3 Prinsipp for vannstand/vannføring

Forholdene i og langs elvekanalen som bestemmer sammenhengen mellom vannstand og vannføring på et gitt punkt, kalles hydraulisk kontroll. Hvis vannstanden ved punktet kun påvirkes av et bestemt tverrprofil i elva (f.eks. en terskel, innsnevring, fossefall, utløp, stryk) sier vi at vi har en lokal hydraulisk kontroll. Dette forutsetter at forhold nedstrøms dette tverrprofilet ikke påvirker vannstanden. Kunstige formasjoner som demninger, bruer og kulverter vil også vanligvis fungere som bestemmende profil med lokal kontroll. Det er mulig å bygge kunstige bestemmende profiler i elva med overløp eller renner som er spesialkonstruert for å gi god sammenheng mellom vannstand og vannføring. Den hydrauliske kontrollen kan også bestå av en lengre elvestrekning med slak helning hvor friksjonen i kanalen er bestemmende for vannstanden. Da har vi en bestemmende elvestrekning eller kanalkontroll.

Ofte vil det være slik at det ikke bare er en enkel hydraulisk kontroll som bestemmer sammenhengen mellom vannstand og vannføring for alle vannføringer ved et gitt punkt. For eksempel kan et bestemmende profil oversvømmes ved store vannføringer, og et nytt bestemmende profil rett nedstrøms overtar som kontroll for vannstanden, eller man kan få overgang til kanalkontroll. Slike ting vil ofte kunne gjøre at vannføringskurven må deles opp i flere segmenter (gyldighetsområder).

NVE tilbyr tilgang til verktøy for generering av vannføringskurver, samt kurs og veiledning for bruk. NVE skal kvalitetssikre og lagre vannføringskurver for alle pålagte målestasjoner der vannføringen beregnes med vannføringskurve.

En enkel fremstilling av vannføringskurven er vist i formel 3-1 nedenfor.

Q = C(h-h₀)^b                                               Formel 3‑1

Q er vannføring, C og b er konstanter som regnes ut når man lager vannføringskurven. (h-h₀) er vannstand over den laveste vannstanden hvor det fortsatt renner vann forbi profilet eller elvestrekningen. h er vannstand i lokalt høydesystem ved målestasjonen. h₀ er vannstanden (i samme høydesystem) ved null vannføring, og kalles også salpunkt. Det er mulig, men ikke ønskelig at h₀ skal være et negativt tall, men h₀ kan godt være et stort, positivt tall. Se kapittel 6.2 Høydegrunnlag og 6.2.2 Lokal høyde/NN1954 for mer om hvordan man setter høyde for vannstand.

Om praktisk mulig, anbefales det at salpunktet (h₀) nivelleres direkte i profilet på lav vannstand. Dette vil være med på å redusere vannføringskurvens usikkerhet på liten vannføring.

For å generere en vannføringskurve må man først ha utført manuelle vannføringsmålinger i elva (se kapittel 5 Vannføringsmåling). Dette må gjøres på ulike vannstander, slik at målingene dekker hele spekteret fra liten til stor vannføring. Kapittel 7.7 Sikring mot 200-års flom, viser hvordan man kan lage anslag på flomstørrelser allerede før man starter med vannføringsmålinger.

Når man har en vannføringskurve med flere segmenter, må man spesifisere hvilken formel som skal brukes til utregning av vannføringen ved forskjellige vannstandsintervaller. Under er et eksempel på en vannføringskurve med tre segmenter og salpunkt på 0,780 m:

• Vannstand 0,780 m – 1,213 m: Q = 10,2564(h-0,780)^1,6915 
• Vannstand 1,214 m – 1,920 m: Q = 40,5645(h-0,233)^2,4649 
• Vannstander fra og med 1,921 m: Q = 8,2634(h-1,280)^3,1151 

Legg merke til at det bare er det første segmentet som har verdien 0,780 m for h₀. Dette er fordi de to neste segmentene har teoretiske salpunkter som ikke eksisterer i virkeligheten.

Figur 3.2.a viser vannføringsmålinger plottet i et diagram som danner et godt grunnlag for å generere en vannføringskurve. Ved en ny målestasjon bør man få laget en midlertidig vannføringskurve før man har så mange målinger som dette, gjerne så fort man har noen målinger med litt god spredning. Det er da svært viktig at man fortsetter å følge opp med flere målinger for å forbedre vannføringskurven. Vannføringskurver blir aldri “ferdig” og må revideres fortløpende. Se «Retningslinje for registrering av vannføring i elver» for gjeldende krav til vannføringsmålinger ved generering av vannføringskurver.

