Del 1: Åar i jordbruksbygd - Hydrologi

Vattnets kretslopp

Från antiken till 1600-talet förekom allehanda teorier om vattendragens ursprung, t ex att vattnet skulle komma från havet via underjordiska floder. Att regnvattnet skulle räcka till för att bilda alla sjöar och vattendrag hade man svårt att tänka sig, innan filosofen Pierre Perrault på 1600-talet visade att nederbörden gott och väl räckte till för att förse floden Seine med vatten. Därmed lade han också grunden till vår insikt om vattenbalansen och vattnets kretslopp i ett avrinningsområde.

Detta kan förenklat beskrivas som att avdunstat vatten, som främst kommer från havet, faller som nederbörd över avrinningsområdet. En del av nederbörden avdunstar på nytt och går tillbaka till atmosfären. Resten kan lagras en kortare eller längre tid i markens vattenmagasin, innan det rinner tillbaka ut i havet, som ytvatten eller grundvatten.

Skiss över vattnets kretslopp i ett avrinningsområde. Avdunstat vatten, främst havsvatten, faller som nederbörd över land. En del av vattnet avdunstar från mark- och vattenytor eller via växter och återförs till atmosfären. Återstoden kan lagras en varierande lång tid i markerna innan det och rinner tillbaka ut i havet via vattendrag eller grundvattenströmmar.

Vattenbalansen i ett avrinningsområde under en viss tidsperiod kan beskrivas med följande formel: P=E+R+delta M där P = nederbörden, E = avdunstningen, R = avrinningen och M = lagringen, d v s förändringen av den magasinerade vattenmängden i marken.

Avrinningsområdet

Varje punkt i ett vattendrag har ett visst tillrinningsområde, eller avrinningsområde som det också kallas. Detta är det markområde runt vattendraget, vars nederbörd rinner/avvattnas till den aktuella punkten. Avrinningsområdet vid åmynningen är detsamma som åns totala avrinningsområde.

Avrinningsområdena avgränsas av höjdryggar i landskapet som därför kallas vattendelare. Söderåsen utgör t ex en vattendelare mellan Vege å och Rönne å. Vattendelarnas lägen kan bedömas ungefärligt på en topografisk karta, genom att rita en linje vinkelrätt mot höjdkurvorna mellan olika vattendrag. I flacka landskap kan det dock många gånger vara svårt att avgöra exakt var vattendelaren går. Vid omläggning av diken och dräneringsarbeten på enskilda fält kan dessutom den naturliga vattendelaren ibland ha ändrats.

Även grundvattnet kan indelas i avrinningsområden som avgränsas av vattendelare. Grundvattendelaren följer på motsvarande sätt grundvattenytans höjdsträckningar. Eftersom grundvattennivåerna kan variera kan emellertid grundvattendelarnas läge ändras över tiden.

Ett avrinningsområde är det markområde vars nederbörd avvattnas till en viss punkt i ett vattendrag. Avrinningsområdena avgränsas av höjdryggar i landskapet som kallas vattendelare.

Vattenöverskott ger avrinning

I ett globalt perspektiv finns det gott om vatten i Sverige eftersom vi ligger inom en humid klimatzon, där nederbörden är större än den totala avdunstningen via vattenytor, mark och växter (den s k evapotranspirationen). Därmed uppstår ett "överskott" av vatten i landskapet och en avrinning till havet via vattendrag och grundvatten. Detta är också orsaken till att jordbruksmarken på många håll behöver avvattnas för att effektiv odling ska vara möjlig. Avrinningen uppgår i Skåne till mellan 200-300 mm per år.

Åns vattenflöde

Avrinningen och därmed vattenflödet i åarna varierar kraftigt under året. Den största avrinningen sker under vinterhalvåret då avdunstningen från vattenytor och mark är liten och det i stort sett inte sker något vattenupptag och därmed inte heller någon avdunstning från växterna. På vintern blir därmed nederbörden många gånger större än avdunstningen, vilket ger ett stort vattenöverskott och en stor avrinning.

