Klimatilpasning i veiutbygging

BACHELOROPPGAVE

BACHELOROPPGAVENS TITTEL Klimatilpasning i veiutbygging

DATO 18.05.18

ANTALL SIDER / ANTALL VEDLEGG

54/6 FORFATTERE

Håvar Rodahl, Halvard Solem og Louisa Mares

VEILEDER Ann Karina Lassen

UTFØRT I SAMMARBEID MED Statens vegvesen

KONTAKTPERSON Silje Nygaard Holen

SAMMENDRAG

Som følge av klimaendringer vil gjennomsnittstemperaturen øke og nedbørsmønsteret endres. Nedbør er en svært viktig faktor å vurdere når det skal bygges nye veier. Her spesielt i forhold til korttidsnedbør og avrenning fra små nedbørsfelter, men også flom fra større nedbørsfelt og vassdrag. Statens vegvesen står for utbygging av ny E16 fra Sandvika til Skaret i Hole. Det er her ønske om en kontroll for i hvilken grad dimensjoneringen av delstrekningen, Entreprise 02 på nye E16 vil forhindre vann i veibanen ved økende nedbør. Det vises etter bacheloroppgavens kontroll at Statens vegvesen og deres eksterne konsulenters metoder har gitt god nok dimensjonering for overvannshåndtering fra de små lokale nedbørsfeltene. Sammenlikningen av simulerte flomhøyder mot prosjekterte veihøyder viser at prosjektert vei ikke vil oversvømmes ved en estimert 200-års flom med tilhørende klimapåslag.

Sammenlikning med Statens vegvesens dimensjoneringsgrunnlag viser at ukritisk bruk av gamle flomsoneberegninger vil kunne gi for lave dimensjonerende flomhøyder sammenliknet med tall fra nyere beregninger. Statens vegvesen bør derfor være kritiske til eldre flomanalyser.

3 STIKKORD Nedbør Overvann Vei

GRUPPE NR. 13

TILGJENGELIGHET Åpen

OsloMet - Storbyuniversitetet

Institutt for Bygg- og energiteknikk - Bygg Postadresse: Postboks 4 St. Olavs plass, 0130 Oslo Besøksadresse: Pilestredet 35, Oslo

Telefon: 67 23 50 00 www.hioa.no

i

Forord

Denne oppgaven er skrevet som avsluttende arbeid for bachelorstudium i ingeniørfag – bygg ved OsloMet - Storbyuniversitetet våren 2018. Oppgaven er produsert på oppdrag fra, og i samarbeid med Statens vegvesen Region øst.

Problemstillingen er først og fremst valgt etter et ønske om fordypning og læring innen fagområder vi anser som viktig utover generell veibygging og teknisk planlegging av vei og overvannshåndtering.

Vi anser det som en stor fordel å beherske det aktuelle faget, da overvannsproblematikk er noe en må ta hensyn til i alle veibyggeprosjekter. Dette er også et framtidsrettet tema det vil bli viktigere og viktigere å ta spesielle hensyn til med dagens og fremtidens klimaendringer.

Oppgaven retter seg i første rekke mot personer som jobber med vei og/eller VA-teknikk, Ingeniører, entreprenører, ingeniørstudenter og andre fagpersonen innen vei og VA-teknikk.

Vi vil takke Statens vegvesen, da spesielt vår eksterne veileder Silje Nygaard Holen for hennes tid og ressurser. Hun har vært et avgjørende bindeledd mellom oss og eksterne fagpersoner. Retter også en takk til ressurspersoner ved Vianova og NVE. Sigbjørn Derås ved OsloMet - Storbyuniversitetet har vært svært behjelpelig og fortjener en takk. Vi ønsker også takke vår interne veileder Ann Karina Lassen for en åpen dialog med gode og konstruktive tilbakemeldinger.

Halvard Solem Louisa Mares Håvar Rodahl

Oslo, mai 2018

ii

Sammendrag

Som følge av klimaendringer, vil gjennomsnittstemperaturen øke og nedbørsmønsteret endres. I Norge vil dette medføre mer nedbør og økning i intense nedbørsepisoder. Nedbør er en viktig faktor å vurdere når det skal bygges nye veier, spesielt i forbindelse med avrenning og flom. Nettopp disse to temaene har blitt tatt for seg i denne rapporten, på en spesifikk veistrekning på E16.

Problemstillingen fokuserer på om dimensjoneringen av denne veistrekningen er bra nok utført slik at veibanen vil holdes fri for overvann ved økende nedbør.

Rapporten tar for seg et ekstremtilfelle, som inkluderer et 200-års gjentaksintervall på nedbør og flom, i tillegg til snø- og issmelting, samt frosset eller vannmettet grunn.

Det er tatt i bruk et flomsimuleringsprogram for å kartlegge flomsoner i området. Her er det utviklet et flomsonekart, som videre er sammenlignet med veiens dimensjoneringsgrunnlag.

Sammenlikningen viser at denne oppgavens beregnede flomhøyder ligger høyere enn Statens vegvesens antatte flomhøyder. Derfor er det benyttet for lave flomvannshøyder i

dimensjoneringsgrunnlaget. Veien er likevel plassert relativt mye høyere enn Statens vegvesens dimensjonerende flomhøyder, og det vil etter forutsetningene ikke ligge vann i veibanen ved et ekstremtilfelle og 200-års flom.

Det er benyttet kartanalyser for å finne et representerende nedbørfelt i forhold til avrenning og dimensjonering. Videre er det utført beregninger i forhold til avrenning fra feltet, samt

kapasitetskontroll på prosjektert dreneringsanlegg. Kapasitetsberegningene på dreneringsanlegget viser at det som er dimensjonert har stor nok kapasitet til å håndtere 200-års nedbør.

Det konkluderes med at kapasiteten på dreneringsanlegget er god nok til å håndtere et ekstremtilfelle, og tiltakene som er gjort i forhold til flomsikring er bra nok. Altså vil det under oppgavens forutsetninger ikke havne vann i veibanen. Likevel bør Statens vegvesen og deres eksterne konsulenter være kritiske til eldre flomanalyser, spesielt der nye anbefalinger om klimapåslag ikke er benyttet.

iii

Abstract

Due to climate change there is going to be an increase in temperature, and a change in the precipitation pattern. In Norway this will lead to more precipitation and an increase in intensity.

Precipitation is an important factor to consider when building new roads, especially when it comes to drainage and flooding. Exactly these two subjects have been included in this report, on a specific distance on E16. The issue focuses on how the construction planning of this distance is done, and if the planning is good enough to keep stormwater away from the roads, when there is an increase in precipitation.

This report is based on an extreme case, which includes a 200-year recurrence interval for both rain and flood, in addition to melting ice and snow, and frozen or saturated ground.

A flood simulating program was used to determine the flood-zones in the area. It is developed a flood-zone map, which is used in comparison to the roads criteria of construction. The comparison shows that our calculated flood levels are above Statens vegvesen’s estimated flood levels. Due to this the flood levels in the criteria of construction is too low. Nevertheless, the road is placed higher than the estimated flood levels, and the road is placed high enough in comparison with a 200-years flood.

A map analysis is used to determine the most critical catchment area due to runoff water. The runoff from this area is calculated, together with capacity calculations for the projected drainage systems.

The capacity calculations for the drainage systems show that the construction planning is large enough to handle large quantities of stormwater in an extreme case.

It is concluded that the capacity of the drainage system is large enough to deal with an extreme case, and that the flood protection measurements are up to par. Therefore, under the given circumstances there is not going to be any stormwater on the road. Nevertheless, Statens vegvesen and their external consultants should take precautions in regards to old flood maps.

iv

Innholdsfortegnelse

Forord ... i

Sammendrag ... ii

Abstract ... iii

Ordliste ... 6

Lister ... 7

1 Innledning ... 9

1.1 Bakgrunn ... 9

1.1.1 Klimautvikling... 9

1.2 Case ... 9

1.2.1 Klimatilpasning i Statens vegvesen ... 10

1.3 Problemstilling ... 10

1.4 Mål og hensikt ... 10

1.5 Avgrensninger ... 11

1.6 Oppgavens oppbygging og forutsetninger ... 12

2 Teori ... 13

2.1 Overvann ... 13

2.2 Ulike former for overvannshåndtering ... 14

2.3 Målestasjoner ... 15

2.3.1 Målestasjoner for nedbør ... 15

2.3.2 Målestasjoner for flom ... 16

2.4 VA-hydraulikk ... 17

2.4.1 Kontinuitetsprinsippet ... 17

2.4.2 Mannings formel ... 17

2.4.3 Strømning i rør ... 18

2.4.4 Hazen-Williams formel ... 20

2.5 Avrenning fra små felt ... 20

2.5.1 Den rasjonelle formel ... 20

2.6 Flom ... 24

2.6.1 Risikovurderingskriterier ... 24

2.6.2 Flomfrekvensanalyse ... 25

2.6.3 Gumbel-fordeling ved flomfrekvensanalyse ... 26

v

2.6.4 Klimapåslag ... 27

2.6.5 Høydesystemer ... 27

2.6.6 HEC-RAS ... 28

3 CASE ... 29

3.1 E16 Sandvika – Skaret ... 29

3.2 Avrenning fra små felt ... 29

3.3 Flom ... 30

4 Metode... 31

4.1 Drøfting av metoder... 31

4.2 Valgt metode ... 31

4.3 Refleksjon og kvalitetssikring ... 32

4.3.1 Kildekritikk ... 32

4.3.2 Generaliserbarhet ... 33

5 Resultat ... 34

5.1 Avrenning fra små felt ... 34

5.1.1 Dimensjoneringsgrunnlag ... 34

5.1.2 Resultat ... 40

5.2 Flom ... 41

5.2.1 Dimensjoneringsgrunnlag ... 41

5.2.2 Resultat ... 46

6 Diskusjon og konklusjon ... 48

6.1 Avrenning fra små felt ... 48

6.2 Flom ... 48

6.3 Konklusjon - oppsummert ... 49

7 Referanseliste ... 51

8 Vedlegg ... 54

6

Ordliste

Begrep Beskrivelse

En-dimensjonal simulering Viser ikke endring over tid ved konstant vannføring Gjentaksintervall Hvor ofte det forventes at en hendelse kan inntreffe

