Terrassekoncept Generelle overvejelser
Konstruktionen og brugen af et netværk af graderede terrasser til indsamling af smeltevand af indlandsisen er et væsentligt element i dette projektkoncept. Landbrugsklassificerede terrasser bruges i vid udstrækning til erosionskontrol på skrånende marker. Mange af de designmæssige overvejelser, der anvendes til landbrugsterrasser, gælder for denne anvendelse. [3]
Illustration af landbrugsklassificerede terrasser langs en skrånende mark
Teknikken, der vil blive brugt til at opsamle smeltevandet, er at udgrave et netværk af graderede terrasser, der vil danne kanaler, der fører smeltevandet fra de fjerneste dele af opsamlingsområdet ved hjælp af tyngdekraften til kanten af den inddæmmede sø. Hver terrasse vil blive bygget til at sørge for en kontrolleret strøm af smeltevand fra de områder, der ligger længst fra Tasersiaq-søen og fortsætter langs en ensartet blid skråning mod søen, hvor hver terrasse vil afslutte. Kanalerne vil være vidt fordelt, således at hver kanal vil opsamle afstrømning fra et stort område af indlandsisen, der naturligt dræner fra højder over kanalen. Tværsnitsstørrelsen af hver terrassekanal, dens gradient, som bestemmer strømningshastigheden, og dens afstand i forhold til tilstødende terrasser, som bestemmer dens opsamlingsområde, vil blive valgt for at optimere opsamlingseffektiviteten af terrassenettet.
Konstruktion og vedligeholdelse af smeltevandsopsamlingskanalerne er et stort arbejde. Dette storstilede glaciale terrasseprojekt bliver det første af sin type. Derfor vil en proof-of-concept demonstration af denne tilgang være påkrævet inden lanceringen af det samlede byggeprojekt. Terrassebyggeri vil blive udført, mens de øvrige store elementer i hydroprojektet er under opførelse.
En undersøgelse af et topografisk kort over Grønlands indlandsis viser, at topografien af indlandsisen øst for Tasersiaq Sø er ideel til opførelsen af et netværk af terrasser, der dræner ind i Tasersiaq Søens opland. [4] Indlandsisens højde stiger på en næsten ensartet måde fra nær den vestlige kant af indlandsisen til en højderyg nær midten af øen 220 km mod øst. Højdegradienten er næsten flad langs den nord-sydgående akse af det terrasserede opland. Kortet viser ingen åbenlyse store forhindringer og en forholdsvis ensartet svag hældning, der egner sig godt til opførelse af graderede terrasser.
Afstrømning fra den sydvestlige region af Grønlands indlandsis er blevet estimeret af Brice Noël et al. [5] Figur 1 i denne rapport viser, at afstrømningen er koncentreret i et bånd, der strækker sig langs den vestlige kant af indlandsisen op til en højde nær kanten af ablationszonen i 1550 m højde. Figur 1, diagram C estimerer, at den nuværende gennemsnitlige afstrømning i området SV Grønland, baseret på den lineære trendlinje for afstrømning, udgør ca. 125 km^3 om året. Længden af indlandsisen i SW-regionen er cirka 850 km.
Et skøn over naturlig afstrømning af indlandsisen ved Tasersiaq-søen er blevet rapporteret af Ahlstrøm et al. [6] Figur 3 i denne artikel viser den årlige indlandsisafstrømning fra Tasersiaq-oplandet baseret på flodstrømningsmålinger ved søens udløb i perioden fra 1975 til 2015. Diagrammet viser, at den gennemsnitlige afstrømning er steget over de seneste 10 år af registrerede afstrømninger. I perioden fra 2003 til 2014 har den gennemsnitlige afstrømning i gennemsnit været 3,6 km^3/år. Figur 1 i rapporten viser det naturlige Tasersiaq-søens indlandsis. Den er i gennemsnit omkring 35 km bred i regionen fra den østlige ende af søen til ablationslinjen i en højde af 1550 m.
