Beräknad naturlig vattenföring i Dalälven

Författare: Uppdragsgivare: Rapportnr: Barbro Johansson Birgitta Adell, Fortum 35 Granskningsdatum: Granskad av: Dnr: Version 211-5-21 Sten Lindell 21/286/24 1. Beräknad naturlig vattenföring i Dalälven Uppdragstagare SMHI 61 76 Norrköping Uppdragsgivare Fortum Kontaktperson Barbro Johansson 11-495824 Barbro.Johansson@smhi.se Kontaktperson Birgitta Adell 8-6718784 birgitta.adell@fortum.com #532

Bakgrund Figur 1. Dalälvens avrinningsområde. Röda prickar markerar vattenföringsstationer. SMHI har beräknat naturlig vattenföring i nedre delen av Dalälven (figur 1) för åren 1971-29. Med naturlig vattenföring avses det flöde som skulle varit utan dammar och magasin, och om sjöarna avbördats genom sina ursprungliga utlopp. Det är framför allt regleringarna i och uppströms Siljan som påverkar vattenföringen i Dalälven. En stor del av vårfloden sparas i magasinen. Det sker också mindre regleringar på veckobasis och observationerna tyder på att denna veckoreglering ökat från 1999 (bilaga 1, figur 1). De sjöar och magasin som regleras är, förutom Siljan, Trängslet, Skattungen och Vässinkoski. Innan Trängslet och Vässinkoski byggdes fanns där inga sjöar och därför ingen naturlig dämpning. Viss inverkan på flödet i Dalälven nedströms sammanflödet med Västerdalälven har också regleringarna i Venjan och Öjen, främst på vårflödestopparna som dämpas något (bilaga 1, figur 2). Man kan även se en liten effekt av regleringarna i Lillälven (Svärdsjövattendraget). Runn tappas ut inför vårfloden vilket ger något högre vattenföring i mars och en något långsammare start av vårfloden nedströms Lillälven (bilaga 1, figur 3). SMHI 1

I fjärdarna mellan Näs och Untra kraftverk sker mindre regleringar med en upplösning i tiden på några dygn (bilaga 1, figur 4). Avrinningsområdets storlek uppströms Långhag är 256 km 2. Ner till Näs tillkommer ytterligare 183 km 2, och mellan Näs och Untra kraftverk 177 km 2. Den lokala tillrinningen till den nedre delen av Dalälven har liten effekt på flödet i huvudfåran och nivåerna i fjärdarna, men lokal nederbörd och snösmältning bestämmer vattentillgången i de områden som inte är direkt påverkade av vattenståndet i Dalälven. Naturlig vattenföring vid Skattungen och Gråda har tidigare beräknats för 1975-1991 i ett examensarbete vid Sveriges Lantbruksuniversitet (Jansson, 1993). Metodik beräkning av naturlig vattenföring I rapporten redovisas beräknad naturlig vattenföring ut från Siljan, vid Långhags kraftverk, och Untra kraftverk. Ner till Långhags kraftverk bygger tillrinningsberäkningarna helt på observerade vattenföringar och vattenstånd. Det naturliga utflödet från sjöarna har beräknats med hjälp av avbördningskurvor från 192-talet, innan sjöarna reglerades. Avbördningskurvorna, som beskriver sambandet mellan vattenstånd och utflöde, har hämtats från SMHIs arkiv. Mellan Långhags och Untra kraftverk har tillrinningen beräknats med den hydrologiska HBV-modellen (Bergström, 1995, Lindström m.fl., 1996) eftersom det saknas tidsserier på observerat vattenstånd i fjärdarna däremellan. Vid beräkningarna har det varit viktigast att beskriva de naturliga förhållandena i och uppströms Siljan. Även den naturliga vattenföringen ut från Öjen och Venjan har uppskattats. Däremot har inte den naturliga vattenföringen för Lillälven/Svärdsjövattendraget beskrivits. Förhållandena runt Runn är komplicerade eftersom det vid höga vattenföringar i Dalälven kan rinna in vatten i Runn från Dalälven. Bedömningen är att osäkerheten i beräkningarna skulle bli större än den mycket lilla effekt regleringarna i Lillälven har på flödet i Dalälven. Beräkningarna beskrivs schematiskt i figur 2, se bilaga 2 för detaljer. SMHI 2

