Flom- og vannlinjeberegning for Roksøyelva

Flom- og vannlinjeberegning for Roksøyelva Sortland kommune, Nordland (178.62Z) Seija Stenius 18 2016 O P P D R AG S R A P P O R T B

Oppdragsrapport B nr 18-2016 Flom- og vannlinjeberegning for Roksøyelva Utgitt av: Redaktør: Forfattere: Norges vassdrags- og energidirektorat Seija Stenius Trykk: Opplag: Forsidefoto: ISBN Kun digitalt Bru over Roksøyelva. Foto: S. Stenius, NVE. Sammendrag: På oppdrag for Statens vegvesen Region nord har NVE, Hydrologisk avdeling, utført flom- og vannlinjeberegninger for Roksøyelva i Sortland kommune i Nordland. Emneord: Flomberegning, Vannlinjeberegning, Roksøyelva, Sortland, Nordland. Norges vassdrags- og energidirektorat Middelthunsgate 29 Postboks 5091 Majorstua 0301 OSLO Telefon: 22 95 95 95 Telefaks: 22 95 90 00 Internett: www.nve.no Juli 2016 2

Innhold Forord... 2 Sammendrag... 3 1 Flomberegninger... 4 2 Vannlinjeberegning... 4 2.1 Geometri... 4 2.2 Friksjon og strømningsforhold... 7 2.3 Kalibrering... 7 2.4 Grensebetingelser... 7 3 Resultater... 7 4 Konklusjon... 9 5 Usikkerhet... 10 5.1 Usikkerhet flomberegninger... 10 5.2 Følsomhetsanalyse av modellparametere... 10 6 Referanser... 12 Vedlegg 1: Detaljert utskrift ved eksisterende bru... 13

Forord På oppdrag for Statens vegvesen Region nord har NVE, Hydrologisk avdeling, utført flom- og vannlinjeberegninger for Roksøyelva i Sortland kommune i Nordland. Middelflom og flommer med gjentaksintervall 50, 100 og 200 år er beregnet. I tillegg er flomverdiene justert i forhold til forventede klimaendringer. Arbeidet er blitt utført mai-juni 2016. Seija Stenius har vært ansvarlig for oppdraget fra NVEs side, i tillegg har Thomas Væringstad og Per Ludvig Bjerke kvalitetskontrollert arbeidet. Rapporten er utført på oppdragsbasis og er ikke en del av NVE sin forvaltningsmessige behandling av saken. Oslo, juli 2015 Sverre Husebye seksjonssjef Seija Stenius overingeniør 2

Sammendrag Det er utført flom- og vannlinjeberegninger for Roksøyelva i Sortland kommune i Nordland. Arbeidet er utført i tilknytning til utarbeidelse av reguleringsplan for Fv. 82 Sortland Risøyhamn, der ny bru over Roksøyelva planlegges. Flomberegningen er presentert i egen rapport: Flomberegning for Forfjordelva og Roksøyelva (Stenius, 2016). Flomberegningen er kontrollert av Thomas Væringstad og vannlinjemodellen av Per Ludvig Bjerke. Det er ingen vannføringsstasjoner i vassdraget. Flomberegningene er derfor basert på formelverk for små nedbørfelt (Glad mfl., 2015) og flomfrekvensanalyser fra sammenligningsstasjoner i regionen. Resultatet av flomberegningen ble (kulminasjonsverdier): Sted Areal QM Q50 Q100 Q200 km 2 l/s km 2 m 3 /s m 3 /s m 3 /s m 3 /s Roksøyelva 16,1 600 9,7 19,7 22,8 26,4 Kulminasjonsvannføringer for flommer i et endret klima (år 2100) er som følger: Sted Areal QM Q50 Q100 Q200 km 2 l/s km 2 m 3 /s m 3 /s m 3 /s m 3 /s Roksøyelva (+ 20 %) 16,1 720 11,6 23,6 27,3 31,6 Med bakgrunn i det tilgjengelige datagrunnlaget må usikkerheten i flomberegningene regnes som stor. Usikkerheten er klassifisert iht. usikkerhetsklasser gitt i Stenius mfl. (2015). Kapasiteten av den eksisterende bruen ser ut til å være stor nok til å ta unna opp til en 200-årsflom med klimapåslag. Det må påpekes at det er flere usikkerhets kilder knyttet til de simulerte vannstander (se kap. 5.2). 3

