2 INNHOLDSFORTEGNELSE Konklusjoner og sammendrag... 3 1 Bakgrunn... 4 1.1 Nye forutsetninger... 4 2 Dybdemålinger og bunnprøvetaking... 6 2.1 Vanndyp... 6 2.2 Bunnsedimenter... 7 3 Sedimenttransport... 9 3.1 Kritisk grense for strøm-generert bunntransport... 9 3.2 Sedimenter i suspensjon... 10 VEDLEGG - Matematisk formulering av sedimenttransport Transport av bunnsedimenter Transport av suspenderte sedimenter Referanser
3 Konklusjoner og sammendrag I forbindelse med planene for utbygging av indre havneområde i Stjørdal kommune har Fylkesmannen i Nord-Trøndelag fremmet innsigelse både mot byggetrinn 1 og 2 av utvidelsen av småbåthavna. Innsigelsen mot byggetrinn 1 kunne imidlertid frafalles dersom en nærmere utredning ikke viste uønskede virkninger for miljøkvalitetene i området. I de nye utbyggingsplanene er utvidelsen av småbåthavna over mot Langøra på om lag 30 m. De største endringene vil skje der det åpne tverrsnittsarealet mellom småbåthavna og Langøra er minst. Her vil tverrsnittsarealet avta med 31 % fra ca 230 til 158 m 2. Det er innhentet sedimentprøver fra dette området. De viste at den sentrale 80 % -andelen ligger mellom 0,35 og 2 mm diameter. Medianverdien for alle prøvene under ett, D 50, er 0,75 mm, dvs. grov sand. Sedimenttransporten utenfor småbåthavna vil i all hovedsak å være forårsaket av strøm (og ikke bølger) og vil i utgangspunktet kunne skje både langs bunnen og som sediment i suspensjon. Beregningene viser at den minste strømhastigheten som er nødvendig for å få bunnsedimentene utenfor småbåthavna til å bevege seg er 36 39 cm/s avhengig av om vanndypet er 1 eller 2 m. Dette er vesentlig sterkere strøm enn det som ble observert under målingene i september 2008. Ved en utvidelse av småbåthavna vil innløpet mellom moloen og Langøra snevres inn og strømhastighetene gjennom dette snittet vil øke med 46 % fra typisk 10 cm/s til 15 cm/s. Det er fortsatt et godt stykke igjen til at den kritiske grenseverdien for bunntransport (36 39 cm/s) overskrides. Det kan derfor under normale forhold ikke forventes at den planlagte utvidelse av småbåthavna vil forårsake en sedimenttransport langs bunnen mellom småbåthavna og Langøra. Foruten bunntransport vil sedimentene kunne forflytte seg suspendert i vannmassene. For å opprettholde suspensjonen av en såkalt representativ kornstørrelse i Stjørdalsbassenget har vi beregnet at det trengs en strøm på 67 cm/s. Så sterke strømmer er det ikke i det aktuelle området. For en typisk strøm i Stjørdalsbassenget på 10 cm/s er det bare partikler mindre enn 120 µm (veldig fin sand, silt og leire) som vil holde seg i suspensjon. De andre vil gradvis sedimentere. Vi har beregnet at den planlagte utvidelsen av småbåthavna vil medføre at den typiske strømmen på 10 cm/s vil øke til om lag 15 cm/s når den passerer forbi småbåthavna. Det fører igjen til at også partikler mellom 120 og 150 µm potensielt vil kunne holde seg svevende i dette området. Det vil nok også være tilfellet for kortere perioder, men siden strømforholdene er av dynamisk karakter, vil sedimenteringsraten variere som den gjør i dag. Endringer i størrelsesfordelingen av bunnsedimenter utenfor småbåthavna vil derfor trolig ikke være målbar ved en realisering av den planlagte utvidelsen.
