Snöinventering på gråbergs- deponier i Kiruna

(1)

Självständigt arbete vid Institutionen för geovetenskaper 2015: 23

Snöinventering på gråbergs- deponier i Kiruna

Anton Smith

(2)

(3)

Självständigt arbete vid Institutionen för geovetenskaper 2015: 23

Snöinventering på gråbergs- deponier i Kiruna

Anton Smith

(4)

(5)

Abstract

Snow Survey of a Waste Rock Deposit in Kiruna Anton Smith

During mining operations large amounts of waste rock are generated and stored in waste deposits on the surface. These deposits may contain nitrogen compounds that originate from explosives used by the mine. During late winter and spring large

quantities of water are released from the melting snow. The meltwater infiltrate the waste rock masses and produce leachate that may contain significant amounts of nitrogen, which can lead to e.g. eutrophication of nearby lakes and streams. In this study the potential volume of snowmelt that could infiltrate into two waste rock deposits was estimated. This was done using the results of two snow surveys

preformed in February and April 2015 on two waste rock deposits located at LKAB:s mining area in Kiruna, Northern Sweden. Snow depth and snow mass were

measured at the site while density and snow water equivalent were calculated using the data collected from the snow survey. Snow depth varied between 8-100 cm depending on the aspect of the hillside. Snow mass varied between 10-430 g. The total water equivalent of the snow cover on the two waste rock piles was calculated to approximately 100 m³ and 90 m³. From porosity determinations of the waste rock material in the laboratory, the total pore volume of the waste rock deposits were calculated as 968 m³ and 725 m³, respectively, indicating that much of the snowmelt would be retained in the pore spaces of the deposits after infiltration.

Key words: Snow survey, waste rock deposit, snowmelt, Kiruna, snow water equivalent

Independent Project in Earth Science, 1GV029, 15 credits, 2015 Supervisors: Roger Herbert and Albin Nordström

Department of Earth Sciences, Uppsala University, Villavägen 16, SE-752 36 Uppsala (www.geo.uu.se)

The whole document is available at www.diva-portal.org

(6)

Sammanfattning

Snöinventering på gråbergsdeponier i Kiruna Anton Smith

Vid gruvdrift genereras stora mängder gråberg (sprängsten) som lagras i deponier på markytan. Dessa deponier kan innehålla kväveföreningar, härstammande från

odetonerade sprängämnen. Under senvintern/våren bidrar snösmältningen till att stora mängder vatten frigörs och infiltrerar i gråbergsmassorna. Lakvattnet som bildas från dessa deponier kan innehålla förhöjda halter av kväve vilket bl.a. kan leda till övergödning av närliggande sjöar och vattendrag. I denna studie har två snöinven- teringar utförts på två gråbergshögar vid LKAB:s gruvområde i Kiruna. Syftet med rapporten har varit att beräkna snötäckets vattenekvivalent samt undersöka hur mycket vatten som potentiellt kan infiltrera deponierna och bilda lakvatten. Snötaxe- ringarna utfördes under februari och april 2015. Vid dessa tillfällen uppmättes snö- djups variationer mellan 8-100 cm beroende på slutningsriktning, samt snömassa variationer mellan 10-430 g. Med hjälp av dessa variabler beräknades snötäckets totala vattenekvivalent för de båda högarna till 100 m³och 90m³. Utifrån en porositet- laboration uppskattades gråbergsdeponiernas totala porvolym till 968m³och 725m³. Då den totala porvolymen är större än den vattenmängd som potentiellt kan infiltrera deponierna, bör majoriteten av vattnet lagras i porerna istället för att bidra till

lakvattenproduktionen.

Nyckelord: Snötaxering, snöinventering, gråbergsdeponier, snösmältning, Kiruna, snöns vattenekvivalent

Självständigt arbete i geovetenskap, 1GV029, 15 hp, 2015 Handledare: Roger Herbert och Albin Nordström

Institutionen för geovetenskaper, Uppsala universitet, Villavägen 16, 752 36 Uppsala (www.geo.uu.se)

Hela publikationen finns tillgänglig på www.diva-portal.org

(7)

Innehållsförteckning

1. Inledning ... 1

1.1 Syfte ... 1

2. Bakgrund ... 2

2.1 Snö i atmosfären ... 2

2.2 Snöackumulation ... 2

2.3 Snösmältning ... 3

2.4 Graddagmodellen ... 4

2.5 Snöns vattenekvivalent ... 5

2.6 Gråbergets porositet ... 5

3. Metod ... 5

3.1 Platsbeskrivning ... 6

3.2 Snöinventering ... 6

3.3 Dataanalys ... 7

3.4 Graddag metoden ... 8

3.5 Potentiell lakvattenbildning ... 8

3.6. Porositetbestämning ... 8

4. Resultat ... 9

4.1 Klimatdata ... 9

4.3 Snösmältningsförlopp ... 13

4.4 Porositet ... 14

5. Diskussion ... 14

5.2 Snösmältningsförlopp ... 15

5.3 Potentiell lakvattenbildning ... 17

6. Slutsats ... 18

7. Tackord ... 18

8. Referenser ... 19

8.1 Internetkällor ... 19

9. Bilaga ... 20

(8)

(9)

1. Inledning

När snösmältning påbörjas återgår tidigare bunden snö och is till vatten. Detta vatten infiltrerar ned i marken, alternativt avdunstar eller bildar ytavrinning. Detta medför viss problematik i kombination med avfall från bland annat gruvdrift. Gråberg benämns de avfall som genereras under gruvdrift och kan innehålla rester av

kvävebaserade sprängmedel. Gråberg lagras ofta i deponier på markytan och dessa kväveföreningar kan lakas ur när vatten transporteras genom deponierna. Detta kan ge upphov till bl.a. övergödning. Kväveproblemet ligger till grund för projektet miNing som Uppsala universitet är involverad i.

