\ NVE NORGES VASSDRAGS OG ENERGVERK Åsmund Bøyum Tomas Eidsmo Oddvar Undholm Terje Noreide Tore Semb Rolf Skretteberg Einar Markhus (red.) ANVENDT URBANHYDROLOG HYDROLOGSK AVDELNG Nr10 1997
NVE NORGES VASSDRAGS OG ENERGVERK TTTEL ANVENDT URBANHYDROLOG PUBLKASJON DATO 4 mars 1997 FORFATTERE Åsmund BØyum (NTH) Tomas Eidsmo (VBB Samfunnsteknikk) Oddvar Lindholm (NV A) Teje Noreide (NB) Tore Semb (Grøner A.S) Rolf Skretteberg (NVE) Einar Markhus ( Redaktør av 1997 utgaven) (NVE) SBN 82-410-0249-7 SSN 0802-2569 SAMMENDRAG Rapporten er en praktisk urbanhydrologisk veiledning til bruk for komunalteknikkere og konsulenter innen VA-teknikk. Rapporten tar for seg de 6 delområdene U rbanhydrologi Korttidsnedbør Snø Urban overvanns avrenning Disponering av overvann Flomskader og forsikringsordninger ABSTRACT This report is a practical guide in urban hydrology for muncipal technicians and consultants in water drainage. This report contains 6 parts Urban hydrology Shorttenn percipitation Snow Stonnwater Local stonnwater handling Flooding damages and insurance EMNEORD /SUBJECT TERMS Anvendt urbanhydrologi Korttidsnedbør Snø Urban overvannsavrenning Disponering av overvann Flomskader og forsikringsordninger ANSVARLG UNDERSKRFT ~ -y'vt.~.:-&,<.. Ame ToUan Avdelingsdirektør Kontoradresse: Middelthunsgate 29 Postadresse: Postboks 5091, Mai 0301 Oslo Telefon: 22 95 95 95 Telefax,' 22 95 90 00 Bankgiro,' 6003 06 04221 Postgiro.' 0803 5052055 Org nr.: NO 970 205 039 MVA Bi 1011
Omslagsbilde: V-crump overløp Foto: Einar Markhus
Forord Denne publikasjonen har sin bakgrunn i Norsk Hydrologisk Komites (NHK) engasjement i program "Urbanhydrologisk FoU i Norge 1983-1987". NHKs mandat ble gitt i kongelig resolusjon av 20. november 1981, der NHK ble pålagt ansvar for bl.a. igangsettelse og koordinering av FoU- virksomhet innen hydrologien. NHKs overordnede mål for sitt engasjement i programmet var å skape bedre slagkraft og koordinering i de norske forskningsmiljøene samt å bidra til en mer optimal FoU- innsats for landet som helhet. Siden urbanhydrologi er et spesielt og komplisert felt innen hydrologien, oppnevnte NHK 5. desember 1979 en egen arbeidsgruppe (UHA) som sin støttegruppe i urbanhydrologiske spørsmål. Det er ved innsats fra denne gruppen at NHK gjennomførte sin sekretariatsrolle for programmet og denne rapporten ble utarbeidet. UHA bestod 1.10.1987 av: Professor Åsmund Bøyum (formann) Norges tekniske høgskole (NTH) Div.sjef Oddvar Undholm, Norsk institutt for vannforskning (NVA) Siv.ing. Tore Semb, Rådgivende ingeniørers forening (RF) Grøner A.S Overing. Rolf Skretteberg (sekretær) Hydrologisk avdeling, Norges vassdrags- og energiverk (NVE) Foreliggende publikasjon er en revidert utgave av sluttrapporten fra UHA i 1987. Rolf Skretteberg redigerte denne sluttrapporten. Men det ble ikke hans oppgave å redigere foreliggende publikasjon, da han dessverre døde i 1995. Rapporten har gjennomgått en oppdatering i løpet av 1996/97 på de områder hvor det har vært en utvikling siden slutten av -80 tallet. Dette gjelder særig hydrologiske modeller, det er kommet til to kapitler om MOUSE NAM- og SNBADmodellene. Avsnitt 1.6.7 om hydrologiske modeller hører også naturlig inn under kapitel 4 om overvarinsavrenning. Avsnitt 1.6.7 og kapittel 4 skal derfor sees i sammenheng. Kapitte160m flomskader og forsikringsordninger er oppdatert til dagens lovtekster og gjennomlest av juridisk seksjon ved NVE. Forfattere av de enkelte kapitler er 1. Rolf Skretteberg 1.6.7.1 Tomas Eidsmo 1996 1.6.7.3 Einar Markhus 1996 2. Oddvar Undholm 3. Rolf Skretteberg 4. Åsmund Bøyum 5. Rolf Skretteberg og Terje Noreide 6. Tore Semb Arbeidet med å redigere rapporten i 1996/97 er utført av Einar Markhus. Forfatterne av de enkelte kapitler har lest igjennom sine kapitler og deres kommentarer er arbeidet inn i rapporten. Spørsmål og kommentarer vil det være riktigst å ta opp med den aktuelle forfatter. Det kan hende at litteraturlistene under kapitel 1 og 3 er noe mangelfulle da en ikke har hatt tilgang på Rolf Skrettebergs litteraturlister under redigeringen i 1996/97. Det henstilles til leseren om å informere utgiveren dersom det er nyere litteraturhenvisninger som kan være med å oppdatere rapporten. Det kan være på tale å gi ut rapporten i ny utgave innen 2-3 år. Mars 1997 Åsmund Bøyum Einar Markhus
3 1 URBAN HYDROLOG... 9 1.1 NNLEDNNG.................................................... 9 1.2 VANNBALANSE... 10 1.3 HYDROLOGSKE ELEMENTER... 11 1.3.1 nfiltrasjon................................................ 11 1.3.2 Konsentrasjonstid... 15 1.3.3 Flatens lengde............................................. 16 1.3.4 Overflatens helning... 17 1.3.5 Overflatens ruhet........................................... 19 1.3.6 Gropmagasin.............................................. 20 1.4 HYDROLOGSK DMENSJONERNG.................................. 23 1.5 AVLØPSDATA FRA SMÅ FELT... 24 1.6 FLOMBEREGNNGER... 25 1.6.1 Rasjonelle metode.... 25 1.6.2 Empiriske formler........................................... 28 1.6.3 Enhetshydrogrammet.... 29 1.6.4 Frekvensanalyse............................................ 31 1.6.5 Frekvensanalyse i nedbørfelt med avløpsdata.... 34 1.6.6 Frekvensanalyse i felt uten avløpsdata... 35 1.6.7 Hydrologiske modeller... 35 1.6.7.1 MOUSE NAM... 35 1.6.7.2 NVANET.......................................... 38 1.6.7.3 SNBAD............................................ 40 1.6.7.5 PQRUT... 42 1.7 LTERATUR................................................... 46 2. KORTlDSNEDBØR................................................... 49 2.1 NNLEDNNG................................................... 49 2.2 SAMMENDRAG.......... 49 2.3 KONSTRUKSJON AV REGNHYETOGRAM............................. 51 2.4 BRUK AV TYPEREGN OG "KASSEREGN"... 55 2.5 SMULERNG AV LANGE PERODER... 57 2.5.1 Generelt.................................................. 57 2.5.2 Simulering av lange tidsserier.... 58 2.5.3 Bruk av modellregn.......................................... 58 2.6 AREALREDUKSJONSKOEFFSENTER (ARF)........................... 61 2.6.1 Generelt... 61 2.6.2 ARF for store nedbørfelt.... 62 2.6.3 ARF for små nedbørfelt....................................... 66 2.7 DYNAMSK REGN OG VRKNNG PÅ HYDROGRAM...................... 69 2.7.1 Regns hastighet og retning.... 69 2.7.2 Virkning av dynamisk regn på hydrogram.......................... 75 2.8 BEHOV FOR VDERE UTVKLNG OG FORSKNNG... 83 2.9. LTERATUR... 85 2.9.1 Litteraturhenvisninger........................................ 85 2.9.2 Rapporter og artikler fra nedbørprosjektene innen NHK's urbanhydrologiske 5- årsprogram.... 85 3 SNØ... 87 3.1 GENERELT... 87 3.2 SNØSMELTEFLOM... 87 3.3 SMELTEPROSESSEN... 88 3.4 SNØSMELTENTENSTET... 91
