Klimatförändringens påverkan av portryck i Göta älvdalens lerslänter
H. Persson
Statens Geotekniska Institut, Sverige, hakan.persson@swedgeo.se L. Blied
Statens Geotekniska Institut, Sverige J. Dahné
Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut, Sverige
ABSTRACT
Längs stora delar av Göta älv i sydvästra Sverige finns lerslänter med dålig stabilitet. Älven omges i många områden av bostäder, industri, vägar och järnvägar. Vidare, används den såväl för fartygstrafik som till vattentäkt för Göteborg. Detta innebär att konsekvenserna av skred i slänterna längs älven kan bli stora.
Ett framtida klimat med ökad nederbörd kan leda till ökade portryck i leran, vilket i sin tur kan orsaka skred i de redan instabila slänterna. För att undersöka möjliga effekter från klimatförändringar på slänternas stabilitet kan känslighetsanalyser med ökade portryck göras.
För att bedöma rimliga portrycksökningar till sådana analyser har i denna artikel resultat sammanfattats från ett flertal studier rörande grundvattenförhållanden i ett förändrat klimat.
Portrycken i Göta älvdalens täta lera styrs framförallt av grundvattennivåerna i de mer genomsläppliga övre- och undre grundvattenmagasinen. Det övre magasinet kan betraktas som ett öppet magasin, medan det undre magasinet är slutet av den överliggande täta leran. Infiltration till det undre magasinet sker från höjdområden med berg och grövre jordar, vilka kan betraktas som öppna magasin. Därmed kan bedömningar av nivåerna i såväl de övre- som undre grundvattenmagasinen göras utifrån analyser av öppna magasin.
Studierna i denna artikel rörande klimatförändringens inverkan på grundvattennivåerna kommer främst från Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut. I dessa har klimatprojektioner fram till seklets slut använts tillsammans med hydrologiska modeller för att beräkna markfuktighet och grundvattennivåer i öppna magasin. För markfuktighet indikerar resultaten små minskningar under vinterhalvåret. För öppna grundvattenmagasin visar resultaten huvudsakligen på ökningar av de högsta nivåerna med omkring 0,3 m.
Ökningarna av portrycken i leran fram till seklets slut väntas därmed bli mindre än 0,3 m, men till följd av de stora osäkerheter som råder i bedömningarna bör känslighetsanalyser utföras med ökningar av portrycken på omkring en halvmeter.
Keywords: Groundwater, Pore pressures, Clays, Slopes, Statistical analysis
för elproduktion.
Figur 1. Karta över delar av södra Sverige. Göta älv rinner från Vänern ned till Göteborg i kartans vänstra kant. De röda prickarna markerar samtliga grundvattenstationer som analyseras senare i artikeln.
Stabiliteten längs stora delar av Göta älv är i dagsläget dålig, varför stabilitets- försämringar kan förväntas leda till skred. Då delar av området även har kvicklera kan konsekvenserna av skred bli mycket stora.
Förändringar i klimatet väntas leda till nederbördsökningar med omkring 20-30%
mellan referensperioden 1961-1990 och slutet av seklet (Bergström m.fl., 2010). Om förändringar i klimatet leder till ökade portryck i slänterna kan stabiliteten komma att försämras. För att undersöka möjliga effekter från klimatförändringar på slänterna kan känslighetsanalyser med ökade portryck göras.
I lerslänterna längs Göta älv är lerans odränerade skjuvhållfasthet oftast lägre än motsvarande dränerad hållfasthet. Vanligtvis är det därför endast för mycket grunda glidytor som portrycken har en direkt inverkan på slänternas stabilitet. I den norra delen av älvdalen är den odränerade
permeabilitet och kan avseende grundvattenförhållandena oftast betraktas som tät. Detta leder till att portrycken i leran styrs av grundvattenförhållanden i intilliggande genomsläppliga lager. Dessa lager består normalt av lerans torrskorpezon tillsammans med ett lager med friktionsjord under leran.
Torrskorpeleran närmast markytan är fast och kraftigt uppsprucken med permanenta sprickor som ger hög permeabilitet. Den höga permeabiliteten gör att torrskorpan kan betraktas som ett övre grundvattenmagasin med hydrostatisk tryckfördelning. Under torrskorpan återfinns ofta en zon på ett par meter med tätare lera, vilken även den är påverkad av sprickbildning som orsakar förhöjd permeabilitet (~1-5·10-8 m/s) och nära hydrostatisk tryckfördelning. På ett djup av storleksordningen 5 m under markytan försvinner vanligtvis dessa sprickor och under denna nivå har leran lägre permeabilitet (~10-9-10-10 m/s). Tryck- fördelningen i denna täta lera kan avvika kraftigt från hydrostatisk fördelning. Under leran finns oftast permeabla friktionsmaterial, vilka utgör ett undre grundvattenmagasin med hydrostatisk tryckfördelning.
