Beräkning av avrinning och flödesdämpning på jordbruksmark En modellstudie i Svartåns avrinningsområde

Transkript

1 Joel Dahné, Steve Berggreen-Clausen, Dan Eklund, Ulrika Harbman, Nina Köplin RAPPORT Nr Beräkning av avrinning och flödesdämpning på jordbruksmark En modellstudie i Svartåns avrinningsområde

2 Bild framsida: Vall vid Svartån sedd från Spångakärret (foto: Joel Dahné)

3 RAPPORT Nr Författare: Mottagare: Joel Dahné SJV Kontrollerat: Granskare: Dnr: Version: Johan Andreasson 2014/261/ Beräkning av avrinning och flödesdämping på jordbruksmark Författare SMHI SE Norrköping Kund Statens Jordbruksverk Vallgatan JÖNKÖPING Distribution Statens Jordbruksverk, Jennie Wallentin Klassifikation ( ) Konfidentiellt (x ) Publikt Projektledare vid SMHI Joel Dahné joel.dahne@smhi.se Kontakt Jennie Wallentin jennie.wallentin@jordbruksverket.se Nyckelord SJV, Hydrologi, Hydraulik, Jordbruksmark, Översvämning, flödesdämpning, näringsläckage Övrig information

4 Empty page

5 Innehåll 1 BAKGRUND SAMMANFATTNING GENOMFÖRANDE MODELLVERKTYG HBV HYPE HEC-RAS MODELLUPPSÄTTNINGAR HBV uppsättning och kalibrering HYPE modelluppsättning HEC-RAS och dess koppling till HBV Sträcka 1 Toften - Hasselfors Sträcka 2 Teen - Backa Sträcka 3 Hidingebro Karlslund EXPERIMENT OCH RESULTAT Invallningar/flödesdämning Framtida klimat Påverkan från dränering på flöden och näringsämnesläckage Markanvändningens påverkan på flöden och näringsläckage REFERENSER BILAGOR Levererade data Relationer mellan höjdsystem

6 1 Bakgrund Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut (SMHI) har under 2014 fått i uppdrag av Statens Jordbruksverk (SJV) att undersöka olika aspekter av översvämningar på jordbruksmark. Som studieområde har SJV i dialog med SMHI valt ut Svartån i Örebro län. Inom projektet har i huvudsak två olika frågeställningar angripits. Den första frågeställningen rör hur invallning av jordbruksmark längs Svartån kan tänkas påverka nedströms vattenföring, främst då höga flöden. För denna frågeställning har modellverktygen HBV och HEC-RAS använts. Den andra frågeställningen rör dränering och läckage av näringsämnen från jordbruksmark på fältskala, till detta har modellverktyget HYPE använts. Den senare frågeställningen har också ett stort moment av modellförståelse då SJV varit intresserade av vilken typ och på vilken skala HYPE modellen kan ge information. 2 Sammanfattning I denna sammanfattning redovisas det viktigaste experimenten och slutsatserna i rapporten. Flödesdämpande åtgärder har testats för Svartåns huvudfåra i syfte att reducera flödet vid högvattenföring, för att på så vis minska risken för översvämning nedströms. Befintliga skyddsvallar vid översvämningsområden i närheten av Tysslingen testades för historiska flöden under perioden och jämfördes med alternativ i form av inga vallar, höga vallar (som inte tillät övertoppning), samt vallar specifikt utformade för att klara HQ5 respektive HQ10. Uppnådd dämpningseffekt visar sig variera med flöden. För flöden i storleksordningen MHQ-HQ5 utgör befintliga vallar det mest flödesdämpande alternativet. För flöden över HQ5 är resultaten inte lika entydiga och beror på bl a återkomsttid och hydrografens volym. Generellt ger vallar utformade för HQ5 och HQ10 bättre dämpning vid flöden över HQ5 respektive HQ10 jämfört med befintliga vallar. Reglering i sjön Toften uppströms översvämningsområdena har studerats och visar att flödesdämpning i samma storleksordning som för invallningarna för ett flöde i storleksordningen HQ10 kan uppnås genom att strypa utflödet från Toften till m3/s och låta sjöns ytnivå stiga över dämningsgränsen. Slutlig påverkan på flöden nedströms Karlslund vid högflödestillfällen är dock måttlig, i storleksordningen %. I modellförsök har frågor om hur olika dräneringar av jordbruksmark kan påverka höga flöden i Svartån samt hur det påverkar läckaget av kväve och fosforläckage angripits. I en hydrologisk modell sattes all jordbruksmark inom Svartån avrinnings till antingen dränerat eller ej dränerat. Modellresultat visar på i det närmsta identiska resultat för det stora vårflödet -77, detta dels pga av andelen dränerad mark i Svartån är relativt liten (ca 15%) samt dels på att vid vattenmättade förhållanden spelar dräneringen mindre roll då vattnet istället söker sig andra, ytliga och snabba, flödesvägar. Vad gäller läckage näringsämnen (kväve och fosfor) minskar dessa i modellförsöken när dräneringen avlägsnas. Lokalt är effekten en reduktion på 8 och 13% för kväve respektive fosfor. 2

7 3 Genomförande Under hela projektet har en dialog förts mellan SMHI och SJV, under en särskilt intensiv period skedde detta per telefon veckovis. Dialog mellan SJV och SMHI har ofta handlat om HYPE-modellen och vad den är kapabel till att simulera, dialogen inom SMHI har främst rört den hydrauliska modelleringen. Vilka områden är intressanta? vallhöjder?, pumpkapaciteter?, hur bäst definiera magasinen samt hur koppla HBV och HEC-RAS är exempel på sådant som dryftats och ofta behövt testats och omprövats för att hitta en väg framåt. För den andra frågeställningen, som handlade om fältskalan, var frågeställningen mer klar, även om det ofta uppkom fler intressanta frågor att undersöka efter det att en hade besvarats. Det bör nämnas att de hydrauliska modellerna ej gör anspråk på att i detalj efterlikna förhållandena i Svartån med dess invallade områden och kopplingar. Exempelvis är kopplingen mellan Svartån och Tysslingen-grenen, samt dess övergång i kanalen som mynnar i Svartåns huvudfåra strax nedströms den utrivna dammen vid Lindbacka endast översiktligt beskriva i modellen. Invallningarnas sträckning och nivåer är godtyckligt valda, utifrån rimliga antaganden, och många mindre områden har klumpats ihop för att möjliggöra modellstudien. Beskrivningen av Tysslingen orsakade en del problem, vattnets väg och utdämpningen av högflöden föreföll orimligt till en början, då hela Tysslingens våtmark sektionerades. I slutändan valdes att istället beskriva Tysslingen som en stor magasinsvolym (enligt beskrivning i senare avsnitt), vilket gav rimligare resultat avseende flödesdämpning. Generellt har den hydrauliska modelleringen avlöpt smidigt även om projekt av denna karaktär innebär många tester och omtester samt att vissa moment, t.ex. beskrivningen av Tysslingens koppling till Svartån, tagit ganska mycket tid i anspråk. Den hydrauliska modelleringen innefattat många delmoment; konvertering av modellmiljö (MIKE11 HEC- RAS), omfattande modelljustering, tre olika semikopplade delmodeller, beskrivning av magasin (terränganalys, batymetrisk modellering), invallning med lateral avbördning och återflöde, skalning av flödesbelastning, sjöreglering, koppling av parametrar (generell magasinering och avbördningskurva) mellan HBV och HEC-RAS, växelvis hydrologisk och hydraulisk modellering, åtgärdsmodellering, modifiering av geometri, konceptuella test, mm, varför arbetet som helhet varit relativt komplicerat. Modellerna är avsedda för att jämföra trender och mönster i olika händelser vid varierande förhållanden (framför allt olika invallning) samt att undersöka och jämföra storlekar av exempelvis översvämningsvolymer och varaktigheter har. De uppsatta modellerna kan med fördel användas för vidare studier och förändras och förbättras i och med detta. Resultaten av de i detta delprojekt simulerade långtidssimuleringarna kan användas vidare för fördjupade analyser. Förutom det vanliga kontorsarbetet har tre arbetsmöten skett på SMHI där personal har kommit till Norrköping från Göteborg, SJV har medverkat vid ett av dessa möten.. Ett möte inför slutrapporteringen hölls i början av september då tre personer från SMHI åkte till SJV i Jönköping och presenterade de dittillsvarande resultaten. Den 18 juni 2014 åkte personal från jordbruksverket och SMHI på ett gemensamt studiebesök till Svartån. Syftet med resan var att bekanta oss med studieområdet och varandra. Turen gick kring Svartåns nedre delar, från utloppet av Tysslingen till dammen i Hidingebro (Figur 3-1). Det är längs den sträckan det mesta av den invallade jordbruksmarken ligger och på vilken störst del av projektet är koncentrerat. Längst turen stannade vi för att titta närmare på 3

8 invallningar, diken och andra strukturen längs vattendraget. Under turen identifierades områden lämpliga att studera för att besvara projektets frågeställningar. Figur 3-1 Dammen vid Hidingebro (foto: Joel Dahné). 4

9 4 Modellverktyg I följande stycken beskrivs kort de modellverktyg som använts inom projektet. Dessa är HBV, HYPE och HEC-RAS. HYPE har använts för att undersökande frågeställningar rörande näringsläckage och markavrinning. HEC-RAS har använts för att simulera invallningar och andra flödespåverkande åtgärder längs Svartån. HBV-modellen har i första hand använts för att beräkna tillrinning till HEC-RAS-modellen. 4.1 HBV HBV-modellen är en hydrologisk avrinningsmodell och har utvecklats vid SMHI sedan början av 1970-talet (Bergström, 1995, Lindström m.fl., 1997). Modellen är konceptuell (begreppsmässig), d.v.s. den bygger på en förenklad fysikalisk beskrivning och kalibreras till specifika vattendrag. Den har en enkel struktur och är i grunden uppbyggd av tre huvudmoduler; en för beräkning av snöns ackumulation och avsmältning, en för beräkning av avdunstning och markfuktighet och en tredje rutin för beräkning av vattnets vägar och hur vattenflöden påverkas av magasinering i grundvatten och sjöar (Figur 4-1). Modellen är semidistribuerad, vilket innebär att avrinningsområdet delas in i delområden inom vilka höjder och vegetationszoner (skog, öppet landskap, glaciär och sjöar) klassificeras. Den har dessutom speciella funktioner för att separat hantera större sjöar och sjöregleringar. Indata till HBV-modellen är dagliga tidserier med nederbörd och lufttemperatur. Lufttemperatur används för att beräkna den potentiella avdunstingen. Figur 4-1. Schematisk presentation av HBV-modellen för ett delavrinningsområde. 5

