Förutsättningar för muddertippning i Bråviken

Transkript

1 Lasse Johansson, Anna Edman och Walter Gyllenram RAPPORT NR Förutsättningar för muddertippning i Bråviken

2 Pärmbild. Bilden föreställer Cumulonimbus-moln över Bråviken.

3 RAPPORT NR Författare: Uppdragsgivare: L. Johansson, A. Edman W. Gyllenram Ramböll Sverige AB Granskningsdatum: Granskare: Dnr: Version: Signild Nerheim 2016/1911/9.5 4 Förutsättningar för muddertippning i Bråviken Uppdragstagare SMHI Norrköping Uppdragsgivare Ramböll Sverige AB Box GÖTEBORG Projektansvarig Anna Edman anna.edman@smhi.se Kontaktperson Håkan Lindved hakan.lindved@ramboll.se Distribution Ramböll, Håkan Lindved Ramböll, Therese Stark Klassificering ( ) Allmän (x) Affärssekretess Nyckelord Bråviken, erosion, tippning, muddring, Delft Övrigt Rapportversion: Beskrivning: Granskning: Slutversion efter kommentarer från Ramböll Skickad till Ramböll 10 april 28 mars 2017

4 Denna sida är avsiktligt blank

5 Innehållsförteckning 1 SAMMANFATTNING BAKGRUND METODIK Tidigare material Delft3D Hydrodynamisk modell för Bråviken STUDIER AV RAPPORTER, TILLSTÅNDSANSÖKAN M.M Ökat bottendjup från 2011 till SGU:s tidigare bottenundersökningar Tidigare tippade volymer Uppgifter från Ramböll SMHI Slutsatser av ovanstående: tidigare rapporter m.m ANALYS AV DJUPMÄTNINGAR MED EKOLOD ANALYS AV BOTTENSTRÖMMARNA Kritisk bottenskjuvspänning Exempel svag bottenskjuvspänning Exempel: låg skjuvspänning Exempel: måttlig skjuvspänning Exempel: hög skjuvspänning Varaktigheten i de tre tippområdena Tolkning Ändring av skjuvspänningen efter muddertippning Nordöstra tippområdet fyllt till 14 m Nordöstra tippområdet fyllt till 15 m Nordvästra tippområdet fyllt till 15 m Nordvästra tippområdets södra del fyllt till 15 m Södra tippområdet fyllt till 18,5 m Sammanfattning av förändringarna av varaktigheten för τ>0,25 Pa REFERENSER BILAGOR Uppsättning och validering av strömningsmodellen En anmärkning om korrelationskoefficienten Påverkan på bottnen från vågor Kritiska bottenskjuvspänningar... 33

6 Denna sida är avsiktligt blank

7

8 1 Sammanfattning Från maj 2010 till maj 2011 tippades mudder i två områden i inre Bråviken, nordost och nordväst om Esterön. Genom analys av djupmätningar 2011 och 2016 och jämförelse med andra uppgifter visar vi att den djupökning som skett under perioden huvudsakligen beror på att det tippade muddret sjunkit ihop och inte att det eroderats och förts bort. Med hjälp av en beräkningsmodell har vi beräknat den kraft som vattnet utövar mot bottnen, den så kallade bottenskjuvspänningen. Bottenskjuvspänningen beror på djupet och strömstyrkan på botten, vilken för Bråvikens del huvudsakligen drivs av vinden. Om den överstiger ett visst kritiskt värde så eroderas bottnen. Vi har tagit fram ett antal kartor som visar hur många timmar per år som bottenskjuvspänningen överstiger olika värden. Ett problem är att bottenmaterialets känslighet för skjuvspänning är okänd. Vi vet alltså inte vid vilken skjuvspänning som materialet börjar eroderas och föras bort av strömmen. De värden som man kan finna i litteraturen varierar starkt, från under 0,1 pascal (Pa) till upp mot 1 Pa. Genom att jämföra bottenskjuvspänning med tidigare provtagningar av ackumulation och erosion (eller frånvaro av sedimentation) har vi funnit en nivå på bottenskjuvspänningen, 0,25 Pa som sannolikt ligger under det kritiska värdet. Vi studerar hur varaktigheten för bottenskjuvspänningen 0,25 Pa ändras vid tippning på olika ställen och till olika nya bottennivåer: till 15 meters djup i nordvästra och nordöstra tippområdena, till 18,5 meters djup i de södra områdena och till 14 meters djup i det nordöstra. Förändringarna av bottendjupet enligt ovan ger små förändringar av bottenklimatet med avseende på skjuvspänning. Vår bedömning är att de inte kommer att påverka erosionsförhållandena i Bråviken. De analyser som ligger till grund för att definiera en nivå på bottenskjuvspänningen som 0,25 Pa, bygger på mätningar av ackumulation och erosion och är alltså giltiga för de massor som funnits på mätplatserna. För de massor som dumpats i farledsprojektet är SMHI:s slutsats att dessa huvudsakligen sjunkit ihop. Det enda ställe i inre Bråviken där vi med säkerhet kan se erosion är i djuphålan nordöst om Esterön. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 1

9 Vad är bottenskjuvspänning? Vattnet strömmar längs bottnen. Bottnen bromsar då vattnet med en kraft riktad mot vattnets rörelseriktning, en friktionskraft. Bottnen utsätts för samma kraft från vattnet men med motsatt riktning. Denna kraft, räknad per kvadratmeter, är bottenskjuvspänningen. Orsaken till att kraften uppstår är att det blir friktion mellan vattnet och bottenmaterialet. Vattenpartiklarna kan, så att säga, gripa tag i ojämnheter i materialet. Om det är grovt, som exempelvis grus, finner vattnet många och stora håligheter att häfta i. Bottenskjuvspänningen blir stor. Lera däremot, som består av partiklar som bara är en bråkdel av en millimeter stora, erbjuder bara små håligheter för vattenpartiklarna att tränga ner i och bromsas. Bottenskjuvspänningen blir då liten. Bottenskjuvspänningen ökar med strömmens styrka (vattenhastigheten) och med bottnens råhet (grovhet, ojämnhet). Vad som händer med bottnen beror dels på bottenskjuvspänningen och dels på vilket material bottnen består av. I en fors till exempel är bottenskjuvspänningen mycket hög. Där finns inget fint material alls kvar utan bottnen består bara av stenar och block, alltså de minsta partiklar som, genom sin tyngd, kan motstå bottenskjuvspänningen och inte bli bortspolade. I en å är strömmen svagare och dess botten kan bestå av sand eller ännu finkornigare material som gyttja eller lera. Den gräns vid vilken bottenmaterialet med sin tyngd inte längre kan stå emot den eroderande kraften, bottenskjuvspänningen, kallas den kritiska bottenskjuvspänningen. För att få en känsla för hur starka de skjuvspänningar som vi studerar är, kan man tänka på följande: Om man begjuter en yta med ett 0,1 millimeter tjockt vattenskikt påverkas ytan av ett tryck, en kraft per ytenhet, av 1 pascal = 1 newton per kvadratmeter. Detta är alltså ett ytterst litet tryck. Samma kraft per ytenhet, fast riktad åt sidan istället, är då skjuvspänningen 1 pascal. Senare i texten används 0,25 Pascal som en gräns för bottenskjuvspänningen. Det motsvarar ett vattenskikt på 0,025 mm. Skjuvspänning betecknas med den grekiska bokstaven τ i denna rapport. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 2