Hydraulikk Læren om fluidmekanikk

Ikke-stasjonær strømning Turbulent strømning

Infiltrasjon Vann som trenger ned i grunnen Kulminasjonsverdier Største verdi i en gitt periode

Neddykket tverrsnitt Delen av et tverrsnitt som ligger under vannoverflaten Permeabilitet Et mål for et materiales gjennomstrømligheten

Resipient Mottaker

Returperiode Hvor ofte det forventes at en hendelse kan inntreffe Stasjonær strømning Ikke-turbulent strømning (laminær strømning)

To-dimensjonal simulering Viser endring over tid og påvirkning oppstrøms av endringer nedstrøms

7

Lister

Figurliste

Figur 1-1: Geografisk avgrensning ... 11

Figur 2-1: Illustrasjon av 3-trinnsstrategien ... 14

Figur 2-2: Målestasjoner ... 16

Figur 5-1: Illustrasjon av nedbørsfelt – Felt 1 ... 35

Figur 5-2: 3D illustrasjon av nedbørsfelt – Felt 1 ... 35

Figur 5-3: Illustrasjon av dreneringsanlegget ... 36

Figur 5-4: Illustrasjon av Felt 1 som er delt inn i Felt1A og Felt1B... 40

Figur 5-5: Flomfrekvenskurve ... 41

Figur 5-6: Illustrasjon av vassdraget ... 44

Figur 5-7: Flomsonekart med snitt, fra HEC-RAS ... 46

Figur 5-8: Flomsonekart med høyder fra HEC-RAS ... 47

Tabelliste

Tabell 2-2: Verdier for friksjonstallet, l ... 19

Tabell 2-3: Verdier for singulærtapskoeffisienten, ks ... 19

Tabell 2-4: Friksjonsverdier for ulike rørtyper ... 20

Tabell 2-5: Avrenningsfaktor for forskjellig overflatetype ... 21

Tabell 2-6: K-verdi for forskjellige overflatetyper ... 23

Tabell 2-7: Klimafaktor for forskjellige returperioder ... 24

Tabell 2-8: TEK 17 Sikkerhetsklasser for flom da det kommer til bygninger ... 25

Tabell 2-9: NVEs anbefalinger for valg av fordelingsmodell ... 26

Tabell 2-10: Påslag og fratrekk i høydesystemer ... 28

Tabell 5-1: Faktorer som er benyttet i beregninger av avrenning ... 37

Tabell 5-2: Faktorer som er benyttet i beregninger av kanalstrømning ... 37

Tabell 5-3: Faktorer som er benyttet i beregninger av ledningskapasitet ... 39

Tabell 5-4: Kapasitet mot dimensjonerende vannføring fra Felt1A og Felt1B ... 40

Tabell 5-5: Flomvannføring for flere gjentaksintervall ... 42

Tabell 5-6: Oppsummering av fratrekk ... 43

Tabell 5-7: Oppsummering av vannføring ... 44

Tabell 5-8: Høyder på flomvannet ved forskjellige tverrsnitt ... 46

8

Tabell 6-1: Kapasitet mot dimensjonerende vannføring fra Felt1A og Felt1B (tabell 5-4) ... 48

Tabell 6-2: Sammenlikning av flomhøyder og veihøyder ... 49

Formelliste

Formel 2 - Mannings formel ... 17

Formel 3 – Bernoullis likning ... 18

Formel 4 – Darcy-Weisbachs trykktapsformel ... 19

Formel 5 - Hazen-Williams formel ... 20

Formel 6 - Den rasjonelle formel ... 21

Formel 7 - Konsentrasjonstid naturlige felt ... 22

Formel 8 - Konsentrasjonstid urbane felt ... 22

Formel 9 - Ny formel for konsentrasjonstid ... 23

Formel 10 - Gumbel-fordeling ... 27

Formel 11 - Beregning av OV1A og OV1B ... 38

Formel 12 - Beregning av OV1 ... 38

9

1 Innledning

1.1 Bakgrunn

1.1.1 Klimautvikling

Meteorologisk institutt forventer en temperaturøkning på 4,5 grader de neste hundre årene. Fra målestasjoner er det vist at gjennomsnittstemperaturen har økt med én grad siden 1900-tallet, og bare de siste 15 årene har temperaturen økt med en halv grad. Ved økende temperaturer kan luften holde på mer vann. Det vil som følge av dette falle mer regn med den forventede temperaturøkningen i årene som kommer. [1]

I et kaldt klima slik vi har i Norge vil effektene av klimaendringer gi mer nedbør, mer intens nedbør, mer variasjon i nedbørsmønster, og mer variable temperaturer om vinteren. [2] Nedbøren i Norge har økt, og vil øke ytterligere de neste hundre årene. I tillegg mener Meteorologisk institutt at dagens modeller er konservative, ettersom de ikke har fanget opp den historiske økningen av nedbør. Derfor er det mulig at nedbøren vil kunne øke enda mer enn det som er forutsatt i dagens beregninger. [3]

Det vil bli flere dager med nedbør, samtidig som det vil være mer nedbør når det regner. Vi vil få mer regn på kortere tid, og intensiteten øker. Det er intensiteten på korttidsnedbøren som er årsaken til de større problemene knyttet til overvann, flom og oversvømmelser, som igjen kan forårsake skader på bygninger, veier og annen infrastruktur. [3]

Om vinteren vil temperaturen variere mer, både over og under 0°. Derfor vil det oftere skje at nedbøren skifter mellom snø og regn, og det vil oftere falle mer regn på snø og frossen mark. I tillegg vil det bli mer snøsmelting, og dette vil til sammen skape store mengder overvann. Snø og is på bakken hindrer de konvensjonelle overvannssystemene i å fungere slik de skal, og faren for flom om vinteren øker. [2]

1.2 Case

Statens vegvesen Region øst står for utbygging av ny E16 og 4-felts motorvei fra Sandvika i Bærum til Skaret i Hole i Buskerud. Entreprise 02 (E16-E02) tar for seg den delen av nye E16 som strekker seg fra Rud til

Vøyenenga. Med framtidens økende nedbørsmengder og intensitet vil dimensjoneringen av

dreneringssystemene være en svært viktig faktor for veiens levetid og standard. E02 ligger tett opp mot Sandvikselva, og på grunn av dette vil det være spesielle hensyn som må tas når veien planlegges. Med økende nedbør øker også faren for flom og E02 ligger i et svært flomutsatt område.

10 1.2.1 Klimatilpasning i Statens vegvesen

Statens vegvesen jobber med å implementere dagens kunnskap om klima og klimatilpasning i pågående og framtidige veiprosjekter. De anser de viktigste utfordringene på veinettet til å være:

- Økt risiko for flom og erosjon

- Økt risiko for skred, og skred på nye steder - Utilstrekkelig drenskapasitet

- Behov for bedre vedlikehold - Utfordringer knyttet til vinterdrift - Større krav til beredskap

Som grunnlag for sitt klimatilpasningsarbeid bruker Statens vegvesen rapporten «Klima i Norge 2100»

som er utgitt av Meteorologisk Institutt, Norsk Vassdrags- og energidirektorat (NVE) og Uni Research i 2015. De samarbeider også med andre etater og kunnskapsmiljøer innen klimautvikling og disse samarbeidene er et viktig grunnlag for deres arbeid.

Statens vegvesen har også gjennomført sitt eget forsknings og utviklingsarbeid (FoU). Det har blitt gjennomført FoU-prosjekter som «Klima og transport» og NIFS (Naturfare – Infrastruktur – Flom – Skred). Basert på kunnskap innhentet fra prosjektene oppdaterer Statens vegvesen sine håndbøker og kvalitetssystem. De mener at på den måten vil klimatilpasning integreres i deres vanlige oppgaver, og kunnskapen kan bedre og lettere anvendes i veiprosjekter. [4]

1.3 Problemstilling

Med tanke på de økende nedbørsmengdene og Statens vegvesens ønske om å være framtidsrettet i sitt klimatilpasningsarbeid, har vi valgt å se på E16-E02 for å vurdere denne veistrekningen i forhold til klimaforandringene. Vi har derfor valgt følgene problemstilling:

I hvilken grad vil dimensjoneringen av E16-E02 forhindre vann i veibanen ved økende nedbør?