4 1 Bakgrunn Det er utarbeidet planer for utbygging av indre havneområde i Stjørdal kommune (Figur 1.1). Som en del av en konsekvensutredning av denne utbyggingen, har SINTEF utarbeidet en vurdering av de strømningsmessige konsekvensene (Utvidelse av Stjørdal havn strømningsmessige konsekvenser, SINTEF-rapport nr. SINTEF F8363). Konklusjonen for småbåthavna var: Utvidelse av småbåthavna. Dersom utvidelsen av småbåthavna gjennomføres som planlagt, vil det smale innløpet mellom den nye moloen og Langøra avta fra ca 240 m til ca 160 m. Tidevannsstrømmene vil øke fra 5 og 7 cm/s til 7,5 og 10 cm/s. Ellers i området vil det ikke oppstå målbare endringer av strømmens fart og retning. Vannutskiftningen vil forbli den samme siden tidevannet fortsatt vil fylle og tappe det indre området med det samme vannvolumet som før. En utvidelse av småbåthavna i et trinn 2 innerst ved Gråelvas utløp, vil bare ha konsekvenser for overflatestrømmens retning som følge av flytemoloene. Vannutskiftningen og strømfarten vil bli som før. Fylkesmannen i Nord-Trøndelag fremmet i brev av 27. april 2009 innsigelse både mot byggetrinn 1 og 2. Innsigelsen mot byggetrinn 1 kunne imidlertid frafalles dersom en nærmere utredning ikke viste uønskede virkninger for miljøkvalitetene i området. I den forbindelse har Stjørdal Båtforening engasjert SINTEF til å foreta en nærmere vurdering av hvordan de strømningsmessige endringene som er påpekt, vil påvirke sedimenteringen i området i form av endret erosjon eller oppgrunning. Den foreliggende rapport presenterer resultatene av denne vurderingen. 1.1 Nye forutsetninger Etter at den forrige rapporten ble skrevet, har et par av forutsetningene blitt endret: 1. Den tidligere skissen til utbygging av småbåthavna antydet en utvidelse som gjorde innløpet mellom moloen og Langøra 80 m smalere. I de nye tegningene (Figur 1.1.) er utvidelsen lagt ut til dyp -renna om lag 30 m ut fra dagens molo. 2. Nordenden av Langøra tørrfaller ved lavvann. Dermed endres bredden av innløpet mellom Langøra og moloen med tidevannssyklusen. Den oppgitte avstanden i den forrige rapporten (240 m) antas rimelig korrekt ved høyvann. Flyfoto viser imidlertid avstander ned mot 140 m ved lavvann. Vi har i denne rapporten antatt 190 m som en gjennomsnittlig bredde mellom moloåpningen inn til dagens småbåthavn og Langøra.
5 Figur 1.1. Bunntopografi utenfor småbåthavna. Den foreslåtte utvidelsen (trinn 1) er inntegnet som langstiplet linje sør for eksisterende småbåthavn. Snittet ut fra søndre molo hode (markert med blått) er antatt å være det minste tverrsnitt utenfor småbåthavna (jf. Fig. 2.2).
6 2 Dybdemålinger og bunnprøvetaking Stjørdal Båtforening har foretatt punktmålinger av vanndypet i et snitt fra dagens innløp til småbåthavna i retning over mot Langøra. Oppmålingene ble gjort i 11 punkt 20. januar 2010, og det ble samtidig foretatt prøvetakinger av bunnsediment i fem av måleposisjonene (Figur 2.1). Figur 2.1 Måleposisjonene for dybdemålingene. I pos. 2, 4, 6, 8 og 10 ble det også innhentet bunnprøver. 2.1 Vanndyp Etter at dataene fra dybdemålingene forelå, er det foretatt detaljert dybdekartering av hele området (Figur 1.1). Antatt minste tverrsnitt utenfor dagens småbåthavn (blå strek i Fig. 1.1) er brukt i beregningene, fordi de største endringene antas å oppstå her. Dette tverrsnittet er vist i Figur 2.2, og verdiene (også etter en utvidelse) er oppsummert i Tabell 2.1. Det grunne partiet inn mot Langøra er tørrfall ved fjære sjø og grunt vann ved flo. Vi har antatt en fjordbredde ved midlere vannstand på 190 m, der vannstanden den siste delen avtar jevnt mot 0. Høydereferansen i Figur 1.1 er Norsk vertikal datum (NN-54). Denne er justert relativt midlere vannstand (MSL) i Figur 2.2.
