Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

Transkript

1 Rapport 25 Nr. 22 Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken Ola Nordblom

2 2

3 Rapport Författare: Uppdragsgivare: Rapportnr: Ola Nordblom Norrköpings kommun 25 Nr. 22 Granskare: Granskningsdatum: Dnr: Version: Anna Karlsson, Olof Liungman /956/24 1. Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken Ola Nordblom Uppdragstagare SMHI Norrköping Uppdragsgivare Norrköpings Kommun Gatu- och parkkontoret NORRKÖPING Distribution Projektansvarig Ola Nordblom (tel.), (fax) ola.nordblom@smhi.se Kontaktperson Jonas Edlund (tel.) jonas.edlund@norrkoping.se Klassificering () Allmän (x) Affärssekretess Nyckelord Bråviken, muddertippning, strömmar, erosion Övrigt Sjöfartsverkets tillstånd nr

4 Denna sida är avsiktligt blank

5 Innehållsförteckning 1 SAMMANFATTNING BAKGRUND SYFTE METODIK Strömmätningar Datorsimuleringar Modeller Nuvarande bottentopografi Förändring av bottentopografin i Område Validering Fallstudie Bedömning av erosionsrisken RESULTAT Strömmätningar Strömsimuleringar Validering Strömkarta Fallstudie Vindvågor BEDÖMNING AV EROSIONSRISKEN SLUTSATSER REFERENSER BILAGOR Beräkning av bottenskjuvspänningen Uppskattning av den kritiska bottenskjuvspänningen... 22

6 Denna sida är avsiktligt blank

7 1 Sammanfattning SMHI har på uppdrag av Norrköpings kommun utrett strömförhållanden vid botten i inre delen av Bråviken. Syftet med studien är att ta reda på i vilken utsträckning bottenströmmarna påverkas vid tippning av muddermassor i fyra av de sex områden som tidigare pekats ut som möjliga tippområden, samt att uppskatta risken för erosion av det tippade materialet. Underlag till utredningen utgörs dels av mätningar av strömhastigheten en meter ovanför botten i två mätpunkter, nordväst respektive nordost om Esterön, dels datorsimuleringar av strömhastigheten före och efter höjningen av bottennivån i tippområdena. Resultat från strömhastighetsmätningar Under mätperioden uppmättes ett antal toppar med strömhastigheter på 15-2 cm/s i mätpunkten nordväst om Esterön. I mätpunkten nordost om Esterön var den högsta strömhastigheten något högre, över 25 cm/s. I det senare fallet är dock resultaten osäkra p.g.a. problem med mätinstrumentet. Maxhastigheterna under mätperioden uppstod i samband med västliga vindar med en vindstyrka omkring 1 m/s. Resultat från datorsimuleringar Datorsimulering av bottenströmmarna i Område 1-4 visar att bottenströmmen blir lägst i Område 1 och 2, varför dessa områden bedöms vara mest lämpliga för tippning av muddermassor. Ökningen av bottenskjuvspänningen p.g.a. tippning av antingen 2 miljoner m 3 i Område 1 eller 6 miljoner m 3 i Område 2 hamnar i intervallet.5-.1 N/m 2 för vindar mellan 1 och 2 m/s. Påverkan på bottenströmmarna utanför Område 1 respektive Område 2 blir liten. Muddermassorna förutsätts läggas i djuphålorna i respektive tippområde och inte på djup mindre än 15 m. Bedömning av erosionsrisken Ökningen av bottenskjuvspänningen bör sättas i relation till den kritiska gränsen för erosion av konsoliderat material som i denna utredning uppskattas till intervallet.2-1 N/m 2. Om kritiska värdet för erosion av muddermassorna antas ligga i mitten av detta intervall blir bedömningen att tippning i Område 1 och 2 inte innebär någon större risk för erosion av det tippade materialet. I Område 3 och 4 ger en höjningen av bottennivån motsvarande en tippvolym av 6 miljoner m 3 en omfördelning av bottenströmmarna, vilket kan leda till erosion av icke-konsoliderade sediment söder om tippområdena och eventuellt också påverka ventileringen av djupområden längre in i Bråviken. SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 1

8 2 Bakgrund Norrköpings kommun planerar nya tippområden för muddermassor i inre delen av Bråviken. Efter en utredning av bottensedimenten i Bråviken utförd av SGU (Klingberg, 22) har sex områden valts ut som särskilt intressanta för fortsatta studier (Figur 1). Dessa områden ligger på djup större än 6 meter och har av SGU klassificerats som områden med pågående (recent) sedimentation. 1 2 ESTERÖN (3) (4) (7) (9) NORRKÖPING SVENSKSUNDSV. Tippområden 3 meters 6 meters 1 meters 15 meters 2 meters 5 meters N 4 8 Kilometers W S E Figur 1. Djupkarta över inre delen av Bråviken med markering av bottnar som SGU klassificerat som områden med pågående sedimentation. De allmänna hydrografiska förhållandena i Bråviken har tidigare beskrivits av SMHI (Bergstrand & Westman, 1977). SMHI har även utrett förutsättningarna för deponering av muddermassor på Esterötippen (Ambjörn & Bergstrand, 1984). På uppdrag av Norrköpings kommun gjorde SMHI en förstudie 23 med en översiktlig värdering av strömhastigheter och erosionsrisker i de aktuella tippområdena (Lindahl, 23). Slutsatsen i förstudien var att strömhastigheter nära gränsen för erosion av icke-konsoliderade sediment kan uppstå under vissa förhållanden. SMHI har fått i uppdrag att gå vidare och göra en mer detaljerad undersökning av hur en förändring av bottentopografin i Område 1-4 (se Figur 1) kan påverka bottenströmmarna i inre delen av Bråviken, samt bedöma om det finns en risk för erosion av det tippade materialet. 2 SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

