RAPPORT FYLKESMANNEN I TELEMARK

(1)

repo002.docx 2013-06-14

RAPPORT

FYLKESMANNEN I TELEMARK

Telemarkskanalen - Elektrisk fiskesperre

OPPDRAGSNUMMER 16118001

RAPPORT 16118001-R01 06.01.2016

TRD HYDROLOGI OG HYDRAULIKK

(2)

Personell

NAVN

Julian Sauterleute Samuel

Vingerhagen Wolf Marehand Kjetil Vaskinn

Endringsliste

NVE GODKJENNING

-

fagomr. V, alle klasser

fagomr. IV og V, alle klasser

-

OPPGAVER beregninger oppdragsleder,

databehandling, analyse, bereqninqer oq raooort oppdragsansvarlig, kvalitetssikrinq, raooort kvalitetssikring

KONTR. AV

SIGNATUR Å)Of.qv\

SV

· ti- 'b

^I'\_

KM/

UTARB.AV

(3)

Sweco

Professor Brochs gate 2 NO 7030 Trondheim, Norge Telefonnummer +47 73 833500

www.sweco.no

Sweco Norge AS Org.nr: 967032271 Hovedkontor: Oslo

Wolf-Dietrich Marchand Dr. ing. vassdragsteknikk Region Trondheim

Mobil +47 (0)90120744 [email protected]

repo002.docx 2013-06-14

Sammendrag

På oppdrag fra Miljødirektoratet bygde Fylkesmannen i Telemark i 2012 ei elektrisk fiskesperre i innløpskanalen til Kjeldal sluse i Telemarkskanalen.

Formålet med sperra er å stoppe gjedda sin spredning oppover i vassdraget. Etter at sperra har vært i drift en stund, er det stilt spørsmål om fiskesperra fungerer slik som den skal. Oppdraget med kartlegging og dokumentasjon av de hydrauliske forholdene rundt fiskesperren ble tildelt Sweco.

Derfor ble hydrauliske forhold kartlagt og analysert ved instrumentering, feltmålinger og hydraulisk modellering.

Observasjoner og analyse av data viser at det i perioder oppstår tilbakestrømning gjennom fiskesperra. Tilbakestrømning oppstår etter all sannsynlighet ved slusing i Kjeldal sluse og ved passeringer av store båter. Også slusing i Lunde sluse kan

sannsynligvis skape tilbakestrømning i fiskesperra. Vannstandsvariasjoner som følge av regulering av luker ved Kjeldal sluser og Lunde sluser kan også skape tilbakestrømninger i fiskesperra. Det er også indikasjoner på at vind med en viss styrke og retning kan forårsake tilbakestrømning.

Det ser ikke ut til å være noen løsninger som kan garantere at det ikke oppstår

tilbakestrømning gjennom fiskesperra der den står i dag Det er imidlertid ikke sikkert at tilbakestrømning kan unngås på nærliggende plasser hvor det kan være aktuelt å plassere ei ny fiskesperre.

For å bedre situasjonen der fiskesperra står i dag, bør man se på mulighetene for å variere hastigheten på slusing ved Kjeldal og Lunde sluser, slik at man unngår svingninger i vannstanden. Det bør også undersøkes om det er mulig å slippe minstevannføringen gjennom fiskesperra. I tillegg bør store båter passere gjennom fiskesperra med en lav fart, som er dokumentert til å ikke påvirke funksjonen til fiskesperra nevneverdig.

(4)

Innholdsfortegnelse

1 Innledning 1

1.1 Bakgrunn for oppdraget 1

1.2 Beliggenhet og informasjon om kanal og sluse 1

1.3 Definisjon av strømningsretning 4

1.4 Om fiskesperra 4

2 Feltarbeid og instrumentering 7

3 Hydrologi 8

4 Hydraulisk modellering 10

4.1 Hydraulisk modell 10

4.2 Simuleringsresultater 10

5 Data og måleresultater 12

5.1 Vannhastigheter og strømning 12

5.1.1 Strømningsmønster propeller 15

5.1.2 Vannhastighet og strømningsmønster i fiskesperre og kanal 19

5.1.3 Strømningshastighet ved båtpassering 28

5.2 Vannstand 29

5.3 Ledningsevne 34

6 Diskusjon 36

7 Konklusjon 36

8 Anbefalinger 37

9 Referanser 38

(5)

RAPPORT 06.01.2016

RAPPORT 16118001-R01

TELEMARKSKANALEN - ELEKTRISK FISKESPERRE

repo002.docx 2013-06-14

(6)

(7)

1 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

1 Innledning

1.1 Bakgrunn for oppdraget

På oppdrag fra Miljødirektoratet bygde Fylkesmannen i Telemark i 2012 ei elektrisk fiskesperre i innløpskanalen til Kjeldal sluse i Telemarkskanalen.

Formålet med sperra er å stoppe spredning av gjedda oppover i vassdraget. Grunnen til dette er for å ta vare på den sårbare stammen av storørret i Bandak, men også for å verne om fiskeressursene i vassdraget generelt. Vern av elvemusling som er en truet art med betydelig utbredelse i Telemark, er og et viktig element.

Etter at sperra har vært i drift en stund, er det stilt spørsmål om fiskesperra fungerer slik den skal. Det er blant annet observert store mengder død fisk i sperrefeltet, levende gjedde er fanget oppstrøms sperra (mellom sperra og slusen) og det er meldt om småfisk som beveget seg inn i sperrefeltet.