7 Dyp (m) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Bredde (m) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Figur 2.2. Dybdeprofil i det antatt minste tverrsnittet mellom dagens småbåthavn og Langøra ved midlere vannstand. Ved en realisering av den planlagte utvidelsen, vil innløpet forflytte seg 30 m lenger ut (til den rød streken) og tverrsnittet vil avta tilsvarende. Tabell 3.1 Oppsummering av geografiske størrelser før og etter en eventuell utbygging. Dagens situasjon Etter utbygging Endring Maks dyp 3,3 m 3,1 m 5 % Midlere dyp 1,2 m 1,0 m 18 % Bredde (ved middelvann) 190 m 160 m 16 % Tverrsnittsareal 230 m 2 158 m 2 31 % 2.2 Bunnsedimenter Sikteprøver er foretatt av samtlige fem bunnprøver. De viste forholdsvis lik kornstørrelsesfordeling (Figur 2.3). Kurvene viser at den sentrale 80 % -andelen ligger mellom 0,35 og 2 mm diameter. Den samlede kornstørrelsesfordelingen for alle prøvene under ett er vist i Figur 2.4. Medianverdien, D 50, er ca 750 µm eller 0,75 mm, dvs. grov sand, mens den kumulative 90-prosent verdien, D 90, er 2,0 mm, dvs. på grensen til veldig fin grus.
8 St.2 St.4 St.6 St.8 St.10 Kumm. vekt (%) 10 100 1000 10000 Korndiameter (µm) Figur 2.3. Kornstørrelsesfordelig av bunnprøvene mellom småbåthavna og Langøra. Kumm. vekt (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 100 D 50 1000 D 90 10000 Korndiameter (µm) Figur 2.4. Samlet kornstørrelsesfordeling. Verdier for D 50 (0,75 mm) og D 90 (2,0 mm) er avmerket.
9 3 Sedimenttransport Forflytning av bunnsedimenter skjer som et resultat av medrivning ( pick-up ), transport og avsetning (sedimentering) og forårsakes av strøm, bølger eller begge deler. Den dominerende sedimenttransporten for større partikler (d > 2 mm) skjer langs bunnen, mens den for mindre og lettere partikler (d < 0,2 mm) skjer suspendert i vannmassene. For sedimenter mellom 0,2 og 2 mm, som hoveddelen av bunnsedimentene utenfor småbåthavna i Stjørdal, vil altså sedimenttransporten kunne skje både langs bunnen og som sediment i suspensjon. Den antas samtidig i all hovedsak å være forårsaket av strøm (og ikke bølger). 3.1 Kritisk grense for strøm-generert bunntransport Det matematiske formelapparatet for beregning av bunntransport av sedimenter er vist i Vedlegg. Med de verdiene vi har i vårt tilfelle: = tettheten av sedimentet = 2650 kg/m 3 = tettheten av vannet = 1019,2 kg/m 3 = median kornstørrelse = 0,75 mm = 90-persentilen for kornstørrelse = 2,0 mm h = vanndypet = 1-2 m gir formelapparatet en kritisk strømhastighet, U c, lik 36-39 cm/s. Beregningene viser altså at den minste (vertikalmidlede) strømhastigheten som er nødvendig for å få bunnsedimentene utenfor småbåthavna til å bevege seg er 36 39 cm/s avhengig av om vanndypet er 1 eller 2 m. Dette er vesentlig sterkere strøm enn det som ble observert under målingene i september 2008. Strømmen varierte da mellom 7 og 12 cm/s. Den rene tidevannsstrømmen ble beregnet til 5 7 cm/s. Ved en utvidelse av småbåthavna vil innløpet mellom moloen og Langøra snevres inn. Størst vil effekten være der det åpne tverrsnittsarealet er minst. Her vil tverrsnittet avta med om lag 31 % fra 230 m 2 til 158 m 2 (jf. Tabell 3.1.). Siden volumfluksen vil forbli den samme, betyr denne innsnevringen en økning i strømhastigheten med en faktor av 230/158 = 1,46. Strømhastighetene vil altså øke med 46 % rett utenfor småbåthavna, tidevannsstrømmene på 5 7 cm/s vil øke til 7 10 cm/s. Det er imidlertid et godt stykke igjen til at den kritiske grenseverdien for bunntransport overskrides (36 39 cm/s). En utvidelse av småbåthavna til dyp -renna 30 m lenger ut (slik det er inntegnet i Figur 1.1) vil altså under normale forhold ikke medføre at det oppstår en sedimenttransport langs bunnen mellom småbåthavna og Langøra.
