SLUSE OG PUMPESTATION I AARHUS Å TIL FORBEDRET SIKKERHED MOD OVERSVØMMELSER AF AARHUS MIDTBY DESIGNPARAMETRE OG PROJEKTFORSLAG

Transkript

1 SLUSE OG PUMPESTATION I AARHUS Å TIL FORBEDRET SIKKERHED MOD OVERSVØMMELSER AF AARHUS MIDTBY DESIGNPARAMETRE OG PROJEKTFORSLAG Chefkonsulent, geolog Ole Kloster Jacobsen, ALECTIA A/S Store bygge- og anlægsprojekter Møde 25. januar

2 24

3 RESUMÉ Med henblik på sikring af Aarhus midtby mod oversvømmelser fra stigende havvandsspejl, projekteres et anlæg, der omfatter sluse og en pumpestation. Slusen sikrer Aarhus midtby mod indtrængende havvand. Pumpestationen løfter vand fra Aarhus Å ud i havnen, når slusen er lukket. Optimal lukkekote for slusen samt tilhørende behov for udpumpningsmængde og antal lukninger pr. år er vurderet på baggrund af beregninger med hydrologisk model. Der er herefter opstillet et projektforslag for udformning af sluse og pumpestation. BAGGRUND, FORMÅL OG OVERORDNET LAYOUT Formålet med projektet er at sikre midtbyen omkring Aarhus Å mod fremtidige oversvømmelser i forbindelse med, at det må forventes, at de globale klimaændringer vil betyde ændrede vejrforhold og højere vandstande i havnen og åen. Forslag til udformning af de nødvendige tiltag vedrørende sluse samt tilhørende pumpestation tager udgangspunkt i følgende overordnede krav til funktion af sluseanlægget: at sikre Aarhus indre by mod oversvømmelse som følge af høj vandstand i havnen/bugten i disse situationer at udpumpe tilstrømmende å-vand til havnen. Nedenfor er vist en håndskitse af foreslåede sluse med midterhelle mv. 25

4 Projektet medfører gennemførelse af følgende tiltag, jf nedenstående oversigtstegning: Etablering af højvandsbarriere mellem Multimediehusets kote 2,50 og eksisterende terræn i kote 2,50 bagved Toldboden samt mindre terrænforhøjning til kote 2,50 syd for Mindet. Højvandsbarriere beskrives ikke yderligere i dette dokument. Et sluseanlæg med tilhørende pumpestation i Aarhus Å, som etableres vest for eksisterende Banebro. En vandtærskel ved åens udmunding for at sikre fast laveste vandstand i Aarhus Å. Sluseanlæg omfatter: Et slusebygværk, der sikrer Aarhus indre by mod højt vandspejl i Aarhus havn. En pumpestation, der løfter vand fra Aarhus Å ud i Aarhus Havn ved højvande. 26

5 Slusebygværket og højvandsbarrieren skal sikre, at højvande i bugten/havnen ikke oversvømmer midtbyen. Pumpestationen skal sikre, at det tilstrømmende vand i åen ikke opstuves i åen og medfører oversvømmelser, men kan pumpes til havnen under kontrollerede forhold. Kombination af sluseanlæg og vandtærsklen ved Multimediehuset vil sikre en fremtidig vandstandsvariation i den nedre del af Aarhus Å på mellem kote +0,10 m og +1,40 m. I dag varierer vandstanden mellem en laveste kote på 0,60 m og en højeste kote på ca. +1,8 m. Med højvandsbarrieren og sluseanlægget med tilhørende pumper vil centrale dele af midtbyen få forbedret sikkerhed mod fremtidige højere vandstande. OPSTILLING AF DESIGNPARAMETRE Lukkekote for sluse Slusens formål er at sikre Aarhus by mod uacceptable oversvømmelser fra stigende havvandsspejl. Ved lukning af slusen spærres for passage mellem havn og å, hvilket af hensyn til faunapassage skal begrænses til det minimale. Der er således 2 modsatrettede hensyn at tage ved design af slusen: Slusen skal lukkes når havvandsstanden overskrider en valgt kote (lukkekote) med henblik på at minimere oversvømmelser. Slusen skal være lukket så kort tid som mulig af hensyn til at muliggøre faunapassage mellem havn og å. Med henblik på at optimere valget mellem disse 2 modsatrettede hensyn er der, for nuværende klima og for forventet fremtidigt klima samt for forskellige lukkekoter, udført en række modelberegninger af konsekvenser for behov for udpumpning fra å til havn, oversvømmelser og lukketid. Nedenstående tabel viser hovedresultaterne af disse modelkørsler scenarie (nutidigt klima) 2035-scenarie (med klima i 2035) 2100-scenarie (med klima i 2100) Ingen sluse Lukkekote +1,0 Lukkekote +1,4 Lukkekote +1,8 Moderate oversvømmelser - Pumpe: 14 m 3 /s - Ingen oversvømmelser - 2 lukninger/år i 10 t - Pumpe: 15 m 3 /s - Små oversvømmelser - 0,2 lukninger/år i 1 t - Pumpe: 15 m 3 /s - Moder. oversvømmelser - Ingen lukninger Store oversvømmelser - Pumpe: 14 m 3 /s - Ingen oversvømmelser - 15 lukninger/år i 70 t - Pumpe: 15 m 3 /s - Små oversvømmelser - 2 lukninger/år i 5 t - Pumpe: 15 m 3 /s - Moder. oversvømmelser - 0,1 lukninger/år i 0,5 t Meget store oversvømmelser - Pumpe: 16 m 3 /s - Ingen oversvømmelser lukn./år i 1500 t - Pumpe: 17 m 3 /s - Små oversvømmelser - 20 lukninger/år i 100 t - Pumpe: 17 m 3 /s - Moder. oversvømmelser - 2 lukninger/år i 10 t 27