10 2 Bakgrund Norrköpings Hamn och Stuveri planerar att söka tillstånd för vattenverksamhet hos Mark- och miljödomstolen för utbyggnad av Pampusterminalen på Händelö i inre delarna av Bråviken. I samband med utbyggnaden uppkommer behov av muddring och tippning av muddermassor vilket kräver en dispens enligt 15 kap miljöbalken. Som underlag för dispensansökan har Ramböll Sverige AB gett SMHI i uppdrag att utreda strömförhållanden vid bottnarna i de inre delarna av Bråviken, dels vid tidigare använda dumpningsplatser nordväst och nordost om Esterön, dels vid ett område sydost om Esterön, se Figur 1. SMHI har tidigare genomfört utredningar av bottenströmmar och erosion i området inför Sjöfartsverkets och Norrköpings kommuns muddring av farleden in till Norrköpings hamn (SMHI 2005 och SMHI 2007). Sedan 2011, då den senaste tippningen av muddermassor gjordes, har det skett en volymminskning av bottenmaterialet på tippningsplatserna. Orsakerna till varför volymminskningen skett, om det beror på erosion, hopsjunkning eller båda, har analyserats i det nu aktuella arbetet. Figur 1. De grönmarkerade områdena visar de aktuella tippningsområdena. Källa: Ramböll. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 3

11 3 Metodik Arbetet har delats upp i tre steg: 1. En kunskapssammanställning har genomförts utgående från material som tagits fram inför och i samband med senaste muddring av farleden in till Norrköpings hamn, vilken genomfördes Kunskapssammanställningen utgör underlag för att utreda vad som kan ha hänt på tippningsplatserna sedan senaste tippning av muddermassor skett. En volymminskning i bottenmaterialet har skett på tippningsplatserna. Varför? Detta behöver utredas närmare innan man kan avgöra vilka platser som är lämpligast för framtida tippning. 2. En hydrodynamisk modell för de inre delarna av Bråviken har satts upp. Med hjälp av modellen har strömmarnas kraft på bottenmaterialet, bottenskjuvspänningen, simulerats vid tippningsplatserna. Simuleringarna visar under hur lång tid per år som bottenskjuvspänningen överstiger olika värden. Eftersom bottenmaterialets känslighet för bottenskjuvspänningen är okänd, har resultat för fyra olika skjuvspänningsvärden tagits fram. 3. Slutligen har strömkrafterna efter ny tippning simulerats vid fem potentiella tippningsalternativ vilka tagit fram i samråd med Ramböll och Norrköpings hamn: i. Hela nordvästra tippområdet fyllt upp till 15 m djup ii. Södra delen av nordvästra tippområdet fyllt upp till 15 m djup iii. Hela nordöstra tippområdet fyllt till 15 m djup iv. Hela nordöstra tippområdet fyllt till 14 m djup v. Hela sydöstra tippområdet fyllt till 18.5 m djup 3.1 Tidigare material Det underlag som ingått i studien är i huvudsak: Sjöfartsverkets och Norrköpings kommuns ansökan, samt bilagor och kompletteringar, till Miljödomstolen, Växjö tingsrätt, för tillstånd enligt miljöbalken till breddning och fördjupning av den allmänna farleden in till Norrköpings hamn mm. Ansökan inlämnades 2007 och arbetena utfördes Djupmätningar på tippningsplatserna med hjälp av ekolod utförda av Marin miljöanalys AB (MMA) före tippning (2006), av muddringsbolaget van Oord efter tippning (2011) samt av MMA inför den nu aktuella tippningen (2016). Sveriges geologiska undersökningars (SGU:s) kartläggning av ackumulationsbottnar i Bråviken 2002 och Muddringsentreprenören Van Oords slutrapport till Sjöfartsverket efter avslutad muddring och tippning. Slutrapport Muddring av Norrköping Hamn. Marin miljöanalys AB:s utvidgade bottenundersökning från 2016 då muddertipparna norr om Esterön undersöktes med hjälp av bottenpenetrerande ekolodning samt sedimentprovtagning. SMHI:s utredningar från 2003, 2005 och 2007 av bottenströmmar och erosion i området inför Sjöfartsverkets och Norrköpings kommuns muddring av farleden in till Norrköpings hamn. 3.2 Delft3D Hydrodynamisk modell för Bråviken En hydrodynamisk modell för Bråviken har skapats med hjälp av modellverktyget Delft3D ( Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 4

12 Beräkningsmodellen är tredimensionell vilket är nödvändigt eftersom strömningen i området varierar i djupled. Modellen kan exempelvis även användas för att simulera spridning av sediment och grumlighet i vattnet till följd av muddring och tippning. I modellen delas vattenområdet upp i ett rutnät. Nätet delar upp Bråviken horisontellt och vertikalt. Det är mer högupplöst i de mest intressanta delarna av Bråviken med avseende på tippning. Runt Esterön har modellen en upplösning på några tiotal meter horisontellt. Vertikalt är djupet indelat i 20 beräkningsnivåer. Närmast ytan och botten ligger nivåerna tätare. Modellområdet och beräkningsnätet visas i Figur 2. I Figur 3 redovisas det högupplösta studerade områdena kring Esterön. Strömningen nära botten i inre Bråviken drivs främst av vinden. Vattenståndet i Östersjön och utflödet ur Motala Ström har marginell inverkan på bottenströmmen. Mer information om modelluppsättning, drivdata och validering ges i bilaga 8.1 Vindvågorna i området har så kort våglängd att den rörelse de orsakar på bottnen nästan helt avtagit på de djup som är aktuella för tippning, 14 meter och mer, se vidare bilaga 8.2. Figur 2. Modellområdet och beräkningsnätet. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 5

