulike retninger. Nedbør kommer hovedsakelig fra sørvest over nordvest til nordøst. For snøfonndanning er det imidlertid ikke bare vindretningen under snøfall som er avgjørende, men vind mellom nedbørperioder er like viktige. Statens Vegvesen har driftet en automatisk klimastasjon ved Heia i de siste få årene, men NGI har ikke fått et datasett som er langvarig nok til å bruke for statistikk. Ved Værvarslinga i Tromsø fikk NGI uformell informasjon om at data fra met.no stasjoner i det videre området ikke er representative for vindforholdene på Heia pga. av den spesielle topografiske beliggenheten. Heia ligger ved den vestre foten av Strupen, som er 300 400 m høyere enn omgivelsene. Slettfjellet nordvest for Heia og Falkefjellet sørvest for Takvatnet er også høydedrag som kanaliserer luftmasser som passerer Heia. Denne kanaliseringen medfører økt vindhastighet. I tillegg har en utpreget aksel av Strupen noen få hundre meter sør for Heia effekten at vind fra sørlige og sørvestlige retninger akselereres lokalt. Det er også sannsynlig at denne akselen fører til strømningsavløsning og virveldanning i området, som betyr at vindkasten er enda høyere enn lengre fra Strupen og at vindretningen kan skifte raskt under visse forhold (hvis Heia havner i en virvelbane). Ut fra opplysningene NGI har fått og fra observasjonene under synfaringen, er det klart at vindhastigheten ved Heia overstiger terskelen for fokksnø ganske ofte. 3 Snøfonndanning ved vind fra ulike retninger To forskjellige scenarioer bør utredes nærmere i sammenheng med snøfonndanning pga. Speilveggen: (1) Kan Speilveggen direkte lage snøfonn på E6 eller rasteplassen under visse vindforhold? (2) Kan en snøfonn som Speilveg-
Dokumentnr.: 20110202-00-4-TN Side: 3 gen dannet under visse vindforhold og som ligger utenfor E6 og rasteplassen, fraktes borte og avsettes på E6 eller rasteplassen under andre vindforhold? Med den aktuelt tilgjengelige informasjonen om statistisk fordeling av vindretninger og vindhastigheter på Heia er det nødvendig å vurdere langvarige episoder med fast vindretning fra nord over øst til sør. Snøavsetninger på E6 og rasteplassen under vind fra SSV til NNV vil ikke bli påvirket av Speilveggen. Terrenget ved Heia er generelt flatt og åpent, men forhøyninger og forsenkninger, langstrakte svaberg og veiens trasé, som ligger 1 2 m over det naturlige terrenget, har betydning for beliggenhet, form og kapasitet av snøfonn. Under synfaringen ble det bl.a. observert at vindretningen nær bakken var SØ ved Speilveggens planlagt beliggenhet og mot gjerdene, mens den dreide raskt til S, dvs. parallelt til E6, bak gjerdene i samsvar med hovedvindretningen i denne perioden. Disse forholdene bidro muligens til de forholdsvis korte avsetningene bak gjerdene. Der Speilveggen skal bygges, er terrenget litt konveks og snødekket var tynt pga. vinderosjon. Større snømengder fantes bak de tre gjerdene sørvest, nord og umiddelbart vest for Speilveggens plass og i forsenkningen på den østre siden av veitraseen. Snøfonnene bak gjerdene var forholdsvis korte, noe som tyder på at de var langt fra maksimal størrelse ved slutten av februar 2011. Den forhøyde traseen til E6 ser ut til å bidra vesentlig til at fokksnøen ikke avsettes på veien i like stor grad som andre plasser i nærheten fordi de lokale vindhastighetene er høyere over veidekket. Det må imidlertid forventes at