Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

Transkript

1 Rapport Nr Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken A Karlsson, J Svensson

2 Pärmbild Karta över Valdemarsviken. Källa: 2

3 Rapport Författare: Uppdragsgivare: Rapportnr: A Karlsson, J Svensson, Länsstyrelsen Östergötland Granskare: Granskningsdatum: Dnr: Version: O Liungman /283/ Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken A Karlsson, J Svensson Uppdragstagare SMHI Norrköping Uppdragsgivare Länsstyrelsen Östergötland Linköping Distribution Länsstyrelsen Östergötland, Magnus Kviele Klassificering (x) Allmän () Affärssekretess Nyckelord Projektansvarig Olof Liungman olof.liungman@smhi.se Kontaktperson Magnus Kviele magnus.kviele@e.lst.se Vattenomsättning, Valdemarsviken, modellering, föroreningstransport Övrigt Jonny Svensson, Thalassos Computations har varit underkonsult till SMHI i detta projekt.

4 Denna sida är avsiktligt blank

5 Innehållsförteckning 1 SAMMANFATTNING BAKGRUND RESULTAT Cirkulationen i Valdemarsviken Modellerade vattenflöden Transport av krom Slutsatser REFERENSER... 8 BILAGOR MODELLVALIDERING Utbytesprocesser Den numeriska modellen, teknisk beskrivning Strömmätningar Valideringsresultat Slutsatser INDATA Väder Vind Tillrinning Havet Is Krom VATTENSTÅNDETS BETYDELSE FÖR UTBYTET I VALDEMARSVIKEN Bakgrund Överslagsberäkningar Effekter på spridningen av föroreningar Slutsatser... 26

6

7 Denna sida är avsiktligt blank

8 1 Sammanfattning SMHI har på uppdrag av Länsstyrelsen i Östergötland satt upp och validerat en cirkulationsmodell för Valdemarsviken. Syftet med vattenomsättningsmodelleringen är att beräkna kromtransporten under mätperioden september 2004-augusti 2005 från Valdemarsvik och vidare utåt i viken genom tre tvärsnitt. I modellen ansätts kromkoncentrationer baserat på mätningar för den aktuella perioden. Cirkulationen i Valdemarsviken styrs till största delen av vinden men även av densitetsgradienter och vattenståndsvariationer. Eftersom mynningen vid Krogsmåla är så grund och trång jämfört med resten av viken så påminner cirkulationen p.g.a. vinden om den i en sjö. Vinden ger upphov till en ytström i vindens riktning som stuvar upp vattnet i lä. Detta kompenseras med en långsammare motriktad ström längre ner. Överlagrat på detta finns en estuarin cirkulation, d.v.s. utflöde av sötare och lättare vatten i ytan och inflöde av saltare och tyngre vatten längre ner. Då och då kan tillfälliga höjningar i språngskiktet utanför viken ge upphov till inströmning av saltare och tyngre vatten längs botten i Krogsmålaströmmen. Vattenståndsvariationer ger upphov till djupoberoende in- och utströmning genom Krogsmålaströmmen. Resultaten av modelleringen visar på stora skillnader i in- och utflöden av vatten i respektive snitt. Snitt 2 precis sydost om Grännäsfjärden är det bredaste och djupaste av snitten och här blir den totala cirkulationen stor. När isen lägger sig på Valdemarsviken avstannar den vinddrivna cirkulationen. Cirkulationen styrs då till största del av färskvattentillförsel och densitetsskillnader och utbytet med havet blir därmed mycket mindre än under isfria perioder. Beräkningsresultaten visar på en nettotransport av krom ut genom Krogsmålaströmmen som varierar mellan kg/vecka; i genomsnitt för den simulerade perioden ca 1 kg/vecka. Det är storleken på bruttoflödena (in- och utflöden av vatten) i kombination med skillnaden i koncentrationen av krom på var sida tröskeln som ger storleken på nettotransporten av krom. Via åarna tillfördes under beräkningsperioden ca 0.35 kg krom/vecka. Skillnaden mellan åtillförseln och nettotransporten ut ur Valdemarsviken (1 kg/vecka) måste därmed härröra från interna källor såsom läckage ur sedimenten. Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 1

9 2 Bakgrund Länsstyrelsen i Östergötland och Valdemarsviks kommun utreder för närvarande förekomsten och spridningen av giftiga föroreningar i Valdemarsvikens vatten och sediment. Provtagningar har visat på att höga föroreningshalter förekommer framför allt utanför Grännäsviken och i inre Valdemarsviken som en följd av tidigare utsläpp av orenat avloppsvatten. Som ett komplement till de undersökningar som genomförs önskar länsstyrelsen genomföra en modellberäkning av vattentransporten från Valdemarsvik och vidare utåt i viken genom tre tvärsnitt under perioden september 2004-augusti Syftet med av Valdemarsviken är att ge en mer detaljerad bild av hur vattenomsättningen varierar under den tid som provtagning görs. Transportberäkningarna används tillsammans med resultaten från vattenprovtagningen för att beräkna föroreningstransporten under mätperioden genom tre snitt i viken (Figur 1). Valdemarsvik N Snitt 1 W E Grännäs Snitt 2 S Lövudden ð Strömmätare AWAC Snitt 3 ð Krogsmåla Kilometers Figur 1. Översiktskarta Valdemarsviken. Snitt1-3 anger var masstransporten av krom beräknats. 2 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

