Optimering af grødeskæring i vandløb

---

Indledning

I rigtig mange vandløb skæres grøden i dag efter gamle regulativer, der ofte har flere årtier på bagen.

Regulativerne fastsætter hvornår og hvor ofte der skal skæres grøde, og har primært til formål at sikre vandløbets vandføringsevne. Vandrammedirektivet stiller dog krav om opnåelse af god økologisk tilstand inden 2027. Mange steder forhindres / besværliggøres målopfyldelsen af den vandløbsvedligeholdelse, der i praksis finder sted i vandløbene.

Grødeskæring, og i særlig grad hyppig grødeskæring kan være et problem, da grødeskæringen desværre sker på bekostning af biodiversiteten. Når man skærer grøden hyppigt, fremmer man enkelte hurtigt voksende arter. Særlige hurtigt voksende arter som fx. enkelt pindsvineknop spreder sig, mens arter som vandranunkel og vandstjerne går tilbage. Dette giver et negativt feedback loop, hvor hyppig grødeskæring medfører en dominans af hurtigt voksende arter, der igen fører til hyppigere grødeskæring. Mange vandløb vil derfor kunne opnå en naturmæssig forbedring ved at begrænse grødeskæringen og en bedre balance der mindsker behovet for grødeskæring.

En af måderne hvorpå grødeskæringen kan reduceres uden nødvendigvis at medføre yderligere oversvømmelser, er ved at optimere grødeskæringstidspunktet, så der kun skæres, når grødemængden når et kritisk højt niveau.

Teori

Ved løbende at monitorere vandstand og vandføring kan grødens hydrauliske modstand bestemmes. Traditionelt beskrives grødens hydrauliske modstand ved brug af Manningtallet, som indgår i Manningformlen:

$Q = M \cdot A \cdot R^{\frac{2}{3}} \cdot I^{\frac{1}{2}}$

Hvor:

• $Q$ er vandføringen ($m^3/s$ )
• $M$ er Manningtallet ($m^{\frac{1}{3}}/s$ )
• $A$ er tværsnitsarealet ($m^2$ )
• $R$ er den hydrauliske radius ($m$ )
• $I$ er hældningen på vandløbet ($m/m$ )

Manningtallet er her en ruhedsparameter, som afspejler den modstand grøden udgør. Typisk er Manningtallet mellem 30-35 om vinteren. Om sommeren kan Manningtallet i grødefyldte vandløb være så lavt som 3-5. I figuren herunder ses manningtallet i et vandløb, hvor vandføring og vandstand er blevet målt fra april 2023 til juli 2024.

Det ses, at manningtallet er højest i slut marts (M=32) og lavest i slut september (M=6). Der ses desuden 4 grødeskæringer i løbet af måleperioden. Efter hver skæring stiger manningtallet brat.

Selvom der er stor tradition for brug af manningtallet, er det på mange punkter en misvisende indikator for grødetilstanden i vandløbet. Manningtallet ændres ikke lineært med den hydrauliske modstand, eksempelvis kræver det en lige så stor hydraulisk modstand at ændre manningtallet fra 7 til 6 som det gør, at ændre det fra 20 til 10.

Desuden har det længe været erkendt, at Manningtallet i grødefyldte vandløb også er vandføringsafhængigt. Det vil sige, at manningtallet ikke kun styres af grøden i vandløbet, men også til en vis grad afhænger af hvor stor vandføringen er. Under store hændelser øges manningtallet kortvarigt. Dette ses også af ovenstående figur, hvor Manningtallet særligt i oktober og november varierer ifm. regnhændelser.

Årsagen til manningtallets vandstandsafhængighed, er at grøden vokser op i vandsøjlen og ikke kun findes på vandløbssiderne som det antages i manningformlen. Dermed finder forskydningsspændingen i vandløbet ikke kun sted langs bund og sider men også oppe i selve vandsøjlen. Dette er også årsagen til at der kan opstå meget lave Manningtal. I den del af vandsøjlen, som er dækket af grøde, står vandet stort set stille. Det er derfor ikke Manningtallet som sådan, der ændres men det effektive tværsnitsareal (A), der bliver mindre.

