OPPDRAGS RAPPORT Rapprtens tittel: KARTLEGGING AV IS TYKKELSE OG FELTAVGRENSNING PÅ SPØRTEGGBREEN 1989 15-89 Dat: 1989-12-11 Rapprten er: Åpen Opplag: 100 Saksbehandler/Frfatter: Mike Kennett Brekntret AnSVarli~ ld Oppdragsgiver: STATKRAFT Sammendrag: Rapprten beskriver resultater fra breradarmålinger på Spørteggbreen 1989. Resultatene er brukt til å beregne dreneringsgrensene mellm Vigdalen, Vanndalen, Geisdalen, Fagredalen g Mørkridsdalen, samt arealer fr de frskjellige feltene. Dreneringsfeltene er sammenlignet med felt beregnet i henhld til breverflate g bunntpgrafi. Kartene viser at vannskillene på Spørteggbreen ligger nær breverflategrensene, med typisk 100 m frskjell g et maksimalavvik på ca 600 m. Arealfrskjellene er ubetydelige. I perider med sterk smelting vil dreneringsarealet mt Vigdalen kunne øke ne på bekstning av feltene mt Geisdalen g Mørkridsdalen. Ved en eventuell frandring i breens massebalanse - særlig ved en negativ utvikling - vil vannskillene kunne flyttes betraktelig. Det finnes flere bredemte sjøer i mrådet sm ved ytterligere utvikling vil kunne tappes under breen. Dette vil kunne gi både endrede dreneringsfelt g mulige flmskader.
FORORD Freliggende rapprt er et resultat av bestilling B-Ol/9478 fra Statkraft. Bakgrunnen fr arbeidet var ønsket m en bedre bestemmelse av dreneringsgrenser g feltarealer på Spørteggbreen i frbindelse med utbyggingen av Jstedal kraftverk. Dette er det andre større bremrådet i Nrge sm har vært gjenstand fr en slik grundig feltavgrensning. På grunn av manglende kapasitet ved Brekntret ble deler av arbeidet utført av knsulenter. Entreprenørfirma Heli-Anlegg A/S har vært ansvarlig fr kjøring av breradaren g tlkning av radarbildene. Statens Kartverk sørget fr GPS-innmåling av alle navigasjnspunktene med hjelp fra Bjarne KjølImen. Rekgnsering i felt under radarkjøring ble gjrt av Christian Nielsen. Grunnlag fr breens verflate var 1: 10 000 kart ver Spørteggbreen laget g digitalisert av Nrkart A/S etter flyfts fra 1988. Bearbeidingen av resultatene g utarbeidelsen av denne rapprt er gjrt av Mike Kennett. Osl, desember 1989 Arne Tllan avdelingsdirektør vhb-ra-mik-brera-346
INNHOLD Side I L INNLEDNING 3 2. TEORI 3 3. FELTARBEID 4 4. BEARBEIDING AV DATA FRA FELT 4 4.1 Navigasjn 4 4.2 Is tykkelse 5 4.3 Bunnhøyde 5 5. RESULTATER 5 6. KONKLUSJON 7 7. ANBEFALINGER 7 8. REFERANSER 8
3 1. INNLEDNING Instrumenter g metder fr radi-ekk målinger ble utviklet i slutten av 1950- g begynnelsen av 1960-årene p.g.a. behvet fr rask, nøyaktig g kntinuerlig måling av isbreers tykkelse (Drewry, 1981). Målinger ble utført på plare breer (Evans g Smith, 1969), men det tk mange år før teknikken kunne benyttes på tempererte breer (Watts m. flere, 1975). Brekntret anskaffet i 1981 i samarbeid med andre nrske institusjner en islandsk breradar (Sverrissn m. flere, 1980). I 1984 g 1985 ble det utført subglasial kartlegging med breradar på midtre Jstedalsbreen (Sætrang g Wld, 1986) g i 1986 på Svartisen (Sætrang, 1988) g nrdre Jstedalsbreen (Sætrang g Hlmquist, 1987). Dataene fra nrdre Jstedalsbreen ble benyttet til å beregne dreneringsfeltene (Kennett, 1989). Denne rapprten beskriver metde g resultater ved subglasial kartlegging med breradar på