9 3 Syfte Syftet med utredningen är: 1. Att utifrån strömmätningar och datorsimuleringar undersöka bottenströmmarna i inre delen av Bråviken under nuvarande bottenförhållanden. 2. Att ta reda på i vilket utsträckning bottenströmmarna påverkas vid höjning av bottennivån i Område 1-4. I denna bedömning tas också hänsyn till vindvågornas effekt på bottenströmmarna. De fall som kommunen vill få undersökta i respektive område redovisas i Tabell 1. Tabell 1. Fall som ingår i utredningen Fall Område Tippvolym (miljoner m 3 ) 1a 1 1 1b 1 2 2a 2 4 2b Att göra en bedömning av risken för erosion av tippmassorna i ovanstående fall. 4 Metodik Strömmarna i Bråviken styrs av den lokala vinden, av sötvattentillrinningen från Motala ström och av språngskiktsrörelser i vattenmassan. I denna utredning undersöks hur starka bottenströmmar som uppstår p.g.a. vinddrivningen vid ytan, samt densitetsskillnader orsakade av sötvattentillrinningen. Språngskiktsrörelser i form av stående interna vågor har tidigare bedömts kunna generera periodiska bottenströmmar med en amplitud av ca 1 cm/s (Ambjörn & Bergstrand, 1984). I denna utredning har ingen särskild analys gjorts av sådana periodiska svängningar. Fenomenet antas inte ge starkare bottenströmmar än den vinddrivna strömmen vid de extrema vindhastigheter som studeras här. Underlag till utredningen utgörs dels av uppmätta strömhastigheter i två mätpunkter nära botten, dels av datorsimuleringar av bottenströmmen. Syftet med mätningarna är att ta fram data för validering av datormodellen och syftet med simuleringarna är att beräkna effekterna av den förändrade bottentopografin. 4.1 Strömmätningar Vid strömmätningarna användes två olika typer av mätinstrument, en akustisk dopplermätare med beteckningen RCM9 och en elektromagnetisk mätare med beteckningen S4. Båda instrumenten lagrar strömhastighetens storlek och riktning i mätpunkten en gång per timme. Den undre detektionsgränsen för instrumenten är 1-2 cm/s. SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 3

10 Instrumenten förankrades på botten så att mätpunkten hamnade ca en meter över botten. Mätningarna genomfördes i två omgångar under sammanlagt ca 7 veckor, från till och från till RCM9- mätaren hade samma placering under båda mätperioderna: 18 meters djup nordväst om Esterön (Punkt 1 i Figur 2). S4-mätaren placerades under första mätperioden på 18 meters djup nordöst om Esterön (Punkt 2 i Figur 2) och under andra mätperioden på 16 meters djup (Punkt 3 i Figur 2) Figur 2. Mätarnas placering under första mätperioden (Punkt 1 och 2) och under andra mätperioden (Punkt 1 och 3). 4.2 Datorsimuleringar Modeller Datorsimuleringarna gjordes med en tredimensionell modell (PHOENICS) som numeriskt löser de ekvationer som bestämmer strömhastighet och salthalt på olika djup. PHOENICS-modellen har använts av SMHI i ett stort antal projekt under mer än 15 års tid för beräkning av strömmar och spridning av ämnen i vatten. För en närmare beskrivning av modellen hänvisas till Svensson m. fl. (1996). PHOENICSmodellen tar inte hänsyn till vågornas bidrag till bottenströmmarna. Denna effekt har studerats separat med en standardprogramvara för vågklimatberäkningar (SWAN). Modellområdet omfattar inre delen av Bråviken, från Motala Ströms utlopp vid Händelö i väster till Lönö i öster (se Figur 3). PHOENICS-modellen är uppbyggd av ett finmaskigt tredimensionellt rutnät som beskriver områdets geometri, samt upplösning i horisontal- och vertikalled. Rutnätet har extra hög upplösning i och omkring tippområdena för att kunna beskriva variationer i bottentopografin samt lösa upp detaljer i strömfälten. I varje ruta beräknas hastigheten, temperaturen och salthalten. 4 SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