Oppdraget med kartlegging og dokumentasjon av de hydrauliske forholdene rundt fiskesperren ble tildelt Sweco etter en tilbudskonkurranse.

Etter at Sweco har studert problemstillingen innledningsvis, gått gjennom tilgjengelige informasjon og har snakket med leverandøren av fiskesperra, ble vi av den oppfatningen at problemene er knyttet til de hydrauliske forhold ved sperra. Derfor ble kartlegging og analyse av hydrauliske forhold (strømning, vannstander, vannhastigheter, etc.) ved hjelp av instrumentering/feltmålinger og hydraulisk modellering en sentral del av arbeidet.

1.2 Beliggenhet og informasjon om kanal og sluse

Kjeldal sluse ligger ved siden av Kjeldal dam ved Kjeldal i Lunde i Nome kommune, Telemark Fylke, se Figur 1. Slusa er en av 18 sluser som gjør det mulig for båter å forsere 72 høydemeter på den 105 km lange strekningen mellom Skien i øst og Dalen i vest. Tidligere var kanalen viktig for ferdsel og varetransport, mens den i dag er viktig i forbindelse med turisme og rekreasjon. Fallet i kanalen utnyttes i tillegg til kraftproduksjon av Statkraft.

I sommersesongen er det større turistbåter som kjører opp og ned kanalen daglig i hver retning. I tillegg kommer en rekke fritidsbåter og kano/kajakk. Motorbåter sluses, mens kano og kajakk bæres rundt, eller trilles på kanotraller.

Nedenfor slusa og dammen er det anlagt en molo som skiller hovedkanalen fra

slusekanalen. Slusa, dammen, moloen, sluse- og hovedkanalen er vist på bildene i Figur 3 og Figur 4, samt flyfoto i Figur 5. Legg merke til at fiskesperra ikke var bygd når flyfotoet i Figur 5 ble tatt, men den er lagt til på bildet for illustrasjon.

(8)

Figur 1 Regional oversiktskart, Kjeldal sluse ligger vest for Lunde, rundt 30 km nordvest for Skien

Figur 2 Flybilde over strekningen mellom Kjeldal sluse til Lunde Sluse (norgeskart.no)

(9)

3 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Figur 3 Kjeldal sluse, slusekanalen, molo og dammen, sett fra nedstrøms side

Figur 4 Slusekanalen, hovedkanalen og molo, sett fra Kjeldal sluse

(10)

Figur 5 Flyfoto over området ved Kjeldal sluse (norgeskart.no), grått felt for fiskesperra er lagt på

1.3 Definisjon av strømningsretning

Med strømning oppover menes det at vannet strømmer i retningen fra fiskesperra mot Kjeldal sluse.(se Figur 5)

Med strømning nedover menes det at vannet strømmer i retningen fra Kjeldal sluse mot fiskesperra.

1.4 Om fiskesperra

Fiskesperra er levert av det canadiske firmaet Smith-Root. Naturpartner i Skien er lokal representant i Norge.

Den elektriske fiskesperra består av en betongkonstruksjon på bunnen av kanalen som er 14,3 m lang og 17,3 m bred. Vanndybden er rundt 3 m. Fiskesperra har 8 stålelektroder som gir pulserende elektrisk felt i vannet. Det benyttes likestrømspulsatorer som gir et varierende spenningsnivå fra 0,2 - 2,0 V/cm. Pulsene har en varighet på 0,01 s. Mer informasjon om fiskesperra finnes på nettsiden til produsenten: http://www.smith- root.com/barriers/sites/telemark-canal

Det er montert to mindre elektriske propeller på sørsiden og en på nordsiden for å skape bevegelse i vannet. Begge er montert oppstrøms i sperra. I tillegg skal det slippes det en liten kontinuerlig vannstrøm gjennom slusa med samme formål.

(11)

5 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

De elektriske installasjonene for øvrig er plassert i et lite bygg på bredden ved sperra.

Prinsippet bak fiskesperren er forenklet sagt at fisk som svømmer inn i sperrefeltet blir lammet eller blir stående på tvers i kanalen (elektrisk spenning er lik null når fisken står på tvers i sperra og da er det minst ubehagelig) og skal deretter bli ført ut av sperrefeltet av vannstrømmen. Dette er illustrert i Figur 6. Generell informasjon om hvordan slike fiskesperrer fungerer er gitt i «Smith-Root Barrier Book» (Smith-Root, 2012).

Figur 6 Typisk bevegelsesmønster av en fisk i en sperre med gradert spenningsfelt (fra Smith-Root.

2012)

Bilder av anlegget under bygging og i ferdig stand er vist i Figur 7 og Figur 8.

Mer informasjon om fiskesperra og dens bygging er gitt i «Rapport fra bygging av Elektrisk Fiskesperre ved Kjeldal» (Enger, 2012).

(12)

Figur 7 Tørrlagt slusekanal med fiskesperre i byggefasen

Figur 8 Fiskesperra i drift med kontrollhuset i bakgrunnen

(13)

7 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

2 Feltarbeid og instrumentering

Feltarbeid ble utført i flere trinn. Første trinn var en befaring av 10.7.2015 (Wolf

Marchand, Sweco og Marianne B. Kanstad, Fylkesmannen i Telemark) for å få oversikt til bedre planlegging av den etterfølgende instrumenteringen.