10 4.2 HYPE HYPE modellen (HYdrological Predictions for the Environment) är likt HBV en konceptuell modell. HYPE är utvecklad för både småskaliga och storskaliga simuleringar av vattenresurser och vattenkvalitet (kväve och fosfor). I modellen är ett avrinningsområde indelat i delområden som är kopplat genom vattendrag och sjöar. Ett delområde blir vidare indelat i olika klasser som är kombinationer av jordtyp och markanvändning. Klasserna anges som andel av delområdet och är därmed inte kopplade till en viss geografisk plats, detta gör modellen till semidistribuerad. Varje klass beskrivs med en markprofil som kan bli uppdelad i maximalt tre skikt och där olika egenskaper kan ansättas för varje skikt. Huvudsakligen finns två flödesvägar i modellen, horisontala och vertikala (Figur 4-2). Obligatorisk indata till modellen är dagliga tidsserier på nederbörd och temperatur samt geografisk information, främst jordtyp och markanvändning. Modellen körs med dagligt tidssteg och resultaten ges i form av tidserier. Många av parametrarna som behövs för att köra HYPE modellen är kopplade till jordart eller markanvändning, andra parametrar gäller istället för geografiska regioner. I HYPE-modellen finns ett flertal hydrologiska och hydrokemiska processer representerade, bland annat snöackumulation och smältning, evaporation, markfuktighet, ämnesomsättningen i marken (uppdelat på olika ämnen), ytavrinning och erosion, se Figur 4-2. Inom projektet har modellexperiment genomförts för att se hur en ändrad dränering kan påverka avrinning och läckage av näringsämnen, därför beskrivs dräneringen här mer ingående än andra modellkomponenter. Avrinningen i HYPE-modellen beror på den modellerade grundvattennivån i relation till en ansatt dikesnivå (egentligen dike eller bäck). Grundvattennivå modelleras dynamiskt medan dikensnivå är konstant. Det betyder att avrinningen inte är beroende på hur mycket vatten som finns i diket. Avrinning sker då markvattnet överskrider modellens fältkapacitet i de marklager som ligger ovanför dikesnivån. Avrinningens hastighet beror, förutom på höjdskillnaden till dikesnivån, också på recessionskoefficienter, som ansätts varje markskikt och vars värden är beroende på jordtyp. Förutom avrinning från markprofilen modellerar HYPE avrinning genom dräneringsrör och ytavrinning. När markvattnet överstiger fältkapaciteten och grundvattenytan överstiger djupet för dräneringsrören sker avrinning genom dräneringsrören. Hastigheten på denna avrinning beror på grundvattenytans höjd över dräneringsröret samt en recessionskoefficient ansatt för dräneringsrör. Ytavrinning kan ske antingen beroende på att markprofilen är vattenmättad eller att infiltrationskapaciteten överskrids. För de modellerade näringsämnena gäller att de följer samma flödesvägar som vattnet. Figur 4-2. Schematisk beskrivning av HYPE-modellen för en markklass. 6

11 En något utförligare beskrivning på svenska av modellen ges på SMHI websida, SMHI 1. För en vetenskaplig sammanfattning på engelska hänvisas till Lindström m.fl (2010). HYPEkoden som är skriven i Fortran90 är s.k. open source, både kod och omfattande dokumentation går att ladda ner från webben (HYPE 1 ). 4.3 HEC-RAS HEC-RAS är ett verktyg för endimensionell hydrodynamisk flödesmodellering, vilket kan beräkna bland annat vattenföring, vattenhastigheter, ytnivåer, inverkan av t ex invallning, dammreglering och magasinering, mm, i vattendragssystem. Ett utsnitt ur modellens användargränssnitt ses i (Figur 4-3). Shallow water equations löses numeriskt med differentialkalkyl i en dimension, den huvudsakliga flödesriktningen. Vattendragsmodellen byggs upp av sektioner tvärs vattendraget där botten och omgivande terräng beskrivs och modellen drivs vanligen med flödestillrinning på avgörande platser. Vattendragets friktion beskrivs genom ett råhetsvärde, som kan justeras med kalibrering mot kända flöden och vattennivåer. Ofta används vattenstånd, vid tex en damm eller i en sjö, som nedre randvillkor. Sjöar och regleringsdammar kan beskrivas som särskilda magasineringsvolymer. Resultaten (vattenstånd, vattenhastighet, mm) beräknas i varje modellsektion. Dämmande strukturer, så som broar och dammar, beskrivs i modellen. Transienta förlopp som tex en vårflod eller ett helår kan simuleras. Invallning längs vattendragen och pumpning från omgivande mark kan simuleras liksom avledning av vatten till flödesutjämningsområden. Utifrån beräknade nivåer längs vattendraget och höjdmodell för omkringliggande mark kan översvämningsberäkningar göras. För ingående beskrivning, se HEC-RAS manual (USACE, 2014). Figur 4-3. HEC-RAS användargränssnitt ( USACE 2014). 7

12 5 Modelluppsättningar Detta stycke beskriver de modelluppsättningar av HBV, HYPE och HEC-RAS som använts inom projektet. 5.1 HBV uppsättning och kalibrering HBV-modellen har satts upp för Svartåns avrinningsområde. Indelning i delområden har gjorts där det finns stora sjöar, i punkter med observerad vattenföring samt vid punkter för översvämningsytor. Se Figur 5-1. Figur 5-1. Svartåns delavrinningsområden i HBV-modellen. 8

13 Geografisk information (areal samt hypsograf som redovisar fördelningen mellan sjö, öppen mark och skog i olika höjdzoner för respektive delområde), hämtades huvudsakligen från SMHIs databas SVAR samt Röda kartan. Indata till modellen är observerad nederbörd och temperatur som hämtats från SMHIs databas med areellt fördelad temperatur och nederbörd med data från och med För att kalibrera modellen har data från två vattenföringsstationer i Svartåns huvudflöde använts. Kalibrering har gjorts mot vattenföringsdata i punkterna Backa övre (stationsnummer 1374) och Karlslund2 (stationsnummer 2139). Vid kalibreringen har fokus varit att beskriva höga flödestoppar så bra som möjligt. Kalibreringsperioden var för Backa övre och för Karlslund2. Verifieringsperioden var för Backa övre och för Karlslund2. Kalibrering har skett på flödet i de båda vattenföringsstationerna. Vid kalibreringen av Karlslund2 fick den färdigkalibrerade parameteruppsättningen för Backa övre ligga inlagd i de delområden som ligger uppströms mätstation Backa övre. Resultat från kalibreringen redovisas i Tabell 5-1. Utvärderingsmåtten som använts är Nash-Sutcliffe kriteriet (NSE) som beskriver modellens förmåga att fånga den dagliga variationen, samt det relativa volymfelet som beskriver det systematiska felet i modellen. För en perfekt modell är NSE värdet 1 och det relativa volymfelet 0. Med ett NSE på 0.86 kan man säga att 86 % av den mellandagliga variationen fångas av modellen. Tabell 5-1 Kalibreringsresultat för HBV-modellen Kalibreringsperiod Verifieringsperiod Kalibreringspunkt NSE Relativt volymsfel (%) NSE Relativt volymsfel (%) Backa övre 0,86 0 0,89-2,9 Karlslund2 0,84 0,1 0,87-5,8 9

14 I figurerna Figur 5-2 och Figur 5-3 visas resultatet av kalibreringen för Backa övre och Karlslund2. Figurerna visar det högsta flödet under perioden med data (vårfloden 1977). Figur 5-2 Kalibreringsresultat för Backa övre, flöde. Överst: nederbörd (staplar, enhet mm) och temperatur (linje, enhet C), mitten: snö (blå staplar, enhet mm) och markvatten (linje, enhet mm) nederst: observerad flöde (grön linje, enhet m 3 /s) och beräknat (röd linje, enhet m 3 /s). Figur 5-3 Kalibreringsresultat för Karlslund2. Överst: nederbörd (staplar, enhet mm) och temperatur (linje, enhet C), mitten: snö (blå staplar, enhet mm) och markvatten (linje, enhet mm) nederst: observerad flöde (grön linje, enhet m 3 /s) och beräknat (röd linje, enhet m 3 /s). Efter att HBV-modellen har kalibrerats har den kompletterats med hydrauliska parametrar för magasinsvolymer och avbördningskurva för sjöarna Toften, Teen och Tysslingen, samt för översvämningsområden vid Teen, Hidingebro, Granhammar och Tysslingen. Dessa 10

15 parametrar, i form av volym- och avbördningskurvor, har hämtats från HEC-geoRAS och HEC-RAS (se avsnitt 5.3 för beskrivning av tillvägagångssättet). Med magasins- och avbördningskurvor från HEC-RAS inlagda i HBV-modellen har jämförelser gjorts mellan HEC-RAS och resultaten från HBV för det höga vårflödet 1977 för att se att flödesdämpningen modellerad i HEC-RAS går att återskapa med HBV. De båda modellerna visar god överensstämmelse vad gäller flödesdämpning av vårflödet 1977, således fungerar det att för fallen ovan överföra beräknad dämpning från HEC-RAS till HBV. 5.2 HYPE modelluppsättning HYPE modellen över Svartån kommer från den s.k. S-HYPE-modellen. S-HYPE är en modelluppsättning för hela Sverige och tillrinnande områden i Norge och Finland där beräkning av avrinning och näringsläckage utförs på de delavrinningsområden som finns i SVAR (Svenskt Vattenarkiv). Delavrinningsområdena är kopplade i modellen så att flöden och belastningar kan beräknas längs alla våra vattendrag hela vägen ner till havet. HYPEmodellen har ett stort antal parametrar som är kalibrerade att i så hög utsträckning som möjligt representera Sverige som helhet. De flesta parametrarna är kopplade till antingen jordart eller markanvändning, men det finns också regionala parametrar som tillåter att regionala avvikelser går att kompensera för. I Figur 5-4 visas det systematiska felet i S-HYPE för vattenföring (ca 400 mätpunkter) samt för koncentrationer av kväve och fosfor (ca 900 mätpunkter). Som synes ökar det systematiska felet med minskad area på avrinningsområdet, modelleringen av vattenföring ger bättre resultat än modelleringen av fosfor, kväve kommer därimellan. Figur 5-4 Utvärdering av S-HYPE-modellen för vattenföring samt koncentrationer av kväve och fosfor. De ca 400 mätpunkterna för vattenföring och 900 för kväve/fosfor är uppdelade i tre kategorier beroende på uppströms area. 11

