1. No category

NORGES VASSDRAGS-OG ELEKTRISITETSVESEN
Edvigs V. Kanavin
..
VINTERFORHOLDENE IGJENNOMsTROMTE
..
INNSJOER
BIDRAG TIL ÅRSMOTE I NORSK GEOFYSISK FORENING
AUGUST 1968
R AP PORT NR. 8/68
V ASSDRAGSDI REKTORAT ET
HYDROLOGISK AVDELI NG
OSLO AUGUST 1968
1
VINTERFORHOLDENEi GJENNOMSTRMTE INUSJUR
1 Innledning.
Et isdekkebeskytter vannet under isen for omröring av vind og vannlagenekommer
i likevekt slik at det lettestevann er överst, mens eventuelt tyngre vann finner
sin plass i det dyp hvor det omgivendevann har samme egenvekt. I en innsjö er
vanntemperaturen 0° C like under isen, men så tiltar temperaturenraskt i et forholdsvis tynt skikt (bare ca. 10-30 cm) og deretter blir den nesten konstant eller
svakt tiltakendevidere nedover til en viss dybde (ca. 13-15 m). Etterpå jevnt
:',kende
til vannets maksimale tetthet oppnås eller til bunns.
Denne laadelinger meget stabil i de övre lag. Hvis noe av vannet bringes W5yere
opp, vil det synke nedover igjen, og hvis det bringes dypere ned vil vannet stige
rppovermot sin plass igjen.
Gjennomströmningen417en innsjö kan karakteriseressom en langsom bevegelse av
vannmasseri et stort strdmförendetverrsnittavhengig av sjöens topografi.
Observasjonerviser at der hvor vann strmmer inn i sjöen med betydelig hastighet,
blir det en utpreget hvirvling (turbulens)i en stor blandings-og bremsesone,hvor
bevegelsenetter hvert blir overf;jrt
til sti5rrevannmasser:mens hastigheteni
hovedströmningenavtar.
I
avtar hastighetenav gjennomströmningenhurtig og vannmassene
finner sin plass der hvor den naturlig hörer hjemme etter temperatur og tetthet.
Den beveger seg deretter som et mer eller mindre avgrenset strömdragvidere nedover.
Dette er grunnen til at i sjöer med stort og jevnt dyp kan vannmassenemed forholdsvis höy temperatur (f.eks. opptil 2-3° C i Norefjord,og vassföringca. 50 ils)
flyte kilometerlangestrekningeruten å tære noe vesentligpå isen. Det er bare i.
de partiene av sjöen hvor tverrsnitteter vesentlig innsnevretat en merkbar omröring av vannlagene under isen finner sted og bringer varme opp som reduserer
isveksteneller tiner allerede dannet is.
Fig. 1 viser temperaturforholdene
i Norefjordetter målinger i mars i 1956.
I en slik dyp innsjö er lagdelingenom vinteren stort sett stabil, og vannlaget
nærmest oppunder isen vil være praktisk talt i ro. Varmetransportenopp mot isens
underside er ikke merkbar. Hvor langt ned i sjöen turbulensenvil merkes avhenger
av bunntopografienog av strömhastigheten.
,M3it
2
TEMPEÆ;i1
TURFORI/OLDEA/E
/ /VORLF:70/('D
/956
depth chart
sch0ma bathym0tique
59
(t.,- 2 °C)
Nore
ice cover
cm
de glace
couverture
20
40
60
water temperature
temperatures
d'eau
mie•••
10
E
C
E
10
_
20
....
30
z
-------
20
---------
......
•
••
40
4)
50
ab
60
3
2
1
TEMPE5(34TUR54// 77-
km
567
4
Sch&nabathym&rique.Couverturede
glace. Temp&atures de l'eau. Infiuence du
Depth chart. Ice cover. Water temperature
conditions. Affected by the discharge (60
m3/sec) from the power plant Nore II.
Nore II.
//0/PEI-70)(7, 0 , mc7r-Y /956
ferrinkmperalur
hir u/xler 4.58/7
0
02
/5
08
06
Q4
02
rannkinp.