6 Som det fremgår af tabellen, er behov for pumpekapacitet kun i mindre omfang afhængigt af klima og lukkekote. Der er under alle omstændigheder behov for en pumpekapacitet på m 3 /s. Der er desuden følgende bemærkninger til tabellens hovedresultater: Ingen sluse: Som forventet viser modelberegningerne, at der med det nuværende klima er moderat oversvømmelsesrisiko (eksemplificeret af hændelse den 1. november 2006, hvor vandspejlet i havnen var op til kote +1,72 m, svarende til en 200 års begivenhed). Ligeledes som forventet vil oversvømmelsesrisikoen øges i fremtiden, hvilket jo er hele baggrunden for ønsket om etablering af sluse og pumpestation. Lukkekote +1,0 m: Den lave lukkekote medfører, at der ikke vil være oversvømmelser i Aarhus by. Til gengæld vil slusen i 2035 skulle lukkes 15 gange pr. år og i 2100 ca. 250 gange pr. år. Lukkekote +1,4 m: Den moderate lukkekote medfører, at oversvømmelserne i Aarhus by vil være små. Slusen vil i 2035 skulle lukkes 2 gange pr. år og i 2100 ca. 20 gange pr. år. Lukkekote +1,8 m: Den høje lukkekote medfører, at oversvømmelserne i Aarhus by vil være moderate. Slusen vil i 2035 skulle lukkes 0,1 gang pr. år og i 2100 ca. 2 gange pr. år. På baggrund af ovenstående er det valgt at arbejde videre med en lukkekote på +1,4 m. Denne lukkekote vil blive anvendt i forbindelse med ansøgning om myndighedstilladelser til projektet. Projektet udføres dog således, at lukkekoten til enhver tid vil kunne ændres (+/- 0,2 m), hvis der viser sig behov for dette. I givet fald må det forventes, at der vil være et tilsvarende behov for ny/revideret myndighedstilladelse. Det har været overvejet, om skybrudshændelser over Aarhus kan medføre behov for en udpumpningskapacitet, der er højere end de beregnede m 3 /s. Et hovedresultat er, at et skybrud kortvarigt (nogle minutter) kan øge vandføringen i åen med op til 8 m 3 /s. Det kan således vurderes, at med en pumpekapacitet, der opfylder kravet på m 3 /s, vil effekten af et skybrud kunne afværges, såfremt vandføringen i åen før skybruddet er under 6-9 m 3 /s. Skybrud og forhøjet havvandstand er to forskellige vejrfænomener. Skybrud forekommer fortrinsvis i sommermånederne, hvor varm atmosfære kan indeholde store mængder vand, og skybruddet forekommer i forbindelse med tordenvejr. Høj vandstand i havnen forekommer i forbindelse med bestemte passager er lavtryk i kombination med tidevand, og forekommer oftest i vinterhalvåret. I højvandssituationen november 2006 skyldes den høje vandstand, at stormen i Kattegat kom fra nord og vandet blev stuvet op i det sydlige Kattegat og på Jyllands østkyst. Der er meget lille sandsynlighed for at skybrud og kraftig vandstuvning forekommer samtidigt, da de to vejrtyper er så forskellige i natur, at når den ene forekommer, så er den anden udelukket. I sommerperioden, hvor skybrud forekommer, er vandføringen i åen mindre end 6-9 m 3 /s, hvorfor det planlagte projekt, hvis primære formål er at afværge oversvømmelser fra stigende havvandsstand, endvidere vil kunne afværge oversvømmelsesrisici fra skybrud over Aarhus. 28