11 Figur 3. Modellområdet med markering av gränserna för Område Nuvarande bottentopografi Djupdata till modellen har inhämtats från Sjöfartsverket och från Norrköpings hamn. Informationen baseras till stor del på Sjöfartsverkets handlodade djupdata från slutet av 18-talet, vilka omfattar ett stort antal punkter över hela Bråviken. I och omkring farlederna har modellen kompletterats med nyare sjömätningar från 197- och 8- talet. I det gamla tippområdet väster om Esterön har djupinformation från Norrköpings Hamn lagts in i modellen. Djupdata anges i hela famnar (1 famn = 1.78 m) i de äldre sjömätningarna respektive i hela meter i de nyare mätningarna. Osäkerheten i djupangivelsen uppskattas till ± 1 m i Område 1-4. Uppgifter om area, samt max-, min- och medeldjup i Område 1-4 vid nuvarande bottentopografi redovisas i Tabell 2. Tabell 2. Area och djup vid nuvarande bottentopografi. Område Area (km 2 ) Maxdjup (m) Mindjup (m) Medeldjup (m) Förändring av bottentopografin i Område 1-4 Vid tippning av muddermassor antas de djupaste platserna inom respektive tippområde först fyllas upp innan tippning sker i grundare områden. De nya bottentopografierna i tippområdena konstruerades således genom att stegvis höja bottennivån med början i de djupaste delarna tills dess att höjningen ungefär motsvarade de volymer som specificerats i Tabell 1. Bottennivån ändrades bara i ett tippområde i taget, vilket innebär att den nuvarande (ursprungliga) bottentopografin användes i övriga områden. Ingen hänsyn togs till att höjningen av bottennivån i vissa fall medförde att lutningen blev brant på gränsen mellan tippområdet och omgivande botten. Volymer och djup i de olika fallen redovisas i Tabell 3. I Fall 1a-b minskas djupet från ca 2 m i de djupaste delarna till 17 respektive 15 m. I Fall 2a-b minskas djupet från drygt 2 m till 16 respektive 15 m i östra halvan av Område 2. I Fall 3 minskas djupet i ett område med djupen m till 16 m och i Fall 4 minskas djupet i ett område med djupen 25-4 m till drygt 2 m. Tabell 3. Tippvolymer och djup efter förändring av bottentopografin. SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 5

12 Fall Område Tippvolym (miljoner m 3 ) Maxdjup (m) Mindjup (m) Medeldjup (m) 1a b a b Validering PHOENICS-modellen validerades mot de uppmätta bottenströmmarna under 2:a mätperioden från till då relativt höga strömhastigheter registrerades. Vid valideringen användes den nuvarande bottentopografin. Modellen drevs med aktuella vinddata från vindstationen vid Kålmården (uppdatering var 3:e timma), samt med aktuella värden på tillrinningen från Motala Ström (uppdatering varje dygn). Tillrinningen varierade mellan 125 och 15 m 3 /s under perioden. Vindstationen vid Kolmården ligger ca 2.5 km norr om Esterön. Masten står på toppen av ett berg men är i övrigt omgiven av skog och kan därför antas underskatta den verkliga vindhastigheten i Bråviken. En jämförelse mellan medianvinden från vindstationen vid Kolmården och den mer öppet belägna stationen vid gamla F13 indikerar att vinden vid Kålmården bör räknas upp med 2-5 %. Vindriktningen över Bråviken kan också antas ha en större dominans av västliga och ostliga vindar jämfört med Kålmårdens vindstation p.g.a. den omgivande topografin. Under den valda valideringsperioden bör dock vindriktningen från stationen vara representativ för Bråviken eftersom denna period domineras av västliga vindar. I simuleringarna räknades vindhastigheten från stationen upp med 4 % medan riktningen användes utan korrigering. De högsta vindhastigheterna under valideringsperioden var ca 11 m/s efter korrigering. För initiering av salthalt och temperatur användes uppmätta profiler i tre vertikaler inom modellområdet. På modellens rand mot havet ansattes konstanta värden på salthalt och temperatur uppmätta öster om Lönö (data från Motala Ströms VVF, ) Fallstudie Efter valideringen simulerades samma period med samma drivning för Fall 1-4 varvid förändringen av bottenströmmarna beräknades. Ytterligare några beräkningar av bottenströmmar gjordes för att bestämma maxvärden under extrema vindförhållanden Bedömning av erosionsrisken Den parameter som huvudsakligen styr processer som erosion, suspension och deposition av material på havsbotten är bottenskjuvspänningen. Bottenskjuvspänningen representerar den kraft per ytenhet (Newton per kvadratmeter, N/m 2 =Pa) som bottnen utsätts för av det strömmande vattnet. Bottenskjuvspänningen betecknas 6 SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