Hovedarbeid med instrumentering og oppmåling foregikk 3.9. til 4.9.2015. I denne perioden var det flom med stor vannføring i Telemarkskanalen.

Forutsetning var at det ikke skulle installeres instrumenter i sperrefeltet, slik at ikke instrumentene ble påvirket av strøm eller at instrumentene påvirket sperrefeltet. Det ble plassert sensorer som målte vannhastighet i mange punkter i kanaltverrsnitt og

vanndybde (Sontek SL 1500) rett oppstrøms og nedstrøms sperrefeltet. De aktuelle målerne logget i tillegg til hastighetsfordelingen også vannføringen i kanalen. I tillegg ble det installert en sensor for måling av ledningsevne (tilkoblet en FROG logger).

Ledningsevne er viktig for funksjonen til en elektrisk fiskesperre. Det ble også installert sensorer med loggere for vanndybde (WL16) i hovedkanalen et stykke nedstrøms slusekanalen, samt oppstrøms Kjeldal sluse. Det ble samtidig logget vanntemperatur ved alle disse målestedene. Loggerne rett ved fiskesperra målte med 10 sekunders intervall, mens resten målte med 1 minutts intervall.

I tillegg til å sette opp instrumentene ble det utført kartlegging/oppmåling av geometri og bunnforhold i slusekanalen og tilgrensende områder. Denne oppmålingen med ADCP (Accoustic Doppler Current Profiler) ga data for både dybde og strømningsretning og strømhastighet i mange punkter i vertikal retning. Det kartlagte området er vist i Figur 9.

Etter arbeidet med instrumentering ble vannføringsmåling utført i hovedkanalen og i slusekanalen med ADCP. I slusekanalen ble dette gjort ved flere lukestillinger i slusen. I tillegg ble detaljert kartlegging av strømning ved sperrefeltet utført med ADCP, med og uten drift av propellen.

14.9.2015 ble det i tillegg satt ut to Sontek IQ sensorer på bunnen av slusekanalen, både oppstrøms og nedstrøms fiskesperra. Disse sensorene måler vannhastigheten detaljert i et vertikalt profil, med flere stråler over kanaltverrsnittet.

Den 22.11.2015 ble alle instrumentene rigget ned.

(14)

Figur 9 Kart over oppmålt område (ADCP), markert med rødt

En del av planen i oppdraget var å måle og dokumentere hvordan turistbåtene påvirker vannstrømningen i fiskesperra. Dette skulle gjøres med sensorer installert ved

sperrefeltet, mobile sensorer mens båten passerer og samtidig videoopptak. Denne planen kunne imidlertid ikke gjennomføres som tenkt. Det viste seg at de siste

turistbåtene kjørte den dagen instrumentene ble installert, men før alle var ferdig oppsatt.

På grunn av flomsituasjonen ble kjøring av turistbåtene innstilt mye tidligere enn planlagt.

Vi fikk derfor ikke målt båtpassering med sensorene, men i det minste fikk vi dokumentert passeringen på film. Dette ble gjort ved hjelp av flere kameraer som filmet fra forskjellige vinkler. Filmmaterialet er klippet til en kort film som illustrerer strømningsforhold med båt og generelt. Betydning av båttrafikk er omtalt senere i rapporten.

3 Hydrologi

Nedbørfeltet til Telemarkskanalen ved Kjeldal sluse er på rund 3304 km² med en middelvannføring på omtrent 103 m³/s (basert på avrenningskart fra NVE for perioden 1961-1990). Mesteparten av dette vannet føres imidlertid gjennom Hogga kraftverk, som har inntak ovenfor Hogga dam (og Hogga sluse) og utløp nedenfor Lunde dam (og Lunde sluse). Kjeldal sluse ligger mellom Hogga og Lunde, se Figur 10.

Hogga ble satt i drift i 1987 og utnytter fallet mellom Bandak og Nomevatn. Kraftverket har et aggregat med installert effekt på 17 MW. - Se mer på:

http://www.statkraft.no/Energikilder/vaare-kraftverk/norge/Hogga/#sthash.zjOZtsJv.dpuf

(15)

9 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Det er relativ store reguleringsmagasiner lengre oppover i vassdraget, som kan benyttes til å holde vannføringen i Telemarkskanalen så jevn som mulig og for å dempe flommer.

Hogga Kraftverk har et pålegg om minstevannføring i Telemarkskanalen som beskrives i konsesjonen som følgende:

«Konsesjonæren plikter å slippe en minstevannføring over Hogga dam på minst 5 m³/s og høyst 8 i tiden fra 1. mai til 30. september. I oktober trappes vannføringa gradvis ned til vintervannføring. I tiden fra 1. november til 30. april skal det slippes minst 4 m³/s.»

Figur 10 Oversikt over sluser og vannkraft: Vannet føres gjennom Hogga kraftverk forbi Kjeldal I tidsrommet hvor mesteparten måleinstrumentene ble installert og når bunn- og strømningskartleggingen ble utført var det flom i Telemarkskanalen. Vannføringen i hovedkanalen ble målt til rundt 155 m³/s ved start av målingene. Vannføringen avtok deretter og var lavere en liten periode, før det ble stor flom med høye vannstander og store oversvømmelser i vassdraget. Variasjoner av vannføringen i hovedkanalen gjenspeiles i de målte vannstandsvariasjonene som er som er vist i Figur 32.