terrenget blir mer utjevnet senere om vinteren og særlig i år med mye snø, enn det ble observert under synfaringen. I slike situasjoner blir rensningseffekten av den forhøyde veitraseen mindre. Strømningsforholdene rundt Speilveggen er nokså kompliserte fordi den vertikale vindhastighetsprofilen gir en utpreget tredimensjonal struktur til turbulensen som dannes når luften tvinges rundt den store flaten. Størrelse og orientering av avsetnings- og erosjonssonene rundt Speilveggen avhenger i største grad av retning, varighet og hastighet av en vindepisode med omtrent konstant retning. I tillegg forventes snøegenskapene (kornstørrelse og form) å ha en viss betydning, men på det nåværende undersøkelsesnivået ser vi bort fra disse effektene. Strømningsmønsteret rundt Speilveggen er karakterisert av to soner der strømningen avløses fra overflaten til Speilveggen (A og B i Figur 1). Bak avløsningssonen formes en resirkulasjonssone (R) der vindfeltet strømmer mot hovedvindretningen fordi trykkgradienten snur pga. utvidelsen av strømningslinjene (C) eller enden av begrensningsflaten (D). Vindhastigheten er mye lavere i resirkulasjonssonen enn i hovedstrømningen. Grensen mellom hovedstrømningen og resirkulasjonssonen er karakterisert av sterk skjæring som gir opphav til turbulens. Langs bakken dannes korketrekkeraktige virvler som eroderer
Dokumentnr.: 20110202-00-4-TN Side: 4 Figur 1. Skjematisk skisse av strømningsmønstre rundt Speilveggen under vind fra sør (fra venstre). Sort: Speilveggen. Blått: strømningslinjer. Grønt: soner med forsterkt erosjon. Rødt: soner med forsterkt avsetning av snø. snødekket langs sin bane og setter snøen av ved siden, dvs. innenfor resirkulasjonssonen. De sentrale spørsmålene er hvor lang resirkulasjonssonen bak Speilveggen vil bli og hvor langt med vinden snøen fraktes i denne sonen: 1. Lengden av resirkulasjonssonen er ikke i sterk grad avhengig av vindhastigheten. Observasjoner i terrenget bekrefter numeriske simuleringer av sammenlignbare situasjoner (for eksempel (Uematsu, et al. 1991)), som tyder på at resirkulasjonssonen har en lengde på 3 til 4 ganger objektets bredde hvis den er omtrent lik høyden og lengden i vindretning, og hvis vinden treffer objektet under rett vinkel. Under vind fra NØ eller SV må man derfor regne med en lengde på 90 til 120 m. Under vind som treffer Speilveggen på dens smale side (NV eller SØ) er sonen sannsynligvis noe større enn 3 til 4 ganger 2,5 3,5 m, men ikke mye mer enn 20 m, og har derfor ikke konsekvenser for snøfonndanning på E6. Vinder som treffer Speilveggen på skrå ser et objekt med effektiv bredde B eff = B cos α + L sin α, der α er vinkelen mellom vindretning og kraftlinjeretning, B bredden (~ 30 m) og L lengden i kraftlinjeretning (~ 2,5 3,5 m). På grunn av den asymmetriske formen under vinder på skrå går vi ut fra at forholdet mellom lengden av resirkulasjonssonen og B eff øker mens α vokser. 2. I motsetning til resirkulasjonssonen er snøfonnens lengde avhengig av vindhastigheten. Ved lave vindhastigheter som ikke er tilstrekkelige for