13 Figur 3. Här ser vi det högupplösta nätet kring Esterön. De finaste maskorna är ca 20x20 m. 4 Studier av rapporter, tillståndsansökan m.m. 4.1 Ökat bottendjup från 2011 till 2016 Van Oord mätte djupet efter avslutad tippning 2011 (Van Oord 2011). MMA mätte djupet under våren 2016 och kom fram till att djupet ökat inom tippområdena (MMA 2016a). Djupökningen motsvarade volymer på kubikmeter för nordvästra tippen och för den nordöstra Om dessa volymer fördelades jämnt över respektive tippområdes yta, respektive kvadratmeter 1, skulle det innebära djupökningar på 20 respektive 30 centimeter. Genom att studera mönstret som de tippade mängderna bildar i Figur 5 och Figur 7 ser vi att de inte täcker hela respektive tippområde. Om man skattar att 1/5 respektive 1/3 av bottenarealen ökat i djup, blir djupökningarna i stället runt en meter i vartdera området. Siffrorna är bara skattningar med syfte att få fram storleksordningar. Djupet kan öka av två anledningar; antingen för att muddret sjunker ihop, konsolideras, eller för att muddret förs bort av tillräckligt stark bottenström, eroderas. En kombination av dessa är också möjlig. 4.2 SGU:s tidigare bottenundersökningar SGU tog ett antal bottenprov i inre Bråviken 2001 och kom genom radioaktiv datering fram till sedimentationstakten på tre lokaler, (SGU 2002, figur 17). Sedimentationstakten är millimeter per år, baserat på medelvärden över de 15 åren Det betyder att djupförändringar (-minskningar) till följd av sedimentation borde vara mätbar på 5-10 år. Uppgiften har kontrollerats ytterligare genom telefonsamtal med SGU/Johan Nyberg som, utan 1 medelvärde av respektive yta 2011 och Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 6

14 att direkt kunna kommentera rapporten från 2002, bekräftar att värden på runt en centimeter per år är rimlig för denna typ av lokal. SGU levererade senare ett komplement (SGU 2007) till sin tidigare rapport där man kommenterar en djuphåla i de östraste delen i den nordvästra tipplatsen. Djuphålan når ned till ca 25 m vattendjup.. SGU ger följande tolkning: Djuphålan och området öster om hålls rent av strömmar, så att ingen sedimentation sker på den glaciala leran, som därför ligger i bottenytan. Väster om djuphålan råder ackumulation beroende på försvagade strömmar. Även öster om den glaciala leran finns ackumulationsbottnar. Bärigheten i djuphålan och öster därom (några hundra meter) torde vara relativ god, beroende på närheten till berg under den glaciala leran. Den glaciala leran är eroderad och är därför sannolikt något överkonsoliderad, vilket också ökat bärigheten något. 4.3 Tidigare tippade volymer I Van Oords rapport (Van Oord, 2011) efter muddringsarbetena anges tippade volymer till kubikmeter i område ett dvs. nordvästra området, och i område två, nordöstra området. Av detta är kubikmeter sten från sprängt berg, dvs. knappt 5 % av volymen. I utrustningslistan redovisas ett hinkmudderverk, grävmaskiner och ett par andra, TSHD, vilket är en sorts sugmudderverk. I en komplettering till ansökan (Vinge 2007) skriver man För att skatta djupökningen då muddret sätter sig, kommer vi att anta att det sjunkit ihop lika mycket som det svällde vid muddring/tippning, alltså %. Vi bortser från andelen sten i materialet eftersom den bara är 5 % av volymen. 4.4 Uppgifter från Ramböll Muddringsexpertis hos Ramböll anger att vatteninnehållet i sugmuddrat material kan vara upp till 70 %, vilket ger motsvarande svällningsgrad. Enligt muntliga källor till Ramböll från Sjöfartsverket (B. Skoog) har sugmuddrat material (i okända mängder) främst tippats i det nordöstra området. För att kunna översätta våra simulerade värdena på bottenskjuvning till mängd eroderat eller ackumulerat material, måste bottenmaterialets de tippade mängdernas egenskaper vara kända. Efter samtal med Ramböll har vi fått veta att mätningar av dessa egenskaper inte gjorts. Sådana mätningar bör ske in situ dvs. med mätutrustning placerad på bottnen. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 7

15 4.5 SMHI SMHI utförde en förstudie 2003 och kom fram till att bottenskjuvspänningar nära gränsen för erosion av okonsoliderat (lätteroderat) sediment skulle kunna uppstå i de då aktuella tippområdena, däribland de nu ianspråktagna nordöstra och nordvästra områdena. SMHI gjorde sedan en detaljstudie av strömmarna (SMHI 2005), dels genom mätningar av bottenströmmen på ett par ställen, dels med hjälp av en strömsimulering. SMHI bedömde erosionsrisken Om kritiska värdet för erosion antas ligga i mitten av detta intervall [0,2-1 Pa] blir bedömningen att tippning i Område 1 och 2 inte innebär någon större risk för erosion av det tippade materialet. Förutsättningen var alltså att bottnarna innan tippning var ackumulationsbottnar och bedömningen blev att förändringen av strömmarna till följd av tippning inte skulle öka skjuvspänningen nämnvärt, utan bottnarna skulle fortsatt vara av ackumulationstyp. SMHI gjorde en tilläggsstudie (SMHI 2007) och bedömde i den erosionsrisken som låg. Man sammanfattade Det finns med andra ord ingen större risk för erosion av de tippade muddermassorna ifall de kan betraktas som konsoliderade efter tippning. I brist på mätningar av den kritiska bottenskjuvspänningen måste vi nöja oss med värden ur litteraturen. Sådana värden togs fram i samband med SMHI:s tidigare uppdrag (SMHI ). De återges i Figur 28 i bilagan 8.2. I korthet ger källorna kritisk bottenskjuvspänning för konsoliderat material på 0,15 till 0,5 Pa eller ända upp till 2 Pa för fast lera. Det är alltså ett stort spann i värdena. Vi kommer därför att välja några olika värden på skjuvspänning, i den lägre änden av intervallet för att få försiktiga (konservativa) skattningar. Våra resultat kommer bland annat att anges i termer av förändringen av bottenskjuvspänningen till följd av tippning av muddermassor. Om då förändringen är liten jämfört med värdet av skjuvspänningen är den rimliga slutsatsen att en eventuell erosion eller ackumulation inte kommer att påverkas eller påverkas i liten, i praktiken omätbar, utsträckning. 4.6 Slutsatser av ovanstående: tidigare rapporter m.m. Mätningar visar att bottendjupet ökat under åren från 2011 till 2016 med upp till en meter, Figur 6 och Figur 8, i delar av nordöstra och nordvästra tippområdet. SGU konstaterade 2002 en sedimentationstakt på 1-2 cm/år på tre lokaler i inre Bråviken. Det innebär att vid de förhållanden som förekommit sker främst ackumulation på de undersökta platserna. Senare kompletterade SGU med att konstatera att ingen sedimentation sker i en djuphåla på nordvästra tipplatsen. De olika undersökningarna ger alltså ingen entydig bild av vad som orsakat djupökningen från år 2011 till En möjlig förklaring skulle kunna vara att processerna erosion, sedimentation och kompaktering sker på små skalor och varierar mycket mellan olika provlokaler. Om de muddrade volymerna enligt Van Oord, 4.3, fördelas på de ytor som anges av MMA 4.1 ovan, skulle botten höjas 1,5 m jämnt över områdena. Som man kan se på ekolodsbilderna nedan, Figur 5 och Figur 7, tas endast en mindre del av varje tippområde i anspråk. Om vi antar att 25 procent av respektive områdes yta används, höjs då de delområdena med 5-6 meter. Detta stämmer grovt med vad ekolodningarna visar. Siffrorna är skattningar för att belysa storleksordningen. Om volymen hos det tippade materialet efter en tid minskar med procent, vilket advokatfirman Vinge anger i ansökan som nämndes ovan får vi fram att djupet borde öka med procent av 5-6 meter, d.v.s. med 50 till 90 centimeter. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 8