(16)

4 Hydraulisk modellering

4.1 Hydraulisk modell

En todimensjonal hydraulisk modell ble bygget opp for området rundt fiskesperra.

Programvaren RiverFlow2D Plus ble brukt til de hydrauliske simuleringene.

Terrengmodellen er basert på lasermåling fra fly, mottatt fra kartverket via Fylkesmannen i Telemark, og egne målinger med ADCP målebåt. Terrengmodellens oppløsning er finere i området med hovedfokus der bunnen ble målt opp med ADCP, enn i resten av det vanndekkete modelleringsområdet. Siden laserdata måler vannoverflaten og ikke

elvebunnen, ble resten av det vanndekket modelleringsområdet ekstrapolert. Terrenget ble godt gjengitt av laserdataene.

Figur 11: Terrengmodell til den hydrauliske modellen (fargene angir forskjellige høydenivåer).

Oppløsningen i den hydrauliske modellen varierte mellom 2 m i vanndekkete områder, og 4 m ellers i terrenget. Denne oppløsningen ble vurdert som tilstrekkelig for å modellere hydrauliske effekter i kanalen der fiskesperra ligger.

Manningstall (definisjon på ruhet) ble satt til 30 i hoved elve- og kanalbunnen, 50 ved fiskesperra, 25 i elvekanten, 15 i elveskråningen og 10 i terrenget ellers.

4.2 Simuleringsresultater

I den første simuleringen prøvde vi å gjenskape vannstandssvingningene i kanalen, slik de ble målt ved fiskesperra. Som grensebetingelser antok vi ingen vannføring fra oppstrøms side, og en målt vannstandsserie ved nedstrøms ende (Figur 12). Det viste seg at modellen ikke klarte å gjenskape nøyaktig forløpet av vannstandssvingningene ved fiskesperra, antageligvis for dette vil kreve modellering av hele strekningen ned til Lunde dam. Resultatet viser at vannstanden i slusekanalen blir tydelig påvirket av

(17)

11 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

svingninger i vannstand så langt nedstrøms som posisjonen av nedre WL16 sensor (nedstrøms ende av modellen, se Figur 11).

Figur 12: Vannstandsvariasjon i perioden 11:15 til 13:00 den 12.9.2015, målt ved sensorer og simulert i modellen.

I den andre simuleringen modellerte vi en konstant lav vannstand på 62,42 moh ved nedre enden av modellen. Som grensebetingelse oppstrøms antok vi en vannføring på 8 m³/s. Resultatet viser at den gjennomsnittlige vannhastigheten ved fiskesperra er rundt 0,2 m/s. Strømningsmønsteret er vist i Figur 13.

Den tredje simuleringen ligner den andre, men i stedet for lav vannstand modellerte vi en konstant høy vannstand på 62,69 moh ved nedre enden av modellen. Som

grensebetingelse oppstrøms antok vi samme vannføring på 8 m³/s. Den gjennomsnittlige vannhastigheten ved fiskesperra ble litt lavere enn i simulering to, rundt 0,18 m/s.

En enkel beregning ved bruk av gjennomstrømt areal ved fiskesperra viser at vannføringen må være rundt 16 m³/s i slusekanalen for å få til en gjennomsnittlig

vannhastighet ved fiskesperra på rundt 0,4 m/s. Dette anses som en hastighet som tilsier at de hydrauliske forholdene i fiskesperra vil være gode.

62.3 62.35 62.4 62.45 62.5 62.55

11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00

Vannstand (moh)

Tid (tt:mm)

Vannstandsvariasjoner over tid (12.9.2015), målt og simulert

Simulert SL2 oppstrøms fiskesperra Målt SL2 oppstrøms fiskesperra Målt WL16 nedstrøms

(18)

Figur 13: Strømningsmønsteret i kanalen ved fiskesperra. Retning på pilene viser strømningsretning og farge viser vannhastighet.

5 Data og måleresultater

Data fra alle instrumentene som ble plassert ut og brukt under feltarbeid er blitt lastet ned fra instrumentene. De viktigste resultatene er presentert og kommentert. Programvaren for databehandling er på engelsk. Derfor har de figurene som er generert direkte i programvaren engelsk tekst. De viktigste begrepene som er benyttet betyr: Vannføring = Flow, Vannhastighet = Velocity, Vannstand = Stage, Ledningsevne = Conductivity, Dybde

= Depth, Bredde = Width, Stråle fra måleinstrument = Beam.

I tillegg til resultatene presentert i denne rapporten er det også laget en kort film som illustrerer strømningsmønsteret ved fiskesperra godt. Denne filmen er et resultat av videodokumentasjon foretatt i felt.

5.1 Vannhastigheter og strømning

SL, IQ og ADCP instrumenter samt filmer er brukt for å analysere vannhastighet og strømning.

I Figur 14 og Figur 15 er SL sensorenes plassering vist. Figurene viser også i hvilken retning og dybde SL sensorene måler vannhastighet.

(19)

13 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Figur 14 Plassering SL sensorer (røde punkter) og omtrentlig retning på strålene som SL sensorene måler hastighet i.

Figur 15 SL sensorenes plassering i kanalen, Grønn stråle måler vannhastighet, lilla stråle måler vanndyp.

(20)

I Figur 16 og Figur 17 er IQ sensorenes plassering vist. Figur 17 viser hvordan

vannhastigheten måles i flere retninger i kanalen. Oppstrøms IQ-sensor hadde hardware feil og vi fikk kun målinger fra nedstrøms IQ-sensor.

