Hydraulisk analyse og hydraulisk modellering – vannstand, vannhastighet og flomutbredelse

En hydraulisk analyse beregner hvordan en gitt vannføring oppfører seg i elv, bekk, kulvert og terreng: hvilken vannstand den gir, hvor fort vannet går, hvor det stuver opp og hvor langt flommen brer seg

Hydraulisk modellering er verktøyet analysen gjøres med. Resultatet er grunnlaget for flomsoner, sikkerhet mot flom i byggesak, dimensjonering av kulvert og bru, og vurdering av erosjon og sikringstiltak. Artikkelen forklarer hva analysen svarer på, hvordan den skiller seg fra flomberegning, når den kreves, og hva som avgjør om resultatet holder som dokumentasjon.

Hva er en hydraulisk analyse?

En hydraulisk analyse er en beregning av hvordan vann strømmer gjennom et vassdrag eller et terrengområde ved en bestemt vannføring. Den gir vannstand og vannhastighet langs strekningen, viser hvor vannet stuver opp mot bruer, kulverter og fyllinger, og hvor det går over bredden og brer seg utover. NVE beskriver i Sikringshåndboka hydraulisk analyse som grunnlag for flomsonekartlegging, arealplanlegging, prosjektering av sikringstiltak og beredskap.

Analysen kan gjøres på tre nivåer. Håndberegning holder for enkle tverrsnitt og grove overslag. En endimensjonal modell passer der vannet følger et tydelig definert løp og det er vannlinjen langs løpet som skal dokumenteres. En todimensjonal modell kan være særlig aktuell der vannet kan spre seg over terrenget, følge flere strømningsveier eller skifte retning, typisk ved flomutbredelse rundt bebyggelse og infrastruktur. Hvordan slike modeller bygges og hva de krever av terrengdata, ruhet og grensebetingelser, er beskrevet i artikkelen om HEC-RAS. En mer avansert modell gir ikke bedre svar enn datagrunnlaget tillater.

Hydraulisk analyse eller flomberegning – hva er forskjellen?

Hydrologi og hydraulikk svarer på to forskjellige spørsmål. Flomberegningen er hydrologi: den bestemmer hvor mye vann som kommer ved en bestemt hendelse, for eksempel dimensjonerende vannføring ved en 200-årsflom, og metodene for det er beskrevet under hydrologisk modellering. Den hydrauliske analysen tar denne vannføringen som inngangsdata og beregner hva den gjør i vassdraget.

Rekkefølgen er fast: først vannføring, så hydraulikk. En hydraulisk modell uten dokumentert vannføring gir vannstander som ikke kan etterprøves. Og samme vannføring gir svært ulike konsekvenser avhengig av geometrien: et trangt løp, en kulvert med for liten kapasitet eller en veifylling på tvers av dalen kan løfte vannstanden flere meter uten at vannføringen endres. Det er den effekten den hydrauliske analysen finner.

Hva analysen dokumenterer

Vannstand langs strekningen, ofte kalt vannlinjen, er det kommunen spør etter når et bygg skal plasseres i forhold til flomnivået; begrepet er forklart under faresone flom og vannlinje. Vannhastighet avgjør om løsmasser i bunn og bredd holder, og er inngangsdata når erosjon langs bekk og elv skal vurderes geoteknisk. Oppstuving oppstrøms bruer, kulverter og fyllinger viser hvor et inngrep flytter problemet til. Flomutbredelse er grunnlaget for flomsoner og inngår i en flomkartlegging, som i tillegg omfatter sammenstilling, vurdering og framstilling av resultatene som beslutningsgrunnlag.

Når kreves hydraulisk analyse?

Ved utbygging nær elv eller bekk stiller TEK17 § 7-2 krav til sikkerhet mot flom i sikkerhetsklasse F1–F3. Forskriften krever ingen bestemt beregningsmetode, men der eksisterende flomkart og annen dokumentasjon ikke avklarer flomfaren for én eiendom eller ett tiltak, er en stedsspesifikk hydraulisk analyse som regel det som må til. Resultatene inngår da i en utredning av flomfare i plan- eller byggesak, med omfang tilpasset tiltaket, vassdraget og hva som faktisk skal dokumenteres.

Nye eller endrede kulverter, bruer, bekkelukkinger og veifyllinger krever analyse av kapasitet, oppstuving og hva som skjer når kapasiteten overskrides og vannet finner flomveier over vei eller gjennom terreng. Planlagte sikringstiltak som flomvoll og flommur må analyseres for virkningen både på stedet og oppstrøms og nedstrøms; et tiltak som løser problemet lokalt, kan flytte det til naboen. Drivgods og massetransport som kan blokkere kulvert og bruåpning, hører med i vurderingen der vassdraget tilsier det.