1 Flomberegninger Beskrivelse av nedbørfeltet, flomberegningsmetode, målestasjoner som er brukt i analysene, resultat og usikkerhet fra flomberegningen er presentert i rapporten «Flomberegning for Forfjordelva og Roksøyelva» (Stenius, 2016). 2 Vannlinjeberegning Det hydrauliske modelleringsverktøyet HEC-RAS (versjon 5.0.1) er benyttet til beregning av vannlinjene. Verktøyet er utviklet av USACE. Datagrunnlaget for vannlinjeberegningen er befaring av elva, fotografier av elveløpene, oppmåling av tverrprofiler og bruer (utført av Statens veivesen iht. plassering angitt av NVE ved en felles befaring), samt flomberegningen presentert i Stenius (2016). Basert på disse er det utviklet en forenklet representasjon av elven i form av en 1D hydraulisk modell. Chow mfl. (1988) gir detaljer om slike modellsystemer. 2.1 Geometri Alle høyder er gitt i NN 1954. Modellen inkluderer en strekning av Roksøyelva på rundt 125 m. Elvebunn og terrenget i den hydrauliske modellen er representert ved tverrprofiler. Tverrprofilene og bruåpningen er basert på oppmåling utført av Statens vegvesen. Det er i tillegg benyttet laserdata til å forlenge flere av tverrprofilene grunnet at den simulerte vannstanden gikk høyere opp enn de målte tverrprofiler på flere steder. Rett oppstrøms bruen utvides vassdraget til en liten basseng før at deretter bytte retning nesten 90 grader. Helningen øker under bruen og vannet får der en betydelig høyere hastighet for så å bremses opp av vannstanden i sjøen. Vassdraget nedstrøms bruen er påvirket av flo og fjære og vannstanden og vannhastigheten nedstrøms bruen er dermed direkte påvirket av vannstanden i fjorden. Forholdene oppstrøms og nedstrøm bruen vises i figur 1 og 2. 4

Figur 1. Roksøyelva oppstrøms bruen. Foto: Seija Stenius, NVE. Figur 2. Roksøyelva, bruen over elva sett fra oppstrøms bruen. Sjøen vises rett nedfor bruen. Foto: Seija Stenius, NVE. Figur 2 viser plasseringen av oppmålte tverrprofiler/punkter i Roksøyelva, mens figur 3 viser endelig plassering av tverrprofiler i modellen. Tverrprofilene er kompletterte med laserdata der det har vært behov for det. 5

Figur 3. Oppmåling i Roksøyelva. Figur 4. Tverrprofiler i modellen med nummerering. 6