16 HYPE-modellen har i detta projekt främst använts för att studera effekter på fältskala, såsom avrinning och näringsämnesläckage via olika flödesvägar i markprofilen. HYPE-modellen är ämnad att leverara resultat på en större skala än så och är också utvärderad för denna större skala. En genomgripande utvärdering för processer på fältskala är inte gjord och osäkerheterna är därför stora då fältskalan undersöks. Mer information om kalibrering och utvärdering av S-HYPE modellen finns på webben (S-HYPE 1 ). En noggrann förklaring till de indata som använts i S-HYPE modellen finns också på webben, (S-HYPE 2 ). I detta projekt sattes en modell upp för Svartån genom att ta ett utsnitt ur S-HYPE-modellen för Svartåns avrinningsområde. HYPE modellen över Svartåns avrinningsområde omfattar 1300 km 2 uppdelat i 64 delavrinningsområden, se Figur 5-5. I figuren är de gråmarkerade områden och det rödmarkerade området sådana som har undersökt närmare i projektet, dessa refereras till senare i rapporten. Avrinningsområden i HYPE-uppsättningen för Svartån har en medianstorlek av 12.5km 2, fördelningen av markanvändning, såsom den är inlagd i S-HYPE, ges av Figur 5-6. I modellen antas markanvändningarna Jordbruksmark och Extensiv vall vara dränerade, tillsammans utgör dessa ca 15 % av ytan. Figur 5-5 Svartåns delavrinningsområden i HYPE-modellen. Det rödmarkerade området och de gråmarkerade områdena har använts för lokala modellstudier i projektet. 12

17 Figur 5-6 Fördelning av markanvändning i S-HYPE-modellen för Svartåns avrinningsområde (uppström Örebro). 5.3 HEC-RAS och dess koppling till HBV Tre HEC-RAS-modeller har satts upp för de större sjöarna/översvämningsområdena i Svartåns avrinningsområde. Dessa är, i riktning nedströms: Sträcka 1 från sjön Toften till Hasselfors, Sträcka 2 från sjön Teen till Backa Sträcka 3 från Hidingebro till Karlslund. Modellerna är uppsatta i system Sweref 99 TM, RH2000. Se Figur 5-7 för indelning av hydrauliska modeller i Svartån. Ingen HEC-RAS-modell har satts upp för sträckan Backa - Hidingebro vilken utgörs av delområde Hidingebro_2 i HBV-modelluppsättningen, då den saknar både sjö och större översvämmade områden vid högflöden. 13

18 Figur 5-7. Uppsatta hydrauliska delmodeller och större invallade områden (kallat översvämningsområden) längs Svartån. Åfåran i form av bottendata, dämmande strukturer och råhet har importerats från en befintlig MIKE 11-modell uppsatt av DHI 2013, som i sin tur bygger på den MIKE 11-modell SMHI satte upp för Svartån 2001 (MSB, 2013). Till den ursprungliga modellen har ny terrängdata från Lantmäteriets nya nationella höjddatabas i form av 2m-grid använts för uppdatering av modellens geometri. Befintlig MIKE 11-modell (DHI) är redan kalibrerad med avseende på råhet med +- 0,2 m noggrannhet vilket anses vara fullt tillräckligt för detta uppdrags syfte. Därmed har ingen ny kalibrering gjorts. HEC-RAS-modellerna har kontrollerats och jämförts med befintlig MIKE 11-modell, därför att HEC-RAS och MIKE 11 löser de hydrauliska beräkningarna på något olika sätt. Kontrollen visar att HEC-RAS- och MIKE 11-modellerna ger likvärdiga resultat. De sjöar och översvämningsområden som studeras utgör magasinsvolymer och definieras i HEC-RAS-modellen som Storage Area (SA). Volymen för respektive område tas fram i ArcGIS utifrån NNH (Nationell höjdmodell). För volymer under vattennivån (i sjöar) vid skanningstillfället görs antaganden om bottendjup och area. I fallet Toften har djupkurvor från gamla sjömätningar använts som batymetri. Magasinsvolym och avbördningskurva för respektive sjö/översvämningsområde tas fram i HEC-RAS och används i HBV-modellen för att studera den flödesdämpningseffekt som råder vid befintlig situation. I HEC-RAS och HBV kan avbördningskurvan justeras för att efterlikna olika regleringsstrategier. Ingående beskrivning av respektive delsträcka görs i följande avsnitt. 14

19 5.3.1 Sträcka 1 Toften - Hasselfors Sjön Toften utgör magasinet på denna delsträcka. All magasinering förutsätts ske i sjön. Dammen Toften övre utgör dämmande sektion och styr nivån i Toften. Avbördningskurva för dammen Toften övre har hämtats från MIKE 11-modellen, transformerats till RH2000 samt modifierats så att vid vattenföringar lägre än 40 m 3 /s (ungefär storleken av HQ10) hålls ytnivån uppströms dammen till någon rimlig nivå mellan sänkningsgräns och dämningsgräns. Den ursprungliga avbördningskurvan bygger på att alla utskov är öppna oavsett flöde, vilket ger för låg nivå i Toften vid flöden under HQ10. I verkligheten hålls ytan uppe, över sänkningsgränsen, vid låga flöden. I experiment som beskrivs senare användes att samband där utflödet stryps till 30 m 3 /s. Se Figur 5-8 för Toftens avbördningskurva. För Toften är sänkningsgränsen, SG = m och dämningsgränsen, DG = m (RH2000), enligt de dammprotokoll som användes vid översvämningskarteringen Då avbördningskurvan justeras fås nivåer i samma härad som observerade vattenstånd i Toften, strax uppströms kraftverksdammen (Station nr 1275 Toften W ). Observationerna justerades 25 cm uppåt i HBV användargränssnitt IHMS från höjdsystem RH70 till RH2000. Avbördningskurvan för Toftens utlopp tar alltså i beaktning de hydrauliska förluster som sker mellan Toftens utlopp och dammen Toften övre, denna läses av ur HEC-RAS (vid första sektionen nedströms magasinet (SA) Toften ) då modifierad avbördningskurva vid dammen används. Denna avbördningskurva kan sedan användas i HBV-modellen. Figur 5-8. Avbördningskurva för dammen Toften övre som reglerar Toften. Grön kurva visar avbördningskurvan vid helt öppna luckor vid alla nivåer i magasinet, röd kurva visar en modifierad kurva där magasinet antas hållas på nivåer över SG vid normala och låga flöden, denna anses beskriva dagens läge. Blå kurva visar sambandet modifierat så att en del vatten tappas ut initialt vid en tillrinningstopp, varvid magasinsnivån hålls nere, och tappningen stryps sedan till max 30 m 3 /s så länge ytnivån strax uppströms dammen är lägre än dämningsgräns, 76 m (RH2000). 15

20 Magasineringsvolym i Toften har beräknats genom att summera volymerna från GIS-analys av NNH-data (nivå vid skanningstillfälle +75,6) och Toftens batymetri (djupförhållanden) som kommer från äldre sjömätningar. Denna magasineringsvolym används i HBV-modellen, se Figur 5-9. Figur 5-9. Magasinkurva för Toften Jämförelse av flödesdämpning i Toften med HEC-RAS och HBV En jämförelse mellan flödesdämpningen, beräkningen av skillnader i tillrinnande och utgående vatten och magasinering, i Toften med HEC-RAS och HBV gjordes. Samma avbördningskurva och magasinstabell för Toften användes i HBV som i HEC-RAS, för att kontrollera att samma resultat fås. Tillrinningen till Toften beräknades med HBV-modellen. Resultatet i utflöde från Toften blir snarlikt med de båda modellerna, vilket är meningen, då samma volyms- och avbördningsbeskrivning för magasinet används Sträcka 2 Teen - Backa På denna sträcka dämpas flödet både i Teen och i översvämmade områden nedströms Teen. I HBV-modellen har ett magasin definierats som innefattar båda dessa områden och har förlagts vid Backa. Volymen för detta magasin har därför beräknats som summan av Teen och nedströms översvämmade områden, vid en given nivå i Teen. Volymen i nedströms översvämmade områden beror på flödet, som i sin tur kan härledas från nivån i Teen. Därmed fås ett samband mellan de två volymerna. Till detta volymsamband kopplas avbördningskurvan för Teen, som har härletts utifrån avbördningskurvan vid dämmande sektion vid Backa-dammen och tar i beaktning de hydrauliska förluster som sker mellan Teen och Backa. I HEC-RAS har två flödesserier från HBV lagts in som randvillkor, dels flöde ut från Toften samt dels en lokal tillrinning till sträckan Teen-Backa. Volymen för Teen har beräknats genom att summera volymerna från GIS-analys av NNHdata (nivå vid skanningstillfälle +66,2 möh) samt volym under +66,2 möh. Antagen sjöyta 6,07 km 2 på nivån +65,29 möh och bottendjup 10 m, med hänsyn tagen till varierande sjöyta 16

21 med varierande djup. Djupet 10 m är ett antaget djup som inte har någon betydelse för beräkningar så länge det är tillräckligt stort. Avbördningskurvan för Teen/Backa övre har ej modifierats i de hydrauliska experimenten. Magasinstabell för området visas i Figur 5-10 och avbördningskurva för Backa övre visas i Figur Volymen innefattar både sjön Teen och nedströms belägna icke-invallade markområden. Figur Förhållande mellan vattenstånd och volym (volymkurva) för sträckan Teen - Backa. Figur Avbördningskurva för Teen 17

