Enkle tiltak vil gi økt flomkapasitet

Etter at fagbladet Energiteknikk sist omtalte PhD-prosjektet til Nils Solheim Smith på Vassdragslaboratoriet ved NTNU i Trondheim for ett år siden, har det skjedd betydelige fremskritt i forskningen for å endre strømningsforholdene ved elvekraftverk, slik at man kan unngå kostbare ombygginger av damanlegg og store tap som følge av nedetid.

Ved hjelp av 3D-modellering har Solheim Smith utformet såkalte vingemurer, eller ledemurer, i plast. Disse er blitt montert på hjørner nede på damkonstruksjonen i forsøksmodellene, f. eks på hjørnet til lukehuset.

Han har så studert hvordan disse ledemurene, med ulik utforming, kan endre strømforholdene i flomløpet, slik at belastningen på damkonstruksjonen blir mindre, samtidig som fisk kan ledes bort fra inntak og unngå å komme inn i turbinene.

PhD-arbeidet til Solheim Smith er en del av forskningsprosjektet InSpillyFish som gjennomføres i regi av FME-senteret HydroCen ved NTNU i samarbeid med NINA.

Forsøk i større skala

– Det siste året har vi oppskalert forsøkene her i Vassdragslaboratoriet ved å bruke større og bredere renne. Oppskalering av modellene i svært viktig for å kunne oppnå mer presise resultater fra en type forskning der vi må forholde oss til komplekse strømningsforhold i vann, påpeker Solheim Smith.

 I tillegg har han gjennomført modellforsøk i vassdragslaboratoriet til Vattenfall i Älvkarleby i Sverige. NTNU samarbeider med Luleå Tekniske Universitet (LTU) og Vattenfall om et forskningsprosjekt som også tar for seg flomløp og komplekse strømningsforhold, men med en annen tilnærming.

Tok med seg ledvingene

I laboratoriet til Vattenfalll er det en forsøksrenne med en demning som simulerer et noe større magasin, foruten at renna har en buet konstruksjonen som forårsaker kraftige skjevstrømning i vannet du ikke får i den rektangulære forsøksrenna i Trondheim.

Solheim Smith hadde med seg sine ledevinger fra Trondheim, og monterte disse i renna. Han fikk gjort en rekke forsøk som har bidratt positivt til forskningen. – Løsningen min er blitt mer robust og anvendbar, ved at det er gjort store steg fra laboratoriet og over mot virkeligheten, sier han.

Bakgrunnen for den tverrfaglige forskningen i InSpillyFish-prosjektet er klimaendringene, som fører til økt vannføring i elvene, foruten at NVE har varslet strengere krav til dagens damanlegg i forbindelse med klassifisering, spesielt når det gjelder flomvannføring og vannstand. Mange av anleggene er gamle og blitt utformet uten dagens kunnskap om hydraulikk og fiskevandring.

Kontraksjon i vannet

–Typisk utforming av et elvekraftverk er at vi har en dam med fast overløp, og med inntaket og stasjonen ved siden av. Ved høy vassføring og flom skal overløpet fungere slik at du får ledet vannet trygt forbi. Det er denne konstruksjonen, selve flomløpet, jeg ser på, sier Solheim Smith.

Han legger til at mange eldre anlegg har lukehus og pilarer i støpt betong, med skarpe kanter som skaper betydelig skjevstrømming i vannet, det vi kaller kontraksjon. Dette skaper ugunstige forhold for fisken, men gjør også at lengden på overløpet blir mindre, slik at flomkapasiteten til anlegget blir svekket. I dag vil slike konstruksjoner aldri bli godkjent.

Krevende akademisk øvelse

– I modellforsøkene har vi altså sett på mulighetene for å redusere kontraksjonen i vannet ved å montere ulike ledemurer, altså endre konstruksjonen.  Da må vi forstå effekten og tapet som oppstår i det konkrete tilfellet, avhengig av strømningsforholdene og hvor kontraksjonen oppstår.

Jeg gikk rett på en spesifikk løsning ved å bruke ledevinger, men innså etter hvert behovet for å forstå selve problemet bedre, altså hva som påvirker overløpskapasiteten. Dette er en mer akademisk – og ganske krevende – øvelse, men viktig for å kunne forstå hvor flaskehalsene finnes og hvilke muligheter det er for å gjøre forbedringer.

Store besparelser

Solheim Smith legger til at han er svært godt fornøyd med at forskningen har gitt en økning på 8 prosent i flomløpskapasiteten. Det er ganske mye, spesielt sett i lys av å unngå store og dyre ombygginger.

En ombygging vil bli kostbart, i tillegg kommer det betydelige produksjonstapet som følge av lang nedetid på kraftverket. Han mener at det er store summer å spare for kraftverkseiere ved å kunne velge slike enkle løsninger for å øke flomkapasiteten til eksisterende anlegg.

Observerte storflommen

Storflommen Hans på Østlandet i august har gjort forskningen til Solheim Smith enda mer relevant.

De dagene flommen var på sitt verste i Drammensvassdraget, var han til stede på Hellefoss, Embretsfoss og andre berørte kraftverk for å observere de kraftige strømmene som belastet demningene.

Solheim Smith samarbeidet med dronepiloten til Å Energi for å ta bilder og filme de strie strømningene ved kraftverkene, blant annet for å ta punktmålinger av hastigheten til vannet. Han hadde også fått laget såkalte disker som ble kastet ut i vannet for å bli filmet av dronen.

– Under slike spesielle forhold er det ikke lett å kunne lykkes med slike tester, men jeg fikk gjort mange interessante observasjoner av de kraftige vannstrømmene.

Stående bølger

Det var en stor opplevelse å få lov til å komme til anleggene og føle på de enorme kreftene på nært hold. Du opplever slike vannmengder kanskje bare en gang i løpet av karrieren.

Solheim Smith legger til at var faglig svært spennende å se hvordan strømningsforholdene rundt damkonstruksjonen endret seg ved så svære vannmengder i vassdraget. –Det dukker opp fenomener som tidligere er blitt oversett, blant annet stående bølger som oppstår når vannet kommer i sving rundt damkonstruksjonen, sier Solheim Smith.

Solheim Smith regner med å bli ferdig med sitt doktorgradsarbeid og disputere til sommeren neste år. Den nærmeste tiden skal han bruke for å bearbeide resultatene fra laboratorieforsøkene før selve skrivingen av avhandlingen tar til.