Røtter mot Ras Gruppe: Alle og en vær Mette Stausland Istre, Louise Ankerstjerne Rolland, Brynhild Risnes, Anna Monsås, Marie Kjeldsen Bergvoll og Maria Wersland 1
Innholdsfortegnelse Ingress - Røtter mot ras... 3 Beskrivelse av teamet... 3 Avgrensning av problem... 4 Jakten på en løsning... 5 Syntetiske røtter... 7 Materiale... 7 Nettverk... 8 Installering av produktet... 10 Avslutning... 10 Ressurser... 11 2
Ingress - Røtter mot ras Syntetiske røtter inspirert av trerøtters egenskaper kan holde tilbake landmasser og forhindre ødeleggelse av infrastruktur under ekstremvær. Beskrivelse av teamet Teamet vårt består av Anna, Brynhild, Louise, Maria, Marie og Mette. Alle studerer realfag ved NTNU. Maria, Marie og Louise er besluttsomme og organiserte medlemmer. Mette har mye kunnskap om biologiske systemer, mens Anna og Brynhild er kreative og driver idéer fremover. De ulike egenskapene til hver enkelt går sammen med egenskapene til resten av laget ved at vi har en felles brennende interesse for teknologi og utfordringer. Ettersom teamet på et dypere nivå har ulike egenskaper å bidra med, gikk det også kjapt å delegere og utføre oppgavene. 3
Avgrensning av problem I følge FNs klimapanel vil vi få stadig mer ekstremvær fremover. De melder om flere hetebølger, flere dager med ekstrem nedbør og færre kalde dager. Stadig flere klimaforskere setter nå ekstremvær og enkeltstående værhendelser i sammenheng med global oppvarming. 1 Stormen Olav Trygvason slår innover Trondheim 7. oktober 2050. De verste vindkastene er på 45-50 m/s, og det er ekstreme nedbørsmengder. Det regner 40-70 mm på 9 timer, og noen steder 20-30 mm på en time. 2 Disse langvarige og kraftige regnbygene kan blant annet utløse flom-, jord- og kvikkleireskred. Et skred kan medføre store ødeleggelser på både bygninger og veier i rasområdet. Sør- Trøndelag har flere rasutsatte soner, og i følge kartet som beskriver disse i Trondheim, kan en se at mange av de mest rasutsatte områdene krysser både E6 og toglinjen sørover. Dersom transportårene til og fra byen stoppes, vil dette ha fatale konsekvenser både under og etter stormen. Mennesker vil ikke kunne flykte, og hjelp og ressurser utenifra vil heller ikke nå frem. Det er også mulig for flomskred i Nidelva som kan føre til at elveløpet øker i bredde og river med seg løsmasser. Bebyggelsen rundt Nidelva ligger tett ved elveløpet, og skadeomfanget etter Olav Trygvason vil bli stort. 3 Figur 1: Rasutsatte områder i Trondheim. Skravering viser til utsatte områder for kvikkleireskred, og brune områder tilsvarer jordskredutsatte områder. Fargene på skraveringen viser til hvor stor faren er for skred. 4
I en periode på seks uker i 2012, hvor nedbørsmengden var større enn normalt, ble 163 skredhendelser i Trøndelag og Møre og Romsdal registrert. Selv om disse skredene var av mindre størrelse, forårsaket de ved flere tilfeller stans på jernbanelinjen. 4 Et ekstremvær som Olav Trygvason vil kunne forårsake enda større skader, som i verste fall vil isolere Trondheim. Spørsmålet er nå; er det mulig å utvikle en løsning som kan hindre slike type skred, eller redusere skadeomfanget? Figur 2: Jordskred ved Munkedal desember 2006, der både nye og gamle E6 ble ødelagt. Jakten på en løsning Vegetasjon har tradisjonelt blitt brukt for å holde sammen jordsmonn som ellers ville ha rast ut. Trerøttene gir mekanisk motstand, og effektene av dette kan derfor både forebygge og utsette ras. 5 Under Olav Trygvason, vil derimot trærne i seg selv utsette bebyggelse og veier for potensiell skade ved at de kan blåse over ende. Vindstyrker opp til 45-50 m/s er nok til å rive opp et tre med rot. En mulig løsning kan da være å kun nyttiggjøre seg av røttene og deres struktur, og ikke den delen av treet som er over bakken. Røtter kan ikke leve uten treet, men ved å lage en syntetisk etterligning kan en få fordelene treet bringer til et ustabilt jordsmonn, uten at det er fare for at treet i seg selv skaper et problem. 5