Ibland påträffas skikt med permeabla material också inom lerprofilen. Dessa lager kan vara friliggande linser, eller stå i kontakt med såväl det undre grundvattenmagasinet som älven. Tryckprofilen inom ett sådant lager är nära hydrostatisk.
1.2 Grundvattenförhållanden
Det övre grundvattenmagasinet tillförs vatten genom infiltration direkt från markytan. Grundvattennivån i det övre grundvattenmagasinet, den s.k. nolltrycks- nivån, bedöms normalt inte vara lägre än underkant av torrskorpan och inte högre än
Göta älv
Stockholm
Göteborg Vänern
markytan. Dessa fluktuationer är dock inte väl kända. Nolltrycksnivån ansluter alltid till älvens vattennivå, vilken därför till stor del styr grundvattennivån i området närmast älven. Förutom just närmast älven, är det främst i flacka partier som grundvattennivån i det övre grundvattenmagasinet kan nå nära markytan. I det övre grundvattenmagasinet kan nivån variera snabbt även vid relativt kortvarigt regn (Persson m.fl., 2011).
Till det undre grundvattenmagasinet sker tillförseln av vatten oftast från de höjdområden som omger älven. I dessa områden finns berg i dagen och grövre jordar, i vilka infiltration kan ske. Lerans mäktighet tilltar sedan vanligtvis i riktning mot älven. Dessa förhållanden illustreras i figur 2.
Grundvattnet i såväl det övre som undre magasinet strömmar generellt sett från infiltrationsområden i höjdområdena som omger Göta älv och ner mot älven. I många fall avtar dock inte trycknivån i det undre grundvattenmagsinet i samma takt som markytans nivå, vilket innebär att trycknivån överstiger markytans (se figur 2). Detta artesiska tryck i dalens mitt kan ofta uppgå till 1-2 m över markytan, men i enstaka områden, i älvdalens södra del har trycknivåer upp till 7 m över markytan uppmätts.
På några ställen, speciellt i den norra delen av älvdalen, finns områden där trycknivån i det undre grundvattenmagasinet är lägre än i det övre grundvattenmagasinet, beroende på att det undre magasinet står i kontakt med älven.
Trycknivåerna i de undre grundvatten- magasinen är uppåt begränsade av markytans
nivå i infiltrationsområdena. Detta eftersom grundvattennivån i infiltrationsområdena inte kan överstiga markytan. Denna nivå brukar kallas för det undre grundvattenmagasinets bräddnivå. Till följd av grundvatten- strömningen mot dalens mitt är dock de maximala nivåerna i slänterna ofta avsevärt lägre än infiltrationsområdenas nivåer.
Grundvattnets fluktuationer i det undre magasinet varierar ofta med årstid på ett liknande sätt från år till år. För dagens klimat innebär det att årets högsta grundvattennivå i Göta älvdalen normalt inträffar under vinterhalvåret till följd av långvarigt regn och låg avdunstning, ibland tillsammans med snösmältning. När avdunstningen ökar under sommaren sjunker grundvattennivåerna, för att nå sina lägsta värden under sensommaren.
Under hösten ökar åter
grundvattenbildningen, till följd av ökad nederbörd, minskad vegetation och sänkt temperatur.
Dessa grundvattenregimer, som uttrycker grundvattennivåns årstidsrelaterade variation, illustreras för södra Sverige i figur 3. Göta älvdalen klassas av Sundén m.fl. (2010) tillhöra samma grundvattenregim som södra Sveriges inland och nordöstra Svealand.
Möjligen har Göta älvdalen en grundvattenregim mer liknande de allra sydligaste delarna, eftersom snölagringen under vintrarna ofta är måttlig, vilket således gäller också för snösmältningen.
Figur 2. En för Göta älvdalen typisk tvärsektion med artesiskt tryck från höjdområdena ned mot älven.
Figur 3. Grundvattenregimer i södra Sverige (efter Sundén m.fl., 2010).
Den årliga variationsbredden i det undre grundvattenmagasinet ligger i Göta älvdalen vanligtvis i intervallet 1,0-2,5 m (Persson m.fl., 2011). Fluktuationerna i de undre grundvattenmagasinen varierar dock längs slänterna, och är generellt större nära infiltrationsområdena än vid älven.