4 3.5 SNØRYDDNG... ;................................ 94 3.6 LTTERATUR................................................... 95 4. OVERVANNSAVRENNNG... 96 4.1 SAMMENDRAG... 96 4.2 PROBLEMBESKRVELSE.......................................... 97 4.3 OVERVANNSAVRENNNG ET URBANT OMRÅDE, BEREGNET OG MÅLT... 99 4.3.1 Maks avrenning............................................ 99 4.3.1.1 nnføring... 99 4.3.1.2 Avrenningskoeffisient og konsentrasjonstid. Den enkle rasjonelle metode.... 100 4.3.1.3 Deltakende flater... 104 4.3.1.4 Konsentrasjonstiden.... 106 Den rasjonelle metode, videreført versjon... 106 4.3.1.5 Avrenningskoeffisient og regnintensitet varierer i tidstrinn. Tid - areal - metoden............................................ 109 4.3.1.6 Feltets geometri... 111 4.3.1.7 Matematisk modell... 115 4.3.1.8 Målt avrenning... 115 4.3.1.9 Sammenstilling og diskusjon av beregningene. Bruk av beregningsmetodene.... 115 4.3.2 Volum avrenning... 117 4.3.2.1 Den rasjonelle metode... 117 4.3.2.2 Vannbudsjett-metoden... 118 4.4 DSKUSJON AV AVRENNNGSPARAMETRENE... 123 4.4.1 Generelt... 123 4.4.2 Avrenningskoeffisienten... 123 4.4.2.1 Maks. avrenningskoeffisient... 123 4.4.2.2 Volum-avrenningskoeffisient... 126 4.4.3 Konsentrasjonstid... 129 4.4.3.1 Beregning etter den kinematiske bølgeteori... 129 4.5 BEREGNNG AV AVRENNNG FRA SEMPERMEABLE OG PERMEABLE FLATER........................................................... 133 4.5.1 nfiltrasjon............................................... 133 4.5.2 Avrenningsforløp....... 133 4.6 HØST - NNTERFLOMMER........................................ 134 4.7 BEREDSKAP MOT FLOM... 137 4.8 TLTAK FOR A REDUSERE OVERFLATEAVRENNNGEN... 137 4.9 VDEREFØRNG AV URBANHYDROLOGSK FORSKNNG... 138 4.10 LTTERATUR................................................. 139 5. DSPONERNG AV OVERVANN... 150 5.1 GENERELT... 150 5.2 TOTAL OVERVANNSDSPONERNG... 150 5.3 PRMÆRSYSTEMET... 152 5.4 TLTAK PRMÆRSYSTEMET... 155 5.4.1 Kanalisering... 155 5.4.2 Fordrøyningsbasseng....................................... 157 5.4.3 Dimensjonering av fordrøyningsbasseng....................... 159 5.5 LOKALSYSTEMET.............................................. 164 5.6 LTTERATUR.................................................. 165 6. FLOMSKADER OG FORSKRNGSORDNNGER... 167 6.1 SAMMENDRAG... 167
6.1.1 Juridiske forhold.... 6.1.2 Forsikringsordninger.... 6.1.3 Undersøkelser av flomskader.... 6.2 NNLEDNNG.... 6.3 JURDSKE FORHOLD.... 6.3.1 nnledning.... 6.3.2 Terminologi.... 6.3.3 Lovverkets bestemmelser.... 6.3.4 Plikt til bygging og drift av avløpsanlegg.... 6.3.5 Ansvar som eier av avløpsanlegg.... 6.4 FORSKRNGSORDNNGER.... 6.4.1 nnledning.... 6.4.2 Statens Naturskadefond.... 6.4.4 Norsk Naturskadepool.... 6.4.5 Villaforsikring.... 6.4.6 Ansvarsforsikring.... 6.5 TDLGERE UNDERSØKELSER.... 6.5.1 nnledning.... 6.5.2 NVA's undersøkelse av oversvømmelser i kommunale ledningsanlegg /10/ 180 6.5.3 "Kontrollberakning och dimensionering av kombinerade avloppssystem", rapport från 3-stadsgruppen. /11/..., 182 6.5.4 "Kallaroversvamning i samband med regn", /12/... 182 6.5.5 "Dranering av bebyggelse", /13/... 182 6.6 UNDERSØKELSE AV FLOMSKADER NORGE... 183 6.6.1 nnledning............................................... 183 6.6.2 nnsamling av data... 183 6.6.3 Vurdering av data... 185 6.6.4 Resultat og konklusjoner... 188 6.6.5 Erstatningenes størrelse..................................... 190 6.6.6 Sammenheng mellom nedbørintensitet og flomskader i Oslo... 192 6.7 VDERE ARBEDER............................................. 192 6.7.1 Naturskadeflom/force majeure/ekstraordinær nedbør... 192 6.7.2 Dimensjoneringskriterier..., 192 6.7.3 Skade/flomårsak... 192 6.7.4 Drift og vedlikehold... 193 6.7.5 Nedbørintensitet og flomhyppighet... 193 6.7.6 Kostnader ved flommer... 193 6.8 LTTERATUR.................................................. 194 5 167 167 168 169 169 169 170 170 171 172 175 175 175 177 178 180 180 180
6 Figurliste Figur 1. 1 Det hydrologiske kretsløpet.......................................... 9 Figur 1.2 Det urbanhydrologiske kretsløp...................................... 10 Figur 1.3 nfiltrasjonsforløpet under konstant nedbørintensitet........................ 11 Figur 1.4 Grafisk framstilling av Hortons infiltrasjonslikning... 12 Figur 1.5 Målingen av infiltrasjon ved universitetet i Tokyo.... 14 Figur 1.6 Sluttverdier for infiltrasjon ( ) ved universitetet i Tokyo...................... 14 Figur 1.7 ntensitetlfrekvenskurve Blindern.................................... 15 Figur 1.8 Forholdet mellom flatens lengde og reduksjonen i maksimal avrenning.... 16 Figur 1.9 Forholdet mellom flatens helning og reduksjon i den maksimale avrenningen.... 17 Figur 1. 10 A vrenningshydrograf for varierende helninger.... 19 Figur 1.11 Mannings talls innvirkning på avrenningshydrografen... 20 Figur 1.12 Forholdet mellom tette flaters gropmagasin og overflatehelningen... 21 Figur 1. 13 Nomogram for beregning av konsentrasjonstiden.... 27 Figur 1.14 Nedbørintensitet- varighetskurve for Blindern, Oslo....................... 28 Figur 1. 15 Eksempler på bruk av enhetshydrogrammet til bestemmelse av avløp etter nedbør med dobbelt så stor nedbørintensitet (øverst) og 3 ganger så lang varight (nederst),.. 30 Figur 1.16 Frekvensanalyse på årlige data fra Sagstubekken........................ 34 Figur 1. 17 Skjematisk oppbygning av MOUSE NAM.............................. 37 Figur 1. 18 Eksempel på hydrogramm beregnet ved hjelp av MOUSE NAM modellen... 37 Figur 1. 