Kiruna har normalt 200 dygn med snötäcke per år (SMHI, 2014) och 40-50%

av årsnederbörden faller i form av snö (Bergström, 1994). Då snön på

gråbergshögarna som studeras smälter kan vattnet infiltrera och bilda lakvatten.

Mängden lakvatten som bildas kan beräknasutifrån en vårflodsprognos. En lokal snöinventering är därför av stor vikt för att beräkna snötäckets vattenekvivalent.

Detta för att få en uppfattning av hur mycket vatten som potentiellt kan infiltrera gråbergsdeponierna och generera lakvatten.

1.1 Syfte

Studiens syfte är att beräkna mängden lakvatten som potentiellt kan produceras utifrån snötäckets vattenekvivalent. Smältningsförloppet skall modelleras med graddagmetoden.

(10)

2. Bakgrund

Detta avsnitt ämnar till att redogöra för de faktorer som påverkar fördelningen och mängden snö som ackumuleras på jordytan. Med hjälp av dessa faktorer kan sedan snötäckets avsmältningsförlopp förklaras i korthet. För mer detaljerad information hänvisas läsaren till Gray et al. (1981) och USACE (1998). Slutligen kommer begreppet infiltration och porositet att behandlas i hänseende till

gråbergsdeponierna. Då dessa variabler är centrala begrepp för deponiernas vattenhushållande egenskaper

och avgör mängden vatten som kan tränga in, samt lagras i deponierna och bidra till lakvattenprduktionen.

2.1 Snö i atmosfären

Moln bildas när fuktig luft stiger och kyls adiabatiskt (1°C per 100m). Detta sker genom processer såsom orografisk hävning, frontaktivitet, konvergens eller konvektion. För att molndroppar skall bildas krävs det tillgång till

kondensationskärnor som vattenånga kan kondensera på. För att sedan vattnet skall frysa och bilda iskristaller krävs det att temperaturen i molnet är under 0°C (USACE, 1998). Molnets vertikala vindar motverkar gravitationens inverkan på iskristallerna och hindrar dessa att falla till marken. Via sublimering av vattenånga på kristallytan växer iskristallerna och bildar snökristaller. Dessa är tunga nog för att motverka molnets vertikalvindar och faller därmed till marken.

Temperaturen är den avgörande faktorn som bestämmer om nederbörd når marken i form av snö eller regn. Smälttemperaturen i atmosfären för snökristaller varierar mellan 0-4°C beroende på luftfuktighet, desto torrare luft ju lägre är smälttemperatur (USACE, 1998).

2.2 Snöackumulation

Om temperaturen i atmosfären är under smälttemperaturen för snökristallerna så når nederbörden jordytan i form av snö och deponeras i skikt vars egenskaper förändras över tid. Snötäckets inre egenskaper såsom kristallstruktur och densitet är central för snösmältningen. Dessa förändras när snötäcket påverkas av processer såsom (Dewalle et. al. 2008);

• Vind

• Värmeväxling mellan snöytan och atmosfär.

• Perkolation av smältvatten eller regn genom snötäcket

• Trycket från ovanliggande snö

• Variation av temperatur och ångtryck inom snötäcket.

• Värmexäxling mellan snötäcke och markytan

Detta resulterar i att snötäcket tydligt delas upp i lager som särskiljs av olika snöbyar.

I takt med att snötäcket förändras på grund av ovannämnda faktorer, kommer olika lager att erhålla skilda egenskaper inom snötäcket såsom; densitet, temperatur och struktur. Med tiden genomgår snötäcket metamorfos där dess struktur förändras och snöflingorna blir grynigare samtidigt som densiteten ökar och når sitt maximala värde

(11)

under avsmältningens slutskede (tabell 1).

Tabell 1. Densitet hos snö (SMHI, 2014)

Densiteten är central för att beräkna snöns vattenekvivalent (SVE), då den står i direkt relation till snötäckets vatteninnehåll (USACE, 1998).

2.3 Snösmältning

För att förstå vilka faktorer som påverkar snösmältning kan snöns energibalans studeras (figur 1). Energiutbytet mellan snötäcket och dess omgivning är avgörande för mängden vatten som produceras under avsmältningen samt hastigheten av snösmältningen. Energibalansen (figur 1) kan skrivas som summan av ingående och utgående energi från snötäcket, med hjälp av följande ekvation (USACE, 1998). );

Qm = Qsn + Qln + Qh + Qe + Qg + Qp – ΔQⁱ (1) Qm = Energi som är tillgänglig för snösmältning [W/m²]

Qsn = Netto av kortvågig strålning [W/m²] Qln = Netto av långvågig strålning [W/m²] Qh = Sensibelt värmeflöde [W/m²]

Qe = Latent värme [W/m²]

Qg = Konduktiva värmeflödet till eller från marken [W/m²] Qp = Värmeenergi från regn [W/m²]

ΔQⁱ = förändringen av lagrad energi per ytenhet av snötäcket [W/m²]

Huruvida snö går från fast till flytande fas, avgörs av dess energibalans (ekvation 1).

Under hösten och vintern är balansen negativ, vilket leder till att snötäcket växer. För att snö skalla smälta krävs det att snötäcket absorberar mer energi än det emitterar vilket bidrar till att temperaturen i snötäcket ökar och slutligen når 0°C. Vid denna temperatur sägs snötäcket vara isotermalt och all inkommande energi går åt till att smälta snö.

Betydelsen för varje term i ekvation (1) varierar beroende på plats och väderförhållanden. Effekterna av Qp och Qg på smältvattenproduktionen är relativt liten och kan därför försummas under större delen av året (USACE, 1998). Under snösmältningen är det därför Qsn, Qln, Qh och Qe,som har störst påverkan av smältningsförloppet.

