Syd_M016 Hydrografi og sediment_notat NIRAS A/S Sortemosevej 2 DK-3450 Allerød Banedanmark Anlægsudvikling Femern Bælt Danske Jernbanelandanlæg Kontrakt Syd Telefon 4810 4200 Fax 4810 4300 E-mail niras@niras.dk CVR-nr. 37295728 Tilsluttet F.R.I Hydrografi og sediment i Guldborgsund 12. oktober 2010 Indhold: 1. Indledning... 3 2. Sammenfatning... 3 2.1 Hydrodynamiske forhold... 3 2.2 Sedimentspredning givet af graveaktiviteter... 3 2.3 Blokering af gennemstrømningen som følge af en ny bro... 3 2.4 Ændringer i strømningsmønstret... 3 2.5 Morfologiske ændringer... 4 3. Metode for undersøgelserne... 4 3.1 Data... 4 4. Sedimentdata... 6 4.1 Overfladesediment... 6 5. Modelopsætning og kalibrering for MIKE 21 HD FM... 8 5.1 Opsætning... 8 5.2 Randbetingelser... 10 5.3 Simuleringsperiode... 11 5.4 Kalibrering... 15 6. Hydrografiske forhold... 17 7. Model opsætning og kalibrering for MIKE 21 PA... 21 7.1 Opsætning... 21 7.2 Kalibrering... 23 7.3 Valg af repræsentativ periode... 23 8. Konsekvenser og afværgeforanstaltninger i anlægsfasen... 24 8.1 Beskrivelse af gravescenarier... 24 8.2 Sedimentspredning/sedimentation... 26 9. Beregning af gennemstrømning... 31 9.1 Flow omkring en cylinder... 31 9.2 Flow omkring et kvadrat... 33 9.3 Modellering af gennemstrømningen... 34 Projektledelse\Kommunikation\Hjemmeside\Miljøredegørelse 2011\KS'ede Fagnotater\Hæfte 3\Tekniske baggrundsnotater\syd_m016 Udført Kontrol Godkendt PMJ/TEB JBN JKR
2 9.4 Strømningsmønstre... 36 9.5 Morfologi... 37 10. Referencer... 37
3 1. Indledning Nærværende notat omhandler de hydrografisk og sedimentmæssige forhold i Guldborgsund samt effekten på disse som følge af etablering og drift af en ny bro syd for og parallelt med Kong Frederik IX s Bro over Guldborgsund ved Nykøbing Falster. Følgende problemstillinger er omfattet af undersøgelsen: Sedimentspredning givet af graveaktiviteter Blokering af gennemstrømningen som følge af en ny bro Ændringer i strømningsmønstret Morfologiske ændringer Projektkoordinatsystem er UTM zone 32N ETRS89 og vertikal datum er DVR90. 2. Sammenfatning 2.1 Hydrodynamiske forhold Den akkumulerede gennemstrømning i Guldborgsund er det modellerede år beregnet til 1.500.000.000 m 3. Strømmen er hovedsageligt styret af tidevand, hvilket giver en oscillerende strømning med en nordgående strøm, der i gennemsnit er ca. 3-4 cm/s (givet af udstrømningen fra Østersøen) større end den sydgående i området omkring Kong Frederik IX s Bro. Den gennemsnitlige strømhastighed omkring broen er 30-40 cm/s. 2.2 Sedimentspredning givet af graveaktiviteter Som følge af de planlagte gravearbejder til fundamenterne vil der lokalt indenfor en afstand af ca. 100 m kunne forekomme koncentrationer på op til 35 mg/l. Ca. 3 km fra gravearbejdet vil koncentrationen ikke overstige 2 mg/l. I gennemsnit vil koncentrationen inden for en afstand af 3 km ikke overstige 0,3 mg/l. Der forventes en akkumuleret sedimentation i områder med strømlæ på op til 1 mm i løbet af hele anlægsfasen. 2.3 Blokering af gennemstrømningen som følge af en ny bro Etablering af en ny bro vil medføre en reduceret vandgennemstrømning i størrelsesorden 0.2 %. 2.4 Ændringer i strømningsmønstret Bortset fra en mindre reduktion i gennemstrømningen vil etablering af en ny bro ikke påvirke strømningsmønstret i Guldborgsund.
4 2.5 Morfologiske ændringer Da der ikke er nogen ændringer i strømningsmønstret forventes ingen ændringer af morfologien i Guldborgsund. 3. Metode for undersøgelserne Undersøgelsen er baseret på modellering af strømforholdene på baggrund af en række data, som beskriver randbetingelser samt bathymetriske og morfologiske forhold. Modellen er kalibreret mod tilgængelige målinger på randen af og inden for modelområdet. 3.1 Data Strømdata Der er i perioden 1999-06-16 til 1999-06-30 foretaget målinger per 15 min. af strømhastighed og retning i den sydlige del af Guldborgsund /1/. Supplerende strømmålinger i forbindelse med nærværende undersøgelse er blevet indsamlet i perioden 2010-05-28 til 2010-06-30 per 10 min. nord for Kong Frederik IX s Bro på position 54 45.559 N, 11 51.841 E på ca. 6 m vanddybde, /2/. Til statistisk analyse er der anvendt strømdata fra Drogden Fyr. Data er tilgængelig på www.frv.dk og stilles til rådighed af Farvandsvæsenet. Dybdedata Der er anvendt data fra Farvandsvæsenets digitale dybdemodel, som er frit tilgængelig til download for videnskabelige undersøgelser på Farvandsvæsenets hjemmeside, www.frv.dk. Data har en opløsning på 50 x 50 m. Herudover er der indhentet data med en højere opløsning i området fra Guldborg og ned til Nykøbing. Dette datasæt giver en god beskrivelse af dybden i sejlrenden, som er meget vigtig for at opnå en god hydrodynamisk model. Data har en opløsning på omkring 5 m, men det varierer. Data er stillet til rådighed af Farvandsvæsenet under forudsætning af ingen videregivelse eller publicering af data samt at det kun kan anvendes ved generering af bathymetrien for den hydrodynamiske model. Modeldata I forbindelse med Femern Bælt kyst til kyst projektet er der af DHI udarbejdet en hydrodynamisk regional model, som dækker området omkring Guldborgsund. Selve Guldborgsund er ligeledes inkluderet i modellen, men kun i en meget grov opløsning.