Røttene gir en hygroskopisk, samt en mekanisk styrkende effekt. Faktorer som bidrar til å predisponere for ras er blant annet menneskelig påvirkning, helningsvinkel, klima, forvitring, vanninnhold, vegetasjon, overbelastning, geologi og skråningsstabilitet. Et ras kan utløses av faktorer som nedbør, jordskjelv, bølger eller elveerosjon. 6 Under Olav Trygvason vil den utløsende faktoren være de store nedbørsmengdene. Nedbørsmengdene vil øke vanninnholdet i jordsmonnet, og gjøre at de øvre lagene av jordsmonnet blir våtere og kan løsne fra berggrunnen. Den hygroskopiske effekten røttene har med tanke på å forebygge ras, er at de tar opp vann fra grunnen. En bjørk kan ta opp inntil 500 liter per dag. 7 I tillegg til dette, skjermer trærne bakken for noe av nedbøren. Dette tas opp av vevet i bladene og det fordamper derfra uten å ha vært nær bakken. Gran kan skjerme jordsmonnet for opptil 4,7 mm nedbør ved bruk av denne mekanismen 8,se figur 3. Transpirasjonseffekten får man dessverre ikke av de syntetiske røttene. Disse to effektene sammen reduserer fuktigheten i jordsmonnet og forsinker prosessen av at jordsmonnet blir mettet, som er en utløsende faktor for ras. Ved at røtter trenger gjennom slip plane i jordsmonnet, hindres lagene i å bevege seg i forhold til hverandre. Effekten avhenger hvor langt ned røttene har strukket seg, hvor mange røtter som har trengt seg gjennom slip plane og hvor tett røttene ligger. Dette stabiliserer, forankrer og binder jordsmonnet. 8 Røtter har relativt høy styrke. De smaleste røttene er også de røttene som har størst strekkfasthet. Røtter med en diameter på mindre enn 0,9 mm fra gran kan motstå en belastning på 130-200 MPa. 5 Når jordsmonnet er mettet av vann, vil røttene først og fremst gli, før de ryker. 8 Styrken på røttene er derfor en viktig egenskap. Figur 3: Illustrasjonen viser også hvordan røttene har trengt gjennom slip plane, i tillegg til hvordan treet skjermer bakken for noe av nedbøren. Lyse områder viser tørrere områder i jordsmonnet. 6
For å finne den beste løsningen for de syntetiske røttene, brukes ekte røtter som utgangspunkt. Ved å se på hvor mye røttene kan strekkes, hvor mye vann de kan ta opp og hvordan nettverket av røtter er utformet, kan det kunstige systemet modelleres etter dette. Kvalitetene som er blitt fokusert på, er hvordan nettverket skal bygges opp, materialene det består av og hvordan nettverket skal plasseres under bakken. Syntetiske røtter Materiale For at løsningen skal fungere, er det viktig at stoffet røttene består av har lett for å ta opp væske med tanke på regnvann. De må også ha styrke, slik at det kan etterligne trerøttenes egenskap som stabiliserer jordsmonnet. Dette er kravene vi har til stoffet vi vil velge å bruke i : Absorbere store mengder vann Tåle belastning på 150 MPa Ikke ta opp eller tilføre annet enn vann fra jordsmonnet Trær tar for det meste opp vann i røttene. Det optimale vil være om forbindelsen som velges har omtrentlig den samme, eventuelt en høyere, kapasitet til å absorbere vann. Ved å ha en høyere kapasitet, kan det kompenseres for at de kunstige røttene ikke vil ha en transpirasjonseffekt. Første idé for å transportere bort vannet fra jordsmonnet var å utnytte osmose og lage et system som kan ligne en dialysemaskin. Dette forslaget ble raskt forkastet. Det ble oppdaget flere hindringer enn løsninger ved å bruke denne fremgangsmåten. En semipermeabel membran krever væske på begge sider til en hver tid for å tillate at vann skal kunne diffundere over membranen og for at den skal holde seg hel og ikke sprekke opp. 9 Dette innebærer at røttene må være et slags rørsystem med et eget vanntrykk. I tillegg trenger en et lukket system om en skal ha et stoff løst i væsken for å få høyere konsentrasjon inne i røttene enn i jorda. Salt er billig og lett tilgjengelig og kan for eksempel brukes som det løste stoffet. Kommer salt derimot ut i jordsmonnet etter en lekkasje, kan jordsmonnet ødelegges og legges brakk i flere år i tillegg til at grunnvannet forurenses. 