2.2 Friksjon og strømningsforhold Alle energitap langs elveløpet er representert i hvert tverrprofil med en enkelt faktor, Mannings n. Verdiene er estimert basert på befaring av vassdraget og vurderinger mot erfaringstall hentet fra litteraturstudier, Chow (1959). Følgende Mannings n verdier er benyttet, se tabell 1. Tabell 1. Benyttede Manningstall (n) i modellen. Elv Elvebredde Hovedkanal Roksøyelva 0,060 0,040 2.3 Kalibrering En kalibrering av modellen vil gi mindre usikkerhet i resultatene. Det finns ikke observasjoner av vannføringsdata i elva. Det er derfor ikke mulig å kalibrere modellen mot direkte observerte data. 2.4 Grensebetingelser Det er beregnet vannlinjer for 200-årsflom, samt 200-årsflom med klimapåslag. Flomverdiene i Roksøyelva er antatt å være den samme på hele strekningen for samme gjentaksintervall. Som oppstrøms grensebetingelse er «normal depth» (se Chow et al. 1988 for forklaring) benyttet og som nedre grensebetingelse er det benyttet vannstanden i Forfjorden (hentet fra www.kartverket.no/sehavniva). I vannlinjeberegninger i forbindelse med flomsonekart er det vanlig å benytte 1-års stormflo (høyvann) som nedre grensebetingelse i den hydrauliske modellen. Dette er også her valgt å benytte denne verdien som er 1,45 m. 3 Resultater Resultatene fra vannlinjeberegninger for 200-årsflom er sammenstilt i tabell 2. Detaljerte modelleringsresultater ved eksisterende bru gis i vedlegg 1. Det må påpekes at det er en viss usikkerhet i de simulerte vannstandene. En-dimensjonale modeller tillater ikke en detaljert analyse av strømningshastigheter, og det er derfor gjennomsnitts-hastighet som er oppgitt for hver tverrprofil i tabell 2. Froudetallet indikerer hvor kraftig vannstrømmen er: verdiene nær eller over 1 er det potensiell fare for erosjon (overkritisk strømning), mens verdier ned mot 0.3-0.4 og lavere viser aktuelle steder for sedimentering (underkritisk strømning). Vannhastigheten er relativt høy ved øverste profil (TP 10) og minker gradvis ned til profil 5 (litt oppstrøms bruen) for at siden øke igjen under bruen. I nedre del av modellen minker vannhastigheten igjen, grunnet at vannstanden i fjorden bremser opp vannet. Ved lavere vannstand i sjøen vil vannhastighetene øke mer nedstrøms bruen og ved høyere vannstand i sjøen vil vannhastigheten minke nedstrøms bruen. Figur 5 viser vannlinjene i Roksøyelva ved en 200-årsflom med brukonstruksjonen slik den er i dag (basert på oppmålinger av Statens veivesen) og figur 6 viser vannlinjene for 7

en 200-års flom med klimapåslag (20 %). Tverrprofilene er avmerket med vertikale grå linjer. Under tverrprofilene vises enkelte profilnummer benyttet i beregningen og tilsvarer profilene på kart i figur 4. Laveste punkt av elvebunnen er vist med heltrukket svart strek og er interpolert fra oppmålte tverrprofiler. Blå linje og blått område viser beregnet vannlinje (verdier på venstre vertikalakse), energilinja er vist med stiplet grønt strek. Tabell 3 sammenligner vannstander og energilinjer for Roksøyelva med 200-års flom med og uten klimapåslag. Vannstrømningen er underkritisk i nesten hele modelleringsområdet med unntak for rett oppstrøms og under bruen der vannstrømningen er overkritisk (Froudes tall over 1, se Chow et al. 1988 for nærmere forklaring). Beregningene viser at vannhastigheten i den nedre delen av modellen (nedstrøms bruen) vil øke ved lavere sjøvannstand og kunne gå over i kritisk strømning (Froude tall > 1). Hastigheten vil kunne minke nedstrøms bruen om det legges til grunn en høyere sjøvannstand. Tabell 2: Beregnet vannlinje, energilinje, vannhastighet og Froude tall for Roksøyelva. Vannstand er gitt i NN 1954 høyde. Simuleringer er basert på dagens bruutførelse. Profil nr. Q200 = 26,4 m 3 /s Vannstand (m) Energilinje (m) Middelhastighet (m/s) Froude tall 10 2,44 3,06 3,52 1,18 9 2,31 2,40 1,40 0,37 8 2,26 2,36 1,40 0,35 7 2,29 2,32 0,81 0,19 6 2,30 2,31 0,45 0,10 5 2,30 2,31 0,46 0,10 4 1,57 2,24 3,63 0,91 Bru 3 1,11 1,86 3,82 1,01 2 1,42 1,47 0,97 0,26 1 1,45 1,46 0,41 0,10 4 3 Roksøyelva Plan: Mannings n normal 08.07.2016 Roksøyelva Roksøyelva Legend EG 200 års flom WS 200 års flom Ground Elevation (m) 2 1 0-1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Main Channel Distance (m) Figur 5. Lengdeprofil med vannlinje og energilinje for en 200-årsflom. 8

