Oulun Energia Oulun kaupunki, tekninen keskus. Oulujoen suistoalueen hyytöriskistä Esiselvitys

Transkriptio

1 Oulun Energia Oulun kaupunki, tekninen keskus Oulujoen suistoalueen hyytöriskistä Esiselvitys

2 2 SISÄLLYSLUETTELO 1 Yleistä Lähtökohdat Tulvat historian valossa Yleistä jokien jäätymisestä Havaintomateriaali Merikosken voimalaitos Paperitehdas Lämpövoimalaitos Oulujoen suiston virtaustilanne ja hyytöriski Johtopäätökset...11

3 3 1 Yleistä 1.1 Lähtökohdat Oulujoen suistoalueen suurtulvaselvitykseen liittyvässä kokouksessa pyydettiin laatimaan arvio Oulujoen suistoalueen hyytöriskin suuruudesta. Ennen Merikosken voimalaitoksen rakentamista suisto-alueella on menneinä vuosisatoina esiintynyt suurehkojakin hyyteestä aiheutuneita vedennousuja. Erityisen suurina pidettiin 1700-luvulla esiintyneitä hyytötulvia ja niiden mahdollisuuksia uusiutua nykyolosuhteissa. Tämän esiselvityksen hyydön muodostumisriskistä laativat yhteistyössä Marko Talvensaari, Kemijoki Oy, Arctic Technology sekä Pekka Leiviskä, Insinööritoimisto Pekka Leiviskä. 1.2 Tulvat historian valossa Oulujokisuistossa on esiintynyt suuria tulvia sekä keväisin (jääpadot) että syksyisin hyyteen aiheuttamina. Tässä yhteydessä on käsitelty vain syksyisin hyydön seurauksena tapahtuneita suuria tulvia. Oheisten tapahtumien lisäksi on menneinä vuosisatoina saattanut esiintyä muitakin merkittäviä tulvatapahtumia. Seuraavassa on esitetty kirjallisuudesta löydettyjä tulvatapahtumia: : Oulun satamaolot olivat 1700 luvun alkupuolella heikot. Hahtiperän satama oli madaltunut niin, että täydessä lastissa olevat laivat täytyi purkaa kauempana merellä. Luonnonvoimat ratkaisivat satamaongelman 1724, jolloin syntyi Toppilansalmi. Pitkäaikaiset sateet olivat vaivanneet Pohjanmaata ja meren jäädyttyä Oulujoen suu tukkeutui marraskuun 18. päivänä. Tämän seurauksena kaupungin peitti suuri tulva ja lopulta 25. päivänä vesimassat puhkaisivat kuuden sylen vesiväylän Toppilansalmeen, joka oli aikaisemmin ollut vain vähäinen puro. (Sakari Lihovius , Hällfors 1921) : Suuren tulvan uhatessa pormestari Mollin hankki kaksi viiden leiviskän ankkuria, kummassakin 10 sylen touvit, kaksi kolmilaitavenettä ja 20 tottunutta venemiestä hyyteen selvittämiseksi. (Halila 1953) Suuresta tulvasta säikähtäneenä pyrittiin muutamaa vuotta myöhemmin ehkäisemään saman kaltaisen tulvatilanteen toistuminen ja asiaan varauduttiin rakentamalla seuraavassa mainittuja rakenteita tulvien ehkäisemiseksi: : rakennettiin talvien tuottamien tulvien estämiseksi kosken alla oleviin putaisiin tokeita mm. Linnansaareen Plaatansaaren välille Oksaista ja paksua 6-7 sylen tukkea. Rakennetta jouduttiin korjaamaan jo (Halila 1953) : Plaatansaaren ja Hanhisaaren väliin rakennettiin 1000 tukin toe tulvien ehkäisemiksi Suurista tulvista löytyi lisäksi merkintöjä luvun puolelta Kova syysmyrsky nosti voimakkaasti vesipintaa Syystulva suposta ja jäästä jokisuisto umpeen