En alternativ tilgang er derfor at opdele vandløbstværsnittet i 2 dele: en vandfase (v), og en grødefase (g):

Hvor den samlede vandføring er lig:

$Q = Q_{grødestrømning} + Q_{fri\ strømning}$

Manningformlen kan så opdeles i to:

$Q_{grødestrømning} = A_g \cdot M_g \cdot I^{\frac{1}{2}}$

$Q_{fri\ strømning} = A_v \cdot M_v \cdot R^{\frac{2}{3}} \cdot I^{\frac{1}{2}}$

Hvor:

$A = A_g + A_v$

Læg mærke til, at den hydrauliske radius undlades i udtrykket for vandføringen i grødefasen, da hastighedsfordelingen i grødefasen antages at være uniform.

Det antages så, at Manningtallet i vandfasen og i grødefasen er konstante. Når grøden vokser er det størrelsesforholdet mellem arealet af grødefasen og vandfasen, der ændres. Baseret på systematiske forsøg i et enkelt vandløb er manningtallene i hhv. grøde- og vandfasen bestemt til:

Dog må manningtallet i grøden forventes at variere afhængigt af grødetypen, mens manningtallet i vandfasen må variere afhængigt af vandløbets naturlige ruhed og slyngningsgrad. De korrekte værdier kan kalibreres for hvert undersøgt vandløb for at får den mindst mulige vandstandsafhængighed.

Det beregnede grødeareal er præsenteret for perioden herunder:

Af kurven på grødearealet ses ligesom kurven for Manningtallet 4 tydelige grødeskæringer. Læg dog mærke til, at det højeste grødeareal ses i maj 2023, hvorimod det laveste manningtal sås i slut september. Dette skyldes at vandføringen i september er lavere end den er i maj.

Negligering af manningtallets vandføringsafhængighed kan gøre, at man fejlvurderer grødens effekt. En sammenligning af manningtal fra forskellige år, kan således være problematisk hvis vandføringen fra år til år er markant forskellig.

Man vil desuden overvurdere oversvømmelserne hvis man benytter et konstant manningtal i sine oversvømmelsesberegninger, da manningtallet under de store hændelser vil være højere end ellers. Her vil brugen af et grødeareal give et bedre estimat af vandstaden.

Metode

Når man har opsat en løbende estimering af grødearealet er næste skridt er at fastsætte niveauer for, hvornår grødemængden er kritisk. Dette kan gøres på flere måder, men det oplagte er at følge almindelig dimensioneringspraksis og fastsætte en gentagelsesperiode/hyppighed hvormed man accepterer, at et areal oversvømmes. Det kan være nærliggende veje, et dige eller arealer med beskyttet natur ned til vandløbet, som man ikke ønsker oversvømmet. Den vandstand, der vil føre til, at arealet oversvømmes, defineres som det kritiske niveau.

Man estimerer derefter en vandføring, der forventes at optræde med den valgte gentagelsesperiode. Det kan gøres ved at analysere historiske vandføringsdata, eller baseret på nedbørsstatistikker fra eks. spildevandskomitéen. I det følgende er 4 niveauer foreslået.

På baggrund af det definerede kritiske niveau, og de fundne vandføringer kan vi estimere det grødeareal, der så vil medføre oversvømmelse. Dette er gjort for de 4 nivauer fra ovenstående tabel, og er vist sammen med det beregnede grødeareal i figuren herunder. Data er vist for en 5-årig periode.

På figuren kan man se de udførte grødeskæringer, og man kan se, at grøden mange gange skæres længe før den når et kritisk niveau. Det er derfor tydeligt, at der er mulighed for at optimere grødeskæringen. I 2018, 2019, 2020 og 2021 har man alle gange udført den første grødeskæring længe inden grøden bliver kritisk.

Analysen udføres kontinuerligt, så det aktuelle grødeniveau kan følges i realtid. Grøden vokser generelt jævnt og forudsigeligt, og det er muligt at kunne planlægge grødeskæringen et stykke ud i fremtiden ved at kigge på graften og se hvor langt den er fra at nå et kritisk niveau. Analysen kan baseres på eksisterende målestationer, eller der kan opsættes en ny målestation hvis den ønskes udført på en udvalgt lokation.