4 3 Roksøyelva Plan: Mannings n normal 08.07.2016 Roksøyelva Roksøyelva Legend EG Q200 klima-20% WS Q200 klima-20% Ground Elevation (m) 2 1 0-1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Main Channel Distance (m) Figur 6. Lengdeprofil med vannlinje og energilinje for en 200-årsflom med klimapåslag (20 %). Tabell 3: Beregnede vannlinjer og energilinje ved tverrprofilene. Tabellen gir estimert vannstand for en 200-årsflom uten og med klimapåslag. Vannstand er gitt i NN 1954 høyde. Profil nr. Vannstand, H (m) og Energilinje, E (m) H200 E200 H200 (+20%) E200 (+20%) 10 2,44 3,06 2,54 3,23 9 2,31 2,40 2,61 2,68 8 2,26 2,36 2,56 2,65 7 2,29 2,32 2,59 2,62 6 2,30 2,31 2,60 2,61 5 2,30 2,31 2,60 2,61 4 1,57 2,24 1,77 2,53 Bru 4 Konklusjon 3 1,11 1,86 1,31 2,14 2 1,42 1,47 1,41 1,48 1 1,45 1,46 1,45 1,46 Roksøyelva renner ut i Roksøyfjorden og vannstanden i elva nedstrøms bruen vil være påvirket av vannstanden i sjøen. Det er lagt til grunn 1-års stormflo som nedre grensebetingelse i modellen. Beregningene viser at vannstanden oppstrøms bruen ikke er påvirket av vannstanden i sjøen. Kapasiteten for den eksisterende bruen ser ut til å være stor nok til å ta unna opp til en 200-årsflom med klimapåslag. Observer at ved klimapåslag kommer energilinjen opp i brukaret. Det er anbefalt at minimum høyden på energilinja benyttes ved dimensjonering av bruen. Plasseringen av bru er mellom profil 3 og 4. Bruen stuer opp vannstanden 9

oppstrøms bruen, dette er mer påtagelig ved høyere vannføringer (se for eksempel figur 3 og 4). Endringer i klima frem mot år 2100 er ventet å gi 20 prosent større flommer. Flommer forventes å kunne inntreffe hyppigere og med større vannføring. I den hydrauliske modellen er dagens geometri lagt til grunn. Eventuelle endringer i elveleiet i form av utfyllinger langs siden, eller elementer ute i elva eller langs elvebreddene vil kunne virke oppstuende på vannspeilet og medføre høyere vannstand enn det som er modellert. Det er satt opp en hydraulisk modell i HEC-RAS og kjørt simuleringer med vannføringer for en 200 års flom på 26 m 3 /s, samt økning som følge av ventede klimaendringer fram mot år 2100 på 20 prosent (32 m 3 /s). Resultatene viser at det vil bli gjennomsnittshastigheter på 3-4 m/s under brua ved en 200-års flom. Dette betyr at en 200-års flom vil kreve et areal på ca. 11 m 2 (ved en gjennomsnittshastighet på 3 m/s). For å ta høyde for at drivgods som is, trær eller grener kan drive med elva under flom anbefales at laveste del av brua ikke legges lavere enn minimum energilinja eller 0,5 m over beregnet vannlinje ved tverrprofil 4. Dette er 2,2 m ved en 200-års flom og 2,5 m ved en 200-års flom med 20 % klimapåslag (energilinje), se tabell 3. 5 Usikkerhet 5.1 Usikkerhet flomberegninger Det er en hel del usikkerhet knyttet til frekvensanalyser av flomvannføringer. De observasjoner som foreligger er av vannstander. Disse omregnes ut fra en vannføringskurve til vannføringsverdier. Vannføringskurven er basert på observasjoner av vannstander og tilhørende målinger av vannføring i elven men disse direkte målingene er ofte ikke utført på store flommer. De største flomvannføringene er altså beregnet ut fra et ekstrapolert forhold mellom vannstander og vannføringer, dvs. også observerte flomvannføringer inneholder en stor grad av usikkerhet. Andre kilder til usikkerhet er bruk av døgnmiddelverdier og mangel av lange findataserier. For mer detaljer om flomberegningen og usikkerhet i flomberegningen, se rapport «Flomberegning for Forfjordelva og Roksøyelva (Stenius, 2016). 5.2 Følsomhetsanalyse av modellparametere En kalibrering av modellen ville redusere usikkerheten i vannlinjeberegningene. Dette er ikke utført her. Det er et tilfredsstillende alternativ å vurdere de hydrauliske forholdene på erfaring og verdier hentet fra litteraturen for slike prosjekter. Nøyaktigheten i geometriske data, helningen og hydraulisk ruhet for elveløpet og eventuell innsnevring fra bruer er de viktigste faktorene som påvirker resultatene. Erosjon og masseavsetning representerer generelt et betydelig usikkerhetsmoment. Større flommer vil kunne gi en forandring av profilene (elveløpet) og dermed endre 10

