SINTEF F22687 - Fortrolig Rapport...Samtidig er den beregnede forskjellen mellom å mudre innløpet til -1,5 og -1,9 m neglisjerbar for Alt. C7a og C7b som innebærer utvidelse av

SINTEF Materialer og kjemi

Prosessteknologi

2012-05-10

SINTEF F22687 - Fortrolig

Rapport

CFD-vurdering av potensielle tiltak for

forbedret vannføring i Ørakanalen

Forfatter(e)

Dadan Darmana

Jan Erik Olsen Grim Eidnes

1 av 16

SINTEF Materialer og kjemi

Postadresse:

Postboks 4760 Sluppen

7465 Trondheim

Sentralbord: 73593000

Telefaks: 73597043

[email protected]

www.sintef.no/mk Foretaksregister:

NO 948007029 MVA

Rapport

CFD-vurdering av potensielle tiltak for forbedret vannføring i Ørakanalen

EMNEORD:

Modellering

CFD

Ørakanalen

Vannføring

VERSJON

1.2

DATO

2012-05-10

FORFATTER(E)

Dadan Darmana

Jan Erik Olsen Grim Eidnes

OPPDRAGSGIVER(E)

Dr.techn. Olav Olsen

OPPDRAGSGIVERS REF.

Svein Fjeld

PROSJEKTNR

802028

ANTALL SIDER OG VEDLEGG:

8 + 2 vedlegg

SAMMENDRAG

Røsvikrenna sør for Fredrikstad er planlagt mudret. Tidligere beregninger utført av SINTEF viser

at mudringen vil kunne redusere vanninnstrømningen til Ørakanalen. For å unngå dette, er det

foreslått en rekke mulige tiltak. Det er nå gjennomført strømningstekniske beregninger (CFD) for

å utrede effekten av noen av disse tiltakene på vannføringen i Ørakanalen. Denne rapporten

oppsummerer resultatene.

UTARBEIDET AV

Dadan Darmana

SIGNATUR

KONTROLLERT AV

Grim Eidnes

SIGNATUR

GODKJENT AV

Webjørn Remen

SIGNATUR

RAPPORTNR

SINTEF F22687

ISBN

GRADERING

Fortrolig

GRADERING DENNE SIDE

Fortrolig

PROSJEKTNR 802028

RAPPORTNR SINTEF F22687

VERSJON 1.2 2 av 16

Historikk

VERSJON DATO VERSJONSBESKRIVELSE

1.0

1.1

1.2

2012-04-23 2012-04-27 2012-05-10

Utkast endelig rapport

Oppdatert versjon basert på tilbakemelding fra oppdragsgiver

Endelig rapport

PROSJEKTNR 802028


VERSJON 1.2 3 av 16

Innholdsfortegnelse

1 INNLEDNING .................................................................................................................................................................................................................... 4

2 MULIGE TILTAK .............................................................................................................................................................................................................. 4

2.1 Kanalbunnens ruhet ..........................................................................................................................................................................................8

3 KONKLUSJON OG DISKUSJON ............................................................................................................................................................................ 8

A METODE .......................................................................................................................................................................................................................... 10

B ILLUSTRASJONER AV ULIK TILTAK .............................................................................................................................................................. 14

PROSJEKTNR 802028


VERSJON 1.2 4 av 16

1 INNLEDNING

Det er tidligere utført strømningssimuleringer av Ørakanalen ved SINTEF i 20091. Med oppdaterte dybdemålinger for innløpet til Ørakanalen og selve kanalen er det behov for å revurdere resultatene av graving/mudring i Røsvikrenna sør for Fredrikstad og å undersøke effekten av mulige tiltak på vannføringen i Ørakanalen. Vannføringen i Ørakanalen er viktig for nedstrøms fuglereservat. Simuleringer av vannføring i Ørakanal er utført med FLOW-3D (FLOW Science, Inc), programvare-versjon 10.0.1.3. Grunnlaget for simuleringene er tatt fra forrige vurdering av Ørakanalen hvor tilsvarende beregninger ble gjennomført. Simuleringer er utført med vannføring på 800 m3/s i Glomma. I tillegg er beregninger med en vannføring på 400 m3/s også gjennomført for å undersøke effekten av lavere vannføring. Beregningsmetoden er oppsummert i vedlegg A. Forskjellen mellom de foreliggende simuleringene og de som ble kjørt i 2009, er først og fremst at

