Feltundersøgelser ved Hjarbæk Fjord

Transkript

1 Feltundersøgelser ved Hjarbæk Fjord For at få indblik i hvordan forholdene er i Hjarbæk Fjord har projektgruppen i uge 38,, foretaget en række feltundersøgelser i fjorden. I dette kapitel beskrives formål, metoder, analyser og resultater af feltundersøgelserne. Beregninger findes i bilag A. I feltugen (uge 38) blev der bestemt hastighedsprofil i afvandingsslusen (herefter blot benævnt slusen) i Virksund-dæmningen, længdeprofil for forskellige parametre gennem Hjarbæk Fjord og Lovns Bredning samt flyderforsøg til bestemmelse af strøm i øvre og nedre lag. Disse tre hovedfelter behandles efterfølgende hver for sig. 6.1 Bestemmelse af hastighedsprofil i Virksund-slusen Formålet med at undersøge slusens hastighedsprofil er dels at kunne bestemme vandføringen gennem slusen som funktion af forskellen i vandspejl på hver side og dels at bestemme enkelttabet over slusen. Slusen, som består af 6 åbninger á 4 meters bredde, er vist på Figur 6.1. Undersøgelsen består dels af en detaljeret referencemåling af hastighedsprofilet i hele slusen samt en 1-timers måling af hastigheden i ét punkt i slusen. Figur 6.1 Afvandingsslusen i Virksund-dæmningen set fra Lovns Bredning 9

2 6.1.1 Metode til hastighedsbestemmelse Til både referencemålingen og 1-timers tidsserien anvendes propeller til hastighedsmåling, da dette ud fra egen erfaring er en simpel og pålidelig metode. Til referencemålingen er anvendt en propel monteret på en målsat stang, hvilket er hensigtsmæssigt ved måling af hastigheder i flere dybder over slusens tværsnit. Til 1-timers tidsserien er anvendt en frithængende propel, som indstiller sig efter strømretningen. Med passende tidsintervaller er strømhastighed og retning aflæst. Vandspejlskoterne på hver side af dæmningen er aflæst på målerne i kontrolbygningen midt på dæmningen. Disse målinger har vist sig at være fejlbehæftede, idet der ved samtlige observerede -flow gennem slusen er registreret 4 cm højere vandspejl i Hjarbæk Fjord end i Lovns Bredning. Derfor er alle målte vandspejlskoter på Lovns Brednings side i dette projekt korrigeret 4 cm op Referencemåling af slusens hastighedsprofil Ved at foretage en detaljeret kortlægning af slusens hastighedsprofil kan man senere begrænse sig til kun at måle i ét punkt ved måling af en længere tidsserie for vandføring som funktion af vandspejlsforskel. Det er også referencemålingen som muliggør bestemmelse af slusens enkelttab. Hastighedsvariation Hastigheden varierer både i slusens bredde og højde. Hastigheden gennem slusen er høj, idet det gennemstrømmede areal er lille i forhold til arealet i de omkringliggende farvande. Derfor forventes kun lille hastighedsvariation over slusens tværsnit. I bilag A.1.1 er det vist, at hastigheden i højden 1 m over bunden med god tilnærmelse kan anvendes som middelhastighed over hele dybden ved samtlige målinger. Jf. bilag A.1. er den horisontale hastighedsvariation erfaret at tage sig ud som skitseret på Figur 6.. Det viser sig, at hastigheden kun varierer nævneværdigt fra et fast niveau i de yderste to porte. Det formodes, at dette skyldes den førnævnte kraftige vandføring gennem slusen samt ringe friktion. Hastigheden i de fire midterste porte er generelt i størrelsesordenen -8% højere end middelhastigheden over det samlede gennemstrømmede areal (bilag A.1.). 3

3 Feltundersøgelser ved Hjarbæk Fjord Figur 6. Skitse af horisontal variation af hastighed i højden 1 m over bunden d kl. 1. Skitsen er ikke målfast. Bestemmelse af slusens enkelttab Modstandstallet, ζ, er for referencemålingen bestemt til: ζ = 1,1 vha. Carnot s formel (bilag A.). Denne værdi antages at gælde generelt for strømning gennem slusen timers variation af vandføring og vandspejlsforskel Efter at have udført referencemålingen af slusens hastighedsprofil udførtes d målinger af sammenhørende værdier af middelvandhastighed og vandspejlsforskel (bilag CD-A Måledata_energi.xls). Vandhastigheden blev målt midt i port 4 i 1 m s dybde. I referencemålingen (bilag A.1.3) er slusens samlede middelhastighed bestemt til 99,3% af hastigheden midt i port 4. Den målte hastighed kan da med god tilnærmelse forudsættes at være lig den samlede middelhastighed. Relationen mellem de to størrelser fremgår af Figur