10 3 Resultat 3.1 Cirkulationen i Valdemarsviken De krafter som driver cirkulationen i hav och vikar är vindens friktion mot vattenytan, vattenståndsskillnader samt horisontella skillnader i densitet. Cirkulationen i Valdemarsviken styrs till största delen av vinden. Eftersom viken är orienterad i nordvästlig-sydostlig riktning är det också dessa vindar som kan generera de största transporterna in/ut i Valdemarsviken. I Tabell 1 visas fördelningen av vindar från olika väderstreck för station Valdemarsviken under den 4-årsperiod man gjort mätningar där. Tabellen visar att vindar från nordväst dominerar. Under minst 30 % av tiden förekommer vindar i Valdemarsvikens längdriktning. Tabell 1. Vindstatistik från Valdemarsvik Riktning anger från vilket håll vinden blåser i procent av tiden. Vindriktning N NE E SE S SW W NW % Flödet från åarna Vammarsmålaån och Fifallaån låg i medeltal på 0.5 m 3 /s för den simulerade perioden september 2004 till augusti I Figur 3 visas det sammanslagna veckomedelflödet från åarna. Färskvattentillförseln till viken är uppenbarligen liten. På sin väg ut ur viken river dock detta vatten med sig underliggande, bräckt vatten på grund av vinddriven blandning. Medrivningen gör att det sötare, utflödande ytskiktet växer. I gengäld måste vatten utifrån transporteras in för att ersätta det som blandats upp i åvattnet. Resultatet blir i genomsnitt en s.k. estuarin cirkulation, d.v.s. ett saltare inflöde till viken på djupare nivåer och ett färskare utflöde i ytan. Nettoflödet blir precis lika med tillförseln från åarna. Se även bilaga 5, avsnittet Utbytesprocesser. Vattenståndsskillnader bidrar inte i någon väsentlig grad till vattenutbytet i Valdemarsviken. En typisk vattenståndsförändring i Östersjön utanför Valdemarsviken är ca 20 cm på 10 timmar. Denna nivåförändring medför i stort att ett vattenpaket med en viss mängd krom kommer att transporteras m ut ur Valdemarsviken innan den vattenståndsdrivna strömmen vänder och transporterar samma vattenpaket tillbaka mot Valdemarsviken igen. För utförligare diskussion kring betydelsen av vattenståndsskillnader för vattenutbytet, se bilaga 7. När isen lägger sig på Valdemarsviken innebär detta att den vinddrivna cirkulationen avstannar. Cirkulationen styrs då till största del av färskvattentillförsel och densitetsskillnader och utbytet med havet blir därmed mycket mindre än under isfria perioder. Sammantaget får man följande bild av cirkulationen i Valdemarsviken. Eftersom mynningen vid Krogsmåla är så grund och trång jämfört med resten av viken så Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 3

11 påminner cirkulationen p.g.a. vinden om den i en sjö. Vinden ger upphov till en ytström i vindens riktning som stuvar upp vattnet i lä. Detta kompenseras med en långsammare motriktad ström längre ner. Detta framgår tydligt i en ögonblicksbild från modellsimuleringar med nordvästlig vind (se Figur 2). Som framgår i avsnitt 3.2 dominerar denna interna cirkulation bruttoflödena av vatten. Överlagrat på detta finns en estuarin cirkulation, d.v.s. utflöde av sötare och lättare vatten i ytan och inflöde av saltare och tyngre vatten längre ner. I Figur 2 kan man ana en sådan tvålagersströmning i Krogsmålaströmmen. Då och då kan tillfälliga höjningar i språngskiktet utanför viken ge upphov till inströmning av saltare och tyngre vatten längs botten i Krogsmålaströmmen. Vattenståndsvariationer ger upphov till djupoberoende in- och utströmning genom Krogsmålaströmmen. Figur 2. En modellberäknad ögonblicksbild av strömmen i ett tvärsnitt längs Valdemarsviken. Tidpunkten är i juli 2005 och vinden nordvästlig. Färgerna visar temperaturen och pilarna strömmen. Referenspilen längs ner anger strömhastigheten 0.2 m/s. Mynningen vid Krogsmåla är till höger i bilden. Observera att djupskalan är kraftigt överdriven i förhållande till längdskalan. 3.2 Modellerade vattenflöden Det modellerade bruttoflödet ut genom de tre snitten (Figur 1) redovisas i Figur 3. Resultaten visas som veckomedelvärden uttryckt i m 3 /s. Nettoflödet genom vart och ett av de tre snitten är alltid densamma, dvs. motsvarande tillförd mängd vatten från åarna. Resultaten visar att de största bruttoflödena sker genom snitt 2, strax nordväst om reningsverket. Här är djup och tvärsnitt större än vid de övriga två snitten 1 (Grännäs) och 3 (Krogsmåla) och det vinddrivna flödet därmed större. Figuren nedan visar också att flödena i Valdemarsviken bara delvis samvarierar med tillflödet från åarna samt att färskvattentillflödet är alldeles för lågt för att förklara de stora bruttoflödena genom t.ex. snitt 2. 4 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

12 Bruttotransport (flöde) ut ur Valdemarsviken sep aug 2005 ut Q snitt 1 ut Q snitt 2 ut Q snitt 3 åar m3/s m3/s vecka 0.0 Figur 3. Bruttoflödet (Q) i m 3 /s som veckomedel riktad ut mot havet (negativa värden) för respektive snitt samt det totala tillflödet från Vammarsmålaån och Fifallaån. Observera att skalan för flödet från åarna avläses till höger i figuren. Under hösten - vintern 2004 är de simulerade flödena generellt sett större än under de första åtta månaderna Högre vindhastigheter i och med lågtryckspassager är orsaken. Under veckorna var det islagt i modellen och bruttoflödena gick ner kraftigt. I början på januari när det blev blidväder och friska vindar var det i modellen isfritt och vattenflödena genom snitten blev större igen. I slutet på januari blev det återigen kallt och isen lade sig på Valdemarsviken. I modellen sträcker sig isperioden denna gång från vecka Effekten på flödena genom snitten blir stor. Figur 3 visar att bruttoflödena av vatten gick ner till nivåer som ungefär motsvarar en svag estuarin cirkulation skapad av vattenföringen från åarna. Då isen försvinner ökar vattencirkulationen snabbt igen. 3.3 Transport av krom I modellen ansätts kromkoncentrationer baserat på mätningar, se bilaga 6.6. Ungefär var fjortonde dag läses nya kromvärden in i modellen; vid tidpunkten för varje mättillfälle samt mitt emellan två mättillfällen. Transporten av krom räknas ut i respektive snitt. Modellen omfattar ett vidsträckt område utanför tröskeln och beräknar strömmar, blandning och halter av förorening även utanför tröskeln. Återinströmmande vatten innehåller alltså en av modellen beräknad föroreningshalt. Eftersom tillförseln av föroreningar inte finns med är det dock risk för att halterna i modellen strax innan en ny mätning finns tillgänglig avviker från de verkliga. Om t.ex. cirkulationen innebär att man under en viss tidsperiod har en stor utförsel av föroreningar ur viken, så kommer halterna i modellen sjunka under de riktiga halterna eftersom tillförseln inte finns med i modellen. Hur stort detta fel blir beror på hur stor nettotransporten av föroreningarna, relativt den totala massan av föroreningar i vattnet, är i förhållande till tillförseln. Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 5

