side 1 av 26

Ove Arup & Partners Danmark A/S

UTSLIPP AV KJØLEVANN TIL NORSJØ MODELLERING AV SPREDNING AV STOFFER I

NORSJØ – «FAR FIELD»

Dato: 09.09.2020 Versjon: 04

www.asplanviak.no

side 2 av 26

Dokumentinformasjon

Oppdragsgiver: Ove Arup & Partners Danmark A/S Tittel på rapport: Far-field modellering Oppdragsnavn: Bistand Arup Bistand Arup Oppdragsnummer: 623124-01 Utarbeidet av: Gerard Dam Oppdragsleder: Johannes Aicher Tilgjengelighet: Åpen

Sammendrag

Et nytt kjølevannsutslipp til Norsjø fra et datesenter ved Gromstul er under planlegging, og det er nødvendig å vurdere potensielle miljøeffekter av utslippet. I denne rapporten presenterer vi resultater av ‘far-field’ modellering av utslippet. Det er behov for utredning av potensielle miljøeffekter og kvalitet av drikkevann, som følge av utslippet.

Tidligere har Asplan Viak modellert transport og fortynning i ‘near-field’ – det vil si fra utslippspunktet fram til innlagring av utslippsvannet i vannsøylen (Asplan Viak, 2020a). Konklusjonen var at utslippet fortynnes med en faktor på x15 i 10 meters avstand fra utslippspunktet, selv i de mest konservative scenariene. Beregningene av temperatur indikerer en liten og svært lokal temperaturøkning i Norsjø.

I denne rapporten har vi undersøkt spredning og fortynning til resten av innsjøen, særlig vektlegges spredning til:

1. Datasenterets kjølevanninntak, ca. 80 m fra utslippspunktet; 2. Skien kommunes drikkevannsinntak, ca. 9 km nedstrøms utslippspunktet; 3. Vanninntak industri, ca. 10 km nedstrøms utslippspunktet.

Resultatene fra disse to rapportene skal brukes til utarbeiding av konsekvensutredning for vannmiljø i driftsfase og utslippssøknad i driftsfase.

Near-field modellen (Asplan Viak, 2020a) viste, at 18 meter fra utslippspunktet var temperaturøkningen under 1 grad fra bakgrunnstemperaturen i de mest konservative scenariene. I vanninntak for industri, 10 km fra utslippspunktet, kan vi derfor forvente at temperaturen er tilbake til bakgrunnsnivået (<0.1 grad forskjell). Vi har derfor ikke inkludert temperatureffekter i denne modelleringen.

Spredning i innsjøen er påvirket av avrenning fra de elvene, vind-generert strømning og stratifikasjon. Vi har modellert fire scenarier hvor vi har undersøkt spredning og fortynning under forskjellige forhold. Vi har modellert spredning uten nedbrytning, det vil si at resultatene er konservative for stoffer som nedbrytes. De fire scenariene er:

1. Vinterscenario uten stratifikasjon; 2. Sommerscenario med stratifikasjon; 3. Worst case scenario for eget kjølevannsinntak; 4. Worst case scenario for Skien kommunes drikkevannsinntak.

Scenario 1: I vinterscenariet uten stratifikasjon finnes begrenset spredning av stoffer fra utslippspunktet til drikkevannsinntaket. Mesteparten av utslippet renner nedstrøms til Skotfoss dam, men en liten del sprer seg til den sørlige delen av Norsjø. Vi beregner en fortynningsfaktor på x3180

side 3 av 26

ved Skien kommunes drikkevannsinntak og en fortynningsfaktor på x97 ved eget kjølevannsinntak. Vanninntaket for industri har den samme fortynningsfaktoren som drikkevannsinntaket. Scenario 2: I en sommersituasjon med stratifikasjon har Asplan Viak (2020a) beregnet at ‘plumen’ stiger opp til øvre delen av vannsøylen. Derfor er det usannsynlig at det finnes utveksling av vann og stoffer mellom øvre og nedre del av vannsøylen. Siden datasenterets kjølevanninntak, drikkevannsinntak og industriinntak finnes i nedre delen av vannsøylen kommer utslippet ikke i berøring med vanninntakene. Scenario 3: I en worst-case situasjon for datasenterets kjølevannsinntak, med lav vannføring og ingen vind, er fortynningsfaktor x58 for kjølevannsinntak, basert på en horisontal avstand på 80m mellom uttak og inntak. I en situasjon med gjennomsnittvannføring blir fortynningsfaktor x97 for datasenterets kjølevanninntak. Vind generer sirkulasjonsstrømninger i innsjøen som medfører mer spredning og fortynning og fortynningsfaktor blir større under disse forhold. I dette scenariet er det fare for kortslutning mellom datasenterets kjølevannsuttak og inntak, som kan medføre oppkonsentrering av stoffene. Akkumulering og økning av konsentrasjon over tid er ikke inkludert i modelleringen og vil bli regulert gjennom utforming av inntak og utslippssystemer og ved å skifte mellom disse rørene i driftsfasen (to inntak og to uttaksrør). Det minimerer risiko for høyere utslippskonsentrasjoner. Siden det planlegges to inntak og uttak kan kortslutningen delvis unngås ved å bruke det mest optimale inntak/uttak. Det er ingen vannkontakt med drikkevannsinntaket under disse forholdene. Scenario 4: I en worst-case situasjon, beregner vi en fortynningsfaktor på x2222 for Skien kommunes drikkevannsinntak, ca. 9 km nedstrøms. I en vinter-situasjon uten vind og gjennomsnittvannføring blir fortynningsfaktoren x3180. Vi kan derfor forvente høy fortynning i drikkevannsinntaket for stoffer som ikke brytes ned. Dette gjelder for en situasjon uten stratifisering. For en situasjon med stratifisering forventer vi ikke stoffer i inntaket. Konsentrasjoner av ulike stoffer i utslippet til Norsjø og økologiske effekter blir nærmere vurdert i konsekvensutredningen og utslippssøknad. Tabell 0-1: Fortynningsfaktorer for de ulike scenarier (hvor mange ganger fortynnet fra utslippet)