7 På den baggrund er det anbefalet, at slusen dimensioneres med lukkekote +1,40 m, og at pumpestationen dimensioneres med en pumpekapacitet på 18 m 3 /s, dvs. med en lille reservekapacitet i forhold til de beregnede krav på m 3 /s. PROJEKTFORSLAG: SLUSE Slusebygværkets udformning og funktion Slusebygværket fremgår af nedenstående oversigtstegning. Slusen har til formål at sikre den indre by mod oversvømmelse som følge af høj vandstand i Aarhus Havn. 29

8 Slusen omfatter 4 sidehængte porte efter Hollandsk princip, der 2 og 2 lukkes i et V adskilt af en midterhelle i åen. Å-kassen har på stedet en bredde på 10,5 m. Med en midterhelle på 1,5 m i bredden, bliver bredden af åen på hver side af midterhellen 4,5 m. Hver port har en længde på ca. 2,5 m. Midterhellen deler åen i en nordlig og en sydlig slusesektion. Overkant af sluseporte vil være i kote +2,50 m svarende til overkant å-konstruktion (kajkant). Ved vandstande i Aarhus havn over kote +1,40 m vil sluseportene lukke. Til daglig vil sluseportene være lagt ind i å-væggen hhv. midterhellen og vil være helt plan med ny ydervæg af åen. Sluseporten vil således ikke fremstå som en dominerende konstruktion i å-billedet, men indgå som en naturlig og legal teknisk konstruktion i å-kassen. Slusebygværket bygges sammen med pumpestation Aarhus Å, der vil være den fysisk dominerende, men dog usynlige konstruktion på stedet. Slusebygværket fremhæves i å-forløbet ved en forhøjet kajkant på begge sider samt en markant midterhelle i samme højde. Sluseportene sidder ind i en reces i kajvæggen, som også gøres synlig i topelementet. De tre forhøjede elementer i å-forløbet vil give et klart og samlende billede af funktionen, og samtidig give et visuelt signal om tilstedeværelse af en fremtidig sikring af Aarhus bymidte. I kajvæggen på vestsiden sidder indløbs- og udløbsportene til pumpestationen. Disse sidder ligeledes ind i en reces, hvor portene flugter med yderside kajvæg. Vægge i recesser bag porte har samme overflade som øvrige kajvægge. I å-vægge og midterhelle etableres mulighed for afspærring af slusesektionerne enkeltvis Herved er sikret driftsadgang til sluseportene i den enkelte sektion. Adgang til midterhelle sker via båd eller kran med kurv. Betonoverfladen på slusebygværket på sydvestsiden samt midterhellen udføres med samme farve som øvrig kajkant i en grå tone. På nordøstsiden udføres betonen i en lys farve, som øvrig beton på denne side. Sluseportkonstruktion Hver sluseport er ca. 2,50 m lang og 4,25 m høj. Sluseportene skal være vandtætte uden spjæld for nødgennemløb. Sluseportene sidehængsles på åens vægge samt midterhelle. Tykkelse af sluseporte forventes maksimalt at være 300 mm med et fribord på bagsiden på 100 mm. Bunden i å-kassen hæves lokalt med mm opstrøms for sluseportene og afsluttes med et lodret spring således, at sluseportene i lukket tilstand ligger op ad dette spring. Frihøjde af sluseporte over bunden er ca. 150 mm således, at sedimenter i å-bunden ikke generer ved lukning af slusen. Konstruktionsmæssigt forventes portene udført som rammekonstruktion med vandtæt beklædning eller porte udført i træ (azobé træ) med beklædning på yderside. Alt i søvandsbestandige materialer. Beklædning på sluseportenes sider skal være rustfrisyrefast stål (pladetykkelse minimum 1,5 mm) efter nærmere specifikation fra arkitekten om struktur i overfladebeklædningen. Tætning mellem sluseporte og betonvægge skal være med tætningsprofiler i off-shore-kvalitet. 30