4 4 Myös tämän vuosisadan puolella on jokialueen ja suiston jäätymistä koetettu ennaltaehkäistä oheisen Kaleva-lehdessä julkaistun artikkelin perusteella. Kuva 1. Oulujoen puomi hyytöjen estämiseksi 100 vuotta sitten. 2 Yleistä jokien jäätymisestä Supon syntymiseen tarvitaan sula, jossa vesi jäähtyy. Alijäähtynyt vesi on tämän jälkeen aggressiivista ja tarttuu virtausnopeuden laskiessa pohjaan ja jääkannen alapintaan muodostaen suppoa. Veden virtausnopeus vaikuttaa oleellisesti joen jääkannen muodostumiseen. Hitaan virtauksen alueella jääkansi muodostuu samaan tapaan kuin pienissä järvissä (ns. staattinen jääkannen muodostuminen). Nopean virtauksen alueella vesi voi jäähtyä alle jäätymispisteen, jolloin siinä alkaa muodostua jääkiteitä. Näin syntynyt suppojää kulkeutuu virtauksen mukana ja muodostaa jääkantta kasaantumalla joessa olevan jääsillan ylävirran puoleiseen reunaan tai joen poikki asennetun jääpuomin yläpuolelle (ns. dynaaminen jääkannen muodostuminen). Kun virtausnopeus on suuri, voi koskien pohjalle muodostua ns. pohjajäätä, joka padottaa vettä ylävirtaan. Tällaisissa oloissa syntyy myös runsaasti virran mukana kulkevaa suppojäätä, joka keräytyy alavirtaan suvantopaikkaan syntyneen jääkannen alle. Tällöin vesi voi nousta suvannossa jään päälle lisäten jään paksuuden kasvua. Suppojään paksuus ja vedenpinnan nousu saattavat olla metrienkin suuruiset. Tällöin vesi tulvii helposti rantapelloille ja rakennuksiin. Alijäähtyneessä vedessä muodostunut jää tukkii hyvin helposti esimerkiksi voimalaitosten välppiä. Jokien jään kokonaispaksuus on teräsjään ja kohvajään summa. Kohvajäätä muodostuu jään päälle sataneesta lumesta. Jään paksuus ei siten ole suoraan verrannollinen talven pakkassummaan. Kohvajäätä muodostuu leutojen talvijaksojen jälkeen jään päällä olevan sulaneen lumen jäätyessä ja esim. lumikuorman vaikutuksesta jään päälle nousseen veden jäätyessä.

5 5 Keväisiä jääpatoja esiintyy erityisesti niissä vesistöissä, joissa virtaamavaihtelut ovat suuria ja joissa ei ole riittävästi järvi- tai tekoallastilavuutta tasoittamaan kevään tulvavirtaamahuippuja. Esim. Kalajoen vesistö on tällainen, Sen sijaan esim. Kymijoella ja Oulujoella ei keväisiä jääpatoja ole esiintynyt näiden vesistöjen suuren järvisyyden, säännöstelyn ja porrastuksen ansiosta. Pahimmat jääpadot esiintyvät yleensä silloin, kun kevättulva alkaa keskimääräistä aikaisemmin ja korkean lämpötilan ja runsaiden sateiden takia jokien virtaamat kasvavat nopeasti. Tällöin jäät eivät ole ehtineet riittävästi haurastua ennen liikkeelle lähtöä ja kovat jäät tukkivat helposti joen uoman ja aiheuttavat vahinkoja. Kuvissa 2 ja 3 on esitetty supon muodostuminen ja tiivistyminen jääpadoksi. Kuva 2. Suppojään muodostuminen virtaavassa vedessä. Kuva 3. Suoppojään tiivistyminen padoksi.

6 6 3 Havaintomateriaali 3.1 Merikosken voimalaitos Merikosken voimalaitoksella veden lämpötilan seuraamiseksi kolmoskoneiston yhteyteen on asennettu jokiveden lämpötilan seuranta. Seuranta tapahtuu kahden eri lämpötila-anturin avulla, joista ensimmäinen on kalibroitu kesäkäyttöön ja toinen talvikäyttöön. Viimeksi mainitulla lämpötilan havaintoalue on aika suppea 0,00-2,50 astetta. Kyseisen lämpötilamittauksen rekisteröimiä tuntiarvoja on esitetty kuvassa 4. Merikoski, veden lämpötila, kone Lämpötila talvianturi [C] Aika [a] Kuva 4. Lämpötilahavaintoja Merikosken voimalaitoksen talvimittauksiin kalibroidulla lämpötilaanturilla talvina Havainnoista ilmenee että lämpötila vuosien aineistossa laskee marras-joulukuun vaihteessa minimiinsä ollen noin 0,07-0,09 astetta. Jäätymisen alkuvaiheessa ei Oulujoessa ole vielä alijäähtymiseltä suojaavaa jääkantta. Tällöin tyypillisesti jokijäämallin ennusteiden mukaan säädetään virtaamaa joessa tasaiseksi ja riittävän pieneksi, jotta saavutettaisiin joen kattava jääkansi. Samalla virtausnopeus pyritään pitämään alle hyydön muodostumisen raja-arvon. Virtausnopeuden raja-arvo hyyteen muodostumiselle on noin 0,6 m/s. Sopivien edellytysten täyttyessä jääkannen muodostuminen joen päälle helpottuu ja jääkannen suojassa hyytöriski joessa ja voimalaitosrakenteissa saadaan minimoitua. Koska hyydön muodostuminen joen puolella pyritään minimoimaan, on sillä myös suistoalueella hyytöriskiä pienentävä vaikutus.