13 τ b i fortsättningen. När bottenskjuvspänningen överskrider ett visst kritiskt värde ( τ c ) kan materialet inte längre stå emot krafterna från strömmen utan börjar erodera. För att kunna göra en bedömning av erosionsrisken före och efter tippning av muddermassor har bottenströmmarna räknats om till bottenskjuvspänningar. Dessa har sedan jämförts med den förväntade kritiska bottenskjuvspänningen. I bilagan beskrivs hur omräkningen av bottenströmmar till bottenskjuvspänningar har gjorts. (Beräkningarna av bottenskjuvspänningar genererade av vindvågor har gjorts enligt den metod som rekommenderas i Whitehouse (2)). I bilagan finns också en sammanställning av kritiska bottenskjuvspänningar för kohesiva sediment baserad på standarddiagram och uppgifter från litteraturen. 5 Resultat 5.1 Strömmätningar Efter upptagning och tömning av instrumenten på data från första perioden visade det sig att S4:an inte hade registrerat korrekta strömriktningar (riktningen var nästan konstant under hela perioden, vilket inte är rimligt i det här fallet). Vid kontroll av mätaren i SMHI:s testränna visade den dock både korrekt riktning och hastighet. Misstanke fanns om att mätaren kunde ha varit störd av en elkabel på botten (trots att mätaren enligt sjökortet låg på betryggande avstånd från elkablar). Inför den andra mätperioden flyttades S4:an till en ny punkt, ca 5 m österut. Tyvärr gav S4:an inte korrekta riktningar under den andra perioden heller. I Figur 4 och 6 nedan visas inga strömriktningar för S4:an (NÖ Esterön) utan enbart strömhastigheter. Det är dock lite osäkert vilken kvalitet mätvärdena från S4:an håller. RCM9-mätaren (NV Esterön) fungerade som den skulle under båda mätperioderna. Resultaten från den första mätperioden visas i Figur 4. I figuren syns två tydliga toppar i slutet av september med högre strömhastigheter, upp till 15 cm/s i båda mätpunkterna. I övrigt ligger hastigheterna under 5 cm/s i den västra mätpunkten, respektive under 1 cm/s i den östra. Strömriktningen anges som ett gradtal mellan och 36 där (och 36) betyder nordgående ström, 9 ostgående, 18 sydgående och 27 västgående ström. Strömriktningen i den västra mätpunkten varierar under perioden huvudsakligen mellan ost-syd-väst med en dominans av strömmar mot väst och ost. De högsta strömhastigheterna uppstod vid västgående ström. Vinddata från mätstationen vid Kålmården visas i Figur 5. Vindriktningen betecknar här riktningen varifrån vinden kommer, d.v.s. (och 36) betyder nordlig vind, 9 ostlig vind o.s.v. Den starka västgående bottenströmmen i slutet av september inträffar i samband med vindriktningar mellan sydväst och nordväst. Bottenströmmen rör sig då i nästan motsatt riktning mot vinden och kompenserar därmed den vinddrivna uttransporten vid ytan. ömhastighet (cm/s) 2 15 SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken :a mätperioden till NV Esterön NÖ Esterön

14 Figur 4. Uppmätta strömhastigheter och strömriktningar 1 m över botten under första mätperioden. Vindstyrka (m/s) 1 5 1:a mätperioden till /26 1/3 1/1 Vindriktning /26 1/3 1/1 Figur 5. Vinddata från mätstationen vid Kålmården. Resultaten från den andra mätperioden visas i Figur 6-7. Under denna period uppmättes strömhastigheter strax under 2 cm/s i den västra mätpunkten, respektive 3 cm/s i den östra. I den västra mätpunkten dominerar strömmar mot sydväst och väst under hela perioden och liksom tidigare uppstår de högsta mätvärdena vid västgående bottenström och sammanfaller med perioder med starka vindar mellan sydväst och nordväst. 8 SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

15 Strömhastighet (cm/s) :a mätperioden till NV Esterön NÖ Esterön 11/28 12/5 12/12 12/19 Strömriktning /28 12/5 12/12 12/19 Figur 6. Uppmätta strömhastigheter och strömriktningar 1 m över botten under andra mätperioden. Vindstyrka (m/s) 1 5 2:a mätperioden till /28 12/5 12/12 12/19 Vindriktning /28 12/5 12/12 12/19 Figur 7. Vinddata från mätstationen vid Kålmården. SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 9

16 De uppmätta strömhastigheterna i denna undersökning är i nivå med de mätningar SMHI gjorde väster om Esterön under våren-försommaren 1983 (Ambjörn & Bergstrand, 1984) då högsta uppmätta strömhastigheten var 2 cm/s på avståndet 5 meter från botten. 5.2 Strömsimuleringar Validering Resultaten från valideringskörningen visas i Figur 8 för referenspunkterna NV Esterön (hastighet och riktning) och NÖ Esterön (enbart hastighet). Som framgår av figuren når den beräknade strömmen inte riktigt upp till maxvärdena från mätningarna. Detta kan bero på skillnader mellan vinden som används i modellen och den verkliga vinden i området. Uppmätta och beräknade värden överensstämmer dock i stort under perioden, vilket tyder på att modellen ger en riktig beskrivning av bottenströmmen. Observera att mätvärdena i den östra mätpunkten är något osäkra enligt Avsnitt 5.1. Strömhast. (cm/s) Strömrikt. Strömhast. (cm/s) 2 1 Validering till NV Eströn mätning NV Esterön modell 12/4 12/5 12/6 12/7 12/8 12/ /4 12/5 12/6 12/7 12/8 12/ NÖ Eströn mätning NÖ Esterön modell 12/4 12/5 12/6 12/7 12/8 12/9 Figur 8. Uppmätt och beräknad strömhastighet och riktning NV Esterön, samt uppmätt och beräknad strömhastighet NÖ Esterön, 1 meter över botten Strömkarta Ett exempel på beräknade bottenströmmar i inre delen av Bråviken visas i Figur 9a-b exemplet är hämtat från kl Vid detta tillfälle hade vinden blåst från sydväst till väst (24-26 grader) med ca 8 m/s under ett dygn. Bottenströmmen är i stort sett västgående längs den norra stranden och sydvästgående söder om Esterön. Längs den södra stranden från Svensksundsviken och österut är bottenströmmen ostgående. De högsta strömhastigheterna (ca 2 cm/s) uppstår i de grunda 1 SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

