Kristian Vestergaard, KVMF 1

Transkript

1 Disposition: Vandløbstyper Vandløbs forløb og dimensioner Hydrologi Vandstand, Stationering, længdeprofil, tværsnitsprofiler, tværsnitsparametre, opmåling Vandføringsmåling, hydrometriske målestationer, afstrømningsdata, klimaændringer Sammenhæng mellem vandstand og vandføring, Q-h kurver, grøde Vandføringsevne Hydrauliske beregninger Manningformlen, statiske og dynamiske vandspejlsberegninger, oversvømmelsesberegninger Målsætninger Spørgsmål Faunaklasser, fysisk indeks Kristian Vestergaard, KVMF 1

2 Fra Vandløb økologi og planlægning. Miljøstyrelsens Ferskvandslaboratorium 1984 Kristian Vestergaard, KVMF 2

3 Bekendtgørelse om regulativer for offentlige vandløb 3. Regulativet skal indeholde en tydelig betegnelse af vandløbet samt oplysning om målsætningen for vandløbet og om de ved og i vandløbet beliggende anlæg. Regulativet skal være bilagt et kort, der viser vandløbets beliggenhed og er forsynet med identifikation af de enkelte stationeringer. Regulativet skal endvidere indeholde bestemmelser om 1) vandløbets skikkelse og/eller vandføringsevne, herunder regulativvandstande, 2) vandløbets vedligeholdelse, herunder om vedligeholdelsesarbejdets udførelse, om bortskaffelse af fyld og grøde samt om sikring af drænudløb, 3) regler om ændring i retten til sejlads i forhold til lovens 4, 4) beliggenhed, udstrækning m.v. af anlæg m.v., der er etableret i forbindelse med vandløbsrestaurering, 5) friholdelse af arealer langs vandløb, herunder arbejdsareal og 2 m-bræmmer, 6) drift af stemmeværker, 7) hegn og kreaturvanding, 8) beplantning og bevarelse af skyggegivende vegetation, 9) udløb for dræn- og spildevandsledninger, 10) broer, bolværker og lignende, 11) opstemningsanlæg, herunder flodemål m.v., 12) tilrettelæggelse af vandløbsmyndighedens tilsyn, herunder om lodsejeres og andre interesseredes medvirken ved tilsynet samt om samarbejde med andre myndigheder, 13) revision af regulativet og 14) datoen for regulativets ikrafttræden. Kristian Vestergaard, KVMF 3

4 Eksempel på stationering og dimensioner fra et regulativ Kristian Vestergaard, KVMF 4

5 Husk at Et længdeprofil oftest er optegnet udfra relativt få punkter/pejlinger, typisk måles der et tværsnitsprofil for hver meter, mens der indimellem kan foretages ekstra bundpejlinger At forløbet oftest tegnes som lineært mellem de målte punkter At tjekke hvilke punkter man har valgt at lade repræsentere brinker/teræn At brinkforløbet ikke altid viser de laveste brinkområder At bundforløbet typisk optegnes udfra de dybeste punkter i profilet, - der er altså ikke middelbunden der vises, hvilket kan snyde At tjekke hvilket vandspejlsforløb der er tale om opmålt/registreret eller et beregnet At alle tilløb ikke nødvendigvis er blevet registreret Kristian Vestergaard, KVMF 5