Det stora vattenöverskottet gör också att landskapets vattenmagasin fylls på under vintern. När vattenmagasinen är helt fyllda och ingen ytterligare lagring av vatten kan ske, ger ny nederbörd snabbt upphov till ökade flöden, vilket ofta resulterar i översvämningar längs vattendragen.Sommartid är avrinningen och vattenflödena betydligt lägre, trots att nederbörden ofta är hög. Orsaken är att även avdunstningen är hög under sommaren, samt att markernas vattenmagasin till stor del är tömda och det kan ske en upplagring av vatten i landskapet. Under sommaren sker en stor del av avdunstningen genom växterna, via bladens klyvöppningar. Avdunstningen från fria vattenytor kan också vara stor. Under en varm sommardag med friska vindar kan upptill en centimeter vatten avdunsta från en öppen vattenspegel och i genomsnitt uppgår avdunstningen från vattenytor på sommaren till ca 3 mm per dygn.

Nederbörd och vattenföring (d v s flöde) i Höje å vid Trolleberg (strax nedströms Källby avloppsreningsverk) under 2001. De röda staplarna visar nederbörden per dygn och den blå kurvan flödet i m3/s. Trots att det regnar mest under sommaren är flödena då som lägsta, vilket beror på att även avdunstningen är störst under sommarhalvåret.

Diagrammet över flödesvariationerna i ett vattendrag. Ån har hela tiden ett basflöde som utgörs av grundvatten. Basflödet är större under vintern än under sommaren. När det regnar tillförs ån stora mängder ytvatten, vilket ger en flödestopp. Även grundvatten-utströmningen ökar efter regniga perioder, i takt med att grundvattenmagasinen fylls på.

Samtidigt som flödena är som lägst är också behovet av bevattning av åkrar och trädgårdar som störst under sommaren. Därför kan vattnet ofta bli en bristvara som innebär konflikter mellan naturvården och andra intressen, trots att det finns vatten i överflöd, sett över hela året.

Många vattendrag tar också emot stora mängder avloppsvatten från tätorternas reningsverk. Under sommarens lågflödesperioder kan detta vatten utgöra en dominerande del av det totala flödet, vilket då kan medföra en ökad föroreningskoncentration. Ett exempel på detta är Höje å, där en stor del av vattenflödet nedströms Lund, sommartid utgörs av vatten från Källby avloppsreningsverk.

Även under sommaren kan det emellertid uppstå tillfälliga högflöden och översvämningar vid kraftiga regn. Särskilt påtagligt kan detta bli i vattendrag där en stor del av avrinningsområdet utgörs av asfalterade eller andra hårdgjorda ytor, där vattnet snabbt rinner av. Även på andra marker kan vattnet till en början ha svårt att infiltrera genom den torra jordytan, vilket också ger en snabb ytavrinning och snabba ökningar av flödena i vattendragen.

Vid långa perioder utan regn utgörs vattendragens flöde till största delen av ett grundvattenflöde, som ibland kallas basflöde. Basflödet är viktigt för att vattendragen skall förbli vattenförande året runt. Grundvattnet når ån via utströmningsområden, d v s områden där grundvatten tränger fram i markytan. Ofta finns utströmningsområdena nere i åfåran eller i ådalen.

Om marken dräneras sjunker ofta grundvattennivån, eftersom mycket av nederbörden fångas upp av dräneringsrören istället för att sippra ner till grundvattnet. Vid dräneringar intill ån är risken därför stor att grundvattenutflödet till ån minskar. Även om dräneringsvattnet också förs ut i ån innebär dräneringen ökade fluktuationer i vattendraget med ökad risk för uttorkning sommartid. Detta eftersom dräneringsvattnet snabbt förs ut i ån efter ett regn, medan grundvattenutströmningen är mer jämnt fördelad över tiden.

Områden där en del av nederbörden infiltreras genom markprofilen och når grundvattnet kallas inströmnings- områden, medan ytor där grundvatten istället tränger fram i marktyan kallas utströmningsområden. Utströmningsområden finns ofta på låglänta marker nere i ådalen. Många vattendrag får, via utströmningsområdena, ett visst grundvattentillflöde som kan vara viktigt för att hindra vattendrag från att torka ut under torrtider.

Att mäta vattenflödet

Att känna till storleken på vattenföringen (d v s flödet) i ett vattendrag är nödvändigt i många sammanhang. Det gäller bl a vid beräkning av mängden närsaltämnen som ett vattendrag transporterar ut till havet, för att kunna avgöra om det finns utrymme för bevattningsuttag från en å, eller vid prövningar av olika vattenärenden i miljödomstolen.