17 områdena på mindre än 6 meters djup längs den norra strandlinjen norr om Esterön, samt längs den södra stranden mellan Storudden och Mjölkudden. Även vid gränsen mellan Område 3 och 4 är strömhastigheten relativt hög, ca 15 cm/s strax ovanför botten. I större delen av Område 1 och 2 är bottenströmmen lägre än 5 cm/s Figur 9a. Beräknade strömriktningar och hastigheter (cm/s).5 m över botten, vind från sydväst-väst, ca 8 m/s, nuvarande bottentopografi. cm/s Figur 9b. Fortsättning på Figur 9a. cm/s SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 11

18 5.2.3 Fallstudie Resultaten från fallstudien rapporteras här som bottenskjuvspänningar, vilka beräknades från bottenströmmen. Valideringskörningen ovan används som referensfall för att beräkna effekterna av de förändrade bottentopografierna och kallas fortsättningsvis Fall. Figur 1 visar maxvärdena för bottenskjuvspänningen i inre delen av Bråviken under valideringsperioden till (Fall ). De högsta värdena, omkring.2 N/m 2, uppstår i de grunda områdena på mindre än 6 meters djup längs den norra strandlinjen norr om Esterön, samt längs den södra stranden vid Storudden. Lokalt förekommer bottenskjuvspänningar över.1 N/m 2 mellan Område 3 och 4, samt strax öster om Område 4. Maxvärdena i Figur 1 uppstår i samband med de höga bottenströmmarna den 5:e och 7:e december (se Figur 8). Omräknat till strömhastigheter en meter över botten motsvarar τ b =.5,.1,.15 och.2 N/m 2 ungefär hastigheterna.15,.2,.25 och.3 m/s. Bottenskjuvspänning, maxvärde, τ b (N/m 2 ) Figur 1. Maxvärde på bottenskjuvspänningen (N/m 2 ) i inre delen av Bråviken under perioden till , Fall (nuvarande bottentopografi). 12 SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

19 Figur visar förändringen av bottenskjuvspänningens maxvärde, Δ τ b, jämfört med Fall i Figur 1. Ett positivt (negativt) värde betyder att maxvärdet ökar (minskar) till följd av höjningen av bottennivån. Resultaten i de olika fallen kommenteras nedan. I Fall 1a och 1b (Figur 11-12) sker en viss förhöjning av bottenskjuvspänningen i södra delen av Område 1. I östra delen där bottenskjuvspänningen före tippning var större än i övriga delar sker en minskning med upp till.5 N/m 2. Skillnaderna mellan Fall 1a och 1b är små. Inga effekter av bottenhöjningen kan ses utanför Område 1 i något av fallen. I Fall 2a och 2b (Figur 13-14) sker en förhöjning av bottenskjuvspänningen i mitten av området, medan en minskning sker i den östra delen. I likhet med Område 1 medför bottenhöjningen en utjämning av bottenskjuvspänningen, d.v.s. en ökning sker i områden med låga värden och en minskning sker i områden med högre värden. Skillnaderna mellan Fall 2a och 2b är små. Inga effekter av bottenhöjningen kan ses utanför Område 2 i något av fallen. I Fall 3 (Figur 15) leder förändringen av bottentopografin till att bottenströmmarna omfördelas, vilket ger förändringar utanför tippområdet. För den aktuella perioden betyder det att bottenströmmen försvagas något i östra delen av Område 3 och en bit in i Område 4. Söder om Område 3 förstärks bottenströmmen. Resultatet blir att bottenskjuvspänningen minskar med ca.5 N/m 2 i östra delen av området medan värdena ökar med ca.5 N/m 2 söder om tippområdet. Fall 4 (Figur 16) påverkar också bottenströmmarna utanför området. Bottenskjuvspänningen ökar med ca.5 N/m 2 i den östra delen av området, medan den minskar något i den västra delen. Sammanfattningsvis visar beräkningarna att förändringen av bottenskjuvspänningens maxvärde under perioden till i stort sett hamnar i intervallet.5 till +.5 N/m 2. Det framgår också att höjningen av bottennivån i viss mån utjämnar bottenskjuvspänningen inom respektive tippområde. Störst ökning av bottenskjuvspänningen fås i Fall 3 (söder om Område 3) och i Fall 4. SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 13

20 Höjning av bottennivån (m) Förändring av bottenskjuvspänningen, Δτ b (N/m 2 ) Figur 11. Höjning av bottennivån och förändring av maxvärdet på bottenskjuvspänningen för Fall 1a under perioden till Höjning av bottennivån (m) Förändring av bottenskjuvspänningen, Δτ b (N/m 2 ) Figur 12. Höjning av bottennivån och förändring av maxvärdet på bottenskjuvspänningen för Fall 1b under perioden till SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