16 Detta under förutsättning att muddret täcker 25 % av ytan i respektive område. Om det istället spritts ut mer och täcker halva respektive områdes yta, borde det sjunka ihop med centimeter. 5 Analys av djupmätningar med ekolod MMA mätte djupet på nordöstra och nordvästra tipplatsen 2006 och Mätningarna har översänts till SMHI av MMA. Van Oord mätte djupet 2011 efter tippningarna. Mätningarna har översänts till SMHI av Ramböll. Vi har gjort kartor av skillnaden i djup före och efter tippning av mudder. I nordöstra tippområdet, Figur 5, har djupet minskat med 3-4 meter över en ansenlig del av området. Detta är i närheten av vår enkla skattning på 5-6 meter ovan ( 4.6 stycke 5), baserad på Van Oords muddervolymer och MMA:s bottenytor. I nordvästra området, Figur 7, är bottenhöjningen inte lika utspridd; man har troligen försökt pricka hålans djupaste ställe. Där har det hamnat cirka fyra meter mudder. I en stor del av resten av området har botten höjts ett par-tre meter. Figur 6 visar skillnaden i djup som uppstått fem år efter tippningen, nordöstra området. Som mest har djupet ökat med en dryg meter Hypotes: djupökningen beror på hopsjunkning Mönstret tippad muddermängd i Figur 5 överensstämmer väl med mönstret för ökat bottendjup i Figur 6. Botten inuti områdena har alltså ökat i djup i proportion till hur mycket mudder som lades på. Djupökningen beror därför sannolikt på att en hopsjunkning av muddret har skett under åren Hopsjunkningen är ungefär % vilket ungefär svarar mot den svällning, %, som Vinge angav. Vi ser samma tydliga samband mellan tippat mudder och ökat djup i det nordvästra området när vi jämför Figur 7 och Figur 8. Mönstret i de båda figurerna är tydligt detsamma. Figur 4. Om djupökningen orsakas av hopsjunkning blir den mer eller mindre en avbild av muddermängden. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 9

17 Figur 5. Djupskillnad före och efter senaste tippning, 2006 till 2011, nordöstra området. Negativa värden = minskat vattendjup. Tippat mudder har byggt upp botten med över 4 meter. Färgskalorna i denna och de tre följande figurerna har valts för att tydliggöra samband mellan tippat mudder och djupökning. Figur 6. Djupskillnad 5 år efter senaste tippning, 2011 till 2016, nordöstra området. Positiva värden = ökat djup. Botten inuti områdena har ökat i djup med upp till drygt en meter. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 10

18 Figur 7. Djupskillnader före och efter senaste tippning, , nordvästra området. Negativa värden = minskat vattendjup. Tippat mudder har byggt upp botten med över 3 meter. Figur 8. Djupskillnad 5 år efter senaste tippning, , nordvästra området. Positiva värden = ökat vattendjup. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 11

19 5.1.2 Alternativ hypotes: djupökningen beror på erosion Om sambandet mellan höjd botten efter tippning och hopsjunken botten under tiden huvudsakligen skulle förklaras av erosion istället för hopsjunkning, innebär det att erosionen skulle 1. vara större i nordöstra än i nordvästra området 2. vara större ju mer mudder som tippats Som vi kommer att se senare i redovisningen av beräknad strömstyrka och bottenskjuvspänning, är punkt ett utesluten eftersom strömmen är kraftigare i det nordvästra området än i det nordöstra. Även punkt två trotsar rimligheten. Konventionell kunskap om bottenströmmar säger att det är förändringen i bottendjup som leder till ändrade strömhastigheter vid botten och därmed ändrad bottenskjuvspänning. På så sätt kan tippning leda till ökad erosion om den förändring av botten som sker leder till förhållanden som ökar strömhastigheterna. Om muddret orsakat en förhöjd botten skulle i så fall erosionen kunna vara starkare på högre delar av mudderhögen och vice versa. I det fall muddret fyllt upp en djuphåla skulle erosionen, för att förklara den observerade djupökningen, vara större på ställen med mer mudder under den nya bottenytan. Erosionen skulle alltså påverkas av det som ligger begravt under bottenytan, som illustreras i Figur 9. Detta förefaller orimligt. Figur 9. För att förklara den observerade djupökningen med erosion skulle denna behöva bero på tjockleken av det tippade mudderlagret, dvs. på det som finns under bottenytan Slutsats: Djupökningen beror huvudsakligen på hopsjunkning Erosion och ackumulation kan pågå, men i en så långsam takt att de inte förklarar huvuddelen av den observerade djupförändringen efter avslutad tippning. De förändringar som redovisas av SGU är ca 1-2 cm per år för områden med ackumulationsbotten. SGU, 4.2 ovan, tolkade en ekolodsbild som att djuphålan i nordvästra området hålls fri från ackumulerat sediment av bottenströmmar. Det betyder att materialet som lagts där kanske kommer att eroderas, men då på mycket längre tidsskalor än fem år. Sammanfattningsvis är hopsjunkning av muddret, enligt vår mening, huvudorsaken till att djupet ökat mellan djupmätningarna 2011 och Detta utesluter inte att även erosion förekommer, men denna är i så fall så långsam att den inte kan urskiljas i djupmätningarna. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 12