Tillrinning =.37*Tillrinning Gävunda Tillrinning exklusive Skattungen = QOBS Gråda *.98+ ΔM Trängslet + ΔM SiljanoOrsasjön - QOBS Skattungen Tillrinning = QOBS Skattungen + ΔM Vässinkoski + ΔM SkattungenoOresjön Skattungen Tillrinning = Öjen.52*Tillrinning Gävunda Beräknat naturligt utflöde Öjen Venjan Beräknat naturligt utflöde Venjan Gävunda* Lokal tillrinning Långhag = QOBS Långhag - QOBS Gråda *.98 - QOBS Gävunda,lag=1,8 Beräknat naturligt utflöde Skattungen Siljan Beräknat naturligt utflöde Siljan Tillrinning =.11*Tillrinning Gävunda Beräknat naturligt flöde Gävunda, lag = 1.8 dygn Långhags krv *) Total tillrinning Gävunda = QOBS Gävunda + ΔM Öjesjön + ΔM Venjan Håvran lag =.4 dygn Näs lag =.3 dygn Inl Hedesundafjärden lag =.7 dygn Utl Hedesundafjärden lag =.7 dygn Lokal tillrinning HBV Utl Bramsöfjärden Utl Untrafjärden Figur 2. Schematisk beskrivning av beräkning av naturlig vattenföring. ΔM = magasinsförändring beräknad från observerade vattenstånd. QOBS = observerad vattenföring. lag = tidsförskjutning för att beskriva fördröjning och dämpning längs älvfåran och i fjärdar. SMHI 3

Resultat Reglerad och beräknad naturlig vattenföring I figurerna 3-5 och tabellerna 1-3 visas den årliga variationen av naturlig beräknad vattenföring och observerad vattenföring som långtidsmedelvärden för fyra perioder: 1971-8, 1981-9, 1991-2 och 21-29. I figur 6 visas motsvarande grafer för beräknat naturligt vattenstånd och observerat vattenstånd i Siljan. Av graferna framgår att det är framför allt under vintern och under vårfloden som den beräknade naturliga vattenföringen avviker betydligt från den observerade. Under vintern tappas Siljan ur för att sedan fyllas på i samband med snösmältningen. I den beräknade naturliga vattenföringen för Långhags kraftverk kan det anas en liten fladdrighet. Troligen beror den på en viss osäkerhet vid bestämningen av den lokala tillrinningen nedströms Siljan och Gävunda, och på att ingen hänsyn tagits till de eventuella regleringar som sker i den delen av älven. Fladdrigheten är dock helt försumbar jämfört med skillnaderna mellan den naturliga och observerade vattenföringen. I figur 7 har kurvorna för de fyra decennierna lagts samman i en graf för Untra kraftverk. Där framgår att 1981-199 var det klart blötaste decenniet och att den naturliga vårflödestoppen tenderar att komma tidigare och tidigare. Figur 8 och 9 visar exempel från 1993, 2 och 29, dels för Siljans utlopp dels för Untra kraftverk. Dessa år avviker från normalåret genom sina höga sommarflöden. Den reglerade vattenföring som redovisas för Untra är bestämd som observerad vattenföring vid Långhags kraftverk plus tillrinning nedströms Långhag beräknad med HBV-modellen. Tillrinningen mellan Långhag och Untra är alltså bestämd på samma sätt för den naturliga och den reglerade vattenföringen. Anledningen är att det annars är svårt att avgöra om de skillnader man ser mellan reglerad och naturlig vattenföring beror på osäkerheten i modellberäkningar och mätningar, eller om de är en effekt av regleringarna. Sättet att redovisa reglerad vattenföring vid Untra innebär dock att man bortser från regleringarna mellan Långhag och Untra. De är små jämfört med de som sker uppströms, men resulterar i mindre variationer med upplösningen några dygn (figur 1). Lokal tillrinning till nedre delen av Dalälven Den lokala tillrinningen till fjärdarna nedströms Näs har beräknats med HBV-modellen för 1971-29. Beräkningarna är ett sätt att undersöka om de naturliga förhållandena i detta område lokalt förändrats under den här perioden. På samma sätt som för det totala flödet vid Untra (figur 7) presenteras i figur 11 grafer för den lokala tillrinningen för de fyra decennierna. Det är tydligt att det skett en förändring i tillrinningens variation över året. Vintertillrinningen har ökat och i medelvärdet för 21-29 är vårfloden knappt märkbar. Bilaga 3 innehåller fler sammanställningar avseende de lokala förhållandena nedströms Näs. SMHI 4

