Modul F1.002: Hvordan lese et vassdrag? – Grunnleggende vassdragshydraulikk
Publisert 28.09.22Sist endret 14.09.23
Innledning
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.
Strømningsforhold: Hvordan renner vannet?
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:
- Rolig (underkritisk) eller strykende (overkritisk)
- Stasjonær eller ikke-stasjonær
- Uniform eller ikke-uniform
- 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.
Froudetallet, F
Froudetallet er forholdet mellom vannhastighet, v, og bølgehastighet som er kvadratroten av produktet mellom g og vannstanden y, √gy
F = v / √gy
Er F < 1 kalles strømningen underkritisk. Når du lager bølger i vannet (f.eks. med en pinne eller ved å kaste en stein i vannet) vil bølgene spre seg både i opp- og nedstrøms retning. Ved F > 1 er strømningen overkritisk. Dette betyr at bølger bare sprer seg i nedstrøms retning. Er F = 1 er strømningen kritisk. Se bølgemønsteret i figur 1 under.
Eksempel på hvordan strømningen forandrer seg med vannføringen.
I figur 2 ser du to lengdeprofiler av ei elv, i midten ved middelvannføring og nederst ved flom. Øverst i figuren ser du elva ovenfra, der vannkanten er indikert med en heltrukket linje for middelvannføring og med en stiplet linje for flom. Se nå på den mellomste delen av figuren og områdene med overkritisk strømning i strykene like nedstrøms punkt A og C. Like oppstrøms strykene går strømningen fra under- til overkritisk (F = 1). Overgangen synes nesten ikke på vannoverflaten. Nedstrøms strykene, ved punkt B og D, er det en vannvalse, eller såkalt vannstandsprang, der strømningen går fra over- til underkritisk. Mye energi går tapt i vannstandspranget. Overgangen fra under- til overkritisk strømning ved punkt A og C gjør at vannstanden oppstrøms ikke kan bli påvirket av forholdene i vassdraget lengre nedstrøms. Det betyr at det er et kritisk snitt med hydraulisk kontroll og forandringer i dette snittet vil være bestemmende for vannstanden oppstrøms. For eksempel vil en utvidelse av tverrsnittet føre til større kapasitet i det kritiske snittet og dermed en lavere vannstand oppstrøms.
Figur 2: Eksempel på hvordan strømningen forandrer seg med vannføringen.
Se nå på den nederste delen av figuren: Det er samme elva som øverst, men nå er det flom. Stryket oppstrøms har "druknet" og det er ikke lengre et vannstandssprang ved punkt B. Strømningen er nå underkritisk hele veien oppstrøms punkt C. Du ser også i figuren øverst at det er et oversvømt hus ved punkt A.
Hvordan kan du nå øke kapasiteten av elveløpet slik at huset ved A ikke lengre blir oversvømt? Å utvide tverrsnittet ved A vil senke vannstanden ved lave vannføringer, men ved flom er det det kritiske snittet ved C som er avgjørende. Du vil derfor få mye større effekt ved å utvide tverrsnittet i C. På figur 3 under kan du se strømningen forandrer seg med et tiltak i punkt C.
Figur 3: Vassdrag med tiltak i punkt C for å sende vannstand oppstrøms.
Et tiltak ved C flytter det kritiske snittet ved flom opp til A. Dermed blir effekten ved A størst med et tiltak ved C.
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:
Formål der du kan anta stasjonær vannføring
- Vannlinjeberegninger der for eksempel kulminasjons- eller normaltilstanden er viktigst. Dette gjelder blant annet for de fleste flomsonekartene, se modul F1.003: Hydraulisk analyse og vannlinjeberegning
- Beregning av dimensjonerende erosjonskrefter på tiltak langs vassdrag, se modul F2.001: Beregning og valg av steinstørrelse i erosjonssikringer.
- Beregning av dimensjonerende vanntrykk på tiltak langs vassdrag.
Formål der du må ta hensyn til tidsavhengig vannføring
- Prosjektering av et fordrøyningsmagasin: Der trenger du kunnskap om samlet vannvolum som skal fordrøyes for å redusere flomvannføringen. Figur 5 illustrerer denne problemstillingen.
Figur 5: Fordrøyning av flommen som er vist i figuren over. Det opprinnelige flomforløpet (blå kurve) blir gjennom fordrøyning flatet ut (oransje kurve). Dette betyr at kulminasjonsvannføringen blir lavere og oppstår seinere. Det samlede vannvolumet i flommen er uforandret. Det betyr at arealene V1 og V2 må være like store.
- Beregning av samlet vannføring ved samløp av et stort og et lite vassdrag: Hvis du adderer de to kulminasjonsvannføringene, antar du at vannføringene i de to vassdragene kulminerer samtidig. Dette er den mest konservative tilnærmingen og sjelden tilfellet. Normalt vil vannføringene ikke kulminere samtidig ved samløp av et stort og et lite vassdrag. Dermed må du ta hensyn til flomforløpet som vist i figur 6.
Figur 6: Flomforløp ved samløp av et lite og et stort vassdrag. Vassdragene kulminerer på ulike tidspunkt på henholdsvis 80 og 140 m³/s. Dermed blir kulminasjon av det samlede flomforløpet med 160 m³/s lavere enn 80 + 140 = 220 m³/s hvis du hadde antatt stasjonær vannføring og samtidig kulminasjon.
- Dimensjonering av dreneringssystem på innsiden av flomsikringstiltak. Lekkasjemengden gjennom tiltaket og i grunnen under tiltaket er en funksjon av flomvarigheten. Samtidigheten for nedbør i lokalfeltet til sikringstiltaket og flommen i vassdraget vil også være dimensjonerende, se også modul F2.303: Dreneringsanlegg – Prosjektering.
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.
Vannstand og vannhastighet: Hvor stor er belastningen fra vannet?
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.
Hvordan finne ut av strømningsforhold, vannhastighet og vannstand?
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.
Enkel måte for å estimere vannhastighet
Du kan kaste noe flytende i elva og måle hvor lang tid det bruker for å flyte en bestemt strekning. Deretter deler du strekningen på tida og har et godt estimat for vannhastigheten på overflaten i elva.
For eksempel kaster du en kvist i elva og måler at den bruker 10 sekunder for en strekning på 20 meter. Estimert vannhastighet blir dermed 20 m/10 s = 2 m/s.
Massebalanse og erosjon
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.
Hvordan kartlegge og klassifisere erosjon?
Kartlegging av erosjonsforhold er et viktig punkt i sammenheng med å kartlegge risiko for kvikkleireskred. Kartlegging av erosjon i kohesive masser er beskrevet i kapittel 5.1 Kartlegging av erosjonsforhold i NVE ekstern rapport 9/2020 Oversiktskartlegging og klassifisering av faregrad, konsekvens og risiko for kvikkleireskred.
Klassifisering av erosjon i friksjonsmasser finner du i modul F1.005: Klassifisering av erosjon i felt.
Relaterte moduler
Disse modulene utdyper noen temaer som er relatert til denne modulen:
Videre lesning
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.