4 :: 8:: 1:: 1:: 14:: 16:: 18:: :: Tid Hastighed*1 [m/s] Målt h [cm] Beregnet h [cm] Figur 6.3 Relation mellem middel-vandhastighed og hhv. målt og beregnet vandspejlsforskel d. 18/9. Positive hastigheder angiver strømning fra Hjarbæk Fjord til Lovns Bredning og vice versa. Det bemærkes, at der som forventet er netto udstrømning fra Hjarbæk Fjord. På Figur 6.3 er foruden de målte værdier angivet en beregnet teoretisk vandspejlsforskel (bilag A.). De beregnede vandspejlsforskelle (regnet positivt når vandet står højest på Hjarbæk Fjord siden) er generelt i størrelsesordenen 1 cm højere end de tilsvarende målte værdier. En væsentlig usikkerhedsfaktor i denne forbindelse er, at de målte vandspejlskoter er aflæst med en nøjagtighed på 1 cm. 6. Længdeprofil gennem Hjarbæk Fjord Den blev der foretaget målinger af en række parametre på udvalgte stationer langs et transekt gennem Lovns Bredning og Hjarbæk Fjord, jf. Figur 6.4. Dette blev gjort for at bestemme variationen af disse parametre i to dimensioner; i dybden og i farvandets primære horisontale trajektorie, som stort set er sammenfaldende med sejlrenden. 3

5 Feltundersøgelser ved Hjarbæk Fjord Figur 6.4 Rute gennem Lovns Bredning og Hjarbæk Fjord med angivne prøvetagnings-stationer. Figur 6.5 Automatisk logger klar til nedsænkning. For hver station blev følgende foretaget: - Aflæsning af UTM-koordinater samt vanddybde. - Måling af dybdevariation af salinitet, temperatur iltkoncentration og mætning vha. automatisk logger (Figur 6.5) dog ikke for station L-3. - Manuel måling af dybdevariation af salinitet vha. konduktivitetsmåler. - Måling af sigtedybde med Secchi-skive dog ikke for station H-5. - Udtagning af vandprøve på hver side af springlag til bestemmelse koncentrationer af forskellige N-forbindelser dog ikke ved station L-3 og H-3. Efterfølgende beskrives resultater af målingerne Salinitet De manuelle salinitetsmålinger vha. konduktivitetsmåler blev foretaget som kontrol af den automatiske logger. Med undtagelse station L-4 var der generelt god korrelation mellem de målte værdier ved de to metoder. Et eksempel på dette er vist på Figur 6.6. For station 33

6 L-4 er de manuelt målte data anvendt, idet dataene fra auto-loggeren viser faldende salinitet med dybden. Dybde [m] Salinitet [ ] Automatisk logger Manuel konduktivitetsmåler Figur 6.6 Salinitetens variation i dybden målt vha. hhv. automatisk logger og manuel konduktivitetsmåler ved station H-1. Ud fra de målte salinitetsprofiler er der optegnet isohaler i farvandets længderetning. Disse er vist på Figur 6.7. Station (km) Dybde (m) ,5 Bund Figur 6.7 Isohaler i Lovns Bredning og Hjarbæk Fjord. Saliniteterne er angivet i ppt Figur 6.7 viser hvordan det salte vand fra Lovns Bredning lægger sig under det relativt ferske vand i Hjarbæk Fjord, når det passerer slusen ved Virksund. Yderligere ses at det 34

