Åsgravsjöar En hydrologisk undersökning

Transkript

1 Åsgravsjöar En hydrologisk undersökning

2 Copyright Robin Djursäter, Henrik Spångmyr och institutionen för geovetenskaper, Luft-, vatten- och landskapslära, Uppsala universitet. Tryckt hos Institutionen för geovetenskaper, Geotryckeriet, Uppsala universitet, Uppsala, 2009.

3 Referat Åsgravsjöar En hydrologisk undersökning Robin Djursäter och Henrik Spångmyr I samband med åssystem vid Dalälven i Sverige förekommer speciella sjöar som lokalt kallas för lokor eller vattenfyllda åsgravar. Lite är känt om dessa sjöar, speciellt ur hydrologisk synvinkel. I samband med en miljöundersökning i Lennheden en bit nordväst från Borlänge möjliggjordes för första gången en större hydrologisk undersökning av dessa. Syftet med examensarbetet var att skapa en bättre förståelse av lokornas hydrologi. Detta genom att uppskatta vattenbudgetens termer, studera grundvattnet kring lokorna och genom läckagemätning med strömningsmätare på lokornas botten. Genom mätning av temperatur, nederbörd och vattennivåer bestämdes storleken på vattenbudgetens termer och en modell skapades. Ett flertal grundvattenrör installerades i närheten av lokorna där även jordprov togs för uträkning av hydraulisk konduktivitet. Genom mätning av vattennivåer i grundvattenrören och de uträknade hydrauliska konduktiviteterna kunde grundvattenhastigheter beräknas. Ett försök gjordes även att undersöka sjö-grundvattensamverkan genom användning av strömningsmätare vilka placerats vid strandkanten i sjöns botten för att mäta flöden genom sjöarnas bottensediment. Lokorna agerade som isolerade kroppar vilka främst påverkades av nederbörd och avdunstning då grundvattnets höll sig konstant. När grundvattnet sänktes under en längre period ökade lokornas läckage vilket fick deras vattennivåer att falla. Genom tidsseriemodeller, strömningsmätare och gradientuträkningar beräknades lokornas genomsnittliga läckage till 0,3-5,7 mmd -1. Från tidsseriemodellerna uppskattades läckaget öka för tre lokor från 0,7 mmd -1 till 1,6 mmd -1 under tiden då grundvattnet var lågt. Nyckelord: Isälvsavlagring, läckage, grundvatten, sjöar, strömningsmätare, vattenbudget Institutionen för Geovetenskaper, Uppsala universitet, Villavägen 16, Uppsala I

4 Abstract Esker-lakes A hydrological investigation Robin Djursäter and Henrik Spångmyr In connection with esker systems in the vicinity of Dalälven in Sweden, special lakes occur locally known as esker-lakes or lokor. Little is known about these lakes, especially from a hydrological point of view. An environmental investigation in Lennheden, a bit north west from Borlänge, rendered it possible to for the first time make a bigger examination of the hydrology of these lakes. The purpose of this degree thesis was to create a better understanding of the hydrology of the eskerlakes, this by estimating the terms of the water budget, study the groundwater in the vicinity of the lakes and through seepage measurements with seepage meters in the lake beds. By measuring the temperature, precipitation and water levels of the lake surfaces, the size of the terms in the water budget was estimated and from this a model could be created. Groundwater-pipes were installed in the vicinity of the lakes and earth samples were collected and analyzed for hydraulic conductivity. By measuring the water levels in the pipes and using the estimated hydraulic conductivities in the earth, groundwater flows could be calculated. A more direct way of investigating lakegroundwater interaction was performed by using seepage meters. Seepage meters were placed around the edges of the lake in the lake sediments to measure the flow of water passing between this boundary. The esker-lakes behaved like isolated bodies, affected mainly by precipitation and evaporation when the groundwater stayed at a constant level. When the groundwater level dropped for a longer period the seepage from the lakebeds increased which caused the lake surfaces to drop. By time series models, seepage meters and gradient flow calculations the average seepage through the lakebed was estimated to 0,3-5,7 mmd -1. From the time series based models the average seepage through the lakebed from three lakes showed an increase from 0,7 mmd -1 to 1,6 mmd -1 during the time the groundwater level was low. Keywords: esker, seepage, groundwater, lakes, seepage meter, water budget Department of Earth Sciences, Uppsala University, Villavägen 16, SE Uppsala II

5 Förord Denna studie är ett resultat av ett examensarbete inom geovetenskapliga programmet hydrologi och omfattar 30 högskolepoäng. Arbetet utfördes åt och finansierades av Midvatten AB från Borlänge och har utförts vid institutionen för Geovetenskaper, Uppsala universitet. Handledare för projektet var Erik Kellner från Midvatten AB. Examinator var Sven Halldin, prof. i hydrologi vid Institutionen för Geovetenskaper, Uppsala universitet. Förutom sammanställning och analys av data har vi arbetat både i fält och i labb. Det innefattade nedsättning och regelbundna mätningar av grundvattenrör, avvägning av grundvattenrör, underhållning av utströmningsmätare, kontroll av regn- och avdunstningsmätare samt jord- och sedimentprovtagning och analys på dessa. Henrik var ansvarig för 2.2.3, figurer, 3.3.4, 3.5.0, fr.o.m bild 3-5 och resten av 3.5, 3.6.3, 3.7, 4.2.3, 4.3 figur 4-5 och stycket ovanför, 4.4, 4.5.2, 4.6, 5.2, 5.3, 5.6, 5.8, 6, 8.2, 8.3, 8.4, 8.7, 8.8 och 8.9. Robin var ansvarig för referat, abstract, förord, 1, 2.1, 2.2.1, 2.2.2, 3.1.1, text, 3.2, 3.3.1, 3.3.2, 3.3.3, 3.4, fram t.o.m. bild 3-5, 3.6.1, 3.6.2, 4.1, 4.2.1, 4.2.2, 4.3 förutom figur 4-5 och stycket ovanför, 4.5.1, 5.1, 5.4, 5.5, 5.7, 6, 8.1, 8.5, 8.6, 8.10 och Vi vill tacka Midvatten AB och alla anställda som gett oss chansen att delta i ett intressant projekt som varit både lärorikt och spännande samt för ett vänligt bemötande. Ett speciellt tack till Erik Kellner för tips och vägledning med rapportskrivning, Bo Fritz som stått för nedsättning av nya grundvattenrör och Christer Lönn som deltagit med mätningar i fält. Ytterligare tack till Allan Rodhe, prof. i hydrologi, som gett oss tips och stödjande ord och till Sven Halldin för att temporärt ha förskaffat oss kontor på universitetet och hjälpt till med rapportskrivandet. Vi tackar SGU för återgivning av jordartskartan och vi vill också avlägga ett tack till alla våra lärare under vår studietid på Uppsala universitet. Vi tackar SGU och Carl-Gösta Wenner för återgivning av jordartskartan och bild 2-3. Sist ett tack till alla våra lärare under vår studietid på Uppsala universitet. Foto pärmsidan taget av Erik Kellner, 2008, i rikning syd-ost. Visar nederbördsmätare och avdunstningskärl i Hemtjärn. Uppsala, maj 2009 Robin Djursäter och Henrik Spångmyr III