Fortynningsfaktor eget vanninntak

Fortynningsfaktor drikkevannsinntaket/ Vanninntak industri

Vinter-scenario 97 3180

Sommer-scenario Ingen vannkontakt Ingen vannkontakt

Worst-case eget inntak 58 Ingen vannkontakt

Worst-case drikkevannsinntak 2027 2222

Oppsummering:

• Ingen temperatureffekt er forventet i «farfield» siden nearfield modellen viser en liten og veldig lokal temperaturøkning rundt datasenterets utslippspunkt.

• Farfield modellen indikerer at det under (vinter-)forhold uten stratifisering, finnes vannkontakt mellom utslippet og Skien kommunes drikkevannsinntaket/vanninntak til industri, selv om fortynningsfaktor er veldig høy (faktor ca. 2000-3000).

side 4 av 26

• Farfield modellen indikerer at det er en viss mulighet for vannkontakt mellom det foreslåtte datasenterets utslippspunkt og datasenteres kjølevannsinntak. I en «worst-case situasjon» med lav vannføring og ingen vind, vil fortynningsfaktoren ved kjølevannsinntaket bli så lav som x58.

SUMMARY

A new cooling water discharge from a data center at Gromstul to Norsjø is being planned. Therefore it is necessary to assess the potential environmental effects of the proposed discharge. In this report we present the results of far-field modelling of the discharge into Lake Norsjø. The cooling water discharge contains substances and requires an assessment with regard to environmental aspects and the quality of drinking water. Previously Asplan Viak modelled transport and dilution of the discharge in the ‘near field’ (Asplan Viak, 2020a). Here a dilution factor of x15 was found 10 meters from the discharge point, even in the most conservative scenario. These results further indicate a small and very local temperature rise around the discharge point. In this report, we investigate dispersion in the rest of the lake, particularly in relation to the following:

1. the data center cooling water intake, located approximately 80m from the outfall and 2. the Skien Municipality Water Treatment Plant (WTP) intake, the potable water intake,

approximately 9km downstream; 3. Industrial extraction points, approximately 10 km downstream

The findings of both of these reports will form the basis of an Environmental Impact Assessment within the Lake Norsjø Water Tunnel zoning application and the Water Discharge (in Operation) Permit application. The near-field model (Asplan Viak, 2020a) showed that at a distance of 18 meters from the outlet the expected temperature was under 1 degree difference from the ambient water temperature under the most conservative scenario. At the Industrial extraction points, 10 km from the outlet, we can therefore expect that the temperature is back to its ambient level (<0.1 degree). This has therefore not been modelled in the far-field model. The spreading in the lake is affected by the runoff of the rivers, wind driven circulation and stratification. We ran four scenarios in which we investigated the spreading and dilution under different circumstances. We applied no decay constraint in the model; the results are therefore conservative for substances that are decaying. These four scenarios were:

05 09.09.20 Endelig versjon GD JA

04 28.08.20 Utkast 4 GD JA

03 12.08.20 Utkast 3 GD IH

02 06.07.20 Utkast 2 GD

01 23.06.20 Utkast GD/MCF RL

VERSJON DATO BESKRIVELSE UTARBEIDET AV KS

side 5 av 26

1. Winter Scenario without stratification 2. Summer Scenario with stratification 3. Worst case scenario for cooling water intake 4. Worst case scenario for Skien Municipality Water Treatment Plant (WTP) intake

Scenario 1: In a winter situation without stratification there is limited spreading of substances from the outfall to both the cooling water intake and the Skien Municipality WTP intake. Most of the cooling water discharge flows further downstream over Skotfoss, but a small proportion spreads into the southern part of Norsjø. We calculated the dilution factor to be x3180 times dilution at the Skien Municipality WTP intake and x97 times dilution at the cooling water intake. The industrial extraction points have the same dilution factor as the WTP. Scenario 2: In a summer situation with stratification, Asplan Viak (2020a) has shown that the plume from the outfall will rise to the upper part of the water column. It is therefore unlikely that there is an exchange of water and substances between the upper and lower part of the lake. As the data centre, industrial and drinking water intakes are located in the lower part of the lake, they do not see any of the cooling water discharge constituents. Scenario 3: In a worst-case situation for the data centre cooling water intake, with low river discharge and no wind, the dilution factor is x58 for the cooling water intake based on a horizontal separation distance of 80m. In a situation with average river discharge this becomes x97. Wind is generating a circulation pattern in the lake, this causes more spreading and mixing and the dilution factor becomes larger under those circumstances. Under no-wind conditions there is potential for short-circuiting between the cooling water intake and discharge in which the concentrations in the outfall discharge might rise over time. This is not considered in the modelling and will be managed through the design of the intake and discharge systems, and by alternating the operation of pipelines (two intake and two discharge points). This minimises the risk of higher discharge concentrations. There is no water contact between the cooling water discharge and the municipality drinking water intake under this scenario. Scenario 4: In a worst-case situation, we calculate a dilution factor of x2222 for the Skien Municipality WTP intake, which is located 9 km downstream. In a winter situation without wind and with average river discharge this becomes x3180. We can therefore expect high dilution of non-decayable substances in the Skien Municipality WTP intake. In periods with stratification we expect no presence of substances from the discharge at the intakes. The concentrations of the different substances of the discharge in Lake Norsjø and the ecological impact will be assessed further in the Environmental Impact Assessment (EIA) and the Water Discharge (in Operation) Permit Application. Table 0-2: Dilution factors for the simulated scenarios