- snuplassen ved Alshus nå er fjernet - nye dybdemålinger ved innløpet og i selve kanalen er inkludert

- vanndypet er nå relatert til middelvann og ikke sjøkart-null. Dette siste punktet utgjør en generell vannstandsheving på 55 cm

2 MULIGE TILTAK

I SINTEF-rapport av 20112 ble mulige tiltak for å bedre innstrømningen til Ørakanalen beskrevet og effekten av disse vurdert. En av konklusjonene var at det burde foretas ny oppmålinger av vanndypet "for å avdekke uønsket oppgrunning og for å bedre grunnlaget for beslutning og iverksettelse av tiltak". Det ble også anbefalt å kjøre CFD-beregninger av effekten av de forskjellige tiltakene. Ny oppmåling av innløpet til Ørakanalen og selve kanalen ble gjennomført i 2011. Den avdekket at det ved innløpet til kanalen har bygd seg opp en terskel med vanndyp mindre enn 1 m (relativt midlere vannstand) og at det ved kanalens sørligste punkt også har bygd seg opp en grunne, også her med dyp mindre enn 1 m. De nye dybdedataene og resultatet av overslagsberegninger og vurderinger av effekter av forskjellige avbøtende tiltak er omtalt i SINTEF-notat av 20113 . Aktuelle avbøtende tiltak som har vært diskutert og vurdert er gitt i Tabell 1. Resultatet av simuleringene er gjengitt i Tabell 2 og Figur 1. Merk at vendeplass oppstrøms er antatt å ikke påvirke vannføring nær innløpet til Ørakanalen.

1 Brørs, B. og Rye, H. (2009). Mudring i Røsvikrenna: Beregning av strøm og sedimenttransport ved ekstremvannføring 4000 m3/s, samt detaljert modell av Ørakanalen og ledeskjerm med tanke på vanntilførsel til fuglereservatet. SINTEF-rapport F13469. 2 Eidnes, G., Vold, S. og Lothe, A. (2011): Ørakanalen – Vurdering av mulige tiltak for å bedre vanninnstrømningen. SINTEF-rapport F19473 3 Eidnes, G. (2011): Vanninnstrømning til Ørakanalen. Nye beregninger etter dybdemålinger. SINTEF-notat av 21. oktober 2011.

PROSJEKTNR 802028


VERSJON 1.2 5 av 16

Tabell 1. Mulige avbøtende tiltak for å bedre vanninnstrømningen til Ørakanalen.

Nr. A Dagens situasjon C3 Mudring C3a Forlenge ledeskjerm 35 m mot nordvest (se Fig.6) C3b Redusere åpning mellom ledeskjerm og land fra 55 m til 30 m (se Fig.6) C5a Mudre innløpet til minimum -1.5 m og resten av kanalen til minimum -2.0 m (se Fig.7) C5b Mudre innløpet til minimum -1.9 m og resten av kanalen til minimum -2.0 m (se Fig.7) C6a Utvide og mudre innløpet til minimum -1.5 m (se Fig.8) C6b Utvide og mudre innløpet til minimum -1.9 m (se Fig.8) C7a Utvide og mudre innløpet til minimum -1.5 m og resten av kanalen til -2.0m (se Fig.9) C7b Utvide og mudre innløpet til minimum -1.9 m og resten av kanalen til -2.0m (se Fig.9) C8a Kombinasjon av C7a + C3a C8b Kombinasjon av C7b + C3a C9a Kombinasjon av C7a + C3b C9b Kombinasjon av C7b + C3b C10a Kombinasjon av C7a + C3a + C3b C10b Kombinasjon av C7b + C3a + C3b

PROSJEKTNR 802028


VERSJON 1.2 6 av 16

Tabell 2: Effekt av ulike tiltak på vannføring i Ørakanal for ulike vannføringer i Røsvikrenna