5 Fra denne regionale model er der indhentet randdata til Guldborgsundmodellen. Data omfatter vandstand og hastighed. For nærmere beskrivelse henvises til afsnit 5.2. Vinddata Der er anvendt vinddata fra Drogden Fyr. Data er tilgængelig på www.frv.dk og stilles til rådighed af Farvandsvæsenet. Vandstandsdata Der er anvendt vandstandsdata fra Dansk Meteorologisk Institut (DMI), Farvandsvæsenet (FRV) og Kystdirektoratet (KDI). Figur 1 Datatilgængelighed 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Rødby (DMI) Gedser (FRV/DMI) Korsør (DMI) Spodsborg (FRV) Karrebæksminde (KDI) Kalvehave (KDI) Hæsnes (KDI) S4, Guldborg DHI Oversigt over perioder for datatilgængelighed. Model Til beskrivelse af de hydrodynamiske forhold samt spredning af suspenderet sediment ved gravearbejder i forbindelse med etablering af en ny bro er der anvendt numeriske modeller (MIKE 21), som er udviklet af DHI Water and Environment. Modellen er state of the art inden for numerisk modellering af denne type. Der anvendes to moduler, MIKE 21 HD FM og MIKE 21 PA. MIKE 21 HD FM er benyttet til den hydrauliske modellering. Modellen løser de todimensionale shallow water ligninger dybde integrerede incompressible Reynolds averaged Navier-Stokes equations. Modellen giver en stedsvariation i vandstand og strøm. MIKE 21 PA er anvendt til beregning af sedimentspredning. Modellen beregner på baggrund af de hydrodynamiske forhold samt diffusion parameterbevægelsen af de enkelte partikler, som repræsenterer en given mængde suspenderet sediment.
6 4. Sedimentdata 4.1 Overfladesediment Data for overfladesediment er baseret på analyser af sedimentprøver udtaget i maj 2010 omkring Kong Frederik IX s Bro /3/. Der er defineret 3 standardlag, som er beskrevet ved udstrækning i dybden, se Tabel 1, samt kornkurvefordelinger, se Figur 3 - Figur 5. Data er givet ved 6 prøver langs med Kong Frederik IX s Bro, som vist på Figur 2 punkt 1-5 og 27. Figur 2 Placering af sedimentprøver Oversigt over placeringen af sedimentprøver. Tabel 1 Lagtykkelser Prøve 1 2 3 27 4 5 Lat 54.75783 54.75818 54.7585 54.75867 54.75892 54.75895 Lon 11.86442 11.86485 11.86593 11.86672 11.86728 11.86825 Bundkote -1.8-2.5-5.5-4.1-2.2-1.6 lag 1-1.8-2.5-5.5-4.1-2.2-1.6 lag 2 - - -5.55 - -2.25 - lag 3-2.55-2.55-5.75-4.2-2.4-2.4 Lagtykkelser, koter angivet i meter og koordinater i Lat/Lon WGS84. Koter i kursiv er antaget.
7 Figur 3 Kornkurve for lag 1 100 LER SILT SAND GRUS 90 80 Procent prøve 70 60 50 40 30 20 10 0 0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 Kornstørrelse Kornkurvefordeling for sediment i lag 1. Figur 4 Kornkurve for lag 2 100 LER SILT SAND GRUS 90 80 Procent prøve 70 60 50 40 30 20 10 0 0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 Kornstørrelse Kornkurvefordeling for sediment i lag 2. For at kunne beskrive det sediment, der forventes gravet op i forbindelse med anlægsarbejdet, er der gjort en række antagelser, som beskrevet i /1/. Bl.a. er koten for lag 3 antaget, der hvor den ikke kendes.
