SJÆLSØ BOLVÆRKET APS Teglholmen Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet ADRESSE COWI A/S Parallelvej 2 2800 Kongens Lyngby TLF +45 56 40 00 00 FAX +45 56 40 99 99 WWW cowi.dk TEKNISK NOTAT INDHOLD 1 Indledning og formål 1 2 Hydraulisk model 3 2.1 Modelbeskrivelse 3 2.2 Bathymetri 4 2.3 Randdata 5 2.4 Verifikation 5 3 Vandskiftemodellering 6 3.1 Beregningsmetode 7 3.2 Beregning af opholdstid 9 3.3 Resultater 13 4 Marinbiologisk vurdering 14 5 Referencer 15 BILAG Bilag A Teknisk dokumentation 16 PROJEKTNR. A045034-001 DOKUMENTNR. VERSION 0.2 45034-hydmodel-01 UDGIVELSESDATO 28. oktober 2013 UDARBEJDET KONTROLLERET GODKENDT CRJ, MORH, SADA, PNAN UVA 1 Indledning og formål Projektet er med etablering af kanaler og boligøer på Teglholmen er omfattet af Tillæg nr. 3 til lokalplan nr. 310 "Teglværkshavnen" med tilhørende tillæg til Kommuneplan 2005. Lokalplanen er bekendtgjort den 4. marts 2009. Ifølge lokal-
2/17 Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet planen er det nødvendigt med en undersøgelse af vandgennemstrømningen i de kommende kanaler for at verificere, at der ikke opstår vandområder med ringe vandudskiftning og dermed forringet vandkvalitet. Denne modellering er beskrevet i dette notat. Den efterfølgende vurdering af de mulige påvirkninger på det marine økosystem er baseret på de ændringer af opholdstider, der fremgår af den hydrauliske modellering. Påvirkninger fra sedimentspredning under anlægsarbejdet er ikke medtaget, da der forventes at være et minimalt sedimentspild ved den type af anlægsarbejde, hvor der anvendes spunsvægge. En overordnet illustration af projektet er vist på Figur 1-1 og Figur 1-2. Figur 1-1 Overordnet illustration af projektet på Teglholmen. Gravningen af kanaler og anlæg af boligøer på opfyldningen vil have en varig og irreversibel virkning på miljøet. Opfyldningen af boligøerne vil potentielt kunne påvirke vandgennemstrømningen i Københavns Havn. Anlæg af kanaler kan medføre dårlig vandkvalitet i dele af disse, hvis det ikke kan sikres, at der sker en passende vandudskiftning. Gennemstrømningsforholdene og vandudskiftningen er derfor undersøgt ved hydraulisk modellering.
Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet 3/17 Figur 1-2 Google Earth billede af de eksisterende forhold vist sammen med udbygningsplanerne for Teglholmen. Vanddybderne er angivet med farveskala. Modellens netværk er ligeledes vist på vandområderne. 2 Hydraulisk model Metodebeskrivelsen omfatter en kort beskrivelse af modelværktøjet, af bathymetrien (dybdeforholdene) i modelområdet, og af de anvendte tidsserier, som styrer modellen. 2.1 Modelbeskrivelse Til modellering af de hydrauliske forhold er anvendes modelsystemet MIKE21 FM, som er et kommercielt program, der udvikles af DHI Water & Environment i Hørsholm (www.dhi.dk). MIKE21 er en omfattende modelleringssystem for 2 dimensionale strømninger med fri overflade. At modellen er 2-dimensional betyder, at den integrerer alle tilstandsvariable over vanddybden. Det medfører, at den gennemsnitlige tilstand angives for hvert sted og hvert tidspunkt, mens variationer over dybden, som f.eks. lagdeling, ikke beskrives. Modellen kræver en modeltopografi (bathymetri) og er styret af tidsserier for vind, vandstand og /eller vandføring. Modeloutput er tidsserier for udvalgte parametre, som igen kan behandles, så de gengives som kort over f.eks. iso-linjer, hastighedsvektorer, overskridelsesrisiko, o.a. Modellen er struktureret med et fleksibelt maskenet (Flexible Mesh = FM), som tilpasses til de lokale forhold, således at snævre passager opløses med et meget fint net, mens maskevidden er større i større områder med mere ensartede strømning. Den anvendte MIKE21 modellering omfatter følgende moduler: Hydrodynamik (HD): Dette modul beskriver vandstand og vandføring i hvert punkt til enhver tid.
