Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall

Transkript

1 Rapport Författare: Uppdragsgivare: Rapportnr: Dan Eklund Sundsvalls kommun Granskare: Granskningsdatum: Dnr: Version: Kerstin Andersson, Sten Lindell /855/ Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall Ett delprojekt inom Klimatanpassning av Sundsvalls kommunkoncerns verksamhet Uppdragstagare SMHI Miljö och Säkerhet Hydrologi Norrköping Projektansvarig Gitte Berglöv Tel: , Fax: E-post: Uppdragsgivare Sundsvalls kommun Stadsbyggnadskontoret Kontaktperson Mats Bergmark Tel: E-post: Distribution Klassificering Affärssekretess Nyckelord Selångersån, översvämning, översvämningskartering, Framtida klimat, hydraulisk modellering, HEC-RAS Övrigt

2 SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 2

3 Innehållsförteckning 1 BAKGRUND METODREDOVISNING Modellbeskrivning av vattendraget Hydrauliska beräkningar Modellkalibrering Simuleringar RESULTAT Vattenståndsberäkningar SLUTSATSER OCH DISKUSSION Resultat Framtida scenarier Havsvattenståndets betydelse Översvämningsutbredning Osäkerheter Förbättringar av modellen REFERENSER BILAGOR...12 Bilaga 1 Översvämningskartor Karta 1 Selångersfjärden Karta 2. Selångersfjärden - Sidsjöbäcken Karta 3. Sidsjöbäcken Sundsvallsfjärden Bilaga 2 Digitala översvämningslager...12 SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 3

4 1 Bakgrund Sundsvalls kommun har tillsatt ett projekt för att se över kommunens beredskap inför klimatförändringar, Klimatanpassning av Sundsvalls kommunkoncerns verksamhet. Bland annat vill man undersöka riskerna för översvämningar, något som redan tidigare drabbat regionen, senast i september SMHI har fått i uppdrag att genomföra ett koncept med flera ingående delar för att tillmötesgå Sundsvalls kommuns behov. I ett första steg anpassades en hydrologisk modell, HBV, med regionala parametrar till Selångersån, se SMHI rapport (1). Denna rapport sammanfattar hur en hydraulisk ytvattenmodell satts upp för Selångersån genom Sundsvall för beräkning av ytnivåer vid olika flödesscenarier. Som indata till modellen har använts flöden beräknade med ovan nämnda HBV-modell, tillsammans med insamlad terräng- och bottendata för området. Modellen är ett första steg till ett eventuellt framtida varningssystem för höga flöden och översvämningar i Sundsvallstrakten. 2 Metodredovisning 2.1 Modellbeskrivning av vattendraget För beräkning av vattennivåer i Selångersån har en hydraulisk modell satts upp för sträckan Selångersfjärden till mynningen i Sundsvallsfjärden med modellverktyget HEC-RAS. Modellen hanterar stationärt eller transient endimensionellt flöde och bygger på lösning av St Venants ekvationer, energiekvationen och Mannings formel. Modellen utgörs av en geometrisk beskrivning av vattendraget och dess omgivande terräng i form av sektioner lagda tvärs över vattendraget. Även strukturer såsom broar beskrivs och uppskattningar av vattendragets egenskaper, bl.a. lutning, bottenfriktion och terrängens råhet vägs in. Modellen matas med flöden och/eller vattenstånd och den resulterande ytnivån beräknas i varje sektion. Då den simulerade vattenytan överlagras den omgivande terrängen i GIS-miljö fås sedan det översvämmade området. För ingående beskrivning av HEC-RAS, se HEC-RAS Reference Manual (2). Geometrisk indata till modellen har utgjorts av en terrängmodell i rasterformat (1x1m cellstorlek) byggd på laserskannad punktdata, djupdata i form av lodade punkter längs stomlinjen och tvärs över vattendraget vid vissa broar, samt avvägda brohöjder. Flöden har beräknats med en hydrologisk modell, HBV, som inom projektet satts upp för Selångersåns avrinningsområde för beräkning av flöde i de olika delarna av huvudvattendraget med biflöden. Modellen kan användas för simulering av historiska och av framtida klimatscenarier påverkade flöden, samt för korttidsprognoser. Beräknade flöden för utloppet av Selångersfjärden och Sidsjöbäckens mynning i Selångersån har använts som flödesindata till den hydrauliska modellen (1). SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 4