8 Figur 5 Tværsnit, lagtykkelser Tværsnit i Guldborgsund, lige syd forkong Frederik IX s Bro, med angivelse af antaget lagtykkelse for de tre lag. 5. Modelopsætning og kalibrering for MIKE 21 HD FM 5.1 Opsætning Modelområdet er valgt således, at vandstanden i DHI s regionale model ikke er påvirket af opløsningen i Guldborgsund. Det er således valgt at inkludere de tilstødende områder hhv. nord og syd for Guldborgsund for at få en god beskrivelse af de hydrodynamiske forhold ved indløbet til sundet. Det betyder, at modellen inkluderer øhavet mellem Sjælland og Lolland samt en lille del af Femern Bælt i området ud for Rødsand. 5.1.1 Beregningsnet Der anvendes et fleksibelt net, som gør det muligt at koncentrere beregningskræften i områder af interesse og områder der har stor indflydelse på modellens nøjagtighed. Der er således en højere opløsning i området omkring Kong Frederik IX s Bro, da det vil få indflydelse på sedimentspredningen. Der er ligeledes anvendt en høj opløsning i de snævre passager i Guldborgsund, som ved Guldborgbroen ved Guldborg. På Figur 6 er beregningsnettet vist. Der er generelt anvendt trianguleret net, men i områder, hvor der er tydelig rende, er anvendt rektangulært net, da det giver en bedre repræsentation af renden, specielt på sideskråningerne. Det giver også mulighed for at have højere opløsning på tværs af renden end på langs, hvilket er hensigtsmæssigt, da ændringerne i hastigheden er større på tværs end på langs. Figur 7 viser et eksempel på opløsningen af en rende.
9 Figur 6 Beregningsnet, hele modelområdet Beregningsnet for HD modellen for hele modelområdet.
10 Figur 7 Beregningsnet, Guldborgsund renden Beregningsnet for HD modellen for Guldborgsund renden. 5.2 Randbetingelser Modellen er drevet af kraftforceringer på de åbne rande. Der er to typer åbne rande, de hydrodynamiske og de atmosfæriske. Land er en lukket rand givet ved nul hastighed vinkelret på kysten. Figur 8 viser de hydrodynamiske rande for modellen. Alle rande er givet ved en vandstand varierende langs linierne og i tid.
11 Figur 8 Hydrodynamiske rande Åbne hydrodynamiske rande i den hydrodynamiske model. Den atmosfæriske rand er defineret ved et konstant tryk og vind (vektoren par) baseret på vind fra Drogden Fyr. Fyret står i Øresund syd for Amager. Der er således en betydelig afstand fra Guldborgsund til stationen, hvor vind er målt. Dette vil give en mindre faseforskydning mellem vandstand og vind, som dog vurderes til ikke at have betydende indflydelse på strømningsforholdene i Guldborgsund. Der er ydermere anvendt en konstant vind i hele modelområdet. Da modelområdet ikke er af en væsentlig størrelse sammenholdt med vindsystemet, anses denne effekt at være ubetydelig. Det atmosfæriske tryk er holdt konstant i hele modelområdet. Atmosfæriske tryk har generelt stor betydning for strømforholdene og kan medføre store vandstandsforskelle og deraf afledte strømninger. Disse trykinducerede vandstandsvariationer er dog inkluderet i randbetingelserne og variationen inden for modelområdet vurderes at være uden betydning. 5.3 Simuleringsperiode Den modellerede periode er givet af den periode, hvor randbetingelserne var til rådighed. DHI s regionale model, som giver vandstandsrandbetingelsen, er simuleret for hele 2005, samt en kort valideringsperiode i 2009. Det er valgt at simulere hele 2005. Hydrografien i Guldborgsund er overordnet styret af tidevand, vind/tryk og udstrømning fra Østersøen. Perioden for disse tre styren-
12 de parametre er forskellige, men fælles er en variation over året samt fra år til år. For at belyse variationen fra år til år er der lavet analyse af længere dataserier for strøm og vinddata, begge målt ved Drogden Fyr. Placeringen af Drogden Fyr i forhold til Guldborgsund er vist i Figur 9. På baggrund af disse analyser kan variationen i udstrømning fra Østersøen samt vindfelter beskrives. Variationen i tidevandet fra år til år er ubetydelig. Figur 9 Drogden Fyr Placering af Drogden Fyr relativt til Guldborgsund. Figur 10 viser strømhastighedsfordelingen på tid for hvert år i perioden 1998-2007. Det ses, at hastigheden generelt ligger en lille smule under middel, men at 2005 ikke skiller sig væsentligt ud fra de andre år. Figur 11 viser fordelingen mellem udstrømning og indstrømning til Østersøen. Det ses, at 2005 ligger meget tæt på gennemsnittet for perioden 1998-2007.
13 Figur 10 Strømhastighedsfordeling 100 80 % > strøhastighed 60 40 20 1998-2007 Middel 95% fraktil 5% fraktil 2005 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Strømhastighed [cm/s] Statistisk analyses af strømhastighedsfordeling ved Drogden fyr. (dybde 3-5m) Figur 11 Fordeling af strøm ved Drogden 70% 60% 50% 40% 30% Nord Syd 20% 10% 0% 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Fordeling af strøm på retning (nord og syd) angivet i % af tid. 2006 2007 Størrelsesordenen på vindhastighed og -retning har som nævnt ligeledes stor betydning for strømforholdene i Guldborgsund. Det er derfor væsentligt at undersøge, hvor 2005 ligger i forhold til et middelår. Derfor er vinddata fra Drogden Fyr for perioden fra august 1996 til december 2006 analyseret. Måleserien indeholder dato og tid samt retning og hastighed af vinden. Analysen er baseret på Peak-Over-Treshold (POT), som er valgt for at kunne identificere eventuelle stormhændelser, der kan have stor indflydelse på strømforholdene. En storm er defineret som en hændelse med vindhastigheder på over 15,4 m/s (POT). Dette resulterer i 199 begivenheder fordelt over de 10 år. En adskillelse af to af begivenhederne krævede, at der i 2 dage var vind med hastigheder under POT. Måleserien og vindhastighederne større end POT er vist i Figur 12.