22 5.3.3 Sträcka 3 Hidingebro Karlslund På denna sträcka översvämmas vid höga flöden två större områden omfattande framför allt jordbruksmark och sjön Tysslingen. I uppströmsdelen av modellen, i närheten av Hidingebro, är det framför allt invallad jordbruksmark på båda sidor om Svartån som översvämmas. På denna sträcka är de många invallade områdena beskrivna som tre större invallade magasinsområden ( Östa, Hidinge, Granhammar ). I nedströmsdelen, vid Tysslingen, är det jordbruksmark och sjön Tysslingen norr om Svartån som översvämmas vid höga flöden. Området söder om Svartån beskrivs av ett invallat magasineringsområde, Hyltran. Från Tysslingen rinner ett biflöde till Svartån. Därför har två vattendrag definierats i HEC-RASmodellen, dels Svartån sträckan Hidingebro Karlslund och dels kanalen från Tysslingen ner till nedströmssidan av Lindbacka, där kanalen mynnar i Svartån. Området norr om befintlig vall längs Svartån beskrivs av ett magasinsområde innefattande själva sjön Tysslingen. Kopplingen mellan Svartån och magasinet/jordbruksmarken/tysslingen sker dels via en 3 km lång lateral struktur, där vattnet kan rinna åt båda håll mellan vattendragen, och dels via Kanalen som löper längs med Svartån till förbindelsepunkten vid Lindbacka nedströms den utrivna dammen i Svartån där dämning från Svartån påverkar avrinningen från Tysslingen och ytterligare bidrar till dämpning. Figur 5-12 visar det system av vattendrag och översvämningsytor som har lagts in i hydraulisk modell. Figur 5-12 Modellerad delsträcka av Svartån från Hidingebro till Karlslund med de vallar, översvämningsområden och vattendrag som ingår. I HEC-RAS har tre flödesserier lagts in som randvillkor: dels flöde ut från Teen-Backa (hämtas från HBV), dels lokal tillrinning till sträckan Hidingebro-Karlslund, och dels tillrinning till Tysslingen. 18

23 Modellversioner av sträcka 3 med olika invallningsbeskrivning På sträckan Hidingebro Karlslund finns de största arealerna invallad jordbruksmark, se Figur 5-7. På denna sträcka prövades översvämning/flödesdämpning på jordbruksmark kontra till stor del invallning av Svartån. För detta sattes fem olika modellversioner upp. Modell (A): I en modelluppsättning (A) efterliknades dagens vallhöjd mot områdena Östa, Hidinge, Granhammar, Hyltran och mellan Svartån och Tysslinge-grenen så gott som möjligt enligt höjdinformation i NNH. Modell (B): I en modelluppsättning (B) antogs höga vallar, vilka ej översvämmas vid någon flödessituation, finnas längs i princip hela sträckan Hidingebro till Lindbacka. De fyra områdena Östa, Hidinge, Granhammar och Hidinge antas därmed vara invallade jordbruksområden vilka aldrig översvämmas eller dämpar flöden. Modell (C): I en modelluppsättning (C) antogs inga vallar alls. De invallade jordbruksmarkerna tilläts svämma över när nivåerna i Svartån överstiger naturlig marknivå. Modell (D): I en modellversion (D) anpassades vallhöjderna så att dessa ej överströmmas vid flöden i storleksordningen HQ5, medan högre flöden övertoppar vallarna. Modell (E): I en modellversion (E) anpassades vallhöjderna så att dessa ej överströmmas vid flöden i storleksordningen HQ10, medan högre flöden övertoppar vallarna. 19

24 Förändringarna i modell (D) och (E) gjordes bara på invallningarna av de generaliserade områdena Östa, Granhammar och Hidinge, strax nedströms Hidingebro. I övrigt (mot Tysslingen och mot område Hyltran ) sattes vallarna enligt modell (A). Magasinstabellerna för de olika invallningsområdena redovisas i en bilaga. För alla varianter utom C, inga vallar, antogs pumpning av översvämmad jordbruksmark med 2 l/s/ha, en bild på en pumpstation ämnad att lyfta vatten från jordbruksmarken till Svartån syns i Figur 5-13). Det avbördningskurvan för Karlslund som genomgående använts i beräkningarna med hydraulisk delomodell 3 visas i Figur I alla invallningsfall antogs normal reglering av Toften (dvs den generella avbördningskurva som ger nivåvariationer i Toften i samma härad som historiskt observerade) och ej invallade områden på sträckan Teen Backa Övre. Figur 5-13 Pumpstation för att lyfta vatten över vall, Spångakärret, Svartåns norra strand (foto: Joel Dahné). Figur Avbördningskurva för Karslunds damm. 20

25 6 Experiment och resultat Detta stycke beskriver de experiment som gjorts med HYPE, HBV och HEC-RAS samt resultat från dessa. I de experiment där dräneringens påverkan på flöden och läckage undersöks har HYPE-modellen använts medan HEC-RAS och HBV-modellerna har använts i de experiment där olika invallningsalternativ har testats. Följande har undersökts: Olika vallhöjders effekt på översvämningsfrekvens och flödesdämpning på invallad jordbruksmark i områdena nedströms Hidingebro Jämförelse av invallad mot ej invallad jordbruksmark i områdena nedströms Hidingebro med avseende på översvämningsfrekvens och flödesdämpning Flödesdämpning i Toften vid HQ10, HQ50, jämförelse mot invallad jordbruksmarks flödesdämpande effekt HQ10 effekt nedströms Tysslingens mynning i Svartån Kontrollerad avbördning genom särskilt överfall till jordbruksmark resulterande flödesdämpning Effekter på ytnivåer och vattenföring av hypotetisk tvåstegsdikning av Svartåns huvudfåra Beräkning av area med mättad rotzon, sekundär översvämning Klimatkänslighet, förändring av historisk flödesserie enligt framtida klimatscenarier Näringsämnesläckage och flöde beroende på dräneringsgrad Försök med variabelt dräneringsdjup i HYPE-modellen Näringsämnesläckage och flöde beroende på marktyp 6.1 Invallningar/flödesdämning Historiska 10-årsflöden och 5-årsflöden Det kan vara av intresse att motverka översvämning på åkermark vid flöden upp till storleken av ca HQ10. Ännu högre flöden kan sannolikt vara svårt att praktiskt skydda sig mot, då det handlar om mycket stora vattenvolymer. En tioårshändelse, tex ett 10-årsflöde, är en händelse med sannolikhet 1/10 (10 %) att inträffa eller överträffas varje år. Över tid är den ackumulerade sannolikheten 65 % att en sådan händelse inträffar eller överträffas 1 gång på tio år. På hundra år är motsvarande sannolikhet 100 %. Tabell 6-1 visar beräknade karakteristiska vattenföringar vid viktiga platser i Svartån, framtagna med statistiska hydrologiska metoder baserat på observationer under 1900-talet. Tabell 6-1. Statistiska flöden vid några platser i Svartån enl. SMHIs flödesstatistik. MQmedelvattenföring, MHQ-medel av årshögsta vattenförening, HQX-vattenföring med återkomsttiden X. MQ MHQ HQ5 HQ10 HQ25 HQ50 HQ100 Utlopp Teen Backa övre Hidingebro Tysslingen Karlslund

26 Om uppmätt vattenföring genom Karlslund under perioden 1961 till 2012 som används för kalibrering av HBV-modellen studeras ser man att högre flöden inträffat vid följande tillfällen: mars - maj 1977 (HQ50) mars 1978 (HQ5 -HQ10) maj 1985 (HQ5) mars 1997 (HQ5) november 2000 (HQ10) februari 2002 (HQ5) februari 2004 (HQ10) januari 2013 (HQ10 HQ25) Innan observationerna vid Karlslund startade (1974) beräknas höga tillrinningar vid följande tillfällen: Jan 1970 (HQ10) Mars 1967 (HQ5 HQ10) Maj 1966 (HQ50) Statistiskt HQ5 HQ10 har alltså inträffat ca 10 gånger under 50 år. Den statistiska ackumulativa sannolikheten att en 10-årshändelse inträffar eller överträffas på 50 år är ca 99 %. Vanligtvis är varaktigheten på dessa flödestoppar ca 10 dagar, men vid några tillfällen har volymen av den tillrinnande hydrografen varit större, varaktigheten av högre flöden har varit ca 40 dagar, 1967, 1970 och 1985, se Figur 5-1, enligt HBV-modellens beräkningar. Dessa flödestillfällen har använts vidare för tester av olika reglering av Toften och invallning längs Svartån. Flöde [m 3 /s] Dagar Figur 6-1. Vattenföring genom Karlslund vid flödestopparna år 1967, 1970, Dessa hydrografer är inte ovanliga för händelser med 5 10 års återkomsttid. Under dygn är vattenföringen större än MHQ (56 m 3 /s). 22

27 Dämpning av högflöden jordbruksmark mellan Karlslund och Hidingebro För att undersöka dämpningseffekten av översvämmad jordbruksmark prövades några olika fall. På sträckan Hidingebro Karlslund finns de största arealerna invallad jordbruksmark. På denna sträcka prövades översvämning/flödesdämpning på jordbruksmark kontra till stor del invallning av Svartån. Flödesdämpningen, skillnaden i vattenföring, har jämförts strax nedströms invallningsområden Ganhamra, Östa och Hidinge dvs uppströms Tysslingens utlopp i Svartån. Detta för att isolera dämpningseffekten på tydligt avgränsade, invallade jordbruksområden utan att dämpningen i det stora, diffusa området Tysslingen tas med i jämförelsen. Den faktiska dämpningen och inverkan på totalflödet i Karlslund är ju dock samma som om jämförelse längre nedströms gjorts. Figur 6-23visar vallar, vattendrag och översvämningsområden i modellen samt den punkt där jämförelse mellan de modellerade alternativen avseende flödesdämpning har gjorts. Figur 6-2 I figuren visas den punkt, uppströms översvämningsområdena Tysslingen och Hyltran, vid vilken jämförelse av flödesdämpning har gjorts för de modellerade alternativen. Resultaten av förändrad vattenföring, eller flödesdämpningen, i Svartån beror av vallhöjd (se stycke ), flödesfall och tillgänglig volym i terrängen för magasinering av vattenvolymen i flödestoppen. För att en magasinering på åkermark effektivt skall dämpa en flödestopp krävs att flödestoppen inte är för stor, så att tillräcklig volym vatten kan lagras i terrängen. Det invallade området fylls därmed upp under den tid flödesmax passerar, varvid flödet dämpas. Om flödestoppen är större än vad som kan magasineras blir den totala dämpningen ganska marginell, dock minskas den initialt innan den nått sitt maximum. Se exempel i Figur 6-3, här visas 1967 års högflöde nedströms invallningsområdet vid Hidingebro. Flödet är av storleksordningen HQ10. Vid fall (C), inga vallar, fås något lägre 23