21 Höjning av bottennivån (m) Förändring av bottenskjuvspänningen, Δτ b (N/m 2 ) Figur 13. Höjning av bottennivån och förändring av maxvärdet på bottenskjuvspänningen för Fall 2a under perioden till Höjning av bottennivån (m) Förändring av bottenskjuvspänningen, Δτ b (N/m 2 ) Figur 14. Höjning av bottennivån och förändring av maxvärdet på bottenskjuvspänningen för Fall 2b under perioden till SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 15

22 Höjning av bottennivån (m) 1 5 Förändring av bottenskjuvspänningen, Δτ b (N/m 2 ) Figur 15. Höjning av bottennivån och förändring av maxvärdet på bottenskjuvspänningen för Fall 3 under perioden till Höjning av bottennivån (m) Förändring av bottenskjuvspänningen, Δτ b (N/m 2 ) Figur 16. Höjning av bottennivån och förändring av maxvärdet på bottenskjuvspänningen för Fall 4 under perioden till SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

23 Beräkningarna som visas i Figur 1-16 ovan är gjorda för en period med höga, men inte extrema vindhastigheter. För att få en uppfattning av hur det kan se ut under mer extrema förhållanden har modellen körts flera dygn med en konstant vindstyrka på 2 m/s från väst och från öst. Förutom Fall (nuvarande bottentopografi) har simuleringar gjorts i Fall 1b och 2b, vilka antas vara de mest intressanta fallen. Resultaten för västlig vind visar att bottenskjuvspänningen når över.5 N/m 2 i Område 4, medan övriga områden i stort sett hamnar under.2 N/m 2 (Figur 17). Ökningen i Fall 1b och 2b blir liksom tidigare <.5 N/m 2 (Figur 18-19). En omfördelning av strömmarna gör att ökningen av bottenskjuvspänningen i Fall 2b berör ett område väster och söder om Esterön med mindre än 1 meters djup. Motsvarande resultat för ostlig vind visas i Figur Vid kraftig ostlig vind uppstår bottenskjuvspänningar mellan.3 och.4 N/m 2 i de grunda delarna av Område 1 och 2 och i Område 4. Förändringarna i Fall 1b och 2b är av samma storleksordning som tidigare Figur 17. Bottenskjuvspänning (N/m 2 ) vid västlig vind 2 m/s, Fall (nuvarande bottentopografi). SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 17

24 Figur 18. Förändring av bottenskjuvspänningen för Fall 1b vid västlig vind 2 m/s Figur 19. Förändring av bottenskjuvspänningen för Fall 2b vid västlig vind 2 m/s Figur 2. Bottenskjuvspänning (N/m 2 ) vid ostlig vind 2 m/s, Fall (nuvarande bottentopografi) SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

25 Figur 21. Förändring av bottenskjuvspänningen för Fall 1b vid ostlig vind 2 m/s..5 Figur 22. Förändring av bottenskjuvspänningen för Fall 2b vid ostlig vind 2 m/s Vindvågor Beräkningarna ovan tar ingen hänsyn till de oscillerande strömmar och bottenskjuvspänningar som skapas av vågorna. Denna effekt måste därför utvärderas separat. Vågornas bidrag till bottenströmmar och bottenskjuvspänningar har beräknats för extremfallen västlig respektive ostlig vind med 2 m/s. Generellt sett blir vågornas bidrag störst i grunda områden med lång fetch (fri sträcka över vilken vinden kan verka). Rörelsen avtar snabbt med djupet och blir på djup större än 15-2 m bara någon eller några cm/s även under så här extrema vindförhållanden. Vid västlig vind blir vågornas bidrag till bottenskjuvspänningen <.1 N/m 2 över en yta som helt täcker Område 1-4. Vid ostlig blir Område 1 och 2 något mer exponerade, men fortfarande blir bidraget från vågorna <.1 N/m 2 i Område 1-4. Värdena kan jämföras med strömmens bidrag till bottenskjuvspänningen som är ungefär 5 gånger större i de mest utsatta områdena (se Figur 17 och 2). Om djuphålorna i Område 1 och 2 skulle fyllas upp enligt Fall 1b och 2b kan den våggenererade bottenskjuvspänningen förväntas öka med max.5 N/m 2 vid ostlig vind, vilket utgör det värsta fallet. En motsvarande ökning av vågornas bidrag kan antas ske även i Fall 3 och 4. SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 19