7 7 3.2 Paperitehdas Stora-Enson paperitehdas ottaa prosessivetensä Oulun suistosta. Putki on noin 500 m pitkä ja sen halkaisija on 2,5 m. Vesi otetaan läheltä pintaa. Alimmillaan veden lämpötila on ollut 0,2 Celsius astetta. Kuvassa 5 on esitetty joesta otettavan prosessiveden lämpötilahavainnot. Käytetty mittari ei kuitenkaan sovellu suppo -havaintojen tekemiseen, sillä mittarin tulisi pystyä 0-lämpötilan läheisyydessä sadasosa-asteen mittaustarkkuuteen. Kuva 5. Vedenlämpötila Veden lämpötila on ollut lähellä nollaa koko talvikauden (vihreä viiva). Syksyisin suiston jäätymisen aikoihin on putken lähtöpäässä ollut suppovaikeuksia, jolloin putken sulkulaitteet ovat hyytyneet umpeen. Suiston saavutettua jääkannen ei suppo-ongelmia ole ollut. (puhelinkeskustelu Talvensaari - Vilho Komulainen, Stora-Enso). 3.3 Lämpövoimalaitos Oulun Energian Toppilan lämpövoimalaitos ottaa jäähdytysveden Toppilan kanavasta. Veden alijäähtymisen aiheuttamista suppo-ongelmista ei kyseisen paikan osalta ole ollut havaintoja. Käyttöinsinööri Antero Kyllösen mukaan jäähdytysvedenoton osalta ei ole ollut hyytöongelmia hänen

8 8 työssäoloaikanaan eli viimeisen 27 vuoden aikana. (Keskustelu puhelimitse Mikael Tervaskanto, Oulun Energia/Antero Kyllönen, Oulun Energia). 4 Oulujoen suiston virtaustilanne ja hyytöriski Virtaustilanne Oulun suistossa on varsin järvimäinen ja virtausnopeudeltaan suurimmat nopeudet löytyvät Toppilan salmesta ja Rommakonväylästä. Yli 0,6 m/s virtausnopeuksia löytyy ainoastaan Toppilan salmen ylitse menevän sillan alta. Talviaikaan jääkannen jo osittain muodostuttua supon syntymiseen tarvittavia sulia alueita, joissa veden alijäähtyminen on mahdollista, on ainoastaan Alakanavassa sekä Toppilan salmen sillan kohdalla. Alakanavassa vesi jäähtyy ja oletettavasti joinakin talvina Hartaanselälle sulan rajaan muodostuu jossain määrin suppoa. Tällöin kuitenkin supon aiheuttama padotus jää pieneksi, sillä Hartaanselässä on riittävästi virtausalaa. Siten veden merkittävää padotusta ei esiinny. Toppilansalmen sillan kohdalla jääkannesta vapaana pysyvä alue on niin pieni, ettei vesi juurikaan ehdi alijäähtyä siinä. Vaikka alijäähtymistä tapahtuisi jonkin verran ja suppoa syntyisi Toppilansalmeen, ei siinä kuitenkaan veden syvyyden vuoksi tapahtuisi padotusta. Jotta suppopato syntyisi Rommakonväylään, jossa se olisi seurauksiltaan vaarallisin, täytyy jäätymisen tapahtua useaan otteeseen syksyllä ja jääkannen tulisi olla rosoista ja koostua ahtojäistä. Lisäksi Rommakonväylän yläpuolelle täytyisi syntyä sula, jossa vesi alijäähtyisi.

9 9 Kuva 6. Virtausnopeudet eri puolilla suistoaluetta Merikosken voimalaitoksen juoksutuksella 259 m 3 /s. Supon muodostumiselle muodostuu selvät edellytykset vasta suistoalueen virtaaman noustessa hyvin suureksi. Suurtulvan HQ1/250 mukaisessa tilanteessa supon muodostuminen olisi virtausnopeuden puolesta mahdollista eri puolilla suistoaluetta. Toisaalta suurimmat virtaamat alueella esiin-