10 Det er usikkert om membranen er elastisk og sterk nok til å holde fast på store landmasser. Etter å ha forkastet ideen om å utnytte osmose, ble det naturlig å se mot superabsorbent polymers (SAPs) for å finne et passende materiale. SAPs er et materiale som kan absorbere og holde på store mengder med væske, relativt sin egen masse. De beste materialene kan i Tallene er valgt med bakgrunn i at planterøtter tåler en belastning på 130-200 MPa, et bjørketre kan absorbere opptil 500 liter vann på en dag og det er viktig at jordsmonnet og grunnvannet ikke forstyrres mer en strengt tatt nødvendig. 7
svelle opp i raten 1000:1. 11 Utvidelsen av materialet kan bli sett på som en utfordring, samt at det ikke har styrken som kreves til dette formålet. For å utvikle et materiale som både kan absorbere vann og kan tåle en belastning på 150 MPa er det hensiktsmessig å se på muligheten for en komposittløsning. Styrken kan da oppnås med diskontinuerlige fibre eller kontinuerlige fibre av metall, for eksempel stål eller aluminium, som kan ta opp strekkrefter. Matriksen i kompositten kan da være et materiale som absorberer vann, helst uten store volumutvidelser. Dette materialet kan for eksempel være en videreutvikling av superabsorbent polymers som er mulig å bruke i en komposittløsning. Det er nødvendig å bruke ressurser på forskning for å utvikle det optimale materialet som oppfyller alle kravene. Nettverk Den optimale oppbygningen av de syntetiske røttene burde være en kombinasjon av flatrot og pålerøtter. Pålerøtter er en kraftig sentral rot som fungerer som opplagsnæring for planten. Ifra den sentrale roten, vokser det ut flere mindre tertiære røtter. Flatrøtter er røtter som ikke har noen sentral rot, det er heller mange små røtter, se figur 4. Disse trenger sjelden dypere enn 1 meter ned i bakken. I naturen vil typen rot variere med tresort. 12 De syntetiske røttene kan spesialtilpasses til området det skal installeres i, med tanke på dybde slik at de stabiliserer jordsmonnet på best mulig måte. Figur 4: Forskjellen i struktur mellom flatrot (venstre) og pålerot, med den brede sentrale rota i pålerot, mens flatroten har tynne spredte røtter. Ved å ha et tredimensjonalt nettverk, oppnås en tettere forbindelse til jorden selv om dette gjør systemet mer komplisert å installere. De syntetiske røttene vil ha mer overflate i kontakt med jordsmonnet, noe som muliggjør at større mengder vann kan tas opp samtidig. I tillegg til dette vil en tredimensjonal struktur gi et bedre hold på jorda og en unngår at jorda glir ut mellom lagene, slik det ville gjort med flere todimensjonale nettinglag. 8
Rotnettverkets struktur kan bygges opp på mange måter. Figurene under viser mulige oppbygninger. Strukturen på nettverket kan spesialtilpasses området hvor røttene skal installeres. Akkurat hvordan nettverket skal struktureres er noe som burde utprøves. Figur 5: Hvordan forskjellige rotsystem kan legges. 9
