Lake and Stream Hydrology 2009 UJ, UH, & TPU. Timo Huttula JY/BYTL& SYKE/VTO

Transkriptio

1 Lake and Stream Hydrology 2009 UJ, UH, & TPU Timo Huttula JY/BYTL& SYKE/VTO

2 Jokijääilmiöt Jokijääilmiöt ja niiden vaikutus joen virtaamaan ja vedenkorkeuteen Patoturvallisuuden täydennyskoulutus PATU 4: Jokifysiikka Rovaniemi Mikko Huokuna, SYKE 2

3 Joen jääprosessit Joen jäätyminen, jääkannen paksuuden kasvu ja jäänlähtö ovat monimutkaisia tapahtumia. Joen jääprosessit ovat vuorovaikutuksessa virtausolosuhteiden kanssa. Virtausolosuhteet vaikuttavat jääprosesseihin ja päinvastoin. 3

4 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen Suppojää Pohjajää Jääkannen muodostuminen Reunajään muodostuminen Dynaaminen jääkannen muodostuminen Joen jääkannen kasvu ja oheneminen Jäänlähtö Yleistä Jääpadot Jään vaikutus vedenkorkeuksiin 4

5 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit lämmönvaihto veden ja ilman välillä auringonsäteily lämpösäteily johtuminen veden höyrystyminen tai tiivistyminen sateen vaikutus lämpövuo uoman pohjasta veteen lämpövuo vedestä jääkannen alapintaan 5

6 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit F s auringonsäteily, F e haihtuminen, F L lämpösäteily (pitkäaaltoinen säteily), F c johtuminen, F b lämpövuo uoman pohjasta, F iw lämpövuo veden ja jääkannen välillä 6

7 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit Lyhytaaltosäteily Veden vastaanottaman auringon säteilyn eli lyhytaaltoisen säteilyn määrään vaikuttavat pilvisyys ja veden albedo. Auringonsäteily ei Suomen olosuhteissa ole kovin tärkeä komponentti jokien jäätymisvaiheessa alkutalvella, mutta nousee tärkeäksi jään lähtövaiheessa keväällä. 7

8 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit Pitkäaaltoinen säteily eli lämpösäteily Lämpösäteilystä eli pitkäaaltoisesta säteilystä aiheutuva lämpövuo veden ja ilman välillä on erotus veden absorboimasta ja emittoimasta pitkäaaltoisesta säteilystä. Pilvisyys vaikuttaa oleellisesti lämpösäteilyn nettomäärään. 8

9 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit Johtuminen Vedenpinnan ja ilman välinen lämpötilaero aiheuttaa lämmön siirtymisen johtumalla veden ja ilman välillä. Tuulen nopeus vaikuttaa ratkaisevasti johtumalla siirtyvän lämmön määrään. 9

10 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit Höyrystyminen Haihtumisesta (höyrystymisestä) aiheutuva lämpövuo on suoraan verrannollinen ilman vesihöyryn osapaineen ja vedenpinnan lämpötilassa olevan vesihöyryn kyllästymispaineen erotukseen. Tuulen nopeus vaikuttaa haihtumisen aiheuttamaan lämpövuohon. 10

11 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit Lämpövuo uoman pohjasta Uoman pohjasta lähinnä pohjavedestä tuleva lämpövuo ei ole jäätymisvaiheessa merkittävä lämmönvaihdon komponentti. Keskitalvella pitkissä jääpeitteisissä jokijaksoissa sillä on kuitenkin merkitystä. 11

12 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit Veden ja jääkannen välinen lämpövuo Veden ja jääkannen alapinnan välinen lämpövuo riippuu veden lämpötilasta ja virtauksen turbulenttisuudesta. Merkitystä varsinkin keväällä, jolloin vesi lämpenee jäistä vapaissa jokijaksoissa ja lämmin vesi sulattaa jääkantta alhaalta päin. Jää sulaa nopeammin niissä paikoissa, joissa virtausnopeus on suuri. 12

13 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit Veden ja jääkannen välinen lämpövuo Veden ja jääkannen alapinnan välinen lämpövuo riippuu veden lämpötilasta ja virtauksen turbulenttisuudesta. Merkitystä varsinkin keväällä, jolloin vesi lämpenee jäistä vapaissa jokijaksoissa ja lämmin vesi sulattaa jääkantta alhaalta päin. Jää sulaa nopeammin niissä paikoissa, joissa virtausnopeus on suuri. 13

14 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon komponentit Potentiaalienergian muuttuminen lämmöksi Potentiaalienergiaa muuttuu lämmöksi voimakkaasti turbulenttisessa virtauksessa Merkitys vähäinen koskijaksoja lukuun ottamatta 14