Snötyp Densitet (kg/m³)

Mycket fluffig snö < 30

Torr nysnö 30-100

Våt nysnö 100-200

Vindpackad nysnö 200

Packad senvintersnö 200-300

Vårsnö under avsmältningens slutskede 400

(12)

Figur 1. Snöns energibalans; energi och massflödet mellan luft, snö och mark (USACE, 1998, modifierad av Anton Smith).

2.4 Graddagmodellen

Graddagmodellen är en förenklad snösmältningsmodell där lufttemperaturen är den avgörande variabeln för snösmältning. Denna metod är användbar då flertalet av variablerna i energibalansekvationen (ekvation 1) inte finns tillgängliga. Genom att multiplicera en graddagsfaktor med lufttemperaturen kan snösmältningshastigheten approximeras, se ekvation (2) (USACE, 1998):

𝑀𝑀 = 𝐶𝐶(𝑇𝑇a − 𝑇𝑇b) (2) 𝑀𝑀 = Smältvatten [mm/dag]

𝑇𝑇a = Dagligt lufttemperaturmedelvärde [°C]

𝑇𝑇b = Tröskelvärde, 0 °C

𝐶𝐶 = Graddagsfaktor [mm °C^-1 dag^-1]

Graddagmetoden innebär att för varje grad över tröskelvärdet (0°C) kommer snö att smälta med ett visst antal mm/dygn (Grip & Rodhe, 1994). Då Ta < Tb antas att ingen smältning sker. Den så kallade graddagsfaktorn är en variabel som påverkas av solinstrålning samt vindhastighet och är därför större på öppen mark än i skog då vindhastigheten och solstrålningen är större vid denna plats (Dewalle et. al, 2008).

(13)

I litteraturen varierar dessa värden mellan 1.8 till 3.7 mm/C° under regnfria förhållanden. I Sverige sätts generellt denna faktor till 2.0 mm/C° för skog och 3,5mm/C° för öppen mark (Bergström, 1994).

2.5 Snöns vattenekvivalent

Snöackumulering anges antingen som snödjup eller som SVE. I teorin representerar SVE den mängd vatten som frigörs vid fullständig smältning av en snömassa. SVE beräknas vanligen utifrån snödjup och densitet (ekvation 3).

SVE = d(ρ^s/ρ^w) (3) SVE= Snöns vattenekvivalent (m)

d = Snödjup (m)

ρ^s = Densiteten av snö (kg/m³) ρ^w= Densiteten av vatten (kg/m³)

Ekvation 3 ligger till grund för beräkning av snötäckets vatteninnehåll och är central för att uppskatta den potentiella mängd lakvatten som kan bildas från

gråbergsdeponierna.

2.6 Gråbergets porositet

När snö smälter kommer det antingen att infiltrera ned i gråbergsdeponierna och bidra till lakvatten bildning, avdunsta, eller att avgå som ytavrinning. Hur snabbt samt hur mycket vatten som kan infiltrera beror på infiltrationskapacitet (Grip & Rodhe, 1994). Detta beror i sin tur på deponiernas hydrauliska konduktivitet vilket utgörs av porstorleksfördelning, porsystemets uppbyggnad, samt befintlig vattenhalt i

deponierna. Med begreppet porositet menas den volym av den totala markvolymen som utgörs av hålrum. Dessa hålrum utgörs av luft- och vattenfyllda mellanrum så kallade porer som existerar mellan markpartiklarna (Tarbuck et al, 2011). Porositeten i gråbergshögarna beräknas utifrån ekvation 4:

p = Vp/Vt (4) p = Porositet [%]

Vp = Porvolym [m³] Vt = Total volym [m³]

Markens vattenhållande och vattengenomsläppliga egenskaper beror på markens struktur och textur (Grip & Rodhe, 1994). Markstrukturen i gråbergsdeponierna varierar från slumpmässigt orienterat och graderat material, till mer komplexa högar bestående av varierande kornstorlekar med porutrymmen och zoner av kompakta ytor (Smith

et al, 2004). Vattenflödet påverkas av dessa strukturer då de bestämmer

hastigheten och infiltrationskapaciteten i deponin, och därmed även hur mycket lakvatten som potentiellt kan infiltrera samt hur mycket som avgår som ytavrinning.

(14)

3. Metod

Detta avsnitt beskriver området där snöinventeringen utfördes. Här redogörs även fältmetodik samt vilka verktyg som används för att mäta snödjup och snömassa.

Avslutningsvis redogörs bearbetning samt analysen av data.

3.1 Platsbeskrivning

Området där snöinventeringen ägde rum är beläget i Kiruna. Klimatet är subarktiskt med en årlig nederbörd på 450mm (SMHI, 2014), varav 40-50% av årsnederbörden faller i form av snö (Bergström, 1994). Det studerade området består av två

pyramidformade gråbergshögar (RD1 och RD2), vars baser har måtten 35 x 35 m.

Högarna är 8m höga och innefattar tilsammans en total area på 3200 m²(Figur 2).

Området ligger 504 m ö.h. 96m under trädgränsen, och är fritt från vegetation. I direkt anslutning till platsen har tre olika terrängtyper identifierats utifrån Lantmäteriets vegetationskarta; sjö, myr och lövskog

Figur 2. RD2 (A), RD1 (B) (© Lantmäteriet, i2012/921)

3.2 Snöinventering

Snöinventeringen utfördes vid två skilda tillfällen (10/02/2015, och 09/04/2015).