6 Husk at: Et profil opmåles ved hjælp at pejling af et begrænset antal punkter At forløbet mellem punkterne oftest antages at være lineært At der kan være utrolig stor tværsnitsvariation indenfor få meter At opmålerens valg af profil derfor er meget vigtigt og bør tilpasses formålet med opmålingen, f.eks: En kontrolopmåling af et vandløbs skikkelse kan passende ske ved at der udvælges profiler der er repræsentative for en strækning Mens en opmåling der skal anvendes til hydrauliske beregninger helst skal vise alle væsentlige tværsnitsændringer På baggrund af et opmålt profil kan der ske en beregning af tværsnitsparametrene, som skal bruges såfremt der skal foretages hydrauliske beregninger, eller f.eks. sammenlignes tværsnitsarealer. Da der ikke er tale om en veldefineret geometrisk figur, sker beregningen ved en såkaldt numerisk tværsnitsanalyse. For en given vandspejlsplacering kan tværsnittet inddeles i en række simple geometriske figurer, for hvilke f.eks. tværsnitsarealet relativt nemt kan beregnes, hvorefter det samlede tværsnitsareal findes ved at summere delarealerne. Tilsvarende kan den våde perimeter (den længde som vandet er i kontakt med bund/brinker) findes, da der jo findes koordinater for hvert pejlepunkt. Hydraulisk radius er en størrelse der viser forholdet mellem gennemstrømningsarealet og den længde hvorover der er strømningsmodstand pga. friktion mod bund/brinker, og kan derfor lidt hen ad vejen opfattes som et udtryk for vandføringsevnen. Kristian Vestergaard, KVMF 6

7 Husk at: Formålet med opmålingen har betydning for hvorledes den foretages Holde styr på kotesystemet Kristian Vestergaard, KVMF 7

8 Svømmermåling (æblemetoden) Vandføringen = strømningshastigheden ganget med tværsnitsarealet Q = V * A Dette er den mest grundlæggende hydrauliske formel der findes. Tværsnitsarealet findes med at måle bredden af vandspejlet og gange denne med den gennemsnitlige vanddybde A = bredde * dybde (resultat i m 2 ) Svømmermåling (æblemetoden) 2 Strømningshastigheden findes ved at måle hvor lang tid det tager en svømmer (f.eks et æble eller en halvfyldt flaske) at flyde en bestemt længde f.eks 5 meter. Hvis det tager kortere tid end 15 sekunder at flyde de 5 meter, forøges længden. Strømninghastigheden i meter per sekund findes ved at dividere den tilbagelagte længde målt i meter med den målte tid i sekunder. V = længde / tid (resultat i m/sek) Vandspejlsbredde i meter Gennemsnitlig vanddybde i meter Start stopur Stop stopur Længde i meter som svømmeren skal flyde Svømmermåling (æblemetoden) 3 Derfor ganges der med en korrektionsfaktor, hvilket er et tal mellem 0 og 1. Korrektionsfaktoren k afhænger af hastighedsvariationen over tværsnittet, og kan ifølge Hedeselskabet sættes til mellem 0,5 (tværsnit med grøde i siderne) og 0,7 (rent tværsnit). KV har dog erfaring for at værdien i rene tværsnit godt kan være 0,8. Så vores beregningsformel bliver derfor til Q = k * V * A (resultat i m 3 /sek) Eksempel: I et 3 meter bredt vandløb skønnes gennemsnitsdybden til 0,4 meter. Tværsnitsarealet A beregnes til 3 meter * 0,4 meter= 1,2 kvadratmeter En svømmer tager 20 sekunder om at tilbagelægge 8 meter. Strømningshastigheden V beregnes til 8 meter / 20 sekunder = 0,4 meter per sekund Vandløbstværsnittet er nogenlunde rent og korrektionsfaktoren k skønnes til 0,7 Vandføringen beregnes til 0,7 * 0,4 m/sek * 1,2 m 2 = 0,336 m 3 /sek = 336 l/sek Vandføringen er mængden af vand per tid Kært barn har mange navne: Vandføring = flow = volumenstrøm = afstrømning =? Kært barn måles i mange enheder: F.eks. liter per sekund (l/sek) eller kubikmeter per sekund (m 3 /sek) eller kubikmeter per time (m 3 /t) eller kubikmeter per dag (m 3 /d) eller? Omregning mellem enheder: 1 kubikmeter er det samme som 1000 liter (1 m 3 = 1000 l) 1 time er det samme som 60 minutter eller 3600 sekunder 1 dag er det samme som 1440 minutter eller sekunder Eksempler: 100 l/sek = 3600 x 100 l/t = l/time 100 l/sek = 100 / 1000 m 3 /sek = 0,1 m 3 /sek 100 l/sek = / 1000 x 100 m 3 /d = 8460 m 3 /d Kristian Vestergaard, KVMF 8