I de flesta åar finns därför vattenföringsstationer där SMHI utför löpande mätningar av vattenflödet. Mätningarna sker normalt genom att en s k avbördnings-kurva upprättas, som visar sambandet mellan vattenflödet och vattennivån på den aktuella platsen. Vid mätstationen sätts också en pegel (en stor linjal) ute i vattendraget. Därefter kan man enkelt läsa av vattennivån på pegeln och sedan direkt läsa ut vattenföringen från avbördningskurvan. För att ge tillförlitliga värden måste vattenföringsstationen placeras just ovanför en s k bestämmande sektion, d v s ett parti i vattendraget där vattnet går från ett strömmande (= lugnflytande) till ett stråkande (= turbulent, snabbt rinnande) tillstånd. Sådana platser finns t ex vid anlagda dämmen, naturliga trösklar eller smala passager i vattendraget.

För vattendrag, som saknar egna mätningar av flödet, kan man nu också ta fram ungefärliga flödesuppgifter med hjälp av datamodeller (t ex SMHI:s så kallad PULS-modell) som baserar sig på markanvändning, nederbördsmätningar och avrinningsstatistik från närbelägna åar. För den som själv vill ta reda på den ungefärliga vattenföringen i ”sitt” vattendrag finns också enklare metoder att tillgå, t ex ytflottörmetoden.

	För att kunna mäta flödet i ett vattendrag kan en ”bestämmande sektion” skapas, genom att anlägga ett överfall. Ett överfall med triangulärt utskov med 90 graders vinkel (som på fotot) kallas för Thompsonöverfall. Vattenföringen förbi ett Thompsonöverfall kan enkelt skattas med följande formel: Q = 1,46 x höjden 5/2, där höjden är lika med avståndet från spetsen till vattenytan.

Ytflottörmetoden Ytflottörmetoden är ett enkelt sätt att ungefärligt uppskatta vattenföringen, utan någon specialutrustning. Metoden bygger på att vattenföringen genom ett tvärsnitt i vattendraget är lika med tvärsnittsarean multiplicerad med vattnets medelhastighet i tvärsnittet. Allt som krävs för att utföra mätningen är ett tidtagarur och en tumstock. Utförande: 1. Mät upp en sträcka utmed vattendraget där vattnet flyter fram i en jämn ström och bottnen är så jämn som möjligt. Markera gärna sträckan med pinnar. 2. Tag reda på tvärsnittsarean på 2-3 platser längs den uppmätta sträckan enligt följande: Mät bredden (vid vattenytan) och djupet på 5-10 ställen med jämna mellanrum tvärs över fåran (tvärsnitt). Tvärsnittsarean blir lika med medelvärdet av de uppmätta djupen multiplicerat med bredden. Räkna sedan fram medelvärdet för de olika tvärsnittsareorna 3. Mät strömhastigheten genom att slänga ett flytande föremål (flottören) i vattnet en bit uppströms den uppmätta sträckan. Det är viktigt att föremålet hamnar mitt i strömfåran där vattenhastigheten är störst. Använd gärna ett föremål som ligger ”djupt i vattnet” t ex en blöt pinne eller brädbit. 4. Mät tiden det tar för föremålet att flyta från början till slutet av den uppmätta sträckan. Upprepa gärna mätningen ett par gånger. 5. Beräkna vattenföringen enligt: Vmax = l / t Q =k x Vmax x Amedel Vmax = vattnets hastighet l = längden (m) på den uppmätta sträckan t = tiden (i sekunder) det tar för flottören att flyta den uppmätta sträckan. Q = vattenföringen i m3/sek k = koefficient vars storlek beror på bottnens utseende: Mycket ojämn botten med sten, vass eller gräs: k = 0,5 Något ojämn botten med sten: k = 0,6 Jämn botten med sand eller grus: k = 0,7 Jämn konstgjord sektion av betong, trä eller stål: k = 0,8 Amedel = medelvärdet av de tvärsnittsareor som beräknats från 2-3 ställen utmed mätsträckan.

Karakteristisk vattenföring

I Sverige beskrivs åarnas vattenflöden vanligen med hjälp av s k karakteristiska vattenföringar och varaktighetsvärden. Exempel på karakteristiska vattenföringar är högsta högvattenföring (HHQ), medelvattenföring (MQ) och lägsta lågvattenföring (LLQ). Ju längre tid som flödet har mätts i ett vattendrag, desto säkrare blir de framräknade vattenföringsuppgifterna.