2 METOD
I denna artikel knyts resultat från ett flertal olika studier samman i syfte att få en helhetsbild av förväntade förändringar av portrycken i Göta älvdalens lerslänter i ett förändrat klimat. Dessa studier omfattar analyser av såväl extrem nederbörd som markfuktighet, grundvattenbildning samt grundvattennivåer.
Flera av de använda studierna baseras på beräkningar med den hydrologiska HBV- modellen (Bergström, 1976). Dessa studier beskriver förändringar i öppna grundvattenmagasin i morän och grövre jord.
Resultaten från dessa studier bedöms dock vara relevanta för de genomsläppliga lagren i Göta älvdalens lerslänter. Detta eftersom såväl det övre grundvattenmagasinet som infiltrationsområdet för det undre grundvattenmagasinet kan betraktas som öppna magasin (se figur 2). Därmed kan analyser av öppna grundvattenmagasin nyttjas för att beskriva randvillkoren för portrycken i leran.
Detaljerade metodbeskrivningar från de olika studierna återfinns i de refererade rapporterna i samtliga fall utom hos Blied
Institut) gjort en extremvärdesanalys av de för Göta älvdalen fem aktuella stationerna analyserade av Sundén m.fl. (2010). För analysen användes observerad nederbörd från databasen PTHBV1 (1961-2009) och tio klimatprojektioner (1961-2100).
Analysen gjordes genom att först dra bort trenden från tidsserier innehållande årliga maximala grundvattennivåer. Data extraherades från perioderna 1965-1994 samt 2070-2099, varpå en generaliserad extremvärdesanalys (GEV) typ I med anpassning till en Gumbelfördelning utfördes för vardera tidsserie. Efter detta återfördes trenden från rådata till GEV-resultaten genom att addera medelvärden för respektive period (1965-1994 och 2070-2099). Slutligen studerades förändringen i nivåerna med en återkomsttid på 100 år.
3 RESULTAT 3.1 Markfuktighet
Förväntade framtida förändringar av markfuktigheten i sjön Vänerns närområde har studerats av Bergström m.fl. (2010).
Resultaten från dessa analyser visar att markfuktigheten framöver kommer att minska. Minskningen är störst under vår och sommar, till följd av den ökade avdunstningen, medan den under vintern är tämligen måttlig (se figur 4).
1 Databas på SMHI. Precipitation and Temperature for the HBV model.
Figur 4. Varaktighetsdiagram för mark- fuktigheten kring Vänern under december- februari. Beräkningar visas elva klimat- projektioner under perioden 2068-2097 tillsammans med observationer från 1961-1990 (efter Bergström m.fl., 2010).
3.2 Extrem nederbörd
De intensivaste regnen förekommer under sommaren, främst under juli och augusti (Hernebring, 2006). Ett förändrat klimat bedöms inte påverka tidpunkten för de mest extrema regntillfällena i någon avgörande grad (telefonsamtal Olsson, 2011).
Bergström m.fl. (2010) bedömer att extrem dygnsnederbörd i Göta älvdalen, med en återkomsttid på 100 år, kommer att öka med omkring 20% till år 2100.
3.3 Grundvattenbildning
Förändringen av grundvattenbildning i ett framtida klimat har studerats av Rodhe m.fl.
(2009). Resultaten i figur 5 indikerar att grundvattenbildningen sett över hela året i området kring Göta älv framöver kommer att minska något i såväl grov jord som morän.
I figur 5 uppvisar Göta älvdalen en relativt sett större minskning av grundvattenbildning än omgivande landskap. Skillnaden spänner bara över en klass och kan därför vara väldigt liten men den beror troligtvis av topografin som i sin tur ger annorlunda temperatur- och nederbördsmönster.
Figur 5. Förändrad grundvattenbildning i området kring Vänern och Göta älv för helår.
Figuren visar skillnaden mellan perioderna 1961-1990 och 2071-2100. Övre bilden avser grov jord och nedre bilden morän. Efter Rodhe m.fl. (2009).
3.4 Grundvattennivåer
Hultén m.fl. (2005) redovisar resultat från en mindre studie där nederbördens inverkan på grundvattennivåerna studerades i tre slutna grundvattenmagasin i närheten av Göteborg.
Under den studerade perioden 1998-2002 var nederbörden under höst, vinter och vår omkring 40% över månadsmedelvärdena från referensperioden 1971-2004. Grundvatten- nivåerna i de slutna magasinen uppvisade under samma period högre nivåer än normalt.
De största nivåökningarna uppkom under somrarna, och uppgick som högst till 0,9 m.
Under vinterhalvåret var ökningarna oftast omkring 0-0,2 m, och som högst omkring 0,5 m.