19 Skjematisk fremstilling av de hydrologisk prosessene i SWMM's overflaterutine.., 38 Figur 1.20 Prinsippskisse for en HHA-type i SNBAD-modellen... 41 Figur 1.21 Gjennomsnittlig månedlig grunnvannsdannelse i perioden 1958-93 på Gardermoen... 42 Figur 1.22 Kar med to utløp................................................ 43 Figur 1.23 Kalibreringsdiagram... 45 Figur 2.3.1. -V-F kurve fra Blindern..... 51 Figur 2.3.2. Eksempel på regnhyetogram. Arnel 11/.... 52 Figur 2.3.3 Regnhyetogram for 10-års frekvensen for Oslo, Blindern...., 54 Figur 2.4.1 "Kasseregn" funnet ut fra en -V-F kurve. Fra Arnel et al. 12/................ 55 Figur 2.4.2 Symmetrisk regnhyetogram. Arnel el; al. 12/............................ 55 Figur 2.4.3 Sifalda-regn, Sifalda 151........................................... 56 Figur 2.4.4 Definisjon av middelintensitet for ett regn som inngår i 1-V-F kurvene.......... 56 Figur 2.4.5 "Kasseregnets" del av det virkelige regnets totalnedbør. Grunnlagsdata fra Lundby 1926-1955........................................................ 57 Figur 2.5. 1 Sortering av enkelt-regn til modellregn.... 59 Figur 2.5.2 Enkelt-regn som definerer et modellregn.... 60 Figur 2.6.1 Regnskyllets gjentagelsesintervall er 6 år. Basisstasjon er Blindern........... 63 Figur 2.6.2 Regnskyllets gjentagelsesintervall er 3 år. Basisstasjon er Blindern........... 64 Figur 2.6.3 Regnskyllets gjetagelsesintervall er 1 år. Basisstasjon er Blindern.... 64 Figur 2.6.4 Hydrogrammer fra regn 26. juni 1980................................. 65 Figur 2.6.5 Arealreduksjonsfaktorer. 1-års regn 10 min............................. 66 Figur 2.6.6 arealreduksjonsfaktorer 1-års regn, 40 min. varighet.... 67 Figur 2.6.7 Area/reduksjonsfaktorer 1-års regn, 120 min............................ 67 Figur 2.6.8 Arealreduksjonsfaktorer 1-års regn, 360 min............................ 68 Figur 2.7. 1 Stasjonens relative plassering.... 70 Figur 2.7.2 Eksempel på en regnbyges vandring. Regn 13. september kl. 5.23-7.00.... 71 Figur 2.7.3 Frekvensfunksjon for bygehastigheter i 1983, midlet over 10 minutter. 288 hastighetsintervaller.................................................. 72 Figur 2.7.4 Resulterende retning for regnets tyngdepunkt fra regnstart til regns/utt for de 27 største regn i 1983.... 73 Figur 2.7.5 Hastighet og retning i middel over,. halvtime for 27 regnhendelser i 1983...... 74
Figur 2.7.6 Retning og hastighet på de 29 ti-minutters regnintervallene som har større hastighet enn 10 kmlh....................................................... 74 Figur 2.7.7 Søren Jaabæks gate............................................. 76 Figur 2.7.8 Lilleaker-feltet... 77 Figur 2.7.9 Regnhyetogram for 2-års regnet (Blindern)... 78 Figur 2.7. 10 Utløpshydrogram fra Søren Jaabæksgate ved varierende regnhastigheter.... 79 Figur 2.7.12 Relative økninger/reduksjoner i Qmaks som følge av dynamisk regn. Lilleaker-feltet med 2-års regn fra -V-F kurven på Blindern.... 81 Figur 2.7. 13 llustrasjon av begrepet regnvarighet.... 82 Figur 3. 1 Typiske forløp av flommer av forskjellig opprinnelse... 88 Figur 3.2 Snøsmeltemtller................................................. 92 Figur 3.3 Snøpute....................................................... 92 Figur 4.2. 1 Nedbør og ti/renning til innløpet i et lukket ledningssystem.... 98 Figur 4.3. 1 Hydrogram for regnskyll med varighet lik konsentrasjonstiden.............. 100 Figur 4.3.2 Målt hydrogram for regntilfelle med konstant intensitet, og varighet 20 min, Blakli............................................................... 102 Figur 4.3.3 Ti/nærmet beregning av hastighet i lengderetningene.................... 103 Figur 4.3.4 Deltakende flater versus andel tette flater, litt. 1161...................... 105 Figur 4.3.5 Et regn tilfelle har sjelden konstant intensitet og avrenningskoeffisienten vokser under regnet.......................................................... 109 Figur 4.3.6 Hydrogram etter TRRL-metoden, Blakli.............................. 110 Figur 4.3.7 Konstruksjon av trekantformet hydrogram............................. 112 Figur 4.3.8 Hydrogram for regnskyll nr. 2...................................... 114 Figur 4.3.9 Hydrogram etter NVANETT, Blakli................................. 115 Figur 4.3. 10 A vrenning i trekantformet felt.............. 117 Figur 4.3.11 llustrasjoner ti/ den rasjonelle metode (a) og vannbudsjett-metoden (b)...... 118 Figur 4.3.12 Avrent volum versus nedbørvolum. Data fra okt. nov. 1975 i Blakli. a) Nedbørvolum < 50 rrr/ha, b) Nedbørvolum > 50 mo/ha... 119 Figur 4.3.13 Lineær regresjon mellom regnvolum og avrent volum på deltakende flater.... 121 Figur 4.3. 14 Sammenhengen mellom nedbørvolum og avrent volum for område Floda... 122 Figur 4.4.1 Avrenning fra et regn med varierende intensitet........................ 124 Figur 4.4.2 Sammenhengen mellom maks. avrenningskoeffisient og andel deltakende flater 126 Figur 4.4.3 Sammenhengen mellom andel deltakende areal (faktor c) og andel impermeable flater (urbaniseringsgrad u)........................................... 127 Figur 4.4.4 Feltets form har stor betydning for konsentrasjonstiden, litt 1191... 130 Figur 4.4.5 Hydrogrammer for Blakli, målt og beregnet... 132 Figur 4.5. 1 Eksempel på primær- og sekundæravrenning. Målinger i Sandslifeltet, Bergen kommune........................................................ 134 Figur 4.6. 1 Utbyggingsfelt Sandsli, Bergen, med urbanhydrologiske målestasjoner....... 134 Figur 5. 1 Eksempel på utbygging hvor eksisterende flombekker blokkeres av bebyggelse.. 152 Figur 5.2 Etablering av nye flom veger, delvis til erstatning av de naturlige som ble blokkert ved utbyggingen Foto NVE og /71........ 153 Figur 5.3 Eksempel på inntaksdetaljer for stikkrenner /71.......................... 154 Figur 5.4 Virkning avelvekanalisering på de fysiske og biologiske forhold... 155 Figur 5.5 Nomogram for avrenning i triangulære kanaler.......................... 156 Figur 5.6 a Overløp med fordrøyningsbasseng... 157 Figur 5.6 b Fordrøyningsbasseng med rør i overvannsledning... 158 Figur 5.6 c Fordrøyning i vassdragbekk......... 158 Figur 5.7 Kombinasjon av nedgravd og åpent fordrøyningsbasseng.................. 159 Figur 5.8 Flom-ruting gjennom et magasin... 160 Figur 5.9 Dimensjonering av åpne fordrøyningsbasseng... 161 Figur 5.10 dealiserte inn- og utstrømningshydrografer i bassen..................... 162 Figur 5. 11 Forholdet mellom vanndyp i veg og felt... 163 7