Dilution factor @ cooling water intake

Dilution factor @ Skien Municipality WTP intake / Industrial extraction points

1. Winter scenario 97 3180

2. Summer scenario No cooling water

discharge received at intake

No cooling water discharge received at intake

side 6 av 26

3. Worst-case scenario for Cooling Water intake

58 No cooling water discharge received at intake

4. Worst-case scenario for Skien Municipality WTP intake

2027 2222

To summarize:

• No temperature effect is expected in the far field as the near field model report showed a small and very local temperature rise around the data centre discharge points.

• The far field model indicates that under “winter” circumstances with no stratification there will be water contact between the proposed data centre discharge water and the Skien Municipality water treatment plant/Industrial extraction points, although the dilution is high (factor order 2000-3000).

• The far field model indicates that there is potential for water contact between the proposed data centre discharge water and the data centre cooling water intake. Under worst-case conditions, low flow and no wind, the dilution factor can get as low as x58.

side 7 av 26

Forord

Denne utredningen er utført av Asplan Viak på oppdrag fra Arup, for å belyse potensielle miljøeffekter av kjølevannsutslipp til Norsjø. Rapporten presenterer resultater fra 3d modellering i Norsjø. Rapporten er utarbeidet av Gerard Dam og Marcos Carvalhino-Fernandez. Rapporten er kvalitetssikret av Rune Lunde og Ingrid Hjorth.

Sandvika, 09.09.2020

Johannes Aicher Rune Lunde/Ingrid Hjorth Oppdragsleder Kvalitetssikrer

side 8 av 26

Innhold

1. INNLEDNING .............................................................................................................. 9

2. TOPOGRAFI, SJIKTNING, VANNFØRING OG ANDRE INPUT .......................................... 11 Norsjø 11 Temperatur og stratifikasjon ......................................................................................................... 11 Vannføring ..................................................................................................................................... 12 Batymetri ....................................................................................................................................... 13 Driftsparametere ........................................................................................................................... 13 Strømningsdata ............................................................................................................................. 14

3. BESKRIVELSE AV MODELL .......................................................................................... 15 Beregningsnett og batymetri ......................................................................................................... 15 Øvrige forutsetninger .................................................................................................................... 16

4. RESULTATER ............................................................................................................. 18 Scenarier ........................................................................................................................................ 18 Scenario 1: Vinter situasjon uten stratifisering ............................................................................. 19 Scenario 2: Sommer situasjon med stratifisering .......................................................................... 20 Scenario 3: Worst-case situasjon for eget vanninntak (lav vannføring) ........................................ 21 Scenario 4: Worst-case drikkevannsinntak (vind ut ugunstig retning) .......................................... 22

5. DISKUSJON ............................................................................................................... 24 Usikkerhet i modelleringen ........................................................................................................... 24

6. KONKLUSJON ............................................................................................................ 25

KILDER ............................................................................................................................. 26

side 9 av 26

1. INNLEDNING Et nytt kjølevannsutslipp fra et datalagringssenter ved Gromstul til Norsjø (Figur 1-1) er under planlegging, og i den forbindelse er det nødvendig å vurdere potensielle miljøeffekter av utslippet. Tidligere har Asplan Viak utarbeidet en rapport for innlagring og fortynning i nærheten av utslippspunktet (Asplan Viak, 2020a). Modellen som ble benyttet i rapporten var Visual Plumes, som viste hvordan utslippet fortynnes nært utslippspunktet (near-field). For å vurdere videre fortynning og spredning over lengre tid og avstand, og samtidig vurdere eventuell oppkonsentrering, bruker vi i denne rapporten en 3d hydrodynamisk modell av hele Norsjø. I denne rapporten legger vi spesielt vekt på spredning av stoffer til:

1. Kjølevannsinntak til datalagringssenteret, ca. 80m fra utslippspunktet 2. Kommunalt drikkevannsinntak, ca. 9 km nedstrøms i Norsjø. 3. Vanninntak til industri, ca. 10 km nedstrøms i Norsjø

Resultatene skal brukes til konsekvensutredning for vannmiljø i driftsfase og utslippssøknad i driftsfase – der det også vil sees nærmere på konsentrasjoner av de forskjellige stoffene i utslippet til Norsjø og økologiske effekter.

side 10 av 26

Figur 1-1 Oversiktskart Norsjø.

