Virtausmalli Simon edustalle lämpöpäästöjen leviämisen arviointiin

Transkriptio

1 Virtausmalli Simon edustalle lämpöpäästöjen leviämisen arviointiin Raportti Hannu Lauri, Jorma Koponen, YVA Oy Tekniikantie 21 B, 215 Espoo puh: fax: Sisällys 1. Tutkimuksen sisältö ja tavoitteet Laskentamalli ja lähtötiedot Mallihila Laskentamenetelmät ja parametrit Olosuhdetiedot Alku- ja reunaehdot Vertailu mittauksiin Vertailu lämpötilamittauksiin Vertailu havaittuihin jäätilanteisiin Laskentaskenaariot Skenaariot Otto- ja purkupaikat mallihilassa Kesäjakson 23 laskenta Lämpötilan nousu kesäkuussa eri syvyyksillä Keskimääräinen lämpötilan nousu eri tuulilla Veden lämpötila ottopisteissä Veden lämpötilan muutos valituissa aikasarjapisteissä Keskimääräiset virtaukset kesäkuussa Talvijakson laskenta Ilman lämpötila talvella Jäätilanteet ja Ilmastonmuutoksen vaikutuksen arviointi Yhteenveto Lähdeluettelo...37

2 1. Tutkimuksen sisältö ja tavoitteet Tutkimuksessa arvioitiin ydinvoimalan jäähdytysvesipäästöjen vaikutuksia veden lämpötiloihin Simon Karsikonniemen edustalla 3D-virtausmallia käyttäen. Tarkastelun kohteena oli suunnitellun uuden voimalaitosyksikön jäähdytysvesien otto- ja purkupaikan sijoituksen vaikutus veden lämpötilaan vaihtoehtoisissa jäähdytysvesien ottopisteissä. Raportti jakautuu kolmeen pääosaan, jotka ovat, 1) alueelle laaditun mallin ja sen lähtötietojen kuvaus, 2) mallin laskemien tulosten vertailu mittauksiin, sekä 3) skenaariolaskentojen asetukset ja tulokset. 2. Laskentamalli ja lähtötiedot 2.1. Mallihila Mallihila konstruoitiin digitoidusta kartta-aineistosta. Lähtöaineisto sisälsi syvyyskäyriä, syvyyspisteitä ja rantaviivoja vektorimuodossa. Seuraavat kartta-aineistot olivat käytössä: ETOPO2v2, Itämeren alueen syvyystiedot 2 minuutin tarkkuudella (ETOPO2v2, 26) Merenkulkulaitoksen digitaalinen kartta-aineisto (Merenkulkulaitos, 28) jäähdytysveden otto- ja purkuaukkojen järjestelytiedot Aineisto yhdistettiin yhdelle karttapohjalle, josta sitten muodostettiin syvyysmalli, eli valitulla rasterikoolla oleva syvyysrasteri. Rasteripisteille arvioitiin syvyysarvo lähialueen syvyystiedoista käyttämällä YVA Oy:ssä kehitettyä interpolointialgoritmia. Varsinainen mallihila konstruoitiin syvyysmallin perusteella laskemalla keskiarvo hilakopin sisältämistä syvyysmallipisteistä. Rannikkoalueen mallintamiseen käytettiin alueellisesti tarkennettua hilaa, jossa on useita sisäkkäisiä tasoja. Varsinainen kohdealue on pyritty mallintamaan tutkimuksen tavoitteisiin nähden riittävällä tarkkuudella. Karkeampia hiloja käytetään määrittämään kohdealueen hilalle reuna-arvoja. Tässä sovelluksessa voimalan lähialue on mallinnettiin 8m hilakoolla (hilatason koko noin 7 x 7km). Mallihilan uloin taso käsittää Perämeren Merenkurkusta pohjoiseen hilakoolla 216m. Lähialueen ja uloimman alueen väliin tarvitaan lisäksi kaksi hilatasoa joiden hilakoot ovat 24m ja 72m. Syvyyssuunnassa hila on jaettu 17 syvyystasoon, joiden koko vaihtelee pinnan lähellä käytetystä yhdestä metristä avomeren syvänteissä käytettyyn kahteenkymmeneen metriin. Laskentahilan parametrit on esitetty taulukoissa 1 ja 2, ja laskentahila kuvissa 1 ja 2. Purku- ja purkupisteiden läheisen hilan syvyydet numeroarvoina on esitetty luvussa 4. Taulukko 1: Sisäkkäiset hilojen parametrit Taso nro Hilakoppeja vaakasuunta Hilakoppeja pystysuunta Hilaruudun koko (m) Koko (km), itä-länsi suuntaan Koko (km), pohjois-etelä suuntaan 2

3 Taulukko 2: Hilakoppien syvyystasot Taso Syvyys (m) Taso Syvyys (m) km Kuva 1: Lähialue, hilakoppien koko karkeammassa hilassa 24m ja tarkemmassa 8m. 3

4 Kuva 2: Koko mallihila, jossa sisäkkäistykset rajattu tummalla värillä alueen yläreunassa.. Hilakoppien koot laajimmasta pienimpään 216m, 72m, 24m, 8m. 4