Spørteggbreen våren 1989 g avgrensning av dreneringsfeltene. Spørteggbreen (28 km2, 1270-1750 m.h.) er Nrges 12. største bre (Østrem m. flere, 1988). Tre frskjellige grenser er beregnet i denne rapprten: a} Breverflategrensen, sm bes kriver vannskillet sm m breen var ugjennmtrengelig g alt vannet ville renne på breverflaten. b) Bunntpgrafigrensen, sm beskriver vannskillet hvis breen var brte, eller hvis alt vannet i g under breen skulle strømme i kanaler med atmsfærisk trykk. c) Dreneringsgrensen, sm beskriver vannskillet på breverflaten med hensyn til drenering i g under breen. Grensene mellm Mørkridsdalen g Jstedalen er beregnet, samt grensene mellm de frskjellige brefeltene sm drenerer ned mt Jstedalen. 2. TEORI Smeltevann eller regnvann drenerer gjennm breen ved perklasjn gjennm snøen, eller gjennm sprekker i isverflaten. Shreve (1972) har vist at vann i isen beveger seg vinkelrett på ekviptensiale flater der ptensialet er definert sm ~ = P w + (~ * g * Z) (1 ) Z er punktets høyde ver havet, P w er vanntrykk, ~ er vannets tetthet g g er tyngdens akselerasjn. Vann på bunnen av breen går vinkelrett på ~b ktene, der ~b er ptensialets størrelse på bunnen. Vann i likevekt med isen har trykk P w lik istrykket Pi' mens det i en vannkanal minker med økning i vannstrømmen Q g kanalhelling
4 (R8thlisberger, 1972). Vanntrykket blir atmsfærisk dersm Q når en kritisk verdi (Hke, 1984). Omkring dreneringsgrensene er kanalene små g Q ubetydelig, derfr antar vi at P w = Pi. Denne antagelsen er støttet gså av vanntrykkmålinger under isen i Grønland utført av Grønlands Gelgiske Undersøgelse. (pers. medd. H. Thmsen, GGU, kt. 1989). Vanntrykket kan derfr skrives de.r Ri er isens tetthet g Z er breverflatehøyde. Dreneringsgrensen på brebunnen <~b> finnes ved å beregne bunnptensial ~b under hele breen ved å sette Z lik bunnhøyde Zb i ligning (l) g (2). Dreneringsgrensen på breverflaten V beregnes ved å følge vannstrømsretningen baklengs fra <~b> på brebunnen til breverflaten. Den ligger sm regel mellm <~b> g breverflategrensen <Z>.( isskillet ). (2) 3. FELTARBEID. Staker i et tilnærmet 1 km x 1 km rutenett ble satt ut på breen, g innmålt med "Glbal Pstitining System"-utstyr (GPS) av Statens Kartverk 25. - 26. april 1989. Nen av de 47 punkter ble målt t ganger g gir en usikkerhet på ~5 m i x, y g z krdinater. Radaren ble kjørt etterpå av Heli-Anlegg AlS i tilnærmet rette linjer mellm stakene, i peridene 27. - 29. april g 4. - 8. mai. Det var fte vanskelig å se til neste stake, ne sm gjrde nen av prfilene litt krkete. 4. BEARBEIDING AV FELTDATA Et punkt på flaten under breen er bestemt av de tre krdinatene X, y g Zb. Navigasjnen gir grunnlag fr beregninger av X g Y, mens kart ver breverflaten (Z) g måling av istykkelsen (H) gir grunnlag fr beregning av Zb = Z - H. Radarpsisjn (X,Y) g istykkelsesdata er brukt sammen med digitale kartdata (X,Y,Z). til å beregne bunnhøyde langs radarprfilene. 4.1 Navigasjn Psisjnen (X,Y) fr radarprfilene er beregnet fra krdinatene til de GPS-innmålte punktene, g radarens dmeterhjul. Prfilene er vist i fig. 1. Usikkerheten i radarpsisjn er antatt å være