Terrassekoncept for 680 MW projekt
Der kræves et relativt lille terrasseprojekt for at indsamle vand til 680 MW projektet. Et netværk af 15 kanaler hver med en gennemsnitlig længde på 20 km vil være tilstrækkeligt til at opsamle det ekstra nødvendige smeltevand til 680 MW-projektet. Dette gør den samlede længde af de nødvendige kanaler til mindre end 2 % af det netværk af kanaler, der er nødvendige for 2.250 MW-projektet. Denne dramatiske forskel i terrassenetværkets størrelse kan forklares, når man tænker på, at 680 MW-projektet kræver et terrassenet, der kun opsamler cirka 10 % så meget vand ud over det naturlige opland som 2250 MW-projektet. Indsamlingsområdet er også i gennemsnit kun 10 km væk fra det naturlige opland for 680 MW-projektet mod i gennemsnit ca. 60 km for 2250 MW-projektet.
Terrassekoncept for 2250 MW projekt
Der kræves et langt større terrasseprojekt for at tilfredsstille behovet for et 2250 MW projekt. Den nuværende plan for projektet på 2.250 MW er at udvide terrassenettet fra søen nord til et punkt 140 km nord for søen. Netværket vil strække sig sydpå fra søen til et punkt 105 km syd for søen. Dette er en nord-syd-afstand på 245 km. De første terrasser, med minimumshøjde øst for søen, begynder i en højde på 1050 m. Kanalens hældning vil øge kanalhøjden med 1,25 m/km afstand fra søen. Baseret på den konfiguration af terrassenetværket anslås det, at 75 % af afstrømningen inden for den 245 km lange opsamlingsregion sker inden for terrassenettets grænser.
Ved at bruge det målte flow rapporteret af Ahlstrøm et al. [ 6] af 3,6 km^3/år over det 35 km brede naturlige opland, anslås det, at 18,9 km^3/år afstrømning er til stede og tilgængelig til opsamling inden for terrassenetværkets fodaftryk. En noget større mængde estimeres, hvis afstrømningen rapporteret af Noël et al [5] anvendes. I så fald er den tilgængelige afstrømning anslået til 27 km^3/år.
Det nuværende projektkoncept kræver, at der samles i alt 13,5 km^3/år vand i Tasersiaq-søen. Derfor skal mellem 50 % og 71 % af den årlige tilgængelige afstrømning, baseret på de to skøn, opsamles af terrassenettet.
Som rapporteret af Laurence E Smith et al. [7] Indlandsisen inden for opsamlingsområdet indeholder talrige moulins, hvori smeltevand dræner. Vandet strømmer gennem kanaler ved bunden af iskappen og løber ud på steder, hvor gletsjere slutter, enten på land eller ved havets kant. Der er et afvandingsopland og supraglacial strøm forbundet med hver moulin. Terrassesystemet vil blive konstrueret til at opsnappe åen, der strømmer mod moulinen på et eller flere steder nær moulinindgangen og til at omdirigere strømningen ind i terrassekanalen i retning af Tasersiaq-søen.
I nogle tilfælde kan moulins være tilstoppet med indlandsis fra det umiddelbare område, i koordinering med terrasser. Disse teknikker vil medføre, at det meste af smeltevandet bliver blokeret fra at trænge ind i moulinerne, og det vil således blive tilbageholdt på indlandsisens overflade og ledet ind i terrassekanalerne.
Det er uheldigt, at vand, der kommer ind i moulinerne i området øst for Tasersiaq-søen, ikke vandrer under gletsjeren ved sin base mod Tasersiaq-søen. Ud fra en omhyggelig undersøgelse af basistopografien fremgår det, at klippegrundstopografien under indlandsisen har en nedadgående hældning mod øst fra et punkt et par km øst for Tasersiaq-søens østlige kant. [8] Så indlandsisens smeltevand, der dræner gennem moulins i området øst for Tasersiaq-søen, vil ikke dræne ud i søen. Den vil snarere følge konturerne af basistopografien mod øst og derefter bevæge sig enten syd eller nord, før den igen bevæger sig mod vest for at gå ind i havet. Derfor skal smeltevandet opsamles på overfladen via terrassekanalerne eller gå tabt.
