SINTEF RAPPORT TITTEL SINTEF Byggforsk Vann og miljø JØSTNØYA INDUSTRIOMRÅDE, HITRA BØLGE OG STRØMFORHOLD Postadresse: 7465 Trondheim Besøk: Klæbuveien 153 Telefon: 73 59 24 18 Telefaks: 73 59 23 76 Foretaksregisteret: NO 948 007 029 MVA FORFATTER(E) Arne E. Lothe OPPDRAGSGIVER(E) Ask Rådgivning RAPPORTNR. GRADERING OPPDRAGSGIVERS REF. SBF IN F Fortrolig Eirik Lind GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG Åpen 18 ELEKTRONISK ARKIVKODE PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.) VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.) Rapport_Jstn.docx Arne E. Lothe Svein Vold ARKIVKODE DATO GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.) 2011-02-23 Kristina Heilemann, forskningsleder SAMMENDRAG Hitra Kommune planlegger å tilrettelegge et større industriområde på Jøstnøya. Jøstnøya ligger på sørøstsiden av Hitra mot Trondheimsleia. Man planlegger å planere ned den delen av øya som vender mot NV, og etablere virksomheter på det planerte området. De utsprengte massene skal delvis benyttes som utfylling i området, og delvis eksporteres med båt over en lokal (midlertidig) kai. I denne rapporten ser vi på hvilke bølger som man påregnes i området, og hvor utsatt området er for strøm. Det er gitt konkrete tilrådinger om plassering av kaier, merdanlegg for industrien og valg av nivå for industriområdet. STIKKORD NORSK ENGELSK GRUPPE 1 GRUPPE 2 EGENVALGTE
2 INNHOLDSFORTEGNELSE 1 INNLEDNING... 3 2 DEFINISJONER... 4 3 KONKLUSJONER... 5 4 METODE 5 5 DATAGRUNNLAG... 5 6 VIND 5 7 BØLGER 6 7.1 Bølger i Trondheimsleia... 6 7.2 Bølger ved Jøstnøya... 7 8 STRØM 14 9 VANN-NIVÅ... 15 10 DISKUSJON AV RESULTATER... 16 REFERANSER 18
3 1 INNLEDNING Hitra Kommune planlegger å tilrettelegge et større industriområde på Jøstnøya. Jøstnøya ligger på sørøst-siden av Hitra mot Trondheimsleia. Man planlegger å planere ned den delen av øya som vender mot NV, og etablere virksomheter på det planerte området. De utsprengte massene skal delvis benyttes som utfylling i området, og delvis eksporteres med båt over en lokal (midlertidig) kai. I denne rapporten ser vi på hvilke bølger som man påregnes i området, og hvor utsatt området er for strøm. Disse data skal benyttes i en lokalisering av de ulike virksomhetene i området. En viktig premiss er behovene til et slakteri for oppdrettsfisk. Denne virksomheten vil kreve adkomst og kaiplass for brønnbåter i størrelse ca 100 m lengde, og plass til et merd-anlegg for midlertidig oppbevaring av fisk. Brønnbåtene vil kreve gode havneforhold, og merd-anlegget vil kreve god sirkulasjon og dybder på ca 20 m eller mer. Denne virksomheten er foreløpig planlagt lokalisert til Jøstnøya SV ende. For øvrig kreves det også andre områder der det er tilgang på gode kaiforhold. Figur 1 Oversiktskart
2 DEFINISJONER I denne rapporten brukes noen begreper som er definert nedenfor. Signifikant bølgehøyde H s eller H m0 er definert som middelverdien av den høyeste 1/3 av alle bølger i en storm eller en registrering. Slike registreringer er vanligvis av lengde 17 70 minutter. Maksimal bølgehøyde H max er den høyeste enkeltbølgen som forventes innenfor en registrering av H s. H max = 1.9 2.0 x H s. Bølgeretning er den retningen som bølgene kommer fra; bølger med retning 90º kommer fra øst. Returperiode er den gjennomsnittelige tidsavstanden mellom to overskridelser av et gitt nivå av bølgehøyde eller vindhastighet. Vindhastighet er oppgitt som middelverdi av vindhastigheten over 10 minutter, målt i en høyde av 10 m over terreng eller sjø. 4