28 vattenföring än i fall (B), höga vallar. Detta beror på att en liten volym av flödestoppen magasinerar i omgivande terräng i fall (C). Denna volymspotential fylls dock initialt upp då inga vallar skyddar mot detta, därför är dämpningseffekten ganska liten. Vid fall (D), vallar avsedda att skydda jordbruksmark mot HQ5, fås överströmning av vallarna och en ganska markant flödesdämpning, ca 20 %. I fall (A) befintliga/dagens vallar, fås flödesdämpning initialt, men maxflödet minskas ganska lite, beroende på att volymen bakom vallarna snabbt fylls upp, efter det fås en flödesdämpning i samma storlek som om ingen invallning fanns. I fall (E), vallar avsedda att skydda mot HQ10, fås endast en liten överströmning och därmed endast en mindre flödesdämpning. I detta fall ger alltså vallar för skydd mot HQ5den mest effektiva flödesdämpningen. Figur 6-3. Vårflödet Dämpning (vattenföring) i de olika invallningsfallen, övre figuren. De nedre figurerna visar översvämningsarea respektive volym i magasinen. Figur 6-4 visar ett exempel på när flödet, i detta fall en vattenföring i storleken av HQ5, 50 m 3 /s vid Hidingebro (novemberflödet 1974), dämpas effektivas av den invallning som motsvarar Dagens invallning (A). För höga vallar (B), sker ingen dämpning, ej heller i fall (E), vallar anpassade för att skydda vid HQ10, eftersom vallarna i dessa fall är så höga att vatten ej rinner över dem. I fall (D), HQ5-vallar fås en liten övertoppning vilken syns som en liten volym/area i de nedre figurerna under maxflödet. I fallet utan vallar (C) fylls jordbruksområdena upp tidigt (påbörjas redan i början av oktober, ca 40 dygn innan flödestoppen, se mittenfiguren), och själva flödestoppen dämpas endast ca 5 % mot odämpade förhållanden, (övre figuren). I fallet (A) fylls istället de tillgängliga, dittills ofyllda, volymerna i jordbruksområdena upp när flödestoppen inträffar (nedre figurerna), varför en dämpning av 24

29 toppen med ca 10 % fås (övre figuren). I fall (A) fås en större översvämningsvolym men under kortare tid (nedre figuren) än i fall (C). Fall (C) ger betydligt större översvämmad area än fall (E) trots att båda dessa vallar är dimensionerade för ungefär HQ5 och trots att översvämningsvolymen är större i fall (E). Skillnaden beror på att det stora översvämningsområdet Hidinge ej översvämmas i fall (E), istället fylls översvämningsområdet Granhammar upp i större utsträckning, vilket ger en effektivare utnyttjande av tillgängliga volymer. I övriga fall fås ingen översvämningsvolym, då vallarna ej överströmmas. Area och volym mellan fallen verkar inte korrelera i figurerna, vilket beror på att de olika magasinen fylls upp i olika skeenden, och olika magasin har inte samma volym/area-förhållande. Figur 6-4. Exempel på ett högflödes (1974) dämpning vid olika invallningsfall. Övre figuren visar vattenföring nedströms invallningsområdena ( Granhammar, Östa, Hidinge ). Flödesdämpningen är störst i fallet (A) Dagens invallning och minst i fallen med höga vallar. De nedre figurerna visar översvämningsarea respektive volym i magasinen. Figur 6-5 visar ett exempel på ett lägre flödesfall (storleksordningen MHQ) när dämpningen på omgivande mark (i fallet utan vallar) har större betydelse än i högre flödesfall. Drygt 10 % dämpning fås. I de övriga fallen är vattenföringen den samma eftersom inga vallar överströmmas. 25

30 Figur 6-5. Flöde i storleksordningen MHQ i de olika invallningsfallen. Fallet utan vallar dämpar effektivast, drygt 10 %. Figur 6-6 visar 1977 års flödessituation, den högsta uppmätta, och dess dämpning vid de olika hypotetiska invallningsfallen. HQ10-vallar, fall (E), ger störst dämpning men inte mer än knappt 10 %. Dagens vallar ger ungefär samma resultat, fall (D), HQ5-vallar ger något mindre dämpning. Att de olika fallen ger ungefär samma dämpning beror på att volymen i toppen är så pass mycket större än den tillgängliga volymen bakom vallarna. Magasinen fylls upp tämligen snabbt och lyckas aldrig helt magasinera toppflödet. I grafen över area ser man dock att varaktigheten för översvämningen varierar mycket mellan de olika fallen. Figur års vårflöde. Flöde nedströms invallningsområdet i olika invallningsfall överst. De nedre figurerna visas översvämmad area och magasineringsvolym. 26

31 Dämpningseffekt för samtliga valluppsättningar och testade flöden har sammanställts i Tabell 6-2 nedan. Tabellen visar tillrinningen till Hidingebro uppströms invallade områden, och den dämpning som sker på flödet nedströms invallade områden, för de fyra flödeshändelserna ovan och samtliga valluppsättningar. Tabell 6-2 Tillrinning är markerad med grått, och dämpningseffekten angiven som negativa absolutvärden MHQ HQ5 (1974) HQ10 (1967) HQ100 (1977) [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 /s] Tillrinning 39,3 55, ,5 Inga vallar -2,6-3,9-0,7-3,7 Höga vallar HQ5 vallar - -0,3-12,7-5,0 HQ10 vallar ,4-11,0 Dagens vallar - -8,7-6,5-9,0 Kartering har gjorts av höstfloden 1974 och visas i Figur 6-7 på nästa sida års flöde har valts då det ligger strax över ett HQ5, men under ett HQ10, för att på så sätt tydliggöra skillnader i översvämmad area mellan fall (A)-(E). Vid flöden högre än HQ10 blir översvämningsareorna i princip identiska för samtliga fall. Fallet med höga vallar har utelämnats då det inte ger någon översvämning. I figuren har fallet med HQ10-vallar lagts som övre lager och fallet med inga vallar lagts som undre lager, enligt den ordning som anges i teckenförklaringen. Detta har gjorts för att HQ10- vallarna ger minst översvämning och fallet med inga vallar ger störst översvämning. Detta innebär i princip att ett område som översvämmas med HQ10-vallar också översvämmas av alla andra fall, medan ett område som översvämmas vid dagens vallar också översvämmas vid inga vallar. Tysslingen har markerats i figuren för att belysa vilka delar av Tysslingen-området som är jordbruksmark, och vilka delar som kan räknas som sjöyta. Sekundär area har inkluderats i karteringen och markeras med streckade fält enligt samma färgordning som primär area. Vad som avses med sekundär översvämning diskuteras i stycke

32 Figur 6-7 Kartan visar översvämmade områden, uppdelade i primär och sekundär area, vid höstfloden 1974 för samtliga testade fall. 28

33 Långtidssimulering av flödesdämpning och magasinering på jordbruksmark med olika vallhöjder För att undersöka frekvensen och varaktighet av översvämningarna vid de olika invallningsfallen simulerades tillrinningen under åren med den HEC-RAS. Detta gjordes för samtliga modellfall (A) (E). I modellfall (B), mycket höga vallar, översvämmas naturligt nog aldrig de invallade områdena och minst flödesdämpning av alla fall fås därmed. I modell (A), befintliga/dagens vallar, översvämmas vallarna vid ett 20-tal tillfällen under 50-årsperioden. Eftersom vatten i dessa fall magasineras bakom invallningarna fås en liten flödesdämpning jämfört med då höga vallar simuleras. Vattenflödet rinner över till jordbruksmarken där vattenvolymen stannar istället för att fortsätta nedströms, därav flödesdämpningen. I modell (C), utan invallningar, översvämmas jordbruksmarkerna frekvent. I Figur 6-8 visas frekvensen och volymstorleken av översvämmad jordbruksmark i fallen med befintliga och obefintliga vallar. Figur 6-8. Nederst frekvens och volymstorlek av översvämmad jordbruksmark med befintliga, fall (A), röd linje, och obefintliga invallningar, fall (C), grå linje. Överst vattenföringen i de båda fallen nedströms invallningsområdena. I modell (D) översvämmas vallarna (strax nedströms Hidingebro) markant endast då flödestopparna överstiger ungefärligt HQ5. Detta sker under 50-årsperioden vid 6 tillfällen, jämför historiska flödeshändelser, avsnitt I modell (E) översvämmas vallarna (strax nedströms Hidingebro) endast då flödestopparna överstiger ungefärligt HQ10. Detta sker under 50-årsperioden vid 3 tillfällen, jämför historiska flödeshändelser, avsnitt Figur 6-9 visar antalet översvämningar och dess volymer i fall (D) och fall (E). Man ser att vallar dimensionerade efter både HQ5 och HQ10 skyddar mot de allra flesta händelserna, för HQ5 räcker dock inte höjden till för två höga flödena 1985 och HQ10-vallarna skyddar också bättre mot de två höga flödarna 1967 och 1970 då de endast överströmmas måttligt, för de två högsta fallen är det lite skillnad mellan de två fallen av vallar. 29