Figur 16 Plassering IQ sensorer (røde piler).

Figur 17 IQ sensorenes plassering i kanalen. Rød stråle måler vanndyp og hastighet, de andre måler vannhastighet.

(21)

15 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

5.1.1 Strømningsmønster propeller

Hastighetsdataene er samlet inn ved hjelp av ADCPen og SL sensorer. Det ble målt med propellene avslått og propellene påslått. Dataene som ble samlet inn ved ADCPen anses å ha god kvalitet. I dataene fra SL sensorene er det ikke funnet forskjeller mellom å ha propellene avslått og påslått, og derfor er kun resultatene fra ADCPen presentert. Under oppmålingen ble det observert at vannet vekslet mellom å strømme oppover og nedover.

I Figur 18, Figur 19 og Figur 20 viser måleresultatene fra ADCPen. Strømningsmønster med propellene avslått (sort) og påslått (rød) er vist. Målingene ble foretatt ved å trekke ADCP instrumentet, monter på en liten båt, på tvers over kanalen. Dette er gjentatt ved fire tversnitt i fiskesperra. Figur 18 viser strømningsmønsteret i det øverste vannlaget (nær overflaten), Figur 19 viser strømningsmønsteret i det midterste vannlaget og Figur 20 viser strømningsmønsteret i det nederste vannlaget (nær bunnen).

(22)

Figur 18 Strømningsmønsteret i overflate, pilenes retning indikerer strømningsretning og pilenes størrelse indikerer vannhastigheten (gjelder ikke pilen i propellsymbolet), Propeller påslått (rød), Propeller avslått (sort). Propellene (og pilen i propellsymbolet) peker fra oppstrøms til nedstrøms side.

(23)

17 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Figur 19 Strømningsmønsteret i det midterste vannlaget, pilenes retning indikerer strømningsretning og pilenes størrelse indikerer vannhastigheten (gjelder ikke pilen i

propellsymbolet), Propeller på (rød), Propeller av (sort). Propellene (og pilen i propellsymbolet) peker fra oppstrøms til nedstrøms side.

(24)

Figur 20 Strømningsmønsteret langs bunnen, pilenes retning indikerer strømningsretning og pilenes størrelse indikerer vannhastigheten (gjelder ikke pilen i propellsymbolet), Propeller på (rød), Propeller av (sort). Propellene (og pilen i propellsymbolet) peker fra oppstrøms til nedstrøms side.

(25)

19 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Som man kan se av dataene, er det ved propellene påslått, tydelig turbulente forhold langs ytterkantene av kanalen. Hvis men studerer øverste del av figurene (nord) ser man tydelig at vannstrømmen går nedover i kanalen, helt ytterst i kanalen, mens litt lengre inn i tverrsnittet går strømmen oppover. Langs den andre ytterkanten av tverrsnittet (sør) ser vi at strømningen går nedover i det dype vannlaget av tverrsnittet, mens strømningen går oppover i det øvre vannlaget av tverrsnittet.

Ved propellene avslått ser vi at hastighetene er mye lavere langs ytterkantene, men det vises fremdeles litt turbulente forhold i den sørlige delen av figuren. Vi ser at strømningen forandrer retning på tvers av kanalen, men også over dybden i enkelte områder.

5.1.2 Vannhastighet og strømningsmønster i fiskesperre og kanal Normalsituasjon og eller liten flom

Data for å analysere er blitt samlet inn fra SL og IQ sensorer over tid, samt ved bruk av ADCPer og film i korte perioder. Dataene fra ADCPer og film anses som gode. Data fra IQ og SL sensorer har en del støy i dataene, men har i perioder gitt data som beskriver strømningsmønsteret bra. Under og etter storflommen har masser i vannet sedimentert og dekket til IQ sensoren på bunnen av kanalen, dette førte til at dataene fra denne sensoren ikke ga gode resultater etter flommen. Når massene sedimenterte, forsvant også partiklene som sensorene bruker for å måle vannhastigheten fra vannet, og uten kraftig omrøring i vannet var det ikke mulig for SL sensorene å måle lengre enn et par meter inn i kanalen. Deler av dataene fra SL sensorene var ikke mulig å studere grundig, grunnet feil i softwaren til sensorene. Totalt sett er det allikevel samlet inn nok data av god kvalitet til å dokumentere strømningsforhold.

Figur 21viser et typisk vannføringsmønster ved fiskesperra. Som man ser av figuren varierer vannføringen mellom negativ og positiv vannføring (strømning oppover og nedover). Videre ser vi at sensorene omtrent viser samme vannføring på samme tid.

Figur 22viser et plott over målte vannføringsverdier mot slutten av en flom ved SL sensorene. Som vi ser av figuren veksler vannføringene fortløpende mellom ca ± 2 m³/s, men enkelte ganger er det utslag opp mot 4 m³/s.

(26)

Figur 21 Typisk vannføringsmønster ved fiskesperra (SL

sensorer)

Figur 22 Plott av vannføring SL

sensorer mot slutten av en flom

(27)

21 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

I Figur 23 og Figur 24 er det tatt ut to skjermdumper fra en film hvor en gjenstand er fulgt mens den flytter seg bakover gjennom fiskesperra. Avstanden mellom start og slutt er funnet fra tegninger over fiskesperre. Når man kjenner avstanden og tiden gjenstanden har brukt på å flytte seg fra start til sluttpunkt kan man regne ut en strømningshastighet som følger:

9,5 m per 50 s = 0,19 m/s.