5 3 KONKLUSJONER Det er foretatt en analyse av vind, bølger og strøm ved et planlagt industrianlegg på Jøstnøya, Hitra Kommune. 1. Ved en utfylling mellom Horsøya og Jøstnøya kan det etableres en havn og en lokalitet for en vente-merdanlegg sørvest for den etablerte fyllingen. Bølgehøydene er akseptable for fortøyning av skip ved kai, og strømforholdene ansees å være tilfredsstillende for drift av en ventemerd-anlegg. 2. Vind vil være den viktigste begrensende faktor for drift av en havn/kai. Det anbefales å utforme havna og kaiene slik at skipene blir liggende med lengderetningen langs en NØ- SV akse. Beregnede bølgehøyder er innenfor de kriterier som ansees som akseptable i en vanlig fiskerihavn. 3. En høyde på +3.0 m over NN1954 vil være tilstrekkelig til å sikre området mot høy vannstand i overskuelig framtid (2100). De deler av området som er utsatt for bølger må imidlertid ha et høyere vern mot bølger. 4 METODE I denne analysen er det lagt en hovedvekt på bølger i området. Vi antar at de viktige bølgene skapes av lokal vind i fjordene i nærheten, og at eventuell dønning eller havsjø vil opptre som sterkt dempet og uten betydning for de forhold som er relevante her. Vind-data er hentet fra Ørlandet Flystasjon 1994 2005, og er benyttet med kun en justering eller tilpasning. Vind-data er inndelt 12 30 retningssektorer, og bølgene beregnes for hver vindretning. Når den lokale vinden er bestemt, beregnes bølgene i et punkt ca midt i Trondheimsleia, på høyde med Terningen. Deretter benyttes en numerisk bølgemodell til å beregne mer nøyaktig hvordan bølgene forplanter seg inn i området med øyer og skjær mellom Terningen og Jøstnøya. Til slutt legges alle bølge- og vind-data inn i en statistisk modell som beregner ekstremverdier (1-års verdi, 50 årsverdi, etc) av bølger og vind for bestemte posisjoner. Strømmen er bedømt ut fra er kvalitativt synspunkt, dvs at det gies en beskrivelse av strømmen og en angivelse av de steder der man må regne med liten eller redusert sirkulasjon, og de steder der man antar at sirkulasjonen er tilfredsstillende for f eks drift av et merd-anlegg. 5 DATAGRUNNLAG Datagrunnlaget i denne studien er følgende: 1. Vind-data fra Meteorologisk Institutt, Ørlandet Flystasjon 1995 2004 2. Dybdedata for planområdet, målt av Seascan AS 3. Dybdedata fra Trondheimsleia, innhentet fra Arealis.no (Sjøkartverket) 6 VIND Vinden fra Ørlandet Flystasjon 1995 2004 er inndelt i retningssektorer på 30, og en 3- parameter Weibull-fordeling er tilpasset hver retning. Det kan være ulikheter mellom vinden ved Ørlandet og vinden i Trondheimsleia, men vi anser det som konservativt å ikke benytte noen justeringer av nivåene. For hver vindretning er det imidlertid undersøkt om naboretningene inneholder kraftigere vind, og dersom dette er tilfellet, så settes vinden lik vinden i den kraftigste av disse tre retningene. Dette
6 er en konservativ antakelse, og tillater derfor at kraftig vind dreier inntil 30º mellom Ørland og Jøstnøya. Vi ser at retningene 240º 300 inneholder de sterkeste vindhastighetene, mens øst og sør dominerer i hyppighet. Jøstnøya Extreme values of wind speed vs direction 35.00 0.35 Rp = 0.1 30.00 0.30 Rp = 0.5 Wind speed U10 m/s 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Directional distribution Rp = 1.0 Rp = 5.0 Rp = 10 Rp = 25 Rp = 50 Rp = 100 Dir. Weight 0.00 0.00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Direction degrees Figur 2 Fordeling av ekstremverdier for vindhastighet for returperioder R p = 0.1 år, 0.5 år, etc; og fordelingen av vind på retninger (stiplet linje) etter at justering for retningsendring er gjort. 7 BØLGER 7.1 Bølger i Trondheimsleia Bølger i Trondheimsleia utenfor Jøstnøya er beregnet med utgangspunkt i vindhastighetene i Figur 2. Bølgene er beregnet v hj a SINTEFs beregningsprogram HSCOMP, og resultatet er vist i Figur 3. Vi ser at bølgene domineres av bølger som kommer fra SV (retning 240º), der vi finner både lange strøk og kraftig vind. Det finnes også et langt strøk ut Hemnefjorden fra sør, men her er vindhastighetene lavere. Perioden (spektral topp-periode T p ) for disse bølgene er opp til 6 s fra sørvest, og 4 s fra sør.