34 Figur 6-9. Nedre figuren: frekvens och volymstorlek av översvämmad jordbruksmark med vallar designade för att skydda omgivningen mot HQ5, fall (D), grå linje, respektive HQ10, fall (E), röd linje. Övre figuren visa vattenföringen nedströms invallningsområdena. Resultaten från simuleringsserierna kan användas för analys av tex varaktighet av översvämmad jordbruksmark, skillnader i frekvens av översvämmad jordbruksmark vid olika invallningar, etc. I Tabell 6-3 summeras som exempel antal gånger då en areal på 500 respektive 1000 ha översvämmats i de olika modellfallen. I tabellen redovisas den sekundärt översvämmade arean, det är den area i magasinen som är under vattennivån +3dm. Detta diskuteras mer i stycke Tabell 6-3. Summering av tillfällen då 500 respektive 1000 ha mark översvämmas i de olika invallningsfallen under perioden Tabellen redovisar också antal dagar med översvämmad mark under samma period. Värden för både helåret och sommarhalvåret (april september) redovisas, dessa anges som helår/sommarhalvår. Vad som avses med sekundär översvämning diskuteras i stycke Antal händelser Dagar med översvämning Primär Sekundär Areal >500ha >1000ha >500ha >1000ha >500ha >1000ha Dagens vallar (A) 11/7 2/2 304/195 48/48 569/362 60/60 Inga vallar (C) 49*/21* 5/4 1008/422 45/ / /134 Höga vallar (B) 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 Vallar enl. HQ5 (D) 6/4 5/4 149/118 44/41 180/137 95/83 Vallar enl. HQ10 (E) 2/2 2/2 69/69 33/33 95/95 54/54 *Siffran beroende på hur man räknar i tid närliggande toppar. 30

35 Sekundär översvämningsareal Vid översvämningar blötläggs rotsystemet då vatten infiltrerar jordbruksmarken. Även vid ej direkt översvämmad mark kan rotsystemet blötläggas. Långvarig blötläggning av rotsystemet kan dränka grödorna varför det kan vara intressant att undersöka risk för indirekt översvämmad mark s k sekundär översvämmad area. För att beräkna sekundär översvämmad area har den ytutbredning som motsvarar en nivå 0.3 m över vattennivån i magasinet tagits fram. Den primära översvämningsarean har sedan subtraherats från denna så att endast den yta där rotsystemet riskerat att blötläggas trots att ingen direkt översvämning inträffat blir kvar (se Figur 6-10). Figur 6-10 Primär och sekundär översvämmad mark. I den sekundärt översvämmade marken som definieras som den areal som ligger maximalt 0.3m över vattennivå riskerar växternas rotsystem att dränkas. Sambandet mellan vattennivå och primär respektive sekundär översvämmad area har tagits fram för samtliga översvämningsområden och presenteras nedan i Figur 6-11 till Figur Då magasinen ligger på olika nivåer, och Svartåns vattennivå varierar längs med översvämningsområdena kan inget entydigt samband ges mellan vattennivån och den summerade sekundära arean för alla magasin. I figurerna nedan läses primär area av på den nedre x-axeln, och sekundär area på den övre x-axeln. Exempelvis så ger en vattennivå på +43 i Granhammar en primär area på ca 280 ha och en sekundär area på ca 150 ha, vilket ger en total area på 430 ha för vilken växtligheten kan ta skada. Figur Primär och sekundär översvämmad mark (i ha) som funktion av vattennivån, för översvämningsområdet Granhammar. Observerat att primär och sekundär area avläses mot olika x-axlar. 31

36 Figur Primär och sekundär översvämmad mark (i ha) som funktion av vattennivån, för översvämningsområdet Hidinge. Observerat att primär och sekundär area avläses mot olika x-axlar. Figur Primär och sekundär översvämmad mark (i ha) som funktion av vattennivån, för översvämningsområdet Östa. Observerat att primär och sekundär area avläses mot olika x- axlar. 32

37 Figur Primär och sekundär översvämmad mark (i ha) som funktion av vattennivån, för översvämningsområdet Tysslingen. Observerat att primär och sekundär area avläses mot olika x-axlar. Figur Primär och sekundär översvämmad mark (i ha) som funktion av vattennivån, för översvämningsområdet Hyltran. Observerat att primär och sekundär area avläses mot olika x-axlar. Generellt är den sekundära arean i förhållande till primär area som störst när nivåerna i översvämningsområdena är låga eftersom översvämningsområdena där är som flackast. Maximal sekundär area inträffar omkring 1 m ovanför områdenas lägstanivåer, då primär area är stor, samtidigt som området är flackt och därmed ger en stor ytutbredning för den sekundära arean. För Tysslingen-området ingår Tysslingens sjöarea i sambandet, vilket ger ett något missvisande samband för nivåer i närheten av sjöns nivå. I takt med att nivån stiger i översvämningsområdena blir terrängen allt brantare, vilket kan avläsas på kurvorna för primär area. Sambanden har redovisats upp till den nivå där sekundär area i princip är noll, dvs där total area i vilken växtlighet skadas är densamma som primärt översvämmad area. 33

38 Dämpning av tillrinning till Karlsund, HQ10 Som exempelsituation studeras här ett flödesfall i kategorin HQ10, vårflödet 1970, då toppflödet beräknas genererat ca 80 m 3 /s, i april, enligt HBV-modellen utan särskild beskrivning av dämpningen i invallningsområdena och i Tysslingen. HQ5 beräknas för Karlslund till drygt 70 m 3 /s. HQ10 beräknas till drygt 80 m 3 /s. I detta fall observeras alltså skillnaderna vid olika invallning nedströms Tysslingens anslutning, vattnets magasinering i alla fem invallningsområden samt Tysslingens inverkan på den totala dämpningen. Jämförelsepunkten för flödesdämpningen visas i Figur 6-18 nedan. Figur 6-18 Figuren visar den punkt där jämförelse mellan olika alternativ gjorts för att beskriva flödesdämpningen i Tysslingens översvämningsområde. Då fallet (C) utan vallar simuleras fås en dämpning av tillrinningen med drygt 30 m 3 /s, från ca 105 till 75 m 3 /s. Då fallet med mycket höga vallar (B) som aldrig överströmmas simuleras fås något mindre dämpning av tillrinningen, ca 25 m 3 /s till 80 m 3 /s. I fall (A), Befintliga vallar fås en markant dämpning på ca 50 m 3 /s, se Figur 5-12, så att drygt 55 m 3 /s passerar Karlslund. Vid denna tid finns ingen observerad vattenföring i Karlslund. I och med att Tysslingens funktion är ganska osäker, och att befintlig vallhöjd är satt endast utifrån höjdmodellen är den laterala strömningen från Svartån till Tysslingen-grenen och dämpningen i Tysslingen och totala utflödet vi Karlslund i detta fall osäkert. En annan osäkerhet utgörs av kanalen som går parallellt med Svartån och har som funktion att avleda vatten från Tysslingen och närliggande dikningsföretag till Svartån nedströms Lindbacka. Kanalens utformning har tolkats utifrån höjddata. Tysslingens dämpande förmåga kan därför vara överskattad. Simuleringarna visar att olika vallhöjder kan dämpa ut flödestopparna mycket olika, och att det i detta fall ger betydligt större dämpning med vallar än då inga vallar alls simuleras, eftersom tillgänglig volym i Tysslingen tidigt fylls upp från Svartån i flödeshändelserna i det senare fallet (se blå och röd kurva i Figur 6-16). 34

39 Det är heller ingen stor skillnad i dämpning då inga vallar simuleras mot då höga vallar simuleras vilket kan tyckas förvånande. Den tillgängliga volymen i Tysslingen-området fylls tidigt upp i fallet utan vallar (se blå och gul kurva Figur 6-16). Hydrografen för inga vallar underskrider kraftigt hydrografen för höga vallar i början av vårfloden, varvid magasinsvolymen hastigt fylls upp. Detta innebär att när maximal tillrinning väl sker finns det mycket lite magasinsvolym kvar i Tysslingen-området vilket innebär att slutlig dämpning blir marginellt låg. Detta kan jämföras med dämpningen av fallet med befintliga vallar som påbörjas senare under vårfloden (se röd och gul kurva i Figur 6-16), vilket innebär att större magasinsvolymer finns att tillgå när maximal väl tillrinning sker. Det bör nämnas att modellen ej gör anspråk på att i detalj beskriva verkliga förhållanden i Svartån och Tysslingen. Figur 6-19 Tillrinning uppströms Karlslund, utflöde genom Karlslund vid modellerade höga invallningar, obefintliga vallar respektive invallning längs Svartån som det ser ut idag ungefärligen. Resultat från HEC-RAS-modellen. Dämpningseffekt för inga vallar, höga vallar respektive dagens vallar för vårfloden 1970 har sammanställts i Tabell 6-4 nedan. Tabellen visar total tillrinning från HBV-modellen, och den sammanlagda dämpning som sker genom magasinering i Tysslingen och invallade översvämningsområden. Tabell 6-4 Tabell med dämpning vid HQ10 för olika invallningsalternativ. Tillrinning är markerad med grått, och dämpningseffekten angiven som negativa absolutvärden. HQ10 (1970) [m 3 /s] Tillrinning 105 Inga vallar -30 Höga vallar -25 Dagens vallar

