Erosion i Göta älv – ett underlag till stabilitetsberäkningar
B. Rydell
Statens geotekniska institut, Sverige, bengt.rydell@swedgeo.se H. Persson
Statens geotekniska institut, Sverige L. Blied
Statens geotekniska institut, Sverige
ABSTRACT
En utredning om erosionsförhållandena i Göta älv har gjorts som underlag för en skredriskanalys för älven som ett led i anpassning till förändrat klimat. Utredningen har syftat till att klargöra erosion och sedimenttransport för hela och för olika delsträckor av älven. Undersökningar har utförts av bottenförhållanden, hydrodynamiska förhållanden och sedimenttransport. Analys av förändringar av bottenförhållanden har gjorts utifrån batymetriska mätningar från olika tidpunkter. Erosionen har beräknats utifrån undersökningar och bedömningar av materialegenskaper, bottenskjuvspänningar och för olika vattenflöden. Resultaten visar att bottenmaterialens erosionsegenskaper varierar kraftigt längs älven och att för noggrann bestämning av erosionen erfordras omfattande undersökningar i fält och på laboratorium. Som underlag för beräkning av stabiliteten längs älven har erosionsförhållandena värderats för dagens klimat och för framtida klimatförändringar. Under utredningen har identifierats behov av fortsatta undersökningar liksom behov av kunskapsuppbyggnad om bland annat erosionsprocesser, undersökningar i fält och på laboratorium samt beräkningsmetodik.
Keywords: Erosion, Clays, Hydraulics & hydrodynamics, Laboratory tests
1 INTRODUKTION
Göta älv är Sveriges största vattendrag och områdena kring älven är också de mest skredbenägna i landet. För att klargöra konsekvenserna av ett förändrat klimat och hantera ökade flöden genom älven har Statens geotekniska institut (SGI) genomfört en kartläggning av stabiliteten och skred- riskerna längs hela Göta älvdalen.
I samband med stabilitetsutredningar är de geometriska förhållandena en grund- läggande förutsättning för beräkningarna.
Genom naturliga processer och mänsklig påverkan förändras de topografiska och batymetriska förhållandena längs Göta älv successivt. En utredning har därför utförts för att översiktligt klargöra erosion och sedimenttransport i Göta älv för dagens förhållanden och vid framtida klimat- förändringar. Syftet har varit att ge underlag
för de stabilitetsberäkningar som utförts längs älven.
I utredningen har studerats ett flertal förhållanden som har betydelse för erosionen.
Geologiska och morfologiska förhållanden, klimatförändringar, fartygstrafikens påverkan och bottensedimentens egenskaper har undersökts. Resultaten har legat till grund för analyser, beräkningar och värdering av erosionsförhållandena för dagens och framtida klimat. En detaljerad redovisning finns i en rapport inom Göta älvutredningen (Rydell et al., 2011a).
Erosion i kohesionsjord är komplex och det finns begränsad erfarenhet av beräkning av sådan erosion. En särskild fördjupningsstudie har därför genomförts parallellt med erosionsutredningen för att undersöka olika förhållanden och beräkningsalternativ (Rydell et al., 2011b).
I denna artikel redovisas främst underlag och beräkningar av erosion samt slutsatser och det underlag som använts vid
2 GÖTA ÄLVDALEN – EN ÖVERSIKT Göta älv avleder vatten från sjön Vänern till havet och mynnar i Kattegatt. Älven är ca 90 km lång och har en bredd som varierar mellan 50 och 400 m. Längs älven finns kraftverksdammar och slussar för fartygs- trafiken. Vid Bohus delar sig älven i två grenar, den nordligaste grenen bildar Nordre älv och den södra fortsätter som Göteborgs- grenen av Göta älv, se Figur 1.
Figur 1. Översikt över Göta älv och Nordre älv.
För ca 12 500 år sedan hade inlandsisen dragit sig tillbaka från Göta älvdalen och havsytan låg ca 125 m högre än idag, vilket skapade ett skärgårdsområde. Successivt höjde sig landet ur havet och sediment avsattes i de grunda vikar som skapades.