7 Trondheimsleia v/jøstnøya Extreme values of wind wave height vs direction 2.50 Significant wave height Hm0 m 2.00 1.50 1.00 0.50 Rp = 0.1 Rp = 0.5 Rp = 1.0 Rp = 5.0 Rp = 10 Rp = 25 Rp = 50 Rp = 100 0.00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Direction degrees Figur 3 Fordeling av bølgehøyder i et punkt i Trondheimsleia utenfor Jøstnøya ved varierende returperiode og aktuelle retninger. Eventuell dønning er ikke inkludert. R p er returperiode i år. 7.2 Bølger ved Jøstnøya For å beregne bølgene i detalj rundt Jøstnøya har vi laget en dybdedatamodell bestående av innmålte data fra Seascan og data hentet fra Sjøkartverket. Dybdedatamodellen er laget med en oppløsning på 20 x 20 m 2, og er vist i Figur 5. På grunn av mangel på målepunkter er modellen noe usikker for dybder under 100 m, men for så korte bølger som vi har i dette tilfellet er det ingen innflytelse på bølgene når dybden er større enn ca 40 m. Figur 6 viser det området som dybdedatamodellen dekker og tre utvalgte punkter der bølgene er beregnet i detalj. Punkt C tilsvarer den posisjonen der det er foreløpig tenkt å plassere et merdanlegg for fiske-slakteriet. Tabell 1 viser de tilfellene som er undersøkt i bølgemodellen. Mellom retningene 240º og 270 º er det undersøkt tilfeller med 10 º inndeling for å undersøke om det er spesielle retninger som er mer sensitive enn andre. Alle tilfellene er undersøkt med innkommende bølgehøyde H s,inn = 1.0 m slik at bølgehøyden i et gitt punkt i modellen kan betraktes som en dimensjonsløs koeffisient. Figur 7 og Figur 8 viser plott av signifikant bølgehøyde for hhv retningene 240 º og 210 º. Vi ser at øyrekka som starter med Terningen i sørvest gir forholdsvis god dekning til sørenden av Jøstnøya, og dette skyldes utstrekningen av gruntområdene her.
8 Figur 4 Kartgrunnlag levert av Seascan 7043000 7042000 7041000 7040000 7039000 7038000 498000 Figur 5 499000 500000 Dybdedatamodell 501000 502000 503000 504000 505000 506000
9 A B C Figur 6 Bølgemodellens utsnitt av dybddatamodellen. Punktene A, B og C der bølger er beregnet i detalj er markert. Tabell 1 Undersøkte tilfeller i bølgemodellen Retning º Spektral topp-periode T p s 150 4 180 4 210 5 240 6 250 6 260 6 270 6
10 Figur 7 Fordeling av signifikant bølgehøyde ved innkommende bølger med retning 240, signifikant bølgehøyde 1.0 m og bølgeperiode 6.0 s. Figur 8 Fordeling av signifikant bølgehøyde ved innkommende bølger med retning 210, signifikant bølgehøyde 1.0 m og bølgeperiode 6.0 s.
