Flomskadene øker i Norge: Vannkraft og flomsikring – to fluer i en smekk?

Vannmagasin i Norge er etablert for å sikre tilgang til vann til kraftproduksjon gjennom vinteren med lite naturlig tilsig. Magasinene har også vist seg nyttige til å dempe flom og har spart samfunnet for store beløp i form av reduserte skader. Dette krever ledig kapasitet i magasinene når flommen kommer.

Denne artikkelen utgjør kapittel 11 i boken «Natur og teknologi». Artikkelen uttrykker forfatternes mening.

Vannmagasiner i fjellet representerer naturinngrep som må balanseres mot nytteverdien av fornybar energi og mulighet for flomdemping. Bildet viser Sysendammen og Sysenvatnet ved Eidfjord som regulerer vannet til Vøringsfossen. (Foto: Tor Haakon Bakken.)

Vann og vannets krefter har formet landskapet vi lever i og flom er en naturlig forekommende prosess. Elveviftene vi bor på langs kysten og i dalene og de store elvedeltaene der millioner av mennesker i verden bor og høster sine avlinger er skapt av masser transportert i flommer gjennom tusenvis av år. Men disse flate, grøderike områdene ble også lett tilgjengelige og enkle områder å bosette seg på, og de naturlige flomprosessene har endret seg fra å være en livgivende ressurs til en trussel.

Flommer kan utarte på mange måter alt etter årsak, hvor og når de inntreffer. På våren eller tidlig sommer skaper snøsmeltingen de årvisse vårflommene. Snømengdene avgjør volumet vann, mens temperatur og snøfordeling påvirker intensitet og størrelse på flomtoppen. Hvis snøen er jevnt fordelt og temperaturen slår brått om til sommervarme etter en kald vår, kan man forvente store flommer som «Vesleofsen» i Glomma og Lågen i 1995. Kombineres slike episoder med store nedbørsmengder blir situasjonen vesentlig forsterket. «Storofsen» i 1789, den største kjente flommen i Norges historie, var en slik hendelse.

Ekstreme, lokale nedbørsmengder kan medføre voldsomme, lokale styrtflommer. I bratte vassdrag skaper disse store krefter og erosjon og ras som kan være svært farlige. Disse oppstår vanligvis på sensommeren. Uværsperioder utover høsten kan ramme større områder og skape typiske høstflommer. Kombinert med tidlig snøfall og et heldekkende snølag med etterfølgende varm, fuktig luft og mye nedbør, utgjør disse et potensial for flommer både lokalt og over store områder. Dette var tilfelle i Nord-Gudbrandsdalen i 2018 og er noe vi kan forvente flere av i et fuktigere og mer variabelt fremtidig klima.

Hvor folk bor og infrastrukturene finnes, har mye å si for konsekvensene av flommene. Dette har påvirket utviklingen av kostnadene knyttet til flommer de siste tiårene (figur 1). Både antall skader og kostnader for hver skade har økt kraftig siden 2000. Dette har medført at det har blitt utarbeidet aktsomhetskart for flom og skjerpede krav til utbygging (TEK17[1]) der kartene viser hvor det kan være fare for en eller flere flommer i løpet av 200 år.

Figur 1. Norske forsikringsselskapers utbetalinger knyttet til flomskader siden 1980, kostnadene pr innmeldt skade og utviklingen for de to gitt i form av trendlinjer (illustrasjon: Oddbjørn Bruland, kilde: NASK).

Kravene i TEK17 hindrer eller legger strenge føringer på hvilke nye tiltak som kan gjennomføres i slike områder. Et voksende dilemma er at områdene på en eller annen måte er tatt i bruk. Skal man hindre flomskadekostnadene å vokse i takt med klimaendringene, må man her finne kostnadseffektive sikringstiltak. Vannkraftmagasiner kan være en løsning der forholdene ligger til rette for det.