40 Dämpning av tillrinning i Toften, HQ50 Ungefär 40 % av Svartåns avrinningsområde uppströms Karlsund ligger uppströms Toftens utlopp, det vill säga en ganska stor del av flödestillskottet till Svartån genereras uppströms Toften. Beräknat HQ10 till HQ100 är ca hälften vid Toftens utlopp mot vid Karlslund. Därför kan det vara intressant att undersöka om det är möjligt, åtminstone teoretiskt, att magasinera och flödesdämpa i Toften genom att strypa utflödet under en tillrinningstopp. Rent praktiskt behöver man förstås ta hänsyn till de vattendomar som finns för att kunna genomföra en sådan åtgärd. Genom att magasinera mer i Toften kan toppflöden minskas nedströms men nivån i Toften höjs tillfälligt. För att simulera detta prövades tillrinningen vid den stora vårfloden 1977, den största uppmätta händelsen i Svartån. Flödet ur Toften var då ungefär i storleken av ett statistiskt HQ50 enligt SMHIs flödesstatistik. Avbördningskurvan vid dammen Toften övre modifierades så att tappning 30 m 3 /s sker mellan magasinsnivå 75 och 76.6 m, dvs magasinet tappas ur något mot ursprunglig avbördningskurva och en överdämning relativt DG antogs kunna göras, se Figur 5-8. På detta sätt magasineras tillrinning över 30 m 3 /s i Toften varvid dess ytnivå stiger, mer än 30 m 3 /s släpps ej genom dammen och maximal magasinsnivå (i Toften) på ca 76 m fås, se Figur River: Svartan Reach: utl_tof ten RS: Legend Stage (m) Stage _Toft_RC_MOD Stage _Qut_30_avs Mar77 Apr77 May77 Jun77 Jul77 Time Figur Ytnivå i Toften då den modifierade avbördningskurvan, vilken anses rimlig, används under 1977 års vårflod(prickad kurva) och då flödet stryps till max 30 m3/s och viss förhandstappning sker av samma flöde (slät kurva). Max nivå i Toften ca 76 m vid flödesdämpning mot ca 75.9 m då aktiv dämpning ej görs. Detta resulterar i att flödestoppen dämpas ut mer än då flödet genom dammen ej stryps, utflödet 30 m 3 /s fås under ca 30 dagar, i stället för en mer kortvarig flödestopp på ca 45 m 3 /s, se Figur Observera att då denna modifiering i reglering görs ökas tappningen och magasinet sänks av något under den mindre flödestoppen i mars som föregår den huvudsakliga flödestoppen i maj. Mellan nivå 75 m och 75.9 m finns en magasineringsvolym i toften på ca 18 miljoner m 3, jämför Figur 5-9, vilket alltså motsvarar den volym i tillrinningen till sjön som dämpas i sjön. 36

41 Figur Högflödet Tillrinning till Toften (blå kurva) och utflöde från Toften genom damm Övre Toften, då generell avbördningskurva ansätts (grön kurva). Svart kurva visar tappningen genom dammen då utflödet stryps till max 30 m 3 /s för ytnivåer strax uppströms dammen på DG = 76 m (RH2000). Denna minskning i toppflöde med ca 15 m 3 /s ur Toften ger motsvarande minskning av toppflödet vid Hidingebro under högflödet, från ca 105 m 3 /s vid den omodifierade avbördningskurvan vid Toften, till ca 90 m 3 /s, dvs en minskning av utflödet med knappt 15 %, se Figur Toftens areal vid normal avbördning då max nivån blir ca 75.9 m (samtidigt vid dammen är nivån 75.78) är beräknad till 20.8 km 2. Vid aktiv flödesdämpning fås nivån 76 m i Toften (nivå vid dammen = m) med resulterande ytarea på ca 21.6 km 2. Skillnaden i ytarea är alltså ca 0.8 km 2. Figur Vattenföring (m 3 /s) uppströms Jordbruksmarkerna kring Tysslingen och Vintrosa (Hidingebro) (HBV-område Nedlagd mätstation ) med olika dämpning i Toften av flödestoppen Med oförändrad tappning ur Toften ges utflöde enligt övre, tunnare kurva. Med aktiv flödesdämpning fås utflöde enligt nedre fetare kurva. Total minskning av toppflödet med ca 15 m 3 /s (vilket motsvarar en minskning på ca 15%). 37

42 Dämpning av flöden storleksordning HQ25 i Toften (HQ10 vid Karlslund) 1970 års vårflöde kan klassas som ett ungefärligt HQ10 vid Karlslund men snarare som ett HQ25 vid Toften, dvs en stor del av högflödet genererades uppströms Toften. För att jämföra dämpningseffekten av hypotetisk hög invallning, invallning enligt dagens förhållanden och helt oinvallade förhållanden med den flödesdämpning som teoretiskt skulle kunna göras i Toften, om dammkonstruktionen tillät med avseende på krönhöjd, prövades strypning av utflödet 1970 från Toften genom förändring av avbördningskurvan för befintlig damm. Dämpningssimulering av denna situation i Toften görs för att undersöka möjligheterna att stävja en högflödessituation Mellan Hidingebro och Karlslund längre upp i systemet. Då tillrinningshydrografen, med toppvärde ca 45 m 3 /s, når Toften tillåts alltså en avbördning på max 20 m 3 /s genom dammen, istället för knappt 40 m3/s som sker i den normala regleringen, varvid ytnivån i Toften däms kraftigt, till ca 76.3 m RH2000 (DG är för dammen m RH2000), se Figur River: Svartan Reach: utl_toften RS: Legend Stage (m) Flow (m3/s) Stage no reg. Stage Qmax = 20 m3/s Flow no reg. Flow Qmax = 20 m3/s Apr70 May70 Jun70 Time Figur Tappning (streckad grön kurva), strypt från knappt 40 till 20 m3/s, och ytnivå (blå kurva) i Toften vid antagande om hög reglerande damm, så att stor volym kan användas för dämpning av tillrinningen vd 1970 års vårflod. Därmed dämpas flödet till hälften i Toften, och detta får genomslag längre nedströms, vilket visas i Figur Invallningar med befintlig vallhöjd längs Svartån har använts i denna simulering. Tillrinningshydrografen till det invallade områdena uppströms Karlslund minskas genom dämpningen i Toften från drygt 90 till drygt 80 m 3 /s, ca 10 m 3 /s (från grön till blå kurva). Det minskade tillflödet dämpas ytterligare i de invallade områdena med ca 15 m 3 /s så att utflödet vid Karlslund blir drygt 65 m 3 /s (blå kurva). Därmed blir resulterande total dämpning 25 m 3 /s till följd av den ökade regleringen i Toften. Med normal avbördning i Toften fås ett utflöde i Karlslund på knappt 80 m 3 /s (grön kurva). Resulterande total dämpning i Karlslund är därmed ca 15 m 3 /s då Toften inte aktivt regleras (skillnaden i toppvärde mellan det gröna kurvparet i Figur 6-24). 38

43 Figur Det gröna kurvparet visar tillrinning och utflöde uppströms Karlslund vid normal reglering av Toften under vårflödet Det blå kurvparet visar tillrinning och utflöde uppströms Karlslund vid strypning av utflödet ur Toften till 20 m 3 /s. Vid båda simuleringarna används befintlig vallhöjd längs Svartån. Detta kan jämföras med den dämpning som fås på jordbruksmarken i de olika invallningsalternativen i stycke Med de effektivaste av de prövade vallalternativen (modell (E), vallar som skall skydda mot HQ10) för just denna vattenföring fås drygt 5 m 3 /s dämpning, drygt 5 %. Sannolikt skulle en effektivare dämpning för just detta flöde kunna fås med en vallhöjd någonstans mellan alternativ (D) och (E). Figur års flöde (storlek HQ10), dämpat med de olika invallningarna. Om man istället stryper till 30 m 3 /s utan förhandstappning minskar alltså utflödet med 10 m3/s, medan man får en max nivå i Toften på ca 75.9 m, se Figur Dämpningen blir då således närmare storleksordningen av dämpningen med den mest effektiva invallningen, men överdämningen blir inte lika kraftig som i fallet då utflödet stryps till 20 m 3 /s. 39

44 River: Svartan Reach: utl_toften RS: Legend Stage Qmax = 30 m3/s Stage no reg. Flow no reg. Stage (m) Flow (m3/s) Flow Qmax = 30 m3/s Apr70 May70 Jun70 Time Figur 6-26 Tappning (streckad grön kurva), strypt från knappt 40 till 30 m3/s, och ytnivå (blå kurva) i Toften vid dämpning av tillrinningen vd 1970 års vårflod.s Experimenten med dämpning i Toften visar att man med en relativt sett liten inverkan på sjöns ytnivå kan få samma dämpning som om man översvämmas nedströms jordbruksmark kraftigt. Det är rimligt att anta att det är effektivare att i första hand använda befintliga sjöar och dammar som flödesdämpare innan mark tas i anspråk för detta syfte. Allra störst flödesdämpning skulle förstås en kombination ge, speciellt då sjön regleras så att flödes nere vid de invallade områdena är precis det flöde som dämpats effektivast där. Dämpningen av vårfloden 1970 genom ökad reglering av Toften har sammanställts i Tabell Tabell 6-5 nedan. Tabell 6-5 Tillrinning, utflöde, dämpningseffekt samt resulterande ytnivåer för sjön Toften under 1970 års vårflod. Reglering Tillrinning till Toften [m 3 /s] Flöde ut ur Toften [m 3 /s] Dämpning [m 3 /s] Nivå Toften [RH2000] Ingen 46,5 38,8-7,7 +75,76 Qmax = 30 m 3 /s 46, ,5 +75,92 Qmax = 20 m 3 /s 46, ,5 +76,31 Dämpningen av vårfloden 1970 genom dämpning i översvämningsområden uppströms Tysslingen har sammanställts i Tabell 6-6 nedan och kan jämföras med den dämpning som uppnås i Toften, se Tabell 6-5 samt Figur

45 Tabell 6-6 Tillrinning är markerad med grått, och dämpningseffekten angiven som negativa absolutvärden. HQ10 (1970) [m 3 /s] Tillrinning 75,1 Inga vallar - Höga vallar - HQ5 vallar -1,8 HQ10 vallar -3,8 Dagens vallar Simulering av tvåstegsdiken Simulering av effekten av ett så kallat tvåstegsdike gjordes för Svartåns huvudvattendrag på sträckan mellan Gammelån och Kanalen vilken är ca 2 km lång, se Figur Denna sträcka beskrivs i den ursprungliga hydrauliska modellen av tre stycken tvärsektioner. Modellversionen med tvåstegsdiken är kompletterad med ett par tvärsektioner för att beskrivningen ska bli korrekt. Vallen mot Tysslingen är så hög att ingen koppling mellan Svartån och Tysslingen förekommer. I övrigt bygger geometri på modell (A), befintliga vallar. Figur 6-27 Tvåstegsdike simulerades i Svartån på sträckan markerad med svart mellan Gammelån och Kanalen. Lantmäteriet, terrängkartan. Tvåstegsdiken kan enligt rekommendationer (Jordbruksverket, 2013) dimensioneras efter tex MQ och HQ5 HQ50, dvs slänterna grävs ur så att allt vatten beräknas gå i den ursprungliga fåran vid vattenföringar lika med eller lägre än MQ. Vid vattenföringar mellan MQ och tex HQ5 går allt vatten i ursprungsfåran och de anlagda flodplanen, ej högre än så, varvid omgivande jordbruksmark skonas från översvämning vid dessa flöden. 41