Genom landhöjningen skar vattnet fram- förallt i norr ner i de avsatta lersedimenten och resulterade i den trånga älvfåra och de branta strandbrinkar (upp till ca 40 m) som idag karakteriserar området, se Figur 2.
Figur 2. Strandbrink vid Vesten (mellan Trollhättan och Lilla Edet) med äldre skredskållor. Foto: SGI
Strandbrinkarna blir successivt lägre mot älvdalens södra del. Längst i söder är markytans nivå nära havsytan, varför över- svämningsområden finns på båda sidor om älven.
Bottensedimenten utgörs huvudsakligen av glacial lera i älvfåran och över denna finns postglacial lera. Ovanpå leran finns i mittfåran längs stora delar av älven tunna stråk av postglaciala friktionsmaterial av sand och grus. Eftersom lersedimenten huvudsakligen är avsatta i en marin miljö förekommer kvicklera inom flera områden.
3 METOD
För att bedöma erosionsförhållandena i Göta älv har två oberoende analyser genomförts. Den ena innebär att observerade bottennivåförändringar har studerats. I den andra analysen har erosionsberäkningar genomförts utifrån de skjuvspänningar som uppkommer mellan vattnet och botten.
I den senare analysen har även beräkningar gjorts för framtida klimatförhållanden, med ökade vattenflöden.
Slutligen har gjorts en subjektiv sammanvägning av dessa två analyser.
3.1 Bottennivåförändringar
Bottennivåförändringar i älven har studerats genom jämförelser av tre olika dataset med uppmätta bottennivåer. Det mest detaljerade av dessa är multibeam- ekolodningar från 2009, vilka täcker hela älven. De övriga är multibeamekolodningar från 2003 som främst täcker farleden samt
ekolodade sektioner från mitten av 1970-talet från några kortare delsträckor.
Noggrannheten i jämförelsen mellan mätningarna 2003 och 2009 är stor, medan det för sektionerna från mitten på 1970-talet finns en osäkerhet på omkring 10 meter för deras läge i plan.
3.2 Bottenförhållanden
Materialet i älvens bottnar och slänter har studerats översiktligt utifrån maringeologiskt kartmaterial, morfologiska förhållanden och provtagning av bottensediment.
Inledningsvis genomfördes en översiktlig provtagning av ytliga sediment i ett antal tvärsektioner. Geotekniska undersökningar har utförts i sektioner längs hela Göta älv genom bland annat sondering och kolvprovtagning från flotte. Prov har emellertid inte kunnat uttas för det översta sedimentskiktet eftersom sedimenten har varit alltför lösa.
Provtagning av bottensediment och laboratorieundersökningar av upptagna prover har utförts på några platser längs älven med SETEG-systemet utvecklat av Universitetet i Stuttgart (Witt & Westrich, 2003).
Figur 3. Sedimentprovtagning med utrustning enligt SETEG-metoden. Foto: SGI
Provtagning utförs med öppna plexiglasrör med diameter 130 mm, se Figur 3.
I ett mindre provfält vid Lödöse gjordes även sedimentprovtagning och analys i laboratorium avseende densitet samt erosionsegenskaperna kritisk bottenskjuv- spänning och erosionshastighet. Mer detaljerad information om metoden och resultat finns i fördjupningsstudien (Rydell et al., 2011b).
Dessutom har backscatter-data från en multibeamekolodning utvärderats och kali- brerats mot ytprover från botten.
Bottenmaterialen delades i denna utvärdering in i fem klasser enligt Tabell 1 (Marin Miljöanalys, 2011).
Tabell 1. Klassning av ytskiktet i Göta älv som använts vid tolkning av backscatter-data.
Bottenklass Bedömt material Klass 1 Mycket lösa sediment
(lergyttja, gyttjelera) Klass 2 Lösa sediment (lera, gyttja,
silt, organiskt material) Klass 3 Finsand, silt, hård lera,
organiskt material Klass 4 Mellansand, grovsand*
Klass 5 Grusig sand, grus, sten*
* Både klass 4 och klass 5 kan innehålla berg och block.
Det bör observeras att ytskiktets egenskaper kan bestämmas endast till ca 2 cm djup, vilket innebär att ett tunt lager av fast material kan finnas på underliggande lösare material.