1.4 Mål og hensikt

Hensikten med oppgaven er å kontrollere og evaluere dimensjonering for overvann på E16-E02, med spesielt hensyn på vann i veibanen. Det skal beskrives kapasitet på overvannssystemet i forbindelse med E16-E02, med fokus på ekstremtilfeller av nedbør, samt om det er tatt tilstrekkelig hensyn til flom.

Oppgaven skal i samme prosess kartlegge Statens vegvesens tilnærming til klimatilpassing i forhold til siste anbefalinger fra fortrinnsvis NVE og Meteorologisk institutt.

Målet er å vurdere om Statens vegvesens prosjekt E16-E02 vil være sikret mot vann i veibanen ved økende nedbør, samt overføre eventuell lærdom rundt overvannshåndtering til kommende prosjekter.

11

1.5 Avgrensninger

Denne rapporten vil ta for seg både flom fra store nedbørsfelt og overvann fra små nedbørsfelt i området rundt E16-E02. Oppgaven omfatter kun Entreprise 02 på E16, fra Rud til Vøyenenga. Valget av denne strekningen baserer seg på at prosjektet er ferdig prosjektert og under bygging, derfor er det gode

muligheter for å gjøre en sammenlikning av resultatene med det som er ferdig dimensjonert. I tillegg ligger denne strekningen parallelt med Sandvikselva, noe som gjør den svært interessant med tanke på flom.

Det er kun problemene med nedbør, i form av regn, snø og flom som er relevant. Det er derfor sett bort i fra grunnvann. Videreføring og rensing av vannet, samt drift og vedlikehold er ikke drøftet i denne rapporten.

E16-E02 er et prosjekt som omfatter en delstrekning på E16, samt tilhørende påkjøringsramper, bruer og andre veielementer. Oppgaven vil kun ta hensyn til selve E16 og dens sikkerhet mot vann i veibanen. Andre veielementer er ikke diskutert og evaluert i oppgaven. Dette er fordi konsekvensene av

underdimensjonering på disse elementene ikke vil være like alvorlige, og det vil være for ressurskrevende å inkludere dette i oppgaven. Figur 1-1 viser den aktuelle veistrekningen.

Figur 1-1: Geografisk avgrensning (Basert på kart fra Norgeskart)

12

1.6 Oppgavens oppbygging og forutsetninger

For å best kunne svare på problemstillingen i denne rapporten har gruppen valgt å dele oppgaven inn i to deler. Den ene delen går ut på å beregne nedbørsavrenning fra små felt, ved ekstreme tilfeller. Den andre delen er en flomfrekvensanalyse som baserer seg på om ekstremtilfeller av økende nedbør vil føre til økt vannstand ved flom i Sandvikselva. Begge delene har samme hensikt; å sjekke om det allerede

dimensjonerte overvannssystemet har stor nok kapasitet dersom disse ekstremtilfellene oppstår.

Som nevn tidligere er formålet med denne oppgaven å utføre kapasitetsberegninger for å undersøke om dagens dimensjonering er god nok med tanke på ekstreme tilfeller av nedbør. Derfor er det viktig at vi definerer hva vi har valgt å ta utgangspunkt i når det kommer til «ekstreme tilfeller» i denne oppgaven. Når det kommer til avrenning fra små felt er et ekstremt tilfelle et tilfelle der det er et 200-års nedbør, samtidig som det er snø- og issmelting. I tillegg er det forutsatt frost i grunnen, eller vannmettet grunn, noe som vil gi en høyere avrenning. Ved flomfrekvensanalysen er det tatt utgangspunkt i en 200-års flom kombinert med et klimapåslag som et ekstremtilfelle.

13

2 Teori

2.1 Overvann

Overvann er definert i Stortingsmelding 33 som vannavrenning fra tette overflater som tak og veier etter nedbør, smeltevann eller stormflo. [5]

Grunnet klimaendringer er det forventet mer nedbør, og mer intens nedbør. På grunn av flere og større tettbebyggelser er ikke naturlig infiltrasjon i grunnen lenger tilstrekkelig da grøntarealer blir asfaltert og fortettet. Infiltrasjon betyr at vann trenger ned i grunnen, og går tilbake til sitt naturlige kretsløp.

Infiltrasjonskapasiteten til et areal øker i takt med permeabiliteten til den underliggende grunnen. [5] Ved økte mengder nedbør har ikke avløpsnettet alene nok kapasitet til å føre alt vannet trygt vekk. Dette vil føre til økte mengder overvann, som kan gjøre stor skade på bygninger og infrastruktur, samt utgjøre større fare for liv og helse.

Det er viktig at det skilles mellom overvann fra små nedbørsfelt og fra store nedbørsfelt og vassdrag (flom).

Definisjonene er nærmere beskrevet i kapittel 2.5 og 2.6.

Konsekvenser av overvann

Direkte skadevirkninger av overvann kan være at veien sklir ut eller får andre skader. Dette kan medføre store kostnader til gjenoppbygging og utbedring. Nedbør som samler seg i veibanen kan føre til økt erosjon av asfalten. Dette fører igjen til kortere dekkelevetid og mer kostbart vedlikehold. [6] Erosjon omfatter prosesser der materialer oppløses og forflyttes fra et sted til et annet, ved for eksempel rennende vann og vind. [7]

Indirekte skadevirkninger grunnet overvann omfatter blant annet redusert fremkommelighet, omkjøringer og forsinkelser. Kollektivtransport som buss, trikk og tog kan tape inntekter dersom de må innstille, og det blir vanskeligere for de reisende å komme seg dit de skal. Dette fører til et nyttetap eller velferdstap for alle brukere av veien. Den tiden man bruker på kø eller omkjøringer kunne vært brukt på arbeid eller fritid.

Følgeskader av overvann kan være problemer med rent drikkevann, og rensing av avløpsvann, noe som er essensielt for samfunnet. Overvann i veien er også en stor årsak til høye vedlikeholds- og driftskostnader. [6]

I tillegg kan økte nedbørsmengder ha betydelig påvirkning på bekke- og elveløp ved for eksempel erosjon.

Elvebunnen blir ustabil, og vannplanter og organismer i elven får problemer med å etablere seg. Økt partikkeltransport og nedslamming vil være et problem for bunnlevende organismer, og det vil redusere vannets evne til selvrensing. Dette kan igjen påvirke fiskearter, på grunn av dårlige gyte- og

oppvekstområder. [6]

14

2.2 Ulike former for overvannshåndtering

Konvensjonell overvannshåndtering

Dette er den metoden for overvannshåndtering som er mest brukt per dags dato, og den går ut på å føre overvannet vekk i rør og ledninger under bakken. Det blir enten benyttet separate ledninger som leder vannet til resipienten, eller felles ledninger for avløpsvann og overvann. Dette systemet omfatter ofte også lukkede bekker, altså bekker som er lagt i rør.

Når det dreier seg om små mengder overvann vil den konvensjonelle metoden være en god løsning, men ved eventuelt økende nedbør i fremtiden kan systemet lett bli overbelastet. Ved et fellessystem vil en overbelastning av ledningene føre til forurensninger i resipient, ettersom vannoverskuddet vil gå i overløp.

[6]

Lokal overvannsdisponering (LOD)

Lokal overvannsdisponering (lokal overvannshåndtering) er tiltak som lar overvannet finne sin naturlige vei gjennom infiltrering og fordrøyning. Åpning av lukkede bekker og elver som ligger i rør, kan føre til at vannet blir lettere å håndtere dersom det skulle oppstå store nedbørsmengder. I tillegg unngår man overbelastning av rørsystemene under bakken. Åpne grønne løsninger gir et bedre estetisk inntrykk, spesielt i tettbebygde områder. LOD sikrer god økologisk og kjemisk tilstand i vannforekomstene, og ivaretar miljøet. I tillegg er dette en løsning som møter klimautfordringene, og risiko for skader og ulemper er minimert. [8]

3-trinnsstrategien er en metode innen lokal overvannsdisponering som beskriver hvordan man lettere kan kontrollere nedbør og smeltevann lokalt. Hensikten med denne strategien er å tilpasse

overvannshåndteringen til stedet, ved å benytte de naturlige ressursene.

Figur 2-1: Illustrasjon av 3-trinnsstrategien (Figur: hentet fra NMBU, basert på figur fra Norsk Vann, rapport nr 162.)

15 De 3 trinnene i denne strategien blir beskrevet på følgende måte:

1. Nedbør mindre enn 20mm -> Fang opp og infiltrer.

2. Nedbør større enn 20mm og mindre enn 40mm -> Forsink og fordrøy.

3. Nedbør større enn 40mm -> Sikre trygge flomveier.

[8]

2.3 Målestasjoner

Det finnes flere typer målestasjoner, men i denne oppgaven tar vi kun for oss to typer, målestasjoner for nedbør og målestasjoner for flom.

2.3.1 Målestasjoner for nedbør

Korttidsnedbør er analysert ved bruk av data fra målestasjoner, og blir videre benyttet i

dimensjonering. [9] I Norge finnes det kun et fåtall målestasjoner som har stått lenge nok til å samle data over en tilfredsstillende periode til å utføre et langtidsestimat på hvordan nedbørsmengdene vil være i fremtiden. De store avstandene mellom de gode målestasjonene gjør at vi mister enorme mengder informasjon på de områdene mellom stasjonene, og de mest ekstreme dataene er sannsynligvis ikke fanget opp av en målestasjon. Konsekvensen av dette kan være

underdimensjonering av kritiske konstruksjoner i områdene mellom stasjonene. [10]

Nærmeste målestasjon til Sandvika og E16-E02 er Gjettum målestasjon. Denne målestasjonen har vært i drift siden 1970, og har IVF statistikk over 32 sesonger. IVF-kurver og tilhørende tabell er oppgitt i Vedlegg A.