14 Figur 12 POT analyse for vind målt ved Drogden Målte vindhastigheder ved Drogden Fyr. Rød angiver de data, der er større end POT. I Tabel 2 er antallet af begivenheder pr. år angivet. I gennemsnit var der 19,9 begivenheder pr. år. For hver begivenhed blev den største vindhastighed, u max, fundet og middelværdien, U mean, af disse største hastigheder for hvert år beregnet. Sidstnævnte er også vist i Tabel 2 Gennemsnittet for de største vindhastigheder for alle begivenhederne var 18,18 m/s. Tabel 2 POT-analyse for vind målt ved Drogden År Begivenheder pr. år Middelværdi af største vindhastighed for hver begivenhed Standardafvigelse: Antal begivenheder Standardafvigelse: Største vindhastigheder 1997 27 18,61 7,2 2,31 1998 19 17,79 0,8 1,71 1999 18 19,81 1,8 7,12 2000 19 18,51 0,8 1,50 2001 21 17,89 1,2 1,34 2002 20 18,64 0,2 2,13 2003 23 17,02 3,2 5,68 2004 22 17,60 2,2 2,76 2005 17 17,83 2,8 1,47 2006 12 18,06 7,8 0,42 Antal stormbegivenheder for årene 1997-2006 for Drogden Fyr samt gennemsnitsværdien af stormbegivenhedernes største vindhastighed. Det ses, at både vindstyrke og antal stormhændelser i 2005 ligger en smule under gennemsnittet Der er dog kun tale om en mindre afvigelse.
15 På baggrund af de to analyser vurderes det, at 2005 kan betragtes som repræsentativ for gennemsnitsstrømforholdene i Guldborgsund. 5.4 Kalibrering Det har desværre ikke været muligt at finde brugbare randdata for perioder, hvor der er måledata til rådighed i Guldborgssund. Der blev i 1999 lavet en måling af strømhastighed i den sydlige del af Guldborgsund i forbindelse med forundersøgelser til vindmølleparken Nysted. Disse måledata er i Figur 13 sammenlignet med modeldata for 2005 i samme periode af året. Det ses, at størrelsesordenen af hastigheden stemmer fint overens. Af Figur 14 ses det, at vinden ligeledes er af samme størrelsesorden, hvorfor det vurderes, at strømhastigheden også vil være af samme størrelsesorden. Som beskrevet i afsnit 5.3 er vinden en væsentlig parameter for den kortvarige variation i strømforholdene. Figur 13 Sammenligning af strømhastighed Sammenligning af strømhastighed målt i Guldborgsund i sommeren 1999 med modelleret strømhastighed i 2005. Figur 14 Sammenligning af vindhastighed Sammenligning af vindhastighed og retning fra Drogden Fyr somrene mellem 1999 og 2005.
16 Som yderlig verifikation er data målt i juni 2010 nord for Kong Frederik IX s Bro sammenholdt med simulerede strømdata på samme position for sommeren 2005. Data er præsenteret i tabellerne Tabel 3 og Tabel 4 hvor fordelingen af strømmen er givet som hastighed versus retning. Som det fremgår domineres strømmen af to hovedretninger styret af rendens orientering og forholdene hhv. nord og syd for Guldborgsund, hvilket gengives i modellen både hvad angår strømhastighed og -retning. Tabel 3 Målte strøm juni 2010 Retning [dgn] Hastighed [m/s] [0.0;0.1[ [0.1;0.2[ [0.2;0.3[ [0.3;0.4[ [0.4;0.5[ [0.5;0.6[ [0.6;0.7[ [0.7;0.8[ Sum [0;30[ 0.08% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.08% [30;60[ 0.04% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.04% [60;90[ 0.04% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.04% [90;120[ 0.11% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.11% [120;150[ 0.61% 0.34% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.95% [150;180[ 5.84% 10.39% 14.20% 12.34% 2.72% 0.00% 0.00% 0.00% 45.48% [180;210[ 1.20% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 1.20% [210;240[ 0.63% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.63% [240;270[ 0.53% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.53% [270;300[ 0.88% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.88% [300;330[ 5.35% 9.44% 13.76% 12.83% 3.96% 0.23% 0.00% 0.00% 45.57% [330;360[ 2.00% 2.00% 0.42% 0.06% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 4.49% Sum 17.32% 22.16% 28.38% 25.24% 6.68% 0.23% 0.00% 0.00% 100.00% Tabel 4 simulerede strøm for perioden juni til august 2005 Retning [dgn] Hastighed [m/s] [0.0;0.1[ [0.1;0.2[ [0.2;0.3[ [0.3;0.4[ [0.4;0.5[ [0.5;0.6[ [0.6;0.7[ [0.7;0.8[ Sum [0;30[ 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% [30;60[ 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% [60;90[ 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% [90;120[ 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% [120;150[ 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% [150;180[ 8.02% 10.73% 11.96% 5.30% 0.95% 0.14% 0.00% 0.00% 37.09% [180;210[ 0.41% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.41% [210;240[ 0.27% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.27% [240;270[ 0.14% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.14% [270;300[ 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% [300;330[ 2.85% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 2.85% [330;360[ 4.76% 11.28% 19.84% 17.66% 4.76% 0.95% 0.00% 0.00% 59.24% Sum 16.44% 22.01% 31.79% 22.96% 5.71% 1.09% 0.00% 0.00% 100.00%