6 IV

7 Innehållsförteckning Referat... I Abstract... II Förord... III 1 Inledning Bakgrund Sjöar och deras grundvattenutbyte med omgivningen Lokor Material och metoder Områdesbeskrivning Jordundersökning Sjöundersökning Rör och vattennivåer Tidsserieundersökning Bottenläckage Ytlig tillrinning Resultat Jordundersökning Sjöundersökning Tidsserier Tidsseriemodeller Läckage Ytlig tillrinning Diskussion Jordlager och sjösediment Diskussion om termen P-E Vattenbalansbaserat läckage Mätning av flöden med strömningsmätare Beräkning av flöden med gradienter Uppskattning av ytlig tillrinning Jämförelse av nettoläckage, mätta/beräknade flöden Tidsseriemodeller V

8 5.9 Fortsatta studier Slutsats Referenslista Tryckta referenser Opublicerade referenser Internetreferenser Bilagor Bilaga 1 Manuella lodningsresultat Bilaga 2 Observationsrör och peglar Bilaga 3 Tillrinningsområden Bilaga 4 Borrprofiler Bilaga 5 Strömningsmätare Bilaga 6 Resultat från kornstorleksanalysen Lokornas volym och areaförändring med djupet Bilaga 8 Linjära regressionsmodeller Bilaga 9 Vattenbalansbaserat läckage Bilaga 10 Sedimentanalys Bilaga 11 Grundvattenläget VI

9 1 Inledning Isälvsavlagringar, så som rullstensåsar, är vanliga särdrag i den svenska geologin. I samband med sådana är det i vissa områden kring Dalälven i södra delen av mellersta Sverige vanligt med förekomsten av så kallade åsgravar, några slags fördjupningar i geologin, som med tiden kan fyllas med vatten. När så sker benämns dessa fördjupningar som åsgravsjöar eller lokor. Lokor är ett lokalt fenomen och utgör en väldigt liten del av världens vatten men har en lokal betydelse där de väl förekommer. Genom ett behov av att bedöma mänsklig påverkan på ett system av lokor i Lennheden, cirka en mil nordväst om Borlänge, möjliggjordes för första gången en kartläggning av deras hydrologi. Lokors uppkomst beskrivs av Wenner (1974), Smedman (1974) och Larsson (1974). Andra undersökningar på lokor har utförts av Midvatten AB (2007a) över en lokas vattenbudget; respektive VBB VIAK (1992) på lokors bottensediment. Utöver Midvatten AB:s undersökning är lokors hydrologi något som varit ostuderat. Midvatten AB utförde år en provpumpning i Badelundaåsen som pågick i cirka 15 månader. Deras tidigare erfarenheter vara att lokorna inte påverkas av en sänkning av grundvattennivån. Till Midvatten AB:s förvåning sjönk dock vattennivån i två av de kringliggande lokorna under provpumpningen och man frågade sig om detta var en följd av pumpningen i sig eller om det var möjligt att andra orsaker låg bakom. Deras tidigare uppfattning om att lokorna I Lennheden skulle vara isolerade från omgivningen ifrågasattes. Syftet med detta examensarbete var att: Skapa en bättre förståelse av lokornas hydrologi främst genom att bestämma storleken ur vattenbudgetens termer samt vilka processer som styr deras storlek. Kunna uppskatta om grundvattennivån kan påverka lokornas nivåer. 1

10 2 Bakgrund 2.1 Sjöar och deras grundvattenutbyte med omgivningen Då inga tidigare undersökningar gjorts mellan lokor och deras grundvattenutbyte användes tidigare vetskap från vanliga sjöar och deras grundvatteninteraktion. Grundvattenutbytets storlek och utseende i sjöar beror på ett flertal faktorer så som den hydrauliska gradienten över sedimenten, sjöns bottenprofil, sjöns nivå i förhållande till grundvattenytan, sedimenttjocklek och dess permeabilitet. Ett flertal studier har genomförts angående vattnets rörelse mellan sjö och grundvatten. Shaw och Prepas (1990a och b), Winter och Pfannkuch (1984a och b) samt Genereux och Brandopadhyay (2000) skriver alla om utbytet mellan grund- och sjövatten. Resultaten från dessa artiklar visar att utbytet oftast är som störst intill strandkanten och avtar med ökande djup. Shaw och Prepas (1990 del b) uppskattar grundvattenutbytet med strömningsmätare i ett flertal sjöar i centrala Alberta, Kanada. Den dominerande jordarten vid sjöarna består av morän med skiftande sammansättning. Grundvattenhastigheten varierar mellan 0,03 mmd -1 till 17 mmd -1 för sjöarna och endast på en av 92 strömningsmätarplatser registreras ett flöde från sjö till grundvattnet. Deras resultat visar också att den rumsliga variationen på grundvattenutbytet är stort. 2.2 Lokor Bildning och uppkomst Lokor förekommer talrikt i närheten av ryggar, ofta rullstensåsar, i samband med Dalälven (Larson, 1974, Smedman, 1974). Larson påpekar att bildandet av åsgravar är svårtolkat. Larsson (1974), Smedman (1974) och Wenner (1974) är överens om är att de säkerligen bildats i samband med inlandsisens avsmältning för cirka år sedan. Det finns tre teorier om åsgravarnas uppkomst varav enligt Larson två vanligen återges i den geologiska litteraturen. De två teorierna skiljer sig åt varmed att den ena förklarar åsgravbildningarna genom ett erosionsperspektiv där smältvatten i samband med inlandsisens avsmältning holkat ur marken kring åsen medan den andra förklarar bildningarna genom smältning av dödisribbor som legat på vardera sida om åsen. Enligt Larson är erosionsteorin den de flesta ansluter sig till. Den innebär att flodrännor som inte förmått flytta det grövsta materialet från åsen gröpt ur och fraktat de finare sedimenten vid åsens kanter och bildat åsgravar. Den tredje teorin grundar sig i att sediment avlagts på inlandsisen från isälven och tryckt ner denna (Wenner, 1974) (bild 2-1). När isen bröts upp satt ribbor av is kvar under sedimenten som i efterhand smält bort och bildat åsgravar. VBB VIAK skriver i sin rapport från 1992 om en teori varför vissa åsgravar är vattenfyllda medan andra förblir tomma. Innan avsnörningen från issjön har sedimentation skett i åsgravarna. När issjön drog sig tillbaka stod åsgravarna fortfarande vattenfyllda och ytterligare finsediment och även organiskt material fortsatte att avlagras i dessa. I vissa av åsgravarna blev sedimenten så pass täta att en balans mellan utgående och ingående vatten infann sig. 2

11 Bild 2-1 Illustration av dödisteorin om åsgravarnas uppkomst. Bilden är tagen från Jord och vatten i leksands socken av Carl-Gösta Wenner (1974) Karaktär och hydrologi Vanligt för lokor är att deras sjönivåer vanligtvist ligger över grundvattnet samt att de ofta saknar både tilloch utlopp (Midvatten AB, 2007a, VBB VIAK 1992, Wenner, 1974). De anses därför följa samma flödesmönster som för påfyllnadssjöar där läckage sker över hela botten (bild 2-2). Studier på lokor har utförts av Midvatten AB (2007a) över en lokas vattenbudget; respektive av VBB VIAK (1992) över lokors bottensediment. Midvatten AB:s Bild 2-2 Flödesmönster för en påfyllnadssjö. studie indikerar att bottensedimenten kan vara av betydelse för lokornas läckage. VBB VIAK (1992) utförde en undersökning av bottensedimenten i nio lokor i Gagnefs kommun, 20 mil NV från Borlänge. Deras undersökning visar att de flesta lokorna ligger över grundvattenytan och saknar helt kontakt med denna. Lokornas bottensediment består av gyttja vilken ibland är uppblandad med minerogent material. Deras tjocklek varierar mellan två och en halv till fyra meter för den klara majoriteten av lokorna och antas underlagras av ett tätare lager med silt. Kattlokan, vilken Midvatten AB (2007a) gjort en vattenbudget av, ligger en bit sydost från Leksand. Den ligger i ett område med tre olika jordlager där de två första metrarna består av sand följt av ett cirka 8 m 3