9 Stationsdata Administrative oplysninger I nogle vandløbssystemer findes der hydrometriske stationer, hvor vandføringen måles kontinuert. Pga af disse målinger kan der udarbejdes afstrømningsdata, som bl.a. kan danne baggrund for beregning af den specifikke afstrømning Kristian Vestergaard, KVMF 9

10 Husk at: Afstrømningsmålinger oftest vises som døgnmiddelværdier, hvilket betyder at der er forekommet større eller mindre afstrømninger end de viste Afstrømningsmålinger er baseret på måling af vandspejlskoten, som herefter omregnes til vandføring via en kalibreringsformel/kurve, der er baseret på regelmæssige målinger af vandføringen ved hjælp af f.eks. Vingemålinger Der derfor er en vis usikkerhed på afstrømningsværdierne Hvad gør man hvis der ikke findes en hydrometrisk station i det vandløb, man gerne vil kende afstrømningsværdier for? Man finder en nærliggende hydrometrisk station, hvis opland er sammenligneligt med det aktuelle opland. Dvs. mht topografi, arealanvendelse, bebyggelse og andre forhold som kan have betydning for afstrømningsrytmen. Hvis dette er OK kan man bruge de målte specifikke afstrømninger for det aktuelle opland, da den specifikke afstrømning jo netop er arealvægtet. Hvis der findes enkelte vandføringsmålinger (vingemålinger) i det aktuelle vandløb kan man anvende disse til at justere de overførte værdier. Hvis f.eks. Der i begge vandløb findes en vandføringsmåling fra det samme tidspunkt, og der er en forskel på 10% på de specifikke afstrømningsværdier, da kan man justere de overførte data med 10 %. Men vær opmærksom på at den observerede forskel ikke nødvendigvis behøver at være repræsentativ for alle årstider og afstrømningssituationer, så pas på. Kristian Vestergaard, KVMF 10

11 Figur fra Vandløb økologi og planlægning, Miljøstyrelsens Ferskvandslaboratorium, Eksempler på specifikke afstrømninger (fra DMU, faglig rapport 340, 2000): Kristian Vestergaard, KVMF 11

12 Eksempler på karakteristiske afstrømninger: Øjebliksvandføring (måles f.eks. ved en vingemåling) Timemiddel Døgnmiddel (typisk værdi fra vandføringsstation) Døgnmaximum Månedsmiddel (simpel middelværdi af månedens døgnmidler) Årsmiddel (simpel middel af årets døgnmidler) Sommermiddel (simpel middel af døgnmidler fra maj til september) Vintermiddel (simpel middel af døgnmidler fra oktober til april) Median (median af døgnmidler over et år = 50 % fraktilen) X%-fraktil (døgnmiddel som x % af årets døgnmidler ligger under) Årsminimum (mindste døgnmiddel i løbet af året) Medianminimum (median af årsminimum over en årrække) Årsmaksimum (største døgnmiddel i løbet af året) Medianmaximum (median af årsmaximum over en årrække) 5-års maximum (årsmaximum som opnås 1 gang hvert 5. år) 10-års maximum (årsmaximum som opnås 1 gang hvert 10. år) 5 døgns minimum (minimum af døgnmiddelvandføringen over 5 døgn) 5 års maximum af 5-døgns glidende minimum + mange mange andre Kristian Vestergaard, KVMF 12