17 Figur 15 Målt strøm nord for Kong Frederiks IX s bro 0.60 360.00 0.50 315.00 270.00 Hastighed [m/s] 0.40 0.30 0.20 225.00 180.00 135.00 Retning [dgn] 90.00 0.10 45.00 0.00 0.00 2010-06-14 Hastighed 2010-06-15 2010-06-16 2010-06-17 2010-06-18 2010-06-19 2010-06-20 2010-06-21 2010-06-22 2010-06-23 2010-06-24 2010-06-25 2010-06-26 2010-06-27 2010-06-28 2010-06-29 2010-06-30 Retning 6. Hydrografiske forhold På baggrund af den hydrodynamiske model er den samlede vandgennemstrømning i Guldborgsund i 2005 beregnet til 1.500.000.000 m 3. Sæsonvariationen er illustreret på Figur 16. Der er en større gennemstrømning i vinter- end i sommerhalvåret. Vandføringen i nord og syd er korrelerede men forskudt i tid. Variationen i vandføringen er større i nord end i syd, hvilket betyder at vandudskiftningen er større i den nordlige del end i den sydlige del. Midlet over 30 dage vil der kun være marginal forskel på vandføringen. Figur 16 Årlig variation af gennemstrømning Gennemstrømning vist ved vandføring. Sort linie er midlet over 30 dage (+/-15 dage fra given dato). Grå er øjebliksværdi. Baseret på data fra 2005. Som det ses af den kraftige fluktuation i vandføringen er gennemstrømningen meget påvirket af tidevand. Figur 17 viser en frekvens analyse (FFT) af vandføringen. Der ses en meget tydelig peak ved
18 12,4 timer. Fordelingen i strømhastigheden ses af strømrosen givet i Figur 18. Dette vil have stor indflydelse for sedimentspredningen, der kan forventes i forbindelse med gravearbejderne til en ny bro. Figur 17 Vandføringsfrekvens Frekvens analyse af oscillationer i vandføringen ind i Guldborgsund. Figur 18 Strømrose Strømrose syd for broen, baseret på data fra 2005. Strømhastighed angivet i m/s. Middelstrømhastigheden er beregnet for nordgående og sydgående strøm defineret ved strømretningen i sejlrenden nord for Nykøbing Havn. Middel strømhastigheden er givet for 2005 på Figur 19 for den sydgående strøm og Figur 20 for den nordgående strøm. Den nordgående strøm er en smule stærkere end den sydgående. Den retningsmidlede strøm er givet på Figur 21. Den retningsmidlede strøm er i størrelsesordenen 5 cm/s i renden nord for broen, mens den er under 1 cm/s på de lavvandede områder. Syd for broen er strømhastigheden ligeledes i størrelsesordenen 5 cm/s og faldet til 1 cm/s ved bredningen.
19 Figur 19 Sydgående strøm Gennemsnitsstrømhastighed over et år, for sydgående strømretninger.
20 Figur 20 Nordgående strøm Gennemsnitsstrømhastighed over et år, for nordgående strømretninger.
21 Figur 21 Gennemsnitsstrøm Gennemsnitsstrømhastighed over et år, retningsmidlet. 7. Model opsætning og kalibrering for MIKE 21 PA MIKE 21 PA bruges til at vurdere spredningen af sediment bragt i suspension ved f.eks. gravearbejde. Modellen er baseret på strømforhold beregnet med MIKE 21 HD FM, flux komponenter og total vanddybde for hver time. 7.1 Opsætning Modelområdet dækker det område, hvor hovedparten af sedimentet aflejres. Dog vil der ske en mindre transport ud af modelområdet. Modellen er drevet af flux vektor komponenter og en total vanddybde. 7.1.1 Sediment input Input af sediment til modellen sker i en enkelt punktkilde, som er placeret lige syd for positionen for hvert af de nye brofundamenter. 7.1.2 Resuspension Modellen tager højde for resuspension af sedimentet. Det vil sige, at sediment, der aflejres på et tidspunkt med lav strømhastighed, vil kun-
22 ne blive bragt tilbage i suspension, hvis strømhastigheden bliver tilpas stor baseret på et Shields parameter kriterium på 0,1 for resuspension. Resuspensionen giver et bedre billede af den endelige sedimentation for et område som Guldborgsund, hvor strømhastigheden er oscillerende. Dvs. at der er perioder med meget lave strømhastigheder afløst af perioder med høje hastigheder, hvilket vil bringe sediment i suspension og omlejre sedimentet. 7.1.3 Beregningsnet Modelområdet er vist på Figur 22. Modellen er opløst på et 20 m x 20 m net. I nord er modelområdet afgrænset af afstanden til sedimentkilden, og i syd er afgrænsningen valgt ved den sydlige del af bredningen i sundet. Afgrænsningen af modelområdet er valgt således, at langt størstedelen af sedimentationen foregår inde i modelområdet. Der er således en meget lille transport af sediment ud af modelområdet, hvorfor påvirkningen af den resterende del af Guldborgsund vil være forsvindende lille.
