Modul F1.002: Hvordan lese et vassdrag? – Grunnleggende vassdragshydraulikk

Denne modulen er en støttemodul til fase 1: Planlegging av tiltak mot flom og erosjon.

Vassdrag forandrer seg stadig. Vannføringen, utformingen av vassdraget og massene i og langs vassdraget henger tett sammen. Endrer én av de tre størrelsene seg, vil vannstand og vannhastighet forandre seg. Det er derfor viktig å se vassdraget som en helhet for å forstå hvordan strømningsforholdene forandrer seg ved ulike vannføringer eller ved inngrep. Husk at et tiltak kan påvirke vassdraget både oppstrøms og nedstrøms fra selve tiltaksstedet. Dette gir oss muligheter for å planlegge og prosjektere effektive sikringstiltak samtidig som vi må være oppmerksomme på at vi med et tiltak ikke skaper nye problemer et annet sted. Det er viktig å ha med en fagperson med vassdragsteknisk kompetanse fordi prosessene er komplekse. Modulen skal gi en kort innføring i de viktigste grunnprinsippene innen hydraulikk slik at alle involverte i et sikringstiltak kan oppnå en grunnleggende forståelse for disse prosessene.

Frispeilstrømning (strømning med fritt vannspeil) er basert på kontinuitetsprinsippet, loven om kraftbalanse og loven om energibalanse. Disse prinsippene er beskrevet mer i detalj og med tilhørende formler i Vassdragshåndboka, kapittel 4. Vassdragshåndboka inneholder også en nærmere gjennomgang av andre deler av teorien innen vassdragshydraulikk.

Kjennskap til vannføringen er utgangspunktet for å analysere strømningsforholdene. Vannføringen for flommer med bestemte gjentaksintervall får du gjennom en flomberegning, se modul F1.001: Flomberegning. For å planlegge et sikringstiltak, må du ha svar på:

• Hvordan renner vannet? Altså, hvilke strømningsforhold er i elva ved ulike vannføringer og hvordan vil de påvirke vannstanden og vannhastigheten?
• Hvor stor er belastningen fra vannet? Altså, hvor høyt vil vannet stige og hvor stor er vannhastigheten og dermed skjærspenningen fra vannet?

Husk at massetransport, drivgods og is kan påvirke både strømningsforhold, vannstand og vannhastigheten. For eksempel kan is tette deler av et tverrsnitt og dermed føre til økt vannstand oppstrøms og høyere vannhastighet i det reduserte tverrsnittet. 

Strømningstypen er bestemt av helningen, friksjonen og forholdene opp- og nedstrøms i vassdraget. Sammenhengene er forklart under og beskrevet mer i detalj i Vassdragshåndboka kapittel 4.3 Forskjellige typer strømning og kapittel 4.6 Strømning under vekslende forhold.

Samme vannføring kan strømme enten:

1. Rolig (underkritisk) eller strykende (overkritisk)
2. Stasjonær eller ikke-stasjonær
3. Uniform eller ikke-uniform
4. Turbulent eller laminær

1. Hva betyr rolig og strykende strømning i praksis?

For å lese et vassdrag er det viktig å finne tverrsnittene som er avgjørende for kapasiteten i elva. Det er vanligvis punkter der strømningen går fra rolig til strykende for eksempel ved terskler, innsnevringer, brå dybdeforandringer, overgang til stryk eller ved luker.

Du kan se på hvordan bølger sprer seg i vannet for å sjekke om strømningen er under- eller overkritisk. Dette er vist i figur 1 og beskrevet i informasjonsboksen om Froudetallet under. Ved overkritisk strømning er hastigheten høy og vannstanden lav, mens ved underkritisk strømning er det omvendt. Hver vannføring kan enten strømme rolig eller strykende. Energiforholdene bestemmer hvilken type strømning som opptrer.

2. Forandrer vannføringen seg over tid (stasjonær – ikke-stasjonær)?

Begrepet stasjonær beskriver at strømningen ikke forandrer seg over tid. Dette betyr at både vannføring, vannstand og strømningsforhold ikke forandrer seg. Hvis det er forandring over tid kalles strømningen ikke-stasjonær. I figur 4 ser du eksempler på både stasjonær og ikke-stasjonær vannføring.