4/17 Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet Advektion og Dispersion (AD): Dette modul beskriver transport og fortynding af opløst stof (tracer). Transporten foregår advektivt med strømmen og dispersivt på grund af den turbulente blanding. Stoffet behandles konservativt, dvs. det skifter ikke identitet f.eks. ved henfald, kemiske eller biologiske processer. 2.2 Bathymetri Bathymetrien eller bundforholdene er vist for den eksisterende situation i Københavns Havn i ved Frederiksholmsløbet og Teglværkshavnen, se Figur 2-1 og for forholdene efter etablering af byggeprojektet på Teglholmen, se Figur 2-2. Figur 2-1 Modelbathymetri af Københavns Havn omkring Teglholmen inden udbygning af projektet.
Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet 5/17 Figur 2-2 Modelbathymetri af Københavns Havn omkring Teglholmen efter udbygning af projektet. 2.3 Randdata Modelleringen skal beskrive de hydrauliske forhold, der gælder for den kommende permanente situation under forhold, der er realistiske men ugunstige for miljøet. Dermed er modelleringen "på den sikre side" af de mulige udfald, og analysen betegnes også som "konservativ". Til modelleringen vælges en periode på ca. 1 måneds varighed,i en relativ rolig sæson (sommer) for dermed at give betingelser, som favoriserer dårlige miljøtilstande. På den måde modelleres forhold, som er værre end i gennemsnittet. Ud over vandstande er det ofte relevant at se på vindens påvirkning af vandoverfladen. I tilfældet af Københavns Havn antages vindens effekt på de hydrauliske forhold, at være ubetydelig sammenlignet med vandstandsforskellene. 2.4 Verifikation Modellen anvendes med standardværdier for modstand og dispersion. For at verificere modstanden, vises sammenligning mellem målte, tidligere modelerede og de aktuelt modelleret vandstande, se Figur 2-4. Beliggenhed af verifikationspunkterne og tidsserierne for vandstandene er vist på Fejl! Henvisningskilde ikke fundet.figur 2-3. Modellens resultater er sammenlignet med resultaterne fra overregional model (DHI, Farvandsmodellen). Dermed vises, at den nuværende model er i overensstemmelse med en tidligere modelberegning for hele regionen.
6/17 Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet Figur 2-3 Beliggenhed for punkterne til verifikation af vandstadsmodelleringen Figur 2-4 Tidsserie for vandstandsmålinger på de to verifikationspunkter vist i Figur 2-3.Fejl! Henvisningskilde ikke fundet. Ovenstående viser at modelleringen er i overensstemmelse med de tidligere gennemførte regionale modelleringer. 3 Vandskiftemodellering Vandskiftemodelleringen beskrives i følgende tre afsnit: Beregningsmetode Modelleringen af konsekvensen af udbygning af Teglholmen baseres på fortynding af et ikke henfaldende (konservativt) stof, som antages at være til stede i modelom-
Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet 7/17 rådet med en initial koncentration, i dette tilfælde på 100 %. Fortyndingen modelleres derefter i den hydrauliske model. Beregning af opholdstid Den resulterende tidsserier for koncentration behandles derefter for at beregne opholdstiden på forskellige steder i modelområdet. Resultat De beregnede opholdstider præsenteres derefter i en resultattabel. 