Vattenföring (m 3 /s) Vattenföring (m 3 /s) Vattenföring (m 3 /s) Vattenföring (m 3 /s) 5 Medelvärden 1971-8 Siljan Beräknad naturlig vattenföring Observerad reglerad vattenföring 3 2 1 5 Medelvärden 1981-9 3 2 1 5 Medelvärden 1991-2 3 2 1 5 Medelvärden 21-9 3 2 1 Figur 3. Naturligt beräknat utflöde samt observerad tappning från Siljan. Graferna visar säsongsvariationerna och baseras på dygnsmedelvärden. SMHI 5

Vattenföring (m 3 /s) Vattenföring (m 3 /s) Vattenföring (m 3 /s) Vattenföring (m 3 /s) 1 8 Medelvärden 1971-8 Långhag Beräknad naturlig vattenföring Observerad reglerad vattenföring 6 2 1 Medelvärden 1981-9 8 6 2 1 Medelvärden 1991-2 8 6 2 1 Medelvärden 21-9 8 6 2 Figur 4. Naturligt beräknad vattenföring samt observerad vattenföring vid Långhags kraftverk. Graferna visar säsongsvariationerna och baseras på dygnsmedelvärden. SMHI 6

SMHI 7 Figur 5. Naturligt beräknad vattenföring samt reglerad vattenföring vid Untras kraftverk. Graferna visar säsongsvariationerna och baseras på dygnsmedelvärden. Den reglerade vattenföringen inkluderar ej regleringar nedströms Långhags kraftverk.

Vattenstånd (m) Vattenstånd (m) Vattenstånd (m) Vattenstånd (m) 162.5 162 Medelvärden 1971-8 Siljan Beräknat naturligt vattenstånd Observerat vattenstånd 161.5 161 16.5 16 162.5 Medelvärden 1981-9 162 161.5 161 16.5 16 162.5 Medelvärden 1991-2 162 161.5 161 16.5 16 162.5 Medelvärden 21-9 162 161.5 161 16.5 16 Figur 6. Naturligt beräknat vattenstånd samt observerat vattenstånd i Siljan. Graferna visar säsongsvariationerna och baseras på dygnsmedelvärden. SMHI 8

Tabell 1. Beräknat naturligt utflöde samt observerad tappning från Siljan. Månadsmedelvärden för fyra decennier. Beräknad naturlig 1971-198 1981-199 1991-2 21-29 Observerad Beräknad naturlig Observerad Beräknad naturlig Observerad Beräknad naturlig Observerad januari 71 149 87 167 86 18 112 2 februari 56 157 68 182 63 192 86 22 mars 45 143 6 166 52 161 7 157 april 56 1 96 135 93 12 112 113 maj 265 92 379 23 324 123 319 17 juni 277 129 337 185 288 153 23 129 juli 166 16 28 148 2 146 163 116 augusti 131 134 151 163 154 154 151 157 september 16 119 173 186 138 13 152 167 oktober 11 121 19 188 139 139 138 142 november 16 116 166 165 163 176 138 155 december 89 118 12 159 148 181 136 177 Tabell 2. Beräknad naturlig vattenföring samt observerad vattenföring vid Långhags kraftverk. Månadsmedelvärden för fyra decennier. Beräknad naturlig 1971-198 1981-199 1991-2 21-29 Observerad Beräknad naturlig Observerad Beräknad naturlig Observerad Beräknad naturlig Observerad januari 16 251 194 286 2 34 243 34 februari 137 254 192 322 166 31 212 341 mars 141 258 199 32 176 3 22 33 april 216 255 319 347 316 328 333 317 maj 588 372 825 612 676 445 592 352 juni 415 264 548 394 476 338 36 257 juli 274 213 354 294 344 291 292 245 augusti 234 238 29 34 271 27 289 295 september 29 222 368 379 266 259 286 31 oktober 239 251 391 39 34 37 273 278 november 236 246 338 337 366 382 39 33 december 199 231 249 294 324 36 293 34 SMHI 9