46 Översvämningsplanens bredd bör anläggas så att dikets totala bredd uppgår till 3 till 5 gånger vattendragets bredd vid medelvattenföring enligt rekommendationerna. Medelvattennivån (MW) vid medelvattenföring (MQ = ca 10 m 3 /s) vid Hidingebro utgicks från. Slänterna fasades ner på så sätt att allt vatten beräknas gå i den ursprungliga fåran i det anlagda tvåstegsdiket vid vattenföringar lika med eller lägre än MQ. Vid flöden i storleken HQ5 (toppflöde ca 50 m 3 /s vid Hidingebro) och högre däms sträckan in längre nedströms ifrån med ursprunglig geometri, dvs vatten stiger över åfårans naturliga strandlinje i dagens utformning på grund av dämning nedströms. Överströmning av omgivande terräng utanför tvåstegsdiket sker även då sektionerna modifierats och breddats. Den tillkomna volymen i de konstruerade etagen räcker inte till för att magasinera flöden i storleken HQ5 och större, dvs flödessekvensen vid HQ5 HQ10 är av sådan magnitud att genomströmningsarean i huvudfåran samt den utökade genomströmningsarean ovan flodplanen är otillräcklig för att hålla ner ytnivåerna. Ytnivån mitt på sträckan är mellan 1 till 1.5 dm lägre för HQ10 respektive HQ5 och HQ2 i fallet med nedsänkta strandkanter. Detta ger i princip ingen dämpning alls av flödestopparna. I Figur 6-28 visas resultaten av simulerade HQ5-situationer med och utan förändrad modellgeometri, samt beräknad nivå vid MQ. Figur 6-28 Figuren visar geometrin i sektionen av Svartån mitt på den undersökta sträckan. Vallarna syns som stigningar i ändarna på sektionen. Rosa linje markerar ursprunglig (dagens) geometri medan den tänkta nedsänkningen vid anläggning av tvåstegsdike syns i den punktade svarta linjen. Rosa vågrät linje visar beräknad ytnivå vid HQ5 vid oförändrad geometri och blå linje visar ytnivå vid HQ5 med simulerade tvåstegsdiken. Ytnivåskillnaden är ca 15 cm. Grön linje visar ytnivå vid MQ, vilken är den samma med och utan förändring av geometrin 42

47 Diskussion kring resultaten av dämpningssimuleringarna Då jämförelser mellan simuleringar med någon typ av invallning kontra obefintlig invallning i områden Granhammar, Hidinge och Östa görs kan konstateras att viss flödesdämpande effekt fås i omgivande terräng utan vallar, mot vid invallade förhållanden då flödet är så pass lågt att vallarna ej överströmmas. Detta är väntat. Vid flöden i storleken MHQ rör det sig om drygt 10 % flödesdämpning. Vid höga flöden (HQ10) är dämpningsgraden mot höga vallar något mindre, knappt 10 %. Detta är alltså den ungefärliga negativa effekt som invallning av relativt stora områden, som i undersökta fall, har i Svartån. Det tycks alltså inte finnas någon större motsättning mellan invallning och höga flöden, i alla fall inte i Svartåns fall, däremot kan flöden av viss storlek dämpas om vallhöjd anpassas till dessa. Det visar sig att i många flödesfall (flöden runt HQ5) fås en effektivare flödesdämpning med dagens invallning (fall (A)) än utan invallning, vilket kan tyckas oväntat. Förklaringen är att i fallet utan vallar fylls tillgängliga volymer i terrängen till stor del upp under hydrografens stigande fas innan flödestoppen inträffar. Därmed finns mindre tillgänglig volym för magasinering av själva flödestoppen. I fallet med invallning kan dessa volymer däremot fyllas upp just under flödestoppen vilket resultaterar i en klippt topp, såvida vattenföringen ej är så stor att volymen bakom invallningarna ändå inte räcker till, skillnaden mot ej invallade förhållanden blir då liten. I de högre flödesfallen, typ HQ10 (tex 1967) fås effektivare flödesdämpning med någon typ av invallning eftersom det då finns volymspotential bakom vallarna som ej fylls upp initialt. I exemplen kan en flödesdämpning på ca 20 % fås med invallning. En slutsats är att det tycks vara svårt att få till betydande dämpning på jordbruksmark (längs Svartån), eftersom de tillgängliga volymerna är ganska små relativt de i större flödestoppar. Ett exempel på detta, jämför med figurer i avsnitt : Flödestopp höst 1974: ca 30 dygn från lågflöde till flödestopp, maxvärde 50 m 3 /s, toppen har en volym av 105 miljoner m 3 vatten. Magasinerad volym: ca 6 miljoner m 3 som mest (se Figur 6-4) / = 0,057, dvs ca 6 % av volymen i flödestoppen magasineras. Det är möjligt att det kan vara lättare att dämpa flöde i sjöar genom aktiv dämning i dessa. I Exemplet med Toften fås ca 15 % dämpning av flödestopp 1970 (ca HQ10 vid Karlslund) då hälften av flödet som når Toften stryps, mot drygt 5 % dämpning med den av de prövade varianterna effektivaste invallningen. Problemet är att en aktiv reglering måste göras och att man kan behöva dämma mer än vad dagens dämningsgräns och dammkonstruktion tillåter. Vattendomen har i detta projekt ej detaljstuderats men DG = möh har använts i tidigare studier. En strypning till 20 m 3 /s skulle ge en högsta nivå på ca 76.3 i Toften vilket ligger betydligt högre än DG och därför är orealistisk. Vid en strypning till 30 m 3 /s fås mer realistiska nivåer, ett par cm över DG, men strypningen i absoluta kubikmeter blir då endast 10 m 3 /s. Vid design av invallning skulle resonemanget kunna gå som i detta exempel: Jordbruksmark måste skyddas genom invallning! (Jämför simuleringarna med fall (C), utan vallar). Detta beräknas ge en flödesökning på tex 5-10 %. Anta till exempel att: Vid HQ5: inget problem för nedströms tätort 43

48 Vid HQ10: inget problem för nedströms tätort Vid HQ25: problem för nedströms tätort! Därför designas vallarna så att dessa övertoppas vid Q = något lägre än HQ25. Då lagras volymen i flödestoppen bakom vallarna och detta flöde dämpas maximalt. För flöden > HQ25 fås sämre dämpning desto högre flöde. Vid lägre högflöden (som utgör de flesta högflödesfallen) då vallarna ej övertoppas ökar flödena något, men detta är fortfarande inget problem för tätorten, däremot skonas jordbruksmarken. 44

49 6.2 Framtida klimat Ingen genomgripande analys av möjlig påverkan på flöden och näringsämnesläckage vid ett förändrat klimat har genomförts inom detta projekt. Från den klimatanalys som SMHI har utfört åt Länsstyrelsen i Örebro län (Länsstyrelsen Örebro län, 2011) finns dock en del information kring Svartån som kan vara värd att lyfta fram här. I rapporten har tidsserier på temperatur och nederbörd från 12 framtida klimatprojektioner nedskalerats till lokala förhållanden. Dessa tidsserier sträcker sig från 1961 till Tidsserierna har sedan använts som drivdata till HBV-modellen som har beräknat avrinning och flöden. Förändring av flöden har beräknats från slutet av seklet ( ) jämfört med en referensperioden ( ). Medianen av förändring i flöde till slutet av seklet för den ensemble av 12 projektioner som användes till klimatanalysen ligger för både MQ och HQ100 nära 0 %. Spridningen inom ensemblen ges av Tabell 6-7. I klimatanalysen beskrivs också hur säsongen för flödet kan komma att förändras. Det syns då en ganska tydlig förändring i det att vårflödet minskar och ersätts av en längre period med höga flöden under hela vintern, låga flöden sommartid kan komma att bli än lägre, se Figur Klimatanalysen redovisar ingen analys över ev. säsongsförkjutning av extremflöden. I och med det att vårflöden minskar verkar det troligt att även extremflöden i samband med vårfloden gör det. Detta skulle delvis kunna kompenseras av kraftigare nederbörds vilken förväntas i ett varmare klimat (klimatanpassningsportalen). Särskilt kraftig väntas intenstitetsökningen i sommarregn bli. Utan en utförlig klimatanalys är det svårt att genomskåda hur snösmältning och nederbörd samvarierar samt att se vilka effekterna på Svartån blir av kraftigare sommarregn. Tabell 6-7 Tabell på flödesförändring vid ett förändrat klimat, avläst från Länsstyrelsen Örebro län (2011). Ensembleresultat Förändring MQ [%] Förändring HQ100 [%] Median percentil percentil 5 10 Max Min

50 Figur Säsongsvariation av beräknad daglig vattenföring för Karlslunds kraftstation för samtliga framtidsscenarier av förändrat klimat. Svart kurva visar medelvattenföringen för varje dag på året under perioden och det grå fältet visar 75 percentilen och 25 percentilen för varje dags maximala resp. minimala värde under året. Den röda kurvan och det ljusröda fältet visar motsvarande för den beräknade framtida perioden, till vänster och till höger Figur från Länsstyrelsen Örebro län (2011). Baserat på resultaten från klimatanalysen genomfördes två känslighetsstudier. I den första ökades flödet in i den hydrauliska modellen med 10 % och i den andra minskades flödet med 10 %. Alternativen med vallar baserade på HQ5 prövades tillsammans med dessa flöden och frekvensen samt antal dagar med översvämning beräknades. Att alternativet med vallar baserade på HQ5 valdes beror på att vallarna baserade på HQ10 ansågs ge för få tillfällen med översvämning och att det då skulle vara svårt att se någon skillnad mot normalkörningen i känslighetsstudien. Figur 6-30 visar resultaten av simuleringen med ökade flöden (med 10 %) i modell (D), vallar anpassade för HQ5 tillsammans med resultaten från historisk flödesserie med modell (C), inga vallar, modell (D) och modell (E). I jämförelse med den historiska simulerade flödesserien övertoppas HQ5-vallarna markant vid ytterligare 3 tillfällen, totalt 9 gånger under 50- årsperioden. Volymen i de översvämmade områdena är större i varje händelse till följd av den ökade vattenföringen. 46