Utslippspunkt

Drikkevannsinntak

Skien kommune

Inntak industri

Eidselva

Sauaelva Bøelva

Skotfoss

side 11 av 26

2. TOPOGRAFI, SJIKTNING, VANNFØRING OG ANDRE INPUT

Norsjø Norsjø (vann-nett ID 016-6-L) har et areal på over 55 km2, og maksimalt dyp på 171 meter (Vann-Nett.no). Innsjøen er per 28.04.2020 klassifisert med god økologisk tilstand og dårlig kjemisk tilstand. Det er registrert en rekke påvirkninger fra bl.a. vannkraft og jordbruk. Konsekvensutredningen for vannmiljø i driftsfase (Asplan Viak, 2020b) beskriver vannkvaliteten mer i kapittel 4.

Temperatur og stratifikasjon Temperaturen i vannsøylen er av stor betydning for hvordan utslipp transporters vertikalt i resipienten. Målinger gjengitt i Andersen (2013) indikerer et dimiktisk sirkulasjonsmønster i Norsjø (to omblandinger i året), med temperaturer i overflaten lavere enn 2 °C helt ned til 20 meters dyp i februar og mars 2004. I desember var temperaturen 4,5-5 °C gjennom hele vannsøylen. Bjerkeng (1973) målte flere temperaturprofiler ved Fjærekilen fra august til november 1973. Den siste måleserien fra 20. november viste isoterm temperaturprofil med 5,5 °C gjennom hele vannsøylen.

Vi målte en temperaturprofil den 09.08.2019 som ble gjort med en Van Essen CTD-Diver i nærheten av framtidig utslippspunkt. Profilen viser en stratifisert profil med høyeste temperatur på overflaten.

Figur 2-1 Temperaturprofil 09.08.2019 i nærheten av framtidig utslippspunkt.

Vannføringsregimet i Norsjø er sterkt manipulert av kraftverksregulering med kunstig høy vintervannføring og dempede flommer sommer og høst, som følge av magasineringskapasitet. Dette gir utslag i en relativt jevn vannføring gjennom året. Bunntapping fra en rekke av oppstrøms vannkraftmagasiner gir også kunstig høy vannføring og vanntemperatur på vinteren og endrer de naturlige stratifiseringsforholdene i Norsjø. Norsjø blir sjelden dekket av is og dette kan skyldes at det gjennom vinteren er en stadig omrøring av vannmassene som gir lave temperaturer i bunnvannet. Dette kan ses på temperaturmålinger fra råvannsinntaket fra Fjærkilen som ofte har temperaturer under fire grader. Vintersituasjon uten stratifisering er derfor et sannsynlig alternativ i Norsjø, men det er ikke kjent om dette oppstår årlig.

05

10152025303540

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0

Dybd

e (m

)

Temperatur ⁰C

CTD-profil 09.08.2019

CTD-profil 09.08.2019

side 12 av 26

Vannføring Modellen krever informasjon om hydrologisk strømningsmønster ved innløps- og utløpspunkt i Norsjø, nedbørintensitet på forskjellige årstider og vanndybde/batymetri. Følgende faktorer er hensyntatt og inkludert i modellen:

Tabell 2-1. Gjennomsnittsvannføringer inn / ut fra Norsjø (se Figur 1-1 for oversikt)

Navn Vannføring [m3/s] Type Beskrivelse

Skotfoss dam og inntak -291.7 Dam/Vann

inntak Middelvannføring (data 1998-2016)

Vanninntak HerøyaI industri -13 Vanninntak To ledninger som fører mellom 9–13 m3/s til

industriparken sørover Skien. Dybde på ca. 60m

Drikkevannsinntak Skien kommune -0.215 Vanninntak Drikkevannsforsyning for Skien kommune. Dybde

på 62m

Bøelva 18.7 Innløp/elv Middelvannføring (data 1998-2016)

Eidselva 109.8 Innløp/elv Middelvannføring (data 1998–2016)

Sauaelva 142.1 Innløp/elv Middelvannføring (data 1998-2016)

Middelvannføringen fra elver og Skotfoss er hentet ut fra NVE sin database. Middelvannføringen er beregnet over perioden 01.01.1998-01.04.2016 og er på 291 m3/s for Skotfoss. Figur 2-2 viser hvordan vannføringen i Skotfoss varierer over tid. Minstevannføring er på 60 m3/s, mens største vannføring er på 1201 m3/s. Informasjon om uttaksmengden ved de ulike vanninntakene er hentet fra brosjyrer fra kommunen. Dybde og koordinater fra inntakene er hentet fra Geminiportal.

side 13 av 26

Figur 2-2 Fordelingskurve av vannføring Skotfoss (18 års data; fra 01.01.1998 – 04.01.2016). Minimum verdi på 60 m3/s. Maksimum verdi på 1201 m3/s.

Batymetri Batymetrien er digitalisert fra tilgjengelige kart i NVE-Atlas (https://atlas.nve.no) med oppmålingsdato 1986. Figur 3-2 viser batymetrien.

Driftsparametere Kjølevann hentes fra 60m dybde, siden vannet på denne dybden har mer stabil vannkvalitet. Dette er på omtrent samme dybde som Skien kommunes drikkevannsinntak. To forskjellige inntaksrør foreslås for driftssikkerhet (Figur 2-3). Basert på dybdekart fra NVE må inntaksrørene plasseres 150m ut i innsjøen for å ligge på 60m dybde.