fokksnø generelt, kan hastighetsøkningen ved Speilveggen føre til lokal erosjon, og den eroderte snøen faller ut av strømningen der strømningshastigheten begynner å minke. Ved senere episoder med høyere vindhastighet kan denne snømassen imidlertid reaktiveres. 3. Snøfonnlengden avhenger også av tiden, og særlig av varigheten av perioder med sterk vind med tilnærmet konstant retning. Målinger på snøgjerder i USA over flere tiår (Tabler 1980) viser at snøfonnen bak et gjerde modifiserer strømningsfeltet så sterkt at snøfonnen blir mye lengre med tiden inntil den har oppnådd en likevektsform og -lengde. Figur 1 viser skjematiske strømningsmønstre og avsetnings-/erosjonsområder rundt Speilveggen for ulike vindretninger. Ut fra det ovenfor nevnte er området rundt Speilveggen som sannsynligvis vil bli berørt av resirkulasjonssonen og snøfonn tegnet på kart i Figur 2. Vi understreker at NGI ikke har utført beregninger selv, men benyttet seg av observasjoner og tredjeparts simuleringer av forskjellige, men til en viss grad lignende situasjoner. Det er en betydelig usikkerhet knyttet til dette kartet det kan verken helt utelukkes at snøfonn fra Speilveggen ikke når E6, eller at den kan være et enda større problem enn kartet antyder. Dokumentnr.: 20110202-00-4-TN Side: 5 Figur 2. Kart av Heia med E6 (rød), Speilveggen (gul) og området der Speilveggen forventes å danne snøfonn under ulike vindretninger (turkisfarget). Nåværende gjerder markert med sorte linjer, mulig plassering av nye gjerder med fiolette linjer.
Figur 2 viser at Speilveggen sannsynligvis har en negativ virkning på snøfonnsituasjonen på E6. Det må regnes med at mer snø enn nå blir fraktet på veien. Det er imidlertid vanskelig å forutsi hvor betydelig økningen i snøfonn på veien vil bli. Et annet viktig aspekt med hensyn til samferdselssikkerhet er redusert siktlengde pga. økt snøfokk. Denne effekten er også vanskelig å kvantifisere med vår nåtidige kunnskap om forholdene, men NGI mener at det i høy grad er sannsynlig at Speilveggen forverres forholdene merkbart under nordøstlige vind på en lengde på rundt 100 m umiddelbart nord for rasteplassen. Med hensyn til sekundære snøfonner ser man fra Figur 2 at den mest ugunstige (og antakelig ikke sjeldne) situasjonen er en forholdsvis lang periode med sterk vind fra nordøst, etterfulgt av sterke vinder fra sørøst. Disse kan da frakte snøen fra resirkulasjonssonen bak Speilveggen, som ble avsatt rett nord for rasteplassen, på E6. Hvor problematisk det blir, avhenger av to forskjellige faktorer: (1) NØ-vinden må ha vart lenge nok for å frakte betydelige mengder snø, og den må ha vært sterk nok til å avsette snøen nær veien. (2) SØ-vinden må etterfølge NØ-vinden raskt nok til at snøfonnen ikke blir for hard for å kunne eroderes, og vinden må være sterk. Dokumentnr.: 20110202-00-4-TN Side: 6 4 Mulige tiltak Det sikreste tiltaket er å plassere Speilveggen lengre fra E6 og rasteplassen, men dette ville medføre tilpasninger i andre stolpers plassering og minke Speilveggens optiske og kunstnerske effekt. Ut fra kartet (Figur 2) ville det være tilstrekkelig med å plassere Speilveggen ca. 20 m lengre i nordøstlig retning. Det forblir imidlertid en viss risiko at vi har underestimert snøfonnlengden og at Speilveggen måtte flyttes enda lengre mot nordøst. Det best kjente og ofte meget effektive tiltaket ved snøfonnproblem er gjerder, som finnes allerede i umiddelbart omegn av Speilveggen for å beskytte E6 mot snøfonn under vind fra sørøst. Det største nåværende gjerdet forventes å ha en positiv effekt på snøfonn fra Speilveggen under vind fra sørvest. Som Figur 2 imidlertid viser, er denne vindretningen minst problematisk. De to mindre