20
30
0
Q2
0.4
0.6
0.8
0
1.2
/4
/6
/61
20
2.2
24
26-
rormkimp.
28
°C
3
Et annet meget interessanteksempel på gjennomstn5mninggir observasjonerfra
Hjartsjö i.Telemark.
Hjartsjö er bare ca. 2,6 km lang og 6-700 m hred på det bredeste. Den strste
målte dybde er 45 m og sjdens totale vannmengdeer omtrent 16 mill. ut. Sjen
gjennomströmmesfra Hjartsj5 kraftstasjon. Det maksimale vannforbruker på 24
d'Is.
Driftsvannetstemperaturholder om vinteren 2-3° C.
Underskelsene viste at driftsvannetforholdsvissnart finner sin plass i sjens
dypere lag og strömmergjennom den uten nevneverdig
forandre sitt varmeinnhold.
Vannet er islagt hele vinteren.
Hvis innslen_er 2.runnblir hastighetenmerkbar i hele tverrsnittetog turbulensen
blir dominerende for varmeoverfringen. Som eksempel kan Strandefjord
nevnes.
ijen
er ca. 7 km lang og 3-400 m bred. Den er meget grunn (midleredybde f3r
reguleringenvar bare 1 m). Ved en vassfbringpå 25-30 Ilf/s
var den midlere str5mhastighetpå den överste delen ca. 0,25 m/s og på den nederste delen ca. fl,15m/s.
Vannet ved innlopet til fjorden hadde en forholdsvish5y temperaturpå ca. 1,0
men ble avkjilt til ca. 0,03° C för det nådde ut.Uipet. I avstanden 1,2,4 og
0,
5
fra det Svre oset var vanntemperaturenunder middell:terk
kulde henholdsvisca. 9,60,
0,25 , 0,06 og 0,03° C. Beregningeneviste at den midlere turbulentevarmeledningskoeffisientfor den U)vredel av sjen var ca. 1200 ganger större enn den molekylære
eller laminære varmeledningskoeffisient.I strmfaret i den midtre del av sjen
var koeffisientenca. 700 ganger strre.
Generblt kan en si at når en grunn innsj5 gjennomstres
av varmere vann, foregår
det en effektiv varmetransportfra det varmere vann til isdekket,slik at vannet
avkjöle3under passasjen og isdekketsvekkes tilsvarende.
I en elv som 2ftri stryk er gjennomblandingennå voldsom at vannet praktisk talt'
har samme temperaturover hele tverrsnittet. Den effektivevarmeledningsevneav
vannet blir da så enorm at det bare kreves en meget liten temperaturforskjell
mellom bunnen og overflatenfor å holde elva åpen selv under sterk kulde.
Avgj;:)rende
for isleggingeni en elv er vanntemperaturenog strbmhastigheten.
Isleggingenkan först finne sted når vannet er avkjlt til frysepunktetog når
dette er oppnådd vil arten av isproduksjonenavhenge av vannhastigheten.
Undersbkelserviser at str5mmens evne til å tære på isen eller til å holde strmdrag åpent om vinteren, avhenger av vanntemperaturog str5mmenshastighet,se fig. 2.
4
Ic")e/775)E' VA/ViVTEMPERATI/,e oq 45-TROMNAST/67-/E7
Zor /517AA/WELSL
critica com ination o water
, emperature and surface velocity
Comblnalsons crItIques de la
de l'eau et de la altesse
temprature
d'écoulement en surface
0.20
(measurements in Nea 1954-55 by
S. Flat(ord)
mesures effectues dans le Nea en
1954-55 par S. Flatjord
0.12
open water
plan d'eau d&ouvert
0.08
weakened
glace affaiblie ou zones d'eau
Ucouverte
.
0.04
Ice or patches
I of open- water
Ice cover
couverture de glace
0.0
0.2
0.0
1.0
0.8
0.6
velocity of flow m/sec
0.4
vitesse d'Ecoulement en surface
ker
holde
st3rre
ikke
seg
åpent,selv
enn
bare
f.eks.