Utslippsledninger ble foreslått å legges til omtrent 15 m under vannoverflatenivået, da det ble antatt at dette ville gi nok vann over for å muliggjøre tilstrekkelig blanding. To separate utløpsrør foreslås for å gi driftssikkerhet. Basert på batymetri, må utløpsrørene strekke seg opp til 50 m fra land for å nå den nødvendige dybden. Avløpsvann kommer inn i sjøen fra enden av utslippsrøret. Basert på resultatene fra den hydrodynamiske «near field»-modellen (Asplan Viak, 2020a), bør utløpsdiameteren være 300 mm og tømmes vannrett.

Bare ett av de to inntaksrørene og ett av de to utløpsrørene er i drift på samme tid, dvs. at hele strømmen passerer gjennom et enkelt rør i stedet for å bli fordelt på to. Det nordligste avløpsrøret for kjølevann og den sørligste inntaksledningen for kjølevann ble benyttet i modellen. Dette representerer det mest konservative scenariet siden strømning i innsjøen generelt er rettet mot sør.

side 14 av 26

Figur 2-3 Oversiktskart rundt inntakene og uttakene. Utslippspunkt 1 og inntakspunkt 2 er brukt i modelleringen. Koordinatene er omtrentlige.

Strømningsdata Det finnes ingen vannstandsdata eller strømningsdata (retning og strømhastighet) i Norsjø. Modellen kan derfor ikke validere eller kalibrere. Ved å se på forskjellige (worst-case og konservative) scenarier har vi avdekket en stor del usikkerhet knyttet til dette.

side 15 av 26

3. BESKRIVELSE AV MODELL Modellen som er brukt er FINEL3d modellen (http://www.finel.nl/finel3d.html). Dette er en 3D ikke hydrostatisk endelig element modell. Modellen er utviklet av Tekniske Universitetet i Delft og Svašek Hydraulics (Labeur, 2009, Labeur & Wells, 2007, 2009, 2010, Talstra, 2016).

Modellen er en 3D-modell, og inkluderer effekten av coriolis-krefter (Corioliseffekten innebærer at jordrotasjonen leder til at strømninger i nord-sør-retning bøyes av) og variasjon i vannets egenvekt pga. variasjon i temperatur. I tillegg kan modellen kjøre med meteorologiske effekter (f.eks. vind). Modellen er basert på finite-element metoden (en numerisk metode for beregning av f.eks. strømning) og beskriver transporten av vannmasser ved løsning av Navier-Stokes ligningene som beskriver hvordan vann strømmer.

Beregningsnett og batymetri Et trekantberegningsnett ble satt opp til å dekke innsjøens topologi ut ifra tilgjengelig dybdekart i NVE sin innsjødatabase. Maksimal horisontal oppløsning ble satt til 200 m.

Figur 3-1 Beregningsnett for Norsjø. Venstre: Horisontal trekanter nett med nærbilde av utslippsområdet. Høyre: 3D nett.

Vi bruker to forskjellige vertikale lagfordelinger for de scenariene. For scenario 1, 2 og 3 bruker vi en 3-lags modell for å unngå lang simulasjonstid. Her er 3D prosesser mindre viktig og det antas at stoffene blandes over hele vannsøylen, over lengre avstand. For scenario 4 bruker vi mange vertikale lag fordi vi beregner vindeffekter og sirkulasjonsstrømning. Beregningsnettet har en vertikal oppløsning på 5m med 35 lag på dypeste punkt.

Figur 3-2 viser dybden i modellen. Dypeste punkt er rundt 175m.

side 16 av 26

Figur 3-2 Dybdemodell av Norsjø.

Øvrige forutsetninger Følgende inntak/uttak er med i simuleringene (se Figur 1-1):

• Kjølevannsinntak til datalagringssenteret (0,425 m3/s) ved full utbygning og drift (konservativt tall);

• Utslipp av kjølevann på utslippspunkt (0,114 m3/s) ved full utbygning og drift (konservativt tall);

• Drikkevannsinntak Skien kommune (0,21 m3/s); • Vannuttak Skiens industriområde (13 m3/s); • De tre største elvene som fører vann til Norsjø (Eidselva, Bøelva, Sauaelva); • Utløp nedstrøms ved Skotfoss.

Avhengig av scenarioet er det gjennomsnittlig eller lav vannføring i elvene og utløpet ved Skotfoss.

FINEL3d-modellen bruker de følgende innstillinger:

side 17 av 26

• K-ε turbulens modell for vertikal diffusjon • Konstant eddy viskositet på 1E-4 m2/s for horisontal diffusjon • Ruhet på 5 cm; dette er en antakelse. Fordi innsjøen er så dypt er dette sannsynligvis ikke av

stor betydning for resultatene. • Vind påføres konstant romlig og over tid. Vinddragskoeffisient er satt til 0,0026

Utslippskonsentrasjonen holdes konstant gjennom modellperioden så modellen tar ikke høyde for eventuell oppkonsentrering av stoffer som følge av kortslutning mellom datasenterets inntak og datasenterets utslippsvann. Det forutsettes også ingen nedbrytning av stoffer. For de stoffene som brytes ned er dette en konservativ antakelse.

side 18 av 26

4. RESULTATER

Scenarier Strømningsmønster i innsjøer er sterk påvirket av vind og dette er ofte den dominerende driveren av strømforhold i innsjøer. Figur 4-1 viser den generelle teorien om sirkulasjonsstrømning i innsjøer. Generelt går strømretningen ved overflaten i samme retning som vinden, mens strømretningen går i motsatt retning dypere i vannsøylen. Temperaturstratifikasjon (lagdeling av vannmassene etter temperatur) på sommeren på grunn av sollys, skaper en termoklin (grense mellom varmt og lett overflatevann og kaldere og tyngre dypvann) hvor utveksling av vann mellom lagene er veldig begrenset. Geometrien av innsjøen og vanntilførsel fra elver har også effekt på sirkulasjonsstrømninger, men fordi innsjøen er dyp og bred, blir bidraget på strømhastigheter fra elvene lavt.