Vannføringen i et vassdrag vil alltid variere noe over tid. Det vil til en rekke formål være akseptabelt å forenkle og anta stasjonær vannføring. Til andre formål, må du ta hensyn til den reelle og tidsavhengige utviklingen i vannføringen. Se eksempler til begge kategoriene i boksene under:

3. Er strømningen uniform eller ikke?

Vannet strømmer uniformt når vannhastigheten ikke forandrer seg mellom tverrsnittene. Er det en forandring i tverrsnittet eller i lengdeprofilen, vil vannhastigheten endre seg og dermed være ikke-uniform. 

4. Er strømningen turbulent eller laminær?

Turbulens sier noe om hvor uregelmessig vannpartiklene beveger seg. I det naturlige er nesten all strømning turbulent. Et eksempel på laminær strømning er honning.

Hva er normalstrømning?

Normalstrømning betegner stasjonær og uniform strømning. Det er en likevektsituasjon som innstiller seg når vannføring, vannhastighet, helning og tverrsnitt er konstant. Helningen av bunnen er parallell til vannlinjen og energilinjen. På strekninger med lite forandring i helning og tverrsnitt, kan vi ofte anta tilnærmet normalstrømning. Mannings formel gjelder for normalstrømning og du må dermed kunne anta normalstrømning for å bruke den. Du kan lese mer om hydrauliske beregninger i modul F1.003: Hydraulisk analyse og vannlinjeberegning.

Sammenhengen mellom vannstand og vannhastighet er bestemt gjennom kontinuitetsprinsippet: Samme vannmengde som strømmer inn i et område, må enten strømme ut igjen eller lagres i området. Hvis ikke noe vann blir lagret, betyr det at vannføringen Q er lik produktet av gjennomsnittshastigheten v og det vannfylte tverrsnittet A som vist i figur 7.

Vannhastigheten ved en bestemt vannføring er høyere ved overkritisk enn underkritisk strømning. I tillegg varierer vannhastigheten lokalt over tverrsnittet i et vassdrag og er størst i yttersvinger som vist i figur 8 som viser ei elv både i plan og to utvalgte tverrsnitt.

Vi må skille mellom gjennomsnittshastigheten v = Q/A og den lokale vannhastigheten u. Den lokale vannhastigheten er størst i midten av tverrsnittet og i yttersvinger, se tverrsnitt i figur 8. Det er viktig å huske at vi ofte forenkler et naturlig tverrsnitt med ulike lokale hastigheter til et trapestverrsnitt med gjennomsnittshastighet som vist i figur 9. Slike forenklinger gjør vi for eksempel for beregninger i numeriske modeller (se modul F1.003: Hydraulisk analyse og vannlinjeberegning). Spesielt når du dimensjonerer erosjonssikring, må du være klar over hvilken hastighet du bruker.

Sammenhengen mellom vannhastighet og skjærspenning og fordelingen i vassdrag er mer detaljert beskrevet i NVE veileder 4/2009 Veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein, kapittel 2.9.

Du kan finne ut av strømningsforhold, vannhastighet og vannstand til en gitt vannføring på tre ulike måter:

• måle og observere i vassdraget
• beregne, enten manuelt eller med hjelp av dataprogrammer
• teste og måle, typisk i hydrauliske modellforsøk i en fysisk modell

Målte vannhastigheter og vannstander er det beste utgangspunkt for en analyse. Det er ofte utfordrende å måle hastigheten på ønsket sted ved høye vannføringer og derfor må vannhastigheten vanligvis beregnes. Måledata fra lavere vannføringer kan likevel gi nyttig informasjon for å kalibrere og validere hydrauliske beregningsmodeller. Vannstanden er enklere å måle, og kan også måles etter en flom ved å se etter spor av vannet i terrenget.