10 3.2 Sedimenter i suspensjon Gråelva er den viktigste bidragsyteren til de suspenderte partiklene som finnes i vannmassene i dag. Det er vanlig å anta at disse partiklene vil forbli i suspensjon så lenge de turbulente virvlene i vannet har en vertikal hastighetskomponent som overskrider fallhastigheten til partikkelen. Fallhastigheten varierer med partikkelstørrelsen som beskrevet i Vedlegg og vist i Figur 3.1. 12 10 Fallhastighet (cm/s) 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 Repr. korndiameter (µm) Figur 3.1. Sedimenters fallhastighet som funksjon av representativ størrelse (opp til 1 mm).. Forskjellen mellom representativ størrelse og median størrelse er omtalt i Vedlegg. For dette prosjektet er den representative suspensjonsstørrelsen beregnet til 440 µm (mens median størrelse var 750 µm). Det gir en fallhastighet på 6 cm/s. Turbulens-studier av strøm nær grenseflater antyder at maksimumsverdien av vertikal turbulent intensitet,, er av samme størrelsesorden som friksjonshastigheten,. Med denne tilnærmelsen kan vi anta at betingelsen for at en partikkel skal holde seg i suspensjon, er at =. Fra Vedlegg kan vi for et vanndyp på 1.5 m beregne en kritisk midlere strømhastighet for å opprettholde suspensjonen på U = 67 cm/s. Det skal med andre ord en sterk strøm til for å holde en såkalt representativ suspensjonspartikkel på 440 µm i suspensjon. I det aktuelle området er det ikke slike strømhastigheter. Derfor vil disse partiklene sedimentere. Forholdet mellom kritisk suspensjonsstrøm og partikkelstørrelser er vist i Figur 3.2. Figuren viser for eksempel at det for en typisk strøm i Stjørdalsbassenget på 10 cm/s bare er partikler mindre enn 120 µm (veldig fin sand, silt og leire) som vil holde seg i suspensjon. De andre vil gradvis sedimentere.
11 140 120 Kritisk suspensjonsstrøm (cm/s) 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Repr. korndiameter (µm) Figur 3.2 Nødvendig strøm for å holde en partikkel i suspensjon. Det er bare i det innsnevrede partiet mellom den nye moloen (jf Fig. 1.1) og Langøra at det vil kunne oppstå endringer i strøm, suspensjon og sedimentering. Endringen blir størst der den relative endringen i tverrsnittsareal er størst. Det skjer mellom dagens innløp til småbåthavna og Langøra. Vi har beregnet at en utvidelse av småbåthavna der det åpne tverrsnittsarealet mellom innløpet og Langøra snevres inn fra 230 m 2 til 158 m 2, vil medføre en økning i strømhastigheten rett utenfor småbåthavna på 46 %. Det betyr at den typiske strømmen på 10 cm/s vil øke til om lag 15 cm/s når den passerer forbi småbåthavna. Fra Figur 3.2 ser vi da at også partikler mellom 120 og 150 µm vil kunne holde seg svevende, før strømmen igjen avtar i det fjordbredden øker. Mellom småbåthavna og Langøra vil altså bunnsedimentene potensielt bli en aning grovere (mindre innslag av fin sand) ved en realisering av den planlagte utbyggingen. Dette ville også reelt sett ha vært tilfellet dersom strømforholdene hadde vært statiske. Nå er imidlertid strømforholdene i høyeste grad dynamiske; strømmen varierer med tidevannssyklusen, et vinddrag øker hastigheten midlertidig og fluktuasjoner i vannføringa i Gråelva skaper tilsvarende fluktuasjoner i strømhastighetene i Stjørdalsbassenget. Derfor vil heller ikke bunnsedimentene være statiske. Den potensielle endringen i størrelsesfordelingen av bunnsedimenter utenfor småbåthavna vil følgelig ikke være målbar ved en realisering av den planlagte utvidelsen på 30 m.