3.1 Beregningsmetode I en tænkt situation hvor hele vandområdet i Teglholmen får påtrykt en imaginær koncentration af en tænkt tracer (sporstof) på 100 %, kan det modelleres, hvordan vandstandsvariationerne på modelrandene vil give anledning til strømninger, der sammen med dispersionen efterhånden vil fortynde denne udgangskoncentration. Restkoncentrationen vil asymptotisk nærme sig nul efter meget lang tid (Figur 3-1). Opholdstiderne for forskellige dele af modelområdet er beregnede, som den periode det tager, indtil 63 % af vandet i det pågældende område er erstattet af vand fra Øresund og Køge Bugt. Denne tidsskala benævnes T 63 (se forklaring i fakta boks). Denne tidsskala er valgt, fordi den svarer til en "betydelig reduktion, der typisk vil kunne detekteres ved målinger uden at kræve alt for lang tid. Fakta boks Et generelt koncentrationsforløb kan beskrives ved en eksponentiel henfaldsfunktion baseret på teorien om det lineære reservoir. For koncentration c der har en udgangskoncentration på c o til tidspunktet t=0 gælder: c(t)/c o = exp(-t/t), hvor t er tiden og T tidsskalaen. Til tiden t=0 vil koncentrationen c(0)/c o være exp(0)=1. Til tidspunktet t=t vil koncentrationen c være lig med exp(-1)=0,37. Koncentrationen er altså faldet fra 1,00 til 0,37, svarende til en reduktion med 63 %. Figur 3-1 Illustration af et eksponentielt koncentrationsforløb med tiden t (blå kurve) samt af illustration af tidsskala T 63 med tilhørende restkoncentration på 37 %.
8/17 Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet En simulering af vandskifte er illustreret i det følgende. Ved start fyldes hele kanalområdet i Teglholmen med en tænkt koncentration på 100 kg/m 3 =100 g/l af et imaginært stof (tracer), se Figur 3-2 (også kaldet 100 %). Figur 3-2 Illustration af koncentrationsforløb ved start af vandskiftemodellering for hele Teglholmen området. Efter 30 dages simulering ses følgende koncentrationsfordeling, se Figur 3-3. Figur 3-3 Illustration af koncentrationsforløb efter 30 dages simulering med etablering af Teglholmen. Udgangskoncentration var 100.
Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet 9/17 Ovenstående illustrerer, at koncentrationen i havneløbet og i udbygningens kanalsystem er relativ ens mens koncentrationen i de indre dele af Teglværkshavnen og af Frederiksholmløbet stadig er præget af høje koncentrationer og dermed af dårligt vandskifte. 3.2 Beregning af opholdstid Resultaterne kan alle henføres til det ovennævnte lineære magasins teori, hvor fortyndingen af koncentration C kan beskrives som et simpelt eksponentielt henfald For forskellige positioner i kanalsystemet, se Figur 3-4, er opholdstiden beregnet og givet i Tabel 3-1. Figur 3-4 Positioner på de lokaliteter hvor opholdstiden er beregnet. Lokalitet 1: Havneløbet, Lokalitet 2: Frederiksholmsløbet midt, Lokalitet 2B Frederiksholmsløbet ydre, Lokalitet 4: Ny kanal, Lokalitet 5: Frederiksholmsløbet indre.
10/17 Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet Figur 3-5 Modelleret koncentrationsforløb på de seks lokaliteter vist i Figur 3-4 for situationen efter udbygning af Teglholmen. Det ses af ovenstående Figur 3-5, at koncentrationsforløbet er præget af, at fronter af frisk vand strømmer forbi lokaliteterne med pludselige og store koncentrationsfald til følge, og at skyen af tracer strømmer tilbage efter et par dage. Denne vekslende påvirkning af fronterne mellem upåvirket vand fra Øresund / Køge Bugt og tracer-påvirket vand fra havneområdet vil efterhånden udviskes, og dette middel henfald kendetegner de generelle blandings- og udvaskningsforhold i Københavns Havn og i kanalerne ved Teglholmen. Derfor tilnærmes koncentrationsforløbet efter initialfasen med en eksponentialfunktion som vist i nedenstående figurer. Figur 3-6 Normaliseret koncentration C(t)/Co, i havneløbet i den eksisterende situation (sort) og i situationen efter udbygning (rød). Tidserien er vist sammen med den eksponentielle tilnærmelse. Formlen for den eksponentielle tilnærmelse samt R 2 værdien er angivet.
Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet 11/17 Figur 3-7 Normaliseret koncentration C(t)/Co, i nordlig kanal(frederiksholmsløbet midt) eksisterende situation (sort) og i situationen efter udbygning (rød). Tidserien er vist sammen med den eksponentielle tilnærmelse. Formlen for den eksponentielle tilnærmelse samt R 2 værdien er angivet. Figur 3-8 Normaliseret koncentration C(t)/Co, i nordlig kanal (Frederiksholmsløbet, ydre) i den eksisterende situation (sort) og i situationen efter udbygning (rød). Tidserien er vist sammen med den eksponentielle tilnærmelse. Formlen for den eksponentielle tilnærmelse samt R 2 værdien er angivet.
12/17 Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet Figur 3-9 Normaliseret koncentration C(t)/Co, i sydlig kanal (Teglværkshavnen) i den eksisterende situation (sort) og i situationen efter udbygning (rød). Tidserien er vist sammen med den eksponentielle tilnærmelse. Formlen for den eksponentielle tilnærmelse samt R 2 værdien er angivet. Figur 3-10 Normaliseret koncentration C(t)/Co, i den nye del af Teglholmen i situationen efter udbygningen for en vanddybde på 2 m (rødt). Tidserien er vist sammen med den eksponentielle tilnærmelse. Formlen for den eksponentielle tilnærmelse samt R 2 værdien er angivet. For lokalitet 5 er den normaliserede koncentration C(t)/Co, i nordlig kanal (Frederiksholmsløbet, indre) i den eksisterende situation (sort) og i situationen efter udbygning (rød) ikke vist fordi den tidlige udvikling ikke er fremskredet nok til at give et anvendeligt resultat.
Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet 13/17 3.3 Resultater Beregningerne viser, at opholdstiden på lokalitet 4 (ny kanal) er ca. en uge. Tabel 3-1 Opholdstider i forskellige steder i kanalsystemet i Teglholmen. Lokalitet Nr. Opholdstid i fremtidig situation (dage) Ændring fra oprindelig opholdstid (dage) Relativ ændring af opholdstid (%) 1 5,0 0,053 1 % 2 10,8 1,4 15 % 2B 8,1-0,4-5 % 3 10,4-1,8-15 % 4 7,2 - - Lok 1 Det ses at opholdstiden i Havneløbet (lokalitet 1) bliver forlænget, hvilket er i overensstemmelse med observationen i afsnit 1og illustreret i Figur 1-2 om den tydelige indsnævring af Havneløbet på gennem udbygningen af Teglholmen. Lok 2, 2B, (Nordlig kanal) Lokaliteten af dette punkt ligger indenfor den svage udstrømning fra den nye kanal ved nordgående strømning. Denne udstrømning påvirker udskiftningen af hele Frederiksholmsløbet med Havneløbet således, at den typiske udskiftning af Frederiksholmsløbet, hvor vandet i Havneløbet inducerer en cirkulation i den ydre Frederiksholmsløbet dæmpes væsentligt. Følgen er, at vandskiftet i den ydre del af kanalen øges lidt, mens det reduceres lidt i den indre del af Frederiksholmsløbet. Vandskifteforhold i Belvederekanalen forventes at genspejle de ændringer, der er modelleret i den mellemste del af Frederiksholmsløbet. Her forventes etablering af kanalerne i Teglholmen at medføre, at vandskiftet bliver marginalt forringet ved at opholdstiden forventes at blive 15 % længere end i dag. En tilsvarende ændring af vandudskiftet kan forventes i Belvederekanalen. Lok 3 (Sydlig kanal) Vandudskiftningen på lokaliteten i Teglværkshavnen (den sydlige kanal) forbedres på grund af den nye kanal parallel med Havneløbet. I modsætning til Frederiksholmskanalen vil den nye kanal ikke modvirke vandskiftet mellem kanal og Havneløbet. Derfor findes en forbedring af vandskiftet i Teglværkshavnen. Lok 4 (Ny kanal) Vandskiftet i den nye kanal forventes at være bedre end i begge tværgående kanaler /nord og syd) og af samme størrelsesorden som i den ydre del af det nordlige Frederiksholmsløbet.