Norsk Klimaservicesenter har utviklet et nytt kartbasert system hvor interessentene kan velge et vilkårlig punkt i kartet og se nedbørsdata for punktet. Dette kan gjøre dimensjonering i forhold til vann og nedbør mye mer nøyaktig enn dagens løsning. Kartet viser IVF-verdier fra målestasjoner, og

estimerte IVF-verdier fra vilkårlige punkter. IVF-verdiene er beregnet med Gumbel-fordeling av høyeste observerte nedbørsverdier. [11] De estimerte IVF-verdiene utenfor målestasjonene er basert på «Bayesiansk Hierarkisk Modell», som er en grafisk modell for sannsynlighet. [11] Dette er nærmere beskrevet i forskningsartikkelen «Bayesian hierarchical modeling of extreme hourly precipitation in Norway». [12]

IVF-verdiene er mer pålitelige ved målestasjonene enn ved vilkårlige punkt. Det er størst usikkerhet i områder der det er få målestasjoner, men det er også en usikkerhet ved de målestasjonene som har

16 korte måleserier. Det nye kartbaserte systemet er svært nytt, og fortsatt under evaluering. Dataene fra de vilkårlige punktene er derfor foreløpig upålitelige og bør ikke brukes til dimensjonering. [11]

2.3.2 Målestasjoner for flom

Det finnes også målestasjoner som måler vannføringen i vassdrag. NVE drifter et stort antall av disse målestasjonene som er fordelt på elver og innsjøer over hele landet. Målestasjonene registrerer og logger vannstand hver time, som videre blir regnet om til vannføringer, altså mengden vann som renner i elven. [13]

I Sandvikselva finnes en målestasjon driftet av Bærum kommune, målestasjon 8.2 Bjørnegårdsvingen.

Denne målestasjonen kom i drift i 1968, og har observasjonsserier av vannføring siden da. Fra 1987 har det blitt logget vannføringsmåling hver time. [14]

Figur 2-2: Målestasjoner (Basert på kart fra Norgeskart)

17

2.4 VA-hydraulikk

2.4.1 Kontinuitetsprinsippet

Kontinuitetsprinsippet gjelder for all strømning. Dersom vi betrakter vannet som inkompressibelt og strømningen forutsettes å ikke forandre seg med tiden, altså er konstant, kan vi si at vannføringen i snitt 1 er lik vannføringen i snitt 2. [15]

𝑄 = 𝑄_#= 𝑄_$= 𝐴_#× 𝑣_#= 𝐴_$× 𝑣_$

Formel 1 - Kanalstrømning der:

Q = vannføring, m³/s A = areal, m²

v = fart, m/s

2.4.2 Mannings formel

I dimensjoneringstilfeller der vanntransporten skjer med en fri vannflate i et rør, en kulvert, kanal eller en grøft vil det være hensiktsmessig å bruke Mannings formel for å beregne farten på vannet for deretter å kunne beregne vannføringen.

Mannings formel:

𝑣 = 𝑀 × 𝑅^$*× 𝐼^#$

Formel 2 - Mannings formel der:

v = fart, m/s M = Mannings tall R = hydraulisk radius, m I = fallet på kanalen, m/m

Hydraulisk radius er definert som arealet av neddykket tverrsnitt dividert på omfang av neddykket tverrsnitt.

Mannings tall sier noe om friksjonsforholdene langs kanalen. Et høyere Mannings tall gir mindre friksjon. Tabell 2-1 viser noen verdier for Mannings tall. [15]

18

Tabell 2-1: Verdier for Mannings tall [16] [17]

Type materiale Mannings tall

Naturlig vassdrag, steinete bunn, noe stor stein, svingete 16-22

Dyrket mark 20-50

Skog 6-33

Sand-grus 30-40

Plast 100

Se vedlegg B for mer omfattende tabell med Mannings tall.

2.4.3 Strømning i rør

Væske som strømmer i rør vil få et jevnt energitap, på grunn av væskens bevegelse i røret. Tapet oppstår grunnet en jevn rørfriksjon. På steder der det skjer momentane endringer i vannstrømmen, for eksempel ved innsnevringer eller økninger av rørtverrsnittet, får vi et enkelttap, også kalt singulærtap. [18]

For å beregne energitapet i et rør kan Bernoullis likning benyttes.

Bernoullis likning:

𝑧_#+ ℎ_#+𝑣_#^$

2𝑔 = 𝑧_$+ ℎ_$+𝑣_$^$ 2𝑔 + ℎ₂

Formel 3 – Bernoullis likning der:

z = stedshøyde, m h = trykkhøyde, m

g = tyngdeakselerasjon, m/s² ht = trykktap, m

19 Trykktapet (ht) er gitt ved Darcy-Weisbachs trykktapsformel:

ℎ₂ = 𝜆 × 𝑙 𝑅× 𝑣^$

8𝑔+ ∑𝑘₈×𝑣_$^$ 2𝑔

Formel 4 – Darcy-Weisbachs trykktapsformel der:

ht = trykktap, m l = friksjonstall 𝑙 = lengde på rør, m R = hydraulisk radius v = hastighet, m/s

g = tyngdeakselerasjon, m/s² ks = singulærtapskoeffisient

Tabell 2-2: Verdier for friksjonstallet, l [18]

Type materiale i rør: Friksjonstall, l:

Plast 0,02

Betong 0,03

Stål 0,03

Tabell 2-3: Verdier for singulærtapskoeffisienten, ks [15]

Type element eller utløp Singulærtapskoeffisient, ks

T-kryss hvor strømlinjen går rett gjennom 0,2

T-kryss hvor strømlinjen går vinkelrett ut i siderøret 1,0 Skarpkantet utløp fra et basseng og inn i en ledning 0,5

20 2.4.4 Hazen-Williams formel

Som en utredning av Darcy-Weisbachs likning kan Hazen-Williams formel benyttes for kapasitetsberegninger av overvannsledninger. [15]

Vannføringen (Q) er gitt ved:

Q = 6,67 ∙ C ∙ D^$,@*∙ Ah LD

E,FG

Formel 5 - Hazen-Williams formel der:

Q = vannføring, l/s C = friksjonstall

D = ledningsdiameter, m h = trykkhøyde, m L = lengde, m

Friksjonstallet er et tall på glattheten til rørmaterialet. Glattere materiale gir høyere friksjonstall, se tabell 2-4 for verdier. Trykkhøyden er høydeforskjellen mellom to rørtverrsnitt.

Tabell 2-4: Friksjonsverdier for ulike rørtyper [15]

Rørtype Friksjonstall, C

Betongrør 100

Støpejernsrør – nye med sementbelegg 100

Plastrør 120-140

2.5 Avrenning fra små felt

Små felt er av Statens vegvesen definert som nedslagsfelt < 2-5 km². Bruk av den rasjonelle formel som beskrevet under vil gi store usikkerheter om den benyttes på større nedbørsfelt enn 2-5 km².

2.5.1 Den rasjonelle formel

Den rasjonelle formel brukes for å beregne hvor mye vann som renner av et felt i løpet av og i tiden etter en nedbørsperiode. Ved avrenningsfelt mindre enn 2-5 km² kan den rasjonelle formel brukes.

[16]

21 Avrenningen (Q) er gitt ved:

𝑄 = 𝐶 × 𝑖 × 𝐴 × 𝐾_K

Formel 6

- Den rasjonelle formel

der:

Q = vannføring, l/s C = avrenningsfaktor

i = dimensjonerende nedbørintensitet, l/(s × ha) A = feltareal, ha

Kf = klimafaktor

Avrenningsfaktor

Avrenningsfaktoren sier hvor stor andel nedbør som renner av en gitt flate. Denne vil variere for ulike overflatetyper. [16]

Tabell 2-5: Avrenningsfaktor for forskjellig overflatetype [16]

Overflatetype Avrenningsfaktor, C

Betong, asfalt, bart fjell og lignende 0,6 – 0,9

Grusveier 0,3 – 0,7

Dyrket mark og parkområder 0,2 – 0,4

Skogsområder 0,2 – 0,5

I tabell 2-5 ser man typiske verdier for avrenningsfaktor for forskjellige overflater med returperiode 10 år. For returperioder lengre enn 10 år økes C-verdiene etter følgende retningslinjer (opp til en maks.

koeffisient C = 0,95):

25 år: legg til 10%

50 år: legg til 20%

100 år: legg til 25%

200 år: legg til 30%

[16]

NVE forklarer at det ikke er noen garanti for at det ikke er tele i bakken samtidig som det er store nedbørsmengder i fremtiden. Tele i grunnen fører til høyere avrenning ettersom vannet ikke infiltrerer i jorden. I tilfeller der det har vært dyp tele i bakken som smelter ved mildere vær, vil avrenningen også bli stor ettersom grunnen er mettet av vann. I estimering av ekstremtilfeller bør det tas hensyn til dette. Derfor bør det benyttes større avrenningsfaktor ved beregninger. [19]