12 VEDLEGG Matematisk formulering av sedimenttransport Transport av bunnsedimenter Det er vanlig å uttrykke sedimenttranport langs bunnen ved hjelp av Shields-parameteren der = bunnstresset = tettheten av sedimentet = tettheten av vannet g = tyngdens akselerasjon (= 9,81 m/s 2 ) = median kornstørrelse Når bunnstresset overstiger en viss grenseverdi, =, vil sandkornene begynne å bevege seg. Dette uttrykkes ved hjelp av en kritisk Shields-parameter Den kritiske Shields-parameteren avhenger av kornstørrelsen der = dimensjonsløs kornstørrelse gitt ved 1 / der og s = / ν = kinematisk viskositetskoeffisient ( 1,25 10-6 m 2 /s) α og β er koeffisienter avhengig av kornstørrelsen Gjennom laboratorie- og feltforsøk er α og β bestemt til (van Rijn, 1993): α Β 1 4 0,24-1 4 10 0,14-0,64 10 20 0,04-0,1 20-150 0,013 0,29 > 150 0,055 0
13 Bunnstresset,, kan relateres til den midlere strømhastigheten, U, gjennom den kvadratiske friksjonsformelen der C D = dragkoeffisienten, og = friksjonshastigheten Det er foreslått flere parameteriseringer av både dragkoeffisienten,, og friksjonshastigheten. Soulsby (1997) foreslår = [ og / der κ = von Karmans konstant (= 0,40) = ruhetsparameter ( = ) h = vanndypet Formelen ovenfor er strengt tatt bare gyldig for såkalt sterk hydrodynamisk strøm, men antas å ligge innenfor et avvik på ± 10 % ved bruk også på svakere strømmer. Ribberink (1998) foreslår å omskrive dragkoeffisienten, C D, ved hjelp av Chézy friksjonskoeffisient, C: C D = og C = 18 log 10 [ ] der k s = Nikuradse ruhetskoeffisient (= 3 for små Shields-tall). Transport av bunnsedimenter, Φ b, kan summeres opp til = m 0 for for der den beste tilpasningen til data fra regresjonsanalyse ved stasjonær strøm gir m = 10.4 og n = 1,67. Fra dette får vi den totale bunntransporten (volum per tidsenhet og bredde) q b = Φ b 1,
14 Transport av suspenderte sedimenter Transportparameteren, T, er definert som,, der friksjonshastighetene er relatert til bunnstressene og,,. Suspensjonsparameteren, Z, er gitt ved der = partiklenes fallhastighet diffusjonskoeffisient = von Karmans konstant (= 0,40) = overall friksjonshastighet Fallhastigheten,, som funksjon av kornstørrelsen er gitt ved: = for < 0,1 mm (van Rijn, 1984) = 10 1,,1 for 0,1 mm < < 1 mm (Zanke, 1977) = 1,1 1, for > 1 mm (van Rijn, 1982) der = representativ suspendert kornstørrelse (som kan være vesentlig mindre enn Diffusjonskoeffisienten,, kan skrives 1 2 for 0,1 < < 1 For å komme videre, innfører van Rijn (1984) en modifisert suspensjonsparameter der korreksjonsfaktoren Z = Z + 2,5,, for 0,01 < < 1 Referansekorrelasjonen,, er gitt ved 0,015,,
15 Den volumetrisk maksimale bunnkonsentrasjonen,, er gitt ved = 0,65. Referansenivået over bunnen, a, er gitt ved eller 0,5 1 (Nikuradse ruhetskoeffisient) Relasjonen mellom og kan da uttrykkes som 1 0,011 1 25 der standardavviket, = 2,5 gir relativt godt samsvar mellom målte og beregnede verdier. Den totale transporten av suspenderte sedimenter,, kan summeres opp til for 0,3 3 og 0,01 / 0,1 der som før U = midlere strømhastighet, og h = vanndypet Ved å sette B = a/d er F-faktoren gitt som, 1 1,2 Referanser Ribberink, J.S. (1998): Bed-load transport for steady flows and unsteady oscillatory flows. Coastal Eng. 34, pp. 59-82. Soulsby, R. (1997): Dynamics of marine sands. A manual for practical applications. Thomas Telford Publications, London, England. van Rijn, L.C. (1982): Computation of Bed-Load and Suspended Load. Report S487-II, Delft Hydraulics Lab. Delft, The Netherlands. van Rijn, L.C. (1984): Sediment Transport, Part II: Suspended Load Transport. Journal of Hydraulic Eng., Vol. 110, No. 11. van Rijn, L.C. (1993): Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas. Aqua Publications, Amsterdam, The Netherlands. Zanke, U. (1977): Berechnung der Sinkeschwindigkeiten von Sedimenten. Mitt. des Franzius- Institutes für Wasserbau, Heft 46, Seite 243, Techn. Univ., Hannover, Deutschland.