Vannstanden ser ut til å være noe høyere på det siste bildet i forhold til det første.

Figur 23 Tilbakestrømning måling start 02:59 [mm:ss]

Data fra IQ sensoren viser at det kan oppstå strømning oppover i kanalen (se Figur 25). I Figur 25 ser man at hastigheten rett under og i overflaten er negativ og opp mot 0,4 m/s.

(28)

Figur 25 IQ sensor viser tilbakestrømning nær overflaten i midten av kanalen (rød farge). De forskjellige fargene indikerer hvor i kanalen de forskjellige hastighetene er målt.

Mot slutten av måleperioden ble det observert at vannføringen på SL sensorene var motsatt rettet over en lengre periode (se Figur 26). I denne perioden var vannstanden ganske stabil og sensordataene antyder at vannet var krystallklart i perioden. Klart vann innebærer at det er få partikler i vannet som reflekterer signalet som sensoren sender ut.

Dette betyr at sensoren kun klarer over deler av kanalbredden. Klart vann oppstår når det er liten omrøring og små hastigheter i vannet.

(29)

23 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

I Figur 27, som er en innzoomet fortsettelse av Figur 26,Error! Reference source not found. viser at vannføringen blir rettet samme vei (til strømning nedover i slusekanalen) når kanalen tappes ned.

(30)

Figur 26 Vannføring og vannstand ved opp og nedstrøms SL sensor mot

slutten av oktober. Positiv vannføring er strømning nedover i slusekanalen

(31)

25 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Figur 27 Vannføring og vannstand ved nedtapping av kanalen. Positiv vannføring er strømning nedover i

slusekanalen

(32)

Under flomsituasjon

Figur 28 og Figur 29 viser vannhastigheter fra samme tidspunkt under flommen. Både SL sensorene og IQ sensoren viser at det er skjevstrømning i kanalen med størst

vannhastigheten på høyre side i kanalen når man ser mot nedstrøms side.

Skjevstrømningen er observert av IQ sensorene over lengre perioder. Det fremgår også av figurene at vannhastighetene stort sett befinner seg mellom 0 til 0,2 m/s med stor variasjon over korte avstander både på tvers og over dybden av kanalen. Det er verdt å merke seg at alle luker stod helt åpne, og dette er de høyeste vannføringen som er målt i kanalen under hele måleperioden.

(33)

27 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Figur 28 Profil fra oppstrøms(venstre) og nedstrøms SL sensor under flommen med forklaring. De forskjellige fargene indikerer hvor i kanalen de forskjellige hastighetene er målt.

Vi observerer videre at vannhastigheten kanskje er litt lavere nær overflaten av vannet, se Figur 29. Lavere vannhastighet nær overflaten går igjen i flere målinger rundt det viste tidsrommet.

(34)

Figur 29 Vertikale profiler IQ sensor under flommen. De forskjellige fargene indikerer hvor i kanalen de forskjellige hastighetene er målt.

5.1.3 Strømningshastighet ved båtpassering

I Figur 30 og Figur 31 er det tatt ut to skjermdumper fra en film hvor en gjenstand er fulgt mens den flytter seg bakover gjennom fiskesperra i det en stor båt passerer gjennom sperra. Det er litt vanskelig å estimer hvor langt gjenstanden flyttet seg, men basert på lengden til båten(30,6), personer og rekkverket i bildet er det anslått at gjenstanden flyttet seg et sted mellom 3 til 8 m mot oppstrøms side. Forflytningen skjedde i løpet av 10 sekunder og det gir en vannhastighet oppover opp på ca.:

(35)

29 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

8 m per 10 s = 0,8 m/s.

5.2 Vannstand

Vannstand er blitt målt med SL sensorene ved fiskesperra og med WL16 sensorer i hovedkanalen nedstrøms fiskesperra og hovedkanalen rett oppstrøms gummiluka ved Kjeldal sluse.

I Figur 32 er vannstand i hovedkanalen og vannstanden inne ved fiskesperra vist over måleperioden. Som man ser av Figur 32 har det vært to perioder med relativt høy vannstand. Den første perioden er fra starten av måleperioden og fram til ca. 9

september. Den andre perioden er fra ca. 13 september og til ca. 30 september. Figuren viser også perioden i slutten av oktober hvor vannstanden er senket. Figuren viser at vannstanden svinger når det er høy vannstand, men at det også skjer til dels kraftige utslag under perioder hvor vannstanden ser ut til å være helt stabil.

(36)

Figur 32 Vannstand ved fiskesperre og i hovedkanal i måleperioden. (Helt rette linjer er interpolert) I Figur 33 er vannstand og vannføring over noen dager vist. Som man ser i Figur 33 har man vannstandsvariasjoner i en periode på noen timer rundt kl 12 hver dag.

Statskraft sin driftssentral har opplyst om at det er observert vannstandsvariasjoner oppstrøms slusene ved Lunde når slusene ved Lunde brukes (driftssentral, 2015). De kraftige utslagene på vannstand (og vannføring) som er vist i Figur 33 skyldes

vannstandsvariasjoner forårsaket ved Lunde. Dette viser at kjøring av luker ved Lunde påvirker vannstanden ved Kjeldal sluse.