För att få riktigt tillförlitliga siffror krävs en minst 30-årig mätserie. Men vattenföringsuppgifterna blir aldrig definitiva, utan justeras hela tiden när nya data om vattenföringen kommer in. Särskilt högsta högvattenföring (HHQ) eller lägsta lågvattenföring (LLQ) kan ändra sig snabbt då en extremsituation uppstår.

Vid beskrivning av vattenföringen anges ofta även frekvensen av olika hög- och lågvattensituationer. En högflödestopp som är så stor att den i genomsnitt endast inträffar en gång vart tionde år brukar t ex kallas för ett tioårsflöde. Denna typ av uppgifter är viktigt att veta vid dimensionering av vägtrummor, brovalv och liknande, där man vill anpassa kapaciteten efter t ex ett femtioårsflöde.

Stenpartiet i bild utgör ett dämme i vattendraget. Uppströms dämmet är vattnet lugnflytande och vattenytan spegelblank (A). Vattenflödet är här "strömmande". Nedströms dämmet är vattendraget grundare, vattnet rinner snabbare och vattenytan är krusig. Här är vattnet "stråkande" (B). Ett parti i vattendraget där en övergång sker mellan strömmande och stråkande vatten är en bestämmande sektion eller kontrollsektion. Strax uppströms den bestämmande sektionen råder ett entydigt samband mellan vattenståndet och vattenföringen (l/s). Här är det lämpligt att sätta upp en pegel (mätskala) där vattennivån kontinuerligt kan avläsas. För att få reda på vattenföringen måste det finns en avbördningskurva, där sambandet mellan olika vattennivåer och vattenföringar redovisas. Avbördningskurvan upprättas genom en serie vattenföringsmätningar i vattendraget vid olika flödessituationer

Vid Slogstorps mölla, i Kävlingeåns vattensystem mäts flödet kontinuerligt vid dammens utlopp för att ge underlag till beräkningar av kväve- och fosforreduktion i den anlagda dammen.

Vid dränering minskar regnvattnets infiltration till grundvattnet, eftersom mycket regnvatten fångas upp av dräneringsrören. Detta leder ofta till sänkta grundvattennivåer, vilket i sin tur kan ge ett minskat grundvattenutflöde till ån och ett minskat basflöde. Detaljbild: Dräneringsrör i en markprofil. Rören ligger under rotsystemen och ovanför grundvattnet.

Hög- och lågvatten - förr och nu Människans alla ingrepp i landskapet under 1800- och 1900-talen har kraftigt påverkat vattenflödet i de västskånska åarna. Den effektiva utdikningen av landskapet och den ökande andelen dagvattenutsläpp från tätorternas hårdgjorda ytor har gjort att flödesvariationerna ökat. Förr i tiden var högflödesperioderna sannolikt betydligt mer utdragna än idag. Detta beror på att landskapets vattenmagasin, i form av våtmarker, oreglerade sjöar och öppna slingrande vattendrag med mader, var mycket större. Vattnets uppehållstid i landskapet blev på så vis längre. Hur mycket längre är svårt att säga. I vissa situationer kan emellertid dränerad mark innebära en tillfälligt fördröjd avrinning eftersom den dränerade, ej vattenmättade, övre markzonen temporärt kan fungera som ett fördröjningsmagasin. Det man utan att tveka vågar påstå är att vi förändrat grundvattnets nivå permanent. På många ställen är grundvattennivån sänkt med över en meter. Exempel på vattennivåns läge vid olika karakteristiska vattenföringar: Medellågvattenföring (MLQ): Medelvärdet av varje års lägsta vattenföring. Medelvattenföringen (MQ): Medelvärdet av alla vattenföringsvärden under mätperioden. Medelhögvattenföring (MHQ): Medelvärdet av varje års högsta vattenföring. Högsta högvattenföring (HHQ): Den högsta av alla vattenföringar under mätperioden.

En förklaring till detta är att en stor del av nederbörden inte infiltrerar ned till grundvattnet utan avleds snabbt till ett dike eller en å.

Förr var troligen ”basflödet” större, eftersom en stor del av nederbörden på en odikad mark troligen ombildades till grundvatten, vilket fick till följd att vattenståndet var högre under en längre del av lågflödesperioden.

Översvämning Kävlingeån vid Flyinge januari 2002 (flygbild).