Tiltak

Vannføring Røsvikrenna 800 m3/s


Vannføring Endring % Vannføring Endring %

A 4.40 0.00 2.22 0.00

C3 3.60 ‐18.18 1.82 ‐18.02

C3a 4.00 ‐9.09 2.00 ‐9.91

C3b 3.95 ‐10.23 1.99 ‐10.36

C5a 4.16 ‐5.45 2.10 ‐5.41

C5b 4.37 ‐0.68 2.20 ‐0.90

C6a 4.15 ‐5.68 2.11 ‐4.95

C6b 4.14 ‐5.91 2.10 ‐5.41

C7a 4.48 1.82 2.28 2.70

C7b 4.48 1.82 2.27 2.25

C8a 4.97 12.95 2.49 12.16

C8b 4.96 12.73 2.49 12.16

C9a 4.89 11.14 2.46 10.81

C9b 4.98 13.18 2.52 13.51

C10a 5.53 25.68 2.79 25.68

C10b 5.61 27.50 2.79 25.68

PROSJEKTNR 802028


VERSJON 1.2 7 av 16

Figur 1: Endring i vannføring for ulike tiltak for 2 ulike vannføringer i hovedkanal.

A C3 C3a C3b C5a C5b C6a C6b C7a C7b C8a C8b C9a C9bC10a

C10b

800 m3/s 0.00 ‐18. ‐9.0 ‐10. ‐5.4 ‐0.6 ‐5.6 ‐5.9 1.82 1.82 12.9 12.7 11.1 13.1 25.6 27.5

400 m3/s 0.00 ‐18. ‐9.9 ‐10. ‐5.4 ‐0.9 ‐4.9 ‐5.4 2.70 2.25 12.1 12.1 10.8 13.5 25.6 25.6

‐20.00

‐15.00

‐10.00

‐5.00

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

Endring ‐%

PROSJEKTNR 802028


VERSJON 1.2 8 av 16

2.1 Kanalbunnens ruhet

Elvebunnens ruhet er benyttet som en kalibreringsparameter i de ovennevnte beregningene. Denne er satt til 0,4m for hele topografien slik at målt vannføringen i Ørakanalen gjenskapes ved simulering av dagens situasjon (tiltak A). I denne sammenheng er det naturlig å vurdere hvorvidt tiltak for å redusere ruheten i selve Ørakanalen kan påvirke vannføringen. Simuleringer med ulik ruhet i Ørakanalen (se Figur 10 i vedlegg B) er gjennomført, og resultatene er gjengitt i Tabell 3. Det fremgår at vannføringen øker med redusert ruhet (dvs glattere elvebunn). Simuleringene er gjort for topografi med mudring av hovedkanal (Røsvikrenna) og ingen andre tiltak (case C3). Det er viktig å være klar over at beregningene med endret ruhet i kanalen er mer usikre enn de andre beregningene. Det skyldes at det nettopp er denne parameteren som brukes til å finstille modellen slik at den reproduserer de målte strømhastighetene. Ved å endre denne parameteren, endrer man samtidig modellens kalibrering og beregningsresultatene er ikke lengre kalibrert. Simuleringen med glatting av kanalen er derfoor beheftet med større usikkerhet. Tabell 3: Innvirkning av Ørakanalens ruhet på vannføring i Ørakanalen.