(37)

31 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Figur 33 Varierende vannstand og vannføring i kanal og hovedkanal. SL sensorene er ved fiskesperre, dvs. i slusekanalen, WL16 sensor er i hovedkanalen nedstrøms slusekanalen.

Figur 34 illustrerer en vannstandssenkning ved fiskesperra på 0,07 m i løpet av 45 sekunder. Dette betyr at ved variasjon av vannstanden ved Lunde vil en kunne få en variasjon ved Kjeldal på 7 cm eller mer.

(38)

Figur 34 Vannstandssenkning 0,07 m over 45 s. Vannstandssenkningen vises godt som en våt, horisontal stripe på betongen.

Under en analyse av innsamlede vannstandsdata for SL1 sensoren den 10. september 2015 varierte vannstanden som vist i Figur 35 og Figur 36. Figur 36 er et første del av grafen i Figur 35. Vannstandssvingningene i Figur 36 samsvarer med variasjonene som man observerte på filmen tatt ved en båtpassering den 3.s eptember 2015. Fra og med den 9.september til og med den 12.september har man et tilnærmet identisk mønster med vannstandsvariasjoner som vist i Figur 35 og Figur 36. I disse svingningene har man

(39)

33 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

funnet at vannstanden stiger med ca 10 cm i løpet av 1 minutt. Maksimal stigning i løpet av den ustabile perioden er ca 15 cm i løpet av omtrent 2 minutter.

Figur 35 Vannstandsendringer 10.sep.2015 SL1.

Figur 36 Zoom vannstands- vannføringsendringer 10.sep.2015 SL1

(40)

Ved disse hurtige vannstandsvariasjonene ble det f.eks den 10. september registrert en returstrøm på 7 m³/s kl 11:33:30 (se Figur 36). Tilsvarende returstrøm den 12. september er på ca. 12 m³/s

5.3 Ledningsevne

Ledningsevnen ved fiskesperra er målt med måler som ble plassert på nedstrøms side av fiskesperra ved den ene SL sensoren. Det var endel feilmålinger på måleren.

Feilmålingene var stort sett kortvarig og forstyrrer ikke resultatene i betydelig grad.

Figur 37 viser hvordan ledningsevnen til vannet har variert over måleperioden. Som vi ser av Figur 37 har ledningsevnen til vannet stort sett vært stabil rundt 16 til 18 µs med unntak av under flomsituasjonen. Under storflommen økte først ledningsevnen opp mot 28 µs før den gradvis begynte å synke. Når lukene i slusa ble åpnet falt konduktiviteten raskt ned til et bunnivå som holdt seg ganske konstant under flomperioden.

Ved å studere ledningsevnen over en litt kortere tidsperiode i Figur 38, ser vi at det oppstår noen svingninger i ledningsevnen, vannføring og vannstand på omtrent på samme tidspunkt flere dager etter hverandre.

Figur 37 Ledningsevne (conductivity), vannføring og vannstand i måleperioden

(41)

35 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Figur 38 Ledningsevne (conductivity), vannføring og vannstand i en kort tidsperiode, (helt rette linjer er interpolert)

Variasjonen i ledningsevnen ser ut til å henge sammen med variasjon av vannstand/vannføringen.

(42)

6 Diskusjon

Mange målte strømningssituasjoner og filmmaterialet viser at strømningen i fiskesperra ikke er uniform. Sensordataene antyder at det er store variasjoner på

strømningshastighet i tverrsnittet. I noen perioder viser dataene at det oppstår en svak rotasjonsstrøm i kanalen, med strømning oppover og nedover samtidig i sperrefeltet.

Enkelte dager oppstår det til dels store og hurtige svingninger i kanalen ved fiskesperra.

Svingningene samsvarer godt med svingnings- og strømningsmønsteret som er

dokumentert i filmmaterialet. Ut fra størrelsen på svingningene og arealet i slusekanalen oppstrøms fiskesperra tilsier svingningene at vannføringen som går oppover i kanalen er på omtrent 4 m³/s i gjennomsnitt, over en periode på 1 minutt (forutsatt et oppstrøms areal på 2500 m²). Basert på et strømningsareal (tverrsnitt av kanalen) på 40 m² ved lav vannstand, gir det en strømningshastighet på 0,1 m/s. Det er dokumentert at gjenstander flyter gjennom sperrefeltet med en gjennomsnittshastighet oppover i kanalen på 0,19 m/s, ved en hurtig vannstandendring rett før en stor båt passerer ned gjennom fiskesperra.

Forskjellen mellom returhastighet på 0,1 m/s og dokumentert 0,19 m/s indikerer at det er ikke er en jevn hastighetsfordeling i tverrsnittet. SL1 sensoren viser i Figur 36 at målt vannføring oppover i kanalen er på ca. 2 m³/s. Dette antyder at hastigheten må være adskillig større i de delene av tverrsnittet der SL sensoren ikke måler.

De hurtige, store svingningene i normale driftssituasjoner er etter all sannsynlighet igangsatt ved slusing i Kjeldal sluse og ved passering av store båter. Noen av de hurtige svingningene med mindre vannstadsvariasjoner kan være igangsatt ved slusing i Lunde sluser, da simuleringene viser at vannstandsendringer i kanalen mellom Kjeldal og Lunde sluser direkte påvirker vannstand og vannføring i fiskesperra.

Hurtige svingninger i flomsituasjoner ser ut til å gi mindre variasjoner i vannstand og vannføring ved fiskesperra enn variasjonene som skapes ved bruk av luker og sluser ved Kjeldal og Lunde sluser.