8 Figur 5. 12 Eksempel på parkmagasinering (Markham, Kanada)..................... 163 Figur 6. 1 Eksempel på økonomisk optimaliseringsberegning av avløpsanlegg... 174 Figur 6.2 Kommuner som har deltatt i undersøkelsen... 185 Figur 6.3 Erstatninger etter flomskader....................................... 191 Tabelliste Tabell 1.1 nfiltrasjonskapasitet i ulike jordarter.................................. 13 Tabell 1.2 Eksempler på initial infiltrasjon og overflateforhold........................ 13 Tabell 1.4 Mannings tall for ulike overflater..................................... 18 Tabell 1.5 Gropmagasinverdier... 22 Tabell 1.6 nitialtap (Geiger og Dorsch 1980)... 23 Tabell 1.7 Avrenningskoeffisienter... 26 Tabell 1.8 Sannsynlighet (p) for at flom med gjentaksintervall T vil inntreffe de neste Tår... 32 Tabell 1.9 Nødvendig gjentaksintervall (T) i år for angitt dimensjoneringsperiode (L) og risiko (R ).... 33 Tabell 1.10 Dimensjonerende gjentaksintervall anvendt i Canada.... 33 Tabell 2.7.1 Eksempel på beregning av et regns hastighet og retning.... 71 Tabell 3. 1 Typiske graddagskonstanter i Norge.... 91 Tabell 3.2 Maksimal snøsmelting og temperatur. (mm)... 93 Tabell 3.3 Maksimale snøsmelteintensiteter i 8 utvalgte byer (mm/12 timer)... 93 Tabell 4.2.1 Overvannsavrenning har betydning for avløpsanlegg i ulik grad............. 98 Tabell 4.3.1 Feltparametre for 17 urbaniserte områder fra forskjellige land............. 111 Tabell 4.3.2 Sammenstilling av beregningsresultatene............................ 116 Tabell 4.3.3 nitialtap i områder med ulik urbaniseringsgrad........................ 120 Tabell 4.3.4 Avrenningsdata for 5 områder i Sverige............................. 122 Tabell 4.4.1 Målte avrenningskoeffisienter i Bergsjon, Sverige... 125 Tabell 4.6.1 Volum avrenningskoeffisienter i Sandsli, Bergen....................... 135 Tabell 4.6.2 Feltkarakteristikker for Ugla, Risvollan og Svarttjørnbekken, Trondheim...... 135 Tabell 4.6.3 Avrenningskoeffisienter i Ugla, Risvollan og Svarttjørnbekkens nedslagsfelt 9. - 10.12.87... 136 Tabell 5.1 Klassifisering av åpne fordrøyningsbasseng... 157 Tabell 6.1 Sammenheng mellom ansvar/erstatningsplikt skadeårsak og skadeobjekt.... 176 Tabell 6.2 UN Storebrands forsikringsvilkår - villaforsikringer... 179 Tabe/6.3: Sammenhengen mellom ledningstype og flomsted, uttrykt i prosent av kommuner som rapporterte oversvømmelser........................................... 181 Tabel/ 6.4: Sammenheng mellom værforhold og flomårsak ved kjelleroversvømmelser fra fellesledninger..................................................... 181 Tabell 6.5 Kjelleroversvømmelser i 38 kommuner i Sverige........................ 183 Tabell 6.6 Fylkesvis fordeling av utsendte og returnerte spørreskjema................ 187 Tabell 6.7 Resultat av innsamling av data vedr. flomskader i urbane strøk i Norge... 188
9 1 URBAN HYDROLOG 1.1 NNLEDNNG Rådet for teknisk terminologi (RTT) definerer hydrologi som "vitenskapen om vannet i naturen, dets forekomst og egenskaper". Vannets kretsløp har solenergien som drivkraft. Kretsløpet er i en dynamisk balanse der de enkelte delprosesser varierer naturlig innen visse grenser, men der hele systemet har en innebygd treghet som normalt forhindrer for store variasjoner. naturlige, vegetasjonskledde områder infiltreres nesten all nedbøren - i det minste temporært - innen det føres videre. Dette gir en god utjevning av den meget ujevnt tilførte nedbøren. Overflate og grunnvannsavrenningen varierer også med tiden, men vesentlig mindre enn nedbøren. Skjematisk kan man framstille det hydrologiske kretsløpet som vist i Figur 1.1. ~... w ::::i: w... fl) > fl) fl) z -< > a: w > o lt, : ~----J :Q t t t t t... w > -< x 1M t 1M t LTOSFÆREN Figur 1.1 Det hydrologiske kretsløpet Figur 1.1 viser hvordan vanntransportlinjene binder sammen de enkelte vannmagasin innen det overordnede system. Videre viser figuren at hydrologenes interesseområde innen det hydrologiske kretsløpet begrenser seg tillandfasen. Havområdene studeres av oseanografene, atmosfæren av meteorologene og itosfæren av geologene. Hydrologenes del av systemet er vist ved den stiplede linjen. Ved inngrep i naturlige områder forstyrres den naturlige balansen for området, og man får forandringer i landfasen av kretsløpet. løpet av de siste 25-30 år har man erfart en stadig økende interesse for de hydrologiske følger av natur- og landskapsforandringer generelt. De hydrologiske følger av vår tids urbaniseringsvirksomhet har skapt et nytt problembegrep, urban hydrologi.
10 Urbanhydrologi er enkelt definert som den delen av de hydrologiske kretsløp som omfatter bebygde områder, og som beskrevet ved Figur 1.2. E p ATMOSFÆRE G > Gl 1M Litosfærtlfl Figur 1.2 Det urbanhydrologiske kretsløp 1.2 VANNBALANSE Når et naturlig markområde bebygges forstyrres den naturlige tregheten. Vannbalansen forandres drastisk og det kan oppstå lokale klimaforandringer med økte temperatursvingninger og årsnedbør. Enkelt kan man si at vannbalansen i tettsteder karakteriseres ved at nedbøren i større utstrekning og på kortere tid renner av som overvann i forhold til et naturlig område. Overvannet er også mer forurenset. Grunnet minsket infiltrasjon og økt drenering får man normalt en uttørring av grunnen som kan resultere i et senket grunnvannsnivå. De viktigste hydrologiske effektene aven urbanisering er: - økt overflateavrenning både i intensitet og volum. - redusert infiltrasjon. - redusert evapotranspirasjon. - senkning av grunnvannstanden. Dette har en rekke praktiske konsekvenser ved en utbygging ved at: - for å hindre oversvømmelse i kjellere, på veier og plasser kreves det dyre anlegg dersom konvensjonelle løsninger velges. - grunnvannssenking kan påføre setningsskader på anlegg samt gi vegetasjonsuttørring. - økt påkjenning på resipient, både volum og forurensningsmessig.