13 I gennemsnit ud over landet faldt der hele 321 millimeter nedbør i sommeren Det er 133 millimeter eller 71 % over normalen for Det blev den andenvådeste sommer registreret siden de landsdækkende nedbørmålinger startede i Rekorden for den vådeste sommer er 323 millimeter nedbør fra Den tørreste sommer er fra 1976, hvor der blot faldt 49 millimeter nedbør. Der var store forskelle henover landet. Mest nedbør kom der i regionen Fyn med 372 millimeter i gennemsnit (normal 173 millimeter), mens der i Midt- og Vestjylland kom mindst med 271 millimeter for regionen i gennemsnit (normal 196 millimeter). Alle tre måneder var vådere end normalt. Juli 2011 blev endda den syvende vådeste registreret siden 1874 og august 2011 den ottende vådeste. Større dominerende regnvejr med regn af varierende mængder til hele landet passerede ved fem lejligheder i juni Første gang var den 6. juni med kraftig regn og lokale skybrud i det østlige Danmark. Et par dage efter, den 8-9. juni, blev der registeret kraftig regn og lokale skybrud med hovedvægt i Jylland og på Fyn. Den 16. juni var der regn til hele landet igen med enkelte skybrud og lokalt kraftig regn, mest i det centrale Jylland. Den 22. juni blev det til enkelte skybrud og lokalt kraftig regn, mest på Sjælland og endelig den juni en hel del regn i en stribe ned igennem det centrale Danmark med lokalt skybrud. Store dele af juli 2011 var meget regnfuld med flere store regnvejr specielt i den østlige del af landet. Stort set hele Storkøbenhavn blev tidlig lørdag aften 2. juli 2011 ramt af et overordentligt voldsomt skybrud, der medførte omfattende vandskader på veje og bygninger. Hvis man medtager regnen fra den varmfront der passerede landet tidligere på dagen, kom der op mod 150 millimeter regn i området som det højeste målte. Normalen for København og Nordsjælland er 67 millimeter for hele juli, så det svarer til over to (2) gange månedsnormalen for området. Flere kraftige regnvejr dominerede tillige august Lige i starten af måneden den 1. august trak kraftige byger ned over landet, og i den nord- og østlige del gav det anledning til kraftig regn og spredt torden og flere steder skybrud på Sjælland. Næstved fik endda skybrud to dage i træk. Den 6. august var den gal igen med kraftig regn og skybrud i det syd- og sydøstlige Danmark med en del lyn og torden. Den 8. august gav kraftige byger igen rigelige mængder af regn, igen med skybrud flere steder i landet. Søndag den 14. august fik landet atter masser af vand, igen med skybrud flere steder. Kun Bornholm gik næsten fri. Den august trak regn og torden igen ind over landet. Det gik igen hårdest ud over den sydlige del af landet, hvor enkelte steder fik skybrud. Den august gav en frontpassage kraftigt tordenvejr, masser af regn og flere skybrud til landet. Den 28. fortsatte bygerne, der først klingede af i løbet af den 29 (uddrag fra Kristian Vestergaard, KVMF 13

14 Fra Kristian Vestergaard, KVMF 14

15 Fra Klimaændringer i Danmark beregnet med DMIs regionale klimamodel HIRHAM5 på baggrund af fremskrivninger foretaget med den globale klimamodel ECHAM5 i forbindelse med EU-projektet ENSEMBLES. Alle tal i tabellen er ændringer for perioden i forhold til normalperioden Kristian Vestergaard, KVMF 15

16 Kristian Vestergaard, KVMF 16

17 Husk at: Vandstanden målt ved hydrometriske stationer oftest vises som døgnmidler At f.eks den absolutte maksimumsvandstand kan have været væsentlgt højere ved korte intense afstrømningsforløb, f.eks. Forårsaget af stor overfladeafstrømning/tilledning fra urbane områder På samme måde som for vandføringen kan man tale om statistiske værdier for vandstanden eller vandspejlskoten, enten på baggrund af målte eller beregnede vandstande. Et nyligt eksempel herpå er den af Obicon definerede dyrkningsspecifikke afvandingsdybde, som er en afledt værdi af vandstanden i vandløbet. I korte træk er grundlaget for denne følgende: Først beregnes døngmiddelvandføringen i stationen Dernæst beregnes døgnmiddel vandstanden, f.eks vha VASP Så beregnes en 5-døgn glidende middel af den beregnede døgnmiddelvandstand Heraf findes en 5-års maximum, Se yderligere herom i rapporten Konsekvensanalyser Kristian Vestergaard, KVMF 17