12 mäktigt siltlager. Under silten påträffas sandiga grundvattenförande jordlager. Lokan, som bara är cirka 2-3 m djup, ligger alltså kontaktfritt cirka m över grundvattenytan. Undersökningen omfattar en kontrollerad påfyllning av sjön där mätningar togs av vattennivåer, nederbörd och avdunstning. Bottenläckaget uppskattas genom beräkningar av gradienter till en tid-sjönivåkurva vilka visar medelvärdet av avsänkningen under olika perioder där gradienterna korrigerats för avdunstning och nederbörd. Bottenläckaget visar sig öka med högre vattenstånd och tros bero på ökad gradient i sjöns botten och delvis på att sidorna av lokan inte täcks av täta organiska sediment. Lokans läckage varierar från mmd Tillrinningsområden För en vanlig sjö där vattenytan ligger under omkringliggande grundvatten kan den antas få all nederbörd som inte avdunstar från dess tillrinningsområde. För en loka är det mer komplicerat då dess vattenyta ofta ligger ovanför omkringliggande grundvatten (Midvatten AB, 2007a). En lokas tillrinningsområde blir i sådana fall begränsat till dess öppna vattenyta, eventuell ytlig tillrinning ovanför grundvattenytan och i vissa fall inkommande bäckar (Midvatten AB, 2007a). Vanligtvis antas att den mättade grundvattenytan i stort sett följer markytans topografi (Grip och Rodhe 2003). Winter (1986) finner i sin undersökning att det är troligare att grundvattenytan följer höjder i terrängen om höjderna innehåller lokala svackor än om höjderna inte innehåller lokala svackor. Detta kan bero på att det sker större flöden längs med sidorna på de höjder som saknar lokala svackor och för lite vatten blir då tillgängligt för att en topp på grundvattenytan ska kunna formas. Vid höjder som innehåller lokala svackor tros det ske gropfokuserad grundvattenbildning i svackorna, och toppar på grundvattenytan kan bildas under dessa (Lissey, 1970, refererad i Winter 1986). I fall där grundvattenytan inte strikt följer markytans topografi och i fall där grundvattenytan ligger på en lägre nivå än sjöns vattenyta, kan inte enbart ytvattendelare användas för att bestämma ett tillrinningsområde. I tidigare undersökningar inom området har mätningar av grundvattenytan visat att det är mer regel än undantag att grundvattenytan inte följer markytans topografi (Midvatten AB, 2007b). Dressies (1984) undersökning visar att det inte alltid sker vertikal perkolering av regnvatten i åsar. Dressie finner att det ofta uppträder mer eller mindre horisontella jordlager så att det perkolerande vattnet får en horisontell komponent (bild 2-3, scenario B). En undersökning av Dahne (2007) visar att det finns sådana lager i Badelundaåsen inom det geografiska området för den här undersökningen vilka lutar mot Östra Långsjön. 4

13 Bild 2-3 Fyra faktorer som kan ge ytlig tillrinning. A: Yttillrinning sker endast när jordens infiltrationskapacitet överstigs (Hortonsk yttillrinning). B: Lager av tätare jord avleder vattnet mot lokan. C: Skikt av blöt jord bildas och ökar den omättade hydrauliska konduktiviteten så att vattnet avleds längs sluttningen. D: Regn som faller nära grundvattenytan når denna snabbt och bildar en kulle på grundvattenytan vilket kan orsaka ett tillfälligt omvänt flöde. McCord och Stephens (1987) anser i sin diskussion att det i grovkorniga jordar inte i första hand är ytavrinning som orsakar att regnvatten rinner mot dalar och sedan blir grundvatten. De menar att den hydrauliska konduktiviteten i grovkorniga jordar såsom sand är stor nog för allt regnvatten att infiltrera. Enligt dem så kan istället ett skikt av blöt jord en bit under markytan i en sluttning höja den omättade hydrauliska konduktiviteten, och på så vis leda vatten parallellt med sluttningen (bild 2-3, scenario C). Det kan förklara en horisontell del i flödet i riktning mot dalar och svackor. Winter (1986) finner att även om grundvattenytan sluttar bort från en sjö och det normalt sker ett grundvattenflöde från sjön kan det vid kraftig nederbörd ske tillflöde mot sjön. Winter (1986) tror att det kan bero på att grundvattenytan reagerar snabbare på nederbörd ju närmare markytan den är. När kraftig nederbörd sker bildas en topp på grundvattenytan nära sjön, och flödet får en riktning mot sjön (bild 2-3, scenario D). 3 Material och metoder 3.1 Områdesbeskrivning Geologi och bildning Platsen för undersökningen ligger längs med ett starkt kuperat område cirka 10 km nordväst om Borlänge i Lennheden (bild 3-1). Här löper Dalälven och Badelundaåsen näst intill parallellt med varandra i NV-SO riktning. Badelundaåsen kommer upp i dagen i Bäsna, strax väster om Lennheden, och dyker sedan under marken för att därefter komma upp strax intill Duvtjärn, cirka 300 m NV om Västra Långsjön. Från Duvtjärn löper den vidare i samma riktning och korsas av Dalälven. Strax runt om åsen och Dalälven dominerar sand och silt och längre ut påträffas morän (bild 3-2). I sand- och siltmäktigheterna är det vanligt med inbäddade linser av grövre material så som grov sand och grus. Svackor eller gropar är återkommande i området och ligger sporadiskt kringspridda. Tidigare studier gjorda av Midvatten AB (2007b) visar att grundvattennivån i området ligger plant med en svag lutning, 5