22 Dimensjonerende nedbørintensitet

Nedbørintensitet sier hvor mye nedbør som faller per tid per areal, l/sha. Dimensjonerende nedbør utrykkes ofte som IVF-verdier. IVF står for Intensitet-Varighet-Frekvens og betyr nedbørintensitet som for ulike varigheter kan forventes å forekomme med en viss frekvens. Denne frekvensen uttrykkes gjerne som returperiode. Verdier for ulike returperioder gir et estimat av nedbørintensiteten som kan forventes å bli overskredet én gang i løpet av en gitt tidsperiode. [20]

En forutsetning for å bruke den rasjonelle formel er at regnvarigheten settes lik konsentrasjonstiden når man skal bestemme nedbørintensiteten ved hjelp av IVF-kurver. Konsentrasjonstiden er den tiden vannet bruker på å bevege seg gjennom et dreneringssystem, fra den fjerneste delen av feltet til utløpet. Regnvarigheten i en IVF-kurve sier over hvor lang tid man skal foreta

gjennomsnittsberegningen. Når man benytter seg av den rasjonelle formel er det avrenningen fra et felt som er interessant, derfor bruker man konsentrasjonstid i stedet for regnvarighet. [21]

Konsentrasjonstid (tc) for naturlige felt (f.eks. skogsområder, ikke utbygde felt):

𝑡_M = 0,6 × 𝐿 × 𝐻^QE,F+ 3000 × 𝐴_8S

Formel 7 - Konsentrasjonstid naturlige felt Konsentrasjonstid (tc) for urbane felt (utbygde felt):

𝑡_M = 0,02 × 𝐿^#,#F× 𝐻^QE,*T

Formel 8 - Konsentrasjonstid urbane felt der:

tc = konsentrasjonstid, min L = lengde av feltet, m

H = høydeforskjelen i feltet, m Ase = andel innsjø i feltet, forholdstall [16]

23 I 2018 introduserte Statens vegvesen en lærebok i drenering og håndtering av overvann. Her

presenterer de et forslag til en ny likning for å beregne konsentrasjonstid. Den bygger på likningene over, men introduserer forskjellige konstanter for forskjellige terrengtyper, disse blir kalt K-verdier.

[21]

𝑡_M = 𝐾 × A𝐿 𝐼D

E,F

Formel 9 - Ny formel for konsentrasjonstid der:

tc = konsentrasjonstid, min K = K-verdi, min/m^0,5

I = nedbørsfeltets helning, m/m L = lengde av feltet, m

Tabell 2-6: K-verdi for forskjellige overflatetyper [21]

Overflatetype Avrenningsfaktor, K-verdi (min/m^0,5)

Tett skog 0,6

Høy vegetasjon og busker 0,4

Plen og kort gress 0,25

Bart fjell 0,12

Asfalt og betong 0,08

Klimafaktor

Klimafaktor har etter hvert fått forskjellige definisjoner i forskjellige sammenhenger. I den gjeldene utgaven av N200 er klimafaktor en faktor som tar hensyn til framtidens klimaendringer, men omfatter også usikkerheter i beregningsmetodikk og datagrunnlag. I bygg- og anleggsbransjen er klimafaktor etablert som en faktor som brukes for å framskrive forskjellige klimaverdier, som for eksempel nedbørintensitet. Nedbørintensiteten blir multiplisert med en klimafaktor for å anslå dens framtidige størrelse. En ny utgave av N200 utarbeides nå, og her vil klimafaktor og usikkerheter i beregningene bli delt i to forskjellige faktorer. Dette vil da stemme bedre overens med slik klimafaktor brukes generelt i bransjen. [22]

24 De klimafaktorene som er anbefalt i den gjeldene versjonen av N200 er for installasjoner som har en forventet levetid på 100 år.

Tabell 2-7: Klimafaktor for forskjellige returperioder [16]

Returperiode nedbør (år) Klimafaktor, Kf

10 1,3

100 1,4

200 1,5

Disse verdiene var en midlertidig løsning, og skal etter planen bli oppdatert etter hvert som mer data ble tilgjengelig. Klimafaktorene som man finner i N200 er ikke blitt begrunnet med noen

underliggende datasett eller rapporter. [22]

Usikkerheter ved bruk av den rasjonelle formel

Det finnes flere usikkerheter når man benytter den rasjonelle formel. Som nevnt tidligere egner formelen seg best til bruk på "små" felter, jo større areal desto større usikkerhet. Med tanke på selve frekvenskurvene for nedbør vil det ofte være relativt korte dataserier, som gir usikkerhet for lange returperioder. I tillegg måler de fleste målestasjonene ikke korttidsnedbør om vinteren. Det kan også være store variasjoner i nedbørintensitet fra den nærmeste målestasjonen til det aktuelle feltet. Det er også knyttet usikkerhet til bestemmelse av avrenningsfaktor. Denne faktoren er avhengig av mange variabler og vil være vanskelig å bestemme med en høy nøyaktighetsgrad. Den rasjonelle formel benytter at det er en direkte sammenheng mellom nedbør og avrenning, og dette er nødvendigvis ikke alltid tilfelle. [16]

2.6 Flom

Flom er definert som vannstand over de normale breddene i et vassdrag. Årsaker til flom vil hovedsakelig være regn og/eller snøsmelting. Kombinasjon av disse kan føre til store flommer. I de tilfellene hvor snøsmeltingen starter sent om våren vil all snøen over store områder kunne smelte i løpet av en kort tidsperiode. Da er det ekstra stor fare for flom. Ved tele i bakken vil avrenningen øke og flommene vil forverres. Dersom det er høy fuktighet i jorda, altså om jorda er mettet, vil det også bli stor avrenning som kan føre til flom selv ved lite nedbør. Ved tørr jord er det store mengder porer som kan fylles opp, og da vil vannet infiltreres i grunnen. [23]

2.6.1 Risikovurderingskriterier

Ved utarbeiding av en flomfrekvensanalyse er det alltid nødvendig å gjøre en risikovurdering med hensikt å kartlegge berørte elementer ved en eventuell flom. Gitt en konsekvens av flom, må det alltid

25 aksepteres en bestemt sannsynlighet for at flom kan forekomme. Gjentaksintervallet i prosjektet er derfor gitt som en akseptabel sannsynlighet for at flom kan påvirke veikonstruksjonen og/eller kjøreforholdene. Under prosjektering av E16-E02 langs Sandvikselva, er gjentaksintervallet satt til 200 år. Dette samsvarer med bestemmelser fra TEK17, NVE og Statens vegvesen. TEK17 beskriver i § 7-2.

Sikkerhet mot flom og stormflo; (2) «For byggverk i flomutsatt område skal det fastsettes

sikkerhetsklasse for flom etter tabellen under. Byggverk skal plasseres, dimensjoneres eller sikres mot flom slik at største nominelle årlige sannsynlighet i tabellen ikke overskrides. Dersom det er fare for liv, fastsettes sikkerhetsklasse som for skred, jf. § 7-3.» [24] I følge NVE benyttes også tabell 2-8 ved veidimensjonering. [25]

Tabell 2-8: TEK 17 Sikkerhetsklasser for flom da det kommer til bygninger [24]

Sikkerhetsklasse Konsekvens Største årlige nominelle

sannsynlighet

F1 Liten 1/20

F2 Middels 1/200

F3 Stor 1/1000

Statens vegvesen anbefaler i «Lærebok for drenering og håndtering av overvann» å velge returperiode på 200 år for langsgående flomsituasjon ved tilsvarende veier som E16. I tabell 2-8 tilsvarer dette en middels konsekvens og sikkerhetsklasse F2. [21]

Etter Statens vegvesen sin normal N100 bestemmes linjepålegg (byggehøyde) etter beregninger for 200-års flom, samt en sikkerhetsmargin. [26] Denne sikkerhetsmarginen er ikke bestemt, men legges etter håndbok N400, 2014 til for å sikre seg at en eventuell 200-års flom ikke kommer på samme høyde som toppen av selve veikonstruksjonen. Toppen av veikonstruksjonen skal ha en klaring på minst 0,5 meter fra en 200-års flom. Denne klaringen bør velges større dersom beregnet flom har stor vannhastighet og kan føre med seg gjenstander som trær og liknende. [27]

2.6.2 Flomfrekvensanalyse

For å estimere flomstørrelser for gitte gjentaksintervall anbefaler NVE å benytte flomfrekvensanalyse av observerte flomdata. Da disse flomdataseriene ofte er kortere enn det interessante

gjentaksintervallet blir man nødt til å benytte en fordelingsmodell for å beregne sannsynlig størrelse på flommen. Valg av fordelingsmodell er avhengig av lengden på dataserien. Tabell 2-9 viser NVEs anbefalinger for valg av fordelingsmodell for forskjellige datamengder. [28]

26

Tabell 2-9: NVEs anbefalinger for valg av fordelingsmodell [28]

Lengde dataserie Fordelingsmodell/beregningsmetode

> 50 år - Middelvannføring beregnes fra observert serie.

- 200-års flom fra to- eller tre- parameterfordelinger.

30 - 50 år - Middelvannføring beregnes fra observert serie.

- 200-års flom fra to-parameterfordeling.

10 - 30 år - Middelvannføring beregnes fra observert serie.

- 200-års flom ved analyse av andre serier i området.

< 10 år

- Middelvannføring beregnes ved korrelasjon mot andre serier, og/eller flomformler.