5!50 m i både X g Y (pers. medd. Heli-Anlegg A/S, aug. 1989). 4.2 Istykkelse Negativfilmene med radarregistreringene ble kpiert til papirbilder. Radarbildene ble manuelt tlket g avtegnet på diagram g radarkurvene digitalisert i 25 m ste~. En radibølgehastighet på 169 mips ble brukt i beregningene av istykkelse. Målingene ble krrigert gemetrisk fr sender - mttaker avstand. I tillegg er dataene blitt "migrert" fr å krrigere fr bunnhelling. Psisjn g istykkelse X, Y g H er beregnet fr 3284 punkter langs 82 km radarprfiler. Akkumulasjnsmålinger på Spørteggbreen våren 1989 viser at snødybden var 5-6 m, sm tilsvarer 4 m is fr radibølger. Derfr er beregnet is tykkelse redusert med 4 m slik at den krrespnderer til breens verflate høsten 1988. 4.3 Bunnhøyde Overflatehøyde Z til hvert radarpunkt er beregnet ved interplasjn av et digitalt kart. Kartet ver Spørteggbreen var laget fra flyfter tatt høsten 1988 i skala 1: 10 000 med 10 m kter av Nrkart A/S, sm gså st fr digitaliseringen. Dermed kunne bunnhøyde Zb = Z - H beregnes fr hvert punkt. 5.. RESULTATER Beregning av kter ver breens subglasiale tpgrafi ble gjrt av et grafisk prgramsystem Surface Il (Sampsn, 1978). Prgrammet interplerer først ver et rutenett g lager deretter kter. Avstanden mellm punkter i rutenettet var 250 m g resultatet er vist i fig. 2. Interplasjnsmetden var "Universal Krigging" sm teretisk gir best mulig estimat aven flate. Bunntpgrafigrensen <Zb> er gså tegnet på fig. 2. Fr sammenligning er kart i samme frmat tegnet ver breens istykkelse (fig. 3) g av breverflaten (fig. 4). Breverflategrensen <Z> er gså vist i fig. 4. Perspektivpltt av breens verflate g bunn er vist i fig. 5. Usikkerheten i bunnhøyde fr et vilkårlig punkt på bunntpgrafikartet øker med avstanden fra de målte datarunktene, dvs. fra radarprfilene eller brebegrensningen. Fr å få et estimat på usikkerheten ble kartet i fig. 2 sammenlignet med et kart laget med en mindre nøyaktig interplasjnsmetde. Disse t kart har et standardavvik på 10.7 m g maksimum frskjell på 46 m. Derfr antas at usikkerheten på grunn av interplasjnen er ca 10 m. I tillegg kmmer avvik på grunn av usikkerhet i navigasjnen. Bunnhellingen
6 er typisk 20% g maksimum 50%. Det vil si at en usikkerhet på 50 m i både x g y gir typisk 14 m g maksimum 35 m avvik i høyde. Til slutt er det usikkerhet i tlkning av radarbildene. En analyse av prfiler kjørt t eller flere ganger viser at usikkerheten her ligger på +15 m. Dette er større enn den sm teretisk kan nås (~8 ml, antagelig på grunn av usikkerheten i navigasjnen. Ttalt sett frventer vi derfr et standardavvik fr beregnet bunnbøyde på ca 23 m. Den maksimale feilen er, vanskelig å beregne, men antas å ligge mkring 60 m. Be~egninger fra nrdre Jstedalsbreen (Kennett, 1989) viser at isverflatetpgrafien har større betydning fr bunnptensial ~b enn bunntpgrafien. Fr å beregne ~b fr Spørteggbreen med størst mulig nøyaktighet har vi derfr interplert Z fra digitalkartet g istykkelsen h fra breradarmålingene hver fr seg ver et grid. Deretter ble ~b beregnet fr hvert gridpunkt. Resultatet er vist i fig. 6, med bunnptensialgrensene <~b> tegnet på. ~b-kartet ligner på Z-kartet (fig. 4), men med grunne daler sm tilsvarer dal i bunntpgrafien. En sammenligning av t frskjellige interplasjnsmetder antyder at usikkerheten i Z er bare 1 m, dvs. 0.09 bar