Vannføringsdata som befinner seg utenfor målegrunnlaget til vannføringskurven blir fort usikre. Derfor er det svært viktig å utføre vannføringsmålinger både ved flom og tørke, for å redusere usikkerheten. Figurene 3.2.b, 3.2.c og 3.2.d nedenfor illustrerer viktigheten av vannføringsmålinger ved flomvannføring, og hvor store feil i vannføring som kan oppstå om målegrunnlaget er utilstrekkelig.

Figur 3.2.b viser en vannføringskurve der de røde punktene er vannføringsmålingene som dannet grunnlaget for å lage kurven. De grønne punktene er vannføringsmålinger som er utført etter at kurven ble laget, og de to høyeste av disse er flommålinger som viser at kurven må revideres. Om man plotter tidsserien for vannføring før og etter revisjon av denne kurven, ser man hvor stort utslag dette faktisk gir. Det er vist i Figur 3.2.c nedenfor.

Figur 3.2.c viser vannføringen regnet ut med den gamle vannføringskurven som er vist ved den røde linjen. Hadde man ikke hatt de to flommålingene fra Figur 3.2.b (grønne punkter ved vannstand mellom 3-4 m), hadde man brukt dette som offisiell vannføring for denne flommen. Etter at vannføringskurven ble revidert med de nye målingene ble det faktiske flomforløpet ganske annerledes, med lavere topper. Den reviderte vannføringskurven er vist som den svarte linjen i Figur 3.2.c. Det er altså de samme vannstandene som er registrert av målestasjonen som omregnes med de to forskjellige utgavene av vannføringskurven.

Selv om vannføringsmålinger på høyere vannstand enn tidligere målt alltid er viktig, betyr også lavvannsmålinger mye for hvor gode data vannføringskurven gir. Det må også etterstrebes å få utført vannføringsmålinger som representerer vannføringer i alle segmenter. Spesielt viktig er det at målegrunnlaget er godt der det oppstår segmentskiller.

Figur 3.2.d nedenfor viser et eksempel på et segmentskille som burde vært bedre dokumentert med flere vannføringsmålinger på vannstander omkring 0,5 m (vannføring mellom 2 og 3 m³/s).

Ved bruk av kunstige profiler kan hele eller deler av vannføringskurven beregnes teoretisk basert på ISO-standarder. I forbindelse med pålegg, vil det likevel kunne kreves kontrollmålinger av vannføringen. Krav til dette er spesifisert i «Retningslinje for registrering av vannføring i elver».

Man bør alltid forsøke å etablere målestasjoner der det bestemmende profilet er stabilt og ikke vil endre seg over tid. I praksis vil dette ikke alltid være mulig. I tilfeller der det er sannsynlighet for endringer, må vannføringsmålinger utføres hyppig for å kunne avdekke dette. Vannføringskurven må følgelig revideres så fort en avdekker et endret forhold mellom vannstand og vannføring. Se «Retningslinje for registrering av vannføring i elver» for krav til oppfølging og kontroll av vannføringskurver i forbindelse med pålegg.

Et profil bestående av løsmasser er sannsynligvis ikke veldig stabilt. Selv ganske store steiner kan flyttes når vannhastigheten blir høy nok. Profiler i fast fjell er ofte det man ser etter, men selv disse kan endres. Et profil kan endres både ved erosjon (tverrsnittet utvides), eller ved at masser tilføres (tverrsnittet innsnevres). I sterkt masseførende elver kan dette være et stort problem. Et godt og stabilt fjellprofil kan fylles opp av stein, slik at det er steinene som overtar som kontroll. Tilførte masser kan også gi endring i tilløpshastighet på vannet over profilet.

Noen eksempler på typiske ting som kan føre til profilendringer:

• Flom
• Isgang
• Tilvekst av vegetasjon (både under vann og på land)
• Anleggsarbeid (Veger, bruer med mer)

For å ivareta vannføringskurvens gyldighet, kan det i noen tilfeller være aktuelt å fjerne masser fra elva om det fylles opp i eller bak det bestemmende profilet.

Mange steder i Norge vil islegging i vassdraget gi en profilendring som varer i kortere eller lengre perioder gjennom vinteren. Når det fryser til is i det bestemmende profilet, snevres strømningsarealet inn og vannføringskurven blir ugyldig. Dette fenomenet fører alltid til at vannstanden blir høyere enn den ville vært dersom det ikke var islagt, dette kalles isoppstuving. Vannføringen som da regnes ut via vannføringskurven vil da bli større enn den faktiske vannføringen i elva.