Figur 4-1: Sirkulasjon i innsjøer (http://www.seafriends.co.nz/oceano/current2.htm).

Vi har modellert fire ulike scenarioer for hvordan utslippet vil fordele seg i Norsjø, for å avdekke beslutningsrelevant informasjon om spredning av utslipp. Modellen danner også grunnlag for å vurdere risiko for spredning eller «kontakt» med Skien kommunes drikkevannsinntak/vanninntak til industri i Fjærkilen og vanninntak til datalagringssenteret:

- Scenario 1: Vintersituasjon uten is og stratifisering; - Scenario 2: Sommersituasjon med stratifisering; - Scenario 3: Worst-case situasjon for kjølevanninntak; - Scenario 4: Worst-case situasjon for Skien kommunes drikkevannsinntak/vanninntak til

industri.

Scenario 1 og 2 er valgt pga. at dette er sannsynlige scenarioer som er relativt stabile over tid og som gjentas årlig i Norsjø. Scenario 3 representerer ingen vind og lav strømningshastighet i Norsjø og scenario 4 representerer ugunstig vindretning mot drikkevannsinntaket i Fjærekilen.

Near-field modellen (Asplan Viak, 2020) viste at 18 meter fra utslippspunktet var temperaturøkningen under 1 grad fra bakgrunnstemperaturen under de mest konservative forholdene. Ved vanninntakene for industri, 10 km fra utslippspunktet, kan vi derfor forvente at temperaturen er tilbake til bakgrunnsnivået (<0.1 grad forskjell). Vi har derfor ikke inkludert temperatureffekter i denne modelleringen.

side 19 av 26

Scenario 1: Vinter situasjon uten stratifisering For perioder uten stratifisering, kan utslippet spre seg over hele vannsøylen over lange avstander og over lengre tid. I dette scenariet kjører vi modellen med en konstant samlet gjennomsnittlig avrenning fra elvene (291 m3/s) og uten vind. Det betyr at det er en strømning fra nordvest til sørøst på noen cm/s i innsjøen. Det vil ta lang tid å bygge opp konsentrasjon i innsjøen og vi beregnet en stasjonær konsentrasjon etter en modellperiode på ca. ett år.

Vi definerer en fortynningsfaktor basert på forhold mellom konsentrasjonen i utslippsvannet og konsentrasjonen i resten av innsjøen, det vil si hvor mange ganger utslippsvannet blir fortynnet. Figur 4-2 viser fortynningsfaktor fra utslippspunktet nedstrøms til dammen ved Skotfoss og drikkevannsinntaket. Mesteparten av utslippet renner videre nedstrøms over Skotfoss, men en liten andel fordeler seg inn i sørlige delen av Norsjø. Dette skyldes hovedsakelig at det er et vannuttak for industri på Herøya som tar ut 13 m3/s fra Fjærekilen. Vi beregnet fortynningsfaktoren til å være x3180 ganger fortynning ved drikkevannsinntaket. Eget vanninntak, som ligger omtrent 80m fra utslippspunktet på ca. 60 meters dyp, har en fortynningsfaktor på 97 gangers fortynning (Figur 4-2).

Datasenterets kjølevanninntak vil kunne ta inn en del høyere konsentrasjoner enn bakgrunnskonsentrasjonene, det betyr at det er fare for videre oppkonsentrering. Dette er ikke tatt hensyn til i modellen.

Figur 4-2: Fortynning i en vintersituasjon; gjennomsnitt avrenning elver, ingen vind, ingen stratifikasjon. Fortynningsfaktor>10000 vises som hvit. Resultater etter 1 år.

side 20 av 26

Scenario 2: Sommer situasjon med stratifisering I en sommersituasjon med stratifisering lagres utslippet i øvre delen av vannsøylen ifølge near-field modelleringen av innlagringsdyp (Asplan Viak 2020). For å beregne videre spredning til resten av Norsjø har vi bare aktivert de øvre 15m i modellen. Vi antar da at det ikke er utveksling mellom øvre og nedre delen av vannsøylen når innsjøen er stratifisert slik som near-field modellen har vist. Videre antar vi at vannuttaket for industri som er plassert på ca. 60m dybde ikke har en effekt på strømning i øvre delen av vannsøylen. Modellscenarioet er beregnet med en normalvannføring og uten vind. Etter ca. 3 måneder oppnår simuleringen en stabil situasjon.

Fortynningsfaktor vises i Figur 4-3. Utslippet renner langs nordlige delen av innsjøen nedstrøms til Skotfoss. Modellen er kjørt uten vind. Med vind kan stoffene spre seg over et større område, men vil samtidig gi lavere konsentrasjon.