11 Massebalanseligningen uttrykker feltavrenningen som R=P_(±M +E+S) t der R : vassføring p : nedbør M : overflaternagasin t : tyllingstid E : evapotranspirasjon S : infiltrasjon Ved en konvensjonell feltutbygging reduseres eller fjernes fordrøyningen i massebalanseligningen, men evapotranspirasjonen består, kanskje redusert. Dette vil medføre større toppbelastning og de negative følger dette gir som nevnt foran. Ved en bevisst hensyntagen til virkningen av de enkelte ledd i massebalanseligningen kan store gevinster oppnås. tillegg til å redusere overvannsmengdene som må behandles, vil man også få en bedre balanse mellom de forskjellige delprosessene i feltet, med følgende positiv innvirkning på feltets vegetasjon og stabilitet.. 1.3 HYDROLOGSKE ELEMENTER 1.3.1 nfiltrasjon nfiltrasjon av vann er en viktig prosess i det hydrologiske kretsløpet. Grunnens egenskaper er bestemmende for hvor stor del av nedbøren som vil trenge ned i jorda og hvor stor del som eventuelt vil renne av på overflaten. Med minkende infiltrasjon øker overflateavrenning. Prosessen er også vesentlig for markvannsmagasinet og for tilførselen til og vedlikeholdet av grunnvannsmagasinet.,,,,,, nfiltrasjonsevne :t::: E E c: o.~ ;;::: c: " Nedbørintensitet ~-~-- - -- - -- --- - -- - -- ---- nfiltrert vann Overflateavrenning Tid Figur 1.3 njiltrasjonsforløpet under konstant nedbørintensitet.
12 tørr tilstand er jordas evne til å ta imot vann relativt høy. Etter hvert som jorda fuktes og fuktningsfronten trenger lenger nedover, vil infiltrasjonshastigheten avta. Til slutt oppnås en konstant infiltrasjon, dvs. jordlagets infiltrasjonskapasitet. nfiltrasjonskapasiteten varierer til dels kraftig fra sted til sted avhengig av: - jordart og lagdeling. - vegetasjon. - struktur og sammenpakning. - terrenguttorming. - markfuktighet. - årstidene. nfiltrasjon analyseres enten som et jordartsfenomen eller fra hydrologisk side. Beregning av infiltrasjon med utgangspunkt i fysiske jordartsanalyser krever kunnskap om jordsmonnets ledningsevne, kapillæreffekten og fuktighetsinnhold. Alt sammen parametre som er vanskelig å bestemme, og som gjør metoden lite praktisk anvendelig. Ved den hydrologiske metoden uttrykkes jordsmonnets forskjellige egenskaper sammen til en typisk infiltrasjonsparameter. Den mest anvendte infiltrasjonsligningen er Hortons ligning f=f c +(f o -fje-1d der f : infiltrasjonshastigheten ved tid t (min) f o : initialinfiltrasjonen (mm/min) fe : avsluttende infiltrasjon ( P/min) k : reduksjonseksponent (min) c: i fo E Z O -, Cl) <t: o:: fe - - - - - - - - - - - - ~ u.. Z TD Figur 1.4 Grafisk framstilling av Hortons infiltrasjonslikning
13 Ved bruk av Hortans likning er følgende kapasiteter antydet. Tabell 1.1 njiltrasjonskapasitet i ulike jordarter. Masser nfiltrasjon rent vann, mm/min. Fin grus 280 Sandig grus 140 Grov sand 50 Middels sand 20 Fin sand 1.0 Grov silt 0.2 Grusig morene 0.17 Sandig morene 0.035 nfiltrasjon er også avhengig av om det er vegetasjon på overflaten, og hvilken vegetasjon. Tabell 1.2 Eksempler på initial infiltrasjon OJ! overtateforhold Forhold fo (mm/min) Kilde Jordsmonn uten vegetasjon 0,27 Holtan 1967 Vegetasjonsdekte områder 1,95 Holtan 1967 Leire uten vegetasjon 0,60 Musgrave 1946 Sandjord med tett vegetasjon 1,80 Musgrave 1946 Tabell 1.3 Avsluttende infiltrasjon (Chow 1964) Type jordsmonn fe (mm/min) Tung plastisk leire 0-0, 021 Sandblandet leire 0,021-0,064 Sandjord 0,064-0,127 Sand og silt 0,127-0,190 Til informasjon taes det også med resultatene aven infiltrasjonsundersøkelse i Tokyo, Japan
14 a) Skog b) Park 2000 Tama New Town 2000 Universitetet Tokyo NO.19 NO.13 1500 Observert 1500 c Observert kurve c O Hortons kurve O Hortons kurve ''-' ''-' til til al (l +J 1000 1000 "" +J ""...-i...-i.,-i c... c r-.,-i c... r- 500 O 2000 C 1500 O ''-' til al +J 1000 ""...-i.,-i c... c r- 500 C 500 10 20 30 40 50 6e O Tid (min). 10 20 30 40 50 60 Tid (min) o c) Apen plass i park d) Område for apen bebyggelse Nerima No.2 Observert kurve - Hortons kurve c O ''-' til (l r.. +J...-i.,-i c... C r- 2000 1500 1000 500 Tama New Town NO.16 Observert kurve Hortons kurve o 10 20 30 40 50 60 Tid (min) 10 20 3040 50 60 Tid (min) Figur 1.5 Målingen av infiltrasjon ved universitetet i Tokyo. Slutt-infiltrasjon (mm/h) FELTKARAKTERSTKK Skog Fri.ark Fruktavlings.ark Hage, gartneri Gras.ark Apen gras.ark Apen plass i park Apen plass i hage Sportsplass O.råde for åpen bebyggelse o 1 5 10 'la - ~~... 50 100 ~,... 500 1000 ~ ~ ~,.,. Figur 1.6 Sluttverdier for infiltrasjon () ved universitetet i Tokyo
15 Også tilsynelatende tette flater som betongheller, asfalt og frossen mark har en viss infiltrasjonskapasitet. Ved forsøk har støpte betong heller vist seg å ha en infiltrasjon etter 1 time på 0,2 mm/min og opptil 0,12 mm/min etter 12 timer. Ved en regresjonsanalyse av flere regn- og avrenningstilfeller på 13 små flater i Lund i Sverige, konstaterte man infiltrasjonstap fra til 7% av regnvolumet. De høyeste tapene fikk man på eldre og sterkt trafikkerte veier. Ved Universitetet i Luleå, Sverige er det gjort målinger av infiltrasjon i frossen mark. Disse har vist at omlag 1/3 av den totale smeltevannsmengden lar seg infiltrere i grunnen, men at ved maksimal smelteintensitet vil marken bli mettet og avrenningen stor. Til tross for at den siste parameteren i Hortons likning er avhengig av jordsmonnets struktur, vegetasjonsdekke og forutgående fuktighet, er verdien k = 0,0697 min 1 blitt etablert som empirisk riktig. 1.3.2 Konsentrasjonstld urbanhydrologisk sammenheng er dimensjonerende nedbør gitt ved liten konsentrasjonstid. Liten konsentrasjonstid gir høy intensitet. Dette illustrerer figur 1.7 som viser hvordan 10-minutters regnet nesten halveres i intensitet ved en tredobling av varigheten. 400 300 50 25 10 o 5-7 200 2... - 150 - UJ!:: 100 (/) z T w 80 50år - z 25 " a: 60 10 00 'o 5 o, aj o 50 UJ 2.. z 40 Figur 1.7 ntensitet!.frekvenskurve Blindern. 30~~~~~-L~--~--~-- ~ L-~ 5 10 15 20 30 L.5 60 VARGHET MNUTTER Konsentrasjonstiden. Definert av Rådet for Teknisk Terminologi (RTT) som den tid en vannpartikkel bruker fra nedbørfeltets fjerneste punkt til et bestemt i ledningssystemet, er gitt ved summen av tilrenningstiden og gjennomløpstiden i ledningssystemet frem til punktet. Dvs. samlet tilrenningstid i primær- og sekundær-systemet.