I modul F1.003: Hydraulisk analyse og vannlinjeberegning finner du ulike metoder for å beregne vannstand og vannhastighet på ulike steder i et vassdrag. En vannlinjeberegning vil også hjelpe deg til å forstå strømningsforholdene i vassdraget.

God kunnskap om strømningsforholdene er et viktig utgangspunkt når du skal foreta erosjonsvurdering av en strekning i et vassdrag. Det er generelt størst belastning fra vannet i yttersvinger og der vannstrømmen styres mot kanten eller bunnen av vassdraget. Vannet kan fjerne, flytte eller avleire partikler avhengig av strømningsforhold og bunnsubstrat. Ved stabile forhold vil det over tid vanligvis oppstå en likevekt mellom disse prosessene. Enten tilføres det like mye materiale som det fjernes, eller det utvikles et dekklag på elvebunnen der bunnsubstratet tåler normalbelastningen fra det strømmende vannet. Under dekklaget kan det være andre materialer som tåler mindre belastning.

De stabile forholdene kan endres som følge av for eksempel menneskelige inngrep eller en stor flom, se figur 10. Dekklaget kan utsettes for større belastning enn det tåler, og erosjon vil oppstå. Dersom dekklaget skades, kan dypereliggende og mer erosjonsfølsomme masser avdekkes, slik at erosjonstakten øker. Videre erosjonsutvikling vil være bestemt av forholdet mellom belastningen fra vannet og hvilke tilgjengelige masser som finnes for å skape et nytt dekklag som er tilpasset de nye forholdene. I noen tilfeller kan også etablering av erosjonssikring redusere tilførselen av sedimenter til et vassdrag og dermed forstyrre likevekten.

Prosessene er dynamiske, og tidsaspektet er viktig for å få tilstrekkelig kunnskap om erosjonsutviklingen i et vassdrag. Kombinasjon av nye og historiske data (for eksempel høydedata, flybilder, hydrologi, flomobservasjoner) kan brukes for å danne seg et bilde av erosjonsutviklingen over tid. Gjentatte målinger, med for eksempel ekkolodd, laser eller GNSS, kan brukes for å overvåke erosjonsutviklingen – typisk etter store flommer. Husk at kartlegging av erosjon i elveskråningene under vann er like viktig som i skråningene over vann. Resultatet av både kartlegging og klassifisering av erosjon gir deg et godt utgangspunkt for det videre arbeidet med vurdering av behov for sikringstiltak mot erosjon på den aktuelle vassdragsstrekningen.

Pågående erosjon i en skråningsfot vil gradvis destabilisere skråningen og kan føre til små eller større utglidninger. Omfanget av dette er blant annet bestemt av hvilke jordarter som finnes i skråningen. Skråninger med kohesjonsmasser, som for eksempel leire, kan stå med brattere helning enn friksjonsmasser. Undergraving av slike masser vil på grunn av kohesjonen oftere resultere i skred eller sammenhengende utglidninger. 

Friksjonsmasser, som sand eller grus, kan stå med en teoretisk skråningshelning, kalt friksjonsvinkelen. Undergraving av slike masser vil typisk medføre en gradvis justering av skråningshelningen, tilsvarende friksjonsvinkelen, men vil i mindre grad utvikle sammenhengende utglidninger eller skred.

Mer informasjon om erosjon, sedimentasjon og sedimenttransport finner du i Vassdragshåndboka kapittel 5 Erosjon, massetransport og skred.

Disse modulene utdyper noen temaer som er relatert til denne modulen:

• Modul F1.001: Flomberegning
• Modul F1.003: Hydraulisk analyse og vannlinjeberegning
• Modul F1.005: Klassifisering av erosjon i felt
• Modul F2.303: Dreneringsanlegg – Prosjektering

NVE (2010) Vassdragshåndboka - Håndbok i vassdragsteknikk. red. Fergus, T, Hoseth, K. A, Sæterbø, E. Trondheim: Tapir Akademisk Forlag.

NVE (2009) Veileder for dimensjonering av erosjonssikringer av stein. Veileder nr. 4/2009. Oslo: Norges vassdrags- og energidirektorat.

Utover det anbefales litteratur om vassdragshydraulikk.