14 cirka 8, mot Dalälven. Endast i den sydvästra delen där berggrunden sluttar starkt har grundvattnet en tydlig lutning. Den planar dock snabbt ut tillsammans med terrängen. På vardera sida om Badelundaåsen finns band av vattenfyllda åsgravar, lokor, vilka är huvudobjekten i denna undersökning. Från väster längs med Dalälven finns lokorna Hemtjärn, Duvtjärn, Västra- och Östra Långsjön, Lennhedentjärn och norr om Dalälven längst åt öster finns Havtrollet. Mellan lokorna eller i samband med dem, är det vanligt med våtmarker så som myrar och mossor. Bild 3-1 Karta över Lennheden och Bäsna. 1. Dalälven 2. Hemtjärn 3. Duvtjärn 4. Västra Långsjön 5. Östra Långsjön 6. Havtrollet 7. Provpumpningsplats 8. Lennhedentjärn. (c) Lantmäteriet Gävle Medgivande I 2008/1962. Området är starkt präglat av den senaste inlandsisens tillbakagång för cirka år sedan (Lundqvist, 2002, refererad i Grånäs och Ising, 2008). Kulling och Hjelmqvist (1948) och Granås och Ising (2008) skriver om inlandsisens avsmältning i Falunområdet. Vatten flödade genom sprickor ner till botten samt i tunnlar ut till isens kant. Subglaciala älvar bildades, företrädelsevis i dalgångarna och i isens rörelseriktning varför det är vanligt att avlagringar finns i just NV-SO riktning. De starka strömmarna i tunnlarna fraktade nedslipat material av olika storlek fram till isens mynning. Det grövsta materialet avsattes i istunneln och närmast mynningen och kom att bilda en rullstensås, Badelundaåsen, medan de finkornigare sedimenten avsattes vid sidorna i minskad storleksordning. Under sommartiden ökade mängden smältvatten vilket fick till följd att mer material fraktades i istunnlarna. Detta kan man tydligt se i vissa platser där en varvighet i jordlagren kan observeras (Larson, 1974, Granås och Ising, 2008). Under avsmältningen snördes dödispartier av som bildade områden med dödismorän och dödisgropar (Kulling och Hjelmqvist, 1948, Granås och Ising, 2008). Under isens reträtt stod de lågt belagde områdena, så som runt Dalälven, under vatten (Granås och Ising 2008). Sand och silt fortsatte att avsättas som glaciala och postglaciala sediment. När vattnet dragit sig undan och den bara marken blottades fraktades mängder med sand med hjälp av kraftiga fallvindar från 6

15 den retirerande iskanten i norr och nordväst och skapade flygdynor som återfinns i sydvästra delen av området. Bild 3-2 SGUs Jordartskarta över Lennheden och Bäsna. Medgivande från SGU 26 januari Klimat Lennheden har enligt Köppensystemet (SMHI, ) ett kalltempererat klimat vilket är vanligt för nästan hela Sverige förutom södra kusttrakterna och de nordligaste delarna där ett varmtempererat klimat respektive ett polarklimat råder. Ett kalltempererat klimat innebär kortfattat att medeltemperaturen under den kallaste månaden understiger 3 C. Temperatur- och nederbördsdata togs från Borlänge ( , Hönsarvet, , Bäckelund) och jämfördes med temperaturen och nederbörden under denna undersökning. Temperatur- och nederbördsdata från 2008 erhölls från SMHI och är tagen från Borlänge flygplats. Figur 3-1 och figur 3-2 redovisar medeltemperaturen och medelnederbörden från föregående år med tiden för denna undersökning. Början på vintern var ovanligt varm med en medeltemperatur i januari och februari över 0 C. Nederbörden var generellt lägre under undersökningsperioden med undantag för januari och augusti där nederbörden var över den normala. 7

16 jan feb mar apr maj jun jul aug jan feb mar apr maj jun jul aug Temperatur [ C] Nederbörd [mm] Figur 3-1 Temperaturjämförelse 2008 mot Figur 3-2 Nederbördsjämförelse 2008 mot Jordundersökning Jordprovtagning I samband med att nya grundvattenrör sattes ner runt om lokorna (bild 3-4) togs jordprover då borrning skedde med Midvatten AB:s borrbandvagn (bild 3-3). Vid nedsättningen användes skruvborr där jorden var mjuk och slagborr där jorden var svårgenomtränglig. Slagborrning ger ett mindre representativt jordprov då större fraktioner begränsas av perforeringar i röret samt att uppspolning med tryckluft gör att en del av de finkornigare jordfraktionerna förloras. Prov tagna med denna metod är därför överrepresenterade i de mellersta fraktionerna. Bild 3-3 Midvattens borrbandvagn Jordartsanalys Totalt analyserades 34 prover. Jordartsanalysen följde Kristianssons och Delteus riktlinjer (2000). Proverna torkades i 120 C i cirka 18 timmar varefter de vägdes och siktades i skakapparat i 20 minuter. Fraktionerna vägdes och jordarten bestämdes. Nomenklaturen och fraktionsgränserna följer de av den Svenska Geotekniska Föreningens laboratoriekommitténs förslag. En profilbild över Hemtjärn och de klassade jordproverna skapades med programmet Grapher 7. Detta för att ge en överblicksbild över områdets utseende under markytan kring lokan. Inga profiler gjordes för de andra lokorna då det saknades tillräckligt många jordprov för att ge en större helhetsbild Hydraulisk konduktivitet För uppskattning av den hydrauliska konduktiviteten användes Shepherds (1989), där den beräknas med hjälp av kornstorleksfördelningen av ett jordprov j K = Cd 50 8 [ms 1 ] Ekv 3-1 j där C är en formfaktor, d 50 medelstorleken av kornstorleksfraktionen i mm och j en exponent. Parametrarna C och j beror på typen av avlagring. Sheperd (1989) undersökte i sin artikel sambandet mellan olika avlagringar och dessa parametrar. Utifrån Sheperds empiriska samband valdes

17 parametrarna C = 0, och j = 1,60 för denna undersökning vilka är baserade på jordarterna kring lokorna. 3.3 Sjöundersökning Lodning och georadarmätning För att få en bild utav sjöarnas bottenfigur samt uppskatta deras sedimenttjocklek, area och volym utförde Geosigma på uppdrag av Midvatten AB georadarmätningar Västra Långsjön, Östra Långsjön och Hemtjärn. Mätningarna genomfördes den 4 mars 2008 med en impulsradar (Ramac/GPR). Längdmätning skedde genom trådmätning från punkter inmätta med GPS. En längre profil i sjöns längdriktning genomfördes på varje loka varefter ett flertal tvärprofiler. Denna mätteknik baserar sig på att skicka ner pulser av elektromagnetisk strålning från en markradar ner i mediet (i det här fallet is och vatten). En del av pulserna reflekteras då de träffar material med olika elektriska egenskaper. De reflekterade pulserna tas upp av markradarn och registreras. Resultaten plottas ut i ett radargram där mätprofilens längd plottas mot djupet från de reflekterade pulserna. Från radargrammet kan sedan objekt och strukturer identifieras. Sjöbottenkonturerna på samtliga lokor framträder tydligt från resultaten av radargrammen. Tydlig är även en undre yta längst med konturerna som Sträng (2008) förklarar vara en övre gräns för den fasta bottnen. Det organiska materialet antas befinna sig mellan dessa båda ytor och varierar från någon till några meter. Duvtjärn och Havtrollet lodades manuellt då ingen georadarkörning gjordes för dessa lokor. Fältarbetet skedde under mars månad då isen fortfarande var bärande. Hål borrades i isen med isborr och lodningen genomfördes med ett måttband med lod i ena änden. Koordinater för varje hål togs med hjälp av GPS med en genomsnittlig noggrannhet på ± 5-7 m Batymetriska kartor Batymetriska kartor skapades för Hemtjärn, Duvtjärn, Östra och Västra Långsjön samt Havtrollet för att få en generell bild av deras bottenprofiler och för volymuppskattning. Kartorna gjordes med ArcGis 9.2. De lodade punkterna från fältarbetet placerades ut på terrängkartan med deras respektive lodningsdjup och koordinater. Utmed strandkanten placerades fler punkter med djupvärde noll för att markera kontakten mellan land och sjöyta. För Västra och Östra Långsjön samt Hemtjärn där inga manuella lodningar gjordes användes resultaten från georadarkörningarna av Geosigma. Radargrammen placerades med georeferenser längs med de körda profilerna och punkter placerades ut längs med dessa med 25 meters mellanrum. Vid varje punkt lästes djupet av från ytan ner till den första bottenreflexen från radargrammet och matades in. Liksom med Duvtjärn och Havtrollet placerades därefter punkter ut längs kontakten sjöyta och land med höjdvärdet noll. Punkterna interpolerades sedan genom spline-funktionen med vikt 0,1 och nummer av punkter 12. Alla sjöar klassades in i 15 klasser från 0-15 m. Eftersom djupvärdena matats in som positiva värden skars 9