i ~b' Usi~kerheten i bunnhøyde på 23 m tilsvarer 0.16 bar i ~b' Derfr er ttalusikkerheten i ~b bare 0.18 bar. ' De tre frskjellige grensene <Z>' <Zb> g V er sammenstilt i fig. 7, mens tabell 1 viser beregnede arealer fr de frskjellige feltene rundt Spørteggbreen. Usikkerheten her er vanskelig å anslå, men ligger antagelig mkring 0.1 km2 fr <Z> g V, g litt mer fr <Zb>' Felt Definisjn* V,, --------------------------------------------------------------- Mørkridsdalen KHIJK 29.26 28.87 29.26 ---------------------~----------------------------------------- Vigdalen BCKAB 14.92 18.46 15.00 Vanndalen BCDB 1.38 1.02 1.34 Geisdalen DCFED 14.13 11 57 14.09 Fagredalen HFGH 3.48 3.25 3.48 Jstedal ttal KHGEAK 33.91 34.30 33.91 * Se gså fig. 7. Strekningen langs grensen er understreket. Tabell 1. Beregnede arealer (km2 ) i henhld til breverjlategrensene <Z>, bunntpgrajigrensene <Zb> g dreneringsgrensene V.
7 6. KONKLUSJON Spørteggbreens bunn tpgrafi er blitt kartlagt ved bruk av breradar ver et mtrentlig 1 km rutenett. På vestsiden av breen er det en dyp dal med flere verfrdypninger med utgang mt Smådalene. Her er isen tykkest (300 m). Den nest største dalen går vestver sør fra Grånsi. Istykkelsen på Leirbtnbreen er ikke målt, men den antas å være ca 100 m. Istykkelsesdataene er blitt brukt til å beregne dreneringsgrensene på Spørteggbreen, samt arealer fr de frskjellige feltene sm drenerer mt Jstedalen. Dreneringsgrensene V er bedre krrelerte med breverflategrensene <Z> (maks. avvik 600 m) enn med bunntpgrafigrensene <Zb> (maks. avvik 1500 m). I beregningene av bunnptensialgrensene <~b>' sm er grunnlaget fr beregninger av dreneringsgrensene V, har vi antatt at vanntrykket er lik istrykket (lign. 2). Str smelting m smmeren kan imidlertid føre til mindre vanntrykk g en flytting av V vekk fra breverflategrensene <Z> g mt bunntpgrafigrensene <Zb>. I fig. 7 kan vi se at dette f.eks. vil kunne gi et større dreneringsareal til Vigdalen. Klimafrandringer kan føre til en betydelig flytting av dreneringsgrensene i løpet av nen år. Målinger på Midtre Flge fnn i, sm bare er 2 km bred, viser at det høyeste punktet på breen har flyttet seg ca. 70 m vestver mellm 1959 g 1981 (Østrem g Tvede, 1986). Flere isdemte sjøer ligger rundt kanten av Spørteggbreen. De kan tømme seg plutselig under isen idet de når et kritisk vannivå. Flm fra disse sjøene vil antagelig kunne frutsies ved ytterligere undersøkelser. Dette har ikke vært gjenstand fr undersøkelser under dette ppdrag. 7. ANBEFALINGER Kartlegging av breers subglasiale tpgrafi er en mfattende prsess både med feltmålinger g bearbeiding av data, g innebærer samtidig kartlegging av breens verflate. Kntinuerlige målinger av psisjn med GPS utstyr på radarsleden vil kunne gjøre både feltmålinger g bearbeiding av data raskere g mer nøyaktig. Usikkerheten på grunn av interplasjn blir antagelig mindre fr samme ttale prfillengde me~ parallelle prfiler på 500 m avstand istedenfr et 1 km rutenett. Direkte målinger av vanntrykket under breen vil kunne si m dette er lik istrykket, slik sm antatt i ptensialberegningene, g hvrdan dette eventuelt frandrer seg gjennm året. Sprstffmålinger kan gjøres fr å bekrefte eller avkrefte de beregnede dreneringsgrensene.