20 6 Analys av bottenströmmarna Bottenströmmarna är starkt styrda av bottnens geografi, vilken vi ser som relief i Figur 10. Vi betraktar inre Bråviken från sydväst mot nordost, från en plats högt över Norrköpings hustak. Lägg märke till sundet norr om Esterön och djuphålan som ligger där, med djupaste punkt strax hitom om sundet. Man ser det litet tydligare i förstoringen i Figur 11. I sundet förstärks strömmen när vatten, oftast från öster, accelereras in mot sundet för att passera. Mekanismen för detta är densamma som ger ett kraftigt drag i ett fönster som står på glänt. Djuphålan har antagligen grävts ut och underhållits av tusentals sådana starkströmstillfällen under seklernas gång. Vi kommer att se andra områden med förstärkt ström i inre Bråviken, men inte lika kraftigt som i nämnda sund. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 13

21 Sund och djuphåla Figur 10. Relief sedd från sydväst mot nordost. Färgen är djupet. De svarta djupkurvorna markerar 10, 15, 20 m djup. De vita nålarna visar mätpunkterna vid SMHI:s mätning 2004, de röda SGU:s provpunkter Notera det smala sundet strax öster om djuphålan, norr om Esterön. Sund och djuphåla Figur 11. Förstoring av Figur 10. Vy från öster. 6.1 Kritisk bottenskjuvspänning Vi har beräknat bottenskjuvspänningen, som förklarades i faktarutan i rapportens början. Bottenskjuvspänningen säger inte ifall bottenmaterialet eroderas eller ej. För att avgöra den saken krävs mätningar av bottenmaterialets känslighet för skjuvspänning. Denna anges som kritisk bottenskjuvspänning, vilket är det värde när materialet börjar erodera, alltså släppa och föras undan av strömmen. Vi vill förtydliga att den så kallade skjuvhållfasthet som Bredenberg Geoteknik, refererad i (SMHI 2007), kom fram till för material ur Bråviken, inte är densamma som den kritiska bottenskjuvspänningen. Skjuvhållfastheten har med lerans inre hållfasthet att göra medan den kritiska bottenskjuvspänningen handlar om gränsytan mellan vatten och lera. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 14

22 Bråviksbottens kritiska skjuvspänning är okänd. Inga mätningar har gjorts vare sig på befintligt material eller tippat mudder. Därför är vi hänvisade till uppgifter från andra källor. SMHI gick igenom en hel del sådana källor i samband med utredningen De redovisas i bilaga 8.2. Beräkningsresultaten bygger på simulering av åren De presenteras i avsnitt 0-0 nedan. Figurerna visar under hur lång tid per år som bottenskjuvspänningen överstiger olika värden. Eftersom bottenmaterialets känslighet för bottenskjuvspänningen är okänd, presenteras resultaten för varierande skjuvspänningsnivåer, nämligen Svag bottenskjuvspänning: τ<0,05 Pa. Tydligt lägre än lägsta värdet, 0,15 Pa, för kritisk bottenskjuvspänning vi funnit för konsoliderat material, typ lera, Figur 28 i 8.2. Låg bottenskjuvspänning: τ<0,25 Pa. Litet mer än det lägsta värdet, 0,15 Pa för konsoliderat material. Måttlig bottenskjuvspänning: τ<0,5 Pa. Ungefär mitt i spannet kritisk bottenskjuvspänning för konsoliderat material. Hög bottenskjuvspänning: τ<1 Pa. Motivet för att välja dessa nivåer är att de ligger i det intervall som våra källor anger. Resultatet visar att bottenskjuvspänningsklimatet varierar kraftigt mellan tippningsplatserna. Den starkaste strömmen finns norr om Esteröns västspets där djuphålan i nordvästra området ligger. Sannolikt är det så att djuphålan finns där tack vare att strömmen då och då nöter bort allt sediment som samlas i den. Detta kom SGU fram till i sin analys av ekolodsprofilen. De konstaterar att botten är blottad, hård glaciallera, se 4.2. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 15

23 6.2 Exempel svag bottenskjuvspänning Det, lägsta värdet på kritisk bottenskjuvspänning för konsoliderat material som vi funnit är 0,15 Pa, 8.2. För att illustrera hur varaktigheten för en svag bottenskjuvspänning ser ut har vi valt värdet 0,05 Pa. I Figur 12 visas varaktigheten för τ > 0,05 Pa, d.v.s. hur många timmar per år som skjuvspänningen är 0,05 Pa eller mer. Den är över detta värde under 300 timmar per år i delar av det nordvästra området och 150 timmar i delar av det nordöstra. 12 mm/år 24 mm/år 19 mm/år Figur 12. Färgskalan visar antal timmar per år som skjuvspänningen på botten överstiger 0,05 Pa. Vita + = SMHI:s mätplatser Röda o = SGU:s provpunkter 2001 med ackumulationsvärden. Grön och lila punkt = MMA:s provpunkter med pågående sedimentation resp. ingen pågående sedimentation kunde konstateras (MMA 2017). Tippområden visas med vit rand. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 16

24 6.3 Exempel: låg skjuvspänning 0,25 Pa är ett möjligt lågt värde för den kritiska skjuvspänningen. I Figur 13 ser vi att denna skjuvning uppnås under mer än 50 timmar per år i djuphålan nordväst om Esterön. Vid SGU:s södra provpunkt är varaktigheten runt timmar per år. På denna plats konstaterade SGU en ackumulation på 19 mm/år. Figur 13. Som Figur 12 men för τ>0,25 Pa. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 17

25 6.4 Exempel: måttlig skjuvspänning 0,5 Pa är ett möjligt måttligt värde för den kritiska skjuvspänningen. I Figur 14 ser vi att denna skjuvning uppnås under runt 10 timmar per år i djuphålan nordväst om Esterön. Vid SGU:s södra provpunkt är varaktigheten runt 5 timmar per år. På denna plats sker alltså en ackumulation på 19 mm/år samtidigt som skjuvspänningen är över 0,5 Pa under fem timmar per år. Figur 14. Som Figur 12 men för τ>0,5 Pa. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 18