5 2.2. Laskentamenetelmät ja parametrit Mallilaskelmat suoritettiin YVA Oy:n 3D virtausmallilla, joka on hydrostaattisiin Navier-Stokesin yhtälöihin perustuva barokliininen vesialueille soveltuva malli (Koponen et.al, 28). Sovelluksessa käytettiin seuraavia laskenta-asetuksia: Laskennassa käytetään epälineaarisia virtausyhtälöitä, joissa liikemäärän kulkeutuminen lasketaan upwind-menetelmällä. Lämpötilan tiheysvaikutus on mukana virtauslaskennassa. Suolaisuuden tiheysvaikutus on mukana virtauslaskennassa. Vertikaalisuuntaisen turbulenssin laskennassa käytetään k-e turbulenssimallia. Vaakasuuntainen turbulenssi lasketaan Smagorinskyn mallilla. Lämpötilan ja suolaisuuden kulkeutuminen lasketaan TVD-superbee algoritmilla. Lämpötilan vertikaalisuuntainen diffuusiota lasketaan k-e turbulenssimallin avulla. Veden pintakerroksen lämpötilatasapaino lasketaan tulevan ja lähtevän säteilyn, haihdunnan ja lämmön johtumisen perusteella jokaiselle pintakerroksen hilakopille erikseen. Vedenkorkeuden vaihtelu mallin reunalla on laskettu koko Itämeren mallilla. Valittuja laskentamenetelmiä käyttämällä on pyritty mahdollisimman hyvin todellisuutta vastaavaan virtausten kuvaamiseen, nykytason mallitietämyksen ja laskentatehon asettamissa rajoissa. Numeerisissa malleissa laskennallisten menetelmien käyttö tuo aina mukanaan laskentamenetelmästä riippuvan virheen. Virheen laatu ja suuruus riippuu käytetystä menetelmästä, ja kuhunkin laskentaongelmaan onkin aina pyrittävä valitsemaan siihen sopivat laskentamenetelmät virheiden minimoimiseksi. Ydinvoimalaitoksen tapauksessa ehkä olennaisin mallinnusongelma on lämpötilakerrostuneen virtauksen laskenta purkupaikan edustalla ja ottojen lähialueilla. Tarkkaan laskentaan on pyritty käyttämällä laskennassa turbulenssin mallinnusta, hyviä kulkeutumisalgoritmeja, sekä riittävän tiheää hilaa. Reunaehtojen laskemiseksi mallissa on käytetty sisäkkäisiä hiloja. Hilojen reunojen laskenta aiheuttaa paikoitellen ylimääräisiä vertikaalisuuntaisia virtauksia, jotka voivat näkyä esim. jääkuvissa. Poikkeamat ovat pääasiassa pieniä ja näkyvät lähinnä paikallisina vaikutuksia hilatasojen reunojen kohdalla Olosuhdetiedot Mallin avoveden ajan laskentajaksona käytettiin aikaväliä , jäätilannetta simuloitiin puolestaan jaksolle Kesäjakson valintaperusteena oli lämmin heinäkuu, jolloin veden lämpötilalle mitattiin vuosien 2-26 korkeimmat arvot. Jäätalvi 22/23 oli puolestaan Merentutkimuslaitoksen jääpalvelun mukaan keskimääräinen jään pinta-aloja tarkasteltaessa. Poikkeuksellista oli talven keskimääräistä aikaisempi alku, ja keskimääräistä pidempi jääpeitteinen kausi, (Kallionsaari, 23), sekä keskimääräistä paksumpi jääpeite. Olosuhdetietoina käytettiin voimalan lähialueella Ilmatieteen säähavaintoasemilla mitattuja tuuli-, lämpötila- ja kosteustietoja. Simon sovelluksessa lähialueen säätiedot on valittu Kemi I sääasemalta. Laajemman merialueen säätiedot saatiin NCEP Reanalysis II globaalista säädatasta (NCEP 28). Kohdealuetta lähempänä olisi ollut myös Kemi Ajos -sääasema, mutta Kemi I - aseman katsottiin edustavan paremmin merialueella vallitsevia tuulia, ja soveltuvan tämän vuoksi paremmin mallinnuksen lähtötiedoiksi. Kuvassa 3 on esitetty Kemi1 säähavaintoaseman tuulen suunta- ja nopeusjakaumat kesän 23 ajalta aikajaksolta Havaintoasema sijaitsee Perämeren keskellä koordinaattipisteessä lat lon Sijainti on noin 4 km Karsikonniemestä lounaaseen. Valitulla aikajaksolla aseman 5

6 tuulennopeuden keskiarvo oli 6. m/s, ja tyypillisin tuulen suunta 2 (6.8% tuulista). Jaksolla oli jossakin määrin normaalia enemmän pohjoisen puoleisia tuulia, tuulen nopeuksien suhteen jakso oli keskimääräinen. Ilman lämpötilan suhteen vuoden 23 kesä oli normaalia lämpimämpi heinäkuun osalta, mutta muuten lähellä normaalia. Veden lämpötilan osalta heinäkuun loppu oli hyvin lämmin. Kemi1 sääaseman ja Ke13 vedenlaatupisteen lämpötilat on esitetty kuvissa 4 ja Tuuli/Kemi1,kesä % Kesä 23 ( ) Tuuli/Kemi1, % Kesäkuu 23 ( ) Kuva 3. Tuulen suunta- ja nopeusjakaumat (%) sääasemalla Kemi 1 Lämpötila/Kemi1,kesä 23 2 TEMP [C] /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 14/9 Kuva 4: Ilman päivittäiset keski-, minimi- ja maksimilämpötilat jaksolla Kemi1 sääasemalta laskettuna 3h välein tehdyistä havainnoista. 6

7 2 TEMP (C) Kuva 5: Veden pintalämpötila mittauspisteestä Ke13 vuosilta Alku- ja reunaehdot Mallihilassa avoimille reunoille laskettiin vedenkorkeusarvot koko Itämeren mallilla. Lämpötilatiedot reunoille laskettiin lähimmän NCEP Reanalysis-säätietojen ilman lämpötilatiedoista seuraavalla menetelmällä. T ws (d)=.99 T ws (d-1)+.1 T a (d) T ws (i) = päivän i veden pintalämpötila T a (i) = päivän i ilman lämpötila d = päivän numero Lämpötilat reunan syvemmissä kerroksissa laskettiin arvioidusta pintalämpötilasta seuraavasti T = T ws kun syvyys on alle 9m T =.8 T ws kun syvyys on 9-15m T =.6 T ws kun syvyys on 15-25m Suolaisuusarvot asetettiin mittausten perustella alueen keskisuolaisuusarvoja vastaaviksi ja vakioiksi. Lämpötilan ja suolaisuuden alkuarvoja asetettaessa hyödynnettiin Merentutkimuslaitoksen FIMR BMP-data arkistosta saatuja Perämeren mittauspisteistä BO3 ja F2 mittaamia CTD-profiileja. Vuodelta 23 mittauksia oli suoritettu 2.6, 23.8 ja 27.8 (Olsonen, 27). ). Lämpötilan alkuarvoksi asetettiin 1 aste koko syvyydelle. Suolaisuusarvot asetettiin välille PSU, siten että pohjalla oleva vesi oli suolaisinta. Skenaariolaskennoissa poistuvan jäähdytysveden lämpötila asetettiin lisäämällä simuloituun ottoveden lämpötilaan voimalaitoksen lämmitysvaikutus. Voimalavaihtoehtojen jäädytysvesivirtaamat ja käytetyt lämmönnousut on esitetty taulukossa 3. Purkuveden suolaisuus oli sama kuin ottopisteen suolaisuus. Taulukko 3: Voimalavaihtoehtojen jäädytysvesivirtaamat Laitosvaihtoehto 1 2 Sähköteho (MW) Jäähd. veden virtaus (m3/s) Lämpötilan nousu (ºC) Vertailu mittauksiin Laskettuja mallituloksia vertailtiin mitattuihin lämpötiloihin. Vertailut suoritettiin pääasiassa vuoden 23 mittauksiin, jotka poimittiin Suomen Ympäristökeskuksen HERTTA-aineistosta. Hertta-aineiston data on mitattu vedenlaadun seurannan pisteistä tiheimmillään noin kerran kuukaudessa mutta tyypillisesti harvemmin. Pisteiden sijainnit näkyvät kuvassa 6. 7

