Hydrologisk utredning Anderstorps Stormosse

Transkript

1 BILAGA 2 FRAMTAGANDE AV HYDROLOGISK MODELL Modellen bygger på laserdata från flygburen laserskanning framtaget av Lantmäteriet. Höjdmodellen redovisar terrängens form och höjdläge med hög noggrannhet. På öppna hårdgjorda ytor är medelfelet i höjd ca 5 cm. Materialet innehåller ett rutsystem med ett höjdvärde för varje 2 2 meter. En sådan ruta kallas i fortsättningen för cell. Förutom detta har även en del data samlats in i fält med GPS och handdator, bl.a. rörande flödesvägar och dikens sträckningar. Den hydrologiska modellen har tagits fram med hjälp av programmet ArcGIS 9 (ESRI ArcMap 9.3.1) med tillägget Spatial Analyst och till viss del även tillägget 3D Analyst. Nedan beskrivs tillvägagångssättet för framtagande av modellen. Kommandon har markerats med kursiv text. Kommandon markerade med en stjärna (*) har hämtats ur ArcToolbox. TILLVÄGAGÅNGSSÄTT 1. Höjddatat importerades till ArcGIS i ascii-format och konverterades till ArcGIS gridformat. 2. De olika grid-filerna sammanfogades med kommandot Combine* till ett enda höjdraster som täckte hela åtgärdsområdet samt omgivande terräng. 3. Ur höjdrastret beräknades en skuggbild för att ge djup i bilden och åskådliggöra landskapets relief. Detta gjordes med kommandot Spatial Analyst/Surface Analysis/Hillshade med belysning från 225 (dvs. från sydväst) och 35 över horisonten. 4. I skuggbilden syns dikena inom området tydligt. Bilden jämfördes med ortofoton samt med de GPS-inmätningar som gjorts av dikena i fält och visade att skuggbilden gav en mycket detaljerad och rättvisande bild av dikenas sträckningar liksom även av utseendet hos övrig terräng i området. Detta är en bekräftelse på höjdrastrets höga kvalitet. Hydrologisk modell för nuläge 5. De hydrologiska verktyg som finns i ArcGIS Spatial Analyst bygger på att allt vatten rinner ut ur höjdrastret. Om det finns sänkor utan utlopp i rastret så kommer beräkningarna att visa att vattnet rinner ned i dessa sänkor och stannar där. I verkligheten skulle sänkorna antingen vattenfyllas och svämma över eller så skulle vattnet infiltrera i marken. För att kunna använda höjdrastret till hydrologiska beräkningar måste alla sänkor i rastret först fyllas igen. Detta utförs med kommandot Fill*. 6. Ur det fyllda höjdrastret kan vattnets flödesriktning i varje cell beräknas. För varje cell i rastret beräknas ett värde som visar åt vilket håll en vattendroppe som släpps i cellen skulle rinna. Detta görs med kommandot Flow direction*. 7. Ur flödesriktningen kan sedan flödesackumuleringen beräknas, vilket i princip är ett raster där värdet för varje cell talar om hur många andra celler som avrinner till den 1