8 8. REFERANSER Drewry, D.J. 1981: Radi ech sunding f ice masses: principles and applicatins.- Remte Sensing in Meterlgy, Oceangraphy and Hydrlgy. Ellis Hrwd ltd., England. Evans, S. g Smith, B.M.E. 1969: A radi ech apparatus fr sunding plar ice sheets. - Jurnal f Scientific Instruments, Ser. 2 N. 2.' Kennett, M.I. 1989: Feltavgrensning på nrdre Jstedalsbreen. - Oppdrags rapprt 2-89, Hydrlgisk avdeling, NVE. Sampsn, R.J. 1978: Surface Il graphic system. Cmputer Services Sectin, - Kansas Gelgical Survey, Lawrence, Kansas. Shreve, R.L. 1972: Mvement f water in glaciers. - Jurnal f Glacilgy, v. 11, n. 62, p. 205-214. Sverrissn, M. m. flere. 1980: Instruments and methds. Radi ech equipment fr depth sunding f temperate glaciers, by M. Sverrissn, Æ. Jhannes sn, and H. Bjørnssn.- Jurnal f Glacilgy, Vl. 25, N. 93, p 477-486. Sætrang, A.C. g Wld, B. 1986: Results frm the radi ech-sunding n parts f the Jstedalsbreen ice cap, Nrway. - Annals f Glacilgy, Vl. 8, 1986. p. 156-158. Sætrang, A.C. g Hlmquist, E. 1987: Kartlegging av istykkelse på nrdre Jstedalsbreen 1986. - Oppdrags rapprt 8-87, Hydrlgisk avdeling, Nrges vassdrags- g energiverk. Watts, R.D. mflere. 1975: Radi-ech sunding n Cascade Glacier, Washingtn, using a lng wavelength mn-pulse surce, by R.D. Watts, A.W. England, R.S. Vickers, and M.F. Meier.- Jurnal f Glacilgy, Vl. 15, N. 73, p. 459-461. østrem, G. m. flere 1988: Atlas ver breer i Sør-Nrge, by G. østrem K. Dale Selvig g K. Tandberg. - MeddeIse nr. 61 fra Hydrlgisk Avdeling, Nrges vassdrags- g energiverk.
9 IJ) q. t ø z E x q. N t -50000 Y(m, NGO 11)- -45000 Fig. 1. GPS-innmåLte navigasjnspunkter (trekanter) på Spørteggbreen g kjørte radi-ekk prfiler.
10 li) -.:r t x -.:r -50000 Y(m, NGO 11)- N t -45000 Fig. 2. Spørteggbreens subglasiale tpgrafi g bunntpgrafigrensene <Zb>'
11 0'_ l!"l ~ t ō (9 Z g x ~ -50000 Y(m, NGO 11)- -45000 Fig. 3. Spørteggbreens istykkelse høsten 1988.
12-45000 Fig. 4. Spørteggbreens breverjlatehøyde høsten 1988, g breverjlategrensene <2 0 >,
13 A B Fig. 5. PerspektivpLtt på Spørteggbreens A) breverflate g B) bunn sett fra et punkt 10 km sør fr midten av breen g på 6000 m høyde. Brekanten er tegnet på plttene. Basen på figurene er på 1200 m.h. Se gså fig. 2 g 4.
14 l1'l q< N t -50000-45000 Fig. 6. Spørteggbreens bunnptensial g bunnptensialgrensene <~b>
15. ln "'3' Ge t (9 z E x -50000 Y(m, NGO 11)- -45'000 t J Fig. 7. Breverflate-, bunn tpgrafi- g dreneringsgrenser (henhldsvis <Z>' <Zb> g V). Arealer Mø (Mørkridsdalen), Vi (Vigdalen), Va (Vanndalen), Ge (Geisdalen) g Fa (Fagerdalen) er beregnet i tabell 1. Trekanten viser Grånsi NGO punkt. vhb/ra-mik-brera-3 4 6