23 Figur 22 Modelområde for MIKE 21 PA Modelområde og bathymetri for MIKE 21 PA, sedimentspredningsmodellen. 7.2 Kalibrering Der har ikke foreligget data fra området, som kunne anvendes til kalibrering af diffusionsparametre. Diffusionsparametrene er derfor baseret på erfaringstal fra andre områder. 7.3 Valg af repræsentativ periode Der er valgt at køre to perioder, vinter og sommer, startende henholdsvis 1. januar og 1. juli. Modellen er accelereret en smule i forhold til det reelle gravearbejde, se afsnit 8.1, ved at reducere pauserne mellem hver graveaktivitet fra 14 til 3 dage. Dette vil ikke få nogen indflydelse på resultatet, da størstedelen af sedimentet sedimenterer i
24 løbet af de første 3 dage efter ophørt gravearbejde. Accelerationen foretages for at reducere beregningstiden. Idet simuleringen strækker sig over en lang periode vil de korte variationer i strømforholdene være taget i regning. Ved korte perioder forstås passage af et vindsystem, som vil have en periode i størrelsesordenen timer. En simuleringsperiode med en varighed på over en måned vil være tilstrækkelig til at inkludere denne effekt. Det skal bemærkes, at passagen af vindsystemet ikke behøver at falde sammen med gravearbejdet for at give en øget sedimentspredning, idet det vil kunne resultere i en større strømhastighed, som så vil kunne resuspendere sedimentet. De længere perioder, som er givet af sæsonvariationer i vandstand samt frekvens og styrke af passerende vindsystemer, vil have en periode på et år. 8. Konsekvenser og afværgeforanstaltninger i anlægsfasen I forbindelse med gravearbejdet vil en mængde sediment blive bragt i suspension. Det suspenderede sediment vil blive spredt af strømmen. Til vurdering af spredningen er som beskrevet anvendt MIKE 21 PA for området omkring broen. Denne analyse er behæftet med en del usikkerheder, da den er baseret på antagelser om udførelsesmetoder og størrelse på konstruktionsdele, som på dette tidspunkt ikke er endelig fastlagt. 8.1 Beskrivelse af gravescenarier Der er to anlæg, der giver en potentiel risiko for suspendering af sedimentmængder under anlægsarbejdet, som kan have betydning for miljøet: udvidelsen af dæmningen ved Sundby, vest for Kong Frederik IX s Bro, samt etablering af bropiller for en ny bro syd for Kong Frederik IX s Bro. 8.1.1 Udvidelse af dæmning I forbindelse med udvidelse af dæmningen på Sundby siden (vest), vil en antageligt mindre mængde sediment blive bragt i suspension. Mængden er meget afhængig af valg af udførelsesmetode. Det forventes dog, at arbejdet udføres fra land, samt at den ydreafgrænsning af dæmningen etableres inden eventuelt gravearbejde. Herved vil der ikke være nogen spredning af sediment som følge af arbejdet. 8.1.2 Etablering af bropiller Det materiale, der skal opgraves i forbindelse med udgravning til fundamenter for bropiller til en ny bro, er defineret ud fra sediment analysen. Hovedparten af sedimenterne består af stærkt siltet/leret sand. I
25 områder med mindre strømhastigheder findes et let sediment med et højt indhold af organisk materiale. Følgende udførelsesmetode er antaget: Der udføres spunsning omkring byggegruben. De nye fundamenter vil have samme størrelse og funderingsdybde som de eksisterende fundamenter for Kong Frederik IX s Bro. Fundamenterne udføres et ad gangen, med en indbyrdes tid mellem hver, der er tilstrækkelig stor til, at sediment koncentrationerne ikke påvirker hinanden. Tidsrummet mellem hvert fundament vil antageligt ikke være konstant, det antages dog at være 14 dage. Der udgraves maksimum 5 timer pr. dag, med en kapacitet på 50 m 3 pr. time. Spildraten er konservativt antaget at være 5 %. Opgravet sediment klappes på en klapplads enten syd for Gedser Havn eller på Kogrunden. I Tabel 5 er volumenet af sediment, der skal udgraves, beregnet for hvert enkelt fundament. Tabel 5 Udgravningsspecifikationer X Y Længde bredde Areal Vanddybde Funderingsdybde Volumen UTM32 UTM32 [m] [m] [m2] [m] [m] [m3] 1 684285 6071620 7.7 5.6 43 1.4 4 112 2 684303 6071629 7.7 5.6 43 1.6 4.6 129 3 684321 6071638 7.7 5.6 43 2 4.4 103 4 684339 6071647 7.7 5.6 43 2.6 4 60 5 684356 6071655 12.5 13.5 169 2.4 6 608 6 684375 6071664 12.5 5.6 70 2.6 6 238 7 684392 6071674 7.7 5.6 43 5.1 7.1 86 8 684411 6071683 7.7 5.6 43 5.1 6.7 69 9 684436 6071698 7.7 5.6 43 4.4 6.9 108 10 684459 6071709 7.7 5.6 43 2 4.8 121 11 684476 6071719 7.7 5.6 43 1.7 5.5 164 12 684493 6071729 7.7 5.6 43 1.7 6 185 13 684510 6071740 7.7 5.6 43 2.5 4.6 91 Udgravningsspecifikationer for hvert af de 13 fundamenter.