5 Information om havsvattenstånd har hämtats från från SMHIs oceanografiska station vid Spikarna på Alnön utanför Sundsvall (Lat , Long 17º ) och är ansatt som nedre randvillkor i den hydrauliska modellen. Hänsyn har ej tagits till vågor eller eventuell uppstuvning av vattenytan i Sundsvallsfjärden på grund av hård vind. Modellen består av drygt 90 st tvärsektioner längs den knappt 6 km långa sträckan, 12 st broar är inlagda (ej järnvägsbron längst nedströms) varav avvägd höjddata funnits för 8 av dem. Endast Selångersåns huvudfåra är sektionerad, se figur 1 för sektionernas och broarnas läge. Broarnas lägen framgår också av figur 4, liksom bottens fallprofil baserad på de lodade punkterna. Figur 1. Sektionering av Selångersån. 2.2 Hydrauliska beräkningar Alla höjder är angivna i höjdsystem RH2000 om inte annat anges Modellkalibrering För att kunna simulera höga flöden måste modellens egenskaper vara kalibrerad efter historiska höga flöden och nivåer för flera platser längs vattendraget och information om havsvattenståndet måste finnas för dessa tillfällen. Peglar och flödesstationer saknas i skrivande stund för sträckan. Dock har ett antal observationer av vattennivåer vid vägar och kajkant då vattnet stod högt den 11 september vid högflödet 2001 kunnat användas. Hydrografer som beskriver flödet för tidsperioden augusti oktober 2001 beräknade med HBV-modellen har använts som randvillkor för Selångersfjärdens utlopp och Sidsjöbäckens mynning i Selångersån, se figur 2. Som nedre randvillkor i Sundsvallsfjärden har observerat SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 5

6 havsvattenstånd vid SMHIs oceanografiska station vid Spikarna för samma period ansatts, se figur 3. Framför allt har 3 observationer från den 11 september använts för justering av modellen: Vid Timmervägen nära Selångersfjärden längst uppströms i modellen, där vattnet uppges ha stigit upp på vägbanan (vägbana ca 4 m hög) och uppströms Sporthallsbron (modellens bro 7) vid badhuset, där vatten uppges ha stigit med råge över cykelbanan (cykelbana ca 1,3 m), samt strax uppströms Storbron (modellens bro 8) där ytan uppges ha nått kajkant så när som på ca 1 dm (kajkant ca 2,2 m). Dessa uppgifter har inkommit från bland andra Mats Bergmark, MittSverige Vatten samt Jan Eriksson vid Sundsvalls kommun. Modellen kunde justeras så att de ungefärliga observerade nivåerna vid Timmervägen och Storbron uppnåddes med max 1 dm marginal (4.0 m resp. 2,1 m). Observerad nivå vid badhuset är mer osäker men anses ha legat på ca 2,5 m, vilken också är den simulerade nivån. Kalibreringen skedde främst genom justering av Mannings tal (n) som beskriver ytråheten, dvs motståndet i terräng och botten. Denna parameter sattes till mellan 0,05 och 0,075 för botten och mellan 0,08 och 0,10 för omgivande terräng. Resultaten av kalibreringen, simulering HQ2001, redovisas i en fallprofil för högsta simulerade nivå i figur 4 och i Bilaga 1 där största resulterande utbredning syns Simuleringar För följande flödessituationer har vattenståndet längs sträckan Selångersfjärden till Sundsvallsfjärden beräknats: HQ2001: Transient simulering av högflödet september 2001, vilket har fungerat som kalibreringsflöde. HQ100 HHW: Det statistiska 100-årsflödet beräknat ur historisk simulering med HBVmodellen vid högsta observerade havsvattenstånd vid Spikarna. Stationärt flöde simulerades. Q100 MW: Det statistiska 100-årsflödet beräknat ur historisk simulering med HBV-modellen vid medelhavsvattenstånd. Stationärt flöde simulerades. HQ99: Vattenföring motsvarande beräknat vårflöde i maj 1999 samt medelhavsvattenstånd. Stationärt flöde simulerades. MQ W: Det statistiska medelflödet beräknat ur historisk simulering med HBV-modellen lades på medan havsvattenståndet ändrades från LLW (lägsta uppmätta , -0.8 m RH2000 ) till HHW (Högsta uppmätta , 1.4 m RH2000). SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 6

7 Tabell 1. Simulerade flöden och havsvattenstånd Simulering Flöde utlopp Selångersfjärden (m3/s) Sidjöbäckens mynning i Selångersån (m3/s) Vattenstånd Sundsvallsfjärden (m RH2000) HQ ) 6.4 2) observerat för perioden 3) Q100 HHW HHW 1.4 Q100 MW MW 0.1 HQ MW 0.1 MQ W LLW -0,8 till HHW 1,4 1) Flödestopp under förloppet, se Figur 2. 2) Flödestopp under förloppet. 3) Se Figur River: Selangersan Reach: Main RS: Legend Flow 80 Flow (m3/s) Aug2001 Sep2001 Date Oct2001 Figur 2. Simulerad flödesdata för högflödet 2001, indata till scenario HQ2001 SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 7