16 Til beregning av avrenningen fra tette flater anvendes den kinematiske bølgeteorien. Her uttrykkes konsentrasjonstiden ~ som l ~ t =(_O_)m c.m-1 al der lo : flatens lengde i : regnintensitet m : eksponent a : faktor som uttrykker ru het og flatens helning Faktoren a bestemmes ved Mannings formel til: a=.!s% n der n : Mannings tall S : flatens helning Foranstående viser at avrenningen fra en tett-flate er avhengig av flatens ruhet, flatens helning og lengde samt regnets intensitet. 1.3.3 Flatens lengde Når det gjelder forholdet mellom en flates lengde og reduksjonen i maksimal avrenning har diverse arbeider vist at den maksimale 1 maksavrenning med L: 25 aksavrenning med okt L 0.9 0.8 Varighet } 20 min } 0.7. 10 min Blokkregn O. Gjentak-nr -5dr -. 10d O. } Smin Kinematiskbolge 25 50 100 150 200 250 300 ' 350 m Avrenning sf laten s. sn i tts len de L Figur J.8 Forholdet mellom flatens lengde og reduksjonen i maksimal avrenning.
17 avrenningen bare i liten grad påvirkes av flatens lengde. En reduksjon i maksimalavrenningen gjennom for eksempel økning i avstanden mellom sandfangkummene kan kun forventes for kortvarige regn av inntil 10 minutters varighet. Klostergårdsområdet i Lund, Sverige fant man at ved å øke den gjennomsnittlige overflateavrenningslengden på 25 meter til det dobbelte, fikk man kun en 10% toppavrenningsreduksjon for et 5-minutters regn. Regn av 1 O-minutters varighet eller mer ga helt ubetydelige reduksjoner. 1.3.4 Overflatens helning Overflatens helning påvirker avrenningen på to måter, dels ved at en forandring av energilinjens gradient endrer vannhastigheten, dels ved at helningen påvirker magasinvolumet på overflaten. Disse følgene opptrer samtidig og er vanskelig å skille fra hverandre. LO Maks avrl'nn,ngsr'l'du k s an 30 BLOKKREGN : ÅR GJENTAK 20 10 O + 1~~ ~~~~~~~==~;2~.0;;;;;;~~~ H"ln,ng 2,4 0.77 0.63 0.55 '/anndamsmagas,n mm Figur 1.9 Forholdet mellom flatens helning og reduksjon i den maksimale avrenningen.
18 Tabell 1.4 Mannin~s tallfor ulike overflater Overflate Mannings n Kilde Glatt tre 0,010 (Morgali 1965) Glatt asfalt 0,012 (Crawford 1966) Betong eller asfalt 0,010-0,013 (Civiani etal 1978) Rå asfalt, betong 0,014 (Crawford 1966) Rå asfalt 0,016 (Margali 1965) Rå asfalt 0,017 (Chow 1959) Sand 0,010-0,016 (Civiani etal 1978 Grusdekke 0,012-0,030 " Asfalt med grus 0,362 Gottschaik etal 1974) Leire 0,012-0,033 Civiani 1978) Leire 0,030 (Crawford 1966) Glissent gress 0,200 " Tett gress 0,350 " Busker 0,400 " Høyt gress 0,500 (Morgali 1965) Glissen vegetasjon 0,053-0,130 (Civiani 1978) Kort gress 0,100-0,200 " Høyt gress 0,170-0,480 " Flatens ruhet påvirker således avrenningshydrografens form. Ved en økning av ruhetskoeftisienten for overflaten fra 0.01 til 0.02 oppnås en reduksjon i den maksimale avrenningen på omlag 10%. nntil 90% reduksjon i den maksimale avrenningen kan oppnås ved en økning i Mannings tall til rundt 0.20 til 0.30 som er typisk for asfalt dekket med grus eller gresskledde flater. Dette vil si at man oppnår en drastisk forandring i avrenningshydrografen for en tett flate ved å dekke flaten med et porøst gjennomtrengelig lag.
19 10 9 8lokkregn: 10 års gjentak 10 min. varighet l,21.mm/mln nlensltet 6., 2 ~o 90 120 Tid. min Figur 1.10 Avrenningshydrograf for varierende helninger. Som ovenstående figur illustrerer kan store reduksjoner i den maksimale avrenningen oppnås ved et økt overflaternagasin som en følge av flattliggende flater. 1.3.5 Overflatens ruhet Økning av flatens ruhet gir to effekter: friksjonen øker, dvs. middelhastigheten minskes for samme energigradient. endring av strømningstype går mot det turbulente området der den flomningsdempende effekten ved økt ruhet blir enda mer merkbar. Ved avrenningsstudier utført ved den Tekniske Høgskolen i Lund, Sverige, ble det observert at for regn med en konstant intensitet på 0.7 mm/min var konsentrasjonstiden for en glatt asfaltflate 6 meter lang og helning 2.5% 81 sekunder, mens for den samme flaten dekket med et lag gjennomtrengelig oljegrus var konsentrasjonstiden øket til 512 sekunder.
20 Avrenning ~fs 1,. J Gjent aks interval 10 år 10min varighet S o o lo 20 30 50 60 Tid, min Figur 1.11 Mannings talls innvirkning på avrenningshydrografen Figur 1.11 viser hvordan den maksimale avrenningen reduseres gjennom forandret helning ved ulike varigheter og 2-års gjentaksintervall. 1.3.6 Gropmagasin Et felts gropmagasin er summen av det vannet som fanges opp i mindre sprekker og groper på overflaten og som holdes tilbake inntil det infiltreres og/eller evaporeres. Følgende uttrykk for vannet som til enhver tid magasineres på denne måten er tilnærmet: der Sde : maksimal magasinkapasitet le : nedbør minus infiltrasjon, interseptsjon og evapotrasjon. For tette flater i urbanområder finner man en god korrelasjon mellom de maksimale gropmagasiner, Sde og overflatens helning.