26 8.2 Sedimentspredning/sedimentation Spredningen af sedimentet er styret af strømretning og -styrke. Den dominerende strømretning er nordgående og sedimentationen vil derfor være størst nord for broen. Dette vil dog afhænge af korrelation mellem tidevandsperiode og gravearbejde. Det forventes, at der for de fleste fundamenter vil være en graveperiode på omkring 5 timer, og da tidevandsperioden er 12,4 time, vil det have stor betydning for sedimentspredningen, hvornår i perioden arbejdet udføres. Nord for broen bliver sedimentet hovedsagelig aflejret i områder med strøm læ, for eksempel nord for Sundby lystbådehavn, nord for havnen i Nykøbing og/eller på de lavvandede områder. Hovedparten af sedimentet aflejres inden for en afstand af ca. 7 km. Mod syd sker der ligeledes en betydelig sedimentation i læ af det eksisterende landfæste for broen mod vest. Cirka 4 km syd for broen sker der ligeledes en stor sedimentation, idet sundets forløb går fra at have karakter af en kanal til at være et bassin og dermed lavere strømhastigheder. Der forventes en akkumuleret sedimentation over hele anlægsfasen på op til 1 mm. På enkelte mindre områder er der risiko for en større sedimentation. Figur 23 viser den samlede sedimentation forårsaget af gravearbejdet udført i vinterperioden. Sedimentationen er givet 14 dage efter endt gravearbejde, hvorefter der ikke forventes at ske yderligere omlejring af sedimentet. Figur 24 viser tilsvarende plot for gravearbejde udført i sommerperioden. Figur 25 viser maksimum for timemiddel koncentration ved gravearbejdet relateret til det største fundament - broklapfundamentet, fundament 5 i Tabel 5. Der er regnet med et samlet spild på 30 m 3 fra udgravningen til dette fundament. På Figur 26 er givet middel koncentrationen for en graveperiode på i alt 35 timer, regnet fra starten af gravearbejdet, som defineret i afsnit 8.1.2, til 6 timer efter afsluttet gravearbejde. De sidste 6 timer er inkluderet, da tidevandsvariationen kan resuspendere en betydelig mængde sediment. Tiden for at grave Broklapfundamentet (fundament nr. 5) er betragtet, da det repræsentere det største udgravnings volumen, og derfor også spild, hvorfor det betragtes som det værste tilfælde.
27 Figur 23 Samlet sedimentation, vinter Den totale mængde sediment aflejret efter gravearbejdet er afsluttet og sedimentet er sedimenteret.
28 Figur 24 Samlet sedimentation, sommer Den totale mængde sediment aflejret efter gravearbejdet er afsluttet og sedimentet er sedimenteret.
29 Figur 25 Maks. af timemiddelkonc. for broklapfundament Maksimum af timemiddel koncentration ved gravearbejdet for broklapfundament. (fundament 5 i Tabel 5.).
30 Figur 26 Middel koncentration for broklapfundament Middel koncentration fra start af gravearbejde til 6 timer efter afsluttet arbejde for broklapfundament. (fundament 5 i Tabel 5.). Som beskrevet i afsnit 6 er middelstrømmen nordgående, men der er også lange perioder med sydgående strøm. Sandsynligheden for at arbejdet bliver udført i den ene eller den anden af de to strømsituationer må anses for at være af samme størrelsesorden. Der er derfor udvalgt to repræsentative strømsituationer se Figur 27 og Figur 28. Resultaterne er kombineret, således at maksimum koncentrationen repræsenterer den maksimale koncentration i hvert punkt fra de 2 situationer for henholdsvis nord- og sydgående strøm. Gennemsnitskoncentrationen er bestemt for hver strømsituation, og herefter er den maksimale for den kombinerede hændelse udvalgt.
31 Figur 27 Strømforhold ved udgravning, Nord Strømforhold ved udgravning for broklapfundament i situation med nordgående strøm. (Strømmen er givet ca. 100 m syd for broen). Figur 28 Strømforhold ved udgravning, Syd Strømforhold ved udgravning for broklapfundament i situation med sydgående strøm. (Strømmen er givet ca. 100 m syd for broen. 9. Beregning af gennemstrømning For at undersøge effekten af en ekstra række bropiller for en ny bro er der opsat en mindre model i MIKE 21 HD FM. Modellen strækker sig ca. 1 km nord og syd for broen. I modellen er strømningen omkring den enkelte bropille opløst. Dette er på grænsen af hvad modellen er i stand til at håndtere, og der er derfor lavet en kontrol i bestemmelsen af strømkræfterne. 9.1 Flow omkring en cylinder For at kontrollere modellens evne til at beskrive strømningen omkring bropillerne er drag koefficienten beregnet for en cylinder og et kvadrat ved at integrere kræfterne. Dragkoefficienten er sammenlignet med eksperimentelle værdier fra /4/. Modellen opløser ikke grænselaget omkring cylinderen og størrelsen på slipstrømmen bliver derfor påvirket. Det er ikke forsøgt at opløse hvirvelafløsningen, hvilket kræver et meget lille tidsskridt. Dette er muligt i forhold til at kunne simulere strømningsmønstre for hele bro-