Tabell 3. Beräknad naturlig vattenföring samt reglerad vattenföring vid Untra kraftverk. Månadsmedelvärden för fyra decennier. Den reglerade vattenföringen inkluderar ej regleringar nedströms Långhags kraftverk. Beräknad naturlig 1971-198 1981-199 1991-2 21-29 Reglerad Beräknad naturlig Reglerad Beräknad naturlig Reglerad Beräknad naturlig Reglerad januari 176 274 229 315 231 334 272 374 februari 151 278 228 351 192 338 238 378 mars 157 284 239 362 29 334 23 344 april 25 299 393 429 345 363 35 353 maj 622 49 94 73 71 477 622 384 juni 444 291 63 439 52 358 377 276 juli 278 223 386 322 36 38 34 262 augusti 248 254 32 313 282 283 299 38 september 213 238 42 418 279 276 292 319 oktober 252 272 426 424 315 319 275 292 november 265 278 385 383 389 415 332 355 december 229 267 293 336 36 41 335 381 SMHI 1

SMHI 11 Figur 7. Beräknad naturlig vattenföring samt reglerad vattenföring vid Untra kraftverk. Graferna visar säsongsvariationerna och baseras på dygnsmedelvärden. Illustration av skillnader mellan decennier. Den reglerade vattenföringen inkluderar ej regleringar nedströms Långhags kraftverk.

Vattenföring (m 3 /s) Vattenföring (m 3 /s) Vattenföring (m 3 /s) 5 1993 Siljan Beräknad naturlig vattenföring Observerad reglerad vattenföring 3 2 1 5 2 3 2 1 5 29 3 2 1 Figur 8. Naturligt beräknat utflöde samt observerad tappning från Siljan för 1993, 2 och 29. SMHI 12

SMHI 13 Figur 9. Naturlig beräknad vattenföring samt reglerad vattenföring vid Untras kraftverk 1993, 2 och 29. Den reglerade vattenföringen inkluderar ej regleringar nedströms Långhags kraftverk.

Figur 1. Jämförelse mellan reglerad och observerad vattenföring vid Untra kraftverk 1993. Den reglerade vattenföringen är bestämd som summan av tappningen vid Långhags kraftverk och beräknad lokal tillrinning med HBV-modellen. Figur 11. Modellberäknad lokal tillrinning till Untra kraftverk nedströms Näs. Graferna visar säsongsvariationerna och baseras på dygnsmedelvärden. Illustration av skillnader mellan decennier. SMHI 14

Referenser Bergström, S. (1995) The HBV Model. I Singh, V.P. (ed.). Computer Models of Watershed Hydrology. Water Resources publications, Highlands Ranch, Colorado, pp. 443-476. Jansson, C (1993). Rekonstruktion av naturlig vattenföring i Österdalälven och värdering av regleringsnytta. Avdelningsmeddelande 93:1. Avdelningen för lantbrukets hydroteknik. Institutionen för markvetenskap. Sveriges Lantbruksuniversitet. Lindström, G. Gardelin, M., Johansson, B., Persson, M. och Bergström, S. (1996) HBV-96 En areellt fördelad modell för vattenkrafthydrologin. SMHI Rapporter RH 12. SMHI 15

Vattenföring (m 3 /s) Vattenföring (m 3 /s) Bilaga 1 Bakgrund - figurbilaga 5 Siljan Observerad reglerad vattenföring 3 2 1 1993 1994 5 3 2 1 1999 2 Figur 1. Observerad vattenföring nedströms Siljan 1993-1994 respektive 1999-2. Illustration av en möjlig ökning av veckoregleringen från 1999. #532

Vattenföring (m 3 /s) 12 Forshuvuds kraftverk 8 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Vattenföring om ingen magasinering i Venjan/Öjen Observerad vattenföring Figur 2. Vattenföring vid Forshuvuds kraftverk med och utan magasinering i Öjen/Venjan. Illustration av möjliga regleringseffekter från Öjen/Venjan på flödet i Dalälven. Magasineringen ger en liten förskjutning och möjligen en dämpning av vårflödestoppen. Januari 2 - juli 21. SMHI 1