18 värden som understigit noll bort. Interpoleringarna exporterades sedan till rasterformat så beräkningsfunktionen area och volym i 3D analyst kunde användas. Höjden Z sattes som noll och volymen räknades ut som noll och över då djupdata matats in som positiva tal Sedimentprovtagning och sedimentanalys Tidigare studier indikerar att de organiska sedimenten kan ha betydelse för sjöars läckage (Midvatten AB, 2007a). Därför låg ett intresse i att göra en undersökning av dessa varför provtagning gjordes. Av intresse var även det underliggande mineralogiska materialet för att se vilken jordart som utgjorde sjöarnas bottnar. Tio sedimentprov togs sammanlagt från Hemtjärn, Duvtjärn samt Västra och Östra Långsjön (bild 3-4) med en sedimentprovtagare av uwitech-typ. Proverna togs när isen fortfarande var bärande i mars månad. Varje prov togs i ett nytt hål för att förhindra att ta prov i sediment som störts av tidigare provtagning. Detta gällde dock inte för prov PLO1 och PLO2 som togs ur samma hål där prov PLO1 togs först. Sedimentkärnorna delades upp i 3 cm tjocka plättar med en snittare och lades i burkar med lock som sedan fraktades till Uppsala. Tabell 3-1 visar vilka delar av sedimentkärnorna som valdes ut för vidare analys. Djup [cm]\kärna PLV 1 PLV 2 PHEM 1 PHEM 2 PH 1 PH 2 PD 1 PD 2 PLO 1 PLO x x x x x x x x x x 3-6 x x x 6-9 x x x x x x x x x x 9-12 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Tabell 3-1 Tabellen visar sedimentkärnor och vilka snitt som tagits av dessa för analys. Första kolumnen visar sedimentkärnornas längd och översta raden sedimentkärnornas namn. 10

19 Bild 3-4 Kryssen visar provtagningsplatser för sedimentkärnor och rutorna nysatta grundvattenrör. Som bakgrund ses en batymetrisk karta som skapades i samband med undersökningen. Analysen av sedimentplättarna började med en uppskattning av volymen i varje provtagningsburk. Detta gjordes genom att sätta en burk av samma sort som provet låg i och fylla den med vatten så att vattenkanten stämde överens med sedimentprovets yta i provburken. Vattnet mättes därefter i ett mätglas. Noggrannheten på denna typ av volymuppskattning uppskattades med några test till cirka ±10 mm. Proven stjälptes över i vägda behållare och fick stå i ugn på 120 C över natten för torkning. Behållarna vägdes igen och vattenhalten kunde uppskattas i viktprocent och volymprocent genom VH vikt % = Avdunstat vatten [g] Blött prov [g] Ekv

20 VH volym % = Avdunstat vatten [g] Uppskattad volym [g] Ekv 3-3 där VH vikt% är viktprocent vatten och VH Volym% är volymprocent vatten. De torkade proverna vägdes, lades i deglar och fördes in i förbränningsugn på 550 C i två timmar. Deglarna vägdes än en gång och halten organiskt och mineralogiskt material bestämdes i viktprocent genom Org vikt % = Bortbränt material [g] Blött prov [g] Ekv 3-4 Min vikt % = Mineralogiskt material [g] Blött prov [g] Ekv 3-5 där Org vikt% är viktprocent organiskt material och Min vikt% är viktprocent mineralogiskt material Tillrinningsområden En bild över topografiska tillrinningsområden baserade på ytvattendelare skapades som en shapekarta från en digital höjdmodell (Digitala Kartbiblioteket, Lantmäteriet) och gröna kartan (Digitala Kartbiblioteket, Lantmäteriet) med ArcGis 9.2. Storleken för tillrinningsområdena beräknades med kartkalkylatorverktyget från ArcGis 9.2. Då lokors vattennivå ligger över omkringliggande grundvattennivå används dock troligen inte hela dess topografiska tillrinningsområde (kapitel 2.2.3). Området lokorna får vatten ifrån begränsas troligen oftast till enbart deras yta och eventuell ytlig tillrinning. För de modeller som använts i den här undersökningen har det antagits att lokornas tillrinning enbart är den nederbörd som faller direkt på deras öppna vattenytor. 3.4 Rör och vattennivåer Rörborrning och rörsättning För att kunna kartlägga grundvattnets rörelse nära lokorna sattes grundvattenrör av PVC-plast ner i närheten av dessa. Där Midvatten AB inte kunnat driva ner rör med deras borrbandvagn på grund av dålig eller oframkomlig terräng sattes rör ned med pionjär, en motordriven handslagborr. För att kunna bestämma den vertikala gradienten sattes grupper med rör ner om 3 st., alla vid olika djup från 2-8 m. I botten på varje rör fanns ett 0,5 m långt genomsläppligt sandfilter. Alla nya rör avvägdes med avvägningsinstrument och sattes in i Borlänges höjdsystem vilket är RH70 + 0,312 m. Bild 3-2 visar rörens positioner Rör- och pegelmätning Rörmätningar togs manuellt både med kluck- och ljuslod cirka 1-2 gånger per vecka. Divers, dataloggrar som registrerar tryck och temperatur, installerades i vissa rör för kontinuerliga mätserier. De programmerades att ta mätningar var 30:e minut. 12

21 För sjönivåmätning hamrades trästavar ner i sjöarna vilka fick fungera som peglar. Mätningar togs från toppen på staven ner till vattenytan med tumstock. 3.5 Tidsserieundersökning För att svara på om lokorna påverkas av grundvattennivån är en modell av deras nivåvariationer ett bra verktyg. Då många lokors vattenytor ofta ligger många meter ovanför grundvattenytan begränsas deras ytliga tillrinning (kap 2.2.3) och grundvattentillrinning. I sådana fall kan deras vattenbudget antas vara nederbörd, avdunstning, läckage och ytlig tillrinning. Enkla modeller med enbart nederbörd och avdunstning testades först, både som vattenbudgetmodeller och som linjära regressionsmodeller, och de sistnämnda utvecklades sedan genom att inkludera Badelundaåsens piezometriska nivå (Bpn) och Dalälvens nivå (Dn) som oberoende variabler. Åsens piezometriska nivå mättes i rör RB0528 (bilaga 2) och älvens nivå mättes vid Lennheden och kompletterades genom linjär regression med mätningar från Bäsna Nederbörd För att uppskatta nederbörd och tillrinning till vattenbudgeten togs egna manuella nederbördsmätningar samt inhämtades nederbördsdata från SMHI från Borlänge flygplats (SMHI station 10531). De egna nederbördsmätningarna togs med en nederbördsmätare av typen Regenmesser nach Prof. Hellman från ST Svenska Termoinstrument. Regnmätaren placerades ut den 11 mars 2008 mellan Östra Långsjön och Badelundaåsen i ett inhägnat, tomt område (bild 3-5). Den 12 juni flyttades regnmätaren till Hemtjärn. Mätaren placerades på en pinne 3,5 dm över vattenytan i närheten av avdunstningskärlet som låg cirka 7 m ut i vattnet. Detta för att uppskatta nederbörden så nära avdunstningskärlet som möjligt. 13