11 Vi plotter nå alle resultatene for de ulike modell-kjøringene i to figurer - Figur 9 og Figur 10 -, som viser hhv signifikant bølgehøyde og retning i punktene A, B og C. Fordi det i alle tilfeller er brukt en innkommende bølgehøyde H s = 1.0 m, vil bølgehøyden i hvert punkt være identisk med en bølgehøydekoeffisient, som uttrykker hvor stor andel av bølgehøyden som vil finnes igjen på hvert punkt. Vi ser at bølgehøydekoeffisienten er størst for sørlig retning, og synker når bølgene dreier over mot vest. Av retningen ser vi at opp til 210 innkommende retning vil hovedtyngden av energien i Punkt C komme inn sør for Terningen, mens den ved retning 240º og høyere kommer inn nord for Terningen og sør for Flatskjæran. Bølgehøydekoeffisient 0.70 0.60 Bølgehøydekoeffisient 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 A Hs B Hs C Hs 0.00 180 210 240 270 Bølgeretning i Trondheimsleia grader Figur 9 Fordeling av bølgehøydekoeffisienter (forholdet mellom bølgehøyde i et punkt (A, B eller C) og bølgehøyden ca midt i Trondheimsleia.
12 Bølgeretningsendring 270.00 Bølgeretning ved Jøstnøya grader 240.00 210.00 A retn B retn C retn 180.00 180 210 240 270 Bølgeretning i Trondheimsleia grader Figur 10 Bølgeretning i punkt A, B og C vs retningen i Trondheimsleia Vi kan nå anvende disse beregnede koeffisientene på fordelingen av innkommende bølgehøyder fra Figur 3. Resultatet av denne beregningen for Punkt C er vist i Figur 11. Her ser vi at det fortsatt er retning 240º som dominerer sammen med retning 210. Dempingen av bølger er imidlertid så tydelig at ett-års signifikant bølgehøyde bare er såvidt over 0.5 m. Beregnet bølgehøyde ved 100 år er ca 0.75 m, og dermed kan man konkludere med at området rundt Punkt C er anvendbart som havneområde uten ekstra tiltak for demping av bølgene. Bølgehøydene i området ligger i øvre del av det som ansees som akseptabelt, men hvis vi tar hensyn til at perioden er forholdsvis lav og at de fartøyene som skal anløpe er store, så bør forholdene være akseptable for både et merd-anlegg og for anløpende skip. Ved 15 20 m vanndyp er bølgelengden for 6 s bølger 50 60 m, og hvis vi legger til grunn at de anløpende brønnbåtene har lengde ca 100 m, så kan krefter og bevegelse minimaliseres dersom båtene fortøyes med lengderetningen i retning 60º - 240, noe som også er gunstig mhp vind.
13 JøstnøyaPunkt C Extreme values of wind wave height vs direction 0.80 Significant wave height Hm0 m 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 Rp = 0.1 Rp = 0.5 Rp = 1.0 Rp = 5.0 Rp = 10 Rp = 25 Rp = 50 Rp = 100 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Direction degrees Figur 11 Ekstremverdier av signifikant bølgehøyde i Punkt C. R p er returperiode i år.