Magasinenes rolle i kraftproduksjonen

Formålet med et vannkraftmagasin er å lagre vann fra perioder med overskudd til perioder hvor tilsiget alene er for lite til å møte samfunnets behov for vannkraft. Magasinene er energilagre og størrelsen på lageret bestemmes ut fra volumet som befinner seg mellom høyeste (HRV) og laveste regulerte vannstand (LRV) (figur 2) og fallhøyden ned til kraftverket. Avstanden mellom HRV og LRV kalles reguleringshøyde, og oppgis i meter. HRV og LRV er størrelser gitt i konsesjonen til vann­kraftanleggene. Fallhøyden, magasinvolumet og sammenhengen mellom volum og dybde (magasin­kurven) er viktig i planlegging av driften av vannkraftanlegg (figur 2)

Figur 2. Plasseringen av høyeste regulerte vannstand (HRV) og laveste regulerte vannstand (LRV) og vannstand ved et gitt tidspunkt (faktisk vannstand) med dybdekart og magasinkurve til høyre.

Figur3. Oversikt over reguleringshøyder for norske magasin. Reguleringshøyde er forskjellen mellom Høyest regulerte vannstand og Lavest regulerte vannstand (kilde NVE).

Reguleringshøyden i norske vannmagasin varierer fra mindre enn 2 meter til over 100 meter mellom laveste og høyest vannstand. Til sammenligning er naturlig variasjon i uregulerte innsjøer normalt mindre enn 2 meter. Det er nesten 1600 reguleringsmagasin i Norge, og fordelingen av regulerings­høyder er som gitt i figur 3.

For en vannkraftprodusent har magasinene to formål. Det viktigste er å redusere flomtapet og å ut­nytte mest mulig av vannet til kraftproduksjon. Det andre formålet er å ha vann tilgjengelig for produksjon når strømprisene er høye. I et marked med en stor andel vannkraft, slik som det norske, er det ofte en klar sammenheng mellom formålene. Prisene er lave når vannbalansen er positiv (mye vann tilgjengelig) og høye når den er negativ (figur 4). Et gradvis større innslag av ikke-regulerbar sol- og vindkraft og forstyrrelser i det europeiske energimarkedet etter 2021 har påvirket sammen­hengene og gjort prisene betydelig mer uforutsigbare.

Figur 4. Energiforbruk og produksjon presentert i % av maksimalt forbruk og kapasitet i perioden 2013-2020. Hydrologisk balanse i TWh. Systempris er gitt i kr/kWh (illustrasjon: Oddbjørn Bruland, kilde: Nordpool, NVE og Statnett).

Vannkraftprodusentens evne til å utnytte variasjonene i tilsig og pris avhenger i stor grad av mulighetene til å lagre vann. Verdien på vannet i magasinene, vannverdien, beregnes daglig i en optimaliseringsprosess, og så lenge denne er høyere enn systemprisen for strøm ønsker vann­kraftprodusenten som regel å produsere. Tall fra NVE viser at omtrent 2/3 av energitilsiget i Norge kan lagres, noe som gir oss svært høy reguleringsevne sammenlignet med andre land og dermed stor evne til å utnytte prisvariasjoner i energimarkedet.

Når flommen kommer

Ved flomvarsel og fulle magasin går vannverdien mot 0 kr/kWt. I slike situasjoner er samfunnets og kraftprodusentens interesser sammenfallende. Kraftprodusenten vil redusere sitt flomtap ved å forhåndstappe vann og frigi plass til flomvannet i magasinet. Dette demper samtidig flommene nedstrøms. Utover dette har kraftprodusenten ingen incitament til aktiv flomdempning. Når en større flom med skadepotensial varsles, kan likevel Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE) pålegge tapping for å dempe flommen. Stemmer ikke varselet kan dette føre til økonomiske tap for kraft­produsenten. Per nå finnes det ingen kompensasjonsordning som kan inkluderes i optimali­seringen og styringen av magasinene og dermed gjøre tapping til en innebygd del av produksjons­planleggingen hos kraftselskapene.

Mer enn 96% av magasinert vann lagres i de større magasinene og mer enn halvparten av magasinene i Norge er for små til å gi nevneverdig bidrag til reguleringsevnen. Tilsvarende gjelder med tanke på evnen til å dempe større flommer. Det er ikke nok å ha et magasin for hindre en skadeflom. Magasinet eller magasinene i vassdraget må ha stor nok ledig kapasitet til å lagre flomvolumet. Kraftselskapet må derfor ha varsel tidlig nok til å kunne tappe ned et tilstrekkelig volum. Helst vil de tappe dette ned gjennom kraftstasjonen for å unngå økonomisk tap.