8 River: Selangersan Reach: Main RS: Legend 0.6 Stage 0.5 Stage (m) Aug Sep2001 Date Figur 3. Observerat havsvattenstånd under högflödestillfället september Resultat 3.1 Vattenståndsberäkningar Beräknade vattenstånd för flödessimuleringarna HQ2001, Q100 MW, Q100 HHW och HQ99 redovisas som fallprofiler i Figur 4. Havsvattenståndets betydelse för ytnivåerna längs sträckan vid simulering av lägre flöden syns i Figur 5. Översvämningskarta för HQ2001 och Q100 HHW redovisas i Bilaga 1. SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 8

9 Legend Q100 HHW HQ2001 HQ99 Q100 MW Ground W 11sept2001 Elevation (m) Bro 12 Tivolibron Bro 11 Puckelbron Bro 10 Fiskbron Bro 9 Bro 8 Storbron Bro 7 Sporthallsbron Bro 6 Bro 5 Bro 4 Videsbron Main Channel Distance (m) Figur 4. Fallprofil sträckan Selångersfjärden till Sundsvallsfjärden för de simulerade scenarierna. Kryssen markerar de högsta observerade nivåerna under högflödet 2001 Bro 3 Montörvägen Bro2 Järnvägsbro Bro 1 Timmervägen Utlopp Selångersfjärden 4 Le gend HHW = W = 1.2 W = 1.0 W = 0.8 Elevation (m) W = 0.6 W = 0.4 W = 0.2 MW = 0.1 W = 0 W = -0.2 W = -0.4 W = -0.6 LLW = -0.8 Ground Bro 12 Tivolibron Bro 11 Puckelbron Bro 10 Fiskbron Bro 9 Bro 8 Storbron Bro 7 Sporthallsbron Bro 6 Bro 5 Bro 4 Videsbron Bro 3 Montörvägen Bro2 Järnvägsbro Bro 1 Timmervägen Utlopp Selångersfjärden Main Channel Distance (m) Figur 5. Förändringen av vattenstånd längs sträckan vid den statistiska medelvattenföringen för olika vattenstånd i Sundsvallsfjärden, från LLW (lägsta uppmätta , -0,8 m) till HHW (Högsta uppmätta , 1,4 m) SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 9

10 4 Slutsatser och diskussion 4.1 Resultat Översvämningsytor har tagits fram för de högsta nivåerna för simulering HQ2001 samt för simulering Q100 HHW, dessa levereras till uppdragsgivaren i digital form (shape-format) samt redovisas i kartor i Bilaga Framtida scenarier Något specifikt framtida scenarieflöde har ej simulerats inom detta delprojekt beroende på den stora variationen av framtida scenarion och svårigheten att bestämma någon karakteristisk vattenföring som är representativ för varje klimatscenario. En tydlig trend då medelvärdena av simulerade maxnivåer studeras är att vårfloden minskar medan vinterflödena blir högre. Storleken på flödet i simuleringen av 1999 års högsta flöde HQ99 (50 m 3 /s) ligger också i närheten av de nivåer som med HBV-modellen beräknats för maxvattenföringen under de år med högst vattenföring i de högsta framtidsscenarierna under perioden februari mars mot slutet av den simulerade perioden , se diskussion i SMHI-rapport (3) Havsvattenståndets betydelse Höga havsvattenstånd tycks enligt modellberäkningarna ha betydelse för ytnivåerna ända upp till Selångersfjärden vid låga flöden. Vid höga flöden har havsvattenståndet mindre betydelse långt uppströms, jämför Q100 HHW och Q100 MW, figur Översvämningsutbredning Vid höga flöden fås översvämningar framför allt kring Selångersfjärden. Då endast Selångersåns huvudfåra är sektionerad framträder inte översvämningar till direkt följd av högt flöde i Sidjsöbäcken i översvämningskartorna. Hela Selångersfjärdens nivå är satt till det simulerade vattenståndet i sektionen längst uppströms i modellen. 4.2 Osäkerheter Viss osäkerhet finns i all indata till den hydrauliska modellen: i flödesberäkningarna, lodad bottendata, laserskannad terrängdata, avvägd brodata, avvägda ytnivåer, ansatt havsvattenstånd, i modellens beräkningar och i de antaganden som gjorts. Därför är kalibrering av modellen av stor vikt, men även den observerade data som använts för kalibrering innehåller osäkerheter. HBV-modellen beräknar flödestoppen till den 12 september, se figur 2. I den hydrauliska modellens indata har det maximala flödet satts till 12 september kl då också de högsta nivåerna fås för hela sträckan. Enligt observationer började vattnet sjunka undan den 12 september och de höga nivåerna som modellen kalibrerats efter observerades under den 11 september. Vid kalibreringen har de observerade höga nivåerna jämförts mot tidssteget då högsta simulerade nivå nåddes. Havsvattenståndet har matats in enligt observerade havsvattenstånd, SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 10