gjerdene ligger innenfor resirkulasjonssonen bak Speilveggen under vind fra nordøst. Sammenspillet mellom Speilveggen og disse gjerdene er nokså kompleks pga. skiftende vindretninger. Som beskyttelse mot snøfonn under vind fra nordøst kan man vurdere å plassere et gjerde omtrent parallelt med selve Speilveggen mellom Speilveggen og det nordøstre hjørnet til rasteplassen. Avstanden mellom Speilveggen og rasteplassen er imidlertid bare 70 m. Det trengs utdypende avklaringer om hvor nært Speilveggen et gjerde kan plasseres; vi anslår i det følgende at minimum er 30 m. Dermed forblir det bare 40 m til rasteplassen. Langvarige undersøkel-
ser i Wyoming (Tabler, 1980) viste at maksimallengden til snøfonn bak gjerder med 50 % fyllingsgrad (tilsvarende konstruksjonene som brukes i Norge) er over 30 ganger gjerdets høyde. På grunn av den forventede snødybden må gjerdet få en høyde på omtrent 3 4 m. Det vil si at avstanden mellom Speilveggen og rasteplassen skulle være rundt 130 m for at snøfonnen ikke kunne vokse seg dit. Med den planlagte beliggenheten ville snøfonnen bak gjerdet nå rasteplassen allerede ved 30 % av den maksimale lengden og 10 20 % av den maksimale kapasiteten. Vindretningen på Heia skifter imidlertid vanligvis så ofte at det er lite sannsynlig at snøfonnen når denne maksimalstørrelsen i løpet av en vinter. Ytterligere avklaringer er nødvendige for å fastslå snøfonnens forventede maksimallengde med returperiode mellom 10 og 50 år. Som nevnt i avsnitt 3, kan snøfonnen sørvest for gjerdet eventuelt strekke seg til Europaveien under sterk vind fra sørøst. Begge disse problemene kan reduseres betydelig ved å sette et gjerde i tillegg rundt 150 m mot vinden nordøst for Speilveggen. Gjerdets lengde anslås til rundt 100 m. Den omtrentlige beliggenheten til begge gjerdene er markert i Figur 2. Kartet viser også at det nye gjerdet sørvest for Speilveggen ville komme i konflikt med de nåværende to mindre gjerdene. Vekselvirkningen mellom de to systemene under forskjellige vindforhold burde avklares nærmere, men dette spørsmålet er utenfor denne utredningens ramme. Et ytterlig potensielt problem med gjerdet sørvest for Speilveggen oppstår under lengre perioder med vind fra sørvest: Snøen som fraktes over E6, lagres mellom gjerdet og Speilveggen. Skulle det vise seg at den snøfonnen skaper problem, kan den reduseres ved å plassere et tredje gjerde ca. 150 m sørvest for E6. Dets lengde anslås til rundt 100 150 m, avhengig av vindretningens variabilitet ved SV-vind. Et gjerde foran Speilveggen forandrer dens optiske inntrykk. Hvis man ønsker å unngå et gjerde, kan snøfonnlengden reduseres ved å utforme selve Speilveggen annerledes. (Gjerdet nordøst for Speilveggen kan bygges uansett fordi det ikke forstyrrer det optiske inntrykket og reduserer snøfonnvolumet i stor grad.) Det finnes mange ulike varianter, men hovedprinsippet er å skape åpninger i den store flaten slik at økningen av vindhastigheten og dermed snøerosjon rundt Speilveggen blir mindre. En enda viktigere effekt er at konstruksjonen ikke påvirker vinden som en kompakt blokk, men som flere mindre objekter. Dermed blir resirkulasjonssonen mye kortere (mens den vil ha omtrent den samme bredden) og ikke når veien. Figur 3 skisserer et eksempel som har en fyllingsgrad på 50 %. En mer detaljert aerodynamisk undersøkelse av en forandret konstruksjon ville imidlertid være nødvendig for å forutsi snøfonnlengden med god pålitelighet. Dokumentnr.: 20110202-00-4-TN Side: 7