7 Feltundersøgelser ved Hjarbæk Fjord relativt ferske vand efterhånden opblandes med mere salt vand på dets vej fra det indre Hjarbæk Fjord og ud i Lovns Bredning. Endelig afsløres en skarp haloklin i Hjarbæk Fjord, afspejlet i at isohalerne ligger tæt. 6.. Temperatur Målingerne viste markant forskel på temperaturprofilerne i hhv. Lovns Bredning og Hjarbæk Fjord. Figur 6.8 og 6.9 viser typiske temperaturprofiler for de to sider. Dybde [m] Temperatur [C] Figur 6.8 Temperaturprofil for station L-1 (Lovns Bredning). Dybde [m] Temperatur [C] Figur 6.9 Temperaturprofil for station H-4 (Hjarbæk Fjord) Af ovenstående figurer ses, at der i Lovns Bredning kun er en svag temperaturgradient i dybden, sammenlignet med i Hjarbæk Fjord, hvilket er ensbetydende med hhv. en svag og en skarp termoklin. Denne iagttagelse stemmer overens med, hvad der er observeret i forrige afsnit mht. placering af halokliner. Desuden er bundvandet i Hjarbæk Fjord omtrent samme temperatur som vandet i Lovns Bredning. Disse observationer tyder på, at det relativt homogene vand i Lovns bredning er blevet opvarmet i sommervarmen hvorefter det ved passage ind i Hjarbæk Fjord lægger sig som varmt bundvand pga. densitetsforskellen. Grunden til, at det relativt ferske overfladevand i Hjarbæk Fjord er koldere end saltvandet er, at det stammer fra overflade- og å-afstrømning, og ikke har været udsat for den samme opvarmning som vandet i Lovns Bredning Iltkoncentration Både i Lovns Bredning og Hjarbæk Fjord var det generelle billede, at der enten er næsten 1% iltmætning eller overmætning. Figur 6.1 og Figur 6.11 viser eksempler på iltkoncentrationer i hhv. Lovns Bredning og Hjarbæk Fjord. Udover nogle uregelmæssigheder i den øverste ½-1 m viser figurerne ovennævnte tendens. 35

8 Ilt mæt ning [ %] 5 1,5 1 1,5,5 3 3,5 4 4,5 15 Iltmætning [%] ,5 1 1,5,5 3 3,5 4 Figur 6.1 Dybdevariation af iltmætning ved station L- (Lovns Bredning). Figur 6.11 Dybdevariation af iltmætning ved station H-3 (Hjarbæk Fjord). Følgende må konkluderes, at under forudsætning af at loggeren måler korrekt er der ingen iltsvindsproblemer på lokaliteten på det undersøgte tidspunkt. Dette stemmer overens med amternes målinger i Skive Fjord og Lovns Bredning i den pågældende uge (Figur 6.13). I ugerne inden måletidspunktet har der været dage med kraftig vind, hvilket har muliggjort opblanding og geniltning efter det kraftige iltsvind i august (Figur 6.1). Figur 6.1 Iltsvind i Skive Fjord og Lovns Bredning i uge 35,. Mørk farve indikerer iltkonc. under mg/l. Hjarbæk Fjord er ikke med i overvågningsprogrammet. [Limfjordsovervågningen, b] Figur 6.13 Iltsvind i Skive Fjord og Lovns Bredning i uge 38, (Feltugen). Mørk farve indikerer iltkonc. under mg/l og skravering indikerer iltkonc. under 4 mg/l. Hjarbæk Fjord er ikke med i overvågningsprogrammet. [Limfjordsovervågningen, b] 6..4 Sigtedybde Figur 6.14 viser sigtedybden målt med Secchi-skive. Sigtedybden udviser ikke stor variation, hvilket formodes at være pga. den før omtalte opblanding som følge af vind. Der er ingen umiddelbar forklaring på, hvorfor en enkelt måling i Lovns Bredning antager en værdi væsentligt højre end de øvrige. 36

9 Feltundersøgelser ved Hjarbæk Fjord Dybde [m], 1,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, Station [km ] Dybde [m] Sigtedybde [m] Figur 6.14 Sigtedybde målt med Secchi-skive d Vandprøver til N-bestemmelse Ved de fleste stationer blev der udtaget en eller to vandprøver. Hvor der blev taget to prøver var disse hhv. over og under springlaget. I disse prøver blev koncentrationen af NH N, NO 3 - -N og NO - -N dobbeltbestemt (bestemmelse a og b) vha. auto-analyzer. Resultaterne ses på Figur 6.15 og Figur Dobbeltbestemmelserne viser, at der er relativt stor usikkerhed forbundet med koncentrationsbestemmelserne ppm L-1 m (a) L-1 m (b) L- m (a) L- m (b) L- 4m (a) L- 4m (b) L-3 4m (a) L-3 4m (b) L-4 3m (a) L-4 3m (b) Lokalitet og dybde NH4-N NO3-N NO-N Figur 6.15 Koncentrationer af N-forbindelser i vandprøver taget i Lovns Bredning. Prøvetagningsstationerne placering er vist på Figur