Installering av produktet Nettverket av røtter skal være tredimensjonalt og spenne over et forholdsvis stort område. Det vil være en utfordring å utplassere røttene ned i jordsmonnet på de rasutsatte stedene uten å grave opp grunnen eller lage massive ødeleggelser på lokal flora. En er avhengig av å kunne bore ganger i jorda som røttene skal plasseres i. Løsningen kan være en leddet borestreng, med borekrone som har mulighet for sirkulasjon av jord. Det er gunstig å se på muligheten for å kunne etterfylle nettverket av ganger med komposittmaterialet samtidig en trekker boret ut av gangene. Dette forenkler operasjonen som kreves for å utplassere de kunstige røttene. Figur 6: Tenkt løsning til borestreng med borekrone. Tilføring av komposittmateriale gjennom senter av borestreng. Avslutning De syntetiske røttene er et nettverk laget av et komposittmateriale inspirert av egenskapene rotnettverket har i naturlig forekommende trær. Nettverket skal stabilisere, forankre og binde jordsmonnet i tillegg til å absorbere vann. Installeringen av røttene er et tiltak som er nødt til å igangsettes i god tid før stormen i 2050. Det er en langsiktig løsning som vil ha en innvirkning på skadeomfanget under og etter stormen, men også bidra til å minimalisere risikoen for ras generelt. De syntetiske røttene vil være utviklet som en lokal løsning for å unngå skred ved rasutsatte områder i Trondheim under den meldte stormen. Løsningen kan også brukes i andre deler av landet og/eller verden. 10
Ressurser 1 Klimaløftet. Ekstemvær [Internett]. Tilgjengelig fra <http://www.klimaloftet.no/klima- i- dag/klodens- tilstand/ekstremvar/?position>. [Lest: 08/10/14] 2 Your Extreme (2014). Your Extreme [Internett]. Kongsberg. Tilgjengelig fra <http://www.yourextreme.no> [Lest: 08/10/14] 3 Skredatlas. Kvikkleire faregrad [Internett]. Tilgjengelig fra <http://skredatlas.nve.no/ge/viewer.aspx?site=skredatlas&maptype=kvikkleire%20faregrad#> [Lest: 08/10/14] 4 Norges vassdrags- og energidirektorat ( 2013) Flom og jordskred i Trøndelag mars 2012. Rapport 79-2012. Tilgjengelig fra <http://www.nve.no/pagefiles/6746/85%20flom%20og%20jordskred%20i%20tr%c3%b8ndelag%20mars%202012.pdf> [Lest: 08/10/14] 5 Greenwood, J. R., Norris, J. E., Wint, J. (2004) Assessing the contribution of vegetation to slope stability. Proceedings of the ICE - Geotechnical Engineering [Internet], 157 (4). Tilgjengelig fra: http://www.icevirtuallibrary.com/content/article/10.1680/geng.2004.157.4.199 [Lest 8.10.14] 6 Geoscience Australia. What causes Landslides [Internett], Australian Government. Tilgjengelig fra <http://www.ga.gov.au/scientific- topics/hazards/landslide/basics/causes> [Lest: 08/10/14] 7 Hvor mye drikker et tre (2006). Illustrert vitenskap [Internett], Nr. 2. Tilgjengelig fra <http://illvit.no/naturen/hvor- mye- drikker- et- tre> [Lest: 08/10/14] 8 Forbes, Keith/ Broadhead, Jeremy (RAP publication 2011). Forests and landslides. FAO. Tilgjengelig fra <http://www.fao.org/docrep/016/ba0126e/ba0126e00.pdf>. [Lest: 08/10/14] 9 Membranseperasjon (2009). Store Norske Leksikon. Tilgjengelig fra <https://snl.no/membranseparasjon> [Lest: 08/10/14] 10 Spilde, Ingrid. Salt ødelegger flodbølgeområdene [Internett]. Tilgjengelig fra <http://forskning.no/havforskning- geofag- jordskjelv- stub/2008/02/salt- odelegger- flodbolgeomradene> [Lest: 08/10/14] 11 IUPAC Recommendations 2003. Definitions of terms relating to reactions of polymers and to functional polymeric materials [Internett]. IUPAC. Tilgjengelig fra <http://www.iupac.org/publications/pac/2004/pdf/7604x0889.pdf> [Lest: 08/10/14] 12 Aanderaa, Rune/ Fløistand, Inger (2002). Plantefysiologi [Internett]. Gan Forlag. Tilgjengelig fra <http://www.agropub.no/id/9821>. [Lest: 08/10/14] Bilder: Forside: http://imgarcade.com/1/tree- roots- sketch/ Figur 1: http://skredatlas.nve.no/ge/viewer.aspx?site=skredatlas&maptype=kvikkleire%20faregrad# Figur 2: http://www.ngi.no/upload/23560/munkedal_kvikkleirekred_e6_590.jpg Figur 3: http://www.fao.org/docrep/016/ba0126e/ba0126e00.pdf Figur 4: http://www.arctic.uoguelph.ca/cpl/organisms/plants/biology/roots.htm Figur 5: Produsert av Alle og en vær Figur 6: Produsert av Alle og en vær 11