En forskningsgruppe på Institutt for vann- og miljøteknikk ved NTNU utvikler numeriske modeller for å beregne hvordan elver flytter seg sideveis som følge av erosjon.

Deres modell for hvordan meandrende elver utvikler seg er den mest nøyaktige i verden, og har blant annet vært testet i praksis av den tyske forskeren Fischer-Antze. Overensstemmelsen mellom simuleringer og faktiske vertikale endringer i elvebunnen under den store flommen i Donau i 2002, var svært god.

Som teblader i en kopp

I en sving vil det oppstå tredimensjonale sekundære strømninger som skyver sedimentene fra yttersving til innersving. Dette er strømmer av samme type som oppstår når vi roterer en tekopp slik at tebladene samles i midten.

Simulering: Fra rett kanal til meandere
		Fargen viser dybdevariasjon i kanalen. Rødt er dypt, blått er grunt. Kanalen er: 40 m lang 8,8 cm dyp 60 cm bred og fører 8,5 l vann per sekund. Etter 72 timer ligger de største svingene hele 3 m unna utgangspunktet. Filmen varer 25 sek.

Når elven meandrer eroderer den elvebunnen og -bredden i yttersving der hvor vannet har stor hastighet. Dette fører til at elveløpet utvides sideveis. På innsiden av elvesvingen vil vannet bevege seg roligere, sedimenter vil avsettes, og elveløpet snevres inn. Dermed har du en buktning - en meander. Disse oppstår vekselvis på høyre og venstre side langs elva. Når det er flom og mye vann skjer dette raskere enn ellers.

Testet på Donau

Beregninger av fluidstrømmer (Computational Fluid Dynamics, CFD) er et forholdsvis ungt fagfelt, som kombinerer fysikk, numerisk matematikk og datateknologi. Slike beregninger benyttes f.eks i flyteknikk, bil- og båtdesign, meteorologi, biologi og opprydning etter oljekatastrofer.

- Andre metoder for å beregne fluidstrømmer er bruk av feltobservasjoner og målinger, for deretter å lage prognoser for forflytningen. Dette er tidkrevende og dyrt, forteller Nils Rüther, som er doktorgradsstipendiat på prosjektet.

- En annen metode er å lage en fysisk modell av elva. Det tar mindre tid, men den er nødvendigvis skalert ned i størrelse og er derfor ikke så nøyaktig.

Rüther har arbeidet med numeriske metoder for å lage prognoser av endringer i elveleie, noe som også gir muligheten for å lage flere scenarier på forholdsvis kort tid. Dette går raskt, og er derfor en billig metode, men krever mer datakraft jo mer nøyaktig beregningen skal gjøres. Dette driver kostnadene opp.

Rivende utvikling

Fagfeltet har hatt en rivende utvikling de siste årene, og Trondheimsgruppen har utviklet den numeriske modellen fra å inkludere to til nå å inkludere tre dimensjoner. En tredimensjonal modell er nødvendig for å kunne modellere sekundærstrømningene riktig.

Under flommen i Donau i 2002 forekom vertikale endringer av elven, men ingen sideveis endringer, så den delen av modellen fikk forskerne ikke testet ut da. Modellen er imidlertid testet for sideveis endringer på data fra fysiske modellforsøk, med svært god overensstemmelse, noe du kan se i simuleringene (videoklippene).

Simuleringene er gjort for en kanal som er 40 meter lang og høydeforskjellen mellom innløp og utløp er cirka 35 cm. Bunn og bredder består av sand.

Friksjon på bunnen

Selv vannføringen i en helt rett kanal kan ende opp som meandersvinger. Dette skyldes at det er en viss friksjon mellom vannet og elvebredde og -bunn. Derfor oppstår virvler, som kan bli ganske store og føre til at elven begynner å erodere breddene enkelte steder. Erosjonsområdene blir større over tid og vokser til meandersvinger.

Dybdevariasjoner
		Et utsnitt fra den nederste delen av kanalen viser hvordan meandrene forflytter seg og at de største dybdene (rødt) hele tiden er å finne ytterst i svingene. Meanderen forflytter seg 18 cm per time nedover den 40 m lange kanalen.

Når en elv forflytter seg på en måte folk ikke har planlagt for, vil det naturligvis kunne gi både menneskelig og materielle tap. Dette så vi til fulle i områdene langs Donau sist vår. Man kan sikre og forsterke elvebredden, men det er dyrt, og ikke noen god løsning for hele Donau. Slike mottiltak vil være langt mer effektive dersom man på forhånd kan beregne hvor de faktisk vil bli nødvendige.

Flere faktorer inkluderes

Modellen som Rüther har arbeidet med tar hensyn til en rekke faktorer som beskriver hvordan sedimenter beveger seg mellom elvebreddene og nedover elva - og hvordan disse bevegelsene i elveleiet er relatert til hverandre:

• Elvens kapasitet for transport av sedimenter
• Grad av erosjon
• Hvor stabilt de avsatte sedimentene ligger
• Ruheten på elvebunnen
• Hvor raskt deponering av sedimenter fører til at områder tørker opp

Vegetasjon langs elva og hvordan sedimentene pakker seg på elvebanken er andre faktorer som også påvirker erosjonen.

Gruppen jobber videre for å inkludere flere faktorer og gjøre den numeriske modellen enda mer nøyaktig. Kombinert med testing på flere naturlige elver vil modellen bli anvendbar i praktisk planlegging av flomsikring.