26 6.5 Exempel: hög skjuvspänning 1 Pa är ett möjligt högt värde för den kritiska skjuvspänningen. I Figur 15 ser vi att skjuvspänning över 1 Pa på större djup förekommer i mycket små områden under ett fåtal timmar per år. Vi ser igen att det är koncentrerat till djuphålan nordväst om Esterön. Det finns ett litet område nordost om ön där skjuvspänningen är över 1 Pa under någon timme per år. SGU:s östra provpunkt, med en sedimentationstakt på 24 mm/år, ligger precis på gränsen till ett område med stark skjuvning. Figur 15. Som Figur 12 men för τ>1 Pa. 6.6 Varaktigheten i de tre tippområdena Utifrån de fyra exemplen på bottenskjuvspänning har vi valt τ>0,25 valts som ett värde på möjlig kritisk bottenskjuvspänning i inre Bråviken. I Figur 14 visas att varaktigheter av τ>0,5 förekommer nära områden med observerad ackumulationsbotten. Eftersom inga mätningar finns i något av tippområdena har vi valt att använda det lägre försiktiga värdet, τ>0,25, som val av möjlig kritisk bottenskjuvspänning. Nedan återfinns förstoringar av bilderna ovan av varaktigheten för τ>0,25 Pa på vart och ett av de tre tippområdena. Figur 16 visar det nordvästra området med djuphålan. Vi ser att området genomkorsas av ett stråk med högre varaktighet (mörkaste området i figuren). Sundet i Figur 11 orsakar höga bottenströmmar och därmed högre bottenskjuvspänning. Vi ser att skjuvspänning över 0,25 Pa är mindre vanligt lägre norr och söder om stråket. Eftersom det inte finns något sund i det nordöstra området finns det heller ingen effekt som förstärker strömmen och därmed bottenskjuvspänningen. Vi ser detta i Figur 17 där hela området har lägre varaktighet för τ>0,25 Pa än det nordvästra. I det södra området, Figur 18, är varaktigheten högre längs med djuprännan genom Bråviken. Det beror på att strömmen koncentreras till denna ränna vid starkare vind. Områdena vid sidan Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 19

27 om rännan, som den norra delen i Figur 18, är mer eller mindre läade för strömmen varför även skjuvspänningen är lägre där. Figur 16. Varaktigheten för τ>0,25 Pa för det nordvästra tippområdet. Figur 17. Varaktigheten för τ>0,25 Pa för det nordöstra tippområdet. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 20

28 Figur 18. Varaktigheten för τ>0,25 Pa för det södra tippområdet. 6.7 Tolkning Vi ser i Figur 12 att stora delar av Bråvikens djupare delar utsätts för τ>0,05 Pa under några procent av tiden under ett år. Vi kan speciellt se att på alla tre av SGU:s provpunkter, med ackumulation på mm/år, är skjuvspänningen över 0,05 Pa under timmar per år. Vår tolkning av detta är att ingen erosion sker vid skjuvspänningen 0,05 Pa. Bottenskjuvspänning upp till 0,25 Pa råder under runt timmar per år på SGU:s södra provpunkt med ackumulation på 19 mm/år, Figur 13. Vår tolkning av detta är att ingen erosion sker vid skjuvspänningen 0,25 Pa. Bottenskjuvspänningen upp till 0,5 Pa råder under runt fem timmar per år på SGU:s södra provpunkt, Figur 14, med en ackumulation på 19 mm/år. Provpunkten ligger precis på gränsen mellan noll och fem timmar/år så varaktigheten är naturligtvis osäker. Dessutom baseras resultaten på vinden Under blåsiga år är varaktigheten naturligtvis högre och vice versa. SGU:s resultat är däremot stabila i den meningen att de är medelackumulationen under 15 år. Ett högt värde på bottenskjuvspänningen, 1 Pa, råder under ett litet antal timmar per år över små delar av Bråvikens djupare botten. I Figur 15 ser vi dels att ingen av SGU:s provpunkter med ackumulation utsätts för 1 Pa, och dels att djuphålan i det nordvästra tippområdet utsätts för 1 Pa under 4-5 timmar per år och ett litet område i nordöstra tippområdet utsätts under någon timme per år. Marin Miljöanalys AB (MMA, 2017) konstaterar att det inte sker någon sedimentation på de fyra punkter som ligger i eller längs djuphålan på det nordvästra tippområdet (de lila punkterna i Figur 12). På provpunkterna på sidorna om denna (gröna punkter) säger MMA att sedimentation pågår. Detta stämmer alltså med bottenskjuvspänningens mönster. Vår tolkning är att den kritiska bottenskjuvspänningen troligen ligger mellan 0,5 och 1 Pascal, eftersom Figur 14 och Figur 15 visar att det är i detta spann som Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 21

29 skjuvspänningar fortfarande förekommer med viss varaktighet i områden där det ackumuleras material. Vi är medvetna om att detta är en mycket indirekt metod att få fram ett intervall för den kritiska bottenskjuvspänningen. I brist på mätning av den kritiska bottenskjuvspänningen är detta det bästa värde vi har. Vi vill också påpeka att denna tolkning bygger på ett antagande om likartade bottenmaterial vid såväl SGU:s mätpunkter som i tippområdena. Vi ser att det enda område som uppnår kritisk bottenskjuvspänning under någon längre tid, tiotals timmar per år, är djuphålan i nordvästra tippområdet. I nordöstra tippområdet uppnås denna bottenskjuvspänning praktiskt taget aldrig.. Vi ser att varaktigheten för bottenskjuvspänning är högre i det nordvästra området jämfört med det nordöstra för de olika nivåer vi valt. Förklaringar av djupförändringar som bygger på att eventuell erosion är lika stark eller starkare i det nordöstra som i det nordvästra området, blir därför svåra att förklara. Förklaringen är att vattnet accelererar när det skall passera genom sundet nordväst om Esterön, en så kallad kanjoneffekt, analog med fönsterdrag. I nordost finns inget sund, ingen acceleration och därför svagare ström och bottenskjuvspänning. Vi konstaterade tidigare, 5, att djupet vid djuphålan inte ökat snabbare än i nordöstra tippområdet trots den mycket starkare strömmen i djuphålan. Tvärtom så är djupökningen mycket tydlig kopplad till muddermängden. Djupökningen beror därför mest på hopsjunkning. Vår tolkning är att erosionen är en mycket långsammare process än kompakteringen. På mycket längre tidsskalor än årtionden kommer antagligen muddret som tippats i djuphålan att nötas bort och den hårda leran att blottas igen. 6.8 Ändring av skjuvspänningen efter muddertippning I de tidigare avsnitten har vi visat att erosionen sannolikt är försumbar under de förhållanden som funnits på platsen och att den kritiska bottenskjuvspänningen sannolikt överstiger 0,25 Pa. Nedan visas resultat för hur bottenskjuvspänningen påverkas när ytterligare muddermasser fylls på. Förändringarna för τ>0,25 som kommer att visas, är små. Vi presenterar resultaten i form av varaktigheten för τ>0,25 Pa. Fyra delbilder presenteras för varje resultat. De båda övre visar varaktigheten av τ>0,25 Pa idag respektive efter att ytterligare material tippats så att djupet minskat, ändrad. Den undre vänstra bilden visar skillnaden dem emellan, ändring. Den undre högra visar djupet efter ändringen Nordöstra tippområdet fyllt till 14 m Den första bilden, Figur 19, visar en simulering där det nordöstra tippområdet fyllts ut till 14 meters djup. I tippområdet, nordöstra området, ändras varaktigheten för τ > 0,25 Pa med några få timmar. Varaktigheten i nuläget är tiotalet timmar. Vid korta varaktigheter, ett fåtal till ett tiotal timmar, blir avrundningsfelen betydande vilket man skall tänka på när man granskar bilderna av varaktighet Nordöstra tippområdet fyllt till 15 m Figur 20 visar varaktigheten då området fyllts till 15 m. Det finns inga urskiljbara skillnader jämfört med föregående fall Nordvästra tippområdet fyllt till 15 m Figur 21 visar fallet när det nordvästra tippområdet fylls till 15 meters djup. Som vi ser finns idag ett maximum i varaktighet på ungefär 80 timmar per år i mitten av området nära det vita krysset. Om området fylls flyttas maximumet österut och bibehåller sin styrka. Då vi beräknar Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 22