I de tilfeller de ikke rekker dette kan regulering medføre en forsterkning av flommen. For å hindre et dambrudd skal en dam ha avledningskapasitet tilsvarende en 1000-års flom. Hvis magasinet er fullt når flommen inntreffer vil vannføringen ut av magasinet være høyere enn den sannsynligvis ville vært uten oppdemming. Uten nedtapping kan dermed flomdempningen i vassdraget være mindre enn før det ble regulert.

Hvor stor lagringskapasitet som behøves for å dempe en flom avhenger av typen flom. Vårflommer og flommer på grunn av nedbør over større områder skaper store volum og magasin med liten kapasitet vil ha liten effekt. Derimot kan små magasin ha stor dempende effekt på lokale styrtflommer der flomtoppen er høy og volumet lite. Ved å dempe flomtoppen kan man ta kreftene ut av vannmassene og dermed redusere konsekvensene nedstrøms betydelig. Magasinet vil i tillegg kunne fungere som en sperre for stein og grus i bevegelse under flommen, og på den måten redusere nedstrøms konse­kvenser.

Studier av Telemarksvassdraget[2] viser at magasinene som er etablert her kan redusere vannstanden med opptil 2.5 meter nedover vassdraget for en 500 års flom. Glover m.fl.[3] fant at besparelsene i unngåtte skader trolig vil overstige 100 millioner kroner årlig. Den kapitaliserte verdien av unngåtte flomskader langs Telemarksvassdrag blir dermed i størrelsesorden 2-3 milliarder kroner, takket være reguleringene.

Under ekstremværet «Hans» som rammet store deler av Sørøst-Norge i 2023 viser analyser av Bratlie m.fl.[4] at regulering av Hallingdalselva reduserte vannføringen forbi Gol og Nesbyen med om lag 300 m³/s, og vannstandene med 0,5-1,0 meter. Uten regulering ville skadekostnadene blitt bortimot doblet. I Nesbyen ville de ha økt fra 200 millioner kroner til 363 millioner kroner, mens de i Gol ville ha økt fra 27 til 95 millioner kroner.

Analyser av «Vesleofsen» i Glomma og Lågen i 1995 viser at nedtapping i magasinene i påvente av vårflommen redusert vannføringen med 10-20% ved ulike lokaliteter langs vassdraget. Reduksjonen var størst for områdene lengst nedstrøms i vassdraget. I Øyeren nådde vannstanden nær kritisk nivå og reguleringen førte til en betydelig reduksjon av skadeomfanget.

Vannkraft og virkninger på natur og miljø

Vannkraftprosjekter vil alltid medføre inngrep i naturen. Naturgitte forhold, tilgjengelighet av vann og fallhøyde og muligheten for å anlegge dam og magasin påvirker utformingen av anleggene. Det er derfor stor grad av skreddersøm av vannkraftanlegg, og miljøkonsekvensene er følgelig også unike for det enkelte anlegg. Likevel er det mulig å si noe generelt om typiske miljøkonsekvenser, basert på de fysiske endringene vannkraftreguleringen introduserer.

En vanlig måte å geografisk gruppere miljøkonsekvensene fra vannkraftreguleringer på er (figur 5):

• Magasinområdet.
• Fraførte elvestrekninger.
• Elvestrekninger nedstrøms utløp av kraftverk.

Figur 5. Prinsippskisse som viser et vannkraftverk med magasin og elvestrekninger påvirket av vann­kraftreguleringen.

Miljøvirkninger ved etablering av og i magasinet

Magasin muliggjør lagring av energi og er hjørnesteinen i norsk vannkraft. I Norge er en stor andel av magasinene basert på utnyttelse av eksisterende innsjøer (figur 6)[5]. Ved utnyttelse av en eksisterende innsjø, uten utvidelse, kan regulanten anlegge en dam ved utløpet av innsjøen for å kontrollere av­løpet. Det er også mange magasin uten dammer hvor regulanten benytter muligheten til å senke vannstanden i magasinet og derigjennom utnytte volumet fra den opprinnelige vannstanden og ned dit magasinet senkes.

Det er også tilfeller der man ved hjelp av dammer har slått sammen flere innsjøer og laget større magasin slik som Blåsjø i Rogaland (figur 7).