13 Nettotransport av krom i Valdemarsviken sep aug 2005 net Cr snitt 1 net Cr snitt 2 net Cr snitt kg/vecka vecka Figur 4. Nettotransport av krom uttryckt som kg per vecka i respektive snitt. Negativ transport anger riktning ut mot havet Transport i snitt 3 - Krogsmåla sep aug 2005 net Q m3/s Cr kg/vecka brutto Q m3/s vecka 0.0 Figur 5. Transport av krom ut ur Valdemarsviken jämfört med netto- och bruttoflöde(q) i snitt 3 (Krogsmåla). Observera att skalan för bruttoflödet avläses till höger i figuren och är en faktor 10 större än skalan till vänster. Minus anger att transporten är riktad ut genom snittet. I Figur 4 visas resultaten från simuleringarna som nettotransport ut genom varje snitt uttryckt i kilogram per vecka. I Figur 5 visas endast transporten genom snitt 3 samt nettoflödet och bruttoflödet ut genom snittet. Denna figur visar att det inte finns något klart samband mellan nettoflödet och transport av krom ut ur viken vilket naturligtvis beror på att även inströmmande vatten innehåller en viss mängd krom. Variationerna i nettotransporten av krom ut ur Valdemarsviken är kopplade till bruttoflödet genom snittet kombinerat med skillnaden i koncentration mellan vattnet innanför respektive utanför tröskeln. 6 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

14 3.4 Slutsatser Beräkningsresultaten visar på en nettotransport av krom ut genom Krogsmålaströmmen som varierar mellan kg /vecka, i genomsnitt för den simulerade perioden ca 1 kg/vecka. Lägst transporter förekommer då det vinddrivna vattenutbytet är litet eller obefintligt, exempelvis då det ligger is på Valdemarsviken eller då en högtryckssituation medför svaga vindar. Eftersom återströmning av krom till Valdemarsviken förekommer genom Krogsmålaströmmen är det storleken på bruttoflödena i kombination med koncentrationen av krom på var sida tröskeln som ger storleken på nettotransporten. I Figur 6 visas uppmätta kromkoncentrationer från 3 m djup i Valdemarsviken och i åarna. Mätningarna har utförts av Valdemarsviks kommun. mg/m3 (ug/l) Uppmätta kromkoncentrationer på 3 m djup samt i åarna Fifallaån Vammarsmålaån S3, inre delen S4, Grännäs fjärd S5, innanför tröskeln S6, utanför tröskeln /9 26/10 24/11-1/12 13/1 17/2 29/3 28/4 26/5 30/6 27/7 månad Figur 6. Uppmätta kromkoncentrationer från mätstationer i Valdemarsviken. Mätdatum för åarna och stationerna kan ibland skilja några dagar. För att få en uppfattning om hur mycket krom som tillförs via åarna jämfört med hur mycket modellen beräknar går ut genom Krogsmåla, kan man göra följande överslagsberäkning. I medeltal var koncentrationen krom i vattnet från åarna 1.1 mg/m 3 (µg/l). Medelflödet i åarna beräknat med SMHI:s PULS-modell var för perioden september 2004 till augusti m 3 /s. Detta innebär att tillförseln av krom till Valdemarsviken i medeltal var 0.35 kg/vecka från Vammarsmålaån och Fifallaån. Modellberäknad nettotransport ut genom Krogsmålaströmmen är i genomsnitt ca1 kg krom per vecka. Enligt ovanstående överslagsberäkningar skulle alltså drygt hälften av det krom som transporteras ut ur Valdemarsviken komma från läckande sediment. Att även åarna bidrar väsentligt till kromtransporterna är tydligt. Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 7

15 4 Referenser 1. Munk, W. H., Anderson, E. R., Notes on a theory of the thermocline. J. Mar. Res., 3, Lindahl, S. Värdering av vattenomsättningen i Valdemarsviken. SMHI Rapport Svensson, J. Översiktlig beräkning av vattenutbytet i Valdemarsviken med hjälp av salthaltsdata. Thalassos Computations. Bilagor 5 Modellvalidering 5.1 Utbytesprocesser Vattenutbytet i Valdemarsviken drivs huvudsakligen av vindstress på vattenytan samt genom strömmar som uppkommer som följd av sötvattentillrinningen i innersta delen av viken. Storskaliga vattenståndsvariationer i Östersjön åstadkommer endast ett mindre vattenutbyte. Vinden kan åstadkomma en ström i den översta metern av vattenmassan på i storleksordning 1 % av vindhastigheten. Samma mängd vatten strömmar tillbaka in/ut i Valdemarsviken på djupare nivåer. En nordvästlig vind på 7 m/s skulle då ge en ström på 0.07 m/s i ett metertjockt ytlager i det omkring 250 m breda tvärsnittet vid Krogsmåla. Vattentransporten blir med dessa förutsättningar av storleksordningen m 3 /s. Ovanstående stycke beskriver den lokala vindeffekten. Man kan också tänka sig att nordvästlig vind över Valdemarsviken pressar upp vatten mot Krogsmåla och ger ett något högre vattenstånd på insidan än på utsidan. Detta skulle då medföra en vattenståndsdriven ström genom den trånga Krogsmålaströmmen, även om den dominerade effekten torde vara en intern cirkulation inne i Valdemarsviken. Vid sydostlig vind kan det motsatta ske. Sötvattentillrinningen genom Fifallaån och Vammarsmålaån är av storleksordningen 1 m 3 /s (under vårflod 2005: 4 m 3 /s). Sötvattnet blandas på sin väg ut ur viken med saltare djupvatten. Vid kommunens mätning av salthalt i månadsskiftet mars-april hade det utgående ytvattnet en salthalt på 5.6 PSU medan djupvattnet hade salthalten 6.8 PSU vid Krogsmåla. En saltbalansberäkning ger då en utström orsakad av sötvattentillskottet på m 3 /s och en inström på m 3 /s. Storskaliga vattenståndsvariationer på 0.13 m under 6 timmar kan förekomma. Med en ungefärlig yta innanför Krogsmåla på m 2 fås en utströmmande vattenmängd på m 3 under 6 timmar vilket ger transporten /(6*3600) = 18 m 3 /s. Det är dock vanligt med flera dygn i följd utan nämnvärd vattenståndsförändring vid Östersjökusten. Sammanfattningsvis kan man konstatera att sötvattentillrinningen som är relativt liten men kontinuerlig är av stor betydelse för vattenutbytet. Vindarna ger ett 8 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