I mis,
tusendels
noen
som lokalt
En vintertapping
til
regulering
om vannet
strmhastighet,
mer
en
p.g.a.
str:imhastigheten
en
har
eller
mls,
f.eks.
på
temperatur
mer,
er
den
ca.
kritiske
vil
0,0200.
strOmfaret
Ved
end
overtemperatl;r
grader.
dker strmhastigheten over denne kritiske
grense
forårsakerat elva blir gående åpen hele vinterenc.jjennomog dette medförer da
isproduksjon
i
form
av
sarr
og bunnis
så
lenge
kulden
varer.
5
2
Undersökelser
i Storsjjien
i Rendal.
Storsjden er ca. 37 km lang og smal, men meget dyp. Jtirste målte dybde er 309 m.
Jöen isleggesmeget sent, vanligvis i januar måned, men enkelte år holder den
seg åpen hele vinteren.
.jk)mmeren
1966 ble det salt
gang spesielle underskelser
planlagte Glommas overfring gjennom Rendalen.
i forbindelse med den
For tiden foregår omfattendetemr-
eraturmålinger, unders:ikelserav str8-5mforhold
og vannstandsvariasjoner og ahdrE
lvdrologiske faktorer.
To spesiallimnigrafer
med mcd
rettet i norenden ved
Aheim
registrering
av
vannstand i målestokk. 1:1,
og i sydenden ved Buvika.
vis karakteristiske registrringer
Den 21/3 viser registrerindn
binodale trekk-
'bin(-)dal
seiche og fra
cdichens amplitude
under 1 cm den 27/3 til :-)\rr
7 em den 28/3 i ipet
-
1-plitudeneover 8 cm
Vi har prvd
tt
har
ket
fr
Den 21/3 var
vi
ingen
inn på 1.sning av prjblemene omkring seiches
brukbare
resultater.
av str5mhastighetsmålinger i.3torsjen
eksempel
dv 11 timer.
har
under 40 cm tykt isdekk(J.
å komme noe n=ere
men hittil
På fig. 3 er gitt enme
av seiche.
bade en uninowil
»r1uninodal seiche med enklte
le :-.1n-
Hensikten med disse unders;ikelseneer d prdve
er v st på fig. 4.
få bedre kjennskap til
dvnamiske forhold i dype innsjöer.
g(Vi//Ai
STOR6-70EN
#
100
Renda/
A/7drå
2ce
/00
20
cz:23°°
0
.4.ke/M
1 2
3
4
5
6 km
:JOi
•‘1311135J3
NSIDOlOtlaAH
0
20
40
60
/200
80 —
00 —
`,k‘I
k411
/20
/80
-sk>20,0
n220
atefide
pos."/
ikz5-
4'heI
1300
/200
v
HcVe,~
/4
00
,,
,
,,i.
,
‘4.:
'ti
Vas5/or/r7q
.Wequiive
.....,
kisl
7/Å,
coU2&
5-vc2
2ifz`e
/7-77/s.
17 /3.4.5-t-egn
/5.3-5
/34-5
26/5 /967
t,is:
,
___ „
/5-00
27/5
Je
: 379
/y7ea'
/700
7/-c7
//yfe&)/75/77d//
1/er..7
/77»7
,c7:6(es-i:75/o/
frefog
/77e0'
has//ge/en
Av/es7-7/2-79'
feoclo/i
Afdii»ger
/ 1/77 citicie
/6°0
/77.5
334- m3
C7v .570e/7
25/5- ,6/ å
ved 1///opel
°° ,W 27/5 L7 /0 3° hadcle 1(4'/o/-3- 6-7 gd# cu /3&0,2?
so &23-47he/ %15-cm/s
/77d/ite hcz3-41/2e/
c/e/7 25Xf fro' .t_/ /2 20 - /3 a° vur ‘5,6 cf.77/5
17-o 26/5
00
811/7K7
1c/77= 20m
iekfia. enf
1/cp/frho/c/e/7e:
s4/e/,
Dvni,i/soc/
v»7c/e/7
i ay.6s-
Shrt,/
Sfro/7712us*heirrød»ger Sforsfren
0N
7
VANN5TAND5ÆEG/,5
TÆZWYN6ER
ved Bc/v/ka
57ORS-7DE/V , REAIOAL
i /7-7ary oy gori,
/967
___
•_____
-
•
••
.,
•
•.'