15 Jokien jäätyminen Veden jäähtyminen, lämmönvaihdon määrittäminen Lämmönvaihdon eri komponentit voidaan laskea erikseen ja summata yhteen. Yksintertaistuksessa voidaan esimerkiksi olettaa lämpövuon riippuvan lineaarisesti veden ja ilman lämpötilaerosta. T w = veden lämpötila C 0 T T w a T a = ilman lämpötila C 0 = kerroin (15-25 W/m 2 ) (Prowse 1995) T a = 20 C T w = 0 C = W/m 2 15

16 16

17 Jokien jäätyminen Supon muodostuminen Suppojää muodostuu turbulenttisessa virtauksessa veden alijäähtymisen seurauksena. Jään muodostuminen alkaa kun alijäähtyminen on C. Jääkiteiden muodostuminen alkaa veden epäpuhtauksien kohdalta. Myös vesihöyryn tiivistyminen ja tiivistyneen pisaran jäätyminen aloittaa supon muodostumisen. Lumisade tai aaltoilun aiheuttamat roiskeet nopeuttavat supon muodostumista. 17

18 Jokien jäätyminen Supon muodostuminen Jään muodostuminen vapauttaa lämpöä ja veden lämpötila nousee lähelle jäätymispistettä 18

19 Jokien jäätyminen Supon muodostuminen Suppojää esiintyy lähinnä joko levymäisinä tai tähtimäisinä kiteinä. Levynmuotoiset kiteet ovat yleisempiä. Suppokiteiden koko on todettu vaihtelevan välillä m Kun suppokiteet liittyvät yhteen, syntyy sohjoa. Supposohjon kidekoko vaihtelee välillä m. 19

20 Jokien jäätyminen Supon muodostuminen 20

21 Jokien jäätyminen Supon muodostuminen Nosteen vaikutuksesta suppokiteet alkavat nousta ylöspäin ja turbulenttisuuden voimakkuudesta riippuu, miten nopeasti pintaan nousu tapahtuu. (Sedimenttianalogia) Pintaan noustuaan suppokiteet jäätyvät yhteen ja silloin muodostuu lauttoja, jotka kulkevat pintavirtauksen mukana. Pinnalla kulkeutuvat lautat törmäilevät toisiinsa ja uoman reunalla reunajäähän, jolloin lautoista muodostuu pyöreitä (ns. pannukakkujää). 21

22 22

23 23

24 24

25 Jokien jäätyminen Pohjajää Jään muodostuksen alkuvaiheessa, kun alijäähtyminen on vielä voimakasta, suppo on niin sanotussa aktiivisessa tilassa, jolloin se tarttuu helposti kiinni esim. vedessä oleviin kiviin muodostaen pohjajäätä. Virtauksen oltavan riittävän turbulenttista niin että, alijäähtynyt vesi ja jääkiteet kulkeutuvat uoman pohjalle. 25

26 Jokien jäätyminen Pohjajää Usein pieni lämpötilan nousu aiheuttaa pohjajään irtoamisen pohjasta. Myös auringonsäteily ilman sanottavaa ilman lämpötilan nousua voi riittää pohjajään irtoamiseen pohjasta. Pohjajäätä tavataan kuitenkin harvoin niissä joen kohdissa, joissa uoman pohja on hienoa soraa, hiekkaa tai savea. Nämä materiaalit irtoavat helposti pohjasta nosteen vaikutuksesta jään mukana. Suppojään joukossa onkin usein hiekkaa tai savea sisältäviä kiteitä. 26

27 27

28 28

29 Jokien jäätyminen Jääkannen muodostuminen Reunajään muodostuminen Virtausnopeus vaikuttaa oleellisesti jääkannen muodostumiseen joessa. Jääkansi muodostuu staattisesti hitaan virtausnopeuden alueella, yleensä uoman reunassa. Tällöin jääkansi muodostuu samaan tapaan kuin pienissä järvissä tai lammikoissa. 29

30 30

31 31

32 Jokien jäätyminen Jääkannen muodostuminen Dynaaminen jääkannen muodostuminen Kun veden pinnalla virtauksen mukana kulkeva jää (supposohjo, suppolautat tai lautasjää) kohtaa muodostuneen jääkannen reunan tai muun esteen kuten jääpuomin, se virtausnopeudesta riippuen joko kerääntyy esteen eteen tai painuu sen alle. Virtauksen mukana kulkeutuvasta jäästä kasautumalla tapahtuvaa jääkannen muodostumista kutsutaan dynaamiseksi jääkannen muodostumiseksi. 32

33 Jokien jäätyminen Jääkannen muodostuminen Dynaaminen jääkannen muodostuminen Kun veden pinnalla virtauksen mukana kulkeva jää (supposohjo, suppolautat tai lautasjää) kohtaa muodostuneen jääkannen reunan tai muun esteen kuten jääpuomin, se virtausnopeudesta riippuen joko kerääntyy esteen eteen tai painuu sen alle. Virtauksen mukana kulkeutuvasta jäästä kasautumalla tapahtuvaa jääkannen muodostumista kutsutaan dynaamiseksi jääkannen muodostumiseksi. 33