Vattenföring (m 3 /s) Vattenstånd (m) 18 Runn 17 16 15 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Observerat vattenstånd 12 Långhags kraftverk 8 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Vattenföring om ingen magasinering i Lillälven/Runn Observerad vattenföring Figur 3. Vattenföring vid Långhags kraftverk med och utan magasinering i Lillälven/Runn. Illustration av möjliga regleringseffekter från Lillälven på flödet i Dalälven. Observerat vattenstånd i Runn visar att sjön tappas ut inför vårfloden, vilket ger en liten förskjutning av vårflodens start nedströms Lillälven. Januari 2 - juli 21. SMHI 2

Vattenföring (m 3 /s) 1 8 22 6 2 Observerad vattenföring vid Långhags kraftverk Observerad vattenföring vid Untra kraftverk Figur 4. Observerad vattenföring vid Långhags och Untra kraftverk 22. De större variationerna på veckobasis vid Untra illustrerar möjliga regleringar i de nedersta delarna av Dalälven. SMHI 3

Bilaga 2 Detaljerad metodbeskrivning Beräknad naturlig vattenföring Skattungen Vid beräkningarna behandlades Skattungen-Oresjön som en sjö. Daglig naturlig tillrinning beräknades enligt: Qobs Skattungen M Skattungen M naturlig tillrinning Skattungen Qobs M M Skattungen Skattungen Väs sin koski Vässin koski observerad vattenföring vid stationen Skattungen volymsändring Skattungen, beräknad från vattenståndsändring volymsändring Vässinkoski, beräknad från vattenståndsändring Vid denna beräkning gör man ett litet fel eftersom man inte tar hänsyn till att ytan för Vässinkoski under naturliga förhållanden skulle bestått av mark med bl.a. andra avdunstningsförhållanden än en sjö. Eftersom Vässinkoski utgör mindre än.5% av det totala avrinningsområdet för Skattungen måste detta fel dock betraktas som försumbart. Utifrån den naturliga tillrinningsserien och en avbördningskurva för den tidigare vattenföringsstationen Furudal (53-285) beräknades ett dagligt naturligt utflöde för Skattungen. SMHI 4

Beräknad naturlig vattenföring Siljan Vid beräkningarna behandlades Siljan-Orsasjön som en sjö. Daglig naturlig tillrinning till Siljan från Österdalälven beräknades enligt. M M Ö Ö Qobs Qobs. 98 Qobs Gråda M Trängslet naturlig tillrinning till Siljan Gråda Trängslet Siljan M Siljan Qobs Skattungen observerad vattenföring vid stationen Gråda volymsändring Siljan, beräknad från vattenståndsändring Skattungen volymsändring Trängslet, beräknad från Österdalälven samt Oreälven nedströms Skattungen från vattenståndsändring observerad vattenföring vid stationen Skattungen På samma sätt som för Skattungen gör man ett försumbart fel genom att inte ta hänsyn till att ytan för Trängslet under naturliga förhållanden skulle bestått av mark. Total naturlig tillrinning till Siljan beräknades till Qnat Ö Skattungen Qnat Skattungen beräknat naturligt utflöde från Skattungen Utifrån den naturliga tillrinningsserien och en avbördningskurva för den tidigare vattenföringsstationen Leksand 2 (53-896) beräknades ett dagligt naturligt utflöde för Siljan. Beräknad naturlig vattenföring Öjen och Venjan Det finns inga vattenföringsstationer direkt i anslutning till Öjen och Venjan. I stället utnyttjades vattenföringsstationen vid Gävunda kraftverk. Total tillrinning till Gävunda beräknades som: Qobs M M Gävunda Gävunda Öjen Venjan Qobs Gävunda Gävunda M Öjen M volymsändring Öjen, beräknad Venjan tillrinning till Gävunda (om vattennivån i Öjen och Venjan hålls observerad vattenföring vid stationen Gävunda från vattenståndsändring volymsändring Venjan, beräknad från vattenståndsändring konstant) SMHI 5