Mätdata noterades på samtliga av gråbergshögarnas åtta sidor (figur 2). För att få en uppfattning om snötäckets förändring i höjdled lades transekter ut längst med mitten av varje sluttning, vinkelrätt mot deponiernas bas i en rät linje till toppen (figur 3).

Avståndet mellan mätpunkterna var 1 m, längst gråbergdeponiernas sida, och transekternas längd varierade mellan 13-20 m beroende på sluttningarnas lutning.

(15)

Vid varje mätpunkt noterades snödjup och snömassa. Snödjupet mättes med hjälp av ett graderat PVC rör med en tvärsnittsarea på 6,5 cm². Snömassan bestämdes genom att väga mängden snö i röret. Densiteten beräknades utifrån snömassan och volymen snö från PVC röret.

3.3 Dataanalys

Snödjup och snömassa antogs vara konstant över en bestämd area (figur 3).Denna area definierades av gråbergsdeponiernas olika sidor. Då deponierna approximerats till formen av en pyramid beräknades arean av de olika sidorna med hjälp av

trigonometri., då både basen och längden (längst med sluttningarna) mellan toppen och botten av högarna var känd. För att approximera snötäckets förändring i höjdled (högarnas vertikala höjd), beräknades arean av enskilda trianglar som subtraherades från varandra. För varje höjdmeter drogs en meter bort från triangels höjd varav en mindre triangel skapades med hjälp av trigonometri. Arean av det båda trianglarna subtraherades från varandra, varav en rektangel skapades som representerade en area där snödjup och snömassa antogs vara konstant.

Datan som samlats in under snöinventeringarna samt den data som hämtats från LKAB:s väderstation sammanställdes i diagram gjorda i Microsoft Excel samt OriginLab^®.

Figur 3. Transektlinje. De röda markeringarna i mitten motsvarar datapunkter som samlades in under snöinventering. Snödjup och snömassa approximerades till en konstant area, representerad av de färgade rektanglarna.

(16)

3.4 Graddagsmetoden

Vid bestämning av snösmältningsförloppet användes graddagmetoden (ekvation 3).

Graddagsfaktorn sattes till 3,5mm/dygn på grund av att platsen ligger i öppen terräng. Det tröskelvärde som användes sattes till 0°C och som 𝑇𝑇^a (se ekvation 2) användes den genomsnittliga dygnsmedeltemperaturen. Då inga plusgrader noterats på platsen mellan november och april modellerades snösmältningen inte förens de första plusgraderna observerats.

3.5 Potentiell lakvattenbildning

För att kunna approximera den totala mängden vatten som kan infiltrera gråbergsdeponierna (och bilda lakvatten) beräknas volymen av högarnas

porutrymme som utgörs av gas (Vp, gas) enligt ekvation (5), dvs. det porutrymme som ännu inte är vattenfyllt. Vattenhalten i gråbergshögarna vid snösmältningens början mättes med hjälp av time domain reflectrometry (TDR) (miNing, ej publicerad data).

𝑉𝑉_{𝑝𝑝,𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔} = ^(𝑝𝑝𝑔𝑔𝑔𝑔å𝑏𝑏𝑏𝑏𝑔𝑔𝑔𝑔𝑏𝑏ℎö𝑔𝑔−𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉)

100 ∗ 𝑉𝑉𝑇𝑇,𝑔𝑔𝑔𝑔å𝑏𝑏𝑏𝑏𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔ℎö𝑔𝑔 (5)

pgråbergshög = totala- porositeten på gråbergsdeponin [%]

Vp, gas = Volym gas [m³]

VWC = Volumetric Water Content (Vattenhalt) [%]

VT, gråbergshög = Totala volymen gråberg

Ekvationen ovan användes för att beräkna den volym snösmälta som kan lagras i gråbergsdeponiernas porer. Variabeln VWC representerar andelen av

gråbergsdeponiernas totala volym som är ockuperat av vatten. Dessa värden erhålls från TDR och vid kalkylering av gråbergdeponiernas porvolym har ett medelvärde av VWC beräknads utifrån data från april 2015. Variabeln VT, gråbergshög innefattar

gråbergsdeponins totala volym (volym gråberg, volym vatten och volym gas). Utifrån ekvation (5) fås den totala volym av deponierna som är fyllda med gas, dvs. det potentiella porutrymmet som kan fyllas och lagra vatten. Överskrids detta värde, exempelvis omvatten infiltrerar fortare än det dräneras, kommer snösmältan att avgå som ytavrinning.

3.6 Porositetbestämning

Porositeten i gråbergsdeponierna bestämdes gravimetriskt i laboratorium. Fem cylindrar (7.2 cm i diameter, 5 cm höga) med en total volym på 203,6 cm³packades med material från gråbergsdeponierna med en genomsnittlig kornstorlek mallan 0- 30mm. Därefter fick de stå i vattenbad i cirka 24h, varpå proverna vägdes. Proverna torkades i 105°C i 24 timmar, och vägdes återigen.

Gråbergdeponinernas porositet beräknades enligt ekvation (4) varpå mängden vattenfria porer bestämdes enligt ekvation (5). Vid användningen av ekvation (5) antogs RD1 och RD2 vara lika stora och den totala volymen approximerades utifrån volymen av en pyramid (ekvation 6).