8 1 2 3 km km Kuva 6: Mittauspisteiden ja lähialueen aikasarjapisteiden sijainti 8

9 3.1. Vertailu lämpötilamittauksiin Mitattujen ja laskettujen lämpötilojen vertailua varten laskettiin vuoden 23 kesäjakso. Vertailujakson laskenta aloitettiin , millä saatiin kesäkuun alkuun paremmin todellisuutta vastaava veden lämpötilajakauma. Tunnuslukujen laskennassa ja aikasarjakuvissa on käytetty jaksoa Vertailut HERTTA-tietokannan mittauspisteisiin on esitetty kuvissa 7-9 pisteistä Ke13, LAV4 ja Hailuoto. Vastaavat tilastolliset tunnusluvut on esitetty taulukossa 4. Yleisesti ottaen mittauspisteissä lasketut pintalämpötilat vastasivat havaintoja hyvin. Syvemmällä mallin laskema lämpötila ei aina täysin vastannut mitattuja arvoja, vaan malli yliarvioi lämpötilan keskimäärin noin 1.5 asteella. Pisteet LAV3 ja KE12 olivat myös mallialueella, mutta näissä pisteissä oli mittauksia käytetyllä laskentajaksolla kolme tai vähemmän. 2 Ke13, simov /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 malli.5m mittaus -1m 2 Ke13, simov /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 malli 4.5m mittaus 4-6m Kuva 7: Piste Ke13, veden lämpötilan lasketut ja mitatut arvot 2 Lav4, simov /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 malli.5m mittaus -1m 2 Lav4, simov /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 malli 1m mittaus 9-11m Kuva 8: Piste LAV4, veden lämpötilan lasketut ja mitatut arvot 9

10 2 Hailuoto, simov /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 malli.5m mittaus -1m 2 Hailuoto, simov /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 malli 1m mittaus 9-11m Kuva 9: Piste Hailuoto, veden lämpötilan lasketut ja mitatut arvot Taulukko 4:: Mallituloksen ja mittausarvon erotuksien keskiarvot (k.a) ja keskihajonnat (std.) mittauspisteissä kesäjakson ajalta. Piste N ka ( C) std ( C) KE13 pinta KE13 5m LAV4 pinta LAV4 1m Hailuoto pinta Hailuoto 1m Pinta yhteensä Pohja yhteensä Vertailu havaittuihin jäätilanteisiin Talvijakson simuloinneissa laskentajakso oli Veden lämpötilan lähtötilanne simuloinneissa oli vakiolämpötila 4 C koko mallialueella. Vertailutietoina käytettiin Merentutkimuslaitoksen jääpalvelun jääkarttoja jäätalvelta 22/23 (Jääpalvelu, 28). Jääkartat eivät ole kovin tarkkoja, joten vertailua voi pitää lähinnä suuntaa-antava. Simuloidut ja havaitut jäätilanteet on esitetty kuvassa 1. Mallilaskennan sopivuus jääkarttoihin on kohtuullisen hyvä. Jäätä muodostuu mallissa ehkä jossakin määrin liian vähän, mikä näkyy esim kuvassa, jolloin mallissa on vielä pieni avoin alue Perämeren keskiosissa, vaikka vertailukartan mukaan alue on jo jäätynyt umpeen. Jäälaskennassa malli simuloi lämmönvaihtoa ja jään muodostumista ja sulamista veden pintakerroksessa, mutta ei ota huomioon jäiden kulkeutumista ja ahtojäitä. Tästä johtuen alueilla ja aikajaksoina, joissa jään liikkeet ovat merkitseviä, malli ei pysty toistamaan jäätilannetta todenmukaisesti. 1

11 Laskettu jäätilanne : Havaittu jäätilanne Laskettu jäätilanne : Havaittu jäätilanne Laskettu jäätilanne : Havaittu jäätilanne Kuva 1. Lasketut ja havaitut jäätilanteet talvella 22/23. 11

12 4. Laskentaskenaariot 4.1. Skenaariot Laskentaskenaariot on nimetty sen mukaan mikä laitosvaihtoehto laskennassa on mukana, sekä missä jäähdytysvesien otto- ja purkupaikat sijaitsevat. Otto- ja purkupaikat näkyvät kartalla kuvassa 11. Lasketut skenaariot on nimetty taulukossa km P2 O1 O2 Syvyystiedot: Merenkulkulaitos lupa /721/2 P1 O3 Syvyys (m) Kuva 11: Jäähdytysveden otto- ja purkupaikat Taulukko 5: Lasketut skenaariot Vaihtoehto Aktiiviset Sähköteho Otto Purku yksiköt [MW] V - - A O1 P2 A O1 P2 B O2 P1 B O2 P1 C O3 P2 C O3 P2 Otto- ja purkujärjestelyt: O1 Otto 1 6m syvyinen kanava, suunta idästä O2 Otto 2 6m syvyinen kanava, suunta kaakosta O3 Otto 3 otto 1m syvyydestä pohjalta, suunta joka puolelta P1 Purku 1 purkukanava pinnalle, suunta lounaaseen P2 Purku 2 purkukanava pinnalle, suunta länteen 12