strømningsforholdene. Hvis trær, busker eller is skulle snevre inn eller tette igjen deler av elveløpet vil det redusere vannkapasiteten og medføre oppstuving. For å vurdere effekten av valgte modellparametere for hydraulisk ruhet i elveløpet, ble det utført en følsomhetsanalyse av vannstanden basert på endringer av Mannings n. Modellen er kjørt med Manningstall med n + / - 20 prosent Analysen viste en relativ økning/reduksjon i vannstanden ved profilene på maksimalt +10/-11 cm. Den største endringen er ifølge beregningene er øverst i modellen (TP 10), meden endringene er veldig små ved bruen og nedstrøms bruen er det ingen endringer (se tabell 4). Resultatene av følsomhetsanalysen er satt sammen i tabell 4. Økte verdier for ruhet i elveprofilet gir relativt små utslag i vannstanden. Tabell 4: Følsomhetsanalyse med lav/høy hydraulisk ruhet i elva. Avvikene er relative til vannstandene av en 200-årsflom i tabell 2. Profil nr. Q200, n + 20% Q200, n 20% Vannstand (moh.) Avvik (m) Vannstand (moh.) Avvik (m) 10 2,33 0,11 2,54 0,10 9 2,29 0,02 2,35 0,04 8 2,25 0,01 2,28 0,02 7 2,28 0,01 2,30 0,01 6 2,30 0,00 2,30 0,00 5 2,30 0,00 2,30 0,00 4 1,55 0,02 1,60 0,03 Bru 3 1,11 0,00 1,11 0,00 2 1,42 0,00 1,43 0,01 1 1,45 0,00 1,45 0,00 11

6 Referanser Chow, V.T., Open-Channel Hydraulics. 1959, Caldwell, New Jersey: The Blackburn Press. Chow, V.T., Maidment, D.R. and Mays, L.W., 1988. Applied Hydrology. McGraw-Hill Education (ISE Editions). Glad, P., Reitan, T. og Stenius, S., 2015: Nasjonalt formelverk for flomberegninger i små nedbørfelt. NVE-Rapport 2015:13. HEC-USACE, 2002. HEC-RAS River Analysis System, Hydraulic Reference Manual, U.S. Army Corps of Engineers, Hydraulic Engineering Center (HEC), Davis, CA, USA. Stenius, S., Glad, P.A., Wang, T. K., Væringstad T. (2015): Veileder for flomberegninger i små uregulerte felt. NVE Veileder 7-2015. Stenius, S. (2016): Flomberegning for Forfjordelva og Roksøyelva. NVE Oppdragsrapport 16-2016. www.kartverket.no/sehavniva 12

Vedlegg 1: Detaljert utskrift ved eksisterende bru Figur 7. Detaljerte modelleringsresultat for oppstrøms side bru, 200-års flom. 13

Norges vassdrags- og energidirektorat Middelthunsgate 29 Postboks 5091 Majorstuen 0301 Oslo Telefon: 09575 Internett: www.nve.no