7 Konklusjon

Vannstanden og vannstrømmen i slusekanalen påvirkes av hydrauliske forhold nedstrøms. Dette fører til at vannstanden varierer i perioder mye over kort tid og det samme gjelder for strømningen. Vannstrømmen skifter retning fra å føre vann i samme retning som strømmen i hovedkanalen til å føre det i motsatt retning. Disse forholdene er dokumentert gjennom målinger og videoopptak. Også vinden påvirker strømningsretning, når den blåser kraftig i lengderetning av slusekanalen.

De ovenfor nevnte forholdene er særdeles fremtredende når luken i Kjeldal sluse er stengt. Full åpning på lukene gir en vannføring på omtrent 7 m³/s i slusekanalen. Selv med denne vannføringen er vannhastigheten gjennom sperrefeltet minimal (teoretisk rundt 0,14 m/s i gjennomsnitt) og de nevnte påvirkningene fra nedstrøms side har fortsatt potensial til å reversere vannstrømmen i deler av sperrefeltet.

(43)

37 (38)

RAPPORT 06.01.2016

repo002.docx 2013-06-14

Faktumet at vannet strømmer tidvis fra nedstrøms til oppstrøms side er ikke forenelig med prinsippet den elektriske fiskesperra bygger på. Dette prinsippet tilsier at en fisk som svømmer inn i feltet fra nedstrøms side blir enten slått i svime, eller blir stående på tvers, for deretter bli ført ut av sperrefeltet med vannstrømmen. Siden vannstrømmen tidvis går fra nedstrøms til oppstrøms side er det potensielt mulig at en fisk som er slått i svime, eller står på tvers i sperra, blir ført med vannstrømmen til oppstrøms side av sperra.

Basert på videodokumentasjon, noen sensordata, hydraulisk forståelse og faktum at det allerede eksisterer en vannstrøm i «feil» retning(oppover), uten at det kommer en båt, kan vi fastslå at båttrafikken vil føre til ytterligere forverring av strømningsmønsteret.

Konsekvensen er at potensialet for at fisk kan fraktes gjennom sperrefeltet i uønsket retning øker.

Vi mener at den tidligere valgte problemløsningen, med installasjon av propeller, ikke fungerer bra. Det er ønskelig å ha jevn vanngjennomstrømning i sperrefeltet, i bare en retning (fra oppstrøms til nedstrøms side). Propeller som generer vannstrøm har ikke mulighet til å oppnå dette. Når det kommer lite vann ovenfra og propellene akselererer vann i et område i sperrefeltet vil dette føre til at vann må strømme tilbake i et annet område i sperrefeltet, for å erstatte det vannet som propellene har ført nedover.

I forhold til sperras intensjon, å holde fisk på den ene siden gjør propellene mer skade enn nytte. Eneste nytteeffekten av propellene er at strømningen som genereres kan muligens forhindre at fisk blir fanget i sperrefeltet over lengre tid og dør.

Slik som situasjon er per i dag finnes det ikke noen åpenbare, enkle tiltak som vil garantere en hydraulisk gunstig situasjon i sperrefeltet, ved dagens plassering av

fiskesperra. For å generere en tilstrekkelig ensrettet strømning kreves det en vannføring i slusekanalen om overstige dagens krav om minstevannføring i Telemarkskanalen på den aktuelle strekningen. Flytting av den elektriske sperra til en annen lokasjon kan være en mulighet, men en eventuell ny plassering må utredes med en analyse av hydrauliske forhold på forhånd.

8 Anbefalinger

Det er 4 tiltak som i stor grad kan redusere den hydraulisk ugunstige situasjonen vi har i dag.

1) Det første tiltaket vil være å se på hvordan man sluser båter opp og ned i slusene. Det bør undersøkes om variabel vannføring før, under og etter slusing kan redusere svingningene som oppstår i kanalen.

2) Det andre tiltaket går på å slippe minstevannføringen gjennom slusekanalen slik at det skapes en kontinuerlig strømning nedover gjennom fiskesperra. Det vil være viktig å utforme slippet av minstevannføringen slik at det oppstår en uniform strømning gjennom fiskesperra. Det vil sannsynligvis være utfordrende å få til en uniform strømning, med den tilgjengelige vannmengden. Det første tiltaket bør ses i sammenheng med det andre tiltaket.

(44)

3) Det tredje tiltaket innebærer at de store båtene må redusere farten gjennom fiskesperra for å hindre de kraftige strømningene som oppstår når båtene passerer.

4) Det kan være et alternativ å flytte fiskesperra til en plass med bedre strømningsforhold. Det finnes relativ trange passasjer (rundt 40 m) ved Straumfoss nordvest for Fossheim, eller rett oppstrøms inntaket til Vrangfoss Kraftverk, men det er ikke opplagt at man kan oppnå nødvendig vannhastighet ved disse stedene i perioder med lav vannføring i Telemarkskanalen.

9 Referanser

Enger, Jan-Petter, 2012. Rapport fra bygging av Elektrisk Fiskesperre ved Kjeldal.

Naturpartner AS, rapport nr. NP 1-2012

Smith-Root, 2012. Smith-Root Barrier Book, http://issuu.com/smith- root/docs/09446.004_barrier_book?e=3109164%2F4139891 Statskraft driftssentral. (2015, 12 11). Vannstandsvariasjoner.