22 Bild 3-5 Regnmätaren placerades först mellan Östra Långsjön och Badelundåsen men flyttades senare till Hemtjärn. Nederbördsvärdena från Borlänge flygplats korrigerades enligt Alexanderssons (2003) månatliga korrigerade värden (tabell 3-2). Korrigeringen gjordes genom att varje värde multiplicerades med den procentuella skillnaden mellan Alexanderssons referensnormalvärden och korrigerade normalvärden (tabell 3-2). Station jan feb mar apr maj Jun jul aug Sep okt nov dec År Referensnormalvärde Korrigerade normalvärden % skillnad 4,9 7,1 6,5 5,0 6,7 7,1 6,5 6,0 4,4 5,8 5,8 7,3 6,5 Tabell 3-2 Uppmätt och korrigerad nederbörd för station 10531, Borlänge flygplats. Klass:1, årskorrektion: +7 %. (Alexandersson, 2003) Avdunstning Avdunstning från fria vattenytor begränsas inte av den tillgängliga vattenmängden utan kan istället begränsas av energitillförsel och borttransport av den avdunstande vattenångan (Forsman, 1959). I den här rapporten syftar därför all typ av avdunstning från lokorna på potentiell avdunstning. En undersökning av Rosenberry m.fl. (2007) utförd vid Mirror Lake, en 0,15km 2 stor bergsbelägen sjö i nordöstra USA, visar att Hamons och Thornthwaites modeller för beräkning av potentiell avdunstning med lufttemperatur som variabel stämmer bra överrens med Bowen-ratio energy-budget (BREB) vilken användes för referensberäkning. BREB är en fysikaliskt baserad metod och om de ingående mätningarna utförts noggrant kan den antas stämma bra överens med verklig avdunstning. Hamonmodellen uppvisar 14

23 en begränsning i att den underskattar avdunstningen under höstmånaderna. Klimatet vid Mirror Lake är inte helt olikt klimatet vid de berörda lokorna i den här undersökningen. Det har en medeltemperatur av 19 C i juni och -7 C i januari och en årsnederbörd kring 1120 mm åren (Rosenberry m.fl., 2007). Dessa värden kan jämföras med årsnederbörden för Borlänge på mm (Brandt m.fl., 1994) och medeltemperaturen i juni cirka C och i januari cirka -7 C åren (Brandt m.fl., 1994). Beräkning av vattenbalans i en behållare är en gammal och väl använd metod för att uppskatta avdunstning från en fri vattenyta. Denna metod ger oftast ett högre värde på avdunstningen än vad som är riktigt. Behållarens sidor värms upp av solen och ger vattnet i behållaren en högre temperatur än i motsvarande sjö eller reservoar. Det är också viktigt att behållaren placeras på ungefär samma nivå som den vattenyta från vilken avdunstning är intressant. Om höjdskillnaden eller lägeskillnaden är stor kan en skillnad i luftfuktighet påverka resultatet. Om behållaren placeras vid ett läge där luftfuktigheten är lägre än alldeles bredvid vattenytan av intresse kan läget påverka behållaren så att avdunstningen blir högre än verkliga avdunstningen då det finns färre vattenmolekyler i luften som kondenserar på vattenytan. Det sker även mindre turbulens i kärlet vilket kan orsaka en skiktning, något som kanske inte sker i en sjö eller reservoar (Forsman, 1959). Vanligtvis multipliceras avdunstningen från behållaren med en koefficient så att den bättre stämmer överrens med verkligheten. Koefficienten varierar vanligen över årets månader och är lägre på sommarmånaderna (Shaw, 1994). För avdunstningsmätningen användes ett plastkärl med linjal fastmonterad vid en av väggarna för avläsning av vattennivå. Plastkärlet hade grön färg, en diameter på cirka 0,5 m och ett djup på cirka 0,6 m. En V-formad ränna cirka 5 cm från överkant hindrade regnvatten från att översvämma kärlet. Avdunstningen beräknades som E b = Q in Q ut + P + S, där E b är avdunstningen från behållaren, Q in är tillrinningen till behållaren, Q ut är avrinningen från behållaren, P är nederbörden och S är magasinförändringen i behållaren (Shaw, 1994). Då behållaren varken har inlopp eller utlopp blir vattenbalansen E b = P + S. P uppmättes med Midvatten AB:s nederbördsmätare. En undersökning av en liten loka vid namn Kattlokan som liknar lokorna i Lennheden utfördes av Midvatten AB Det avdunstningskärl som användes i Midvatten AB:s undersökning är av samma typ som användes i denna undersökning. Deras kärl placerades några meter från vattnet och avdunstningen från kärlet antogs motsvara avdunstningen från Kattlokan så ingen kärlkoefficient användes (Midvatten AB, 2007a). I den här undersökningen placerades kärlet istället i vattnet, och vattennivån i kärlet tilläts variera med nederbörden och avdunstningen under första halvan av tiden kärlet var placerat där. I och med att den varierade var nivån i kärlet ungefär lika som nivån utanför kärlet. Efter en tid fylldes kärlet med 5,4 cm vatten. En kontinuerlig avdunstningsserie beräknades fram med förenklade energibalansmodeller med temperatur som enda variabel. Thornthwaites, Hamons och Rodhe m.fl. modeller (ekvation 3-6 till 3-15) testades och jämfördes mot avdunstningskärlet. Slutligen valdes Rodhe m.fl. modell då den är lätt att arbeta med och stämde ungefär lika bra som övriga modeller. 15

24 Thornthwaite: månatlig modell E = 1,6 10T a I 6, I 3 7, I 2 +1, ,49 10 d Ekv 3-6 T a = lufttemperatur, I = årsvärmeindex I = i, i = T a /5 1,514, d = antalet dagar i månaden (enligt Rosenberry m.fl., 2007). Hamon (1961): daglig modell E = 0,55 D 12 2 SVD Ekv ,4 E = avdunstning, D = soltimmar (U.S. Naval Observatory, ), SVD = mättade ångdensiteten vid medellufttemperaturen (gm -3 ) (enligt Rosenberry m.fl., 2007) För uträkning av SVD används ekvationen SVD = 4,95e (0,062T a ) (Xu, 2006) Ekv 3-8 Hamonmodellen ger alltid ett E > 0. Då det ska bli mer realistiskt och kunna jämföras bättre med andra avdunstningsmodeller används förbehållen E pot = E för T > 0 C Ekv 3-9 E pot = 0 för T 0 C Ekv 3-10 I en undersökning av Rodhe m.fl. (2004) utvecklades en lufttemperaturberoende metod för beräkning av den potentiella avdunstningen. Rodhe m.fl. använde en redan beräknad avdunstning med Penmans metod som referens och kalibrerade deras metod med denna. Rodhe m.fl. (2004): daglig modell E pot = B t T för T > 0 C Ekv 3-11 E pot = 0 för T 0 C Ekv 3-12 t + Ψ B t = 1 + A sin 2π 365 π 2 C E Ekv