14 8 STRØM Strømmen i området er tidevannsdrevet. Strømmen oppstår som en nordgående strøm ved stigende tidevann. Tidevannsbølgen presser vann inn rundt Smøla, og dette vannet forplanter seg oppover Trondheimsleia. Trondheimsleia er her dyp, og tidevannstømmen er derfor i takt med tidevannets faser. I tillegg til tidevannsstrøm kan det også forekomme strøm forårsaket av den generelle kyststrømmen, og variasjoner som skyldes, vind, lufttrykk, etc. Universitetet i Oslo (1) har beregnet størrelsesorden av M2-komponenten (den primære månekomponenten) av strømmen for munningen av Trondheimsfjorden og områdene rundt. Denne analysen viser en strømhastighet på ca 0.15 m/s i et punkt SV for Terningen, og ca 0.20 m/s på det smaleste mellom Hemnskjela og Jøstnøya. I forbindelse med utbyggingen på Tjeldbergodden ble det målt strøm i nærheten av anlegget, og det ble målt strøm i 2 perioder over 2 måneder i 1990. Middelstrømmen var rettet mot ØNØ og var på hhv 0.13 og 0.16 m/s, med høyeste registrerte hastighet 0.80 m/s, alle i 4.5 m dyp. For denne studien er ikke en nøyaktig bestemmelse av strømhastigheten avgjørende, men derimot å kunne bestemme hvilke områder som vil ha en tilfredsstillende sirkulasjon, og hvilke områder som har en svak sirkulasjon. For sirkulasjonen er heller ikke ekstremverdiene av strømmen relevante, men derimot den jevne gjennomsnittelige strømmen. Vi velger derfor å anta en typisk maksimalverdi på strømmen i farvannet ved Jøstnøya på ca 0.4 0.5 m/s, tilsvarende opptil 1 knop. I det trangeste partiet mellom Hemnskjela og Jøstnøya vil strømmen øke farten noe (som indikert ved stedsnavnet Straumsneset på Hemnskjel-sida). Ved nordgående strøm (stigende tidevann) vil noe av strømmen presses opp mot Hitra og på nordsiden av Terningen og mellom holmene vest og sørvest for Jøstnøya. Bukta mellom Hitra og Jøstnøya er imidlertid stengt i nordvest-enden, der det bare er en neglisjerbar åpning, og dermed vil hovedstrømmen ikke kunne gå inn i bukta, men må presses rundt sørvest-enden av Jøstnøya og ut i hovedleia. Dette kan medføre at det oppstår en strøm mot sør mellom Horsøya og Småholman når hovedstrømmen river med seg vann fra dette området, og en tilsvarende strøm av vann inn i bukta nord for Småholman. En liten del av denne siste strømmen vil fortsette inn i bukta og passere under brua ved Sandstad. Ved sørgående strøm vil effektene være mindre tydelige, og det er tenkelig at hovedstrømmen i leia vil rive med seg vann fra området ved Småholman og Flatskjæret, og dermed skape en sørgående strøm her. Alternativt kan strømmen forgreine seg og bre seg utover i området nord for Terningen, men disse effektene kan også være avhengige av hastigheten i hovedleia. Som en arbeidshypotese vil vi det videre anta at sirkulasjonen i området vest for Horsøya er tilfredsstillende mhp å etablere et merd-anlegg. Vi anbefaler likevel at det blir utført en kontrollmåling av strøm for å verifisere denne antakelsen.