Ved etablering av målestasjoner for vannstand/vannføring er det selvsagt ønskelig å finne steder som ikke påvirkes av isoppstuving. Dette er ofte ikke mulig å få til. Det finnes derfor egne prosedyrer for korreksjon av data, såkalt isreduksjon, når man utfører kontroll av vannføringsdata (se kapittel 9 NVEs datakontroll). Isreduksjon av isoppstuvet vannstand går ut på at man ved hjelp av diverse virkemidler finner ut hva vannføringen faktisk var, og konverterer denne tilbake til en uoppstuvet vannstand. Vintervannføringsmålinger (se kapittel 5.4.4 Vintermålinger) er en viktig del av denne prosedyren. «Retningslinje for registrering av vannføring i elver» spesifiserer krav som stilles til vintermålinger i forbindelse med pålegg.

Store og mellomstore vassdrag i innlandet er ofte isoppstuvet hele vinteren. I mindre elver og bekker kan vannstanden synke under isnivå etter at isen har lagt seg, uten at isen knekker ned. Da kan man etter en innledende isoppstuvet periode tidlig på vinteren få en periode uten oppstuving. Når vannføringen stiger igjen, får man nye oppstuvede perioder. I kystnære strøk er isoppstuving mindre vanlig og opptrer gjerne kun i kortere perioder når det blir veldig kaldt, mens isen forsvinner igjen når det blir mildere.

Utløp av vann og sjøer er ofte isfrie hele vinteren, selv i innlandet. Vann er tyngst ved temperaturen 4°C. I sjøer og vann som er dype nok til å ha en temperaturgradient vil vannet på bunnen av sjøen ha en temperatur på 4°C hele året. Mot utløpet presses dette vannet mot overflaten og sørger for at det ikke legger seg is gjennom vinteren.

Hvis oppløsningen i et bestemmende profil eller ved en bestemmende elvestrekning er dårlig, vil vannstanden endre seg lite selv om vannføringen endres mye. Dette vil gi større usikkerhet i vannføringsdata. Stor endring i vannstand når vannføring endres lite gir god oppløsning. Man ønsker så god oppløsning som mulig i et bestemmende profil, og generelt er oppløsningen bedre dess brattere sidene i profilet er. Men det er viktig at elvebreddene ikke er for bratte. Dette gjelder for både bestemmende profil og elvestrekning. Hvis det ikke er nok plass til vannet når vannføringen stiger, kan vannhastigheten øke og da blir oppløsningen dårligere igjen. Om vannhastigheten blir veldig høy, kan det skape problemer. I verste fall er det mulig man ikke har et entydig forhold mellom vannstand og vannføring, noe som gjør strekningen uegnet for målestasjoner av denne typen. Se mer om vannhastighet og trykk i kapittel 4.1 Vannstand, vanntrykk og instrumenttyper.

Et profil kan ha varierende oppløsning på forskjellige vannføringer. Et profil som er veldig bredt i forhold til dybden gir generelt dårlig oppløsning. Brede, flate terskler uten slisser eller V-profiler for liten vannføring vil gi svært dårlig oppløsning på lavvann. Et profil med en enorm flomslette gir dårlig oppløsning på flom. Figur 3.5.a nedenfor gir noen eksempler på profiler med forskjellig oppløsning.

Dårlig oppløsning gir en “flatere” vannføringskurve når kurven plottes med vannføring på x-aksen og vannstand på y-aksen, som vist i Figur 3.5.b. Den røde kurven har generelt dårlig oppløsning med mye økning i vannføring når vannstanden stiger lite. Orange kurve er eksempel på meget god oppløsning på lavvann og dårlig på flom, mens grønn kurve har generelt god oppløsning.

Det er ikke uvanlig at flomvann finner nye veger i terrenget. Et bestemmende profil kan også ha flere løp, hvorav et eller flere av dem er tørrlagt på de fleste vannføringer. Kompliserte profiler med flere løp er ikke å anbefale dersom man kan unngå det, men det er heller ikke nødvendigvis slik at et flomløp ødelegger for et entydig forhold mellom vannstand og vannføring. Flomløp i et bestemmende profil gir dårligere oppløsning av vannføringskurven på flom og må dokumenteres med vannføringsmålinger. I illustrasjonen av flomslette som gir dårlig oppløsning i Figur 5 ovenfor, vises et flomløp på den ene siden. Hadde det ikke vært en enorm elveslette på den andre siden, kunne dette kanskje fungert dersom man ikke fant et bedre profil et annet sted.

Et spesialtilfelle av flomløp er bifurkasjon. Bifurkasjon er når vann renner ut av et nedbørfelt et annet sted i nedbørfeltet (har avløp til to forskjellig elvesystem). Se mer om dette i kapittel 7.6 Bifurkasjon (gaffeldeling av elv eller innsjø).