26 6 Bedömning av erosionsrisken Resultaten i denna utredning ska betraktas som en indikation på hur starka strömmar och bottenskjuvspänningar som kan uppstå och vilka förändringarna blir då bottennivån höjs. Från resultaten görs här en bedömning av om höjningen av botten ger en så stor ökning av bottenskjuvspänningen att det finns risk för erosion av det tippade materialet. Var gränsen går för erosion av kohesiva material är svårt att avgöra utan noggranna undersökningar av sedimenten och eventuellt erosionsförsök i fält. En uppskattning av den kritiska bottenskjuvspänningen baserad på referensvärden i litteraturen ger intervallet.1-.1 N/m 2 för icke-konsoliderade sediment och.2-1 N/m 2 för konsoliderade sediment (se Bilagan). De sediment som kommer att tippas består enligt uppgift från Norrköpings Hamn av konsoliderad, relativt hård lera och antas vara konsoliderade även efter tippning. Strömberäkningarna visar att bottenskjuvspänningen vid nuvarande bottentopografi och västlig vind på ca 1 m/s är mindre än.1 N/m 2 i Område 1 och 2. På gränsen mellan Område 3 och 4 är värdena högre, upp till.2 N/m 2. Vågornas bidrag till bottenskjuvspänningen kan försummas vid denna vindstyrka. Den uppskattade övre gränsen (.1 N/m 2 ) för erosion av icke-konsoliderade sediment kan således överskridas redan vid nuvarande bottentopografi och vindar omkring 1 m/s. Höjning av bottennivån ger vid vindar omkring 1 m/s en ökning av bottenskjuvspänningen med mindre än.5 N/m 2 i samtliga fall. I Område 1 och 2 kan man inte se någon förändring utanför tippområdena. I Område 3 och 4 sker en omfördelning av strömmen, vilket leder till en förstärkning av bottenströmmen söder om tippområdena. Under extrema vindförhållanden (2 m/s från väst eller öst) blir bottenskjuvspänningen i de grundaste delarna av Område 1 och 2 som mest.4 N/m 2 vid nuvarande bottentopografi (.5 N/m 2 när bidraget från vågorna läggs till). Även i Område 3 och 4 blir bottenskjuvspänningen omkring.4 N/m 2. Höjning av botten i Fall 1b och 2b ger en ökning av bottenskjuvspänningen med max.5 N/m 2 p.g.a. strömmen och ungefär lika mycket p.g.a. vågorna tillsammans ger detta en ökning med upp till.1 N/m 2. Effekten av en bottenhöjning i Område 3 och 4 har inte undersökts för extremvinden men kan med ledning av de tidigare resultaten antas ge en större ökning av bottenskjuvspänningen både i och utanför tippområdena. Sammanfattningsvis blir förändringen av bottenskjuvspänningen inte så stor i något av fallen att det går att göra en säker bedömning av erosionsrisken. Vid uppfyllnad av djuphålorna i Område 1 och 2 (Fall 1a-b och 2a-b) blir dock ökningen av bottenskjuvspänningen så pass liten att den inte bör innebära någon större risk för erosion av det tippade materialet. Påverkan på bottenströmmen utanför Område 1 och 2 kan också antas bli liten så länge material inte tippas på djup mindre än 15 m. I Område 3 och framförallt i Område 4 är bottenströmmen starkare p.g.a. topografin. Här ger en höjningen av bottennivån en omfördelning av bottenströmmarna, vilket kan leda till erosion av icke-konsoliderade sediment utanför områdena. Eventuellt kan en höjning av botten i Område 3 och 4 även påverka ventileringen av djupområden längre in i Bråviken. 2 SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

27 7 Slutsatser Utredningen leder till följande slutsatser: I Område 1 och 2 blir ökningen av bottenskjuvspänningen så pass liten vid höjning av bottennivån att det inte innebär någon större risk för erosion av det tippade materialet. Påverkan på bottenskjuvspänningen utanför Område 1 och 2 blir också liten. Resultaten förutsätter att djuphålor med djup mellan 15 och 2 m fylls upp i första hand och att inga massor läggs på djup mindre än 15 m. Resultatet motsvarar en tippkapacitet på upp till 2 miljoner m 3 i Område 1 respektive upp till 6 miljoner m 3 i Område 2. I dessa siffror bör vägas in att djupen som använts i datormodellen kan avvika från de verkliga djupen med någon meter. I Område 1 kan detta betyda att tippkapaciteten minskar med.5 miljoner m 3 till 1.5 miljoner m 3 och i Område 2 att tippkapaciteten minskar med 1 miljon m 3 till 5 miljoner m 3. I Område 3 och 4 ger en höjningen av bottennivån i den omfattning som studerats här en omfördelning av strömmarna, vilket kan leda till erosion av ickekonsoliderade sediment söder om tippområdena och eventuellt också påverka ventileringen av djupområden längre in i Bråviken. Om det blir aktuellt att lägga muddermassor i Område 3 och 4 behövs kompletterande utredningar av hur ventileringen påverkas. Bedömningen av risken för erosion av muddermassor inom tippområdena är i hög grad beroende av de uppskattningar som gjorts av de kritiska gränserna för erosion. En säkrare bedömning av erosionsrisken i olika områden kräver mer detaljerad information om sedimenten. 8 Referenser Ambjörn, C. & Bergstrand, E.: Utredning om muddertippningsområde i Bråviken. SMHI Rapport, 19 sid., Bengtsson, L., Hellström, T. & Rakoczi, L.: Redistribution of sediments in three Swedish lakes. Hydrobiologia, vol. 92, sid , 199. Bergstrand, E. & Westman, S-E.: Hydrografiska förhållanden i Bråvikenområdet, SMHI PM 23, Handboken Bygg. Del G, Geoteknik, Liber Förlag, Stockholm, Klingberg, F.: Ackumulationsbottnar i Bråviken, SGU Rapport 22:25, 22. Lindahl S.: Erosion av mudderdeponier i Bråviken; Förstudie, SMHI Rapport, 4 sid., 23. Whitehouse, R. m.fl.: Dynamics of estuarine muds: a manual for practical applications. Thomas Telford Publishing, London, 2. Svensson, J., Lindahl, S., Liungman, O., Svensson, U.: Calibration and validation of an Öresund application of the 3-D numerical model Phoenics. SMHI Rapport SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 21

