Rannsóknir á jökulhlaupi frá vestari Skaftárkatli

27.7.2009

Starfsmenn Vatnamælinga, Veðurstofu Íslands og Jarðvísindastofnunar Háskóla Íslands hafa á undanförnum árum staðið fyrir rannsóknum á Skaftárkötlum og jökulhlaupum frá þeim.

Í Skaftá hafa mælst 45 jökulhlaup síðan 1955. Þessi hlaup vaxa hraðar en hefðbundin jökulhlaup frá Grímsvötnum og hafa því verið nefnd hraðvaxandi jökulhlaup. Þau eru upprunnin úr lónum sem eru undir eystri og vestari Skaftárkatli í vestanverðum Vatnajökli. Kötlunum er viðhaldið af jarðhita.

Uppsafnað rúmmál jökulhlaupa

Uppsafnað rúmmál jökulhlaupa frá eystri og vestari Skaftárkatli. Hlaup frá eystri Skaftárkatli hafa verið mæld síðan 1955 en fyrsta hlaupið sem talið er vera upprunnið úr vestari Skaftárkatli mældist 1968. Vatnssöfnunin milli hlaupa hefur verið nokkuð jöfn, 9 Gl á mánuði að meðaltali fyrir eystri ketilinn undanfarna áratugi ef frá eru talin fyrstu fjögur hlaupin en þá er hún heldur minni. Ástæða þess gæti verið annað hvort sú að jarðhitavirkni undir kötlunum hafi verið minni, að hlaupin hafi að hluta til farið í Langasjó og dempast þar eða að rúmmál hlaupanna hafi verið vanmetið. Fyrir vestari Skaftárketilinn er brot í ferlinum 1994. Fyrir þann tíma er vatnsöfnunin 4 Gl á mánuði að meðaltali en eftir 1994 er hún 6 Gl á mánuði að meðaltali. Líklegasta ástæðan fyrir þessari breytingu er aukin jarðhitavirkni undir katlinum.

Út frá gögnum um rúmmál hlaupvatns er meðalvatnssöfnun í vestari katlinum undanfarinn áratug metin 6 Gl á mánuði og 9 Gl á mánuði í eystri katlinum (en einingin Gl stendur fyrir gígalítra, 1 Gl = 1.000.000 m³).

Afl jarðhitasvæðisins undir vestari katlinum má meta 550 MW út frá efnasamsetningu lónvatnsins og meðalvatnssöfnun í katlinum. Þetta er um það bil tvöfalt afl Búrfellsvirkjunar.

Meistaraverkefni í jarðeðlisfræði

Sig íshellunnar yfir lóninu, rennslið í Skaftá og hiti á hlaupvatninu nærri jökuljaðri var mælt í hlaupum frá vestari katlinum í september 2006 og ágúst 2008. Unnið hefur verið úr gögnunum fyrir hlaupið í september 2006 en þá náði útrennslið úr lóninu mest 123 m³s^-1 en rennsli hlaupsins við jökuljaðar varð mest 97 m³s^-1.

Þetta hlaup er ekki hægt að skýra með viðteknum kenningum um jökulhlaup fremur en önnur Skaftárhlaup. Heildarrúmmál hlaupsins var 53 Gl. Geymsla vatns í hlaupfarveginum undir jöklinum var reiknuð út frá rennslisgögnunum og varð hún mest 35 Gl, sem samsvarar tveimur þriðju af heildarrúmmáli hlaupsins. Geymslan í flóðfarveginum er stærðarþrepi meiri en það rúmmál sem upphafsvarmi í vatninu í lóninu og varmi sem myndast vegna núnings í rennslinu geta brætt. Aflögun og lyfting íss, vegna vatnsþrýstings hærri en fargþrýstings, eiga því mestan þátt í að mynda flóðfarveginn.

Framrásarhraði hlaupsins undir jöklinum var reiknaður út frá rennslisgögnunum og reyndist hann 0.2-0.4 ms^-1. Rennsli hlaupsins í september 2006 og mat á stærð farvegarins undir jöklinum út frá rúmmáli vatns sem þar hefur safnast fyrir benda til þess að viðnám gegn vatnsrennsli við jökulbotn minnki eftir því sem líður á hlaupið. Rennsli á bilinu 80-90 m³s^-1 streymdi undir lok hlaupsins um farveg sem var einungis einn þriðji hluti af rúmmáli farvegar sem flutti svipað rennsli á fyrsta eða öðrum degi eftir að hlaupið hófst við jökuljaðar.