Grundvattennivåer i ett förändrat klimat har studerats bl.a. av Rodhe m.fl. (2009). I denna studie har fyra stationer (se figur 1) inom samma grundvattenregim och med en hydrogeologisk miljö någorlunda jämförbar med Göta älvdalens infiltrationsområden studerats.
För tre av dessa stationer ökar grundvattennivåns variationsbredd över året med såväl ökade högstanivåer som minskade lägstanivåer. För den fjärde stationen minskar såväl de högsta som lägsta grundvatten- nivåerna. Medianvärden över 30-årsperioder för dessa beräkningar indikerar att
Göta älv
Göta älv
Figur 6. Grundvattennivåns årsvariation i station 15-8 för fyra perioder mellan 1961 och 2100.
Nivåerna är dygnsmedianvärden för respektive period. Y-axeln visar nivån i meter relativt markytan. Efter Rodhe m.fl. (2009).
Rodhe m.fl. (2009) använde endast en klimatprojektion i beräkningarna. I en analys av Sundén m.fl. (2010) gjordes till viss del liknande beräkningar, men för totalt tio olika klimatprojektioner. Sundén m.fl. analyserade fem stationer (se figur 1) inom samma grundvattenregim och med en hydrogeologisk miljö någorlunda jämförbar med Göta älvdalens infiltrationsområden.
Med undantag för en klimatprojektion ger samtliga scenarier relativt likartat resultat. I samtliga fall indikeras större variationsbredd över året med såväl ökade högstanivåer som minskade lägstanivåer. Medelvärden över 30- årsperioder för dessa beräkningar indikerar att grundvattnets högstanivåer ökar omkring 0 till +0,4 m fram till år 2100. Exempel visas i figur 7.
15-8 för tio klimatprojektioner och perioderna 1961-1990 (t.v.) och 2071-2100 (t.h.). Nivåerna är månadsmedelvärden för respektive period. Y- axeln visar nivån i meter relativt markytan. Varje linje motsvarar en klimatprojektion, se Sundén m.fl. (2010), varifrån figuren är hämtad.
Blied m.fl. (2011) har studerat förändringen av de allra högsta grundvattennivåerna i de för Göta älvdalen fem aktuella stationerna hos Sundén m.fl. (2010). Resultaten indikerar ökningar med omkring 0,1-0,3 m för höga nivåer med en återkomsttid på 100 år. Exempel visas i figur 8.
Figur 8. Höga grundvattennivåer med olika återkomsttid i station 15-8 för perioderna 1965- 1994 respektive 2070-2099. Y-axeln visar nivån i meter relativt markytan. Efter Blied m.fl. (2011).
4 DISKUSSION
De ovan presenterade resultaten diskuteras i relation till grundvattennivåerna i de övre- och undre grundvattenmagasinen samt knyts ihop för en bedömning av framtida förändringar av portrycken i lerslänterna längs Göta älv.
4.1 Övre grundvattenmagasin
De presenterade resultat som indikerar en framtida minskad markfuktighet kring Vänern bedöms vara relevanta också för grundvattnets nolltrycksnivå i det övre grundvatten-magasinet i Göta älvdalen. Detta eftersom den uppspruckna torrskorpan kan betraktas som ett öppet grundvattenmagasin.
Således bedöms nolltrycksnivåerna minska till slutet av seklet. Detta dock främst under vår och sommar; under höst och framförallt under vinter indikeras endast små minskningar.
De intensivaste regnen förekommer främst under sensommaren. Under samma period bedöms också markfuktigheten minska framöver. En preliminär slutsats är därför att enstaka tillfällen med extrem nederbörd inte bör vara en trolig orsak till höga portryck i ett framtida klimat. Kunskapen om fluktuationerna i det övre grundvattenmagasinet, och hur dessa påverkar portrycken i de ytligaste lerlagren är dock begränsad, varför denna slutsats är tämligen osäker.
4.2 Undre grundvattenmagasin
Resultaten som har redovisats för grundvattenbildning och grundvattennivåer i öppna grundvattenmagasin, tillhörande samma grundvattenregim som Göta älvdalen, bedöms vara relevanta också för grundvattennivåerna i Göta älvdalens slutna undre grundvattenmagasin. Detta eftersom infiltrationsområdena till dessa undre grundvattenmagasin kan betraktas som öppna magasin. Till slutet av seklet kan därmed det undre grundvattenmagasinets högstanivåer i närheten av infiltrationsområdena väntas öka med omkring 0,3 m.