15 9 VANN-NIVÅ Nærmeste basis-stasjon for observasjon av vann-nivå er Heimsjø, som ligger bare 10 km mot sør i Hemnefjorden. Data fra denne stasjonen kan hentes fra Sjøkartverkets internet-sider. Basert på Sjøkartverkets observasjoner og estimerte data for havnivåstigning fram til 2100 (2) kan vi ekstrapolere de observerte verdiene til 2050 og 2100. Tabell 2 angir ekstreme vannstandsnivåer i cm over NN1954 basert på dagens middelvannstand i havet. Tabellen angir også hvilke nivåer, målt i 2011, som må benyttes for at en forutsetning om returperioder på hhv 50 og 100 år fortsatt skal være oppfylt i 2050 og 2100. Det framgår at ved å velge et nivå på 3.0 m over NN1954 er en godt sikret mot at vannet skal stige over planeringsnivået, men det vil fortsatt være behov for spesielle tiltak der hvor fronten er utsatt for bølger. Tabell 2 Ekstremverdier for vann-nivå i 2010, 2050 og 2011, målt i cm over NN1954 i 2011. Returperiode Nødvendige vann-nivå, målt i 2011, cm over NN1954 2010 2050 2100 1 162 10 187 25 189 50 206 221 264 100 214 229 272
16 10 DISKUSJON AV RESULTATER Vi antar at strøm ikke vil utgjøre noen begrensende faktor for operasjoner i en ny havn, og de reelle faktorene som kan påvirke operasjoner er vind og bølger. For beregningen av bølgehøyder har vi antatt at vinden er den samme på Ørlandet og i Trondheimsleia, og at sterk vind kan dreie inntil 30º mellom de to stedene. Den lokale vinden akkurat ved Jøstnøya vil imidlertid være preget av de lokale forhold, og for vurderingen av vind ved Jøstnøya har vi antatt en reduksjonsfaktor for vind som vist i Figur 12. Ved å innføre denne justeringsfaktoren får vi en beregnet nedetid ved havna som vist i Figur 13. Fordeling av antatt justeringsfaktor for vind 1.25 1.00 Justeringsfaktor 0.75 0.50 0.25 0.00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Retning grader Figur 12 Antatt justeringsfaktor for vind gjeldene for kaia ved Jøstnøya. Når faktoren er mindre enn 1.0, er vinden svakere ved Jøstnøya enn ved Ørlandet. Andel nedetid ved vindhastighet- og bølgehøyde-grenser 12.0 Nedetid % 10.0 8.0 6.0 4.0 Hlim = 0.3 m Hlim = 0.4 m Hlim = 0.5 m Hlim = 0.6 m Hlim = 0.7 m 2.0 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Vindhastighet m/s Figur 13 Andel nedetid i % som funksjon av tillatt vindhastighet og tillatt bølgehøyde
17 Nedetid er her definert som den andel av tida der enten en gitt grenseverdi for vindhastighet eller en gitt grenseverdi for bølgehøyde er overskredet. Som eksempel ser vi at ved en maksimal tillatt vindhastighet på 12 m/s og en maksimal tillatt (signifikant) bølgehøyde på 0.3 m, kan vi forvente en nedetid på 4 %, tilsvarende 350 timer/år. Vi ser også at ved vindhastigheter under 14 m/s spiller det ingen rolle hvilken maksimal bølgehøyde som tillates fordi det uansett er vinden som dominerer. Hvis grenseverdien for bølgehøyder 0.4 m eller mer, så vil nedetiden i alle tilfeller være bestemt av vinden. For standard havneoperasjoner som lasting og lossing er vanlige maksimalverdier 0.4 0.6 m maksimal bølgehøyde, og vindhastighetsgrenser 12 15 m/s. Dette gjelder imidlertid operasjoner der gods skal løftes med kran og plasseres ombord eller på kaiplanet. For laste/losse-operasjoner som involverer overføring av gods eller annen last via fleksible slanger, vil kriteriene være romsligere, og er gjerne bestemt av tillatt vandring av slangekoblinger hhv på land og på skipet. For øvrig vil i slike tilfeller grensene ofte gjelde for selve tilleggings og avgangsmanøveren, mens grenseverdiene for å ligge til kai passivt eller ved pumping er begrenset av hva fortøyningssystemene tåler. I et tilfelle der en brønnbåt er fortøyd til en flytende merd, vil tålegrensene være forholdsvis høye fordi både skipet og merda beveger seg noenlunde i takt med bølgene, og relativbevegelsene blir derfor små.
18 REFERANSER 1. Gjevik B: Tidal Models for the Nordic Seas, publisert på http://folk.uio.no/bjorng/tidevannsmodeller/tidemod.html 2. met.no Bjerknessenteret Nansensenteret Havforskningsinstituttet NVE: Klima i Norge 2100 Bakgrunnsmateriale til NOU Klimatilpasning, foreløpig utgave 2009