2 cellen. Detta görs med kommandot Flow accumulation*. 8. Med Spatial Analyst/Raster calculator beräknades flödesackumuleringen om så att värdet för respektive cell multiplicerades med 4 (varje cell har arean 4 m 2 ). Värdet i respektive cell motsvarar då avrinningsområdet för varje specifik cell uttryckt i m 2. Genom att därefter multiplicera med årsavrinningen 584,6 mm och dividera med kunde även den årsavrinningen beräknas för varje cell uttryckt som 10 6 liter/år. 9. Genom att ändra i symbologin för bilden över flödesackumulering/årsavrinning så att celler med värden lägre än liter/år inte visas så framträder ett dräneringsmönster. För att ytterligare tydliggöra detta delades rastret in i ett antal olika klasser med Spatial Analyst/ Reclassify och konverterades därefter till ett vektorbaserat linjeskikt Spatial Analyst/ Convert/Raster to features. Små vattenflöden gavs en ljusblå färg och smal linjetjocklek. Högre vattenflödena symbolseras av allt tjockare linjer och mörkare blå färg. Rättning av modellen 10. Kartan med dräneringsmönstret kontrollerades mot iakttagelser i fält för att hitta eventuella felaktigheter. Ett uppenbart fel som uppstår i beräkningarna är när det finns vägtrummor eller broar. I höjdrastret ser dessa ut som fördämningar. Kommandot Fill* har till syfte att bl.a. avhjälpa sådana fel genom att fylla upp rastret så att vattnet ändå kan rinna vidare. Men Fill* är i det här sammanhanget ett väldigt trubbigt verktyg som kan skapa nya fel i rastret. Om trumman exempelvis går under en hög vägbank kommer ett stort område att fyllas av Fill*, vilket medför att flödena kan styras över vägen på fel plats och därmed förvanska dräneringsmönstret nedströms. De delar av dräneringsmönstret uppströms om trumman som hamnar under fyllningen kommer också att slätas ut och kan inte vara med i fortsatta beräkningar. Det finns även andra platser i höjdrastret där t.ex. utlopp från torvgravar hamnat på fel ställen. Ett annat fel är att tegdikena i modellen inte är tillräckligt tydliga för att modellen ska fungera korrekt. Dikena är endast ca cm breda i verkligheten och dessutom igenväxta i ytan på många platser. De syns i skuggbilden av höjdmodellen, men det är på grund av att marken sluttar svagt mot de platser där dikena ligger, inte på grund av dikena själva. Tegdikena behöver därför förtydligas i modellen. Korrigering för trummor och utlopp 11. För att rätta till fel orsakade av trummor eller felaktiga utlopp skapades ett 3Dlinjeskikt. I linjeskiktet digitaliserades trummornas sträckningar in. (Man kan även göra ett vanligt linjeskikt och därefter konvertera det till ett 3D-skikt med kommandot 3D Analyst/Convert/Features to 3D). 12. På Editor-verktygsfältet finns verktyget Sketch Properties som kan användas för att korrigera koordinater för noder. Med hjälp av Sketch Properties lades höjdvärden (z) in för linjernas start och slutpunkter och eventuella övriga mellanliggande noder. Mellan noderna kommer linjen att få höjdvärden motsvarande ett linjärt samband mellan noderna, vilket alltså innebär att linjen får ett flytande höjdvärde mellan noderna. Linjerna gavs höjdvärden som motsvarar den egentliga dikesbotten vilket gör att 2

3 vattnet kommer att välja dessa vägar i flödesmodellen. 13. Det går inte att direkt konvertera 3D-linjeskiktet till ett raster och få med höjdvärdena. Vid bildandet av rastret tas höjdvärdena från en kolumn i attributtabellen. Ett 3Dlinjeskikt kan ha olika höjdvärden för varje nod och dessutom flytande höjdvärden mellan noderna. Detta går inte att visa i attributtabellen. Först konverterades därför 3D-linjeskiktet till ett 3D-punktskikt med en punkt för varje 2 meters intervall med XToolsPro/Feature Conversions/Convert Features to Points. 14. Med XToolsPro/Table Operations/Add X,Y,Z Coordinates beräknades respektive punkts z- koordinat i punktskiktets attributtabell D-punkterna konverterades sedan till ett raster med 2 m cellstorlek snappat mot det ursprungliga höjdrastret, Spatial Analyst/Convert/Features to raster. Som värde för rastret valdes z-värdena. 16. Nu har ett nytt raster skapats. Detta raster kallas i fortsättningen för trum-rastret. I trum-rastret finns endast värden på de platser som ska korrigeras dvs. där de aktuella trummorna eller utloppen ligger. Resterande omgivning i rastret saknar värde. Sådana celler sägs ha värdet null. Nu kan trum-rastret läggas in i det ursprungliga höjdrastret genom följande kommando i Spatial Analyst/Raster calculator: Con(IsNull([trum-raster]), [höjdraster], [trum-raster]) Det som står innanför hakparenteser ska alltså vara namnen på de rasterskikt som används i beräkningen. Kommandot är ett villkorskommando som i princip säger att om trum-rastret saknar värde ( null ) så ska höjdrastrets värden användas. Och där det inte är null ska trum-rastrets värden användas. Det gör att höjdrastrets värden kommer att användas överallt utom på de platser där trummorna ligger. Där kommer trumrastrets värden att användas. Förtydlig av tegdiken 17. Dikena digitaliserades som ett linjeskikt. För att hitta dikena användas både en skuggbild av höjdrastret (se pkt 3), ortofoton och ekonomiska kartan från 50-talet. 18. Linjeskiktet med diken konverterades till ett rasterskikt, Spatial Analyst/Convert/Features to raster. 19. Dikesrastret har bara värden där det finns diken, medan omgivningen har värdet null. Dikesrastret lades ihop med höjdrastret med följande kommando i Spatial Analyst/Raster calculator: Con(IsNull([dikesraster]), [höjdraster], [höjdraster]- 0,2) Kommandot säger i princip att där dikesrastret saknar värden ( null ) ska höjdrastrets värden användas. Där dikesrastret innehåller värden ska höjdrastrets värden också användas, men sänkas 0,2 meter. Det innebär att alla diken fördjupas 0,2 meter. Olika försök gjordes med att sänka dikesbottnarna till andra nivåer, till exempel 0,1 3