14/17 Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet 4 Marinbiologisk vurdering Vurderingen af projektets påvirkninger på det marine økosystem fokuserer på effekterne af de ændrede opholdstider for vandet i havneløbet og de nye kanaler, som byggeriet vil forårsage. Det fremgår af modelleringen, at opholdstiden i vandområderne ved Teglholmen vil variere mellem 5 dage i selve havneløbet (Lokalitet 1) og 7-11 dage i Frederiksholmsløbet, Teglværkshavnen og den nye kanal (Lokalitet 2-4) som beskrevet i Tabel 3-1. Ændringerne i forhold til de nuværende opholdstider er i størrelsesordener på +1,4 til -1,8 dage. De største ændringer vil ske i randområderne nord og syd for projektområdet: Lokalitet 2: Frederiksholmsløbet, hvor opholdstiden stiger lidt, og Lokalitet 3: Teglværkshavnen, hvor er der tale om en reduktion i opholdstiden. En væsentlig parameter for vandkvalitet er tilstedeværelsen af undervandsplanten ålegræs (Zostera marina). Plantens udbredelsesgrad og dybdegrænser indgår derfor i vurderinger af marine områders kvalitetstilstand udtrykt i vandplansudkastene (Naturstyrelsen, 2013). Ålegræsbevoksninger er en sårbar og værdifuld biotoptype. Ålegræssamfund er levested for en artsrig fauna og fungerer som vigtige habitater for en lang række fisk, enten som permanent levested, som gydeplads eller som opvækstområde for fiskeyngel. Ålegræs binder sediment og nedsætter dermed erosion, og planterne producerer ilt der frigives til vandet. Ifølge vegetationsundersøgelser fra 2012 foretaget for Københavns Kommune er der tætte bevoksninger af ålegræs i Københavns Havn inklusiv i området ud for Teglholmen (Københavns kommune, 2013). Ved Teglholmen dækker ålegræs op til 100 % af bundarealet med dybdegrænser ned til 8,2 m dybde, hvor størstedelen af ålegræsset vokser på 6,9 m dybde. I anlægsfasen vil opfyldningerne tildække dele af dette område og ødelægge de ålegræssamfund, der måtte forekomme der. Det vurderes dog, at ålegræs har potentielt gode muligheder for at reetablere sig på lokaliteten efter anlægsfasen. Det baseres på den minimale ændring af opholdstiden i kanalerne, tilstedeværelsen af velegnet sediment for vækst af ålegræs og ikke mindst, at der eksisterer sunde ålegræssamfund nord og syd for Teglholmen, hvorfra nye planter kan komme. Når anlæggene er etableret, vurderes det, at de modellerede ændrede opholdstider som følge af nye øer og kanaler ikke vil ændre væsentligt på vækstforholdene for ålegræs i området. Fiskefaunaen i området ud for Teglholmen er domineret af trepigget hundestejle og sort kutling. Desuden er aborre, toplettet kutling og havkarudse forholdsvis almindelige. Alle disse fiskearter lever typisk i vegetationen, og det vurderes, at deres habitater ikke vil være væsentligt truet af byggeriet eller de ændrede opholdstider. Hvis de nye kanaler og øer etableres med f.eks. stenkastninger til vandsiden, der er velegnede for undervandsvegetation, kan de repræsentere potentielt nye habitatområder, hvor vegetationen og den tilhørende fauna kan etablere sig. Sedimentet er primært sand iblandet mere finkornet materiale med et relativt højt indhold af organisk stof. Bundfaunaen er relativt arts- og individrig med en artssammensætning, der er karakteristisk for det klassiske Macomasamfund, som er udbredt på lavt vand i Øresund. Dyndsnegl er den antalsmæssigt helt dominerende
Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet 15/17 art efterfulgt af hjertemusling. Det vurderes ikke, at bundfaunaen påvirkes væsentligt af de marginale ændringer af vandets opholdstider. Lugtgener som følge af stillestående vand og forrådnelse af undervandsvegetation vurderes ikke til at blive et problem på basis af den modellerede ændring i vandets opholdstid. Modelleringen viser en reduktion af vandets opholdstid i den ydre del af Frederiksholmsløbet og Teglværkshavnen, samt en lidt længere opholdstid i selve havneløbet og den mellemste del af Frederiksholmsløbet. Vandets opholdstid de indre nye kanaler vil være ca. 7 dage, hvilket er sammenligneligt med de nuværende forhold i denne del af Københavns Havn. I ekstreme situationer med vedvarende høje temperaturer og svage vinde kan det ikke udelukkes, at vegetation, der fanges i hjørner og kroge, kan forrådne, men det vurderes ikke at blive anderledes end de nuværende forhold. Flokke af troldænder, blishøns, lille lappedykker, stor skallesluger og lille skallesluger anvender områder i nærheden af Teglholmen som rasteplads om vinteren. Disse fugle indgår i udpegningsgrundlaget for Natura 2000-område N143 "Vestamager og havet syd for" (habitatområde H127 og fuglebeskyttelsesområde F111) som har sin nordgrænse ved Sjællandsbroen ca. 1km syd for det planlagte anlæg. Vandfuglene vil primært være påvirket af de vandmasser, der strømmer ud og ind af selve havneløbet, hvor de modellerede ændrede opholdstider er på knap en uge (Havneløbet, lokalitet 1). Denne ændring vurderes at være så marginal, at den ikke vil have en væsentlig påvirkning på fuglene. 5 Referencer Naturstyrelsen 2013. Udkast til Vandplan 2010-2015. Øresund. Hovedvandopland 2.3 Vanddistrikt Sjælland. Københavns Kommune, Teknik- og Miljøforvaltningen 2013. Vegetationsundersøgelse Københavns Havn 2012. Orbicon. DHI, Farvandsmodellen: www.dhigroup.com\farvandsmodellen. (Hjemmesiden er ikke længerer aktiv).
16/17 Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet Bilag A Teknisk dokumentation Den overordnede bathymetri er baseret på udtræk fra digitale søkort og vist i Figur 5-1. Figur 5-1 Modelområdet som er modelleret i foreliggende analyse Ovenstående figur af modelområdet viser at en kunstig rand er indført i den østlige side fra Saltholm og op gennem midten af Øresund. Dette er gjort for at opnå større beregningshastighed. Inspektion af modelresultater for hele Øresund indikerer at strømningen nord for Amager forløber i nordlig eller sydlig retning uden betydende øst-vestlige udvekslinger. Derfor er det muligt at indføre en lodret væg i modellen på dette sted og dermed at spare at modellere den østlige del af Øresund som ikke ville påvirke resultaterne for Københavns Havn. Input parametrene til modellen omfatter randbetingelser (vandstande på de åbne rande), bundfriktionen, hvirvel viskositeten og initialbetingelserne. De anvendte værdier er angivet nedenfor. DHIs regionale model (DHI, Farvandsmodel) har været anvendt til at generere randværdierne for den lokale model som dækker området for Københavns Havn. Vandstande er blevet beregnet med en 90 m grid model for den nordlige og de to sydlige rande. Bundfriktion og hvirvel viskositet: En konstant bundfriktion på 32 m 1/3 /s (Manning) er anvendt. I et mindre område omkring Sluseholmen er friktionen sat til 7.5 m 1/3 /s (Manning) for at simulere de komplicerede strømninger gennem slusesystemet. Tallet er fremkommet ved kalibrering af modstanden mod samhørende målinger af vandstande på begge sider af slusen.
Teglholmen, Modellering af vandskifte og vurdering af vandkvalitet 17/17 Til beskrivelse af hvirvelviskositeten er der anvendt en konstant standard faktor på 0,28 (Smargorinsky koefficienten). Figur 5-2 Fordelingen af bundfriktionen (Manning tallet) 1 Figur 5-3 Initial fordeling af sporstof koncentration