VPyramid

=

^B×h₃ (6)

(17)

4. Resultat

Detta avsnitt har för avsikt att presentera den mätdata som genererats från snö inventeringen, samt presentera de resultat som fåtts från analys av klimatdata samt från porositetslaborationen

4.1 Klimatdata

Datan över vindriktningen är hämtade från LKAB:s huvudkontor i Kiruna. Notera att vindriktningarna och vindhastigheterna är tagna från föregående år då data från 2015 inte fanns tillgänglig. Frekvensfördelningen av vindriktning under hela året varierar kraftigt.Vind från västliga väderstreck (VNV, V, VSV) samt ostliga väderstreck (O, OSO, SO) utgör

32 % respektive 29 % av årets totala frekvensfördelningen (figur 4a). Under

vintermånaderna är den dominerande vindriktningen från söder och varierar mellan 90°O till 270°V. Endast 4% av vinden blåser från nordliga väderstreck (NV,NE.) (figur 4b)

Figur 5 visar en tidsserie av dygnsmedeltemperaturen uppmätt på fältplatsen mellan 5/11-2014 och 1/4-2015. Endast den 1/1-2015 var dygnsmedeltemperaturen över 0°C (figur 5). Ingen snösmältning beräknas därför ske under denna period.

Figur 4. Vindrosor skapade från data insamlade vid LKAB:s huvudkontor.

Vindriktningsförhållanden för hela året (a) mellan (2012-09-04 - 2015-01-21).

Vindriktningsförhållanden under vintermånaderna (b), Nov,Dec,Jan,Feb,Mar,Apr mellan åren (2012-09-04 - 2015-01-21)

b a

(18)

Figur 5. Dygnsmedeltemperatur mellan 05/10/2014 och 08/05/2015 ( från LKAB:s huvudkontor)

4.2 Snöinventering

I tabell 2-3 ges en sammanfattad redovisning av snödjup och snömassa från

mättillfällena 10/02/2015, och 09/04/2015. Densitet och SVE är uträknad i efterhand medan snömassa och snödjup är uppmätta på plats vid gråbergshögarna. Samtliga resultat kan studeras i bilaga 1.

Den sydvästliga sidan på båda gråbergshögarna visade en minskning av alla variabler mellan de två mättillfällena, utom densiteten som ökade (se tabell 2 och 3).

Vid referenspunkterna på fältet (tabell 6) uppmättes ingen markant skillnad mellan första och andra provtagningstillfället. Referenspunkten i skogen skilde sig från referenspunkten i öppen terräng(se ”fält” i tabell 6) och visade en större ackumulering av snö.

Tabell 2. Medelvärde av snödensitet, snödjup samt beräknad densitet och SVE från första och andra provtagningstillfället på RD1 (rödmarkerade indikerar på värdeminskning) Sida Snödjup

(m)

Snömassa (kg/snörör)

Densitet (kg/m³)

SVE (mm) Feb Apr Feb Apr Feb Apr Feb Apr Sydost 0,57 0,57 0,17 0,26 220,05 311,73 122,71 184,78 Sydväst 0,23 0,19 0,07 0,06 199,84 210,53 46,92 40,38 Nordväst 0,16 0,25 0,04 0,07 176,07 208,1 30,93 48,21 Nordost 0,21 0,3 0,06 0,08 186,21 178,09 41,5 59,03

(19)

Tabell 3. Medelvärde av snödensitet, snödjup samt beräknad densitet och SVE från första och andra provtagningstillfället på RD2 (rödmarkerade indikerar på värdeminskning)

Tabell 4. Medelvärde av snödensitet, snödjup samt beräknad densitet och SVE från första och andra provtagningstillfället vid referenspunkterna.

I figur 6-9 illustreras relationen mellan snödjup och SVE, samt hur dessa förändras över tid och med gråbergshögarnas vertikala höjd. Notera även de olika skalorna på y-axlarna i figur 6-9. Under det första mättillfället (10/02/2015), på den sydöstra sidan av RD1 (Figur 6) var snödjupet och SVE som störst mellan höjderna 0-3 m . Därefter minskar dessa värden med högens höjd och lägsta värde noteras vid 8 m på högens topp. Vid det andra mättillfället (09/04/2015) beräknades en kraftig ökning av SVE (figur 6a) mellan höjderna 0-2 m, medan endast en liten förändring i snödjup uppmättes (figur 6b). Vid denna höjd observerades även en förändring i densitet mellan första (≈227kg/m³) och andra (≈413kg/m³) mättillfället, vilket förklarar den stora skillnaden i SVE mellan provtagningstillfällena.

Figur 6. Beräknad SVE (a), uppmätt snödjup (b) plottat mot gråbergshögarnas vertikala höjd.

Sida Snödjup (m)

Snömassa (kg/snörör)

Densitet (kg/m³)

SVE (mm) Feb Apr Feb Apr Feb Apr Feb Apr Sydost 0,35 0,33 0,10 0,11 217,05 241,32 74,96 79,95 Sydväst 0,33 0,22 0,09 0,06 200,16 207,17 65,53 44,94 Nordväst 0,28 0,42 0,09 0,13 216,65 227,34 62,39 95,90 Nordost 0,32 0,70 0,08 0,22 190,98 216,51 61,11 156,15

Referens punkt Snödjup (m)

Snömassa (kg)

Densitet (kg/m³)

SVE (mm)

Fält, 10-Feb 0,53 0,14 187,3 98,65

Fält, 09-Apr 0,53 0,13 183,3 97,44

Skog, 10-Apr 0,89 0,32 264,3 235,79

a b

(20)

första mättillfället (figur 7a). En minskning av både snödjup och SVE noterades vid andra provtagningstillfället och snötäcket blev mer homogent fördelat över höjd, endast små fluktuationer av snödjup och SVE noteras (figur 7).

Skillnaden i snödjup och SVE är tydlig mellan RD1 och RD2. Snö tenderar att ackumuleras på botten av den nordvästra slutningen (figur 8b), samt på toppen av den nordöstra slutningen (figur 9b) av RD2. En ökning av Snödjup och SVE över höjd noteras för båda sluttningarna mellan det första och andra provtagningstillfället (Figur 9).

b a

a b

(21)

4.3 Snösmältningsförlopp

SVE ökade mellan provtagningstillfällena på de sydostliga, nordvästliga, och

nordostliga sidorna av RD1 och RD2 (figur 10a,b). En minskning med 24 % av SVE beräknades för den sydvästra sidan av RD1 (figur 10a). SVE för hela RD2 minskade med 21 % mellan det båda provtagningstillfällena (figur 10b). Gråbergshögarnas totala SVE beräknades till 100 m³(RD1) och 90m³ (RD2). Varav den sydöstra sidan på RD1 utgör 60 % av högens totala SVE.