16 betydande vattenutbyte men under vår och sommar kan långa perioder med svaga vindar förekomma. Vattenståndsvariationer ger undantagsvis ett bidrag till vattenutbytet. 5.2 Den numeriska modellen, teknisk beskrivning Beräkning av strömmar och vattenflöden har gjorts med den tredimensionella strömningsmodellen Phoenics. Underlag till Phoenics-beräkningarna är ett beräkningsnät bestående av ett stort antal delvolymer (gridceller) som dels beskriver geometrin för det aktuella området, dels bestämmer noggrannheten i horisontal- och vertikalled. Beskrivningen i tiden bestäms av storleken på det steg med vilket modellen under beräkningens gång avancerar framåt i tiden. I modellen över Valdemarsviken testas tidsstegen 15 minuter och 1 timma. Vid varje tidssteg och i varje delvolym beräknas strömhastigheten till storlek och riktning, salthalt, temperatur och ev. förekommande föroreningskoncentrationer Beräkningsnätet Beräkningsnätet för Valdemarviksstudien omfattar ett område som sträcker sig från Valdemarsvik stad i nordväst till en linje från halvön Kroksö till viken Glo vid Lilla Syltvik. Modellens beräkningsnät i horisontell led är 13x65 celler, se Figur 7. I vertikal led finns 20 stycken beräkningsceller, som har varierande tjocklek. I ytan och vid botten är cellerna 0.1 meter tjocka. Om djupet är 3 m finns är yt- och bottencellen 0.1 m medan alla övriga celler är 0.15 m tjocka. På djupare vatten är de 18 mittersta cellerna tjockare. Modellens djupaste område strax innanför Krogsmåla har satts till 35 m. De 18 mittersta cellerna får där tjockleken 1.9 m. Djupdata till modellen har hämtats från sjökort och från en detaljerad ekolodskartering som utförts av Myrica AB, Värnamo. I både grunda och djupa områden består alltså modellen av 20 celler i djupled. I Tröskelområdet Krogsmåla Grytö finns dock så grunda områden att cellerna skulle bli alltför tunna om 20 celler användes (modellen skulle då få beräkningsproblem). Därför har 10 celler använts i tröskelområdet. För att få djupen 1-2 meter i Krogsmålaströmmen har vissa bottenceller stängts för genomströmning. Nätet innehåller flera stängda celler, där det är land eller grunt. Dessa är markerade genom att vara ofärgade i figuren. Längdsnittet (X=4) i nedersta delen av Figur 7 visar tröskelområdet. Man ser att minst 10 celler är blockerade, på själva tröskeln 15 celler (vid X=4). Vid Grytön är alla 20 celler blockerade. Modellens botten sluttar brant ned mot djuphålan norr om Krogsmåla Drivning Strömningsmodellen drivs av vindens hastighet och riktning, tillflödet av sötvatten samt skiktningen i havet utanför. Vindarna hämtas från SMHI:s mätstation Gustaf Dalén i havsbandet något norr om Valdemarsviken. Vindarna har korrigerats av SMHI:s meteorologer för att anpassas till Valdemarsvikens form och läge i terrängen. Flödet i åarna beräknas av SMHI som då utgår från uppmätta regnmängder i avrinningsområdet. Vattenföring har för tidigare år anpassats till regnmängderna (kalibrerats). För att bekräfta att vattenståndet inte är en viktig faktor för transporten av krom har SMHI vattenståndsmätningar i Marviken, norr om Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 9

17 Arkösund, använts som indata för vissa simuleringar. Vi har antagit att de storskaliga vattenståndsändringarna är desamma vid Marviken som utanför Valdemarsviken. Strömmarna modifieras och bromsas av friktion mot botten. I de grunda områdena har friktionen givits värden som bestämts av om det kan anses att bottnen är stenig, slät, osv. Varje beräkningscell kan i modellen få ett eget friktionsvärde. 10 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

18 Figur 7. Modellens beräkningsnät samt beräknad salthalt, mörkblå=4.5 PSU, röd=6.5 PSU. Nederst ett längdsnitt genom tröskelområdet Grytön-Krogsmåla. Valdemarsvik Krogsmålaströmmen Figur 8. Modellens karta över Valdemarsvikens salthalt och ström. Färgskalan visar ett exempel på beräknad salthalt i början av maj Längst in i viken är salthalten 4.6 PSU (mörkblå färg). Den gula färgen representerar salthalter mellan 5.7 och Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 11

19 6.0 PSU medan röd färg markerar att salthalten är 6.5 till 6.6 PSU. Strömpilar har lagts in i tre snitt. I snittet vid Krogsmåla går en ström utåt i ytvattnet med hastigheten omkring 5 cm/s. Strömmen inåt på djupare vatten (blå pilar) är ungefär lika stark men existerar bara där djupet är störst, på den södra sidan av viken. Nederst i figuren visas ett längdsnitt av Valdemarsviken längs linjen X=4. Grytön och tröskeln vid Krogsmåla syns som ofärgade avbrott i salthaltsfärgskalan. Djupet på tröskeln vid X=4 är endast 2 m. Längre åt sydväst, X=2 finns en passage som är 5 m djup. 5.3 Strömmätningar För att validera och testa modellen gjordes strömmätningar i Krogsmålaströmmen. Vattenhastigheten mättes med en registrerande dopplerströmmätare, som förankrats på botten i den djupaste rännan några hundra meter innanför den absolut grundaste tröskeln. Mätaren registrerade strömmen på 1, 2, 3, 4 och 5 m djup var tionde minut under perioden till Mätaren lades ut så snart isläget tillät för att vi skulle undvika en period med enbart vårväder. Vädret under mätperioden dominerades dock av svaga vindar där vindhastigheten aldrig översteg 9 m/s. En intressant period var 2-3 maj då vinden under natten blåste 9 m/s från 140 grader (in i Valdemarsviken) för att under förmiddagen 3 maj växla till 5 m/s från grader (ut ur Valdemarsviken). Denna period valdes för en mer detaljerad jämförelse Analys av mätresultat Ett framträdande fenomen i strömregistreringen är en svängning mellan ut- och inström med period minuter. Strömvariationen beror på en seiche, en vattenståndssvängning i Valdemarsviken. En gissning är att det finns en nodlinje (en linje där vattenståndet alltid är 0) i vikens mynning och en buk (område där vattenståndet varierar maximalt) i innersta delen av viken. Krogsmåla Valdemarsvik Ålö Figur 9. Schematiskt tvärsnitt genom Valdemarsviken med vattenytans läge vid en seiche markerad. Vattenytan i inre viken varierar från + till medan ytan i mynningen ligger stilla. Medeldjupet i Valdemarsviken antas vara 13 m. Vågens hastighet U är: U 2 =gh där g=9.81 och H är medeldjupet. L är våglängden, T är vågperioden=93*60 sek enligt mätningarna. L/T = U = (gh) ½ =(9.81*13) = 11.3 m/s ; L = T*11.3 = 93*60*11.3 = m 12 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