Bilag A præsenterer en beregning af de nødvendige karakteristika for hver terrassekanal og af hele kanalnettet for 2250 MW projektet. Nord for Tasersiaq Sø vil i alt 50 terrassekanaler strække sig til et punkt cirka 140 km nord for søens opland. Syd for Tasersiaq-søen vil i alt 38 terrassekanaler strække sig til et punkt cirka 105 km syd for søens opland. Da hver kanal vil følge konturerne af den glaciale topografi, vil den faktiske længde af hver kanal være anslået 180 km i den nordlige del og 140 km i den sydlige del af terrasser.
Konstruktion af terrassenet Generelle overvejelser
Kanalgravning vil blive planlagt i en 2-måneders periode i foråret hvert år forud for begyndelsen af smeltesæsonen og en 2-måneders periode i efteråret, efter at isen er genfrosset. Det vurderes, at der i gennemsnit vil være 120 dage til at arbejde på indlandsisen i løbet af hvert år.
Moderne landbrugsterrasseringsprojekter er ofte afhængige af brugen af specialiseret terrassesoftware med geografiske positioneringssystemer (GPS) til at etablere terrassenetværkslayouts og til at styre terrasseudstyr for at opretholde nøjagtig stigningskontrol. [9] Et system af denne type vil blive udvalgt til brug for dette projekt.
Selve udgravningen af hver kanal vil blive udført ved hjælp af en bulldozer med et justerbart frontblad og en agterripper, såsom Caterpillar D7E-serien. [10] Den vil blive betjent ved hjælp af GPS-kontroller til korrekt konturfølge og stigningskontrol. Ripperen vil blive brugt til at bryde glacialisen op til en dybde på 1,8 m. Vingen vil blive brugt til at fjerne den knækkede is for at danne en kanal med dimensioner som beskrevet i bilag A. De knækkede isstykker vil blive skubbet ned på den nedadgående side af kanalen. Caterpillar udgiver en håndbog, der bruges til at estimere den gennemsnitlige produktion af en Cat D7E-serie bulldozer. [11] Håndbogen angiver, at D7E kan udgrave 950 m^3/time under ideelle forhold. Under hensyntagen til håndbogens justeringer for revet frossen jord, dårligt udsyn og jobeffektivitet på 12 timers drift ud af hver 16 timers dag falder den estimerede produktion til 420 m^3 i timen.
Udgravning af hver kanal vil begynde ved Tasersiaq-søens ende af kanalen og vil fortsætte udad fra dette punkt langs en næsten ensartet skrånende stigning, der følger terrænets konturer. Udgravning vil blive udført i en 2-måneders periode i foråret før begyndelsen af smeltesæsonen og i en 2-måneders periode i efteråret, efter at isen er genfrosset. Drift på fast frossen is vil give bedre trækkraft til bulldozerne. Bulldozere vil have specielle vedhæftede filer placeret på deres spor for at forbedre trækkraften. Disse kaldes lugs, eller propper, eller is klør,
Hver bulldozer vil blive betjent på 16 timer. dag 7 dage om ugen med stop for uplanlagt vedligeholdelse og uacceptabelt dårligt vejr. Det anslås, at 12 timer om dagen vil blive afsat til udgravning og resten til vedligeholdelse osv. For at udføre denne tidsplan vil tre operatører blive tilknyttet hver arbejdsmandskab. To operatører vil være på stedet til enhver tid, mens en tredje har fridage.
Ud over bulldozeren vil hvert mandskab også have et servicekøretøj på stedet. Servicekøretøjet vil være et arktisk terrængående køretøj som Burlak4X4. [12] Den vil blive konfigureret med en 2000-liters brændstoftank. Den vil også bære kølevæske, olie, smøremidler og transmissionsvæske til dozeren samt en række serviceværktøjer. Besætningsrummet vil blive konfigureret med køjer, rindende vand, toilet, madopbevaring, Starlink WIFI, førstehjælpskasse, ildslukker, radio osv. til at understøtte en to-mands besætning i flere dage. Hver operatør vil arbejde et 8-timers skift, mens den anden hviler eller slapper af. Det tredje besætningsmedlem vil rotere til arbejdsstedet og afløse et besætningsmedlem ved at bruge et andet arktisk terrængående køretøj. Et besætningsmedlem vil køre det første arktiske terrængående køretøj tilbage til servicecentret ved Kangerlussuaq. Dette besætningsmedlem vil have fri i flere dage, indtil det vender tilbage til arbejdsstedet med flere forsyninger og for at aflaste det andet besætningsmedlem.