13 4.2. Otto- ja purkupaikat mallihilassa Otto- ja purkuaukkojen leveytenä käytettiin laskennoissa mallin tarkimman hilan resoluutiota, joka on 8m. Tästä johtuen otto- ja purkuaukkojen kohdalla virtaamien nopeudet eivät vastaa todellisuutta, vaan jakautuvat 8m levyiseen hilakoppiin. Otto- ja purkuaukkojen tarkempi kuvaus vaatisi mallihilan tarkentamista. Otot O1 ja O2 konstruoitiin malliin siten, että rannassa olevalle ottokanavalle kaivettiin 6m syvä kanava alueelle, jossa syvyys oli yli 6m. Pohjalla olevan oton O3 ympäriltä pohjan syvyys tasoitettiin vakioksi. Molempien purkujen P1 ja P2 kohdalla purun edustalle kaivettiin 2m syvä purkusuihkun suuntainen kanava, mikäli syvyys oli tätä pienempi. Mallihilat purkujen ja ottojen kohdalla on esitetty kuvissa Jäähdytysveden purkupisteen syvyystiedoista poikkeava hilan järjestely johtuu laskennallisista syistä. Purkupisteen ympärillä on oltava riittävästi maa-aluetta, muuten lämpötila-asetukset vuotavat ympäristön vesialueelle. Laskennallista virtausta ohjaamaan tarvitaan joissakin vaihtoehdoissa ylimääräisiä maakoppeja purkupisteen lähistölle, tämä ohjaa lasketun virtaaman paremmin todellisuutta vastaavaan suuntaan.. Hilaresoluutiosta johtuen mallissa purkusuihkun nopeus on pienempi ja ala suurempi kuin todellisuudessa. Sekä mallissa että todellisuudessa purkusuihku hajoaa ja hidastuu, joten mitä kauemmas purkupisteestä siirrytään sitä vähemmän purkusuihkun lähtönopeus ja leveys vaikuttavat tuloksiin. Purkusuihkun nopeus on säädetty pohjan syvyyttä muuttamalla molemmille voimalayksikölle niin, että suihkun lähtönopeus on noin 1 m/s O Kuva 12: Ottopisteen O3 läheisen merialueen hilakoppien syvyydet. Maa -5m >5m 13

14 O P2.5 1km.5 1km Kuva 13: Ottopaikan O1 läheisen merialueen hilakoppien syvyydet. Maa -5m >5m O2 P1.5 1km.5 1km Kuva 14: P1 ja O2 läheisen merialueen hilakoppien syvyydet. Maa -5m >5m 14

15 5. Kesäjakson 23 laskenta Kesäjakso simuloinnit suoritettiin käyttämällä vuoden 23 kesän olosuhdetietoja. Simulointijakso oli Veden lämpötilan lähtötilanne simuloinneissa oli vakiolämpötila 1 C koko mallialueella. Merentutkimuslaitoksen mittauspisteessä BO3 Perämeren eteläosassa mitattu lämpötilaprofiili antaa kerroksen -3 metriä lämpötilaksi noin 2.5 C, 5m syvyydellä ja siitä alaspäin lämpötila on alle yhden asteen (Olsonen 27). Laskennan alkujakso noin kesäkuun alkuun asti kuluu alkutilanteen vaikutuksen tasoittumiseen. Laskentajaksolta esitetään tässä seuraavia tietoja: Veden lämpötilan nousu eri syvyyksillä kesäkuun keskiarvona Voimalan aiheuttama veden pintalämpötilojen muutos tyypillisissä säätilanteissa Ottopisteiden lämpötilat aikasarjoina Lämpötilojen muutos valituissa pisteissä aikasarjoina 5.1. Lämpötilan nousu kesäkuussa eri syvyyksillä Voimalayksikön purkuvesien lämmittävää vaikutusta eri syvyyksillä arvioitiin kesäkuun ( ) keskilämpötilakentistä. Kesäkuussa tuulissa oli keskimääräistä enemmän itä, kaakkois- ja länsituulia, muuten tuulien jakauma oli lähellä keskimääräistä. Tuulten suunta- ja nopeusjakaumat on löytyvät kuvasta 3. Lämpötilan nousut on laskettu vähentämällä kunkin skenaariolaskennan tuloskentästä vertailulaskennan lämpötilakenttä. Tulokset on esitetty kuvissa 16 ja 17. Vertailulaskennan keskilämpötilakentät löytyvät kuvasta 16. Lämpötilan nousu on esitetty kahdelta syvyydeltä, pinnalta -1 m kerroksesta ja 2-3 m kerroksesta. Syvemmissä kerroksissa lämpötilan nousu oli vähäistä, ja millään skenaariolla lämpötila ei noussut yhtä astetta enempää yli 9m syvyydellä ja yli.5 km 2 alueella. Taulukossa 11 on lämpötilan nousun keskimääräiset alueet kaikista mallin laskentakerroksista 9m syvyyteen asti. v pinta, kesäkuun keskiarvo v 2-3m kerros, kesäkuun keskiarvo C C Kuva 15: Lämpötilat kesäkuussa, pinnalla ja 2-3 kerroksessa, nollavaihtoehto 15

16 A1, -1m kerros A1, 2-3m kerros B1, -1m kerros B1, 2-3m kerros C1, -1m kerros C1, 2-3m kerros C C Kuva 16: Lämpötilan nousu nollavaihtoehtoon verrattuna -1m ja 2-3m kerroksissa, kesäkuun keskiarvo, Skenaariot A1, B1 ja C1. 16

17 A2, -1m kerros A2, 2-3m kerros B2, -1m kerros B2, 2-3m kerros C2, -1m kerros C2, 2-3m kerros C C Kuva 17: Lämpötilan nousu nollavaihtoehtoon verrattuna -1m ja 2-3m kerroksissa, kesäkuun keskiarvo, skenaariot A2, B2 ja C2 17