'
•
.
, • ,•
.
,
.
,
-
-
-
•
4
•
_
r:
1
•
;
1 ,
_
3o/3
-
-
•
A-1,51~
:
-
2/4
8
3
Overgang fra stabile til ustabile likevektsforhold for
vannlagene under et isdekke p.g.a. åket vassfåring.
En åket gjennomstrdmnina vil skape forandrinaer i stabiliteten slik at de opprinnelige vannlagene etter hvert blir skiftet ut, frst
de dyre og senere også de dynere.
jo st5rre ajennomstråmningen er desto raskere vil utskiftningen gå.
Temperatur-
forskiellene vil reduseres eller forsvinne eg lagdelingen blir ustabil.
Det er å bemerke at jordrotasionens avb5yende kraft sker
å fåre stråmmen mot hyre
sredd.
Våre unders5kelser i de senere år har frt
til at en o. legge stårre vekt på den
langsemme hvirvling som har vesentlig betydning i vannlaget hver det er labil
likevekt, så svevende vannmasser i langsom bevegelse kan transportere varme fra
dynere skikt opp til isdekket, uten at denne transport krever nevneverdig mekanisk
enerqi.
En nærmere analyse av slik fenomen er nylig blitt utfårt i Bandak.
der
var stråmhastigheten bare 1 a 2 cm/s, men allikevel fareesikkdet merkhare temperaturforandringer i 30 m dyp i ldpet,
oef målinger
viste tydelig at hovedstråmmen
nåvirket en vannlag på 15-29 m og mest på 11.-yre
side av vassdraget.
Underskelsonc,
se fig. 5 (x7f
5a, viste at ved grenseflatene av en slik stråm skapes det hvirvler
iv
forskjellig stårrelse, avhengia av sjdens topografiieet kan være den faste huno
cller drenseskiktet mellom to vannlag eller to eller flere hvirvellegemer.
Kunne
en fotografere slike hvirvler og kj:Srefilmen i rask hastighet ville man nok finn,s
en slående likhet med hvirvlingen i en dyp, langsm
flytende elv.
lJevn topografi kan helt eller delvis bryte ned stabiliteten av vannlagene:
frer
Dette
til at isdekket blir tæret fra undersiden ved at varmere vann sendes opp av
langsomme hvirvler.
Ut på ettervinteren spiller solstrålingen som trenaer gjennom islagesten merkbar
rolle til å skaffe langsom hvirvling i det labile vannlag under isen som tross sin
ubetydelige hastighet kan forskyve betydelige vannmasser og deriledoaså merkbare
varmemengder.
Det er å bemerke at også den dkende solstråling på senvinteren varmer opp vannet
i de nærmeste vannlag og reduserer stabiliteten av vannlagene.
åthull
isen.
De vel kjente
skyldes at det er ensartet vanntemperatur og litt over 0°C i lagene under
I uregulerte innsjder
opptrer de særlig ut på ettervinteren.
På regulerte
vassdrag kan de opptre til hvilken som helst tid på vinteren fordi vannlagene
hurtig blir utskiftet når gjennomstr5mningen har åket.
9
TEMPERATURSAUTT
.63.4A/DAiryed HAMMEROMEN
mdit/ // /e4r: /966
V br
h<
47(2e/7 4:5-h9/
0
,50
/00
/50
200
250
300
350
40o
-
-/0
5
/3
oc
-/0
/5
r 5e.fig.