- 200-års flom beregnes ved analyse av lengre serier i området.

En flomfrekvensanalyse bygger på bruk av en modell, hvor man prøver å forutse framtiden, og det vil derfor alltid være en viss usikkerhet forbundet med analysen. Kvaliteten på data som blir brukt vil være avgjørende, og det er viktig å være kritisk til de målingene som er blitt utført. Lengden på dataserien vil også være en kilde til usikkerhet, desto færre målinger jo større blir usikkerheten. Dette gjelder også med tanke på det gjentaksintervallet man ønsker å se på. Med større sprik mellom antall år målinger og gjentaksintervall vil usikkerheten øke.

I følge NVE bygger en flomfrekvensanalyse på tre essensielle forutsetninger:

1. Hendelsene som analyseres er uavhengige av hverandre

2. Hendelsene skyldes den samme flomgenererende prosessen (regn, snøsmelting) 3. Det finnes ingen trender i tidsseriene (større flom på høsten e.l.)

De siste to forutsetningene vil nesten aldri bli helt oppfylte, og dette kan gi feil i analysen. [29]

2.6.3 Gumbel-fordeling ved flomfrekvensanalyse

Gumbel-fordeling er en fordelingsmodell som egner seg godt til å beregne maksimums og minimumsverdier. Denne fordelingen er den mest utbrede metoden når man vil se på

ekstremalverdiene på vannføringen i en elv. Gumbel-fordeling er en to-parameterfordeling, der parameterne er middelverdien og variansen av dataserien. Jo flere parametere man benytter seg av, jo mer fleksibel blir fordelingen, men fordelingen vil også lettere la seg påvirke av utstikkere i observasjonsmaterialet. Det er på dette grunnlaget NVE anbefaler en to-parameterfordeling for dataserier på 30 til 50 år. [30]

27 Sannsynligheten (p) for at maksimal vannføringen et tilfeldig år ikke vil overskride en gitt vannføring (x):

𝑝 = exp Y− exp [−𝑥 − 𝑢 𝛼 _`

Formel 10 - Gumbel-fordeling der:

p = sannsynlighet x = vannføring

u = middelverdiparameter a = variansparameter [31]

Se vedlegg F for beregning av parametere.

2.6.4 Klimapåslag

Når man ved hjelp av en serie vannføringsmålinger vil beregne for eksempel en 200-års flom vil denne beregningen kun legge til grunn det observerte målingene og vil ikke ta hensyn til framtidens økende nedbørsmengder. På grunn av dette vil det være nødvendig å gjøre et påslag på den beregnede flommen. I rapporten «Klimaendringer og fremtidige flommer i Norge» utgitt av NVE i 2016, er det gjort en flomfrekvensanalyse basert på simulerte vannføringsdata. På Østlandet er det 30 nedbørsfelt som er benyttet i denne simuleringen. Østlandsregionen er den av 6 nedbørsregioner i Norge som har de høyeste variasjonene av nedbørsegenskaper. Dette er nedbørsfelt som er dominert av

snøsmelteflommer og regnflommer. I nedbørsfelt som ligger mindre enn 100 km fra kysten tyder framskrivningene på en økning i høstflomvannføringen og vinterflomvannføringen. For større vassdrag nær kysten, som har nedbørsfelt i lavereliggende områder, er det anbefalt klimapåslag 20%. Denne anbefalingen omfatter blant annet Oslo og Akershus. [29]

2.6.5 Høydesystemer

Når man vil gjøre en utredning av en flomsituasjon i et område vil det være viktig å ha tilgang til et nøyaktig høydesystem. NN1954 og NN2000 er nasjonale norske høydesystemer. Flere steder i Norge stiger landet, dette fører til at det blir unøyaktigheter i høydesystemene. NN2000 erstatter NN1954 og er justert for landheving. I tillegg til disse nasjonale systemene har det flere steder blitt benyttet lokale høydesystemer for å gjøre opp for at landet stiger. [32]

28 I Bærum har landhevingen vært relativt stor og det har blitt benyttet flere forskjellige lokale

høydesystemer. Tabell 2-10 viser påslag og fratrekk i forhold til NN2000. [32] [33]

Tabell 2-10: Påslag og fratrekk i høydesystemer [32] [33]

NN2000 NN1954 Lokalt system 1 Lokalt system 2

0 - 0,146 m + 0,064 m - 0,360 m

2.6.6 HEC-RAS

For vannlinjeberegninger basert på blant annet vannføringsdata, benyttes simuleringsverktøyet HEC- RAS, Hydrologic Engeneering Center’s River Analysis System. HEC-RAS er et gratis

flomsimuleringsverktøy utviklet av det Amerikanske forsvaret. Programmet er blant annet brukt i en rekke vannlinjeberegninger utført av flere konsulentselskaper, samt NVE. Verktøyet kan også brukes til blant annet dambruddsbølgeberegninger, kulvertdimensjonering, beregning av sedimenttransport, vannkvalitet og mye mer. [34]

For flomlinjeberegninger kan verktøyet gi en-dimensjonale simuleringer av stasjonære strømninger, og todimensjonale simuleringer av ikke-stasjonære strømninger. En ikke-stasjonær strømning kan i mange tilfeller gi et mer realistisk bilde på flomsekvensen enn en stasjonær strømning, men det krever samtidig større mengder informasjon for utførelse av slike beregninger. Dette inkluderer blant annet informasjon om hastighet på oppadgående og nedadgående vannstand, som igjen krever omfattende undersøkelser. Simulering av ikke-stasjonær strømning er ofte ønsket i mer komplekse vassdrag hvor vannstanden gjerne har stor påvirkning fra oppstuvende elementer nedstrøms i vassdraget. Slike elementer kan blant annet være nedstrøms bielver, en innsjø, et vannkraftverk og/eller tidevann. [35]

Simuleringer basert på stasjonær strømning blir utført med hensyn på faktorer som Mannings tall, trykktap (helning på strømningsretningen), hydraulisk geometri og beregnet vannføring under en flomsituasjon.

29

3 CASE

3.1 E16 Sandvika – Skaret

E16 fra Sandvika til Skaret er delt inn i tre delstrekninger, Sandvika-Wøyen, Wøyen-Bjørum og Bjørum- Skaret. På strekningen Sandvika-Wøyen ble byggeprosessen startet i 2015, og er fortsatt under bygging.

Strekningen Wøyen-Bjørum ble ferdigstilt og åpnet i 2009. Strekningen Bjørum-Skaret ble ferdig regulert i 2013, og byggeplanleggingen startet høsten 2017. Byggestart er planlagt til 2018-2019. [36]

Statens vegvesen sitt mål med den nye E16 Sandvika – Skaret er å sikre et transportsystem som er mer effektivt, trafikksikkert og driftssikkert. Samtidig vil de bedre trafikkavviklingen, sykkelveier og lokalmiljøer, og legge til rette for byutvikling i Sandvika. Statens vegvesen har også stort fokus på å forbedre miljøet ved å tilrettelegge for mindre støy og luftforurensning, samt legge til rette for biologisk mangfold. [36]

Entreprise 02 Rud-Vøyenenga

Entreprise 02 (E02) omhandler den delen av E16 Sandvika-Wøyen som går fra Rud til Vøyenenga. Dette er en firefelts motorvei, med ca 12 000 kjøretøy per døgn i 2010. [36] Sandvikselva ligger langs hele denne

veistrekningen, og Vianova har prosjektert overvannssystemene og flomsikringstiltakene på E02.

3.2 Avrenning fra små felt

Statens vegvesen har under prosjekteringen av E16-E02 benyttet Vianova som ekstern konsulent ved

dimensjonering i forhold til overvann. For å dimensjonere veiens dreneringsanlegg har Vianova benyttet den rasjonelle formel (formel 6) i kombinasjon med klimastatistikk fra Meteorologisk institutt. All avrenning knyttet til veier er regnet manuelt.

Vianova har hovedsakelig benyttet Gjettum målestasjon for å finne dimensjonerende nedbørintensitet, men har også kombinert og sammenliknet med Øvrevoll målestasjon for de korteste nedbørsvarighetene. De har forholdt seg til meteorologiske data fra eklima.no. Avrenning fra felt er beregnet etter N200 med tilhørende klimafaktor anbefalt av Statens vegvesen. Nedslagsfeltene er bestemt ved terreng- og kartanalyser.

Ved dimensjonering av kummer baserer Vianova seg på kapasitet og gjennomstrømningsareal hentet fra leverandør. Grøfter har blitt dimensjonert med bredder og dybder etter N200. Grøftene er videre kontrollert med Mannings formel (formel 2). Rørkapasiteten har blitt dimensjonert etter beregnet avrenning fra

nedbørsfeltene. [37]

Utover dette er det noe usikkert hvilke metoder Vianova benytter i sine beregninger. Det vil derfor være vanskelig å evaluere og kommentere deres metoder ytterligere i oppgaven.

30

3.3 Flom

Som grunnlag for dimensjonering i forhold til flom har Vianova benyttet seg av flomfrekvensanalyser og flomsonekart utarbeidet av NVE. Rapportene som er lagt til grunn er «Flomsonekart, Delprosjekt Sandvika og Vøyenenga» og «Flomsonekartprosjektet, Flomberegning for Sandvikselva». Begge disse ble utgitt i 2003.