25 t = dagens nummer på året A = amplitud Ψ = fasförskjutning (dagar) C E = avdunstningsparameter (mm d -1 C -1 ) I undersökningen av Rodhe m.fl. kalibrerades värdena för användning för hela Sverige till C E = 0,19 mmd - 1 C -1, A = 0,5 och Ψ = 45 dygn. I västra delarna av Svealand och norrland kunde C E variera mellan 0,24 och 0,31 mmd -1 C -1. För avdunstning från sjö multiplicerades C E med 1,1 och fick utseendet C E = 1,1 C E_land Ekv 3-14 För denna undersökning valdes C E = 0,19 då det stämde ungefärligt med avdunstningskärlet och C E för sjöar blev då C E = 1,1 0,19 = 0,209 Ekv Nederbörd och avdunstningsbaserad modell Om lokans nivåvariation antas bero på enbart nederbörd och avdunstning utan tillrinning eller läckage kan lokans nivå antas vara lokans ursprungliga nivå adderat med nederbörden subtraherat med potentiella avdunstningen. N PE t = N t 0 + t P t E pot t t 1 t t 1 Ekv 3-16 Där N = lokans verkliga nivå [m], N PE = lokans beräknade nivå enbart beroende av P och E pot, N 0 = lokans nivå vid tidsseriens början [m], P = nederbörd [m], E pot = Potentiell avdunstning [m], t = dag eller månad från tidseriens början Linjär regressionsmodell I samband med provpumpning i området år visade lokorna tecken på att de påverkats av den omkringliggande grundvattennivån (gvy), vilken i sin tur samspelar med åsens piezometriska nivå och älvens nivå. Midvatten AB (2007b) uppskattade ett totalt läckage från älven till åsen på 49 ls -1. Detta läckage kan ifrågasätta användandet av både åsens piezometriska nivå och älvens nivå samtidigt i modeller då de inte är helt oberoende av varandra. I vissa fall blev dock modellerna bättre när båda användes samtidig. Genom att använda linjära regressionsmodeller kan påverkan från de beskrivna faktorerna uppskattas. Den enklaste linjära regressionen med bara en oberoende variabel är ekvationen för den räta linjen y = kx + c Ekv 3-17 I många fall beror y på flera variabler. Ekvationen får då utseendet y = k 1 x 1 + k 2 x 2 + k 3 x 3 k n x n + c Ekv

26 Linjära regressionsmodeller skapades med dataanalysverktyget för linjär regression i Microsoft Excel Först inkluderades nederbörden, avdunstningen, en variabel innehållande åsens piezometriska nivå och en variabel innehållande älvens nivå. Om variabeln uppvisade låg signifikans (lågt p-värde) uteslöts variabeln och regressionen gjordes igen. Många olika variabler provades, till exempel nederbörd, ackumulerad nederbörd, avdunstning, ackumulerad avdunstning, åsens piezometriska nivå, älvens nivå, lokans vattennivå subtraherat med åsens piezometriska nivå, lokans nivå subtraherat med älvens nivå och magasinförändringar för dessa variabler. I första hand valdes så få variabler som möjligt med så hög signifikans som möjligt vilka gav modellen så högt R 2 som möjligt. Om en modell inkluderade åsens piezometriska nivå som variabel men gav något lägre R 2 valdes ändå den modellen framför en modell utan åsens piezometriska nivå då dess påverkan på lokorna var intressant. En ackumulerad variabel beräknas genom X S (t) = t t 0 X t Ekv 3-19 där X är en variabel. Exempel på X kan vara nederbörd (P) och avdunstning (E). 3.6 Bottenläckage Mätning av läckage med strömningsmätare För att kunna uppskatta läckaget i en sjö kan strömningsmätare användas (Shaw och Prepas, 1990a och b). En strömningsmätare mäter flödet mellan sediment och sjö och kallas vanligen för seepage meter på engelska. Den består av en kopp med en anordning som mäter vattenflödet, antingen elektriskt eller fysikaliskt. I denna undersökning användes strömningsmätare med påsar. Koppen trycks ner på en godtycklig plats på sjöbottnen och får sedan stå medan vatten passerar in eller ut beroende på om det sker ett in- eller utflöde på platsen (bild 3-6). Trycket i påsen är detsamma som trycket utanför påsen och påverkar därför inte vattenflödet. Friktion i slang och slangöppningar kan negligeras då friktionen i själva sedimentet är flertalet gånger större vilket gör sedimenten till den begränsande faktorn. Mätarna bör kalibreras genom att låta de stå ett par dagar utan påse så att luftbubblor försvinner och att ett normalt flöde kan återupptas sedan det störts av nedsättningen. 18

27 Bild 3-6 Illustration av strömningsmätare. Första rutan visar en halvfull mätare. I nästa ruta visar ett inflöde till sjön, påsen har expanderat. Den sista rutan visar ett läckage från sjön till grundvattnet, vatten ur påsen har sugits ut. Strömningsmätarna som användes i denna undersökning var hembyggen (bild 3-7) och bestod av en cylindrisk metallkropp med längden 13 cm och diametern 15 cm. Koppen var förseglad med ett lock med pip där pipen var kopplad till en slang. Ytterst på slangen satt en trädgårdsslangskoppling vars andra del var hopsatt med en vanlig plastpåse. Mätningar genomfördes i Duvtjärn och Hemtjärn under perioden till Mätarna Bild 3-7 Strömningsmätare. placerades ut i par runt strandkanten i lokorna (bild 3-8) cirka 1 m under vattenytan. Vid så gott som alla platser där strömningsmätarna sattes ner var bottnen sandig förutom vid mätarpar E där sjöbottnen var dyig. De flesta av mätarna placerades i närheten av grundvattenrör för att undersöka om ett eventuellt samband fanns mellan grundvattennivån och de av strömningsmätarna uträknade flödeshastigheterna genom korreleration dem emellan. I de två första mätningarna fylldes en påse i varje par medan den andra lämnades tom. Detta för att se om tillrinning eller avrinning skedde vid platsen. Efter de två första mätningarna fylldes alltid båda mätarna i paren till hälften då de föregående mätningarna fick oförklarliga resultat. Mätning skedde cirka en gång i veckan genom att väga påsens vikt före och efter mätperioden med en våg. Flödeshastigheten räknades sedan enligt v = V 2 V 1 t 2 t 1 / 17,6 Ekv 3-20 där v är flödeshastigheten (mmd -1 ), V 1 och V 2 är volymen (cm 3 ) samlat vatten mellan tiden t 1 och t 2 (dagar) och 17,6 en omvandlingsfaktor. 19

28 Bild 3-8 Strömningsmätarparens placering i Hemtjärn (vänster) och Duvtjärn (höger). Cirklarna symboliserar strömningsmätarna och kryssen grundvattenrör. Ett flertal korreleringar beräknades mellan strömningsmätarnas beräknade flödeshastigeter och skillnaden mellan lokans nivå och grundvattenrörens nivå för olika perioder. skillnaden i lufttrycket för olika perioder. Hemtjärns nivåer. Ytterligare en korrelering gjordes på flödesriktningarna mellan strömningsmätarna för att se om ordningen de tryckts ner hade någon påverkan på flödesriktningen Uppskattning av läckage med beräkning av grundvattenflöden Vertikala grundvattenflöden beräknades inom grupperna av de nysatta grundvattenrören runt Hemtjärn. Den Hydrauliska konduktiviteten mellan varje rörs insläpp räknades ut med formeln K z = d d i /k i Ekv 3-21 där d är avstånden mellan de aktuella rörens insläpp, d i tjockleken på det i:nte jordlagret och k i konduktiviteten för samma jordlager (Freeze och Cherry, 1979) (bild 3-9). Grundvattenhastigheten beräknades därefter genom utveckling av Darcys lag Q = K dh dl A Ekv 3-22 q = K dh dl Ekv 3-23 där Q (m 3 s -1 ) är vattenföringen, q (m 2 s 1 ) flödeshastigeten, K (ms -1 ) konduktiviteten, dh/dl den hydrauliska gradienten och A (m 2 ) tvärsnittarean (Freeze och Cherry, 1979). Bild 3-9 Parametrar för beräkning av konduktiviteten mellan det grundaste och det mellersta röret. 20