Hur den totala tillrinningen till Gävunda skulle fördelas över området bestämdes utifrån en simulering med HBV-modellen: Öjen Venjan Gävlok Öjen Venjan Gävlok.37.52.11 Gävunda Gävunda Gävunda tillrinning till Öjen tillrinning till Venjan exklusive lokal Öjen tillrinning till Gävunda nedströms Venjan Det naturliga utflödet från Öjen och Venjan beräknades på samma sätt som för Skattungen/Siljan med avbördningskurvor från de tidigare stationerna Öje station (53-822) respektive Johannisholm (53-659). För att kunna ersätta den observerade vattenföringen vid Gävunda kraftverk beräknades den naturliga vattenföringen till: Qnat Qnat Qnat Gävunda Gävunda Venjan Qnat Venjan Gävlok beräknad naturlig vattenföring vid Gävunda kraftverk beräknat naturligt utflöde från Venjan Beräknad naturlig vattenföring vid Långhags kraftverk Den lokala tillrinningen till Långhags kraftverk nedströms Siljan och Gävunda beräknades som: Qobs Qout långlok Långlok Långhag Siljan Qobs Långhag.98 Qobs Qout Gråda Siljan Qobs Gävunda lokal tillrinning Långhags kraftverk observerad vattenföring vid Långhags kraftverk Från Gävunda till Långhag användes en tidsförskjutning på 1.8 dygn. Den bestämdes subjektivt genom en jämförelse mellan vattenföringsserierna vid de två stationerna. Mellan Siljan och Långhag noterades ingen tidsförkjutning på dygnsbasis. Den beräknade naturliga vattenföringen vid Långhags kraftverk blev: Qnat Qnat Qnat Långhag Långhag Siljan Qnat Siljan Qnat Gävunda Långlok beräknad naturlig vattenföring vid Långhag beräknat naturligt utflöde från Siljan SMHI 6

Beräknad naturlig vattenföring vid Untra kraftverk Naturlig vattenföring vid Untra kraftverk har beräknats som Qnat Qnat Untra Untra Untralok Qnat naturlig vattenföring vid Untra kraftverk lokal Långhag Untralok tillrinning till Untra nedströms Långhag Den lokala tillrinningen nedströms Långhags kraftverk har beräknats med HBV-modellen. I den aktuella modelluppsättningen finns det sju delområden längs själva Dalälven mellan Långhag och Untra. Den dämpning av flödet som sker i fjärdarna har beskrivits som en successiv fördröjning. Storleken på fördröjningen bestämdes genom att sätta den observerade vattenföringen vid Långhag som inflöde till det översta av de sju delområdena (Håvran), och sedan vid olika simuleringar pröva sig fram till dess att en bra överensstämmelse uppnåddes med den observerade vattenföringen vid Untra. Följande värden användes: Utloppet Håvran - Näs kraftverk, tidsförskjutning =.4 Näs kraftverk - Inloppet Hedesundafjärden, tidsförskjutning =.3 Inloppet Hedesundafjärden - Utloppet Hedesundafjärden, lag =.7 Utloppet Hedesundafjärden - Utloppet Bramsöfjärden, lag =.7 Utloppet Bramsöfjärden - Utloppet Untrafjärden, lag = SMHI 7

Bilaga 3 Lokala beräkningar nedströms Näs Nederbörd och temperatur är indata till HBV-modellen. För att kunna beräkna avrinningsbildning och avdunstning innehåller modellen en markrutin och variationer i markvattenmagasinet beräknas. I figur 1 visas medelvärden för nederbörd, temperatur och markvatten för det lokala avrinningsområdet mellan Näs och Untra kraftverk. Graferna visar att vintertemperaturerna (december-februari) i snitt varit högre 199-29 än för de två tidigare decennierna. Även temperaturen i juli-augusti tycks varit något högre. Förändringarna i markvattenmagasinet speglar förhållanden med mindre snö och tidigare avsmältning. Det får till följd högre avdunstning från barmark tidigt på våren. Figur 1. Nederbörd, temperatur och markvatten för avrinningsområdet mellan Näs och Untra kraftverk. Graferna visar säsongsvariationerna och baseras på dygnsmedelvärden. Markvattenmagasinet visas som avvikelsen från långtidsmedelvärdet 1971-29 eftersom det modellberäknade markvattenmagasinets absolutvärde inte motsvarar det verkliga markvattenmagasinet. SMHI 8