20 Valdemarsvikens längd utgör ¼ av våglängden, vilket framgår av figuren. Våglängden /4 = 63054/4 = m. Om antagandet att vågen har en nod i vikens mynning är korrekt skall alltså Valdemarsvikens längd från inre delen till Ålö vara omkring 15.5 km. Vid kontroll på sjökortet uppmäts denna sträcka till ungefär 8.5 nm = 8.5*1852 m = m. Transportsträckan fram och tillbaka för vattnet i tröskelområdet är liten i en seiche. Svängningen med 100 minuter har liten betydelse för transporten av föroreningar ut till havet. Före jämförelse med beräknade resultat tas seichesvängningarna bort genom att man filtrerar mätdata. Uppmätt ström 2/5 kl.00-3/5 kl.24 i Krogsmålaströmmen m/s Ofiltrerade Bandpassfiltr. Lågpassfiltr timmar Figur 10. Uppmätt ström vid Krogsmåla. Figur 10 visar att ytströmmen (blå kurva) under natten och morgonen 2 maj var svag. Klockan 09 (efter 9 timmar) blåser det 5 m/s in i Valdemarsviken. Vinden har hämtats från SMHI:s väderstation Gustav Dalén i havsbandet norr om Valdemarsviken. Klockan 18 blåser det från samma riktning 8 m/s. Vindhastigheten ökar till 9 m/s från samma riktning kl. 03 (efter 27 timmar). Variationer i den ökande vinden orsakar egensvängningar (seicher) i Valdemarsviken. Klockan 06 är det nästan lugnt medan vinden kl. 09 (vid Gustav Dalén) vridit till 300 grader och ökat till 5 m/s. Strömregistreringen visar att kl. 06 (efter 30 timmar) uppträder en störning, antagligen vindkantringen, som genererar en ny seiche, vilken sedan dör ut relativt snabbt. Värdena som ligger till grund för röd kurva har filtrerats med ett bandpassfilter som endast släpper igenom svängningar med perioden minuter. Man kan konstatera att vissa av svängningarna har just denna period medan andra t.ex. den högsta toppen, har kortare period. Vilken transport ger dessa strömsvängningar? Hur långt transporteras vattnet innan det vänder åter? En kraftig sådan svängning går från 0.15 m/s till m/s och har perioden ungefär 100 minuter. Låt oss anta att strömmen är lika stark ända ned till botten och ända intill stranden. Låt oss också anta att strömmen inte avtar (breddas) när sundet breddas utan går som en samlas stråle. Strömmen ökar och minskar som en sinuskurva. Om högsta värdet är 0.15 m/s blir medelvärdet under en 50 min lång utströmningsperiod 0.63*0.15=0.095 m/s. På 50 minuter hinner då vattnet gå Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 13

21 0.095*50*60 m = 285 m. För jämförelse kan man konstatera att denna rörelse i nordväst-sydostlig riktning förflyttar vattnet en sträcka motsvarande Kogsmålaströmmens bredd (omkring 300 m). Att ett vattenpaket förflyttas fram och åter en kort sträcka på tröskeln (eng. plug flow ) medför inget eller mycket litet vattenutbyte med havet. Strömsvängningar som har en period på 6 timmar eller mera har betydelse för transporten till havet. Vi filtrerar därför mätdata med ett lågpassfilter där alla strömvariationer med period under 6 timmar försvinner. Perioder på timmar dämpas med en känd faktor, endast en eventuell konstant medelström kommer igenom filtret utan dämpning. Den gula kurvan i figuren representerar den så filtrerade uppmätta strömmen på en meters djup. Dämpningen i filtreringen innebär att vi bör multiplicera värdena med faktorn 1/0.9=1.1. Det blir ändå mycket låga uppmätta strömhastigheter på 1 m djup under de två dygnen. Detta är rimligt då nivån 1 m ligger under den av vinden drivna ytströmmen. Modellen visar 0.15 m/s på 5 cm djup och 0.04 m/s på 1 m djup för vinden 8-9 m/s under natten. m/s Filtrerad ström, Krogsmåla, 12/4-12/ m 3 m 2 m ytnära 1 m dygn Figur 11. Lågpassfiltrerad ström på flera nivåer under perioden De två dygns ström som redovisas i Figur 10 återfinns i denna figur på dygn 21och 22. Filtrerad ström, Krogsmåla 2/5 kl.00-3/5 kl.24 m/s timmar 4 m 3 m 2 m Ytnära 1 m Figur 12. Lågpassfiltrerad ström på flera nivåer under perioden Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

22 Hittills har vi endast diskuterat uppmätt ström vid ytan. Figur 11 och Figur 12 visar strömmen på andra nivåer. Den 3 maj kl. 12 (efter 36 timmar) ser man t.ex. att den vinddrivna utströmmen (vind 5 m/s från NV) från ytan ner till 2 m kompenseras av en inström på 3 och 4 meters nivå. Strömmätaren låg placerad i djupkanalen något norr om den grundaste tröskeln. Tolkningen av registreringen på 5 m nivå är att inströmmande salt, tungt vatten samlas i djupkanalen och att hastigheten ökar på grund av lutningen ner mot större djup. Den uppmätta hastigheten är mycket större än på de övre nivåerna och nästan alltid riktad inåt. Mätningen på 5 m är därmed inte representativ för förhållandena uppe på tröskeln men visar att en ständig inström av salt vatten pågår i ett tunt bottenskikt eller i en djupränna. Vi tror dock inte att hastigheten på tröskeln är av den här redovisade storleken. Filtrerad ström Krogsmåla 2/5 kl.00-3/5 kl. 24 m/s timmar 5 m Figur 13. Strömregistrering från fem meters djup i Krogsmålaströmmen 5.4 Valideringsresultat En modell kan kalibreras genom att flera konstanter i modellen samtidigt varieras för att modellresultatet skall stämma så bra som möjligt med uppmätta parametrar. Vår modell Phoenics är uppbyggd av ett antal komplicerade ekvationer men har inte speciellt många konstanter som bör varieras. T.ex. finns en vindstresskoefficient som kan ändras, men vindens friktion mot vattenytan är väl känd genom experiment och modellstudier i andra sammanhang. Vi använder alltså den allmänt accepterade vindstresskoefficienten i ekvationen för vindstress utan kalibrering: τ = α ρ luft *w 2 där konstanten α ges värdet 0.026, ρ luft =1.3 kg/m 3 och w betecknar vindhastigheten. För strömmen genom ett sund, d.v.s. Krogsmålaströmmen, är bottenfriktionen viktig. Stor bottenfriktion bromsar genomströmningen, liten bottenfriktion genererar för stor genomströmning. Vi har i Krogsmålaströmmen valt en bottenfriktion som styrs av samma ekvation som vindfriktionen men med en konstant = Denna bottenfriktion har tidigare använts i en mängd simuleringar och har inte speciellt anpassats till Valdemarsviken. Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 15