Klimapåslag og sikkerhetspåslag i hydraulisk analyse

Klimaendringene påvirker dimensjonerende vannføring, og dermed beregnet vannstand og utbredelse. I flomfareutredninger ivaretas klimapåslaget normalt i vannføringsgrunnlaget, etter NVEs anbefalte nivå for elvestrekningen, før den hydrauliske modellen kjøres; hvordan det innarbeides, avhenger av den hydrologiske beregningsmetoden. Påslaget legges ikke på beregnede vannstander eller hastigheter i etterkant, og det må dokumenteres at klimaeffekten verken er utelatt eller telt to ganger.

Beregningsusikkerheten håndteres separat. NVE beskriver et sikkerhetspåslag på beregnet vannstand når dimensjonerende vannstand skal fastsettes; det dekker usikkerhet i vannføring, terrengdata og modell, ikke klima. Fribord ved prosjektering av flomvoll og andre konstruksjoner er en tredje størrelse med egen funksjon. De tre må holdes fra hverandre i dokumentasjonen, og valget av dem er en faglig vurdering for det aktuelle vassdraget og tiltaket.

Datagrunnlag og usikkerhet

Resultatet er aldri bedre enn terrengmodellen, vannføringen og ruhetsverdiene som går inn. Digitale terrengmodeller beskriver ikke elvebunnen under vann, og bruer, kulverter og lokale innsnevringer må måles inn særskilt. Der det finnes observerte vannstander fra tidligere flommer, brukes de til å kalibrere modellen; ellers må følsomheten for ruhet og grensebetingelser vises. NVE anbefaler at forutsetninger, kalibrering og usikkerhet dokumenteres i analysen, og det er dette kommunen og en eventuell uavhengig kontroll vurderer rapporten etter.

Hva kan Geotekniker AS bistå med?

Geotekniker AS utfører hydraulisk analyse og modellering av elver, bekker, kulverter og flomutsatte arealer som del av flomfarevurdering, utredning av flomfare i plan- og byggesak, og prosjekteringsgrunnlag for kulvert, bru og sikringstiltak. Vannføringen etableres i samme oppdrag, og der vannhastighet og erosjon berører grunnforhold og stabilitet, vurderes det geoteknisk i samme rapport. Et typisk oppdrag er flomvurderingen for Gransdalen 23B i Oslo, der kommunen krevde dokumentasjon ved bruksendring og vi leverte flomberegning og hydraulisk overflatesimulering. Omfanget styres av problemstillingen: en avgrenset vurdering av én kulvert er et annet arbeid enn todimensjonal modellering av et flomutsatt område, og behov for befaring, innmåling og kalibreringsdata avgjør ressursbruken. Vi dimensjonerer ikke vannforsynings- og avløpsnett; hydraulikken vi leverer, gjelder vassdrag og overflate.

Kontakt Geotekniker AS med beliggenhet, hva som skal bygges eller endres, og hvilket vassdrag som berøres, så avklarer vi hvilken analyse saken trenger.

Ofte stilte spørsmål om hydraulisk analyse

Hva er forskjellen på hydrologisk og hydraulisk analyse?

Hydrologisk analyse gir vannføringen: hvor mye vann som kommer fra nedbørfeltet ved en gitt hendelse. Hydraulisk analyse tar vannføringen videre og beregner vannstand, hastighet og utbredelse i vassdraget og terrenget.

Når er en hydraulisk analyse nødvendig?

Når sikkerhet mot flom etter TEK17 § 7-2 ikke kan dokumenteres med eksisterende flomkart, ved nye eller endrede kulverter, bruer og bekkelukkinger, og ved sikringstiltak som påvirker strømningen oppstrøms eller nedstrøms. Behovet avgjøres av tiltaket og vassdraget.

Kan en hydraulisk analyse dokumentere sikkerhet mot 200-årsflom?

Den kan inngå i dokumentasjonen. Forutsetningen er en dokumentert 200-års vannføring med klimapåslag og en modell tilpasset forholdene på stedet. Før resultatet brukes til å dokumentere sikkerhet i byggesak, må beregningsusikkerhet, sikkerhetspåslag og andre relevante flomprosesser, som erosjon og massetransport, være vurdert.

1D eller 2D – hva trengs?

1D der vannet følger et definert løp og vannlinjen langs løpet er spørsmålet. 2D der vannet kan spre seg over terreng, følge flere veier eller skifte retning. Valget avhenger av problemstilling og datagrunnlag, ikke av hva som ser mest avansert ut.

Må det befaring til?

Som regel ja når kulverter, bruer eller innsnevringer styrer strømningen, fordi terrengmodellen ikke fanger dem og elvebunnen under vann må måles. Enkle vurderinger kan i noen tilfeller gjøres på eksisterende data.

Hva koster en hydraulisk analyse?

Det avhenger av strekningens lengde og kompleksitet, om det trengs 1D- eller 2D-modell, om vannføring må beregnes i samme oppdrag, og behovet for befaring, innmåling og kalibreringsdata. Ta kontakt med beskrivelse av tiltaket, så får du et omfang og en pris tilpasset saken.

Kilder