Konstruktion af terrassenetværk til 680 MW-projekt
Den samlede størrelse af terrassenettet for 680 MW projektet er relativt lille. Et netværk af 15 kanaler hver med en gennemsnitlig længde på 20 km, placeret ved siden af det naturlige opland, vil være tilstrækkeligt til at opsamle det yderligere nødvendige smeltevand til 680 MW-projektet. Dette gør den samlede længde af de nødvendige kanaler til mindre end 2 % af det netværk af kanaler, der er nødvendige for 2.250 MW-projektet. Det vurderes, at der vil være behov for to 3-mands besætninger til at opføre dette mindre terrassenet i projektets byggeperiode.
Et eksempel på et byggeprojekt, der fandt sted på indlandsisen i Grønland, med nogle ligheder med dette terrasseprojekt, er anlæggelsen af en vej på tværs af indlandsisen fra kanten af indlandsisen nær Kangerlussuaq til et autotestanlæg 150 km fra indlandsisen. indlandsiskanten. Dette projekt brugte byggeudstyr svarende til det, der blev foreslået for dette projekt. Den omfattede en modificeret Nissan Patrol med 44” hjul til personaletransport, en Cat 966 hjullæsser og en Pistenbulli 300 bæltekøretøj til byggeri og en Cat D6 til snerydning. Byggeriet foregik hovedsageligt i kolde perioder, hvor iskappens overflade var frosset. Den frosne overflade gav bedre trækkraft for køretøjerne, end der var tilgængeligt under de vådere sommerforhold.
Konstruktion af terrassenetværk til 2250 MW-projekt
Baseret på de antagelser, der er diskuteret tidligere, vil det kræve et gennemsnit på cirka 83 besætninger, der hver arbejder i 5 byggesæsoner for at færdiggøre udgravningen af hele terrassekanalnetværket til 2250 MW-projektet.
Et lille antal specialkøretøjer og kraner vil blive konstrueret til at hente udstyr, der oplever fejl, der deaktiverer enhederne. Omtrent fem arktiske terrængående køretøjer vil blive konfigureret til at yde akutmedicinske tjenester. Cirka tyve arktiske terrængående køretøjer vil blive konfigureret til at yde uplanlagt maskinreparation og vedligeholdelse, der kan udføres på stedet.
Et udstyrslager, reparations- og logistikanlæg vil blive bygget ved Kangerlussuaq, som ligger cirka 100 km nord for Tasersiaq Sø. Det har en flyveplads, der tidligere var en amerikansk luftbase. [13] Den har også en lille havhavn til transport af maskiner, brændstoffer, forsyninger og personale, som er placeret cirka 10 km sydvest for lufthavnen. [14] Logistikdepotet får ansvaret for at genforsyne køretøjer med brændstof og mad mm. Der vil også blive bygget boliger til arbejdsmandskab i Kangerlussuaq.
Der er en eksisterende vej fra Kangerlussuaq mod øst og ud på indlandsisen. Sikre vejruter vil blive etableret på indlandsisen ved hjælp af eksisterende satellit-spaltedetekteringssystemer. [15] Hvor det er relevant, vil sprækker langs ruterne blive fyldt for at give en sikker ruteoverflade. Køretøjer vil være udstyret med GPS-vejledning til at navigere på de planlagte ruter. Hvor veje krydser færdige kanaler, vil kanalen blive udvidet til at danne et bredt lavvandet vadested, som er let for udstyret at krydse.
Ved at benytte den ovenfor beskrevne tilgang vil det være muligt at udføre hele terrassebyggeriet uden at etablere permanente faciliteter på indlandsisen. Overfladetransport kan bruges til alle normale operationer.