30 skillnaden, den undre vänstra bilden, får vi därför en zon med minskande varaktighet i väster och motsvarande ökning i öster. Lägg märke till att utfyllnaden som den gjorts i modellen innebär en tvär djupändring från 26 till 15 meter, en elva meter hög lodrät vägg på bottnen. I verkligheten kommer man inte att kunna åstadkomma en sådan form, utan den blir mer gradvis. Därför kommer ändringen inte att bli så distinkt som Figur 21 visar Nordvästra tippområdets södra del fyllt till 15 m Figur 22 visar ändringen vid uppfyllnad av södra delen av nordvästra området till 15 meters djup. Förändringen av varaktighet är liten Södra tippområdet fyllt till 18,5 m I det södra området höjs bottnen med en till två meter. Vi ser en minskning av varaktigheten från 100 till 70 timmar längs det södra områdets södra del och en mindre ökning över den norra delen Sammanfattning av förändringarna av varaktigheten för τ>0,25 Pa Vi kan se smärre ändringar av varaktigheten för τ>0,25 Pa procent till följd av tippning av mudder till angivna djup. Beroende på vilken djupförändring som modellerats kan varaktigheten både bli längre och kortare i de olika områdena. En stor del av förändringarna beror på att skjuvspänningsmönstret förskjuts något över bottnen. Alla förändringar är avsevärt mindre än osäkerheterna, främst rörande bottnens kritiska skjuvspänning. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 23

31 Figur 19. Nordöst till 14 m. Vita + = SMHI:s mätplatser Grön och lila punkt = MMA:s provpunkter med pågående sedimentation resp. ingen pågående sedimentation kunde konstateras (MMA 2017). Tippområden visas med vit rand. Figur 20. Nordöst till 15 m.

32 Figur 21. Nordväst till 15 m. Figur 22. Södra delen av nordvästra till 15 m. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 25

33 Figur 23. Södra till 18,5 m. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 26

34 7 Referenser MMA2016a, Marin Miljöanalys AB, 2016, Ekolodning av Pampushamnen och muddertipparna i västra Bråviken. Rapportnr U , MMA Marin Miljöanalys AB, 2017, Rapport från utvidgad bottenundersökning av muddertipparna i Bråviken. Rapportnr U , SGU 2002, Klingberg, F. Ackumulationsbottnar i Bråviken, Rapport 2002:25. SGU Klingberg, F. Komplement till SGU-rapport 2002:25, SGU dnr /2007 (även dnr /2001 anges). Van Oord, odaterad (2011?). Slutrapport Muddring av Norrköping Hamn. Projekt SMHI 2005, Nordblom, O. Detaljstudie av bottenströmmar i planerade muddertippningsområden i Bråviken. Rapport 2005:22, Dnr 2004/956/204. SMHI 2007, Gyllenram, W., Lindahl, S. Bedömning av erosionsrisk och grumling i Bråviken. SMHI rapport Dnr 2007/2418/204. Vinge 2007, Larfeldt Alvén, A. Mål M rotel 7; Ansökan om tillstånd komplettering. Skrivelse till Miljödomstolen vid Växjö tingsrätt från A. Larfeldt Alvén daterad

35 8 Bilagor 8.1 Uppsättning och validering av strömningsmodellen Bottenskjuvspänning med mera har beräknats med en numerisk modell som täcker hela Bråviken ut till Östersjön, Figur 2. Runt Esterön har modellen en upplösning på några tiotal meter horisontellt, Figur 3. Vertikalt är djupet indelat i 20 beräkningsnivåer. Närmast ytan och botten ligger nivåerna tätare. Bråviken är endast svagt skiktad. Detta medför att strömmar orsakad av skiktningen, så kallade baroklina strömmar, är svaga. Det är därför överflödigt att inkludera sådana (baroklina) processer i modellberäkningarna. Vi kan använda en oskiktad (barotrop) modellvariant, vilket är effektivare. Figur 24 visar bottenströmmen som mättes Vi ser att strömmen överstiger cm/s bara under korta episoder. U (cm/s) Figur 24. Mätningarna på nordöstra (Ö) och nordvästra (V) lokalen, första och andra mätperioden (med uppehåll mellan mätningarna). På nordöstra finns en bakgrundsström på 5-10 cm/s på nordvästra under 5 cm/s. Bakgrundsströmmarna är ungefär desamma för båda perioderna. Spikarna är ungefär lika stora på Ö som på V under första perioden. Under den andra är Ö ungefär dubbla V. Spikarna är högre och fler under andra perioden. Vi kan vidare konstatera att Motala ströms vattenföring och vattenståndet i Östersjön inte har någon nämnvärd påverkan på de tillfällen med stark botten ström i inre Bråviken som är avgörande för var det är erosion eller deposition. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 28

36 0.6 V v b &U v b &mxu v b &U 2 v b &mxu 2 v b &u v b &mxu v b &u 2 v b &mxu 2 v b & v b &Q Figur 25. Den här bilden exemplifierar samvariationen mellan observerad bottenström och olika drivande krafter. Samvariationen uttrycks med korrelationskoefficienten (kk) på y- axeln.(kk förklaras i avsnitt ) Kk är utritad med 95 % konfidensintervall. De åtta första kk gäller olika former av vindverkan. Kk & gäller paret bottenström-vattenstånd i Östersjön och & paret bottenström-vattenföring i Motala ström. Vi ser att samtliga vindvarianter ger tydlig samvariation och att vattenståndet och vattenföringen inte ger samvariation. De sistnämnda bidrar alltså inte till att förklara något av den observerade bottenströmmen. Det finns ingen mening med att inkludera dem i modellberäkningarna. Vinden är det som avgör hur de starka bottenströmmarna blir och därigenom bottenskjuvspänningen. Det är endast vid stark vind som bottenströmmen är starkare än 10 cm/s som vi kan se i Figur 26 som visar den drivande vindens friktionsverkan och den beräknade bottenströmmen. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 29