23 Ännu viktigare för strömmen förbi Krogsmåla är den inre friktionen d.v.s. friktionen mellan olika vattenlager. Vi har satt turbulenta friktionskoefficienten till men med värdet i den tunna cellen närmast botten. Dessutom dämpas friktionskoefficienten av densitetsskiktning och ökas av en hastighetsskillnad mellan lagren enligt en formel given av Munk och Anderson (se referens 1). Valet av friktionskoefficient påverkar också skiktningen i den inre, djupare delen av Valdemarsviken Jämförelser med uppmätta värden Den uppmätta strömmen i centrala Krogsmålaströmmen på 1, 2, 3 och 4 m djup jämförs med simuleringarna för perioden 2-3 maj Mätserien och modellresultatet har filtrerats med samma lågpassfilter före denna jämförelse, se avsnittet Strömmätningar. Jämförelseperioden har valts på grund av att vinden under natten 2-3 blåste 9 m/s från 140 grader (in i Valdemarsviken) för att under förmiddagen 3 maj växla till 5 m/s från grader (ut ur Valdemarsviken). Dessa två dagar är de intressantaste under hela mätperioden. Under resten av mätperioden var vinden svag eller riktad tvärs viken. Vi har också för perioden kraftiga vattenståndsvariationer under de två dagarna. Ström vid Krogsmåla 2-3/5 m/s timmar modell 0.95 m mätning 1 m Figur 14. Jämförelse mellan uppmätt och beräknad ström. Modellen lyckas simulera den (för mätperioden) stora inströmmen under kvällen 2/5 väl, samt övergången till den (för mätperioden) relativt kraftiga utströmmen. Varför ger modellen en alltför kraftig inström kl den 3/5, timma 24 till 30 i Figur 14? Vindhastigheten 9 m/s från 140 grader, som uppmättes vid mätstationen Gustaf Dalén är antagligen inte representativ för Valdemarsviken klockan Kom vindvridningen tidigare? Blev vinden aldrig så kraftig i Valdemarsviken? Det finns alltid många frågetecken kring modellens drivkrafter. Det finns också andra typer av förklaringar till avvikelser mellan mätningar och simulering: Modellen ger hastigheten på 0.95 m djup. Det kan synas vara mycket nära mätcellens läge (1 m djup). Emellertid blir vindströmmen snabbt starkare då man närmar sig vattenytan. Modellen ger strömmen 0.08 m/s på 5 cm djup (timma 24 i Figur 14). Dessutom varierar, enligt modellen, strömmen på 1 m djup i sidled så att läget för jämförelsepunkternas position påverkar jämförelsen. (se Figur 15). 16 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

24 Figur 15.Kartbild där beräknad ström vid Krogsmåla (Y=23) på 0.05 m (mörkblåa pilar) och 0.95 m (ljusblåa pilar) har lagts in. Hastighetsskala i m/s. Den svarta pilen pekar mot punkt X=4 där jämförelsen med uppmätt tidsserie gjorts (Figur 14). Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 17

25 Figur 16. Figuren visar vertikalfördelningen av de beräknade strömmarna den 2/5 kl nära den södra stranden, X=2, (överst) mitt på tröskelsektionen X=4 nära strömmätarens position, (mitten) samt en bit från den norra stranden X=7(nederst) där djupet endast är 1.9 m. Den svarta pilen anger en hastighetsskala 0.05 m/s. Ström vid Krogsmåla 2-3/5 m/s timmar modell 2.15 m mätning 2 m Figur 17. Jämförelse mellan uppmätt och beräknad ström. På lite större djup är strömmen svag. Modellen fångar nivån för strömvändningen på 2-3 m djup där den inåtgående ytströmmen övergår till utgående djupström. Figur 18 visar en jämförelse mellan beräknad och uppmätt ström på en nivå där modellen har relativt kraftig returström, alltså en ström som är motriktad ytströmmen. Mätningen visar också en returström men inte lika stark som i modellen. Detta kan bero på att mätningen är gjord på en punkt något innanför tröskeln där djupet är 6.5 m och returströmmen alltså har ett relativt stort tvärsnitt till förfogande. I modellen är 18 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

26 djupet på tröskeln 5 m och samma transport måste då ske i ett mindre tvärsnitt vilket kräver större hastighet. Ström vid Krogsmåla 2-3/5 m/s timmar modell 4.55 m mätning 5 m Figur 18. Jämförelse mellan uppmätt och beräknad ström. Vattenståndsförändringarna under den utvalda perioden 2-3/5 är relativt stora. Till exempel stiger vattenståndet från 30 cm till 23 cm under natten 2-3/5. Vattenståndsförändringen är som störst 1.3 cm per timma vilket medför en transport genom Krogsmålaströmmen på omkring m 3 /timma eller 11 m 3 /s. Därefter sjunker vattenytan igen från 23 cm till 31 cm från kl. 04 3/5 till kl. 09 3/5 som mest med 1.8 cm per timma vilket ger uttransporten 15.6 m 3 /s. Ger då dessa transporter några märkbara strömmar vid Krogsmåla? Eftersom modellens tvärsnitt vid Krogsmåla är 865 m 2 bör transporten 15.6 m 3 /s ge en ström på ungefär 0.02 m/s. Figur 19 visar den beräknade strömmen med enbart från Östersjön genererade vattenståndsförändringar som drivning (gul linje). Figuren visar att den ström som orsakas av dessa vattenståndsförändringar är liten, som högst 2 cm/s, medan den ström som orsakas av andra drivkrafter (vind, flodtillrinning och densitetsskillnader) är en storleksordning större. Vattenståndsdriven ström går i en och samma riktning från ytan till botten medan övriga drivkrafter ger en riktning i ytan och motsatt riktning vid botten. Den vattenståndsdrivna strömmen är så liten att den inte nämnvärt påverkar överensstämmelsen mellan uppmätt och beräknad ström. Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 19

27 m/s Jämförelse vind- och densitetsdriven ström och vstdriven ström timmar 0.05 m djup 4 m djup 0.05 m djup (endast vstdrivning) Figur 19. Jämförelse mellan vind- och densitetsdriven ström och vattenståndsdriven ström. De vattenståndsskillnader som här åsyftas är de långsamma vattenståndsförändringar som genereras inne i Valdemarsviken p.g.a. vattenståndsförändringar i Östersjön. 5.5 Slutsatser Projektet syftar till att beräkna vattentransporten från Valdemarsvik och vidare utåt i viken genom tre tvärsnitt under året september 2004 till augusti Denna verifieringsstudie visar att modellen under en utvald testperiod ger ungefär samma strömmar som de som uppmätts i Krogsmålaströmmen och slutsatsen är därmed att modelluppsättningen är lämpad för att användas till beräkning av transporter under året. Valideringen visar att de koefficienter som valts för Valdemarsviken (vindstress, bottenfriktion, turbulens etc.) ger tillfredsställande modellresultat. En annan slutsats som kan dras är att mätningar under våren ofta ger svaga strömmar (svag vind, liten sötvattentillrinning) och därför skulle mätningar under höst och vinter ha varit bättre för validering av modellen. Projektets tidsram medgav dock inte sådana mätningar. En seiche med relativt kort period upptäcktes i strömmätningarna. Det kan dock konstateras att denna har liten betydelse för vattenutbytet i viken. Endast strömsvängningar med en period på 6 timmar eller mer bedöms vara av betydelse. 6 Indata 6.1 Väder Indata till modellen i form av lufttemperatur, luftfuktighet och molnighet kommer från SMHI:s meteorologiska databas som täcker hela det baltiska avrinningsområdet med en gridstorlek på 1*1 º. Databasen är uppbyggd av data från alla tillgängliga synoptiska stationer. För Valdemarsviken har väder från en gridpunkt några kilometer norr om viken använts. 20 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