9 Mekanisme for lukning og åbning af sluseporte skal være hydraulik via enten hydraulikcylindre direkte påvirkende på sluseportene eller som tandstang hhv. momentarm via tandhjulsdrev. Hydrauliksystemet forsynes lokalt med mekanisme for manuel betjening i tilfælde af svigt i hydrauliksystemet. Der indrettes brønde bag sluseportene til montering af disse lukkeanordninger. Der vil være adgang til brøndene således, at service og reparationer kan finde sted. Adgang til brøndene fastlægges, når valg af lukke- og åbningsmekanisme foreligger. Brøndene forventes at være maksimal mm dybe, men bredde og længde vil være afhængig af lukkesystem. Hydraulikstation placeres i teknikrummet. Føringsrør for hydraulikslanger og signalkabler fra teknikrum føres i eller ovenpå betondækket og frem til brøndene. PROJEKTFORSLAG: PUMPESTATION Pumpestationens udformning og funktion Pumpestationen er underjordisk og kun synlig via adgangsdæksler og i alt 4 indløbs- og udløbsporte i å-væggen. Pumpestationen består af følgende indretning, jf. ovenstående oversigtstegning. Designprincipper og hydraulik Pumpestation og udløbskammer er designet efter tilgængelige rekommandationer (respektafstand mv.) for store pumpestationer samt CFD-beregninger (Computational Fluid Dynamics) af strømningsforholdene i pumpestationens indløbs- og udpumpningskammer. Der er placeret bølgebrydere i indløbsområdet foran pumpesumpene samt umiddelbart efter udløbsrøret fra hver pumpe. Bølgebryderne er placeret for at reducere turbulens ved tilløb til pumpesumpene, dvs. opnå rolige tilløbsforhold til pumperne. På udløbssiden er bølgebryder placeret for at udjævne jetstrømmen fra pumperne, således at der er en jævn strøm ud af pumpestationen. Geometrisk beregnede hastigheder gennem pumpestationen er beregnet som følger (forudsætning: Q Max = 18 m 3 /s tilløb samt 6 pumper á 3 m 3 /s): V Indløbsporte = 18 m 3 /s / (2 x 5,0m x (+1,40m (-1,25m)) = 0,68 m/s V Pumpesump = 3 m 3 /s / ( 2,4 m x (+1,4m (-3,0m)) = 0,28 m/s V Pumperør = ø1200 mm rør á 3 m 3 /s = 2,65 m/s V Udløbsporte = 18 m 3 /s / (2 x 5,0m x (+1,40m (-1,25m)) = 0,68 m/s Der er udført CFD-beregninger af strømningsforholdene gennem pumpestationen. Beregningerne er gennemført i forskellige scenarier med henblik på at redegøre for designets hydrauliske funktion under maksimal pumpedrift ligesom tryktab, turbulens og vandhastigheder er beregnet. Følgende konklusioner skal fremdrages af CFD-beregningerne: Vandtilstrømningen til pumperne er ensrettet og uden signifikant turbulens. Vandtilstrømningen er effektiv uanset én eller flere pumper i maksimal drift (Q P = 3 m 3 /s hhv. 18 m 3 /s). 31

10 Tryktab fra å-løbet opstrøms pumpestationen og til indløb til pumper er fordelt på ca. 150 mm. tryktabet over indløbsristen og få centimeter yderligere gennem pumpestationen. Pumpetrykket i udløbet ved maks. pumpedrift (Q max = 18 m 3 /s) er beregnet til ca. 0,16 mvs, hvoraf tryktabet over udløbsristene er ca. 0,14 mvs. Tryktab gennem kontraklap er ikke indregnet. Bølgebryderen i udløbet (nedstrøms) eliminerer jetstrømmen fra hver pumpe væsentlig. Mest vand løber gennem nedstrøms udløbsport. Bølgebryderen i indløbet, placeret iht. designrekommandationerne, skal drøftes nærmere med pumpeleverandørerne, idet effekten ikke er fuld identificeret. Hastigheden på udløbet fra pumpestationen varierer fra 0,13 m/s (vestlig port) til 0,86 m/s (østlig port. Dette indikerer at vandet trykkes gennem den østlige port med større kraft. Pumpestationen kan i byggeperiode for sluse fungere som by-pass for åen med et tryktab, som svarer til det samlede tryktab ved passage af skydeportene. KONKLUSION OG PERSPEKTIVERING Hydrologisk modellering har vist sig at være et værdifuldt værktøj til opstilling af designparametre for sluse og pumpestation. Lukkekote for sluse er fastsat til +1,4 m og behov for udpumpningskapacitet er fastsat til 18 m 3 /t. Projektet forventes udbudt på funktionskrav i foråret 2012 med henblik på udførelse i De indhøstede erfaringer vedrørende design, projektering og udførelse af dette projekt vil kunne anvendes i en række tilsvarende projekter, hvor der ligger en by ved hav/fjord og hvor der samtidig er udløb af større vandløb. 32