18 Taulukko 6: Pinta-alat joilla lämpötila nousu ylittää raja-arvon, kesäkuun keskiarvo Ala jolla lämpötilan nousu ylittää rajaarvon (km2) Skenaario Syvyystaso 1 C 3 C 5 C 7 C 9 C A1-1m m m m m m m..... B1-1m m m m m m m..... C1-1m m m m m m m A2-1m m m m m m m B2-1m m m m m m m..... C2-1m m m m m m m Lämpötilan yli viiden asteen keskimääräinen nousu rajoittuu voimalan purkuputken lähialueelle, ollen kaikilla skenaariolla alle 2 km 2. Suurin saadaan skenaariolla B, joilla purkuputken lähialue on matala estäen lämpötilan sekoittumisen syvempiin vesikerroksiin. Pienin ala on skenaarioilla C, tämä johtuu 18

19 lähinnä siitä, että kesäkuussa kerrostuminen vaikuttaa tilanteeseen ja skenaariossa C ottovesi on hieman pintaottoa viileämpää. Yli yhden asteen keskimääräisen lämpötilan nousun alue saavuttaa skenaariolla A2 4 km 2 koon. Muilla skenaarioilla alue jää pienemmäksi. Skenaariolla B lämmönnousu alueet ovat skenaariota A2 pienempiä, mihin vaikuttavat olettavasti 1) veden nopeampi virtaus purkupaikan B alueella, jolloin lämpöpäästö laimenee tehokkaasti rannikon suuntaiseen virtaukseen, ja 2) purun lähialueen syvyydet ovat matalia, jolloin purku ei pääse sekoittumaan syvempiin vesikerroksiin, vaan pysyy pinnalla ja jäähtyy siten tehokkaasti. Skenaarion C pienemmät lämpönousualueet johtuvat lähinnä ottoveden skenaariota A alemmasta lämpötilasta Keskimääräinen lämpötilan nousu eri tuulilla Tyypillistä lämpöpäästön leviämistä eri tuuliolosuhteissa arvioitiin laskemalla lämpötilan nousut vuoden 23 heinäkuussa kahdella kymmenen päivän jaksolla, (pohjoistuuli) ja (etelätuuli), sekä lisäksi koko heinäkuun ajalta. Tuulien suunta- ja nopeusjakaumat em. jakosoilta on esitetty kuvassa 18. Aiemmalla jaksolla tuulet olivat pääasiassa pohjoisen ja idän suunnalta, jälkimmäisellä jaksolla etelästä ja lounaasta. Lämpötilan nousu jakson aikana laskettiin vähentämällä skenaariotapauksen tuloskentästä vertailutilanteen tulokset. Tuloskentät ja vastaavat lämpötila-alueet on esitetty kuvissa 19 ja 2, sekä taulukoissa 7, 8 ja Tuuli/Kemi1, % Tuuli/Kemi1, % Kuva 18: Tuulen tulosuunta- ja nopeusjakaumat keskiarvojaksoilla ja Aiemmalla jaksolla tuulee pääasiassa pohjoisen ja idän suunnalta, jälkimmäisellä etelästä ja lounaasta.. 19

20 A1 pinta etelätuulet A1 pinta pohjoistuulet B1 pinta etelätuulet B1 pinta pohjoistuulet C1 pinta etelätuulet C1 pinta pohjoistuulet C C Kuva 19: Pintakerroksen keskimääräinen lämpeneminen heinä- ja elokuussa 23, skenaariot, A1,B1 ja C1. 2

21 A2 pinta etelätuulet A2 pinta pohjoistuulet B2 pinta etelätuulet B2 pinta pohjoistuulet C2 pinta etelätuulet C2 pinta pohjoistuulet C C Kuva 2: Pintakerroksen keskimääräinen lämpeäminen heinä- ja elokuussa 23, skenaariot A2,B2 ja C2. 21

22 Taulukko 7: Pinta-alat joilla lämpötila nousu ylittää raja-arvon, etelätuulet Ala jolla lämpötilan nousu ylittää raja-arvon (km2) Vaihtoehto syvyys 1ºC 2ºC 3ºC 4ºC 5ºC 7ºC 1ºC A1 pinta A2 pinta B1 pinta B2 pinta C1 pinta C2 pinta Taulukko 8: Pinta-alat joilla lämpötila nousu ylittää raja-arvon, pohjoistuulet Ala jolla lämpötilan nousu ylittää raja-arvon (km2) Vaihtoehto syvyys 1ºC 2ºC 3ºC 4ºC 5ºC 7ºC 1ºC A1 pinta A2 pinta B1 pinta B2 pinta C1 pinta C2 pinta Taulukko 9: Pinta-alat joilla lämpötila nousu ylittää raja-arvon, koko heinäkuu Ala jolla lämpötilan nousu ylittää raja-arvon (km2) Vaihtoehto syvyys 1ºC 2ºC 3ºC 4ºC 5ºC 7ºC 1ºC A1 pinta A2 pinta B1 pinta B2 pinta C1 pinta C2 pinta Etelätuulilla skenaariolla A ja C lämpöpäästö pyrkii pakkautumaan Ajoksen ja Karsikonniemen väliseen lahteen. Lämpiävän vesialueen koko on tällöin suurehko, sillä lämmennyt vesi ei pääse sekoittumaan rannikon suuntaiseen virtaukseen. Pidemmillä etelätuulijaksoilla lämmin vesi alkaa kasautua myös syvyyssuunnassa, joka hidastaa lämpenemistä. Pohjoistuulilla Simon alueella tapahtuu kumpuamista, jolloin tuuli painaa lämpimän pintaveden ulapalle ja kylmä pohjavesi kiertyy syvemmältä pintakerrokseen. Näissä olosuhteissa voimalan lämpöpäästö laimenee tehokkaasti kumpuavaan kylmään veteen, ja lämmönnousualueet jäävät selvästi etelätuulitilanteita pienemmiksi. Skenaariossa C lähempänä pohjaa oleva vesi on vielä asteen tai kaksi skenaarioiden A ja B vettä kylmempää, jolloin lämmönnousualueet pienenevät edelleen. 22

23 5.3. Veden lämpötila ottopisteissä Taulukossa 1 on esitetty lasketut ottopisteiden veden lämpötilat eri laskentaskenaarioille jakson ajalta.. Vastaavat lämpötila-aikasarjat on esitetty kuvassa 21. Ottopisteiden sijainnit näkyvät kuvassa 11. Ottopisteille O1 ja O2 lämpötilat ovat 5-7m kerroksesta, ottopisteen O3 lämpötila on 9-11m kerroksesta. 25 O1/6m /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 simoa2 simoa1 25 O1/O /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 simob1 simoa1 25 O1/O /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 simob2 simoa1 25 O1/O /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 simoc1 simoa1 25 O1/O /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 simoc2 simoa1 Kuva 21: Ottopisteiden lämpötila-aikasarjat eri skenaariolle vuoden 23 kesäjaksolta verrattuna vaihtoehtoon A1. 23