20
25
30
35
40
45
.3.0
50
‘5,5
60
7i/77/)erciluret7 6/e° /-/zil
/77ea' e/7 4,277/5/or
65
Mil•stokk
Tagn.
Erstatn. for :
Trac.
NORGES
VASSDRAGS-
00
ELEKTRISITETSVESEN
HYDROLOGISK AVDELING
Kfr.
Erst. avs
450
rn
171
Ci
0
0
ILIKTRISITITIYIESRM
00
IfASSDRACIS-
NOROU
1.9
2./
oc
200
300
Afli
400
cm
/2
4-705es/e,
/
/
/
/
,--,
\
\......,.----
\
/
1
.. ..‘,.......,
‘
/3
\
..,............
....
.,
%........
Ycrics/a/7er
•• .......
-
.-. ..-
„,—....-
---
......
•••• •
...„
(.\
\
\
/72d/7/77
---\
/. 30 /7215dyp
Ockw
/s/Irornhc75-irghefei7
........
..... I...
Te-mperi furver/azfr7er
.5e/c7:5-/»/>7gsvarizy-b/7e/- yed
/5
eiger moVinger- /3. lebr /966
.•,P.%
3.0
,......
/\-
,
."«.'.. .‘
\
0 /77
........«....."..."
16/7
...."..../
/
1/WRVL/A/6i 6R'ENSESI(/A727 medom TO VAMVLA i 5,4A/124ffvediaMMEAWBEN
4
Re2u1eringensinnvirknin2.2å.
giennomströmningen.
öket og varierendevintertappingkan forsterke slike strmhvirvler og medvirke til
dannelsen av svakere isområderog råker.
Wgnrelulering i en större innsjd kan bare gi et par vannstandsvariasjoner,
og
dette vil ikke spille noen rolle for isforholdene. Derimot kan di5gnregulerin
som
nevnt gi varierendegjennomströmningi de strdmfDrendetverrsnitt,og dette kan
påvirke isen.
Ukesreoulering kan derimot komme inn med sin virkning både med vannStandsvariasjoner og str3mforhold. Den lokale virkning avhenger i höy grad av sjöens dvbde,
bunnens tepografi og andre faktorer som kan tvinge en langsom vannström til å
forandre retning og derved sette i gang hvirvling. Denne process får stdrst
betydning på ettervinterennår solstrålingen6ker raskt og setter i ganq tining
ovenfra swTlig på steder der det står en vannpytt, eller ligger noe rask så strålli
ingen får större makt. De velkente
åthull kan åpnes tidligereenn f5r når is-
tykkelsen er blitt mindre ca tæringen nedenfra er strre.
En underskelse av
åthull ble foretatt på Kviteseidvatnng Flåvatn i Telemark
slutten av mars 1967. Vannene var islagt og isens tykkelse var ca. 39 cm stålis
neTca. r")cm srpeis överst. Fotos fra et slik åthull er vist på fig. 6.
Flere av disse ble undershkt og samtidigble vannstandsvariasjoner
ved hullene
målt.
UndersDkelseneviste at et åthull dannes fra isens overflate. Stavelsen åt
er muligens den samme som i uttrykket: å kaste åt som betyr å kaste aske, svart
jord eller likn. på snen og isen om våren for å framskyndesmeltingen.
Det kan være lUv, liten kvist eller noe forurensingsom har vært årsak til at det
dannes en liten fordypningmed smeltevann. På slike mDrkere mråder gjr solstrålingen seg gjeldende og det utvikles karakteristiskefordypninger:rundt hull
midten og smeltingsfureri alle retninger og av forskjelligestrrelser scm fotos
viser.
Nederst på fig. 6 er vist snitt gjennom en slik åthull
i isen og spor av isens avsmeltingtvers igjennom,
Vi fant mörke gjenstander
VA TA/ , 3/ mc7/-5 /9 6 7
/41,4—
„ 61-hcid
,11(///e/.5-
ai:7777e7/e.r- cc7 20 cm
,..isiy,61e/se30cm
577///1
gfi77/712/77
med
app/i/
2m
/crny..e.