Figur 10. Beräknad SVE per sida för, RD1(a) och RD2 (b) under 10/02/2015 och 09/04/2015.

Med hjälp av data från snöinventeringen approximerades snötäckets totala vattenekvivalent under perioden november till april. Med tanke på de negativa temperaturerna (figur 5) och den begränsade solinstrålningen mellan november (2014) och april (2015) är det rimligt att anta att ingen snösmältning skedde under dessa månader. Vid beräkning av snösmältningsförloppet användes ekvation (3) med graddagsfaktorn 3.5mm/dag. Då temperaturdata efter 10de april 2015

saknades så användes temperaturdata från samma 2014 under perioden 11-22 april.

Generellt sett så tar det längre tid för snötäcket att smälta, ju större SVE är då snösmältningen påbörjas (figur 11).

b a

(22)

Figur 11. Snösmältningsförloppet. Antal m³ vatten per dag som är bundet i form av snö. När y-axeln är 0 är snötäcket fullständigt smält.

4.4 Porositet

Porositeten från de fem prover av matrismaterialet var 27 %± 2 % (tabell 7).

Gråbergdeponiernas totala volym beräknades till 3267m³utifrån ekvation 6.

Medelvärdet av vattenhalterna under april var 8 % i RD1och 6 % i RD2. Volymen av gasfyllda porer i gråbergsdeponierna beräknades enligt ekvation (5) till 968 m³För RD1 och 725 m³för RD2.

Tabell 5. Medelvärde av snödensitet, snödjup samt beräknad densitet och SVE från första och andra provtagningstillfället vid Referenspunkterna.

5. Diskussion

Detta avsnitt ämnar till att diskutera resultaten från snöinventeringen samt att redogöra för den potentiella lakvattenproduktionen från snösmälta.

5.1 Snöinventering

Utifrån de erhållna resultaten från snöinventeringen observerades en variation av medelvärdet på snödjup, densitet, och SVE mellan de olika provtagningstillfällena

Prov Vattenmättat

Gråberg (g)

Ugnstorkat Gråberg (g)

Porositet Gråberg (%)

1 604,1 551.9 25

2 592,1 537.0 27

3 606,5 550,6 27

4 601,2 540,8 29

5 573,1 517,6 27

(23)

samt gråbergshögarnas sidor (se avsnitt 4.2). Området kring högarna är flackt och saknar högre vegetation, medan högarna är pyramidformade. Detta påverkar snöackumulationen kraftigt då högarna är speciellt utsatta för vind i och med deras högre topografi i relation till närområdet. Snödjupet på gråbergshögarna varierar med höjden av högarna, samt beroende på vilket väderstreck sluttningarna är vända mot.

Den största skillnaden i snödjup, densitet, och SVE noterades mellan lä- och mer vindexponerade sidor (se tabell 2 och 3). Snödjupet på de sydvästra och sydöstra sidorna av RD1 och RD2 är betydligt mindre och har en mer homogen spridning med höjd än det nordliggande sluttningarna (figur 6-7). Resultatet från vindrosen (figur 11) visar att den dominerande vindriktningen under vinterhalvåret är från VSV, SV, OSO och SO. Då vinden tenderar att transportera snö från sluttningar som ligger i den rådande vindriktningen till läsidan av sluttningar (Gray et al, 1981), är detta resultat väntat och stöds av vinddata.

Den största förändringen i densitet mellan provtagningstillfällena noterades på den sydöstra sluttningen av RD1(tabell 2). Då snötäckes densitet är starkt kopplad till vatteninnehåll, och inga plusgrader noterats mellan

provtagningstillfällena, är temperaturvariationer inte en rimlig orsak för ökningen (USACE, 1998). Densiteten för den sydöstra sidan motsvarar packad senvintersnö (tabell 1). En trolig orsak för ökningen i densitet kan således vara att trycket från ovanliggande snö i kombination med stark vinddrift från SV har bidragit till att snötäcket blivit mer kompakt, då ingen förändring i snödjup noterades mellan mättillfällena (figur 6). Den kraftiga snöackumulationen på botten av den sydöstra sidan av RD1 (figur 6) kan förklaras med att botten av denna sida ligger i lä på grund av den närliggande vallen som blockerar vinden från att transportera snö från botten av högen.

5.2 Snösmältningsförlopp

Snöinventeringen approximerar den totala snöackumulationen i området under vintern 2014-2015. Metoden som användes under snöinventeringen med

transektlinjer i mitten av gråbergsdeponiernas sidor fungerade tillfredsställande då en större spatial spridning av mätpunkter på deponeras sidor skulle bli för tidskrävande.

För att underlätta kommande snöinventeringar skulle färre antal mätningar göras och istället sprida ut mätningarna över deponin. För att få en uppfattning över hur snödjup och snömassa skiljer i höjdled kan högarna delas in i två till tre sektioner varav

medelvärdet av SVE beräknas för vardera sektion.

För att beräkna snötäckets smältningsförlopp valdes graddagsmetoden.