4 meter och 0,3 meter och resultaten jämfördes. Det är mycket svårt att avgöra vilket som är en korrekt flödesbild inom de dikade täktområdena, men modellen där tegdikena sänkts 0,2 meter bedömdes vara den som bäst stämde överens med iakttagelser i fält. Denna modell behölls för fortsatta hydrologiska analyser. Analys av områdets hydrologi före restaurering 20. Med det nya rättade höjdrastret upprepades steg 5 9 för att generera en så korrekt flödesbild som möjligt över åtgärdsområdet. 21. Ett punktskikt skapades. I punktskiktet digitaliserades utloppspunkter in baserat på flödesbilden och iakttagelser gjorda i fält. Varje punkt fick ett eget ID-nummer. 22. Baserat på punktskiktet med utloppspunkter beräknades delavrinningsområden fram med kommandot Watershed*. 23. Avrinningsområdena konverterades till ett vektorbaserat polygonskikt, Spatial Analyst/Convert/Raster to features. Resultatet finns i bilaga Avrinningsområdenas areor beräknades med XToolsPro/Table Operations/Calculate Area (se tabell 5 i rapporten). Hydrologisk modell efter restaurering 25. För att undersöka förändringen efter den planerade restaureringen behövde höjdmodellen åter korrigeras genom att förändra den till motsvara hur området kommer att se ut efter restaureringsarbetena. För att göra detta har höjdrastret modifierats i fyra olika steg: Igenläggning av diken, sänkning av plintar, små dämmen och stora dämmen. Denna arbetsordning gäller enbart för arbetet med den digitala modellen och har inget med ordningen för genomförandet av verkliga restaureringsåtgärder att göra. Igenläggning av diken 26. Ur linjeskiktet med alla diken valdes de diken som ska dämmas ut för den fortsatta analysen. 27. En buffert om 3 meter skapades runt alla diken som ska restaureras (Buffer*). 28. Bufferpolygonerna konverterades till ett linjeskikt med XtoolsPro/Feature Conversions/ Convert Polygons to Polylines. Linjerna representerar ytterkanten för dikesigenläggningen. För den fortsatta bearbetningen av datat måste korsande linjer och områden intill torvgravar tas bort. Det görs med en överlappande klipp-polygon som tas fram enligt punkterna nedan. 29. Med kommandot Intersect* skapades ett punktskikt för varje korsning i dikesskiktet. 30. Korsningspunkterna buffrades till 5 meter (Buffer*). Buffern bildar ett polygonskikt. 4

5 31. Ett polygonskikt som täcker hela analysområdet med en enda stor fyrkantig polygon skapades. Med Union* sattes denna polygon ihop med bufferpolygonerna. 32. Polygonskiktet gjordes editerbart. Nu kan alla bufferpolygonerna raderas ur den stora polygonen så att det endast blir hålrum kvar där buffrarna legat. 33. På samma sätt som i punkt ovan skapas en buffert runt alla torvgravar som sedan läggs ihop med den stora polygonen och sedan raderas. Kvar finns alltså en stor polygon som täcker hela analysområdet, men med hål 5 meter runt varje dikeskorsning och 5 meter runt alla torvgravar. 34. Linjeskiktet klipptes därefter mot den stora polygonen med hål i med kommandot Clip*. Kvar blev ett linjeskikt där det ligger linjer parallellt med alla diken på 3 meters avstånd. Inom 5 meter från dikeskorsningar eller torvgravar upphör linjerna för att undvika att de korsas eftersom det kan störa den fortsatta databearbetningen. 35. Linjeskiktet konverterades till ett punktskikt med en punkt för varje 2 meters intervall, XToolsPro/Feature Conversions/Convert Features to Points. 36. Punktskiktet konverterades vidare till ett 3D-punktskikt med kommandot 3D Analyst/Convert/Features to 3D och interpolerades mot höjdrastret. 37. Från 3D-punktskiktet interpolerades ett nytt raster fram. Som interpoleringsmetod användes Kriging, Spatial Analyst/Interpolate to Raster/Kriging. Rastret kallas nedan för krigingrastret. 38. Det polygonskikt med dikesbuffert som tillverkades tidigare (punkt 27) konverterades till ett raster med valfritt värde (omgivningen får automatiskt värdet null ). Rastret kallas nedan för buffertrastret. 39. Dikena i höjdrastret kan sedan läggas igen med följande kommando i Spatial Analyst/ Raster calculator: Con(IsNull([buffertrastret), [höjdrastret], [krigingrastret]) Detta innebär att där buffertrastret saknar värde ( null ) kommer höjdrastret att behållas, men inom 3 meter från alla diken kommer krigingrastrets värden att användas. Detta motsvarar som om diket har lagts igen till samma marknivåer som finns 3 meter vid sidan om diket. Anledningen att 3 meter används är för att cellstorleken i höjdrastret är 2 meter och då behöver avståndet vara något större än det för att ge en bra marknivå för igenläggningen i analysen. Sänka plintar 40. När dikena läggs igen kommer massorna att tas från marken intill. Detta kommer att medföra att markytan sänks något. För att detta ska stämma i modellen ska markytorna sänkas även där. 5