18 Sammenhæng mellem vandføring og vandstand Alt andet lige vil vandstanden i et vandløb stige med stigende vandføring, som illustreret på nedenstående figur. Såfremt strømningsmodstanden er konstant f.eks udelukkende opstår via friktion mod bund og brinker (hvilke normalt kun undergår langsomme ændringer), da vil der eksistere en eentydig sammenhæng mellem vandstand og vandføring. Denne sammenhæng kaldes normalt for en Q-h sammenhæng i grafisk afbildning for en Q-h kurve. Kristian Vestergaard, KVMF 18

19 Hydraulisk betydning af grøde: I mange vandløb forekommer der betydende grødemængder. Når vandet skal strømme gennem grøden eller uden om kompakte grødebanker sker der et energitab grøden yder modstand mod strømningen. Det betyder at strømningsmodstanden vokser ved voksende grødemængde, hvilket medfører at vandstanden stiger, jf. nedenstående figur. I mange grødefyldte vandløb er grødemængden og fordelingen af denne den altafgørende faktor for den samlede strømningsmodstand. Dette betyder at der ikke eksisterer en eentydig sammenhæng mellem vandstand og vandføring, dvs. én Q-h kurver, men derimod en hel sværm af Q-h kurver, som repræsenterer hver sin grødesituation. I takt med at grøden vokser skifter Q-h sammenhængen løbende. Kristian Vestergaard, KVMF 19

20 Vandstand , , , ,5 Vandføring Kristian Vestergaard, KVMF 20

21 Bruges til overslagsberegninger og dimensionering/design. Forudsætter at der ikke er variationer i længde- og tværsnitsprofiler I princippet er der ringe sammenhæng med virkeligheden, men med fornøden omhu og forsigtighed kan metoden anvendes i praksis Normalt anvendes en friktionstabsformel, i DK oftest: Manningformlen: V = M * R 2/3 * I 0 1/2 (Q = V * A) Hvor V: Hastighed (m/sek), M: Manningtal (m 1/3 /sek), R: Hydraulisk radius (m), I 0 : Vandspejlshældningen (-), Q: Vandføring (m 3 /sek), A: Tværsnitsareal (m 2 ) Energitabet beskrives ved Manningtallet M, eksempelvis (men større/mindre værdier kan forekomme): Stort vandløb uden grøde: M = (Vandspejlsbredde >10m) Mindre vandløb uden grøde: M = (Vandspejlsbredde 5-10m) Mindre vandløb med grøde: M = Lille vandløb med grøde: M= 5-10 (Vandspejlsbredde < 5m) Disse værdier forudsætter at der anvendes hydraulisk radius Håndregning, lommeregner eller regneark. Modeller kan selvfølgeligt også! Kristian Vestergaard, KVMF 21

22 Bruges til analyse/konsekvensberegninger. Resultatet er et sammenhængende vandspejlsforløb for en given afstrømningssituation Forudsætter typisk lineære variationer i tværsnitsforhold og Manningtal Kan give virkelighedsnære resultater såfremt der er et rimeligt kendskab til tværsnitsforholdene, variationenen i Manningtal, samt tilstrømningsfordelingen. Eventuelt bestemmes Manningtalsvariationen ved kalibrering. Normalt anvendes energiligningen ( energiregnskab ) Energiniveauet i snit A = energiniveauet i snit B +/- energitabet mellem A og B Energitabet beregnes oftest ved Manningformlen + eventuelt enkelttabsformel Alternativt kan der anvendes en differentialligning for uensformig strømning Manuel beregning er omfattende, men et regneark kan dække behovet i mange tilfælde. Der findes tre danske kommercielle computermodeller på markedet, nemlig VASP (Orbicon), PROKA (NIRAS) og Mike11 (DHI) Kristian Vestergaard, KVMF 22