32 en. Samlet er det vurderet, at denne opløsning vil medføre en reduceret slipstrøm og dermed en konservativ vurdering af den ekstra række bropiller, som vil blive placeret i slipstrømmen af de eksisterende piller (for sydgående strøm). Drag koefficienten er en funktion af Reynoldstallet, Re = U D /n. Hvor U er strømhastigheden, D diameteren af cylinderen og n er den kinematiske viskositet. Figur 29 viser kræfterne på en cylinder for Re = 1e 5. Den beregnede drag koefficient er i dette tilfælde 1,03, hvilket er en smule for lavt, da den burde ligge mellem 1,1-1,2. Afvigelsen skyldes formentlig at slipstrømmen er for svag, og at vandstandssænkningen bag cylinderen bliver for lille, hvilket giver et mindre samlet tryk på cylinderen. Figur 30 viser samme cylinder med samme opløsning, hvilket i forhold til grænselaget er en relativt dårligere opløsning. Reynoldstallet er øget til Re = 1e 6. Drag koefficienten burde ligge mellem 0,2-0,3, så fejlen her er ret stor. Det skyldes en ændring af strømningsmønstret samt en relativt reduceret opløsning. Jf. Figur 31 falder drag koefficienten med øget opløsning, denne opløsning er dog for høj til at kunne anvendes på hele broen. Der ses en smule asymmetri i kræfterne, hvilket tyder på hvirvelafløsning. Modellen bruger et dynamisk tidsskridt, hvilket betyder at tidsskridet bliver mindre med øget opløsning og der opnås dermed en bedre opløsning i tiden. Det vurderes, at modellen er i stand til at beskrive strømningen omkring cylinderen. Der må dog forventes, at kraften på konstruktionerne kan blive for store ved høje strømhastigheder, da dragkoefficienten bliver for stor. I forhold til gennemstrømningen vil det betyde, at reduktionen vil blive overvurderet, da den modelerede modstand fra den ekstra række bropiller bliver for stor. Figur 29 Kræfter på cylinder, svag strøm Kræfter på en cylinder angivet ved vektorer. Trekanterne angiver de elementer i beregningsnettet, der er anvendt.
33 Figur 30 Kræfter på cylinder, jævn strøm Kræfter på en cylinder angivet ved vektorer. Trekanterne angiver de elementer i beregningsnettet, der er anvendt.. Figur 31 Kræfter på cylinder, jævn strøm Kræfter på en cylinder angivet ved vektorer. Trekanterne angiver de elementer i beregningsnettet der er anvendt. 9.2 Flow omkring et kvadrat Bropiller etableres imidlertid ikke runde men firkantede og der er derfor også lavet en beregning af kraften på en kvadratisk kasse jf. Figur 32. Drag koefficient skal være ca. 1,6, og den er beregnet til 1,68, hvilket anses for at være meget tilfredsstillende. Drag koefficient for et kvadrat er uafhængig af Reynoldstallet. Det betyder dog kun, at kraften er vel beskrevet for den første bropille, mens kraften på bropil-
34 lerne i slipstrømmen formentlig vil blive overvurderet, da slipstrømmen ikke er korrekt beskrevet. Figur 32 Kræfter på en kvadratisk kasse Kræfter på en kvadratisk kasse angivet ved vektorer. Trekanterne angiver de elementer i beregningsnettet der er anvendt. 9.3 Modellering af gennemstrømningen Modelområdet er givet i Figur 33. Afgrænsningen er valgt således at strømningen forventes at være stabil ved randene. På baggrund af modellen dækkende for hele Guldborgsund for 2005 er der bestemt en middel vandføring for nordgående strøm på 224 m 3 /s. Denne vandføring er påtrykt modellen på den sydlige rand, sammen med en vandstand på 0 m på den nordlige rand. Modellen er kørt til en stationærløsning, og vandstanden på den sydlige rand er trukket ud. For den nye bro anvendes vandstanden på den sydlige rand, svarende til middelvandføringen, igen med en vandstand på 0 m på den nordlige rand. Herved fås en ny vandføring og deraf den relative reduktion i vandføringen. Den stabile løsning opnås efter ca. 2 timer modelleret tid. Der er således beregnet en reduktion i middel vandgennemstrømningen på 2,3. Beregningen er som beskrevet baseret på en række antagelser, hvorfor det må forventes, at virkeligheden kan blive lidt anderledes. På baggrund af valideringsanalysen forventes det dog ikke at være af stor betydning. Geometrien af bropillerne er ikke symmetriske omkring broens centerlinie, og der kan således være en mindre forskel på reduktionen i gen-
35 nemstrømningen. Det er antaget, at denne forskel er meget lille, og den er derfor ikke undersøgt. Figur 33, Område for gennemstrømningsmodel Beregningsområde for beregning af reduktion i gennemstrømning.
36 Figur 34, Beregningsnet tæt på bropillerne Udsnit af beregningsnet omkring centerbropillerne. 9.4 Strømningsmønstre Der er ikke observeret nogen ændringer i strømningsmønstret. Og da ændringen i gennemstrømningen er meget lille var det heller ikke forventet.
37 9.5 Morfologi Det forventes ikke at broen vil have nogen indflydelse på morfologien, da der ikke sker nogen ændring i strømningsmønstret. 10. Referencer 1 Rødsand (SEAS), VVM-redegørelse for Havmøllepark. Vurdering af virkningen på hydrografi, vandkvalitet og morfologi. DHI rapport 50412.02, april 2000. 2 Guldborgsund Monitering, Sep. 2010 3 NIRAS, 9. august 2010. Kornkurvefordeling af sediment i Guldborgsund. 4 Hydrodynamics Around Cylindrical Structures, B. Mutlu Sumer, Jørgen Fredsøe, 1999.