Hydrologi, grunder och introduktion Disposition Vattnets kretslopp och vattenbalans Mätningar Extremvärden och dimensionering Reglering och annan mänsklig påverkan
Vattnets kretslopp och vattenbalans Världens vattentillgångar ngar Source: UNESCO
Vattnets kretslopp Vattenbalansens huvudkomponenter Nederbörd Avdunstning Snö Markvatten Grundvatten Sjöar Avrinning
Vattenbalansen- vattnet i kretsloppet Vattenbalansekvationen P = Q + E + M P = nederbörd Q = avrinning E = avdunstning M = magasinering Måttenhet millimeter mm, som är liter/m 2 Vattenbalansen i Sverige 1961-1990 1990 Nederbörd Avrinning Avdunstning
Nederbörds rdsfördelningen under året Norra Sverige ca 50 % snö Södra Sverige 10-20 % snö Regn Snö Källa: SNA,1995 Årsavrinning - geografisk variation
Avrinningens årstidsvariation Källa: SNA, 1995 200 160 Sorsele 6110km 2 Mellanårsvariation Norra Sverige 120 80 40 0 1970 1980 1990 2000 60 Torsebro 3676km 2 40 20 Södra Sverige 0 1970 1980 1990 2000
Avrinning - Vattenföring Samma sak men olika enheter Avrinning: mm (l/m 2 ) är en totalvolym Avrinning per tidsenhet blir ett flöde Vattenföring: avrunnen volym per tidsenhet, oftast m 3 /s Specifik avrinning = avrinning per tids- och ytenhet: l/s/km 2 Snömagasinering och smältning
Snösm smältning short-wave radiation long-wave radiation wind Snösmältningen styrs av tillgänglig energimängd rain evaporation sensible heat flux condensation soil heat flux Graddagmetoden: snösmältning = C * (T - T 0 ) C = graddagfaktor (mm/(dag* o C)) (skog ca 2; öppen mark ca 3.5) T = lufttemperatur ( o C) T 0 = tröskeltemperatur (ca 0 o C) Källa: Bengtsson, 1997 Avdunstning
Evapotranspiration Transpiration Evapotranspiration = Evaporation + Transpiration Evaporation Det är skillnad mellan potentiell och verklig evapotranspiration Årlig avdunstning (mm/år) <100 200-300 400-500 Källa: SNA, 1995
Markfuktighet Infiltration Perkolation Omättade zonen, markvatten Mättade zonen, grundvatten Markvatten och avrinning Vissningsgräns Fältkapacitet Källa: SMHI (Sten Bergström)
Avrinningsområdets mosaik Potentiell (Ep) och verklig evapotranspiration (E) E/Ep 1,0 0 Markfuktighet Fältkapacitet
Markfuktighetens betydelse för flöden Q (m3/s) P (mm) SM (mm) Vad händer i avrinningsområdet?
In- och utströmning i en sluttning
Sjöars påverkan på vattenföringen Sjöars påverkan på vattenföringen 2.2 % sjö 12.8 % sjö
Mätningar
Vattenföringsmätningar Direkta metoder Volym-tid Strömhastighetsmätare Flottör Flygel ADCP Utspädning Indirekta metoder Naturlig bestämmande sektion Anlagd mätsektion Vattenkraftverk Q-mätning traditionell teknik Q = V A V = medelhastighet för en tvärsektion med area A Mätning på 2-3 djup i många sektioner i ett tvärsnitt
Flygel - rotor Flygel - elektromagnetisk Doppler/Ultraljud Flottör Hydrologiska mätinstrument ADCP-mätning resultat
Bestämmande sektion Avbördningskurva Avbördningskurvor kan ofta beskrivas matematiskt med ett uttryck av formen Q = K * ( W W 0 ) P Q W W 0 K P = vattenföringen = vattenståndet = tröskelvärdet på vattenståndet = empirisk koefficient = empirisk exponent
Vattenståndsm ndsmätning - pegel Extremvärden och dimensionering
Har höga flöden blivit vanligare? Andel stationer som överskrider 10-års flödet per år i hela landet för 69 oreglerade stationer 100 80 60 40 20 0 Andel 10-årsflöden (%) 1920 1940 1960 1980 2000
100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 Andel 10-årsflöden (%) Årsmax Reg 1 1920 1940 1960 1980 2000 Reg 2 1920 1940 1960 1980 2000 Reg 3 1920 1940 1960 1980 2000 Reg 4 1920 1940 1960 1980 2000 Återkomsttid- Sannolikheter Återkoms t-tid År 50 50 64 Anläggningens beräknade livslängd År 100 87 200 98 300 100 400 100 100 39 63 87 95 98 500 10 18 33 45 55 1 000 5 9,5 18 26 33 10 000 0,5 1 2 3 4 Sannolikheten i % att händelsen kommer att inträffa