34 Jokien jäätyminen Jääkannen muodostuminen Kriittinen virtausnopeus jäälautan painumiselle veden alle voidaan määrittää tasapainotarkastelun avulla johdetusta sekä laboratoriokokeiden ja havaintojen avulla verifioidusta kaavasta (Ashton 1974). [ g t i ( v c 1- i ) ] 1/ 2 = [ 5-2 ( 3 ( 1-1- ti d ti d ) ) 2 ] 1/ 2 t i d v c i = saapuvien jäälauttojen paksuus = vesisyvyys ylävirtaan jääkannen reunasta = virtausnopeus ylävirtaan jääkannen reunasta = jään ominaispaino = veden ominaispaino 34

35 Jokien jäätyminen Jääkannen muodostuminen Kuten kaavasta voidaan nähdä, vaihtelee dynaamisesti muodostuneen jääkannen paksuus virtausnopeuden ja uoman syvyyden muuttuessa. Laskettu jääkannen paksuus on maksimissaan yksi kolmasosa vesisyvyydestä. Tätä jään paksuutta vastaa Frouden luku: F c = 0, e c Jos virtauksen Frouden luku on suurempi kuin yhtälöstä määritetty, painuvat virran mukana saapuvat jääkappaleet jääkannen alle ja jääkannen eteneminen ylävirran suuntaan estyy. 35

36 36

37 Jokien jäätyminen Suppopadot Jääkannen alareuna Suppokerroksen alareuna Uoman pohja 37

38 Joen jääkannen kasvu ja oheneminen Kun jääkannen päälle sataa lunta alkaa jääkansi painua alaspäin. Tällöin vesi alkaa virrata jään halkeamista jään päälle ja muodostuu lumisohjoa, joka jäätyessään muodostaa kohvajäätä. Kohvajään osuus jään kokonaispaksuudesta vaihtelee talvesta toiseen, mutta kohvakerrokset voivat olla yli metrin kohvajään paksuisia. 38

39 39

40 Joen jääkannen kasvu ja oheneminen Jääkannen oheneminen Keväällä joen jääkansi voi ohentua sekä ylä- että alapuolelta. Jää myös sulaa auringon säteilyn vaikutuksesta sisältäpäin, eli puikkoontuu. Jään pinnalla oleva lumikerros estää auringon säteiden imeytymisen jääkanteen ja hidastaa täten olennaisesti jään sulamista ja haurastumista. Joen jääkannen sulamisen kannalta on oleellista jäistä avoimien alueiden muodostuminen. Keväällä vesi lämpenee jäistä vapaissa joen osissa auringon säteilyn ja lämpösäteilyn vaikutuksesta. 40

41 41

42 42

43 Joen jäänlähtö Keväällä joen jää, varsinkin lumen sulamisen jälkeen, ohenee ylä- ja alapuoleltaan sekä puikkoontuu, jolloin sen lujuus heikkenee. Tällöin jääkantta paikallaan pitävät voimat pienenevät. Toisaalta virtaaman noustessa jäätä liikkeelle työntävät voimat kasvavat. 43

44 Joen jäänlähtö Raaka ja kypsä jäänlähtö 44

45 45

46 46

47 47

48 Joen jäänlähtö Jääpadon jako ylä- ja alapuoliseen muutosvyöhykkeeseen sekä keskellä olevaan tasapainovyöhykkeeseen (Beltaos 1984) 48

49 Joen jäänlähtö Jääpatoja on tutkittu olettamalla jääpato kelluvaksi rakeiseksi massaksi, johon vaikuttaville voimille pystytään muodostamaan tasapainoyhtälö (Beltaos 1984). ovat pieniä Tasapainoyhtälön avulla on mahdollista laskea jääpadon paksuus tietyssä virtaustilanteessa (stationäärinen tarkastelu). Tätä menetelmää on käytetty mm. HEC-RAS ohjelmassa, jonka manuaalissa on selostus laskentamenetelmästä. 49

50 Jään vaikutus vedenkorkeuksiin Laskettaessa virtausvastusta jääpeitteisessä uomassa lisätään yleensä jääkannen leveys uoman märkäpiiriin, vähennetään jään aiheuttaman virtrausalan pieneneminen ja määritetään jääkannen ja uoman pohjan aiheuttama yhdistetty karkeuskerroin. Manning-n kerrointa käytettäessä kokonaiskarkeuskerroin määritetään yleensä Belokon-Sabanev menetelmällä. n c n 3/ 2 i 2 n 3/ 2 b 2 / 3 n c = kokonaiskarkeuskerroin n i = jääkannen karkeuskerroin n b = uoman pohjan karkeuskerroin 50