Figur 6. Ulike måter magasin er etablert på i Norge med neddemmet vannområde (venstre), utvidet eksisterende innsjø (midt) og innsjøer med kontrollerbart utløp (høyre). Fargene henviser til ulike arealkategorier før etablering av magasin.5

Figur 7. Magasinet Blåsjø er en del av Statkrafts Ulla-Førre regulering, og fotoet viser området før og etter magasinet ble etablert (kilde: www.norgeibilder.no)

Miljøvirkningene i magasinområdet vil først og fremst være gitt av i hvilken grad den opprinnelige elva eller innsjøen er endret. Når magasinet først er etablert og dette anses som en innsjø, vil miljø­virkningen i stor grad avhenge av reguleringshøyden. Som en tommelfingerregel vurderes det slik at vannstandsvariasjoner mindre enn 2 meter har begrenset negativ effekt på vannmiljøet i magasinet[6].

Dette er imidlertid en svært grovkornet beskrivelse av konsekvensene. En mer presis vurdering bør inkludere en analyse over hvor store områder som blir tørrlagt når magasinvannstanden varierer mellom HRV og LRV, hvilke organismegrupper som nyttiggjør de ulike sonene i en innsjø og hvordan de ulike organismegruppene i sonene responderer på endringene, samt de fysiske endringene slik som vanntemperatur, is, strømningsforhold og erosjon.

Det er vanlig å dele en innsjø inn i tre soner; den pelagiske, den litorale og den profundale (figur 8).

Den pelagiske sonen er de såkalte frie vannmassene, denlitorale er den sonen som ligger ned til det dypet hvor lyset penetrerer og er den mest produktive delen av innsjøen, mens den profundale sonen er fra det dypet der lyset er så svakt at planteplanktonet ikke har noen netto fotosyntese og ned til bunnen av innsjøen. Overgangen mellom der den litorale sonen slutter og den profundale sonen starter omtales ofte som kompensasjonsdypet.

Det er antatt at det er den litorale sonen av innsjøen som blir mest påvirket ved en vannkraft­regulering, både fordi dette er ansett som den mest produktive delen av innsjøen, men også fordi vannstandsvariasjonene vil ha størst innvirkning på de fysiske prosesser og det biologiske livet i denne sonen.

Figur 8. Skjematisk inndeling av en innsjø i pelagisk, litoral og profundal sone. Den pelagiske sonen er de frie vannmassene over kompensasjonsdypet, den litorale sonen vannmassene langs strandlinja og ned til kompensasjonsdybden, mens den profundale sone.

Miljøvirkninger på elvestrekninger med fraført (redusert) vannføring

Fraførte elvestrekninger er deler av vassdraget med redusert vannføring som følge av oppstrøms inntak som leder vannet helt eller delvis til et magasin eller et kraftverk. Andel av vannet som ledes bort avhenger av vilkår om minstevannføring gitt i konsesjoner og kapasitet på overføringer. Over­føringskapasiteten påvirker også hvor ofte og hvor store flommer man vil få nedstrøms inntaket. Disse flommene og når de inntreffer har sammen med minstevannføringskrav og lokalt tilsig ned­strøms inntaket stor betydning for miljøtilstanden i de fraførte elvestrekningene.

Fastsettelse av minstevannføring i fraførte elvestrekninger er et viktig tiltak for å avbøte miljø­konsekvensene av vannkraftreguleringer. Samtidig er dette vannslipp som gir tapt kraftproduksjon, med mindre vannet kan sendes gjennom turbinene på vei ned vassdraget. I så måte er dette myndig­hetenes avveining av ønsket om ren, fornybar energiproduksjon satt opp mot tap av natur.

Miljøvirkninger på elvestrekninger nedstrøms utløpet av kraftverket

Elvestrekningene nedstrøms utløpet av kraftverket vil ikke oppleve reduksjon i vannføring, i gjennom­snitt over året. Men magasinet vil bidra til å «glatte ut vannføringene», de lave vannføringene vil bli høyere enn før regulering, og de høye vannføringene (flommene) vil bli lavere.