3.3 Sedimenttransport
Sedimenttransporten i älven bedömdes främst utifrån mätningar av vattnets turbiditet, vilken sedan överfördes till halten suspenderat material. Data fanns från kontinuerliga långtidsmätningar av turbiditet utfört vid 7 platser längs älven.
För att undersöka eventuella samband mellan turbiditet och hydrologiska eller meteorologiska förhållanden såsom flöde och nederbörd gjordes även korrelationsanalyser.
3.4 Bottenskjuvspänningar
Bottenskjuvspänningarna i älven beräk- nades av Sveriges Meteorologiska och
Hydrologiska Institut (SMHI) för ett antal olika flöden (Åström et al., 2011).
Beräkningarna gjordes i två dimensioner med den hydrodynamiska modellen Delft3D.
Beräkningscellerna omfattade hela älven och hade en upplösning på 30x10 m.
3.5 Erosionsberäkningar
Förenklade erosionsberäkningar för hela älven gjordes med GIS-verktyget ArcGIS. I denna beräkning togs ingen hänsyn till sedimentation eller till att erosion orsakar förändrade flödesförhållanden. Längs en sträcka i anslutning till provfältet i Lödöse gjordes även detaljerade erosionsberäkningar med Delft3D MOR. En beskrivning av dessa och resultat finns i fördjupningsstudien (Rydell et al., 2011b).
Gemensamt för båda beräkningarna var att de baserades på Partheniades-Krone’s formel för erosion i kohesivt material:
E = M * (
τ /τ
c - 1) (1)där
E eroderad mängd [kg/(m2s)]
M erosionskonstant [kg/(m2s)]
τ bottenskjuvspänning [Pa]
τc kritisk bottenskjuvspänning [Pa]
Värden på den kritiska bottenskjuv- spänningen uppskattades utifrån beräknade bottenskjuvspänningar inom vardera av de fem klasserna från back scatter-utvärderingen enligt Tabell 1. Dessa jämfördes sedan med uppmätta värden från sedimentproverna i provfältet.
Erosionskonstanten bestämdes utifrån den bedömda sedimenttransporten genom beräk- ning enligt ekvation 1. Dessa värden jäm- fördes också med undersökningsresultaten från sedimentproven i provfältet.
Beräkning av erosion gjordes sedan i GIS med bottenskjuvspänningar beräknade för att motsvara den flödesfördelning som rådde under perioden 2003-2009 (se Figur 4).
Anledningen var att den beräknade erosionen skulle kunna jämföras med den uppmätta bottennivåförändringen under samma period.
Figur 4. Flödesfördelningen under perioden 1 juli 2003 - 31 december 2009.
Beräkningen i GIS gjordes i ett nät med rutor om 1x1 m, eftersom backscatter- utvärderingen var gjord i denna upplösning.
4 RESULTAT
4.1 Bottennivåförändringar
Jämförelsen av bottennivåer uppmätta 2003 och 2009 visade i stora delar av älven på en mycket småskalig variation, med omväxlande högre och lägre bottennivåer (exempelvis i mellersta och nordliga delen i Figur 5). Inom vissa områden observerades dock en generell förändring av bottennivåerna (exempelvis i södra delen av området i figuren). De årliga förändringarna visar både på högre och lägre bottennivåer som i farleden ofta var mindre än 5 cm. I slänter mot älvens djupare delar har uppmätts ställvis erosion på upp till 15 cm/år.
Erosionen (lägre bottennivåer) är större längre söderut i älven. I de områden där sektioner ekolodades i mitten av 1970-talet visade jämförelser med motsvarande sektioner från mätningarna 2009 oftast på skillnader mindre än 0,5 m.
4.2 Bottenförhållanden
Analysen av backscatter-data visade tydligt att andelen grova material (grus och sand) i de ytligaste bottensedimenten minskar nedströms i älven. De mjukaste bottnarna (lösa sediment av lera och gyttja) återfinns generellt invid stränderna längs hela älvsträckningen. Omvänt återfinns de grövsta materialen i älvens djupfåra, vilket gäller
även i den södra delen som annars domineras av mjuka bottnar (se exempel i Figur 5).