6 41. Runt linjeskiktet för diken skapades en buffert om 12 meter med kommandot Buffer* (så långt som grävmaskinerna beräknas nå vid arbetena). 42. Bufferpolygonen slogs sedan samman med bufferten för torvgravar (punkt 33) och polygonerna för dikesigenläggning (punkt 27) med kommandot Union*. Därefter editerades skiktet så att bufferten för torvgravar och polygonerna för dikesigenläggning raderades från bufferpolygonen. Kvar blev alltså områden som ligger längre bort än 3 meter från diken, men närmare än 12, samt inte intill torvgravar. 43. Polygonskiktet konverterades till ett raster med värdet 1, Spatial Analyst/Convert/Features to raster, nedan kallat plintrastret. 44. Plintar som sticker upp mer än 0,1 m över igenläggningsnivån sänks med 0,1 m genom följande kommandon i Spatial Analyst/Raster calculator: [höjdrastret] * [plintrastret] 0,1 Detta raster kallas nedan för sänkning0,1. Därefter användes följande kommando: Con([krigingrastret] < [sänkning0,1], [krigingrastret], [sänkning0,1]). 45. Det sänkta rastret lades därefter ihop med höjdrastret genom följande kommando i Spatial Analyst/Raster calculator: Con(IsNull([sänkta rastret]), [höjdrastret], [sänkta rastret]) Stora dämmen 46. De planerade stora dämmena digitaliserades som ett linjeskikt. 47. Markprofilen vid varje dämme kontrollerades med 3D Analyst/Interpolate line och Profile graph som visar en markprofilkurva i sidovy av ett valt utsnitt av marken. Utifrån denna profilbild fastställdes en lämplig dämningsnivå för respektive dämme. 48. I linjeskiktets attributtabell skapades en ny kolumn med namnet Z. Respektive dämmes dämningsnivån lades in i attributtabellen i kolumnen Z. 49. Linjeskiktet konverterades till ett raster baserat på Z-värdet, Spatial Analyst/ Convert/ Features to raster. 50. Null-värden togs bort ur rastret med följande kommando i Spatial Analyst/Raster calculator: Con(IsNull([raster]), 0, [raster]) Rastret med äkta noll-värden kallas nedan för Storadämmen-rastret 51. Storadämmen-rastret sammanfogades med höjdrastret i Spatial Analyst/Raster calculator: Con([Storadämmen-rastret] > [Höjdrastret], [Storadämmen-rastret], [Höjdrastret]) 6