NVEs flomfrekvensanalyser bygger på målinger utført ved målestasjonen i Bjørnegårdsvingen. Med disse målingene som grunnlag har de brukt en statistisk fordelingsmodell for å beregne vannføringer i

Sandvikselva med gjentaksintervall 10, 20, 30, 50, 100, 200 og 500 år. Disse vannføringene har ved hjelp av HEC-RAS blitt brukt til å utarbeide flomsonekart. Det er antatt at NVEs flomberegninger fra 2003 er utført med hensyn på en stasjonær strømning, da det ikke opplyses om mer omfattende informasjon enn det som er nødvendig for en stasjonærstrømningssimulering. Det er bestemt i NVEs rapport «Vannstandsprognoser i NVEs flomvarslingstjeneste VIFTE» fra 2013 at alle flomsimuleringer med HEC-RAS som skal brukes i NVEs flomvarslingstjeneste (VIFTE) skal simuleres med stasjonær strømling. [38] [32]

Når Vianova har plassert veilinjen i terrenget har de brukt en 200-års flom fra NVEs flomsonekart som dimensjonerende flomhøyde. De har i tillegg til dette gjort som NVE anbefaler og lagt til 0,5 meter på denne flomhøyden. Dette fungerer som en ekstra sikkerhet i forhold til usikkerheter i beregningene av

flomsonekartene. [39]

31

4 Metode

4.1 Drøfting av metoder

Metode er et redskap eller en fremgangsmåte som brukes til å samle inn den informasjonen vi trenger for å kunne løse en problemstilling. Metoden forteller også hvordan vi kommer frem til den informasjonen vi benytter. Det finnes flere forskjellige metoder som kan benyttes. Kvantitativ metode baserer seg på målbare data, og blir observert utenfra med nøytralitet og avstand. Data vi tilegner oss med denne metoden gir oss muligheter til å utføre regneoperasjoner hvor resultatene er tall. I motsetning til kvalitativ metode, hvor dataene ikke kan tallfestes, men baserer seg på for eksempel meninger og opplevelser. [40]

Denne oppgaven er delt inn i to deler; flom og avrenning fra små felt. Delene har samme utgangspunkt, de er begge påvirket av nedbør, men ettersom de to delene har behov for ulike tilnærminger for å komme fram til en løsning, er det også valgt å dele inn metoden i denne oppgaven i to deler. Det er valgt kvantitativ metode for begge delene, ettersom begge baserer seg på målbare data og beregninger.

4.2 Valgt metode

Generelt har gruppen tilegnet seg informasjon og data fra ekstern veileder, Statens vegvesen, og andre relevante samarbeidspartnere i prosjektet. Dette er gjort gjennom ulike tilnærmingsmetoder som møter, befaringer og personlig kommunikasjon. Gruppen har benyttet tildelte modeller, tegninger og rapporter som utgangspunkt for datainnsamling til oppgaven.

Gruppen har hatt en vedvarende kommunikasjon med NVE, både i forhold til datainnsamling og forutsetninger til oppgaven, samt tolkning av data. Dataene knyttet til nedbør er hentet fra tabeller og kurver fra Norsk Klimaservicesenter.

Metode for «Flom»

I denne oppgaven er flomsimuleringsverkøyet HEC-RAS benyttet for å kartlegge flomsonene til elveløpet som kan berøre veikonstruksjonen på E16-E02. Ved datainnsamling ble den relevante informasjonen nøye vurdert og diskutert. Det er benyttet Excel til å håndtere og analysere vannføringsdata. Her er det håndtert vannføringsdata på hele 270 240 målinger, hvor urealistiske feilverdier er vurdert og luket bort. OsloMet - Storbyuniversitetet har vært behjelpelige med kartdata fra Kartverket. Programvaren NovaPoint er brukt til å lese av, behandle og komprimere kartdata. I programvaren Autodesk Civil 3D ble det laget et kartgrunnlag som inneholder høydekurver og elveløp, som videre er benyttet i flomsimuleringene i HEC-RAS.

32 Metode for «Avrenning fra små felt»

Kartdataene som ble benyttet i flomfrekvensanalysen, er også benyttet som et hjelpemiddel ved beregninger av avrenning fra små felt. Kartene er analysert, og det er diskutert hvilke felt som er mest relevante for oppgaven. Ved beregninger er det tatt utgangspunkt i teori og matematiske formler.

Beregninger er gjort ved bruk av Excel.

4.3 Refleksjon og kvalitetssikring

4.3.1 Kildekritikk

Det har blitt benyttet håndbøker fra Statens vegvesen, blant annet N100 og N200. Her er det tatt utgangspunkt i formler, fremgangsmåter og tabeller, hvor dataene er vurdert underveis i

beregningene.

Kartdataene som er gitt fra OsloMet – Storbyuniversitetet er utarbeidet av Kartverket, og dette blir ansett som en pålitelig kilde. Kartverket har en egen standard for geografisk informasjon, som inneholder en rekke krav til all kartdata som blir produsert. [41] Allikevel kan det oppstå

unøyaktigheter, ettersom kartdata er en illustrasjon fra den virkelige verden, og ettersom vi ikke har gjort egne målinger.

NVE har bidratt med statistikk og målinger i forbindelse med vannføringer og flom fra målestasjonen

«Bjørnegårdsvingen». Vi har vurdert NVE som en pålitelig kilde, men dataene vi har mottatt kan ha store usikkerheter ettersom dette er hentet fra målestasjoner. NVE har selv vurdert målestasjonen

«Bjørnegårdsvingen» som en pålitelig målestasjon [14], men ved snø og is om vinteren kan

målestasjonene registrere feil verdier. [42] Dataene vi har fått har blitt nøye vurdert, og feilverdier som skiller seg ut har blitt luket bort for å få et mest mulig realistisk utgangspunkt til videre beregninger.

Usikkerheter i dataprogrammene som er brukt baserer seg på dataene som er registrert inn, og brukt videre. Programmene i seg selv er pålitelige, og vi antar at beregningene er korrekte, dersom vi har brukt korrekte inndata. Allikevel kan utregningsprosessen i de forskjellige programmene bli påvirket av forskjellige faktorer og valg som er tatt underveis i prosessen. De valgene og faktorene som er benyttet i våre utregninger blir detaljert forklart i kapittel 5.1.1 og 5.2.1.

HEC-RAS

Det er ikke gjort noe kvalitetskontroll av resultatene, eller kontrollberegninger underveis i

beregningsprosessen. Dette programmet viser kun en simulering, og det er en sannsynlighet for at

33 dette ikke stemmer 100% med virkeligheten. For eksempel kan elvebunnen være simulert som mindre ujevn i programmet, og det kan være mer friksjon enn det som er beregnet. Dette

simuleringsprogrammet anser vi som pålitelig ettersom det er benyttet av NVE til lignende beregninger, og det er generelt svært utbredt innen flomsoneberegninger.

4.3.2 Generaliserbarhet

Resultatene i denne oppgaven er ikke generaliserbare ettersom de baserer seg på lokale forhold, og det er gjort vurderinger underveis som gjelder kun for E16-E02. Metodene som er benyttet er allerede eksisterende fremgangsmåter, og de er generaliserbare.

34

5 Resultat

5.1 Avrenning fra små felt

Langs E16-E02 finnes flere nedbørsfelt som kan gi vann i veibanen dersom dreneringselementene er

underdimensjonert. Felles for flere av feltene er at det også er andre lokale forhold som industri, bygg, veier eller annen infrastruktur som påvirkes av samme avrenning innenfor feltene. Mye av dette overvannet blir i mange tilfeller håndtert lokalt av disse lokale elementene, og vil aldri utgjøre en fare for

overvannshåndteringen langs E16-E02. Det kreves svært omfattende undersøkelser i form av

terrenganalyser, samt innsyn i lokalt ajourhold av ledningsnett for å kartlegge nøyaktig hvor mye overvann som faktisk kan påvirke E16-E02 fra disse feltene. Mange av feltene er også avgrenset i form av voller mot veien. Her er utvilsomt overvannet håndtert lokalt. Andre steder ligger veien relativt høyt i forhold til feltene, og er dermed uinteressante med tanke på kapasitetskontroll. På bakgrunn av dette, er det utført kapasitetskontroll i form av en stikkprøve ved ett kritisk felt (Felt1, kapittel 5.1.1). I dette feltet kan det slås fast at ikke noe vann håndteres lokalt før det når E16-E02. Felt1 anses som kritisk da det i stor grad omfatter tette flater som asfalt og fjell, der vannet blir ført direkte i en grunn grøft med tilhørende

dreneringselementer.

I sørenden av E16-E02 går en stor bekk, Dælibekken. Denne bekken har ligget som et lukket anlegg frem til bygging av E16-E02. Dælibekken vil i løpet av byggingen åpnes og dermed krysse under veien fra øst parallelt med Bærumsveien. Her vil veien stå på søyler, og dermed ikke berøres av bekkeløpet. [43]

5.1.1 Dimensjoneringsgrunnlag

Alle nedslagsfelt er bestemt med terreng- og kartanalyse. Følgende nedbørsfelt (Felt1) markert i figur 5-1, ligger i sørenden av E16-E02. Feltet har avrenning fra kjørebane i nordgående retning, samt fra fjellskjæring øst for veien og ned i grøft parallelt med veien.