10 Lokalitet og dybde NH4-N NO3-N NO-N Figur 6.16 Koncentrationer af N-forbindelser i vandprøver taget i Hjarbæk Fjord. Prøvetagningsstationerne placering er vist på Figur 6.4. Af vandanalyserne ses det, at der i begge farvande forefindes nitrat i hele vandsøjlen. Dette er indikation på, at der er reduktionspotentiale i vandet, hvilket stemmer overens med den høje iltkoncentration, jf. afsnit Bestemmelse af strøm i øvre og nedre lag Den 19. september blev udført tre forsøg, hvis formål var at bestemme hvordan strømningerne var i hhv. de øvre og nedre lag, jf Forsøget blev udført på et tidspunkt, hvor vandspejlet stod højere i Hjarbæk Fjord end i Lovns Bredning. Der er opstillet den hypotese, at dette giver anledning til kraftigere strømning ud af Hjarbæk Fjord i det øvre lag end i det nedre, idet Hjarbæk Fjord s relativt ferske vand vil lægge sig øverst. Denne hypotese blev efterfølgende efterprøvet Metode Forsøget blev udført med flydere, hvis sejl blev tilpasset så én flyder havde sit sejl i det øvre lag (flyder nr. 1) og en anden flyder havde sit sejl i det nedre lag (flyder nr. 3). Springlagets beliggenhed blev bestemt vha. manuel salinitetsmåler, jf. afsnit Flyderne blev nedsænket på samme tid, og UTM-koordinater samt klokkeslet aflæstes på bådens GPS. Flyderne fik lov nu lov at bevæge sig ifølge strømretningerne i de respektive lag. Figur 6.17 viser en flyder med sejl i det nedre lag. Efter 1-15 minutter blev flyderne taget op, under samtidig aflæsning af koordinater og tidspunkt. Med information om koordinater og tidspunkter var det muligt at bestemme strømretning- og hastighed. 38

11 Feltundersøgelser ved Hjarbæk Fjord Figur 6.17 Flyder med sejl i det nedre lag. Det bemærkes, at det ser ud som om flyderen bevæger sig mod venstre, men i virkeligheden er det det øvre lag der bevæger sig mod højre i forhold til flyderen Resultater Der blev foretaget flyderforsøg tre steder; to nord for Virksund-dæmningen og ét syd for dæmningen. Lokaliteterne og bøjernes bevægelser ses på Figur 6.18 til Figur 6.. Bøje 1,16 m/s < 1 Bøje 3,4 m/s < 118 Figur 6.18 Lokalitet for flyderforsøg 1 og de to flyderes bevægelser. Bøje 1 har sejl i øvre lag og bøje 3 i nedre lag. 39

12 Bøje 1,9 m/s < 349 Bøje 3, m/s < 189 Figur 6.19 Lokalitet for flyderforsøg og de to flyderes bevægelser. Bøje 1 har sejl i øvre lag og bøje 3 i nedre lag. Bøje 1,9 m/s < 335 Bøje 3,6 m < 336 Figur 6. Lokalitet for flyderforsøg 3 og de to flyderes bevægelser. Bøje 1 har sejl i øvre lag og bøje 3 i nedre lag. Forsøgene nord for dæmningen, jf. Figur 6.18 og Figur 6.19, viser, at der er tydelig forskel på strømningerne i øvre og nedre lag disse steder. Det relativt ferske vand fra Hjarbæk Fjord strømmer ud i det øvre lag, mens der er en svag tilbagestrømning i det nedre lag. Herved er den opstillede hypotese underbygget for strømningen i Lovns Bredning. I Hjarbæk Fjord er forskellen mellem lagenes strømninger mindre, jf. Figur 6.. De går i samme retning med lidt højere hastighed i øvre lag. Der var forventet en stationær tilstand eller svag tilbagestrøm i nedre lag som situationen i Lovns Bredning. Grunden til at de nedre vandmasser bevæger sig i samme retning som de øvre kan evt. være overførte forskydningsspændinger fra øverste lag, eller rent tilfældig pga. turbulente forhold nær dæmningen. I Hjarbæk Fjord er den opstillede hypotese ikke modsagt, men heller ikke særlig godt underbygget. 4