21 Midlere gropmagasmmm 1,75 1,50 v v Nederland... Storbritania Sverige d p =O,7696' 5-0,49 (r =-0,85) O~----~----~----r---~~--~ O 2 3. 5 Gennomsnittlig helning % Figur 1.12 Forholdet mellom tette jlaters gropmagasin og overjlatehelningen
22 For horisontale eller tilnærmet horisontale flater i urbane områder, er en rekke erfaringstall gitt i tabell 1.5. J:bll15G a e ropmaf!asmver ler Overflate Gropmagasin (mm) Kilde Tette flater Gjennomsnittlig 1,5-2,0 Oechner (1967) overflatestruktur Små flater 1,5-2,8 Viessmann ( 1968) Glatt overflate 0,5-07 Munz ( 1966) Glatt asfalt 0,18 Pieper (1938) Ru asfalt 0,52 Pieper ( 1938) Betongdekke 0,35 Pieper (1938) Ru betong 0,55 Pieper (1938) Gatestein 1,0 Pieper (1938) Flate tak 2,5-7.5 Skrå tak 1,0-2,5 Gjennomtrengelige flater Åpen leire 0,56-1,4 Horton ( 1939 Leirjord med vegetasjon 0,7-0,8 Leirjord med mye vegetasjon 2,5-4,0 Braun (1958) Åpen siltholdig leire 2,0-3,0 Neal (1938) Gressdekket siltholdig leire 1,0-2,5 Sharp & Holtan (1940) Åpen leirholdig sand 3,0-4,0 Dvorak ( 1959) Gressdekket leire/samholdig 1,9 Schumm (1940) humusjord Delvis gressdekket leirholdig 3,3-4,6 Reinhold (1955) sand Plen 5-12 Trekledde områder og åpen 5,0-15,0 mark Leire 2,5 Hicks ( 1944) Sand 5,0 Hicks ( 1944) Siden Sde har en fast øvre grense følger det at gropmagasinets betydning relativt sett minsker ved kraftig nedbør. Dvs. at ved den kraftige bygenedbøren som er dimensjonerende ved urban
23 avrenning er betydningen av gropmagasinet liten: På den annen side, for mindre intense nedbørtilfeller over relativt permeable felt, kan gropmagasineffekten være av betydning. Gropmagasinet utgjør kun en del av initialtapene før overflateavrenning finner sted. tillegg til fylling av gropmagasinet består initialtapet av nødvendig og overflatefukting. En utlisting av verdier for initialtap er vist i tabell 5. Tabell1.61nitialtap(GeigeroK Dorsch 1980) Overflatekarakteristikk nitialtap(mm) Tette flater Kommersielle områder 0,5-2,0 Boligområder 0,7-2,5 ndustiområder 1,0-3,0 Permeable flater Åpne områder - udyrket mark 10 Åpne områder - dyrket mark 8 Lekeplasser 2 Park/grøntanlegg 5 1.4 HYDROLOGSK DMENSJONERNG Urbanhydrologiske problemer er generelt knyttet til små felt. Det er imidlertid ikke enkelt å definere et lite nedbørfelt. Forskjellige brukere av hydrologiske data vil sikkert definere forskjellig, alt etter interesseområde. urban hydrologi kan et felt på 2 km 2 betraktes som stort, mens en vannkraftbygger vil betrakte et felt på 100 km 2 som lite. Fra et hydrologisk synspunkt karaktiseres et lite felt ved at det er meget følsomt overfor regnskyll av høy intensitet og kort varighet. Slike regnskyll har en relativt begrenset arealmessig utbredelse, men kan "treffe" et lite nedbørfelt og feltet mottar således regn med høy intensitet over hele arealet. Særlig dersom selvreguleringen (sjøer, myrer, etv.) er liten, vil dette medføre til at avløpet fra feltet meget raskt vil øke til flom med høy intensitet. Flommen, som vesentlig skyldes avrenning langs overflaten eller like under denne, vil kulminere og igjen avta meget raskt. Hele flommen kan være over på få timer. et stort felt finner vi helt andre forhold. Det vil ofte inntreffe at bare en del av feltet mottar nedbør under regnvær. Selv om hele feltet mottar nedbør, vil intensiteten variere sterkt innen feltet og avløpet fra de forskeillige delfelt kommer ikke samtidig til et bestemt punkt i hovedvassdraget. Når man i tillegg tar med effekten av selvregulering, vil resultatet bli at flommen fra feltet blir utjevnet. Flommen fra store felt vil derfor få mindre intensitet og lengre varighet enn flommer fra små felt. Også når det gjelder flommer som vesentlig skyldes snøsmelting finner vi samme forhold. Snøsmelting inntreffer normalt ikke samtidig i høyfjell og lavland, noe som igjen har en utjevnende effekt på flommen nederst i hovedvassdraget. et lite felt, derimot, vil snøsmeltingen kunne skje nesten samtidig over hele feltet.
24 En annen vesentlig forskjell mellom små og store felt er avrenningen i tørkeperioder. Det forekommer sjelden at store felt i lange perioder er uten nedbør, mens enkelte deler av feltet kan registrere slike lange, sjeldne tørkeperioder. Den samme hydrologiske tilstand vil sjelden være tilstede samtidig over hele det store feltet. et punkt i hovedvassdraget vil avløpet i en tørkeperiode være et resultat av avrenningen fra mange små delfelt som har erfart tørkeperioden på forskjellig måte. Resultatet vil bli relativt stabilt, jevnt synkende avløp. noen delfelt kan avløpet være relativt stort, mens andre samtidig ikke har avløp i det hele tatt. Et felts fysiografi er meget avgjørende for avrenningsforløpet. Det som særpreger de små felt er at vi her ofte kan finne ekstreme forhold, f. eks. i utbredelsen av snaufjell, løsavleiringer etc. som ikke er representative for et større område. Et karakteristisk trekk med små felt er også at endringer i terrengets brukskarakter raskt vil innvirke på avløpsforholdene. Det kan være bruksendringer innen jord- og skogbruk, og det kan være urbanisering. Denne viktige faktor vil ofte endres vesentlig med tiden. Det synes lite nyttig å forsøke å fastsette en streng øvre grense for størrelsen på et lite felt. praksis vil det ofte være avgjørende hvorvidt det er nødvendig med en tidsoppløsning på mindre enn ett døgn i våre observasjonsdata. Man har imidlertid funnet det rimelig å kalle alle felt med areal mindre enn ca. 60 km 2 for små felt, uavhengig av graden av selvregulering. 1.5 AVLØPSDATA FRA SMÅ FELT De raske fluktuasjoner som vi finner i avløpet fra små felt gjør at man må sette spesielle krav til datagrunnlaget. Avløpsdata ved stasjoner uten limnigraf blir normalt basert på en vannstandsavlesning i døgnet. Det avløp denne vannstand representerer blir så antatt å være døgnets middelvannføring. Dette behøver ikke å være mye feil for stasjoner i store felt, men kan medføre store unøyaktigheter for stasjoner i små felt. De raske variasjoner vi her finner i vannstanden særlig i flomsituasjoner, gjør at det bare vil bero på en tilfeldighet dersom en vannstand avlest på et bestemt klokkeslett hver dag vil representere døgnets middelvannføring. Kontinuerlig vannstandsutskrifter med mulighet til avlesinger av minimum timesverdi og kanskje helt ned til minuttverdier for de minste urbane feltene, er en nødvendighet. For en analyse av de hydrologiske forhold i et lite felt er opplysninger om korttidsnedbør ofte en nødvendig del av datagrunnlaget. Det er sjelden man finner pluviografer plassert innen feltet og vi vil ofte bli tvunget til å benytte data fra nedbørstasjoner som ikke uten videre kan ansees å være representative. Stadig flere pluviografer har imidlertid blitt etablert de senere år slik at dette forhold snart vil bli vesentlig bedret. De fleste avløpsstasjoner i små uregulerte felt i Norge blir drevet av Hydrologisk avdeling, NVE, som en del av avdelingens landsomfattende nett av avløpsstasjoner. Særlig fra begynnelsen av 60-årene og frem til 1970 var det en sterk økning av stasjoner i små felt. dag observeres ca. 100 stasjoner i felt mindre enn 60 km 2, derav nesten halvparten i felt mindre enn 25 km 2 Videre driver Hydrologisk avdeling et nett bestående av ca. 20 urbanhydrologiske målestasjoner.
25 1.6 FLOMBEREGNNGER For å utføre praktiske flomberegninger står en rekke metoder til disposisjon avhengig av datagrunnlaget, feltstørreise og formål. Til enkle overslagsberegninger kan empiriske formler anvendes, men til viktigere arbeider utføres analysene som en flomfrekvensanalyse på observerte flomverdier. På mindre og spesielt urbaniserte felt er det observerte flommaterialet manglfullt. mangel av grunnlag for en flomfrekvenskurve er det naturlig å ta utgangspunkt i nedbørintensitetlvarighetlhyppighetsdiagram for en korttidsnedbørstasjon i nærheten. Det hydrologiske analysemetoder man kan bruke i små felt er i høy grad avhengig av hvilke data man har tilgjengelige. Noen vanlige analysemetoder er: - Den rasjonelle formel. - Empiriske flomformler. - Bruk av enhetshydrogrammet. - Statistiske analyser basert på lange observasjonsserier, f.eks. frekvensanalyse. - Stimulering av avløpet med matematiske modeller. 1.6.1 Rasjonelle metode. Den enkleste og sikkert mest anvendte flomberegningsmetode for små felt er bruken av den rasjonelle formel q=cif der C er avrenningskoeffisient, i er nedbørsintensiteten og i en periode med samme lengde som feltets konsentrasjonstid F er nedbøfeltets areal. Ved sin enkelhet er metoden anvendelig til raske overslagsberegninger for små homogene flater, men lite egnet til større sammensatte felt. Avrenningskoeffisienten C er et erfaringstall av størrelsesorden som gitt i tabell 1.7.