Der er mange andre projektfunktioner end egentligt byggeri, der også skal udføres. De omfatter hele spektret af projektaktiviteter, herunder ledelse, teknik, informationsteknologi, personale, regnskab, indkøb, forsyning, uddannelse, vedligeholdelse osv. Det anslås, at der vil være behov for 264 direkte byggepersonale og 452 supportmedarbejdere i løbet af den 5-årige konstruktion periode. Mens nogle medarbejdere kan arbejde eksternt, anslås det, at over 480 medarbejdere vil være bosat i Grønland. En mere detaljeret opdeling af personaleniveauer, nødvendige faciliteter og udstyr, der kræves til byggeprojektet, er præsenteret i bilag B.
Vedligeholdelse af terrasse Generelle overvejelser
Vedligeholdelse af terrassekanalsystemet vil være påkrævet løbende i hele projektets forventede 40-årige levetid. Der kan opstå flere typer vedligeholdelsesproblemer. Men da dette kanalnet er en ny type konstruktion og er placeret på et usædvanligt sted, en glacial indlandsis, er det umuligt at forudsige med sikkerhed, hvilke typer og hyppigheder af vedligeholdelse, der kræves for at opretholde tilstrækkelig strømgennemstrømning.
Et demonstrationsprojekt, herunder konstruktion af flere kanaler og efterfølgende forsøg på periodisk vedligeholdelse, vil være påkrævet for at fastlægge bedste praksis. Dette proof of concept skal demonstreres med succes, før det fulde vandkraftprojekt sættes i gang.
I kolde perioder vil sne falde og drive ind i kanalerne. Da pakket sne har en densitet, der kun er 1/3 af flydende vand, er det ikke sandsynligt, at sne vil blokere for strømmen af vand gennem kanalerne, når der senere opstår smeltning. Snarere vil sneen flyde oven på smeltevandet. En billig tilgang er at lade al sne, der samler sig i kanalerne over vinteren, smelte naturligt. Naturlige vandløb på indlandsisen genetablerer deres strømningsmønstre fra år til år på denne måde.
Erosion af iskanalerne under sommerafsmeltningen vil sandsynligvis kræve årlige reparationer. Vedligeholdelsespersonalet vil udføre reparationer af terrassekanaler primært i en 2-måneders periode i efteråret, efter at iskappen er genfrosset, og i en 2-måneders periode i foråret før begyndelsen af smeltesæsonen. Der vil blive brugt bæltegravere som Caterpillar 320 GC bæltegravere. [16] Caterpillar Performance Handbook [10] siger, at 320GC kan udgrave 210 m^3/time under ideelle forhold. Justering for hård sten som materiale, tilgængelighed og effektivitet, anslås det, at hver 320 GC vil være i stand til at udgrave cirka 120 m^3/time under iskappeforhold. Ligesom med bulldozere, vil isfløter, propper eller iskløer blive fastgjort til sporene for at forbedre trækkraften. Arbejde på frossen is om foråret og efteråret vil også give overlegen trækkraft sammenlignet med forholdene i smeltesæsonen.
Teknikken, der bruges til at understøtte gravemaskinerne, vil ligne den fremgangsmåde, der anvendes for byggemandskaberne. Ud over gravemaskinen vil hver besætning også have et terrængående servicekøretøj på stedet. Besætningsmedlemmer vil rotere til og fra arbejdspladserne ved hjælp af servicekøretøjer. En detaljeret beskrivelse af konstruktionsstøttetilgangen for terrassenetværkskonstruktionsprojektet er inkluderet i afsnittet Terrassenetværkskonstruktion ovenfor.
Hvert vedligeholdelsesmandskab, der arbejder 16 timer/dag i 120 dage/år, og flytter 120 m^3/time, kan flytte 230.000 m^3 is for at udføre reparationer på kanalerne hvert år.
Da den samlede størrelse af terrassenettet for 680 MW-projektet er relativt lille, vil der kun være behov for en 3-mands besætning, der opererer i de to måneders perioder hvert forår og efterår for at vedligeholde netværket for 680 MW-projektet.