Denna modell beräknar snötäckets smältningsförlopp som en linjär funktion av lufttemperaturen. Den modellerade snösmältningen (figur 11) i jämförelse med bilder på gråbergsdeponierna som togs den 10:de maj (figur 12) antyder att

snösmältningen från den sydöstra sidan av RD1 (figur 12A) samt de nordliga sidorna på RD1 och RD2 (figur 12C, D) inte stämmer med snösmältningsprognosen. Vad det gäller de sydvästra sidorna av RD1 och RD2 (figur 12B) verkar modellen

överensstämma någorlunda, då dessa sidor beräknades vara snöfria runt 7:de maj.

(24)

Figur 12. Gråbergshögar 10-maj. Sydöstra sidan av RD1 (A), sydvästra sidan av RD1 och RD2 (B), nordöstra sidan av RD1 (närmast kameran), och Sydöstra sidan av RD2 (C), nordvästra sidan av RD1 (D). Foto: Roger Herbert

Den graddagsfaktor som valdes för att beräkna snösmältningen var 3,5mm/dag.

Denna valdes på grund av att den lämpar sig för snösmälting i områden som delvis eller helt saknar vegetation (Bergström, 1994).

Det kan diskuteras om en graddagsfaktor på 3,5 mm/dag lämpar sig att använda för snösmältningsprognoser i området som studerats. För att erhålla ett sådant exakt resultat som möjligt bör graddagsfaktorn kalibreras utefter platsens förutsättningar.

Exempelvis så borde vind och solinstrålning tas med i beräkningarna då området som studerades är under delar av året utsatt för hög solinstrålning och svag till måttlig vind (2-10m/s). Vind och solinstrålning är direkt relaterade till sluttningarnas läge och mängden smältvatten som produceras per dag.

Vid modellering av snösmältningen användes dygnsmedelvärden av temperaturen på grund av att graddagsfaktorn är angiven i ”per dygn”. Nackdelen med detta är att snösmältningsförloppet kan bli fördröjt på grund av skillnaden i lufttemperatur mellan dag och natt är stora. Detta gör att dygnsmedel temperaturen blir lägre än 0°C och ingen snösmältning beräknas ske även fast plusgrader har noterats på dagen. Nackdelen med detta är att snösmältningsförloppet kan bli fördröjt på grund av skillnaden i lufttemperatur mellan dag och natt är stora. En annan

nackdel med modellen var att graddagsfaktorn antogs vara konstant under hela snösmältningsförloppet. Då snötäcket kan ses som ett dynamiskt system som ständigt förändras, innebär detta att graddagsfaktorn måste ändras i takt med snötäckets omvandling på grund av metrologiska faktorer som förändras över tid.

Resultatet från denna snösmältnings prognos ger inget exakt värde utan endast en fingervisning hur snabbt snötäcket smälter.

(25)

5.3 Potentiell lakvattenbildning

Snösmältningen antas sker under loppet av en månad (se figur 11), vilket innebär att vatten troligtvis kommer att hinna dräneras från deponin i takt med att mer snö smälter. Då fältkapaciteten och hydraulisk konduktiviteten i gråbergsdeponierna är okänd, är därmed även lakvattnets uppehållstid i gråbergsdeponierna därmed oviss.

Porositetsbestämningen gjordes enbart på gråberghögarnas finkorniga material. Då gråbergsdeponierna även innehåller grövre material såsom stenblock är det troligtvis att den verkliga porositeten skiljer sig från värdet mätt i laboratorium Gråbergdeponiernas totala porvolym beräknas till 968m³för RD1 och 721m³ för RD2. Den totala mängd vatten som genereras från snösmältningen motsvarar 100 m³för RD1 och 90 m³för RD2 (enligt snöinventeringen). Då den totala

porvolymen är större än den vattenmängd som potentiella kan infiltrationen deponierna, bör majoriteten av vattnet lagras i porerna och inom tid bidra till lakvatten, istället för att avgå som ytavrinning. En högre porositet innebär att

materialet har plats att hålla mer vatten per volymenhet, dock om detta värde är för högt tappar materialet sin vattenhållande förmåga och vattnets uppehållstid skulle minska i deponierna.

(26)

6. Slutsats

Mängden lakvatten som beräknades utifrån data som genererades från

snöinventeringen motsvarar 100 m³för RD1 och 90m³för RD2. Gråbergsdeponiernas porvolym beräknades till 968m³För RD1 respektive 725³för RD2. Detta medför att allt vatten som bildas utifrån snösmältningen kan infiltrera deponierna, det vill säga ingen ytavrinning sker. Snötäckets smältningsförlopp uppskattades med hjälp av graddagmetoden och ger inte ett exakt värde över hur mycket snö som smälter per dag, dock kan denna modell användas som en fingervisning av hur mycket samt hur snabbt snötäcket smälter.

7. Tackord

Ett stort tack till mina handledare Albin Nordström och Roger Herbert som hjälpt mig mycket under projektets gång med både rapportläsning samt fältarbete. Tack till Roger Herbert som gjorde det möjligt för mig att delta i detta projekt.

(27)

8. Referenser

Bergström, S.,1994. Sveriges hydrologi: grundläggande hydrologiska förhållanden 2.

uppl., Norrköping: Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut (SMHI).

DeWalle, D.R. & Rango, A., 2008. Principles of snow hydrology, New York:

Cambridge University Press.

Grip, H. & Rodhe, A., 2000, Vattnets väg från regn till bäck, 3:e uppl., Uppsala:

Hallgren & Fallgren

Gray, D.M., & Male, D.H., 1981. Handbook of snow: principles, processes, management & use, Toronto: Pergamon.

United Sates Army Corps of Engineers (USACE).,1998. Runoff From snowmelt.

Engineer Manual 1110-2-1406, Engineering and Design. Washington D.C.: Department of the Army.

Smith. J Marcoline, K Wagner, C Nichol, R Beckie., 2004. Hydrologic and geochemical transport processes in mine waste rock. In American Geophysical Union’s Spring Meeting Abstracts. p. 04.