26 Tabell}. 7 Avrenninf!skoeffisienter Overflate Avrenningskoeffisient C Hustak og gatedekker 0.85-0.90 Bymessig, sentral bykjerne 0.70-0.85 Bymessig, tett forretningbebyggelse 0.60-0.80 BOligstrøk i by, eneboliger 0.40-0.60 Boligstrøk, rekkehus, blokk 0.50-0.70 Boligstrøk tette kvartaler 0.60-0.80 Forstadsstrø k 0.30-0.50 ndustriområder, åpent 0.50-0.70 ndustriområder, tett 0.70-0.90 Parker, kirkegårder 0.10-0.30 Lekeplasser 0.20-0.40 Jernbanetomter 0.20-0.40 Dyrket mark, sandjord 0.05-0.15 Dyrket mark, leirjord/fuktig 0.15-0.25 Brakkmark 0.20-0.30 At tette flater ikke gir C = 1.0 skyldes at 1-2 mm av nedbøren initielt går med til å fukte flatene og fylle forsenkninger, samt at ikke alle tette flater er knyttet direkte på ledningsnettet. For grøntomrader varierer C sterkt, fra O om sommeren etter tørke til 0.4-0.6 når marken er mettet høst og vår. Ved økende nedbørvarighet vil større deler av feltet bidra med overflateavrenning. På den andre siden faller midlere nedbørintensitet ved økende varighet. Vanligvis antar en at varigheter nær feltets konsentrasjonstid gir maksimal avrenning. Med konsentrasjonstid menes den tiden vann i overflateavløp bruker på å bevege seg fra de fjerneste deler av feltet til utløpet. En står likevel ovenfor et valg: skal vi velge varighet lik de tette flates konsentrasjonstid, eller varighet lik feltets totale konsentrasjontid? det første tilfellet kan vi sette de permeable flatenes avrenningskoeffisient lik O: valget innebærer at bygesituasjonen er dimensjonende og dersom grøntområdene i det hele tatt gir avrenning, når ikke dette vannet fram til utløpet før flomtoppen er passert. Den andre situasjonen innebærer at langvarig nedbør på mettet mark er dimensjonerende og avrenningskoeffisient finnes ved å veie avrenningskoeffisient for delområdene med deres arealandel. Når avrenningskoeffisienten for området er bestemt, finnes feltets konsentrasjonstid fra nomogram som vist i figur 1.13.
27 250 ~ w o Cl z w --1 Cf) <.:) z 200 150 - Z 100 z w Cl: --1 -l- 50 o l Vl <.:) Z Z Z W Cl: --1 l- Gitt: Tilrenningslengde 240 m, fall = 30 %0 <t> er 0.30 og 0.50. Tilrenningstiden blir hhv. 30 og 25 min Figur 1.13 Nomogram for beregning av konsentrasjonstiden. (Etter "Design and Construction ofsanitary and Storm Sewers". American Society ofcivil Engineers (ASCE). Manual ofpractice. No 37, 1970.) Diagram for beregning av tilrenningstiden for avrenning på overflaten. Dimensjonerende nedbør bestemmer fra den aktuelle intensitetsvarighetskurve som fåes ved henvendelse til klimaavdelingen ved Meteorologisk institutt i Oslo. Et eksempel er vist i figur 1.14
28 300 250 a;-.c: ~ 200 -..- Q)..-.~ 150 Q)..- c:::.t: ~ 100 -o Q) Z 50, \,!\ ~\, \\ \\. ~ \ \ \ \,,\... \... \, " \ " \,,.. "'", ".. " " \.. '. "." '... " '.... "-... "'''''''...... --.. Kuvene må benyttes med forsiktighet Registreringsperiode 1941-1977 50 år 10 år 5 år 2 år Frekvens (gjentaksintervall) o 50 100 150 Varighet (min.) 200 250 Figur 1.14 Nedbørintensitet- varighet skurve [or Blindern, Oslo Det største problemet ved bruken av den rasjonelle metoden er en riktig bestemmelse av avrenningskoeffisienten C. Ved bruk av formelverket antas denne å være konstant, mens den i virkeligheten påvirkes av regnintensiteten, regnets varighet, urbaniseringsgraden, nedbørvolumet samt forutgående meteorologiske forhold. Av feltparametrene påvirkes den av overflatens permeabilitet, terrengets fallforhold samt vegetasjon. 1.6.2 Empiriske formler Empiriske flomformler av den typen som ble utarbeidet av Søgnen egner seg dårlig for små felt, Søgnens fomel har imidlertid vært benyttet til overslagsberegninger helt fram til vår tid og bør derfor nevnes. For norske forhold utarbeidet R. Søgnen formel for felter uten eller med naturlig reguleringsevne: Og
29 og en mere raffinert fremgangsmåte som gjør bruk av de samme variable, F, qs' L og p der qs er nedbørfeltets midlere spesifikke avløp i /s km2. L er 2 ganger lengden fra feltets tyngdepunkt til utløpet i km, og p er effektiv sjøprosent. 1.6.3 Enhetshydrogrammet. Enhetshydrogrammetoden er meget anvendelig for små felt. Norge er den imidlertid lite brukt, vesentlig på grunn av mangelfulle målinger av nedbør og avrenning i det aktuelle området som skal analyseres. Prinsippene for enhetshydrogrammetoden er i grove trekk at man forusetter at hydrogrammets form når nedbør faller over et nedbørfelt med en bestemt varighet og med stor nok intensitet til å overskride infiltrasjonskapasiteten, så vil formen av hydrogrammet for overflateavløpet være den samme for alle regnvær med samme varighet og avløpsordinatene i hydrogrammet er proporsjonale med effektiv nedbør. Et hydrogram med denne bestemte varigheten og en intensitet lik enheten, f. eks. 1 mm/time kalles enhetshydrogram. Se figur 1.15. Dette syntetiske hydrogrammet bestemmes fra observerte hydrogrammer forårsaket av nedbør med kjent intensitet og varighet ved separasjon av overflateavløpet fra grunnvannstilsiget. For å bestemme det aktuelle overflateavløpet etter et gitt regnvær deles enhetshydrogrammet i et antall ekvidistante tidsintervaller. Den andel av totalavløpet som har funnet sted i et bestemt intervall antas å være den samme etter alle regnvær av samme varighet, og den absolutte vannmengde som har løpet av i intervallet er lik det totale overflateavløpet multiplisert med intervallets andel. På denne måten kan avløpet fra regnperioder som
30 Nedbør pr tidsenhet 2---, B 1 --- A 11 tids- 1 enhet A vlø pshyd rog ram met fra regnværet A og B Avløpet fra regnvær B Avløpet fra regnvær A E nhetshydrog rammet for nedbørvarigheten pr tidsenhet Tid Nedbør pr tidsenhet 8Y.l.fi'Pshydrogrammet fra regnværet A, B, C Avløpet fra regnvær A Avløpet fra regnvær B 1 Avløpet fra regnvær C A B 14 1 ~~~~tl. j4-----t-.- ---+.l T A T---:B=-- T c-"- ~...... ~ ~.... Tid Figur 1.15 Eksempler på bruk av enhetshydrogrammet til bestemmelse av avløp etter nedbør med dobbelt så stor nedbørintensitet (øverst) og 3 ganger så lang varight (nederst),