7 Kommandot säger att på de platser där Storadämmen-rastret är högre än det ursprungliga höjdrastret så ska Storadämmen-rastrets värden användas istället. Små dämmen 52. Ett nytt linjeskikt skapades. Linjer digitaliserades över området i ett system ungefär vinkelrät mot dikena och anpassat till höjdskillnader. Längs med dessa linjer ska dämmen byggas i dikena. 53. Genom kommandot Intersect* mellan dämningslinjerna (punkt 52) och dikena (punkt 17) skapades ett punktskikt för de platser där dämmen ska byggas. 54. En buffert om 7 meter skapades runt varje dämme, Buffer*. Detta definierar att dämmets bredd kommer att bli 7 meter åt vardera hållet dvs. totalt 14 meter. 55. Intersect* användes igen, men denna gång mellan dikena (punkt 17) och bufferten (punkt 54), vilket skapar ett skikt med 14 meter långa linjer. Linjerna ligger ovanpå dikena med samma riktning som dessa. Dessa linjer ska nu vridas vinkelrät mot dikena för att bli de små dämmena. 56. Linjerna vrids 90 grader med hjälp av polyline_rotate_byfieldvalues.cal i Easy Calculate 5.0 ( Nu hamnar de små dämmena vinkelrät över dikena. 57. Med XToolsPro/Feature Conversions/Split Polylines delades dämmena på mitten i två halvor. 58. Skiktet med de delade dämmena görs om till ett 3D-linjeskikt interpolerat mot höjdrastret, 3D Analyst/Convert/Features to 3D. 59. Två nya kolumner skapades i attributtabellen: Z-max och Z-min. Högsta och lägsta höjd för alla dämmehalvor beräknades därefter i Field Calculator med hjälp av två färdiga beräkningsmodeller i Easy Calculate 5.0: shape_get_z_max_2.cal och shape_get_z_min_2.cal 60. Dämmena sattes därefter ihop igen med kommandot Dissolve*. Vid ihopsättningen beräknades samtidigt max-värdet för varje dämmes Z-max (linjens högsta punkt) och även min-värdet för varje dämmes Z-max (den lägre halvans högsta punkt), liksom även min-värdet för varje dämmes Z-min (den lägsta punkten). Anledningen till dessa beräkningar är att det inte går att dämma högre än den högsta terrängen för dämmets lägsta halva, dvs. min-värdet för Z-max. Dämningshöjden, dvs. högsta vattendjupet bakom dämmet kan beräknas i Field calculator genom: (min Z-max) (min Z-min) 61. Dämmets höjd sätts till 0,1 meter över min Z-max i Field calculator. (min Z-max) + 0,1 7

8 Det spelar egentligen inte någon roll och det höjs endast en millimeter eller flera meter, i den hydrologiska analysen kommer resultatet att bli detsamma. 62. Linjeskiktet konverteras till ett raster med dämmets höjd som värde, Spatial Analyst/ Convert/Features to raster. 63. Rastret med de små dämmena läggs ihop med höjdrastret i Spatial Analyst/Raster calculator: Con(IsNull([små dämmen]), [höjdraster], [små dämmen]) Analys av områdets hydrologi efter restaurering 64. Med det korrigerade höjdrastret upprepades steg 5-9 för att generera en ny flödesbild över åtgärdsområdet. 65. Avrinningsområden beräknades på samma sätt som i punkt Samma skikt med utloppspunkter som i punkt 21 användes. Synpunkter på modellen Efter kontroll och anpassning mot observationer i fält tycks modellen ge en mycket bra bild av den hydrologiska situationen i stort. Men liksom alla modeller så är det en förenkling av verkigheten. Två brister har noterats hos modellen. En generell brist är att modellen endast tar hänsyn till markytans höjd och hur vatten skulle rinna på denna yta. Men mycket av vattnets rörelser sker vanligtvis nere i marken. Även om grundvattnets rörelser till största delen följer topografin kan även andra aspekter som t.ex. jordart och jorddjup spela in. Denna påverkan på vattenflödena finns inte med i modellen. I detta fall berör de hydrologiska analyserna i huvudsak torvmark som är homogen och ofta väldigt tät mot djupet. De stora vattenrörelserna i torvmark sker i eller väldigt nära markytan. Mossemark tillväxer med anpassning efter vattnets rörelser. I blöta dråg och laggkärr förblir terrängen låg medan mossen i övrigt tillväxer på höjden. Eftersom mossens topografi på så vis blir en direkt avspegling av vattnets rörelser är kanske mossemark också den typ av mark som trots allt är allra bäst lämpad för att göra hydrologiska beräkningar baserat på en digitala höjdmodell. Denna brist i modellen är alltså av mindre betydelse i detta fall. En andra brist är att alla vattenflöden har samma bredd som cellstorleken oavsett om det är en rännil eller flod. Modellen är matematiskt uppbyggd så att vattnet alltid endast rinner i den lägsta punkten även om flödet är så stort att det skulle sprida sig till omgivande celler. I detta fall innebär det att det vatten som efter restaureringen kommer att spridas i markytan enligt modellen ändå ser ut som koncentrerade bäckar. Det troliga är att vattnet på flera ställen kommer att medföra att marken blir blötare i ett bredare stråk, inte bara i en 2 meter bred fåra motsvarande cellstorleken. 8