46 vedligeholdelsesbesætninger vil blive brugt til 2250 MW-projektet. 46 vedligeholdelsesmandskaber, der arbejder 16 timer/dag i 120 dage/år, og flytter 120 m^3/time, kan flytte 10.600.000 m^3 is for at udføre reparationer på kanalerne. Dette er ca. 10 % af det udgravede volumen af de vandførende kanaler, eksklusive is fjernet for at korrigere for overfladeujævnheder.
En mere detaljeret opdeling af personaleniveauer, nødvendige faciliteter og udstyr, der kræves til 2250 MW vedligeholdelsesprojektet, er præsenteret i appendiks B.
Citater og links:
3. USDA Natural Resources Conservation Service, Texas, Teknisk teknisk note — 210-15-TX3 terrassedesign – januar 2017 Terrace600TXTN2017Jan31_Final_(002).pdf (usda.gov)
4. topografisk-map.com Grønlands indlandsis topografisk kort, højde, terræn (topographic-map.com)
5. Brice Noël, Willem Jan van de Berg, Stef Lhermitte, Michiel R. van den Broeke, Rapid ablation zone expansion amplifies north Greenland mass loss, Science Advances, Vol.5, Issue 9, Sept. 2019 Rapid ablation zone expansion amplifies north Grønland massetab – PMC (nih.gov)
6. Andreas P. Ahlstrøm, Dorthe Petersen, Peter L. Langen, Michele Citterio, Jason E. Box et al, Abrupt shift in the observed afstrømning fra det sydvestlige Grønlands indlandsis, Sci. Adv. 2017;3: e1701169, 13. december 2017 Abrupt skift i den observerede afstrømning fra det sydvestlige Grønlands indlandsis | Videnskabens fremskridt
7. Lawrence C. Smith, Vena W. Chu, Kang Yang, James Balog, et al., Effektiv smeltevandsdræning gennem supraglaciale vandløb og floder på det sydvestlige Grønlands indlandsis, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PNAS , 12. januar 2015 Effektiv smeltevandsdræning gennem supraglaciale vandløb og floder på den sydvestgrønlandske indlandsis | PNAS
8. M. Morlighem, CN Williams, E. Rignot, L. An, JE Arndt, JL Bamber, G. Catania, N. Chauché, JA Dowdeswell, B. Dorschel, I. Fenty, K. Hogan, I. Howat, A. Hubbard, M. Jakobsson, TM Jordan, KK Kjeldsen, R. Millan, L. Mayer, J. Mouginot, BPY Noël, C. O’Cofaigh, S. Palmer, S. Rysgaard, H. Seroussi, MJ Siegert, P. Slabon, F. Straneo, MR van den Broeke, W. Weinrebe, M. Wood, KB Zinglersen, BedMachine v3: Complete Bed Topography and Ocean Bathymetry Mapping of Greenland From Multibeam Echo Sounding Combined With Mass Conservation – Morlighem – 2017 – Geophysical Research Letters – Wiley Online Library
9. Ditch Assist GPS-aktiveret terrassesoftware til terrassenetværksplanlægning og sorteringsmaskinestyring til ensartet terrassestyring. Northern Plains Drainage Systems Ltd. Ditch Assist Machine Control | Ditch Assist
10. Caterpillar D7E Katalog D7 Bulldozere | Bulldozere | Bulldozere | Kat | Larve
11. Caterpillar Performance Handbook macallister.com/wp-content/uploads/sites/2/caterpillar-performance-handbook-49.pdf
12. Burlak 4X4 Burlak 4×4 (drivingyourdream.com)
13. Kangerlussuaq Lufthavn-Wikipedia kangerlussuaq lufthavn – Google Søgning
14. Ocean Port nær Kangerlussuaq YouTube-video Kangerlussuaq Port ver2 – YouTube
15. Lauren Lipuma, United States Antarctic Program, The Antarctic Sun,
The Antarctic Sun: Nyheder om Antarktis – Radarsatellitter opdager farlige sprækker, som mennesker ikke kan se (usap.gov)
Tasersiaq Lake Greenland Hydroelectric Project Concept 