Siden alle inntak er plassert på stort vanndyp og vi antar at det er ingen utveksling mellom øvre og nedre delen av vannsøylen, er det ingen vannkontakt mellom utslipp og de ulike vanninntakene. Det kan imidlertid fremdeles være forekomster av stoffer fra tidligere sesonger/år i nedre delen av vannsøylen gjennom sommersesongen.

Ved overgang til høsten/vinteren forsvinner stratifiseringen og blander øvre delen av vannsøylen med resten av vannsøylen. Etter det er det mulig at sommerutslipp kan nå inntakene.

Figur 4-3: Fortynning i en sommersituasjon med stratifikasjon; gjennomsnitt avrenning elver, ingen vind. Fortynningsfaktor>10000 vises som hvit. Resultater etter 3 måneder.

side 21 av 26

Scenario 3: Worst-case situasjon for eget vanninntak (lav vannføring) Ut fra vannføringsdata over 18 år (Figur 2-2) ser vi at laveste vannføring på Skotfoss var 60 m3/s over ca. 8 dager. En lav vannføring sammen med en situasjon uten vind gir lave strømhastigheter i Norsjø. Det betyr at utslippet fortynnes mindre og kan oppkonsentreres ved utslippspunktet. Siden denne situasjon mest sannsynlig bare varer noen dager trenger vi ikke å beregne effekten av en lav vannføring til drikkevannsinntaket siden det vil ta flere måneder/år før konsentrasjonen kommer dit. For eget kjølevannsinntak kan dette være mer problematisk siden inntaket tar inn mer utslippsstoffer. Det trengs bare noen dager med lav vannføring for å oppnå en slik situasjon mellom utslippspunkt og vanninntaket.

Vi beregner en fortynningsfaktor på x58 i eget kjølevannsinntak som betyr at man får en del av utslippsstoffene tilbake i inntaket under disse forholdene. Inntakskonsentrasjonen er da høyere enn bakgrunnskonsentrasjonen. Under disse forholdene er det fare for videre oppkonsentrering i området rundt utslippet og inntaket. Siden det planlegges to inntak og uttak kan dette scenariet delvis unngås ved å bruke det mest optimale inntak/uttak.

Under middelvannføringen (291 m3/s) blir fortynningsfaktor x97 (scenario 1).

Sannsynligheten for lav vannføring er vist i Figur 2-2. Omtrent 1% av tiden er vannføringen lavere enn 100 m3/s.

Figur 4-4: Fortynning i et ‘worst-case scenario’ for eget kjølevanninntak; lav avrenning elver, ingen vind, ingen stratifikasjon. Fortynningsfaktor>10000 vises som hvit. Resultater etter 3 måneder.

side 22 av 26

Scenario 4: Worst-case drikkevannsinntak (vind ut ugunstig retning) Vind i en nord-vestlig retning utgjør en strømningsretning på overflaten til sør-øst. Fra utslippspunktet vil da utslippet komme raskere til drikkevannsinntaket og Skotfoss. Vi har derfor kjørt et worst-case scenario med 15 m/s vind fra nord-vest. Med denne vinden fra nordvestlig retning er det samtidig en motstrømning på bunnen av innsjøen som gir mer innblanding i innsjøen. Oppbygging av konsentrasjon tar lengre tid i dette tilfellet. Vi viser resultatet etter 5 måneder i Figur 4-5. Det har ikke gitt et stasjonært forhold med balanse mellom utslipp og inntak.

Konsentrasjonen fortsetter å øke, men det er lite sannsynlig at en slik situasjon med mye vind fra nord-vest over lengre tid vil opptre. Vi beregner en fortynningsfaktor på x2222 i Skien kommunes drikkevannsinntak. Hele sørlige delen av innsjøen viser omtrent samme fortynningsfaktor. En normal situasjon uten vind (vinterscenario) viser en fortynningsfaktor på x3180 i drikkevannsinntaket (Figur 4-2). Vannuttaket for industri har omtrent samme fortynningsfaktor som drikkevannsinntaket.

Figur 4-5: Fortynning i et ‘worst-case scenario’ for drikkevannsinntak; lav avrenning elver, vind 15 m/s fra nord-vest, ingen stratifikasjon. Fortynningsfaktor>10000 vises som hvit. Resultater etter 5 måneder.

side 23 av 26

Formålet med dette scenariet er ikke å beregne resultatet av sterk vind som varer i 5 måneder, men å vise hva som skjer hvis sterk vind blåser utslippet i retning av inntaket etter en typisk gjennomsnittlig vintersituasjon (scenario 1) og hva som må til for å senke fortynningsfaktoren ved inntakene betydelig (x2222 versus x3180 opprinnelig). Vi kan konkludere at sterk vind har mulighet til å blåse stoffer i retning av inntakene og dermed gi lavere fortynningsfaktor, men at dette sannsynligvis bare kan skje over kort tid.