Case



Vannføring Endring % Vannføring Endring %

C3: r=0,4m (M=28) 3.60 ‐18.18 1.82 ‐18.02

C3: r=0,2m (M=33) 3.73 ‐15.23 1.89 ‐14.86

C3: r=0,1m (M=38) 3.86 ‐12.27 1.95 ‐12.16

C3: r=0,05m (M=43) 3.99 ‐9.32 2.02 ‐9.01

3 KONKLUSJON OG DISKUSJON

Det fremgår av de strømningstekniske beregningene som er utført at mudring uten andre tiltak vil redusere vannføringen i Ørakanalen med typisk 18%. Dette kan korrigeres ved tiltak som modifiseringer på ledeskjerm, utvidelse og mudring av Ørakanalens innløp eller glatting av elvebunnen i Ørakanalen. Tiltak som tilsynelatende vil opprettholde dagens vannføring i Ørakanalen er en kombinasjon av utviding av innløp or mudring av innløp (tiltak 7a og 7b). Det må antas en relativt stor usikkerhet i de angitte tallverdiene for vannføringer. En relativ usikkerhet på 50% er et fornuftig anslag. Dvs at en endring på 18% i realiteten ligger i området 9% til 27%. Dette skyldes forenklinger og antagelser i beregningene, men også det faktum at antatt numerisk topografi sannsynligvis ikke samsvarer perfekt med reell topografi. Til tross for en slik usikkerhet, kan det likevel anbefales å gjøre tiltak rundt innløpet til Ørakanalen (utvidelse og mudring). Dette er små tiltak sammenlignet med mudring av hovedkanalen, og disse kan modifisere fortløpende dersom ikke ønsket vannføring oppnås. Fjerning av oppsandingen i kanalens sørligste punkt anbefales imidlertid uansett fordi dette er et begrenset tiltak med relativ stor effekt. Det er tidligere kommentert at en forlengelse av ledeskjermen og mudring av innløpet til Ørakanalen kan åpne for større vanninnstrømning, men også saltere innstrømning i og med at dypere vann slipper inn. Siden det allerede eksisterer en fordypning nord i innløpet til Ørakanalen med dyp på 1,9 m, strømmer det allerede i dag vann med denne saltholdigheten inn i kanalen. Det forventes derfor ikke større saltholdigheltsendringer ved en mudring ned til 1,9 m over hele tverrsnittet.

PROSJEKTNR 802028


VERSJON 1.2 9 av 16

Samtidig er den beregnede forskjellen mellom å mudre innløpet til -1,5 og -1,9 m neglisjerbar for Alt. C7a og C7b som innebærer utvidelse av bredden, mudring av innløpet og opprensking av kanalen ned til -2,0. For små vannføringer (400 m3/s) er den prosentvise forbedringen jamvel større ved mudring ned til -1,5 m enn -1,9 m. Tilleggsgevinsten med terskel på -1,5 m vil da være at det ikke lenger er fare for at saltholdigheten i Ørakanalen kan øke.

PROSJEKTNR 802028


VERSJON 1.2 10 av 16

A METODE

De strømningstekniske beregningene baserer seg på konserveringslover for masse og impuls. Viktige føringer er topografi og grensebetingleser. Topografi Ny topografi er lagt inn i modellen basert på dybdedata fra oppmålingen i 2011. To grunnleggende geometrier er benyttet i simuleringene, nemlig: dagens situasjon og etter mudring som vist i henholdsvis figur 2 og 3.

Figur 2: Topografi, nåværende situasjon

PROSJEKTNR 802028



Figur 3: Topografi; med mudring av Røsvikrenna

Figur 4: Nytt datasett for dybde i Ørakanalen. Fargeskalaen indikerer dybde (i meter) relativt midlere

vannstand.

PROSJEKTNR 802028



Dybden i selve Ørakanalen inkludert innløpsområdet er erstattet med nye måledata fremskaffet av Kystverket Sørøst. Det nye datasettet er illustrert i figur 4. Geometrien er importert til Flow3D programvare der domenet er diskretisert i et beregningsgrid som vist i figur 5. Beregningsgridet er inndelt i x, y og z-retningen i henholdsvis 205, 146 og 45 celler. Cellene er fordelt slik at cellestørrelsen inne Ørakanalen er ∆x = ∆y = 5 m, mens resten av regionen har ∆x = ∆y = 10 m. Den samme inndelingen er også utført i z-retningen for å sikre at det grunne dypet i Ørakanalen har minimumsoppløsning på ∆z = 0,15 m, mens resten av dybden er tatt med oppløsning på ∆z = 0,5 m. Under simuleringene er totalt 1456626 beregningsceller benyttet hvorav rundt 290000 celler er aktive (avhengig av case).