24 Taulukko 1: Laskentatapauksien aikasarjapisteistä lasketut tilastolliset tunnusluvut voimalaitosyksiköiden ottopisteiden veden lämpötiloista. Tapaus Piste k.a. ( C) std. ( C) min ( C) max ( C) A1 O A2 O B1 O B2 O C1 O C2 O Skenaarioiden A ja B erot ovat pieniä, mistä voi päätellä että laskentatulosten perusteella takaisinkiertoa ei tapahdu merkittävässä. Takaisinkiertoa on kuitenkin jonkin verran enemmän B- skenaarioilla, ero ottolämpötiloissa A-skenaarioden eduksi on.17 ja.14 astetta. Otto pohjalta pisteestä O3 laskee ottoveden lämpötiloja laskentajakson aikana keskimäärin lähes kahdella asteella. Aikasarjakuvasta huomataan kuitenkin, että pohjaoton lämpötilaetu on merkittävä lähinnä kuukauden mittaisella alkukesän jaksolla, jolloin vesi on selvästi kerrostunut, mutta termokliini on vielä alle 1m syvyydellä. Syksyllä, talvella ja keväällä ei pohjaotolla (9-11m) todennäköisesti ole merkittävää lämpötilaetua pintaottoon (5-7m) verrattuna Veden lämpötilan muutos valituissa aikasarjapisteissä Kuvassa 22 ja 23 on esitetty lämpötilan nousu nollavaihtoehtoon verrattuna valituissa pisteissä. Tulokset on esitetty skenaarioille A2,B2 ja C2. Tulostuspisteiksi valittiin kuvassa 6 näkyvät pisteet Ke12, Lav3, P7, P5, Ke13 ja P9. Erotusaikasarjojen keskiarvot ja hajonnat on laskettu taulukkoon Lav3/1m /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 A2 B2 C2 8 Ke12/1m /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 Kuva 22. Lämpötilan muutos 1m syvyydellä nollaskenaarioon verrattuna pisteissä Ke12 ja Lav3, skenaariot A2,B2 ja C2. A2 B2 C2 24

25 8 Ke12/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 A2 B2 C2 8 Ke13/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 A2 B2 C2 8 Lav3/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 A2 B2 C2 8 P5/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 A2 B2 C2 8 P7/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 A2 B2 C2 8 P9/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 Kuva 23. Lämpötilan muutos pintakerroksessa nollaskenaarioon verrattuna,, pisteet Ke12, Ke13, Lav4, P5, P7 ja P9, skenaariot A2,B2 ja C2 A2 B2 C2 25

26 Taulukko 11: Lämpötilan nousu eri skenaariolla valituissa aikasarjapisteissä Lämpötilan nousu, C Skenaario piste avg std min max A2 Ke12/pinta B C A2 Ke13/pinta B C A2 Lav3/pinta B C A2 P5/pinta B C A2 P7/pinta B C A2 P9/pinta B C A2 Ke12/1m B C A2 Lav3/1m B C Tulosten perusteella muutaman asteen ylittävä keskimääräinen lämpötilan nousu pintakerroksessa rajoittuu purkupisteen lähialueelle. Hetkelliset maksimit voivat kuitenkin olla myös kauemmissa pisteissä yli viiden asteen. Syvemmissä pisteissä ottojen lähialueella vesi jäähtyy hieman. 1m kerroksen aikasarjojen perusteella jäähtyminen vertailutilannetta kylmemmäksi näyttää liittyvän pohjoistuuliin liittyviin kumpuamistilanteisiin. Kumpuamistilanteissa pohjavirtaus on normaalistikin syvemmiltä alueilta rannikolle päin, näissä tilanteissa voimalan ottovirtaama näyttää tehostavan pohjavirtausta jossakin määrin luonnontilaan verrattuna Keskimääräiset virtaukset kesäkuussa Kesäkuun keskimääräiset virtaukset sekä voimalayksikön vaikutusta virtauksiin on esitetty kuvissa Virtaukset on piirretty pinnalta, sekä 5 m ja 1 m syvyyksiltä nollavaihtoehdolle, sekä skenaariolle A2,B2 ja C2 erotuksena nollavaihtoehtoon. Kesäkuun tuulijakauma löytyy kuvasta 15. Kesäkuussa Kemijoen virtaama on suurimmillaan, joka näkyy pintavirtauksen suuntautumisena etelään, Karsikonniemen länsipuolella. Kun virtaama on pienempi suuntautuu pintavirtaus enemmän kaakosta luoteeseen. 26

27 -1m kerros 4-5m kerros Kuva 24: Kesäkuun keskimääräiset virtaukset, nollavaihtoehto. 9-11m kerros 27

28 -1m kerros 4-5m kerros Kuva 25: Kesäkuun keskimääräisten virtausten muutos, skenaario A2 9.11m kerros 28

29 -1m kerros 4-5m kerros s 9.11m kerros Kuva 26: Kesäkuun keskimääräisten virtausten muutos,, skenaario B2 29

30 -1m kerros 4-5m kerros Kuva 27: Kesäkuun keskimääräisten virtausten muutos, skenaario C2 9-11m kerros 3