23 Bruges til analyse/konsekvensberegninger. Resultatet er et tidsvarierende vandspejlsforløb for en given variation i tilstrømningen. Forudsætter typisk lineære variationer i tværsnitsforhold og Manningtal Kan give virkelighedsnære resultater såfremt der er et rimeligt kendskab til tværsnitsforholdene, variationenen i Manningtal, samt tilstrømningsfordelingen og dennes tidsvariation. Eventuelt bestemmes Manningtalsvariationen ved kalibrering. Beregningen sker ved numerisk løsning af Saint Venants ligninger Kontinuitetsligningen: Massebevarelse af vand Impulsligning: Balance for bevægelsesmængde/impuls Ligningerne løses numerisk ofte ved finite differenser Manuel beregning er umulig, og anvendelse af regneark vurderes som en yderst krævende opgave Der findes en enkelt dansk kommerciel computermodel på markedet, som kan klare opgaven, og det er Mike11 (DHI) Kristian Vestergaard, KVMF 23

24 Modellering af vandløbsoversvømmelser: Stationært vandspejl i vandløb trækkes ud i vandløbsdalen Tværsnitsprofiler udvides til at omfatte hele vandløbsdalen Magasineringsfunktion i MIKE11 Vandløbsdalen beskrives ved parallelle vandløb i MIKE11 Vandløbsdalen beskrives ved brede sidetilløb i MIKE11 Vandløbsdalen modelleres særskilt med Mike 21 Hvornår skal man vælge en MIKE FLOOD model og ulemper herved? Tidsvarierende strømning, f.eks. urban afstrømning Når der er behov for at modellere strømningen på terræn/udbredelsen af oversvømmelsen Når der er behov for gode illustrationer Tung beregning store datamængder små tidsskridt Mange trin i opsætningen Formentligt mindre relevant ved store vandflader Risiko for overtolkning af resultater Mange gennemsnitsdata Kristian Vestergaard, KVMF 24

25 I mange år har man i Danmark arbejdet med de såkaldte fiskevandsmålsætninger for vandløb, men snart er dette historie, idet de kommende vandplaner opererer med de såkaldte faunaklasser. Nedenfor ses et eksempel på fordelingen af de forskellige fiskevandmålsætninger i det gamle Ringkøbing Amt. Kristian Vestergaard, KVMF 25

26 Klip fra Forslag til vandplan for Hovedvandopland 1.7 Århus Bugt. Kristian Vestergaard, KVMF 26

27 Kristian Vestergaard, KVMF 27

28 Litteratur: Vandløb økologi og planlægning. Miljøstyrelsens Ferskvandslaboratorium, 1984 Q-H kurver for grødefyldte vandløb. K. Vestergaard, T. Larsen, J.O. Frier, Aalborg Universitetecenter, 1991 Vandløbene ti år med den nye vandløbslov. Miljøstyrelsen. Miljønyt nr. 13/1995 Afstrømningsforhold i danske vandløb. Faglig rapport fra DMU nr. 340, 2000 Teknisk anvisning for gennemførelse og beregning af vandføringsmålinger. DMU, 2003 Fysisk kvalitet i vandløb. Faglig rapport fra DMU nr. 590, 2006 Bekendtgørelse om regulativer for offentlige vandløb 1437/2007 Udarbejdelse af vandløbsregulativer. Skov og Naturstyrelsen, 2007 ( Grødeskæring i vandløb, erfaringsopsamling. By- og Landskabsstyrelsen (Orbicon), 2008 ( Vejledning om grødeskæring i vandløb. By- og Landskabsstyrelsen (Orbicon), 2008 ( Forslag til Vandplan for Hovedvandopland 1.7 Århus Bugt. By- og Landskabsstyrelsen, høring oktober 2010 Konsekvensanalyser af ændret grødeskæring i vandløb. Landbrug og Fødevarer (Orbicon), 2011 ( Kristian Vestergaard, KVMF 28