Endring i flomfrekvens og størrelse påvirker også økologien. Reduserte eller bortfall av flommer er i et økologisk perspektiv negativt da flommer er en ønsket forstyrrelse av det fysiske og økologiske systemet. Bortfall av flommer vil kunne medføre at finmateriale sedimenterer på elvebunnen mellom større steiner og pakker bunnmaterialet sammen. Regulerte elver kan derfor oppleve en slags armering av bunnsubstratet som er nærmest låst og vanskelig å bevege. Et mer pakket substrat reduserer habitatkvaliteten langs elvebunnen, da hulrom forsvinner og substratet blir vanskeligere å flytte på og grave i for arter som ørret og laks som legger egg i elvegrusen. Flommer vil remobilisere materiale på elvebunnen og langs elvebredden, vaske ut finere materiale og gjenskape og vedlikeholde det naturlige habitat.

Bortfall av flommer kan videre medføre gradvis gjengroing av elveleiet (figur 9). Jevnlige flommer har tidligere forstyrret vegetasjon fra å etablere seg, men har gradvis inntatt områder som før regulering var uegnet habitat for enkelte planter og trær.

Figur 9. Grusbanken i Surna nedstrøms utløpet av Trollheim kraftverk viser tydelig gjengroing i elveleiet i løpet av tidsperioden etter vannkraftreguleringen. (Kilde: www.norgeibilder.no).

Hvordan vurdere effekten av flomdempning?

For å beregne flomdempning i et magasin trenger vi en del grunnleggende data om magasinet, det vil si magasinkurven og kapasiteten til tappeluker, overløp, og tapping gjennom kraftverk (figur 10), og informasjon om flommen inn i magasinet.

Reguleringsevnen kan beregnes gjennom enkle analyser av tilsigsvolum og avløpskapasitet[7] og hydro­logiske metoder som håndterer tidsforsinkelser eller i spesielle tilfeller der strømningsforholdene er mer kompliserte med mer avanserte hydrauliske modeller.

Flomdempningen i vassdraget er avhengig av hvor stor del av nedbørfeltet som drenerer til et magasin og deres plassering i vassdraget. I større vassdrag med flere magasin og overføringer av vann brukes avanserte simuleringsmodeller med strategier for hvordan magasinene opereres for best mulig håndtering av vann sett under ett.

Figur 10. Figuren viser et magasin med HRV og LRV, og hvordan vannet kan slippes fra magasinet, det vil si gjennom luker, ved produksjon fra kraftverket og gjennom overløp/flomløp (illustrasjon: Oddbjørn Bruland).

Som et eksempel på hvordan flomdempning kan se ut i et magasin er det vist en forenklet beregning for magasinet Bygdin, som er en del av reguleringen av Vinstravassdraget (figur 11). Figuren viser tilløpsflom til magasinet slik den var under flommen Vesleofsen i 1995, og utløpsflommen med to tenkte eksempler (1051 moh og 1053 moh) der startvannstanden i magasinet er høyere.

Figur 11 Flomdempning gjennom magasinet Bygdin. Den grå streken viser flommen inn i magasinet (tilsig), den gule streken faktiske vannstander under flommen i 1995, mens den grønne og den blå viser dempningseffekt hvis vannstander ved starten av flommen hadde vært høyere. X-aksen viser datoer gjennom mai, juni og juli i 1995.

Når magasinet er nær tomt med en vannstand på 1049 moh så er det ikke respons fra magasinet før i juli måned og magasinet lagrer nesten hele vårflommen. Tilsigsvolumet sammenliknet med avløpsvolum viser en reduksjon på 83% og overløp fra magasinet skjer først i starten av juli. Dette illustrerer to ønskede virkninger ved flomdempning, reduksjon av volum og vannføring i elven ned­strøms og utsatt respons fra magasinet og forsinket bidrag til flomtoppen.Med en initial vannstand i magasinet på 1051 moh ville reduksjonen i volum være 56% og 31% ved en startvannstand på 1053 moh.

Det er vanligvis områdene nedstrøms magasinet som vil få størst skader ved flom. Internasjonalt er det gjort mange studier på hvilke kostnader stigning i vannstand har på ulik infrastruktur. I Norge har NVE utviklet et verktøy som beskriver en sammenheng mellom flommens gjentaksintervall og skade.