Dokumentnr.: 20110202-00-4-TN Side: 8 Figur 3. Skisse av en av mange mulige forandrete konstruksjoner av Speilveggen med fyllingsgrad på rundt 50 % som vil føre til en forkortet sone med snøfonndanning. 5 Sammendrag og anbefalinger Hovedkonklusjonene er følgende: 1. Under vind fra NØ forventes Speilveggen å kunne danne snøfonn på E6 og å forverre siktforholdene over en distanse på anslagsvis 100 m. 2. Under vind fra NNØ til og med NØ forventes det også snøfonndanning på rasteplassen like ved E6. 3. Det er vanskelig å forutsi hvor stort problemet vil bli, men det anbefales å vurdere mulige tiltak under detaljplanleggingsprosessen. Tiltak kan enten redusere Speilveggens forstyrring av vindfeltet eller få den fraktede snøen til å avsettes før E6 og rasteplassen: Ved å åpne Speilveggens kompakte overflate kan snøfonnlengden reduseres slik at den ikke når E6 og rasteplassen. For å oppnå dette målet, må fyllingsgraden trolig reduseres til omtrent 50 % og avstand mellom åpningene må bli mindre enn 10 m. Detaljerte undersøkelser vil bli nødvendige for å sikre at den ønskede virkningen oppnås. To gjerder henholdsvis ca. 150 m nordøst og ca. 30 m sørvest for Speilveggen forventes å kunne kontrollere snømassene som fraktes til Speil-
veggen og derfra mot E6 og rasteplassen. Deres lengder anslås til henholdsvis rundt 100 150 m og 50 m. Begge løsningene har et potensielt problem i det at snøfonn dannet under nordvestlige vind mellom Speilveggen og E6 kan senere fraktes på E6 under sørvestlige vind. Det er vanskelig å kontrollere denne sekundære prosessen, men trolig er den mindre utpreget. Dokumentnr.: 20110202-00-4-TN Side: 9 6 Litteratur Tabler, R. D. (1980). Geometry and density of drifts formed by snow fences. Journal of Glaciology 26 (94), 421-434. Uematsu, T., Nakata, T., Takeuchi, K., Arisawa, Y., & Kaneda, Y. (1991). Three-dimensional numerical simulation of snowdrift. Cold Regions Science and Technology 20 (1), 65 73.
Kontroll- og referanseside/ Review and reference page Dokumentinformasjon/Document information Dokumenttittel/Document title "Speilveggens" effekt på snøfonndanning ved Heia, Balsfjord kommune Dokument nr/document No. 20110202-00-4-TN Dokumenttype/Type of document Rapport/Report Teknisk notat/technical Note Oppdragsgiver/Client Statnett, Avdeling Kraftlinjer. Emneord/Keywords Snøfonn, kraftlinje Distribusjon/Distribution Fri/Unlimited Begrenset/Limited Ingen/None Dato/Date 2011-03-17 Rev.nr./Rev.No. 0 Stedfesting/Geographical information Land, fylke/country, County Norge, Troms Kommune/Municipality Balsfjord Sted/Location E6 ved Heia Kartblad/Map 1533 IIITakvatnet UTM-koordinater/UTM-coordinates Sone 33 N7675803 E660924 Dokumentkontroll/Document control Kvalitetssikring i henhold til/quality assurance according to NS-EN ISO9001 Rev./ Rev. Revisjonsgrunnlag/Reason for revision Egenkontroll/ Self review av/by: Havområde/Offshore area Feltnavn/Field name Sted/Location Felt, blokknr./field, Block No. Sidemannskontroll/ Colleague review av/by: 0 Originaldokument DI SBa PG Uavhengig kontroll/ Independent review av/by: Tverrfaglig kontroll/ Interdisciplinary review av/by: Dokument godkjent for utsendelse/ Document approved for release Dato/Date 2011-03-17 Sign. Prosjektleder/Project Manager Dieter Issler Skj.nr. 043