37 80 N=906 Y-X= = RMSE= Lokal: V. Period: U10 2 (m 2 /s 2 ) Figur 26. Bottenströmmen mot vindstyrkan (Kolmården) i kvadrat för 57 starkvindstillfällen som varade i sammanlagt 906 timmar. Den streckade ovalen innesluter tillfällen som inföll före maximal ström, dvs då Bråvikens bottenvatten höll på att accelerera. Man skall alltså bortse från dem. Vi ser då ett tydligt linjärt samband mellan vindkvadrat och max bottenström. Denna jämförelse är gjord för den nordvästra mätlokalen, i Figur 3, men skulle ha liknande utseende för andra ställen. Vi har använt vind från SMHI:s station Kolmården-Strömsfors för att driva modellen. Ett antal andra land- och utsjöstationer, bl.a. Norrköping, Gustaf Dalén och Harstena har utvärderats, men Kolmården ger bäst resultat i de flesta fallen, se Figur 27. Utvärderingen har gjorts mot de mätningar av bottenström SMHI gjorde på tre lokaler norr om Esterön 2004 markerade i Figur Ö2 0.2 v b &Gustaf Dalen A v b &Harstena A v b &Kolmården-Strömsfors A v b &Norrköping-SMHI v b &Gustaf Dalen A v b &Harstena A v b &Kolmården-Strömsfors A v b &Norrköping-SMHI Figur 27. Exempel på samvariationen (korrelationskoefficienten, med 95 % konfidensintervall) mellan observerad bottenström och vind på olika lokaler (4 första), och vindens östvästkomponent på lokalerna (4 följande). Resultaten är liknande för övriga lokaler och mätperioder. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 30

38 8.1.1 En anmärkning om korrelationskoefficienten Korrelationskoefficienten (kk) är en siffra, ett kompakt sätt att ange graden av linjär samvariation mellan två saker, exempelvis bottenströmmen och vindstyrkan. Den är +1 vid perfekt medvariation, -1 vid perfekt motvariation och runt noll utan samvariation. Det är viktigt att använda kk på rätt sätt och inte övertolka den. Siffervärdet kk i sig säger inte på något allmänt sätt hur stark samvariationen är, utan bör bara användas när man skall jämföra hur olika faktorer som vind, vattenstånd osv. samvarierar med en gemensam faktor, bottenström i vårt fall. Man måste även beräkna ett konfidensintervall för kk så att man kan avgöra om två olika kk skiljer sig åt på ett statistiskt signifikant sätt eller inte. Om konfidensintervallen överlappar varandra är kk:na inte signifikant olika. Konfidensintervallen har beräknats med stokastisk simulering, närmare bestämt genom att dra en delmängd data ur den hela mängden och sedan beräkna kk. Detta upprepas ett stort antal gånger vilket ger många värden på kk. Konfidensintervallet innehåller 95 % av dessa värden. Det betyder att sannolikheten att konfidensintervallet innehåller det verkliga men okända kk är 95 %. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 31

39 8.2 Påverkan på bottnen från vågor Vågorna i området är till höjd och längd begränsade av att vinden har en kort sträcka, av storleksordningen kilometer, som den kan tillföra rörelseenergi till vattnet. Man säger att blåslängden är kort. Vi kan från denna skatta en typisk våghöjd till en meter och en typisk vågperiod på två sekunder vid en vind på 15 meter per sekund, alltså en stark vind. Våglängden (avståndet mellan vågkrön eller vågdalar) för sådana vågor är ungefär sex meter. Vågrörelsen avtar mycket snabbt med djupet. På 15 meters djup, i detta fall drygt två våglängder, reduceras vågrörelsen till en miljondel av sitt värde vid ytan. Vattnet rör sig med en dryg meter per sekund fram och åter vid ytan. På 15 meters djup är rörelsen därför 0,001 millimeter per sekund. Vågrörelserna har alltså ingen inverkan på bottnen på femton meters djup eller mer. Som en jämförelse med en grundare nivå är vågrörelsen 0,01 millimeter per sekund på tio meters djup. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 32

40 8.3 Kritiska bottenskjuvspänningar Den kritiska bottenskjuvspänningen, τ c, motsvarar det tröskelvärde då bottenmaterialet inte längre kan stå emot krafterna från det strömmande vattnet utan förs bort. För s.k. friktionsmaterial som sand finns det empiriska standarddiagram ur vilka den kritiska bottenskjuvspänningen kan skattas. Värdena är dock bestämda under starkt idealiserade förhållanden med avseende på strömmar och materialegenskaper och ska därför användas med försiktighet. Kohesiva material som lera 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 också ha mycket varierande egenskaper beroende på sammansättningen och miljön i vilken de bildats, vilket gör det svårt att jämföra resultat från olika studier. En genomgång av referensvärden från litteraturen kan ändå ge en uppfattning om i vilket storleksintervall den kritiska bottenskjuvspänningen kan ligga. I Figur 28 redovisas några olika värden för kohesiva sediment. Hjulströms diagram som används i en av referenserna är egentligen framtaget för okohesivt material men refereras ibland till även när det gäller kohesiva sediment. Den kritiska bottenskjuvspänningen kan variera mellan 0,01 och 0,1 Pa för icke-konsoliderade sediment av lera och silt. Gränsvärdet 0,1 Pa enligt Bengtsson et al. (1990) uppges gälla recenta sediment. För konsoliderade sediment kan kritiska bottenskjuvspänningen variera mellan 0,15 och 0,5 Pa. Värdena i tabellen kan jämföras med uppgifter i Whitehouse (2000) där kritiska bottenskjuvspänningar bestämts från in-situ försök på delvis konsoliderad lera och uppges ligga i intervallet 0,1-0,2 Pa och sällan över 1 Pa. Eftersom värdena på kritiska bottenskjuvspänningen i litteraturen är så osäkra och ospecifika avseende vilket bottenmaterial de gäller för, och eftersom Bråvikens bottenmaterial är okänt avseende kritisk bottenskjuvspänning, har vi valt att göra bottenkartor med varaktighet för de bottenskjuvspänningar som kan vara aktuella och därefter sätta dem i samband med de enda kända undersökningarna av ackumulationshastigheten. Figur 28. Ur SMHI Pa=1 N/m 2. Nr v4 SMHI Muddertippning i Bråviken-utredning av bottenströmmar och erosionsförhållanden 33