Framtiden med endret klima og mer sol- og vindkraft

Klimaendringene vil påvirke både norsk vannkraftproduksjon og magasinenes evne til å dempe flommer. Tilsiget de siste 30-40 årene har allerede økt sammenlignet med perioden hvor mange av de store vannkraftprosjektene i Norge ble planlagt og bygget[8]. Disse anleggene produserer derfor mer kraft i et gjennomsnittsår i dag enn hva som var forventet da de ble bygget, og tilsiget er forventet å øke ytterligere i årene fremover i store deler av Norge[9].Dette gir et potensial for økt vannkraftproduksjon i Norge, dersom det er tilstrekkelige kapasitet i magasiner, tunneler og installerte turbiner, og økningen kommer når det er kapasitet i systemet.

NVE sine analyser tyder på en gjennomsnittlig økning i energitilsiget på 4% mot midten av dette århundre og 7% for perioden 2071-2100 for det høyeste utslippscenariet. Analyser av anleggene til kraftselskapet Eviny viser både en økning i produksjon og flomtap[10]. De største økningene i energitilsig vil komme på Vestlandet, Sørlandet, Telemark og på Helgeland, mens økningene er moderate eller små på Østlandet, Trøndelag og Nordland, og negativ i Finnmark8.

Magasinenes evne til å dempe flom som følge av klimaendringer er så langt ikke undersøkt. En slik analyse må ta hensyn til at den tradisjonelle sesongmessige fyllingsgraden i norske magasin vil kunne endres, både grunnet klimaendringer og endringer mot en større andel ikke-regulerbar energiproduksjon i Norge og Europa, samt ombyggingsplaner som inkluderer mer pumping og økt effekt.

Revisjon av vannkraftkonsesjonene[11] kan også påvirke fyllingsmønster i enkelte magasin. Utfra både miljø-, landskaps- og bruksmessige forhold er det et ønske fra allmenheten at magasiner fylles opp til et bestemt nivå tidligere på forsommeren. Et fåtall magasin har allerede et slikt pålegg. Høyere magasinfylling på et tidligere tidspunkt vil kunne redusere ledig kapasitet til flomdempning.

[1] TEK17: https://www.dibk.no/regelverk/byggteknisk-forskrift-tek17/

[2] Killingtveit, Å., Alfredsen, K., Rinde, T., Østhus, N., & Røhr, P. C. (2021). Flood-forecasting and flood manage­ment in Skienselva river system in Norway. The International Journal on Hydropower & Dams, 28(2), 67–73.

[3] Glover, B., Sælthun, N. R., & Walløe, K. L. (2018). Verdien av vassdragsreguleringer for reduksjon av flomskader.

[4] Bratlie, R., Walløe, K. L., & Halvorsen, K. (2024). Verdien av unngåtte flomskader under Hans i Gol og Nesbyen.

[5] Kenawi, M. S., Alfredsen, K., Stürzer, L. S., Sandercock, B. K., & Bakken, T. H. (2023). High-resolution mapping of land use changes in Norwegian hydropower systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 188. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113798

[6] Harby, A., Bakken, T. H., Hansen, B. T., Lindholm, M., Museth, J., & Sundt, H. (2023). Rapport HyMo 1.0-Hydromorfologisk klassifisering av vannforekomster i elver og innsjøer.

[7] Tingvold, J. K. (1999). Effekt av vassdragsreguleringer i Glomma og Lågen pả stor flom.

[8] NVE. (2019). Rapport2019_50. Rapport 50/19.

[9] Hanssen-Bauer, I., Førland, E. J., Haddeland, I., Hisdal, H., Mayer, S., Nesje, A., Nilsen, J. E. Ø., Sandven, S., Sandø, A. B., Sorteberg, A., & Ådlandsvik, B. (2015). Klima i Norge 2100 Kunnskapsgrunnlag for klimatilpasning oppdatert i 2015. www.miljodirektoratet.no/20804

[10] Beisland, C. S., Birkeland, C., Koestler, V. J., Longva, B., Sønju-Moltzau, B., & Øyslebø, E. V. (2017). Virkninger av klimaendringer på BKKs kraftproduksjon. www.nve.no

[11] NVE. (2013). Vannkraftkonsesjoner som kan revideres innen 2022. Nasjonal gjennomgang og forslag til priori­tering.