Det finnes ingen direkte målinger av vind ved Norsjø, så det er vanskelig å gi en returperiode på dette scenariet. Vindforholdene kan også være veldig lokale i området på grunn av topografien, så målinger i nærheten av Norsjø er ikke direkte brukbart. Vi kan bare si at vind fra 15 m/s ut denne retningen er sjeldent.

side 24 av 26

5. DISKUSJON

Usikkerhet i modelleringen Modellen er kjørt med fire ulike scenarier hvor vi har undersøkt gjennomsnittlig fortynning og worst-case scenarier for fortynning for datasenterets kjølevanninntak og Skien kommune drikkevannsinntak. Styrende faktorer for spredning er: avrenning fra elver, vind og stratifisering.

Scenario 1 og 2 er sannsynlige scenarier med gjennomsnittlig fortynning. Vi mener at vi med disse scenariene har dekket de mest aktuelle tilfellene. Vi har ikke undersøkt scenarier med høy avrenning fordi det skulle senke konsentrasjonen ytterlig. Scenario 3 med lav vannføring og uten vind er sjeldent, men ikke usannsynlig. Det har opptrådt i en periode på 8 dager over en 18 års periode. Dessuten er omtrent 1% av tiden vannføringen lavere enn 100 m3/s (Figur 2-2).

Scenario 4 representerer et sjeldent scenario hvor sterk vind blåser i retning av drikkevannsinntaket til Skien kommune over en kort tidsperiode etter en typisk gjennomsnittlig vintersituasjon. I dette konservative scenario er laveste beregnete fortynningsfaktor x2222 for en kort tidsperiode. Til tross for et svært lite sannsynlig scenario vil det fremdeles være en høy fortynningsfaktor på ca. x2000.

Modellen beregner spredning av stoffer uten nedbrytning. Resultater er derfor konservative for stoffer som brytes ned over tid.

side 25 av 26

6. KONKLUSJON I denne rapporten har vi modellert spredning av stoffer fra utslippspunktet til resten av Norsjø. Særlig vektlegges spredning til:

1. Datasenterets kjølevanninntak, ca. 80m fra utslippspunktet; 2. Skien kommunes drikkevannsinntak, ca. 9km nedstrøms utslippspunktet; 3. Vanninntak industri, ca. 10 km nedstrøms utslippspunktet.

Tabell 6-1: Fortynningsfaktorer for de ulike scenariene, ved eget vanninntak og ved drikkevannsinntaket (hvor mange ganger fortynnet fra utslippet)

Fortynningsfaktor eget vanninntak

Fortynningsfaktor drikkevannsinntaket/ vanninntak industri

Vinterscenario 97 3180

Sommerscenario Ingen vannkontakt Ingen vannkontakt

Worst-case eget inntak 58 Ingen vannkontakt

Worst-case drikkevannsinntak 2027 2222

Det finnes vannkontakt mellom utslippet og Skien kommunes drikkevannsinntak/vanninntak for industri under (vinter-)forhold uten stratifisering, selv om fortynningsfaktoren er høy (faktor ca. 2000-3000). Ingen temperatureffekt er forventet ved disse vanninntakene. I kjølevanninntaket kan fortynningsfaktoren bli så lav som x58 under forhold med lav vannføring og uten vind.

Resultatene fra denne rapporten, samt rapporten fra modellering nær utslippspunktet (Asplan Viak, 2020a) danner et grunnlag for konsekvensutredning for vannmiljø i driftsfase og utslippstillatelse i driftsfase (Asplan Viak, 2020b). Disse vil også ta for seg konsentrasjonene av ulike stoffer i utslippet til Norsjø og økologiske effekter.

side 26 av 26

KILDER

• Andersen, H. F. (2013). Masteroppgave Er Norsjø en tilstrekkelig barriere mot parasitter for Steinsvika vannverk? Høgskolen i Telemark.

• Bjerkeng, B. (1973). Vurdering av vanninntak fra Norsjø for Norsk Hydro A/S, Oslo. Oslo: NIVA.

• Davis, L. R. (1999). Fundamentals og environmental discharge modelling. CRC Press.

• Frick, W. E., Roberts, P. J., Davis, L. R., Keyes, J., Baumgartner, D. J., & George, K. P. (2003). Dilution Model for Effluent Discharges. United States Environmental Protection Agency.

• Lyche Solheim, A., Schartau, A., Bongard, T., Bækkelie, K., Edvardsen, H., Jensen, T., . . . Skjelbred, B. (2016). ØKOSTOR: Økosystemovervåking av store innsjøer 2015. Utprøving av metodikk for overvåking og klassifisering av økologisk tilstand iht vannforskriften. NIVA.

• Labeur, R.J., Wells, G.N., (2007), A Galerkin interface stabilisation method for the advection-diffusion and incompressible Navier-Stokes equations, Computer methods in Applied Mechanics and Engineering 196, pp. 4985-5000.

• Labeur, R.J., Wells, G.N., (2009), Interface stabilized finite element method for moving domains and free surface flows, Computer methods in Applied Mechanics and Engineering 198, pp. 615-630.

• Labeur, R.J., Wells, G.N., (2010), Energy stable and momentum conservation interface stabilised finite element method for the incompressible Navier-Stokes equations, SIAM Journal of Scientific Computations, 34(2), pp. A889–A913.

• Labeur, R.J., (2009), Finite element modeling of transport and non-hydrostatic flow in environmental fluid mechanics, PhD thesis, Technical University Delft.

• Talstra, H., (2016) User manual FINEL3d, Svašek Hydraulics • Vann-Nett.no. (2020, 04 28). Hentet fra https://vann-nett.no/portal/#/waterbody/016-6-L