29 3.6.3 Vattenbalansbaserat läckage För att beräkna lokans simulerade nivå N SIM, den nivå lokan skulle få om nederbörd som faller direkt på dess vattenyta och avdunstning inte fanns, subtraherades lokans nivå N vid tiden t med den ackumulerade nederbörden och adderades med den ackumulerade potentiella avdunstningen. N SIM t = N t t P t + E pot t t 1 Lokornas vattenbalansbaserade läckage beräknades som en nivåminskning av N SIM. t t 1 Ekv 3-24 L = (N SIM,t2 N SIM,t1 )/(t 2 t 1 ) (Midvatten AB, 2007a) Ekv 3-25 En nivåsänkning är dock summan av både tillrinning och läckage, vilket betyder att även om lokan sjunker kan den få tillrinning. Detta ger en stor osäkerhet i det vattenbalansbaserade läckaget. 3.7 Ytlig tillrinning Vattenbalansbaserad ytlig tillrinning kan antas vara en ökning av N SIM när lokan inte kan få grundvattentillrinning subtraherat med läckaget. Om grundvattennivån är högre än lokans nivå kan inte ytlig tillrinning urskiljas från grundvattentillrinning. T YT t = N SIM t n+1 N SIM t n L t n, där t 2 >t 1 och N SIM t 2 > N SIM t 1 Ekv 3-26 där N SIM beskrivs i ekvation 3-24 och L i ekvation Beräkning av ytlig tillrinning med denna modell innehåller en stor osäkerhet då läckagetermen kan innehålla en del ytlig tillrinning (kapitel 3.6.3). Om en lokas nivåvariation enbart beror på den uppmätta nederbörden och den beräknade avdunstningen, bör en addition av ackumulerade avdunstningen och en subtraktion av ackumulerade nederbörden från dess nivåvariation resultera i en rak linje. Då korrekta nederbörden och avdunstningen är svåra att mäta eller beräkna exakt kan samma försök utföras genom att uppskatta deras påverkan med linjär regression, och sedan subtrahera dem ur nivåvariationen multiplicerade med deras parameter från linjära regressionen. Ytterligare ett sätt att uppskatta ytlig tillrinning är med HBV-modellen. Den beskriver vattnets väg inom ett system från nederbörd till avrinning och har använts inom många områden med stor framgång, både vid prognoser och vid undersökningar med befintlig data. HBV-modellen består av en serie delmoment, kallade rutiner, där varje rutin består av en mängd ekvationer med användarbestämda parametrar (tabell 3-3). Nödvändig indata för modellen är nederbörd, temperatur, potentiell avdunstning och gärna vetskap om hur stor andel öppen vattenyta som finns inom avrinningsområdet. 21

30 Parameter TT Tröskeltemperatur Vid temperaturer under TT C faller all nederbörd som snö och över som regn. CFMAX Daggradsfaktor Maximal snösmältning per C. SFCF Snökorrektionsfaktor Nederbörd som faller som snö multipliceras med SFCF. CFR Återfrysningskoefficient Koefficient för återfrysning av tillfälligt tinat vatten. CWH Snöns vattenhållande förmåga. FC Fältkapacitet Maximal mängd vatten jorden kan hålla mot gravitationen. LP Mängd vatten som krävs i markvattenzonen för att avdunstningen skall vara lika med den potentiella avdunstningen. BETA Andelen avrinning som fallande regn och snö bidrar med. PERC Perkolationshastighet Max perkolation till lägre grundvattenmagasin. UZL Tröskelparameter som bestämmer hur stor del vatten som avrinner från ytligaste grundvattenmagasinet eller djupare grundvattenmagasin. K0 Koefficient till ytligaste grundvattenavrinningen. K1 Koefficient till ytlig grundvattenavrinning. K2 Koefficient till grundvattnets basflödesavrinning. MAXBAS Fördröjningsparameter Ett högt värde för maxbas är brukligt om avrinningsområdet innehåller många dämpande faktorer såsom sjöar. Då den här undersökningen studerar just sjöar är maxbas inte relevant. Tabell 3-3 HBV-modellens parametrar (HBV-manual 2002, Jan Siebert) Ytlig tillrinningen i HBV-modellen kan antas vara en del av eller hela värdet av RECHARGE, som är det vatten som finns tillgänglig för vidare perkolation i HBV-modellen då regn, snö, avdunstning och markvattenhalt har behandlats. Om RECHARGE korrelerar bra med lokans magsinförändring korrigerad för nederbörd och avdunstning kan lokan antas få en betydande del ytlig tillrinning. En osäkerhet är att en felaktig uppskattning av nederbörd och avdunstning medför att den korrigerade magasinförändringen fortfarande innehåller en del av dessa variabler, vilka RECHARGE skulle kunna korrelera med och orsaka en felaktig slutsats. För den här undersökningen användes programmet HBV-light med standardinställningar av Jan Seibert som HBV-modell. Enligt Bergström (1990) bör värdet på CFMAX vara 2,0 för skog och 3,5 för öppen mark. Då området för undersökningen består mest av skog, men har några öppna ytor, kan CFMAX tänkas vara 2,5. Värdet för SFCF var enligt Bergström (1990) 0,75-1,10 och var lägre för skog än för öppen mark. För att stämma bra överrens med CFMAX bör SFCF vara 0,8655. Rodhe (2004) kalibrerade fram värdet på FC för grov jord till 70 mm, för morän 244 mm och för fin jord 366 mm. Då jorden inom vårt område kan räknas till mellan grov jord och morän (kap 4.1) valdes värdet på FC till 200 mm, som också överrensstämmer med Bergströms (1990) undersökning för Borlängeområdet. Då Hemtjärns tillrinningsområde är litet och modellen ska visa ytliga snabba tillflöden bör maxbas vara 1. Övriga parametrar valdes i enlighet med Bergström (1990) (tabell 3-4). Då den ytliga tillrinningen ska motsvara den mängd vatten som genom ytliga flöden når lokorna från omgivande ytliga jordlager används ingen sjöyta i modellen. 22

31 Parameter Värde TT 0 CFMAX 2,5 SFCF 0,8655 CFR 0,05 CWH 0,10 FC 200 LP 0,875 BETA 2,0 PERC 2,0 UZL 17 K0 0,3 K1 0,065 K2 0,0075 MAXBAS 1 Tabell 3-4 Valda parametervärden för programmet HBV-light. 4 Resultat 4.1 Jordundersökning Av kornstorleksanalysen och den batymetriska kartan framställdes en profilbild över Hemtjärn. Från figur 4-1 är det tydligt att finsand och mellansand är de dominerande jordarterna kring Hemtjärn och att silt påträffas i den översta delen i den norra sidan av sjön. För fler rörprofiler med jordarter se bilaga 4. Figur 4-1 Profilbild över Hemtjärn med tillhörande rör och dess jordarter. 23