10 10 tyvät yleensä jo aiemmin syksyllä ja virtaaman ollessa suurimmillaan ei lämpötilaolosuhteet yleensä ole hyydön muodostumisen kannalta otolliset. Suurimman riskin hyydön kannalta muodostaa tilanne, jossa voimalaitoksen juoksutuksen lisäksi joudutaan säännöstelypadoista ohijuoksuttamaan poikkeuksellisen suurta virtaamaa, suistoalueen jääkansi on osittain muodostunut ja ajankohtaan vielä yhdistyy poikkeuksellisen kylmä sää. Kyseinen kaltainen tilanne on kuitenkin toistuvuudeltaan hyvin harvinainen. Lisäksi tilanteen tulisi jatkua ajallisesti riittävän pitkään, jotta syntyvä hyyde alkaisi padottaa vettä suistoalueelle. Lisäksi on huomattava, että syksyllä virtaamien ollessa maksimissaan, ei veden lämpötila ole vielä saavuttanut minimiään. Suurtulvavirtaaman ajankohta on tyypillisesti loka-marraskuun vaihteessa (Veijalainen etc. 2004), kun taas veden lämpötila joessa saavuttaa vuosien havaintojen perusteella miniminsä vasta noin reilua kuukautta myöhemmin. Kaikkiaan hyytöriskiä ja sen aiheuttamaa vedenkorkeuden padotusriskiä voidaan tässä esiselvityksessä ilmenneiden asioiden pohjalta pitää hyvin pienenä. Asiaa tukee se, ettei alueella ole Merikosken voimalaitoksen rakentamisen jälkeen esiintynyt merkittävää suposta aiheutunutta padotusta. Kuva 7. Keskimääräiset virtausnopeudet suurtulvan HQ1/250 mukaisessa tilanteessa. (Talvensaari 2004)

11 11 5 Johtopäätökset Edellä käsiteltyjen seikkojen perusteella suppo- tai hyydepadon syntyminen Oulujoen suistoon on erittäin epätodennäköistä. Heikoista jääoloista esim. sulista ja ahtojäistä täytyisi olla havaintoja lähiajoilta. Jos verrataan luvulla syntyneeseen suppopatoon on huomattava, että maa on kohonnut noista ajoista yli 2 metriä ja silloiset alttiimmat alueet ovat nykyisin huomattavasti vähemmän riskialttiita veden nousulle. Ennen Merikosken voimalaitoksen rakentamista joen alaosalla sijaitsivat pitkät koskijaksot. Niiden rakentaminen voimalaitoskäyttöön on kuitenkin muuttanut jokiprofiilin luonnetta hyvin voimakkaasti. Aiemman pitkän koskijakson, jonka alapuoleiseen suvantoon hyyde aikoinaan kasautui, korvaa Merikosken voimalaitoksen rakentamisen myötä muodostunut pitkähkö suvanto. Siinä virtaus on tasaisempaa ja jääkansi pyritään muodostamaan alijäähtymisen ehkäisemiseksi jo hyvissä ajoin luvun lopulla toteutettu Merikosken padotuskorkeuden nosto on lisäksi osaltaan vähentänyt hyyteen muodostumisriskiä. Riski hyyteen merkittävälle muodostumiselle aiheutuu lähinnä tilanteessa, jossa Oulujoen virtaamat ovat poikkeuksellisen suuret, suistoalueelle on muodostunut osittainen jääkansi, joen tuoman veden lämpötila on lähellä nollaa sekä lisäksi ilman lämpötila on hyvin alhainen. Tilanne on tilastollisesti kuitenkin erittäin harvinainen ja mahdollisuus sen aiheuttamaan hyyteen muodostumiseen siten erittäin pieni. Jos hyyteen muodostumisen kannalta riskialueita halutaan kartoittaa vielä tarkemmin, tulisi Oulujoen suistoalueelta kerätä usean vuoden havaintosarja jäätymisistä, jään paksuuksista, vedenlämpötiloista ja vesipinnoista. Saatujen havaintosarjojen perusteella voitaisiin laatia jokijäämalli, jolla voitaisiin mallintaa erilaisia harvinaisia säätilanteiden ja virtausyhdistelmien vaikutuksia sekä arvioida niiden vaikutuksia vedenkorkeuksiin. Suurimman hyyderiskin muodostavat kohdat voitaisiin kartoittaa mallintamisella sekä valmistella ennakolta toimintamalli haittojen minimoimiseksi.

12 12 KIRJALLISUUS Halila Aimo, Oulun kaupungin historia II. Heikkinen Seppo, Jokijäätutkimusprojekti, talvi , liite 5. Oulujoen jäätyminen. 3 s. Hällfors Arvi, Katsaus Oulun kaupungin sataman kehitykseen. Oulun kaupunki. Insinööritoimisto Reiter Oy, Jokijäätutkimusprojekti. Oulujoen avotilan kalibrointi. Helsinki Insinööritoimisto Reiter Oy, Jokijäähavainnot. Havainto-ohjelma. Helsinki s. + liitteet. Niskala Kaarina, Toppilan maankäytön historiaa. Oulun kaupunki. Oulu. Talvensaari Marko, Oulun suisto suurtulvalla HQ1/250, 2D-mallinnus. Kemijoki Oy, Arctic Tecnology s. Veijalainen Noora, Vehviläinen Bertel, Oulujoki, Merikosken 1/250 virtaama. Suomen ympäristökeskus, Hydrologian yksikkö Helsinki. 7 s. + liitteet.