11 högsta havsvattenstånd inträffade först den 13 september (ca 0,65 m). Vid den simulerade flödestoppen var havsvattenståndet observerat till ca 0,55m. En så liten variation påverkar dock nivåerna vid Storbron och uppströms relativt lite. Vid högflödet 2001 uppges stora mängder bråte så som grenar, trädstammar mm ha följt med vattenmassorna, detta orsakade dämningar framför allt uppströms Selångersfjärden men den modellerade sträckan har knappast heller varit opåverkad av detta. Dock har hänsyn inte tagits till att trånga passager, så som under broar, kan ha blivit tilltäppta och dämda under längre eller kortare delar av förloppet, inte heller har eroderat material vilket bidrar till ökade nivåer tagits hänsyn till. Sådana faktorer har istället kompenserats vid kalibreringen bland annat genom av ökning bottens råhet. Troligtvis har också en rensning av åfåran skett i och med det stora flödet och batymetrin kan vid detta tillfälle i viss mån ha förändrats. En del avvägningar av vattenytan för låga flöden har funnits tillgängliga längs sträckan, bla nivåerna vid dagen för avvägningen av broarna, samt vid ytterligare 2 tillfällen från 2009 samt enstaka punktvisa tidigare mätningar. Flödesuppgifter har dock inte funnits tillgängliga förutom från ett tillfälle, vid Timmerbron, då flödet mättes till 2,3 m 3 /s och en ytnivå vägdes av. Vid körning med av HBV-modellen beräknade flöden för dessa tillfällen samt med uppmätt flöde fås blandat resultat, som mest avviker simulerad nivå ca 30 cm från uppmätt vid Timmervägen (vid 2,3 m3/s). Dessa mätningar indikerar att modellen kan underskatta nivåer vid låga flöden, detta bör dock bekräftas genom fler flödesmätningar, se nästa avsnitt, Förbättringar av modellen. Svårigheten att med större precision återskapa observerade nivåer vid låga flöden kan bero på att vid låga flöden har små trösklar och förträngningar relativt sett större inverkan på ytnivåerna än vid stora flöden eftersom djupet och genomströmningsarean är mindre. Sådana sektioner kan ha missats eftersom bottendata är relativt gles. Botten har återskapats så gott som möjligt efter det material som funnits. Tillgänglig bottendata (lodade punkter) är relativt gles varför grunda och/eller trånga sektioner som förtränger flödet kan ha uteblivit i modellen, dessutom är relativt få sektioner med ganska få punkter tagna tvärs vattendraget. Järnvägsbroarna samt bro 5 och 6, se figur 4, är ej avvägda, nivåerna för dessa har uppskattats utifrån terrängmodellen. 4.3 Förbättringar av modellen För att bättre kunna kalibrera modellen krävs kontinuerliga mätningar av vattenstånd och vattenföring vid flera olika flödessituationer. Inom projektet Klimatanpassning av Sundsvalls kommunkoncerns verksamhet skall man sätta upp registrerande peglar på flera platser längs sträckan för en bättre kalibrering av både den hydrologiska och den hydrauliska modellen. Detta skulle innebära både säkrare beräkning av både höga och låga vattenföringar och en bättre kalibrering av den hydrauliska modellens geometri. Inmätningar av bropelare och annat som kan vara dämmande för både de avvägda broarna och de broar som hittills saknat data kan också förbättra modellen, liksom broritningar. En bottenkartering med tätare djupdata kan ge en tydligare bild av bottens egenskaper och information om hittills oupptäckta förträngande sektioner, vilket skulle ge en säkrare bottenmodell. SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 11

12 5 Referenser (1) Berglöv, G. (2009) Selångersån hydrologisk modellanpassning, SMHI rapport (2) U.S. Army Corps of Engineers (2002) HEC-RAS River Analysis System, Hydraulic Reference Manual, Version 3.1, U.S. Army Corps of Engineers, Institute for water resources, Hydrolic engineering centre, Davis, (3) Berglöv, G. (2009) Selångersån Klimatscenarier, SMHI rapport Bilagor Bilaga 1 Översvämningskartor Karta 1 Selångersfjärden Karta 2. Selångersfjärden - Sidsjöbäcken Karta 3. Sidsjöbäcken Sundsvallsfjärden Bilaga 2 Digitala översvämningslager Levereras via mail. 2 st ytor i shape-format: Simulering Q100 HHW samt HQ2001. SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall 12

13

14 Karta 1. Selångersfjärden SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall

15 Karta 2. Selångersfjärden - Sidsjöbäcken SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall

16 Karta 3. Sidjsöbäcken - Sundsvallsfjärden SMHI - Hydraulisk modellering av Selångersån genom Sundsvall