Laboratorieundersökningarna av sedimentproverna från provfältet visade att densiteten var lägst i det ytligaste sedimentet (ca 1200 kg/m3), men relativt likartad för olika djup (ca 1600 kg/m3). De kritiska bottenskjuvspänningarna och då framförallt erosionshastigheterna, varierade kraftigt mellan de olika proverna. För kritiska bottenskjuvspänningar låg dock merparten av mätningarna i intervallet 0,4-1,0 Pa.
Generellt sett visade mätningarna också att den kritiska bottenskjuvspänningen ökade med djupet. Den uppmätta erosions- hastigheten låg huvudsakligen i intervallet 4·10-7-1,5·10-5 m/s, men enskilda mätningar gav avsevärt högre värden. Något djupberoende var inte möjligt att utläsa från de mycket varierande mätvärdena.
Undersökningarna visar att det erfordras omfattande undersökningar av botten- materialets egenskaper för att kunna göra tillförlitliga beräkningar av erosion i kohesivt material.
4.3 Sedimenttransport
Turbiditetetsmätningar längs älven visade att turbiditeten generellt sett ökar i
strömningsriktningen. Vidare varierar turbiditeten kraftigt över tid, där en stor del av variationen beror på turbiditeten i inflödet från Vänern. Variationerna kan ske tämligen snabbt, men också medelvärden mellan olika år skiljer avsevärt.
Korrelationsanalyserna visade för dygnsmedelvärden inte på något samband mellan turbiditet och flöde. Korrelations- analyser mellan biflödenas månadsmedel- värden och motsvarande medelvärden för turbiditet uppvisade dock signifikant samband (Göransson et al., 2011).
En sedimentbudget för delar av och för hela älven har sammanställts utifrån en samlad värdering av turbiditetsmätnnigar, bottennivåns förändring och beräkningar. Ett
medelvärde för den totala
sedimenttransporten från Göta älv till havet har uppskattats till 1800 kton/år.
4.4 Bottenskjuvspänningar
De beräknade bottenskjuvspänningarna är för vanligt förekommande flöden i huvudsak mindre än 1 Pa (se exempel i Figur 5). För extremt höga flöden uppgår dock botten- skjuvspänningarna i mindre områden till värden runt 5 Pa. Generellt sett minskar också bottenskjuvspänningarna nedströms, så
Figur 5. Erosionen vid ön Tjurholmen mellan Lilla Edet och Bohus illustrerad med olika dataset. Från vänster till höger: bottennivåförändringar 2003-2009, backscatter-klassning av ytmaterialen, nivåkurvor och bottenskjuv- spänningar beräknade för flödet 780 m3/s samt beräknad erosion under 6,5 år.
att skjuvspänningarna i områdena närmast havet mestadels är mindre än 0,2 Pa för vanligt förekommande flöden.
4.5 Erosionsberäkningar
I beräkningar av erosion uppskattades de kritiska bottenskjuvspänningarna från beräknade bottenskjuvspänningar och valdes för de olika bottenmaterialen enligt Tabell 2.
Tabell 2. Vald kritisk bottenskjuvspänning för olika bottenmaterial.
Bottenmaterial- klass
Kritisk bottenskjuv- spänning [Pa]
1 0,34
2 0,36
3 0,37
4 0,51
5 0,76
Erosionskonstanten för olika bottenmaterial bestämdes utifrån bedömd sedimenttransport och med användning av ekvation 1 och framgår av Tabell 3.
Tabell 3. Beräknade värden för erosionskonstant för olika delsträckor.
Delsträcka Erosionskonstant [kg/(m2s)]
Vänern - Lilla Edet 2,0•10-7 Lilla Edet - Bohus 6,7•10-7 Bohus - Nordre älv 3,6•10-6 Bohus - Göteborg 2,6•10-5
Då såväl kritiska bottenskjuvspänningar som erosionsparametrar från dessa beräkningar var i samma storleksordning som de i provfältet uppmätta kritiska bottenskjuvspänningarna användes dessa värden för vidare beräkningar.