Dessa resultat stöds också från de observerade grundvattennivåförändringarna under den nederbördsrika perioden 1998- 2002. Resultaten från denna studie pekade möjligen på något större ökningar, men eftersom den väntade nederbördsökningen fram till slutet av seklet är något mindre än som var fallet i den aktuella studien, kan också något mindre ökningar väntas.
Ovanstående slutsats för det undre grundvattenmagasinet bedöms vara säkrare än för nivåerna i det övre magasinet. Dock
finns fortfarande stora osäkerheter i allt från klimatscenarier och analyser av grundvattennivåer i öppna magasin, till den i denna artikel föreslagna användningen för slutna magasin.
Generellt sett kan förväntas att grundvattnets variationsbredd är störst nära infiltrationsområdet och minskar i riktning mot dalbotten. Detta skulle således kunna innebära att beräkningarna för öppna magasin överskattar förändringarna för slutna magasin. En ytterligare begränsning för höga grundvattennivåer i slutna magasin är att magasinet blir fullt, vilket innebär att magasinet bräddar vid infiltrationsområdet.
4.3 Portryck i lerslänterna
Portrycken i Göta älvdalens lerslänter styrs till stor del av grundvattenförhållanden i genomsläppliga lager. Dessa lager utgörs vanligtvis av ett övre samt ett undre grundvattenmagasin, men ibland även av genomsläppliga lager inom lerprofilen.
Utöver grundvattenförhållandena i dessa lager har även älvens nivå en direkt påverkan på portrycken i närheten av denna.
Avseende släntstabilitet är det främst de lägsta vattennivåerna i älven som är intressanta. Detta eftersom de mothållande krafterna i slänten då minskar. Vad gäller den lägsta vattennivån i Göta älv är den styrd av en vattendom, knuten till sjöfart och elproduktion. Därmed har en förändring av dessa lägsta vattennivåer inte beaktats i denna artikel.
Något förenklat kan portrycken i leran sägas vara linjära mellan det övre och undre grundvattenmagasinet. Det innebär att maximala portryck uppkommer då grundvattennivåerna är maximala i såväl det övre som det undre magasinet. I det undre magasinet förekommer de högsta grundvattennivåerna normalt under vinterhalvåret. Kunskapen om fluktuationerna i det övre magasinet är sämre, men dessa nivåer bedöms variera snabbare och kunna stiga även i samband med relativt kortvariga regn. Maximala portryck i lerprofilen kan alltså uppkomma i samband med regniga perioder eller snösmältning under vinterhalvåret.
säkerhetsfaktorn, medan djupare glidytor skulle kunna påverkas betydligt mer. I de fall genomsläppliga skikt finns inom lerprofilen kan dock portrycksökningar med omkring 0,3 m uppkomma även i ytliga lerlager, förutsatt att dessa skikt står i kontakt med det undre grundvattenmagasinet.
Beaktat den stora osäkerheten av framtida portryck i ytliga lager, och den något mindre osäkerheten av portryck på större djup, bedöms det vara rimligt att utföra känslighetsanalyser med portrycksökningar på 0,5 m för att bedöma släntstabilitetens känslighet för framtida portrycks- förändringar.
5 REFERENSER
Bergström, S. (1976). Development and application of a conceptual runoff model for Scandinavian catchments. SMHI Reports RHO, No. 7, Norrköping.
Bergström, S., Andréasson, J., Losjö, K., Stensen, B., Wern, L. (2010). Hydrologiska och meteorologiska förhållanden i Göta älvdalen – slutrapport. SMHI Rapport nr 2010-75, Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut, Norrköping.
Blied, L. och Persson, H. (2011). Bedömd förändring av maximala grundvattennivåer i Göta älvdalen till följd av förändrat klimat. GÄU Göta älvutredningen 2009-2011, GÄU - delrapport 9, Linköping.
Hernebring, C., (2006). 10års-regnets återkomst, förr och nu – regndata för dimensionering/
kontrollberäkning av VA-system i tätorter, VA-Forsk rapport Nr 2006-04.
Hultén, C, Olsson, M, Rankka, K, Svahn, V, Odén, K, Engdahl, M. (2005). Släntstabilitet i jord. Underlag för handlingsplan för att förutse och förebygga naturolyckor i Sverige vid förändrat klimat.
Deluppdrag 1. Statens geotekniska institut, SGI. Varia 560:1, Linköping.
Olsson, J. (2011). Telefonsamtal angående extrem nederbörd i mars 2011 med Jonas Olsson, Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut, Norrköping.
Grundvattennivåer och vattenförsörjning vid ett förändrat klimat, SGU-rapport 2010:12, Sveriges geologiska undersökning, Uppsala.