28 6.2 Vind Strömningsmodellen drivs bl.a. av vindens hastighet och riktning. Vindarna hämtas från SMHI:s mätstation Gustaf Dalén i havsbandet något norr om Valdemarsviken. Med hjälp av en korrigeringsalgoritm som tagits fram av SMHI:s meteorologer anpassas data till Valdemarsvikens form och läge i terrängen. 6.3 Tillrinning Två lite större vattendrag mynnar i Valdemarsviken; Fifallaån och Vammarsmålaån. Beräkningar av vattenföring i godtycklig punkt har gjorts med HBV-modellen i många år. Metoden, även kallad PULS-beräkningar, används inom recipientkontrollen och beräkningar görs årligen för ca 450 punkter i Sverige. Beräkningarna går till så att modellens parametrar anpassas till en region på så sätt att beräknad vattenföring överensstämmer så bra som möjligt med uppmätt vattenföring vid alla de vattenföringsstationer som finns i regionen. Modellspecifika parametrar är de samma för alla stationerna. Endast area, höjd- och markförhållanden samt viktning av klimatstationer är olika. Detta innebär att modellens beräknade vattenföringsvärden inte alltid överensstämmer så väldigt bra med uppmätta värden för varje station. Å andra sidan är resultatet tillfredsställande sett över en längre period för alla stationerna. Man ser till både flödestopparna och den simulerade mängden vatten (beräknad volym). Med bästa parametrar för varje station för sig skulle resultatet inte gå att använda på en godtycklig punkt. Därefter används samma modellparametrar för att beräkna vattenföringen i punkter där det inte finns några uppmätta värden att verifiera resultatet mot. Grundantagandet är att modellfelet är av samma storleksordning i dessa punkter som vid stationerna. Eftersom flödet i vattendragen kommer från nederbörden, och vi alltid använder de nederbörds- och temperaturstationer som ligger bäst till för varje punkt, anser vi att man härmed fångar de viktigaste variationerna i flödena, både mellan år och mellan årstider. Eftersom vi vet att beräkningar inte görs med bästa parametrar, vill vi inte leverera dygnsvärden, som ger ett intryck av god noggrannhet. Vi levererar vecko- och månadsmedelvärden, men även dessa kan ha relativt stora fel ibland. Det finns dock inget bättre sätt att beräkna på, och resultatet är ändå väldigt mycket bättre än om man skulle använda långtidsmedelvärden. Om beräkningar görs för små vattendrag som dessa (särksilt Fifallaån), eller områden som har långt avstånd till nederbördsstation, blir osäkerheten i beräkningarna större. Lokala nederbördsvariationer, som inte fångas vid våra stationer, får större genomslag i små områden. I små områden kan dessutom risken vara större att grundvattendelaren inte sammanfaller med ytvattendelaren. Dessa omständigheter är viktigt att känna till när man ser till resultaten. En annan felkälla är naturligtvis om beräkningar görs så tidigt att indata inte är granskade och rättade. Nederbörds- och temperaturdata rättas i två steg. Första Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 21

29 rättningen är klar omkring den 20 i månaden efter. Om man gör beräkningarna före detta datum, kan man råka ut för att beräkningar görs med felaktiga nederbörds- eller temperaturdata. En andra rättning av knepigare fel görs, men det tar 3-4 månader innan detta är klart. Dessutom bör de vattenföringsdata som modellen verifieras mot vara granskade, men detta tar ofta många månader och kan inte alltid inväntas. När de gäller de data som använts för modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken är Q-data ogranskade så modellen har inte kunnat kalibreras in för år 2005, år 2004 är kalibrerat. SMHI har dock jämfört observationerna mot modellkörningen och kontrollerat att inga orimligheter förekommer. Det finns bara sju nederbördsstationer som bidrar till modellkörningen och ingen av dem ligger speciellt nära de två beräkningspunkterna. Nederbörden är således inte speciellt representativ. 6.4 Havet Som randvärden till modellen används de salt- och temperaturmätningar från Ålesundet som genomförs varannan månad. För att förbättra modellen förutsättningar har dessa data interpolerats till månadsvärden så att nya värden kan läsas in varje månad istället för varannan. Under natten mellan den 8 och 9 januari drabbade stormen Gudrun Valdemarsviken. Vinden blåste först från sydsydväst m/s och vred den 8/1 kl 21 till väst och ökade till m/s. Den 9/1 klockan 12 hade vinden avtagit till m/s och fortsatte att blåsa med ungefär samma styrka och riktning hela dagen. En så kraftig och långvarig vind från syd och väst får till följd att Östersjöns ytvatten transporteras österut och ersätts vid den svenska kusten av vatten underifrån. I kustbandet får man alltså vatten som normalt ligger på m djup. Detta vatten har en salthalt på omkring 10 psu vilket är mycket högt jämfört med den vanliga ytsalthalten 6-7 psu. Ytvattnet har då extremt hög densitet. När vinden upphör skulle man tro att det vanliga ytvattnet återvänder från havet på några timmar. Så är det dock inte. Återströmmarna västerut i ytvattnet och österut i lagret under påverkas av jordrotationen (Corioliskraften) och återströmningen omvandlas till en kelvinvåg, en våg i språngskiktet med vågtopp (salt djupvatten) vid svenska kusten och vågdal (tjockt lager av ytvatten) vid den Baltiska kusten. Denna våg i språngskiktet går runt Östersjön med en period på många veckor. Det tar alltså veckor för vågtoppen (det extremt salta vattnet) att försvinna från svenska kusten. Eftersom vi inte har några observationer från Ålösundet under perioden strax efter stormen och eftersom det är troligt att stormens verkningar på kustens vattenmassor orsakade ett kraftigt vattenutbyte i Valdemarsviken har vi använt en antagen, hög salthalt (9.9 psu) i Ålösundet under perioden 9/1-16/1. Salthaltens värde hämtades från normala salthalter vid Östersjöns språngskikt, medan varaktigheten 1 vecka bestämdes utifrån kunskap om kelvinvågens beteende. Vattenståndsdata från Marviken används för att beskriva vattenståndsvariationer utanför Valdemarsviken. Dessa data har bearbetats något och ett sextimmars glidande medelvärde används i modellsimuleringarna (se bilaga 5 Modellvalidering). 22 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken

30 6.5 Is Under den aktuella perioden förekom det att is låg på Valdemarsviken. Enligt uppgifter från kommunen och lokala fiskare låg isen under två perioder. Uppgifterna är dock något vaga vad gäller exakta datum för isläggning och islossning samt vilken utbredning isen har haft. Efter att ha granskat lufttemperaturen och vindar i området tillsammans med de uppgifter som framkommit har vi valt att i vår modell lägga in två perioder där Valdemarsviken är helt täckt med is; till resp till Vad som händer när Valdemarsviken täcks med is är att framför allt den vinddrivna cirkulationen avstannar. I modellen sker detta genom att vindens friktion mot ytan sätts till noll under de två isperioderna. 6.6 Krom Cirkulationsmodellen för Valdemarsviken beräknar även koncentrationsfördelningen av föroreningen krom. Kromhalten har uppmätts i tre vertikaler inne i Valdemarsviken; S3-5. Mätningarna har utförts varje månad men med några dagars förskjutning fram och åter. Mätdjupen är olika för de tre vertikalerna; i inre delen av viken mäts på djupen 3, 5, och 8 meters djup. Den djupa mellanstationen har mätdjupen 3, 16 och 18 meter. Vid stationen nära tröskeln mäts på 3, 12 och 14 meters djup. Data har interpolerats för varje station till 3, 5, 8, 12, 14, 16 och 18 m. För den innersta stationen har värdet på 8 m använts för alla större djup. Även stationen innanför tröskeln har behandlats på detta sätt. Vid ett tillfälle är den uppmätta halten krom exceptionellt hög på mätdjupet närmast botten. Den 17/2 mäts halten 9.1 µg/l (eller 9.1 mg/m 3 ) på 18 m djup på den djupaste stationen. Möjligtvis kan det höga värdet bero på att bottenslam kommit med i vattenprovet. Vi har därför korrigerat ned detta höga värde. Modellen läser in uppmätta värden för de tre provtagningsstationerna samma dag som provtagningstillfället samt ca 14 dagar efter. Samma mätvärde används alltså två gånger för att förse modellen med krom. Modellen interpolerar mätvärdena i djupoch längsled till beräkningscellerna längs vikens mitt. Därefter tilldelas varje cell tvärs viken ett värde för sitt djup från cellen på vikens mittlinje. 7 Vattenståndets betydelse för utbytet i Valdemarsviken De krafter som driver cirkulationen i hav och vikar är vindens friktion mot vattenytan, vattenståndsskillnader (s.k. barotrop drivning) samt skillnader i densitet (s.k. baroklin drivning). Vår bedömning är att vattenståndsskillnader inte i någon väsentlig grad bidrar till vattenutbytet i Valdemarsviken. Vi grundar vår uppfattning på erfarenhet från andra vikar och på överslagsberäkningar för Valdemarsviken. Därför har vattenstånd inte inkluderats som en drivande faktor i den modell som använts. För att kontrollera detta antagande har modellen körts för en kortare period med bara vattenstånd som drivning (se bilaga 5 Modellvalidering). Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken 23

31 7.1 Bakgrund Vattenståndsskillnader kan uppstå av olika orsaker. I de flesta hav dominerar tidvattnet, vilket är en effekt av månens dragningskraft. I Östersjön är däremot tidvattnet helt försumbart, och istället är det atmosfärstrycket samt storskaliga vågrörelser som kan ge upphov till vattenståndsförändringar. Om vattenståndet går upp i havet utanför en vik så uppstår en vattenståndsskillnad mellan havet utanför vattnet inne i viken. Resultatet blir en tryckskillnad som driver vatten in i viken tills nivåerna innanför och utanför viken är desamma igen. Det förekommer vikar i Östersjön där vattenutbytet till stor del styrs av vattenståndsförändringar. Sådana vikar har stor vattenyta jämfört med sin volym och sin tröskelarea, d.v.s. det blir höga strömhastigheter i mynningsområdet när nivån inne i vikarna strävar att följa vattenståndsförändringarna utanför. Det rör sig alltså om grunda, vidsträckta vikar med trång mynning, t.ex. Licknevarpsfjärden innanför Kvädö eller Kattedalsfjärden söder om Krogsmålaströmmen. Det finns också vikar där vattenståndsdrivningens del av vattenutbytet är jämförbar med t.ex. drivningen p.g.a. vinden eller densitetsskillnader. Är Valdemarsviken ett sådant gränsfall? Örserumsviken där SMHI tidigare beräknat vattenomsättningen bedömdes vara ett gränsfall, med stor vattenyta jämfört med vikens volym men med relativt stort mynningstvärsnitt. Simuleringar visade att det beräknade vattenutbytet då man inkluderar vattenståndsskillnader var obetydligt större än vattenutbytet beräknat utan hänsyn till vattenståndsvariationer. 7.2 Överslagsberäkningar Nedan följer en överslagsberäkning avseende det vattenståndsdrivna utbytet genom Krogsmålaströmmen. Pegeln i Marviken visar (för perioden 1/ /4 2005) att en typisk vattenståndsförändring i Östersjön är 20 cm på 10 timmar, d.v.s. i snitt 2 cm per timma. Sådana variationer förekommer flera gånger per månad och är förmodligen kopplade till passager av vädersystem. En vattenståndssänkning på 20 cm (0,2 m) under 10 timmar inne i Valdemarsviken medför att en vattenmängd av storleksordningen 0,2*8000*500 m 3 = m 3 (där vikens längd antas vara ca 8 km och dess medelbredd ca 500 m) kommer att transporteras ut genom mynningen under dessa 10 timmar. Denna volym strömmar ut på 10*3600 s, vilket ger 22 m 3 /s. Minsta tvärsnittsarean på tröskeln i mynningssektionen är ca 640 m 2 och en typisk tvärsnittsarea inne i viken ca 600*20 m 2 = m 2. Den genomsnittliga strömhastigheten i en sektion inne i Valdemarsviken blir då mindre än 22/12000 m/s = m/s. Den genomsnittliga strömhastigheten i Krogsmålaströmmen där tvärsnittsarean är som minst blir 22/640 m/s = m/s. Vindströmmen i ytlagret är av storleksordningen 1% av vindhastigheten. Om det blåser 5 m/s då vattenståndsökningen sker kommer den vinddrivna strömhastigheten vara ca 0.05 m/s. 24 Nr SMHI - Modellering av vattenomsättning i Valdemarsviken