Tarbuck, E. J.,Lutgens, F. K. & Tasa, D., 2011, Earth. An Introduction to Physical Geology, 10^th ed., Upper Saddle River, NJ: Pearson Education

8.1 Internetkällor

SMHI, 2014. Normalt antal dygn med snötäcke per år

http://www.smhi.se/klimatdata/meteorologi/sno/normalt-antal-dygn- med- snotacke-per-ar-1.7937 [2015-05-12]

Lantmäteriverket. (2014).

Lantmäteriets ortofoto raster [Elektronisk]: 1:10000. Gävle: Lantmäteriet.

https://maps.slu.se/get/ [2015-04-11]

(28)

9. Bilaga

Plats RD2, Fältresa 9-Feb

Väderstreck SO

Mätlängd 12m från första till sista mätpunkten

Mätpunkt Snödjup (cm) Massa (g)

1 30 90

2 22 70

3 26 80

4 33 110

5 39 110

6 51 150

7 55 160

8 50 110

9 28 90

10 35 110

11 25 80

12 35 100

13 28 90

Väderstreck SV

1 28 70

2 25 65

3 24 60

4 28 80

5 25 70

6 22 65

7 20 55

8 24 65

9 25 70

10 25 70

11 25 70

12 22 65

13 25 60

14 39 100

15 47 130

16 63 180

17 75 220

18 51 150

19 25 80

(29)

Väderstreck NV

Mätlängd 13,2m från första till sista mätpunkten

1 39 100

2 76 260

3 59 170

4 41 150

5 27 75

6 26 65

7 12 40

8 9 25

9 13 40

10 13 40

11 13 40

12 12 30

13 24 65

14 30 110

Väderstreck NO

Mätlängd 14,7m från första till sista mätpunkt

1 37 110

2 17 50

3 25 70

4 33 80

5 29 70

6 15 40

7 28 65

8 38 95

9 49 110

10 32 80

11 32 70

12 40 100

13 35 100

14 41 135

15 31 95

(30)

Plats RD2, Fältresa 10-Mars

Väderstreck SO

1 35 145

2 37,5 150

3 24,5 70

4 54 170

5 21 85

6 42 140

7 43 145

8 34 120

9 34 90

10 27 100

11 32 105

12 25 60

13 20 60

Plats RD2, Fältresa 10-mars

Väderstreck NV

Mätlängd 13,2m från vallen till sista mätpunkten

1 43 160

2 89 300

3 95 280

4 71 245

5 49 145

6 27 95

7 13 50

8 16 50

9 27 45

10 29 80

11 31 95

12 45 150

13 32 110

14 19 55

15 43 160

(31)

Väderstreck SV

Mätlängd 20m från vallen till sista mätpunkten

1 32 75

2 24 8

3 23 60

4 23,5 80

5 20 50

6 22 70

7 24,5 80

8 21 50

9 15 45

10 13,5 45

11 17 50

12 18,5 60

13 18 65

14 23 70

15 29 100

16 23 80

17 15,5 50

18 21 55

19 35 90

Väderstreck NO

Mätlängd 14,7m från vallen till sista mätpunkten

1 26 65

2 37 70

3 57 180

4 60 180

5 65 185

6 64 175

7 60 170

8 64 200

9 74,5 245

10 82,5 275

11 81 250

12 100 310

13 118 430

14 98 340

(32)

Väderstreck SO

1 55 170

2 93 550

3 100 320

4 100 360

5 95 300

6 90 260

7 75 200

8 45 140

9 45 130

10 43 100

11 48 140

12 42 110

13 49 140

14 40 100

15 43 130

17 41 140

18 36 100

19 26 50

Väderstreck NV

Mätlängd 14m från första mätplatsen till topen

1 29 100

2 30 100

3 22 50

4 21 70

5 10 20

6 18 50

7 8 10

8 10 30

9 10 30

10 10 20

11 13 30

12 10 10

13 11 20

14 23 60

(33)

Väderstreck SV

Mätlängd 17,5m från första mätplatsen till toppen

1 32 100

2 26 90

3 20 50

4 15 30

5 25 65

6 24 75

7 20 50

8 20 60

9 20 50

10 19 50

11 19 50

12 16 45

13 16 45

14 34 100

15 30 90

16 27 70

17 30 85

Väderstreck NO

1 75 240

2 44 110

3 10 20

4 7 15

5 21 55

6 11 30

7 6 15

8 4 10

9 7 15

10 10 30

11 8 20

12 20 55

13 38 100

14 31 90

(34)

Väderstreck SO

1 9 40

2 107,5 625

3 110 620

4 43 200

5 43 200

6 46 200

7 53 225

8 59 210

9 71 280

10 75 315

11 59 265

12 50 210

13 58 240

14 33 110

15 32 100

Väderstreck Nv

1 22 70

2 32 95

3 20 45

4 28 50

5 19 50

6 18 50

7 50 105

8 35 105

9 25 70

10 20 55

11 16 60

12 14 45

13 8 35

14 36 100

(35)

Plats RD1, Fältresa 10-Mar

Väderstreck SV

Mätlängd 17,5m från första mätplatsen till toppen

1 24 15

2 22 60

3 27 95

4 18 60

5 14 40

6 14 45

7 13,5 35

8 12,5 40

9 10 25

10 8,5 30

11 8 25

12 14 40

13 30 110

14 25 56

15 29 85

16 27 90

17 30 100

Väderstreck NV

1 20 55

2 49 125

3 75 280

4 41 130

5 26 70

6 7 15

7 19 40

8 25 55

9 33 80

10 40 110

11 37 90

12 19 40

13 21 40

14 9,5 15

(36)

(37)

(38)