28 9 Bilagor 9.1 Beräkning av bottenskjuvspänningen Nedan beskrivs hur hastigheten i en punkt nära botten räknas om till en bottenskjuvspänning med hjälp av den s.k. logaritmiska vägglagen. Denna metod att räkna ut bottenskjuvspänningen rekommenderas i de flesta handböcker om erosion och sedimenttransport. I ett tunt skikt nära botten kan hastighetens variation med avståndet från botten beskrivas med den logaritmiska vägglagen. Denna relaterar hastigheten, u (m/s), i en punkt på avståndet, z (m), från botten till bottenskjuvspänningen, τ b (N/m 2 ), genom formeln: Formel 1. Logaritmiska vägglagen. u( z) 1 = ln τ / ρ κ b z z där κ är von Kármáns konstant (.4), ρ är vattnets densitet (här 15 kg/m 3 ) och z (m) är råhetslängden (ett mått på bottenytans skrovlighet). I denna undersökning har z satts till.2 mm, vilket är ett representativt värde för lerbotten (Whitehouse m. fl., 2). Med de ovan givna konstanterna fås bottenskjuvspänningen fram direkt ur vägglagen genom att sätta in strömhastigheten på ett visst avstånd från botten och lösa ut τ b. Om t.ex. strömhastigheten är 1 cm/s på avståndet 5 cm från botten blir bottenskjuvspänningen.5 N/m Uppskattning av den kritiska bottenskjuvspänningen Den kritiska bottenskjuvspänningen, τ c, motsvarar det tröskelvärde då materialet inte längre kan stå emot krafterna från det strömmande vattnet utan börjar erodera. För friktionsmaterial som sand är det framförallt kornstorlek, gradering och packningsgrad som bestämmer värdet för begynnande erosion. I det fallet finns det experimentellt framtagna standarddiagram ur vilka den kritiska bottenskjuvspänningen kan uppskattas (t.ex. Hjulströms och Shields diagram). Kohesiva material, vilka innehåller en större eller mindre andel fina partiklar i silt och lerfraktionen (<.6 mm), hålls ihop av elektrokemiska krafter och eroderar som flockar snarare än som enskilda korn. Denna process är betydligt svårare att beskriva och generalisera. Av avgörande betydelse för erosion av kohesiva material är också om materialet har kompakterats av sin egen tyngd (konsoliderat) eller om det nyligen har sedimenterat på botten (icke-konsoliderat). Icke-konsoliderade sediment eroderar betydligt lättare än konsoliderade sediment. Kohesiva sediment kan ha mycket varierande egenskaper beroende på sin sammansättning och miljön i vilken de bildats, vilket gör det svårt att jämföra resultat från olika studier. En jämförelse mellan referensvärden från litteraturen kan ändå ge en uppfattning om i vilket storleksintervall det kritiska värdet bör ligga. Några olika 22 SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken

29 värden har sammanställts som en vägledning i Tabell 4 nedan. Hjulströms diagram är egentligen framtaget för ensartat material av kvartssand men refereras till även när det gäller kohesiva sediment. Den kritiska bottenskjuvspänningen kan enligt Tabell 4 variera mellan.1 och.3 N/m 2 för icke-konsoliderade sediment av lera och silt och mellan.15 och.5 N/m 2 för konsoliderade sediment. För riktigt kompakt lera kan dock det kritiska värdet överstiga 2 N/m 2. Värdena i tabellen kan också jämföras med uppgifter i Whitehouse (2) där kritiska bottenskjuvspänningar från in-situ försök på delvis konsoliderad lera uppges ligga i intervallet.1-.2 N/m 2 och sällan över 1 N/m 2. En rimlig uppskattning av det kritiska värdet för kohesiva sediment som lera kan därför vara.1-.1 N/m 2 för icke-konsoliderade sediment och.2-1 N/m 2 för konsoliderade sediment. Tabell 4. Kritisk bottenskjuvspänning för erosion av kohesiva sediment. Källa τ c (N/m 2 ) Anm. Hjulströms diagram 1 (d<.6.1 Icke-konsoliderad lera och silt mm) Hjulströms diagram 1 (d=.6.5 Konsoliderad silt mm) Bengtsson m.fl. (199).5-.3 Icke-konsoliderat material Kullenberg & Jerlov (1956) Icke-konsoliderat material Kullenberg & Jerlov (1956) 2.15 Konsoliderat material Handboken Bygg del G.5 Lös lera Handboken Bygg del G 2 Kompakt lera 1 Handboken Bygg del G Geoteknik (1984). 2 Beräkning i Ambjörn & Bergstrand (1984). SMHI - Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippområden i Bråviken 23

30 Denna sida är avsiktligt blank

31 Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut NORRKÖPING Tel Fax