Management of a High Arctic River - Erosion and Sediment Transport in Longyearelva, Svalbard

Abstract

Som en konsekvens av økende fokus på geofarer gjennomføres en storstilt omstilling av infrastruktur og boligmasser i Longyearbyen, Svalbard (78⁰13’N, 15⁰38’E). Permanent erosjon- og flomsikring av Longyearelva ble ferdigstilt høsten 2019, etter en fireårig byggeperiode. Flere organer viste interesse for å igangsette et forskningsprosjekt som kunne resultere i en bedre forståelse av de rådende forholdene i det 22,2km2 store nedbørsfeltet rundt Longyearbyen. Denne masteroppgaven har dermed følgende problemstillinger; - Evaluere det nylig ferdigstilte erosjon og flomvernet. - Bidra til langsiktige observasjoner i Longyearelva, der vannføring, erosjon og sedimenttransport skal kvantifiseres og de respektive kildene skal identifiseres.

Feltarbeidet ble gjennomført i perioden fra 5. juni til 15. september og dekket det meste av smeltesesongen i 2020. Vannstand og vannføring ble målt med henholdsvis en vanntrykksensor og punktmålinger med injeksjon av oppløst salt, før forholdet ble uttrykt i likninger. Vannprøver for kvantifisering av transport av suspendert materiale ble innhentet med hjelp av en automatisk ISCO-pumpe mens bunntransport ble overvåket med bruk av fargede markører (kornstørrelsene grus – blokk). Geomorfologisk kartlegging av morenene og det fluviale systemet ble basert på fjernanalyse og feltobservasjoner, med god oppløsning både romlig og tidsmessig.

Kalkulering av kontinuering vannføring ga et gjennomsnitt på 1,5m3/s i 2020, der toppene i hydrografen på 8,6m3/s korrelerer med de rekordhøye temperaturene i den siste uken av juni. Høyeste målte konsentrasjon av suspendert materiale (KSM) var 24,1g/l (25.juni) og det spesifikke resultatet for transport av suspendert materiale (TSM) var 1866t/km2/yr. Ekstremverdiene for KSM samsvarer med de første oppsvingene i hydrografen, noe som indikerer en utvasking av lett tilgjengelig sediment. Både KSM og TSM er betydelig høyere enn i relativt tilsvarende nedbørsfelt - betydelig erosjon i morene kan ha økt tilførselen av materiale i tillegg til bygningsarbeid i kanalen. Kapasiteten for bunntransport i Longyearelva er små blokker eller større, ettersom selv de største markørene ble transportert 80m. Sedimentasjonsdammen som hadde kapasitet til 30 000m3 ble fylt og måtte tømmes i etterkant av flommen sent i juli. Plastringen av elvevollene viste bare tegn til skade nedstrøms Bunnbånd 8, som ellers viser tegn til kollaps og store setningsskader, noe som også ble dokumentert på andre bunnbånd. Litologi, byggeprosessen og kanalisering av vannet er elementer som antas å øke temperaturen i permafrosten og dermed redusere den mekaniske styrken i grunnen rundt bunnbåndene - en mulig forklaring på de skadene som har oppstått. Bunnbåndene har til en viss grad oppnådd målet om å hindre bunnsenkning, til tross for utbredte erosjonsgroper og transport av passive markører over bunnbånd 3 og 18.

Resultatet av målingene fra 2020 bidrar som planlagt til datagrunnlaget for videre arbeid i et langtidsperspektiv (RIS ID 11641). Den fulle effekten av flomvernet ligger noen sesonger frem i tid, ettersom det antas at systemet trenger tid til å oppnå likevekt mellom transportkapasitet og tilgjengelig materiale. Analyse av termisk data fra elvekanalen og morene er anbefalt for videre forskning.

The High Arctic town, Longyearbyen (78⁰13’N, 15⁰38’E), is rearranging its infrastructure as a consequence of increasing geohazards and awareness. After establishing permanent scour and flooding mitigation (sills and riprap) in Longyearelva, several institutions found it interesting to enhance the understanding of the local glaciofluvial system draining the 22.2km2 catchment. Therefore, the objectives for this thesis were to; - Assess the scour and flooding mitigation over the first ablation season since completion. - Quantify discharge, erosion, sediment transport and investigate the associated sources. - Contribute to the long-term monitoring in Longyearelva.

Fieldwork was conducted from June 5th to September 15th, covering most of the 2020 ablation season in Longyearelva. Water-stage and discharge rating curves were established from a water pressure transducer and point measurements of discharge from slug injection of diluted salt. Water samples were acquired using an automatic ISCO-pump, and suspended sediment concentration (SSC) was determined gravimetrically and used to calculate suspended sediment yield (SSY). Bedload transport was monitored using coloured passive tracers (pebble to large cobble). Geomorphological mapping of the moraines and the fluvial system was based on remote sensing data with relatively high spatial- and temporal resolution combined with field observations.

The hourly hydrograph illustrates an average discharge of 1.5m3/s and peaks up to 8.6m3/s. The peaks correlate with the record high air temperatures in late July. The highest recorded SSC at 24.1g/l coincides with the rising limb of the hydrograph on July 25th and indicates flushing of easily available sediments. The specific SSY was 1866t/km2/yr, and both SSC and SSY were considerably higher than in comparative catchments - erosion and active layer detachments in the moraine could have increased the sediment input combined with construction work. Bedload transport capacity is at least large cobbles, as transport of the largest passive tracers was documented. The sedimentation dam with an initial volume of 30 000m3 had to be excavated to increase the capacity after the late July Flooding. The riprap remained intact with only minor damages downstream Sill 8. Several sills collapsed or subsided, some developed scour holes, and a few remained intact. Lithology, construction work, and channelized water arguably affect the ground thermal regime and thus the mechanical strength of the ground around the sills – which could explain the subsidence and collapse. The scour mitigation limited a general channel degradation despite some scouring holes and transport of passive tracers over Sill 3 and 18.

Baseline data for further studies were acquired as planned and contributed to the established monitoring program (RIS ID 11641). It is believed that the system needs time to achieve an equilibrium between capacity and available sediments before the full effect of the scour mitigation can be revealed. An analysis of thermal data in the fluvial channel and the moraines are considered highly interesting for further research.