31 6. Talvijakson laskenta Talvilaskentojen aikajakso oli Jäätyminen alkoi noin ja jatkui siten että noin koko perämeri oli jäätynyt umpeen. Jään peittäessä veden pinnan tuuli ei enää vaikuta virtauksiin, ja virtaukset määräytyvät jokivirtaamien, mallin reunan vedenkorkeuden vaihtelun, sekä lämpötila- ja suolaisuuserojen perusteella. Talvijakson simuloinnit suoritettiin käyttämällä vuoden 22 ja 23 talven olosuhdetietoja. Simulointijakso oli Veden lämpötilan lähtötilanne simuloinneissa oli vakiolämpötila 4 C koko mallialueella. Laskennan alkujakso noin marraskuun puoliväliin asti kuluu alkutilanteen vaikutuksen tasoittumiseen. Laskentajaksolta esitetään tässä seuraavia tietoja: Laskettu jäätilanne ja Avoimen vesialueen koko ja ohentuneen jään alueet em. päivinä. Perämerellä talvisaikainen pinnan läheinen virtaus kulkee laskelmien mukaan rantoja pitkin kiertäen vastapäivään, Suomen rannikolla pääasiassa pohjoiseen ja Ruotsin rannikolla etelään. Kierron aiheuttaa jokien tuoma makea vesi, ja pinnankorkeuden vaihtelu sekä suolaisuuserot Merenkurkussa. Hailuodon ja Kemin välisellä alueella virtaus on pohjan mataluudesta johtuen vaihtelevaa ja pyörteistä. Syvemmillä alueilla virtaussuunta on kuitenkin em. kierron mukainen. Skenaariosimuloinneissa Karsikonniemen ja Ajoksen edustalla virtaussuunta on päävirtaussuunnasta poiketen pääasiassa etelään, mutta kiertyy sitten etelämmässä päävirtaussuunnan mukaisesti länteen. Kierto näyttää aiheutuvan Kemijoen vaikutuksesta, sekä mahdollisesti myös voimalayksikön vaikutuksesta Ilman lämpötila talvella Säätilan puolesta vuoden 22 marraskuu oli selvästi keskimääräistä kylmempi. Marraskuun keskilämpötila oli Kemi I sääasemalla -5.4 astetta, kun se keskimäärin on noin -2 astetta. Myös joulukuu ja vuoden 23 tammikuu olivat hieman keskimääräistä kylmempiä. Ilman lämpötila olikin lähes koko simulointijakson ajan alle nollan. Joulukuun lopun, tammikuun ensimmäisen puoliskon ja tammikuun viimeisten päivien aikana lämpötila oli alle -1 C. Sääasemalla Kemi I mitatut ilman lämpötilat on esitetty kuvassa 28. Lämpötila/Kemi1,talvi 2/3-5 TEMP [C] /11 3/11 15/12 3/12 14/1 29/1 Kuva 28: Ilman päivittäiset keski-, minimi- ja maksimilämpötilat jaksolla Kemi1 sääasemalta laskettuna 3h välein tehdyistä havainnoista. 31

32 6.2. Jäätilanteet ja Kuvissa 29 ja 3 on esitetty hetkelliset jäätilanteet tilanteet ja klo 12:. Kuvissa näkyy sulan alueen sijainti, ja alueet missä jää on ohentunut. Sulan alueen koko, sekä niiden alueiden koot, joilla jää on ohentunut, on esitetty taulukoissa 12 ja 13. Taulukko 12: Alueiden koot, joilla jään paksuus on ohentunut (*** = koko alue), ilman voimalan vaikutusta jäätä on 3-4cm. Ala (km 2 ), jolla jään paksuus alle raja-arvon (cm) Skenaario avoin 5cm 1cm 2cm 3cm 4cm 5cm A *** *** A *** *** B *** *** B *** *** C *** *** C *** *** Taulukko 13: Alueiden koot, joilla jään paksuus on ohentunut (*** = koko alue). Ilman voimalan vaikutusta jäätä on 45-5cm. Ala (km 2 ), jolla jään paksuus alle raja-arvon (cm) Skenaario avoin 5cm 1cm 2cm 3cm 4cm 5cm A *** A *** B *** B *** C *** C *** 32

33 Jäätilanne A : Jäätilanne A : Jäätilanne B : Jäätilanne B : Jäätilanne C : Jäätilanne C : cm cm Kuva 29: Jään paksuus

34 Jäätilanne A : Jäätilanne A : Jäätilanne B : Jäätilanne B : Jäätilanne C : Jäätilanne C : cm cm Kuva 3: Jään paksuus

35 7. Ilmastonmuutoksen vaikutuksen arviointi Ilmastonmuutoksen kesäaikaisia vaikutuksia arvioitiin laskemalla skenaario A2 siten, että vuoden 23 ilman lämpötilaan ja veden lämpötilan reuna-arvoihin sekä alkuarvoon lisättiin 1.35 C. Kyseinen lämpötilannousu on vuoden 25 touko-syyskuulle arvioitujen kuukausittaisten lämpötilan nousujen keskiarvo (vaihtelu C). Lämpötilan nousu laskettiin Ilmatieteen laitoksen arviosta ilmastonmuutoksen vaikutuksesta lämpötiloihin 2-luvulla (Jylhä et.al 24, Ilmastonmuutosskenaariolla lasketut veden lämpötilan muutokset kesäkuussa pintakerroksessa ja 2-3m kerroksessa on esitetty kuvassa 31. Kuvat on laskettu vähentämällä ilmastonmuutossekenaariolaskelman tuloskentästä vastaava skenaario vuodelle 23, jolloin tuloksena saadaan veden lämpötilannousu jonka arvioidaan tapahtuvan vuoden aikana. Pintakerroksessa veden lämpötila nousee noin astetta. Syvemmissä kerroksissa lämpötilan nousee 9-11m kerroksessa noin astetta, eli hieman vähemmän kuin alkuarvo. Vuoden 23 tilanteeseen verrattuna voimalan päästöveden lämpötila nousee aivan purun lähialuetta lukuunottamatta ympäristöä vastaavan määrän. Otto on tässä 3-7m syvyydellä rannalla pääasiassa termokliinin ja sekoittuneen pintavesikerroksen sisällä, mikä aiheuttaa sen että pintavesi ja purkuvesi lämpenevät yhtä paljon. Heinä- elokuussa termokliini on syvemmällä, mikä ei aiheuta merkittäviä muutoksia kesäkuun tilanteeseen verrattuna. Laskennan ennustama veden lämpötilan nousu kesäkuussa on jonkin verran pienempi kuin ilman lämpötilan nousu. Tämä johtuu pääasiassa kumpuamisesta, jota tapahtuu Karsikonniemen edustalla pohjoistuulilla. Tällöin syvemmällä oleva kylmä vesi sekoittuu pintaveteen sitä viilentäen, jolloin pintavesi ei pääse lämpenemään vastaavassa määrin kuin tilanteessa jossa kumpuamista ei esiinny. A2 ilmastonmuutoksen vaikutus, -1m A2 ilmastonmuutoksen vaikutus, 2-3m C C Kuva 31: Veden lämpötilan nousu vuoteen 25 mennessä verrattuna vuoden 23 tilanteeseen skenaariolla A2 pintakerroksessa ja 2-3m syvyydellä. 35

