Laboratory experiments and numerical modelling of tsunamis generated by rock slides into fjords

Tsunamikatastrofene etter jordskjelv i Det indiske hav (2004) og utenfor kysten av Japan (2011) sjokkerte verden. Disse hendelsene har også ført til økt fokus på mulige fremtidige norske tsunamier. I Norge representerer bølger fra fjellskred i fjorder og innsjøer den største tsunamitrusselen. Et fjellskred er ventet fra en ustabil fjellside på Åkerneset ved Storfjorden, Sunnmøre. Et slikt fjellskred kan skape en voldsom tsunami. For å undersøke denne fjellsiden og kartlegge faren forbundet med en slik hendelse ble Åknes-Tafjord projektet (ÅTB) startet i 2004. Dette har siden utviklet seg til et overvåkningsprosjekt under NVE. Tsunamier i fjorder skiller seg vesentlig fra tsunamier fra jordskjelv i åpent hav som de i 2004 og 2011. Et fjellskred lager ekstreme bølger lokalt og disse vil også bevare høyden mye lengre når de brer seg i de smale fjordene. Slike bølger må derfor analyseres på andre måter enn havgående tsunamier. I NFR prosjektet "Laboratory experiments and numerical modelling of tsunamis generated by rock slides into fjords" har tsunamigruppen ved Norges Geotekniske Institutt og Universitetet i Oslo, forsket på flodbølger i norske fjorder. Det har vært naturlig for tsunamigruppen i Oslo å ta utgangspunkt i det mulige skredet fra Åkerneset i sin forskning. Ved Kyst og Havnelaboratoriet i Trondheim har prosjektgruppen gjennomført en serie forsøk med skred i en 1:500 skala-modell av de indre deler av Storfjorden. For å regne om fra modell til full skala må alle lengder (slik som dyp og fjordbredder) ganges med 500, mens tider (tid før et sted rammes, eller tiden et gitt område er oversvømt) og hastigheter (av strøm, bølger og skred) må ganges med 22.4. Bølgehøyder og strømhastigheter er målt i et visst antall tverrsnitt langs fjorden. Oversvømmelse av land, med strømdybder og hastigheter, har vært registrert i områder som svarer til tettstedene Hellesylt og Geiranger. Omsatt til full skala vil et skred med et volum på 40 millioner kubikkmeter og en hastighet ned mot fjorden på 150 km i timen gi oppskylling på omlag 40 meter i Hellesylt og omlag 30 meter i Geiranger. Det er det viktig at forsøkene er kontrollerte og repeterbare (gir samme resultater hver gang). For eksperimenter av denne typen er det en utfordring, spesielt mhp. skredet. Forsøk har vært gjort i enklere bølgetanker, ved Hydrodynamisk Laboratorium, Universtitetet i Oslo, for å undersøke hvordan endringer av skredformen påvirker bølgene. Det er også viktig å vurdere virkningen av at modellen er forminsket 500 ganger i forhold til fjorden i full skala. Dette har ledet til egne modellforsøk og analyse av friksjonseffekter langs bunnen, der en har tynne lag med kraftig strømskjær. Disse har tidligere vært lite undersøkt i slike forsøk, men viser seg å redusere hvor høyt bølgene skyller opp på land. De eksperimentelle undersøkelsene gir ikke bare informasjon om Åkerneset-tsunamien, men er også viktig for å undersøke gyldigheten av beregningsmodeller, som så kan anvendes på andre tilfeller i inn og utland. Måleresultatene vil bli gjort tilgjengelige for det internasjonale tsunamimiljøet gjennom det europeiske forskningsprosjektet ASTARTE der Norges Geotekniske Institutt er med. Ulike beregningsmodeller har vært studert. En gruppe er generelle, men beregningstunge, modeller som regner ut hvordan skredet lager bølger. En systematisk uttesting av ulike modeller av denne typen har avslørt store variasjoner og mange kunstige effekter, selv for modeller som er veletablerte i beregningsmiljøer. En annen gruppe modeller brukes til å regne på bølgeutbredelsen i hele fjorden. Beregning av bølger i en trang fjord, med bratte sidevegger og komplisert geoemtri, gir større utfordringer enn tsunamiberegninger i åpent hav. Kartlegging og analyse av disse modellene har vært utført sammen med amerikanske forskere. Dette har vært tidkrevende, men det er viktig at forberedene undersøkelser av denne typen gjøres så grundig at de får en selvstendig vitenskapelig verdi. Arbeidet med å kombinere modeller, slik at både generering av bølge og utbredelse i fjordsystemet kan beregnes, pågår fortsatt. Resultatene skal videre sammenliknes med eksperimentene. Kort sagt, så har forskningen har gitt dypere innsikt i potensialet og bruksmåten for aktuelle beregningsverktøy. Dette danner et godt grunnlag for det arbeidet som gjenstår. Fagmiljøet i Norge er styrket, og tar med seg den nyervervede kunnskapen til videre analyser av ikke bare norske, men også utenlandske tilfeller ettersom dette fagmiljøet er engasjert i prosjekter over hele verden.

The primary objective of the project is to establish procedures and facilitate operational models for assessment and analysis of possible future rock slide tsunamis. Increased understanding and improved computational tools for tsunamis generated by rock slides are sought through a combination of laboratory studies and numerical modeling. Coupling of various mathematical models for rock slide generation, propagation, and run-up of waves will be emphasized. One of the possible tsunamigenic rock slopes in Norway today is located at Åknes along Storfjorden, western Norway. As a result of the need for risk assessment and management in the area, the Åknes/Tafjord project was initiated in 2004 (from 2009: Åknes/Tafjord Beredskap IKS) as a comprehensive R &D, monitoring, and early warning project related to large unstable rock slopes and their consequences in terms of tsunamis threatening local communities. The maximum volume of the potential Åknes rock slide is estimated to 54 million m3, and movements of up to 20 cm/year are recorded more than 900 m.a.s.l. The present findings of the Åknes/Tafjord project and the existing and unique 1:500 scale fjord model facilities form an excellent starting point for additional basic research required to establis h procedures and operational models. The deliverables will be a significant contribution to reduce hazard and risk related to rock slide tsunamis in fjords, lakes, and hydropower reservoirs. The proposed project will be a close cooperation between the Department of Mathematics at University of Oslo (UiO), the Norwegian Geotechnical Institute (NGI), and SINTEF Coast and Harbour Laboratory (CHL). Utilization of the 1:500 scale fjord model established by CHL in the Åknes/Tafjord project is conside red of uttermost importance. In the modeling part the project we will also collaborate closely with Cornell University. For the experimental part we have close links to Georgia Institute of Technology.