Flödeskommitténs riktlinjer kom 1990 2010-11-30 Flödesdimensioneringsklasser för bestämning av dimensionerande flöden. Tabell 1. Flödesdimensioneringsklasser för bestämning av dimensionerande flöden. Flödesdimensioneringsklass *) Konsekvens vid dammbrott (utöver de konsekvenser som följer av flödet i sig om dammen inte rasat) Avbördningskrav I II Icke försumbar sannolikhet för förlust av människoliv eller annan personskada eller Beaktansvärd sannolikhet för allvarlig skada på viktig trafikled, dammanläggning eller därmed jämförlig anläggning eller på betydande miljövärde eller Hög sannolikhet för stor ekonomisk skadegörelse Icke försumbar sannolikhet för skada på trafikled, dammanläggning eller därmed jämförlig anläggning, miljövärde eller annan än dammägaren tillhörig egendom i andra fall än som angetts vid flödesdimensioneringsklass I. Dammanläggningen ska, utan allvarlig skada på dammanläggningen, kunna motstå och framsläppa ett dimensionerande flöde, som beräknas enligt anvisningarna i avsnitt 5 **). Dammanläggningen ska vid dämningsgränsen även kunna framsläppa ett tillrinnande flöde med en återkomsttid av minst 100 år. Dammanläggningen ska vid dämningsgränsen kunna framsläppa ett tillrinnande flöde med en återkomsttid av minst 100 år. Dammanläggningen ska dessutom anpassas till ett flöde som bestäms genom kostnads-/nyttoanalys. *) Beteckningen flödesdimensioneringsklass ersätter beteckningen riskklass som användes i Flödeskommitténs slutrapport från 1990. **) Flödenas återkomsttid kan inte anges med denna metod. Jämförelser med frekvensanalys indikerar att flöden som beräknas på detta sätt i genomsnitt har återkomsttider över 10 000 år. 44
Klass I dammar i Sverige High consequence ~200 Medium consequence >300 45 Principen för beräkning av klass I flöden
Ny upplaga 2007 Hänsyn skall tas till klimat frågan!
Reglering och annan mänsklig påverkan
naturlig tillrinning Vattenkraftutbyggnad spillvatten reglerad vattenföring 3000 m 3 /s Luleälven lven 1900-2000 2500 2000 1500 m 3 /s 1000 500 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
3000 m 3 /s Luleälven lven 1900-2000 2500 2000 1500 m 3 /s 1000 500 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Luleälven, lven, Boden 3600 m 3 /s 3200 2800 Uppmätt reglerat flöde Naturligt rekonstruerat flöde 2400 2000 1600 1200 800 400 0 J F M A M J J A S O N D 1993 J F M A M J J A S O N D 1994 J F M A M J J A S O N D 1995
Men vattenkraften dämpar inte alla flöden 4000 m3/s SOLLEFTEÅ Maxflöde åren 1909-1998 m3/s 4000 3500 Vattenföringen reglerades 1939 3500 3000 3000 2500 2500 2000 2000 1500 1500 1000 1000 500 500 0 0 1909 1914 1919 1924 1929 1934 1939 1944 1949 1954 1959 1964 1969 1974 1979 1984 1989 1994 Qmax Qmax "naturligt" Sollefteå 1998 m 3 /s 2500 Sollefteå Vattenföring 2000 1500 1000 500 0 25 apr 2 maj 9 maj 16 maj 23 maj 30 maj 6 jun 13 jun 20 jun 27 jun 4 jul 11 jul 18 jul 25 jul 1 aug 8 aug 15 aug 22 aug 29 aug 5 sep 12 sep 19 sep 26 sep Reglerad Beräknad naturlig
Vänern och Göta älv Karlstad Vänern Göta älv Göteborg Vänerns och Göta älvs problem Vattendom från 1937, baserad på dåtidens kunskap Stort exploateringstryck längs stränderna, vattenkraft, sjöfart miljö, vattenförsörjning, jordbruk Stor sårbarhet under dagens klimatförhållanden (2000/2001!) Det krävs en ökning av avbördningskapaciteten Göta älv är skredkänsligt och havet hindrar höga tappningar Problemen förvärras en global uppvärmning Landhöjningen håller inte jämna steg med havsnivåhöjningen
2010-11-30 59 Vattenstånd i Vänern Vattendom 1937 46.0 1910 45.5 45.0 44.5 44.0 43.5 43.0 1846-01-01 1871-01-01 1896-01-01 1921-01-01 1946-01-01 1971-01-01 1996-01-01
Tappning från Vänern 1250 1000 750 500 250 0 1846-01-01 1871-01-01 1896-01-01 1921-01-01 1946-01-01 1971-01-01 1996-01-01 Vattendomens betydelse för Mälarens nivåer
Vattendomens betydelse för tappningen från Mälaren Hjälmaren
24 23 Hjälmarens nivåer 22 21 1846-01-01 1871-01-01 1896-01-01 1921-01-01 1946-01-01 1971-01-01 1996-01-01 125 100 75 50 Hjälmarens tappning 25 0 1846-01-01 1871-01-01 1896-01-01 1921-01-01 1946-01-01 1971-01-01 1996-01-01 GLÖM ALDRIG: Risken att drabbas av ett 100-års flöde under ett sekel är 63%! Hässleholm februari 2002