Beräkningarna gjordes sedan för 6,5 år, för att motsvara perioden mellan mätningar av bottennivåer (1 juli 2003 respektive 31 december 2009). Exempel på beräknings- resultat visas i Figur 6, där viss likhet mellan uppmätta bottennivåförändringar och beräk- nad erosion kan ses.
En jämförelse för hela älven, uppdelad i tre delsträckor, visar dock att den beräknade erosionen inte alltid överensstämmer med den uppmätta förändringen av bottennivåer.
Erosionsberäkningarna uppvisar för vissa områden god överensstämmelse med uppmätta bottennivåförändringar 2003-2009
medan det för andra områden finns stora skillnader.
Det finns flera tänkbara förklaringar till detta, bland annat att erosionsparametrarna valts till samma värde för stora områden även om bottensedimentens egenskaper sannolikt varierar inom området. Vidare har beräkningar gjorts med en beräkningsformel som gäller för kohesivt material, men som här använts för älvens samtliga bottenmaterial.
I Figur 6 visas skillnaden mellan uppmätt bottennivåförändring 2003-2009 och beräknad erosion för samma period (6,5 år).
Om den beräknade erosionen exakt hade beskrivit de uppmätta minskningarna av bottennivåer (erosion) hade det inte funnits några negativa värden för de heldragna kurvorna i figuren. Förutom att det finns ett stort antal negativa värden ses även att de positiva värdena har ökat i ungefär samma utsträckning som de negativa. Detta innebär att beräkningen indikerar erosion i samma utsträckning inom områden med såväl högres om lägre bottennivåer.
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4
Skillnad [m]
0 0.02 0.04 0.06
Andel av totala antalet Bottenniv.förändr. - Ber. ero.
(Vänern - Lilla Edet) Bottenniv.förändr. - Ber. ero.
(Lilla Edet - Bohus) Bottenniv.förändr. - Ber. ero.
(Bohus - Göteborg)
Figur 6. Skillnad mellan uppmätt förändring av bottennivåer och beräknad erosion. De tunna streckade linjerna i figuren motsvarar uppmätt förändring av bottennivåer.
5 EROSIONSFÖRHÅLLANDEN I
GÖTA ÄLV
Utredningen om erosionsförhållandena i Göta älv har syftat till att ge underlag till stabilitetsberäkningar och skredriskanalyser med hänsyn till framtida klimatförändringar.
Erosionen i dagens klimat och vid ett framtida klimat har därför värderats.
5.1 Erosion i dagens klimat
Med utgångspunkt från jämförelser av förändringar av bottennivåer och beräkningar av erosion har pågående erosion för dagens förhållanden värderats. En kontinuerlig förändring av bottensedimenten har konstaterats där såväl erosion som sedimentation förekommer längs älven.
Mätningar visar att dessa förhållanden varierar inom olika delsträckor.
Som underlag till stabilitetsberäkningar har valts värden för den årliga erosionen som för olika delsträckor varierar mellan 0,5 och 1,5 cm. Med hänsyn tagen till osäkerheter i analyserna har valts värden som ligger på säkra sidan.
Mätningarna indikerar också en större erosionspåverkan längs vissa undervattensslänter, sannolikt med störst omfattning i släntfoten. Undervattensslänter mot djupfåran bedöms successivt (genom att ras/skred uppträder i släntens nedre del) få en ny lutning i rasvinkeln, vilket innebär att slänten parallellförflyttas in mot stranden.
5.2 Erosion i framtida klimat
Klimatscenarier för Göta älvdalen visar att en ökad nederbörd kan förväntas i framtiden.
Den säsongsvisa fördelningen av flödena förändras också med högre flöden under större delen av året. Det innebär att en ökad erosion kan förväntas till följd av högre vattenflöden men också genom att höga flöden kommer att ha längre varaktighet under året.
Beräkningar och värderingar för att få en uppskattning av erosionsförhållandena fram till år 2100 har gjorts för två olika fall. Det första avser det fall högre tappningar inte kan accepteras utan gällande vattendom tillämpas även fortsättningsvis. Det andra fallet gäller då högre flöden än idag kan tillåtas avledas genom Göta älv.