Þessi niðurstaða er vísbending um þróun farvegarins úr breiðu, óafmörkuðu rennsli yfir í skilvirkar rásir. Einnig kann að vera að í upphafi hlaupsins hafi töluvert vatnsmagn safnast upp í vatnsgeymum undir jöklinum sem ekki tóku mikinn þátt í því að flytja rennsli.

Mælingar á vatnshita í Skaftá benda til þess að hlaupvatnið sé við eða mjög nærri frostmarki þegar það kemur undan jöklinum. Þetta bendir til þess að undir jöklinum flæði varmi mjög ört úr flóðvatninu í umliggjandi ísveggi því að allur varmi í lónvatninu og sá varmi sem myndast vegna viðnáms í rennslinu hefur tapast þegar hlaupið kemur fram undan jökuljaðrinum.

Reynt var að herma rennsli hlaupsins með líkani sem lýsir víðáttumiklu, óafmörkuðu rennsli undir jöklinum sem tengist afmörkuðu rennsli í rásum. Líkanið var sett fram til þess að herma hamfarajökulhlaupið úr Grímsvötnum í nóvember 1996. Ekki tókst að fá viðunandi niðurstöðu þar sem reiknaður þrýstingur í hlaupfarveginum var ekki trúverðugur.

Lyfting og aflögun íss eru mikilvæg ferli í myndun hlaupfarvegarins en þessum ferlum er lýst með einföldum reynslujöfnum í líkaninu sem leiddar eru af gögnum fyrir innstreymi vatns og þrýsting á öðru bili. Fræðilegur grundvöllur líkansins er því ófullnægjandi til þess að skýra hraðvaxandi jökulhlaup.

Líkur eru til að hugmyndafræðileg lýsing líkansins sé rétt, vatnsbreiða tengd rásum, en þörf er á betri útfærslu á hermun lyftingar og aflögunar íss.

Verkefnið vann Bergur Einarsson til meistaraprófs í jarðeðlisfræði. Leiðbeinandi var Tómas Jóhannesson, sérfræðingur á Veðurstofu Íslands, en umsjónarkennari var Magnús Tumi Guðmundsson prófessor. Verkefnið var að mestu unnið á Vatnamælingum (áður Vatnamælingum Orkustofnunar) en Vatnamælingar og Veðurstofa Íslands sameinuðust í nýrri stofnun um síðustu áramót.

Nokkru síðar kom út skýrsla um efnið, sjá: Bergur Einarsson (2009). Jökulhlaups in Skaftá: A study of a jökulhlaup from the Western Skaftá cauldron in the Vatnajökull ice cap (pdf 6,7 Mb).

Uppsetning mælitækja

Unnið að uppsetningu mælitækja í vestari Skaftárkatlinum um miðjan júní 2006. Á myndinni má sjá tækjamastur sem sett var upp á hnúsk í miðjum katlinum. Á mastrinu var komið fyrir síritandi GPS tæki og skráningartæki fyrir hita og þrýstinema en hann var látinn síga niður á botn lónsins undir katlinum. Neminn var tengdur skráningartækinu í gegnum streng sem sést á myndinni en ekki er búið að slaka nemanum niður þegar myndin er tekin. Nemanum var komið fyrir í gegnum holu sem boruð var í gegnum íshelluna yfir lóninu en til þess var notaður bræðslubor sem sjá má í bakgrunni á myndinni. Fjærst sjást sprunguveggir en íshellan yfir katlinum er mikið sprungin til jaðranna vegna sífelldra breytinga á vatnshæð lónsins. Milli hlaupa safnast smátt og smátt í lónið og hellan hækkar en í hlaupi snöggtæmist lónið á nokkrum dögum og hellan lækkar um allt að 100 m. Sjá má glitta í Tómas Jóhannesson og Vilhjálm S. Kjartansson vinna við mastrið. Ljósmynd: Þorsteinn Þorsteinsson.