36 8. Yhteenveto Raportissa arvioitiin Simon Karsikonniemeen mahdollisesti rakennettavan voimalaitosyksikön jäähdytysvesien vaikutusta lähialueen veden lämpötiloihin ja talviaikaisen sulan alueen muodostumiseen. Laskennassa käytettiin Karsikonniemen edustalle laadittua 3-dimensioista laskentamallia, jossa käytettiin voimalan lähialueella tarkennettua mallihilaa. Mallin karkein hila sisälsi koko Perämeren 2.15 km resoluutiolla, ja tarkin alue noin 7x7 km alueen Karsikonniemen edustalla 8m hilaresoluutiolla. Lähtötietona mallissa käytettiin Kemi1 sääasemalta mitattuja meteorologisia tietoja, NCEP Reanalysis II säädataa, sekä erillisellä Itämeren mallilla laskettuja vedenkorkeuksia mallialueen reunalla.. Mallin toiminta varmistettiin vertaamalla laskentatuloksia vuoden 23 veden lämpötilamittauksiin. Skenaariolaskelmia tehtiin vuoden 23 kesän ja talven olosuhdetiedoilla 18 MW ja 25 MW voimalavaihtoehdoilla, kolmella eri ottopaikalla ja kahdella eri purkupaikalla. Laskentavaihtoehdot nimettiin seuraavasti: A=rantaotto idästä, purku länteen, B=rantaotto kaakosta, purku lounaaseen, ja C=pohjaotto kaakosta, purku länteen. Lämpötilan nousu kesäkuussa Kesätilanteessa 18 MW voimalayksiköllä veden lämpötila nousi kesäkuussa keskimäärin vähintään yhden asteen alueella, jonka koko eri laskentavaihtoehdoilla vaihteli km 2 välillä. Pienin alue oli vaihtoehdolla B, jossa purku tapahtuu lounaaseen ja suurin vaihtoehdolla A, jossa purku oli länteen. Kolmen asteen lämpötilanousun aluetta tarkasteltaessa pienin alue on vaihtoehdolla C, jossa otto on pohjalla ja ottovesi on keskimäärin kylmempää rantaottoon verrattuna. 25 MW tehoisella voimalayksiköllä yhden asteen lämpötilan nousu tapahtui alueella jonka koko vaihteli km 2 välillä. Pienin alue oli tässäkin vaihtoehdolla B ja suurin vaihtoehdolla A. Purkuvaihtoehdoista lounaaseen suuntautuvan purkupaikan edustalla virtaus on pientä mutta jonkin matkaa edettyään purusta tuleva lämmin vesi sekoittuu rannikon suuntaiseen päävirtaukseen. Länteen suuntautuvan purkupaikan vesi jää vallitsevilla etelätuulilla pyörimään Ajoksen ja Karsikonniemen väliseen lahteen eikä pääse sekoittumaan viileämpiin vesiin, jolloin viileneminen on hitaampaa. Pohjoistuulilla sekoittuminen on tehokasta molemmilla purkuvaihtoehdoilla, ja lämpenevät alueet jäävä etelätuuliin verrattuna pieniksi. Ottoveden lämpötila Ottoveden lämpötilat ovat vaihtoehdolla C keskimäärin 2 C alemmat kuin vaihtoehdoilla A ja B. Selittävä tekijä vaihtoehdossa C oton sijainti pohjalla, jolloin kesätilanteissa ottovesi viileämpää kuin rannalla olevassa ottokanavassa. Ottoveden lämpötilaero ranta- ja pohjaoton välillä on syksyllä, talvella ja keväällä em. arvoa pienempi. Takaisinkierto purusta ottoon on kaikilla vaihtoehdoilla pientä, joskin ottojen lämpötila-aikasarjoja perusteella B-vaihtoehdossa takaisinkiertoa tapahtuu jonkin verran. Talvitilanteet Talvella jäättömänä pysyvä vesialue keskittyy purkupaikan lähistölle. Heikenneen jään alue sijaitseen pääasiassa Ajoksen ja Karsikonniemen välillä, sekä Karsikonniemestä etelään. Avoimen vesialueen koko on 18 MW voimalateholla km 2 välillä, ja 25 MW voimalateholla km 2 välillä. Helmikuun alussa pienin avoveden alue on vaihtoehdolla C, tosin tammikuun alussa vaihtoehdot A ja B antavat hieman pienemmän avoimen alueen pinta-alan. Vaihtoehdolla C lämmennyt vesi pysyy Karsikonniemen ja Ajoksen välissä, kun muilla vaihtoehdoilla se pyrkii enemmän etelään. Ero johtunee suolaisuus- ja lämpötilaeroista ranta- ja pohjaoton välillä, ja näiden vaikutuksesta Kemijoesta tulevaan virtaamaan. 36

37 9. Lähdeluettelo ETOPO2v2, 2-Minute Gridded Global Relief Data, 26, US National Geophysical Data Center (NGDD), Hertta-tietokanta, 28, Suomen ympäristökeskuksen ympäristötiedon hallintajärjestelmä. Jylhä K.,Tuomenvirta H., Ruosteenoja K., Climate change projections for Finland during the 21st century, Boreal Environmental Research, vol 9, pp Kalliosaari, Simo, 23, Jäätalvi 22/23, Merentutkimuslaitoksen jääpalvelun www-sivut, Koponen J., Kummu M., Lauri H., Virtanen M., Inkala A., Sarkkula J., Suojanen I.,Veijalainen N., 28, EIA 3D Model Manual, Merenkulkulaitos, 28, digitaalinen kartta-aineisto, Merenkulkulaitos, lupa nro /721/2 NCEP_Reanalysis 2, 28, data provided by the NOAA/OAR/ESRL PSD, Boulder, Colorado, USA, at Olsonen, R. (ed.) 27: FIMR monitoring of the Baltic Sea environment : Annual report Meri - Report Series of the Finnish Institute of Marine Research no pp. 37