Figur 5: Vanlig beregningsgrid benyttet i simuleringer. Grensebetingelser Beregningsmodellen anvender 6 grensebetingelser som angitt i tabell 2. Vannivået er hevet 0,55 m i forhold til dybdedataene som relaterer seg til sjøkartnull. Beregningene gjelder dermed for midlere vannstand. Grensebetingelsen mot nord er vannføring på 800 og 400 m3/s angitt med hastighetsvektor som sikrer at strømningen er parallell med elvebredden ved innløpet. Bunnen er en ru vegg hvor ruheten må spesifiseres. Denne er ukjent. Ruheten benyttes derfor som en kalibreringsparameter for å justere simuleringene slik at den målte vannføringen i Ørakanalen gjenskapes ved simulering av dagens tilstand. En ruhet på 0.4 m gir vannføring i Ørakanalen som samsvarer med målinger. Relasjonen mellom ruhet R og Manning-tall manningn kan bli sett fra ligning 14. Her HD er hydraulisk

diameter.

1/60.103252

3.72067H

manning

D

n

HR D e

(1)

Ved å bruke 3.84HD m 5 og 0.4R m, man kan få det tilsvarende Manning-tallet 0.036. Legg merke til

at Manning tallet kan bli representert som den inverse, derfor tilsvarer Manning-tallet på 0.036 et Manning -tall på 28 i den inverse formuleringen.

4 Flow Science, Inc (2011): Flow 3D User Manual 5 Eidnes, G., Vold, S. og Lothe, A. (2011): Ørakanalen – Vurdering av mulige tiltak for å bedre vanninnstrømningen. SINTEF-rapport F19473

PROSJEKTNR 802028



Tabell 2: Grensebetingelser, lokalisering og type

Lokalisering Type grensebetingelse

Nord Vannføring innløp

Øst Trykk

Sør Trykk

Vest Vegg

Bunn Vegg

Topp Symmetri Simuleringsstrategi CFD-modellen er initialisert med et vannivå på 0,55 m over sjøkartnull og hydrostatisk trykk beregnes deretter basert på vanndybden. Hastighet initialiseres med en hastighet som tilsvarer vannføring på 800 m3/s. For simuleringer med vannføring på 400 m3/s følges samme prosedyre som for 800 m3/s samtidig som innløpshastigheten trappes gradvis ned til 400 m3/s. Med en slik prosedyre oppnås stabile beregninger. For simuleringer av vannføring på 800 m3/s kjøres simuleringen for 8 timer sann-tid fra den initielle tilstanden før en reell ny relaksert tilstand oppnås. For vannføring på 400 m3/s kjøres simuleringene for 10 timer sann-tid. Relaksert tilstand defineres ved at vannføring i Ørakanalen har innstilt seg på en konstant verdi.

PROSJEKTNR 802028



B ILLUSTRASJONER AV ULIK TILTAK

Følgende figurer illustrerer tiltak referert til i kapittel 2.

Figur 6: Topografiske endringer for tiltak C3a and C3b (forlenge ledeskjerm 35 m mot nordvest og redusere

åpning mellom ledeskjerm og land fra 55 m til 30 m).

Figur 7: Topografiske endringer for tiltak C5a and C5b (mudre innløpet til henholdsvis minimum -1.5 m

eller -1.9m og mudre resten av kanalen til minimum -2.0 m)

PROSJEKTNR 802028



Figur 8: Topografiske endringer for tiltak C6a og C6b (utvide og mudre innløpet til henholdsvis minimum -

1.5 m eller -1.9m)

Figur 9: Topografiske endringer for tiltak C7a og C7b (utvide og mudre innløpet til henholdsvis minimum -

1.5 m eller -1.9m og mudre resten av kanalen til minimum -2.0 m).

PROSJEKTNR 802028



Figur 10: Område med modifisert ruhet.

Teknologi for et bedre samfunn

www.sintef.no

Documents

SINTEF F22687 - Fortrolig Rapport...Samtidig er den beregnede forskjellen mellom å mudre innløpet til -1,5 og -1,9 m neglisjerbar for Alt. C7a og C7b som innebærer utvidelse av