I det fall avledning av vatten i älven kommer att ha samma omfattning som för dagens förhållanden har antagits att erosionen i huvudsak kommer att ha samma årliga omfattning som för dagens förhållanden. Det innebär att den årliga erosionspåverkan baseras på de uppskattningar som gjorts med utgångspunkt för jämförelser mellan
innebär att den totala erosionen år 2100 uppgår till 0,4-0,5 m i de norra delarna av älven och till 1,0-1,5 m för de södra delarna.
För att värdera konsekvenserna för erosionsförhållandena vid ökade flöden i älven har beräkningar utförts för ett antal framtida alternativa vattenflöden med maximalt 50 % högre flöden än dagens högsta tillåtna flöde. Vid år 2100 uppskattas den totala erosionen för de norra delarna av älven uppgå till 0,8-2,0 m och i de södra delarna till 2,0-3,0 m.
6 SLUTSATSER OCH DISKUSSON I erosionsutredningen redovisas resultat från undersökningar, beräkningar och analyser av erosionsegenskaper och erosionsförhållanden längs Göta älv.
Förhållandena i älven varierar kraftigt, vilket innebär att för att i detalj kunna beskriva förutsättningarna för erosion skulle det erfordras väsentligt mer omfattande undersökningar av bottenmaterialens erosionsegenskaper i fält och på labora- torium.
Analys av framtaget underlagsmaterial visar att erosionsförhållandena i Göta älv är mycket komplexa. De geologiska förhållandena, de under lång tid pågående morfologiska förändringarna, naturliga och antropogena variationer i vattenflöden och den mänskliga påverkan genom bebyggelse och infrastruktur påverkar på olika sätt erosionsförhållandena. Det finns också stora osäkerheter i framtida fartygstrafik och tappningsförhållanden för vattenkraften och framförallt i förändringar av klimatet. Detta innebär också att de beräkningar som utförts innehåller osäkerheter vid uppskattning av erosionsförhållandena.
Denna utredning har ökat förståelsen för erosionen i Göta älv och processer kopplade till denna samt gett ett underlag till en översiktlig beskrivning av erosions- förhållandena. Det erfordras emellertid ytter- ligare kunskap för att bättre kunna beskriva erosionen i älven och i synnerhet de lokala förhållandena.
Kompletterande utredningar av
områden med oacceptabla skredrisker för dagens förhållanden som underlag för behov av åtgärder för att förebygga skred. I områden där det på längre sikt kommer att finnas oacceptabel risk för skred behöver dessutom vidtas åtgärder för att övervaka erosionsprocesserna och vid behov vidta åtgärder.
I fördjupningsstudien om erosion (Rydell et al., 2011b) redovisas också de behov av ny kunskap som behöver tas fram genom forskning och utveckling.
7 REFERENSER
Göransson, G, Persson, H, Lundström, K (2011).
Transport av suspenderat material i Göta älv. Statens geotekniska institut, SGI. Göta älvutredningen, GÄU.
Delrapport 4. Linköping.
Marin Miljöanalys (2011). Ytgeologisk undersökning med backscatter-analys för Göta älv och Nordre älv. Statens geotekniska institut, SGI. Göta älvutredningen, GÄU. Delrapport 5. Linköping.
Rydell, B, Blied, L & Persson, H (2011a).
Erosionsförhållanden i Göta älv. Statens geotekniska institut, SGI. Göta älvutred-ningen, GÄU. Delrapport 1. Linköping.
Rydell , B, Blied, L, Persson, H, Åström,S &
Gyllenram, W (2011b). Fördjupnings-studie om erosion i vattendrag. Statens geotekniska institut, SGI.
Göta älvutred-ningen, GÄU. Delrapport 2. Linköping.
Witt, O & Westrich, B (2003). Quantification of erosion rates for undisturbed contaminated cohesive sediment cores by image analysis. Institute of Hydraulics, University of Stuttgart, Germany
Åström, S, Eklund, D & Lindahl, S (2011).
Hydrodynamisk modell för Göta älv. Underlag för analys av vattennivåer, strömhastigheter och bottenskjuvspänningar. Statens geotekniska institut, SGI. Göta älvutredningen, GÄU. Delrapport 3.
Linköping.