35

Figur 5-1: Illustrasjon av nedbørsfelt – Felt 1

Figur 5-2: 3D illustrasjon av nedbørsfelt – Felt 1

36 I grøften ligger to sandfangkummer med tilhørende slukrister (kuppelrister), Sluk1A og Sluk1B. Disse slukene deler naturlig nok det aktuelle området i to felt, Felt1A og Felt1B, da grøften har fall mot nord-vest. Kapasitetsberegningene baserer seg på at Sluk1A tar avrenning fra Felt1A og Sluk1B tar avrenning fra Felt1B, samt eventuelt restvann Sluk1A ikke håndterer.

Figur 5-3 viser dreneringssystemet fratrukket grøft og drenslendinger. Hensikten med elementene er å frakte vann fra Felt1 til OV1 som fører vannet til kommunalt ledningsnett. Statens vegvesen har søkt Bærum kommune om påslipp på ledningsnettet, dette er godkjent av kommunen. Det er derfor lagt til grunn at det kommunale ledningsnettet skal ha kapasitet til å håndtere vann fra det respektive feltet.

[39]

Avrenning

Som nevnt tidligere er beregningene basert på et ekstremt tilfelle. Her er beregningene utført etter 200-års gjentaksintervall med tilhørende klimafaktor, samt vannmettet grunn eller frost i grøfteløpet.

Det er derfor ikke tatt høyde for stor infiltrasjon i grøft og opptak i drensledning, noe som ville gitt økt kapasitet ved et normaltilfelle uten mettet grunn eller frost.

Den rasjonelle formel (Formel 6) er benyttet for å finne avrenning fra Felt1A og Felt1B mot respektive sluk. Avrenningsfaktoren (C) for Felt1 er svært høy da feltet for det meste består av bart fjell og asfalt, samt en tilnærmet tett grøft. For konsentrasjonstid (tc) er Formel 9 benyttet. Denne er ansett som mer nøyaktig enn formel 7 og 8, ettersom den også tar høyde for overflatetype i feltet. Her er K-verdi satt til 0,25, etter Tabell 2-6. IVF-verdiene (I) som er benyttet er hentet fra Gjettum målestasjon, disse verdiene finnes i Vedlegg A. Gjettum har måleperiode fra 1970 til 2018. Dette er ansett som en

Figur 5-3: Illustrasjon av dreneringsanlegget

37 akseptabel datamengde for gode IVF-verdier sammenliknet med andre målestasjoner i området.

Klimafaktor Kf er satt etter anbefaling fra Statens vegvesen og N200.

Tabell 5-1: Faktorer som er benyttet i beregninger av avrenning

Felt Gjentaksintervall

(år) C tc (min) I

(l/s*ha) Kf

1A 200 0.95 31 199 1.5

1B 200 0.95 15 245.3 1.5

Kanalstrømning

Kanalstrømninger i grøfter er beregnet etter Mannings formel (Formel 2). Her er Mannings tall valgt etter Tabell 2-1. Hydraulisk radius er varierende med vannføringen i grøften og er funnet med Hva- hvis-analyser og målsøk i Excel, se vedlegg C.

Tabell 5-2: Faktorer som er benyttet i beregninger av kanalstrømning

Faktorer Grøft Felt1A Grøft Felt1B

Mannings tall, M 30 30

Hydraulisk radius, R varierende varierende

Fall, I 0.006 0.006

Slukkapasitet

Ved stort fall mot sluk vil det være hensiktsmessig å ta høyde for at mye vann kan fosse forbi sluket.

Fallet mot henholdsvis Sluk1A og Sluk1B er forholdsvis lite, og gir ikke vannhastigheter over 0,46 m/s, selv ved ekstremtilfeller. Vannstandhøyden ved stor avrenning vil også ligge rundt 13 cm. Dette er beregnet som kanalstrømning. Denne kombinasjonen av lav vannhastighet og forholdsvis høy vannstand, gjør at Sluk1A og Sluk1B beregnes etter kontinuitetsprinsippet (Formel 1) med hensyn på slukristens gjennomstrømningsareal gitt av leverandør. Prosjekterte slukrister har diameter på 0,65 m og gitt gjennomstrømningsareal på 0,19 m². Gitt antatt type kuppelrist, se vedlegg G.

Ledningskapasitet

Det er utført kapasitetskontroll på overvannsledningene OV1A, OV1B med Bernoullis likning (Formel 3). For OV1A og OV1B er Bernoullis likning og Darcy-Weisbachs trykktapsformel kombinert og omregnet til følgende likning:

38 𝑄 = 𝐴 × a

𝑧_# 2𝑔 +1 𝜆 × 𝑙

2𝑔𝑑 +∑𝑘₈ 2𝑔

Formel 11

- Beregning av OV1A og OV1B der:

A = areal rørtverrsnitt, m² z = stedshøyde, m

g = tyngdeakselerasjon, m/s² l = friksjonstallet

l = lengde på rør, m d = rørdiameter, m ks = enkelttap

Her forventes enkelttap ks = 0,5 ved innløp, og henholdsvis ks = 0,2 og ks = 1,0 i kryss der OV1A møter OV1B (Tabell 2-3). Begge disse ledningene er videre regnet som ledninger med fritt utløp da de etter kobling med OV1 får et svært stort fall (195 ‰). OV1 er også kontrollert med Bernoullis likning (Formel 3). Her med følgende omregning av likningen, også kombinert med Darcy-Weisbachs trykktapsformel:

𝑄 = 𝐴 × d 𝑧_#+𝑣_#^$ 2𝑔 2𝑔 +1 𝜆 × 𝑙

2𝑔𝑑

Formel 12 - Beregning av OV1 der:

A = areal rørtverrsnitt, m² z = stedshøyde, m v1 = starthastighet, m/s g = tyngdeakselerasjon, m/s² l = friksjonstallet

l = lengde på rør, m d = rørdiameter, m ks = enkelttap

39 Denne ledningen er også regnet som en ledning med fritt utløp inn på det kommunale ledningsnettet.

Med hensyn på noe usikkerhet knyttet til antatt stor akselerasjon grunnet det store fallet i ledningen, er resultatene for OV1 kontrollert med henholdsvis Mannings formel for antatt fritt vannspeil (Formel 2), og Hazen-Williams formel (Formel 5) for helt full ledning. Se kontrollberegninger i vedlegg C. Her vil Mannings tall for plastrør være lik 100 (Tabell 2-1). Hazen-Williams formel er lite brukt i Skandinavia, men anses likevel i denne oppgaven å være pålitelig ved kontroll av OV1. Likningens forenkling ligger hovedsakelig i forhold til friksjonstallet. I motsetning til Darcy-Weisbachs relativt nøyaktige

friksjonskoeffisient med hensyn på ruhet og grad av turbulens, er Hazen-Williams friksjonstall mer eller mindre en konstant etter type ledningsmateriale. Friksjonstallet (C) er valgt med hensyn på ledningsmateriale lik 130 (Tabell 2-4). [15]

Friksjonstallet (λ) benyttet i Bernoullis likning er satt til 0,02 for plast i alle ledningene (Tabell 2-2). λ er i denne oppgaven benyttet som en forenklet konstant av Darcy-Weisbachs friksjonskoeffisient (f) som har til hensikt å ta et større hensyn til variabel vannhastighet, ledningsdimensjon og grad av turbulens.

[18]

Begge sandfangkummer i Felt1 er gitt med maksimal magasinering for maksimalt vanntrykk i

ledningene. Det er videre antatt at sandfangkummer oversvømmes dersom overvannsledningene ikke har tilstrekkelig kapasitet.

Tabell 5-3: Faktorer som er benyttet i beregninger av ledningskapasitet

Faktorer OV1A OV1B OV1

Diameter, d (m) 0.20 0.15 0.20

Ledningslengde, L (m) 81.0 1.8 33.9

Høyde, z1-z2 (m) 3.90 2.14 6.50

V1 (m/s) 0 0 4,2

Materiale Plast Plast Plast

λ 0,02 0,02 0,02

k1 (innløp) 0,5 0,5 -

k2 (kryss) 0,2 1,0 -

40 5.1.2 Resultat

All avrenningen fra Felt1A vil samles i grøften, og renner ned mot Sluk1A. Det vannet som renner ned i sluket vil gå videre i overvannsledning OV1A. Restvannet, altså det vannet som OV1A og Sluk1A ikke har kapasitet til, renner videre i grøften mot Sluk1B.

Avrenningen fra Felt1B samles også i grøften, og føres mot Sluk1B. Vannet fra sluket renner ned i overvannsledning OV1B. Eventuelt resterende vann fra dreneringselementene i Felt1B vil følge grøften vekk fra E16, og kan muligens bli en utfordring for Løxaveien nord for feltet.

Resultater er gitt i tabell 5-4.

Figur 5-4: Illustrasjon av Felt 1 som er delt inn i Felt1A og Felt1B

Tabell 5-4: Kapasitet mot dimensjonerende vannføring fra Felt1A og Felt1B

Element Maksimal kapasitet (l/s) Maksimal vannføring (l/s) Rest (l/s)

Grøft Felt1A 389,0 69,7 0

Sluk1A 88.0 69,7 0

OV1A 87,3 69,7 0

Grøft Felt1B 389,0 62,5 0

Sluk1B 85,0 62,5 0

OV1B 69,3 62,5 0

OV1 180,6 132,2 0