Virtausmalli Pyhäjoen edustalle lämpöpäästöjen leviämisen arviointiin

Transkriptio

1 Virtausmalli Pyhäjoen 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 Pyhäjoen Hanhikiven 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 interpolointiin 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) 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 näkyvät esim. jääkuvissa. Poikkeamat ovat kuitenkin 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 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. Pyhäjoen sovelluksessa lähialueen säätiedot on valittu Nahkiaisen sääasemalta. Laajemman merialueen säätiedot saatiin NCEP Reanalysis II globaalista säädatasta (NCEP 28). Nahkiaisen puuttuvia kosteusarvoja on täydennetty Ulkokallan havainnoilla. Kuvassa 3 on esitetty Nahkiaisen säähavaintoaseman tuulen suunta- ja nopeusjakaumat kesän 23 ajalta aikajaksolta Havaintoasema sijaitsee Perämerellä koordinaattipisteessä lat 64 36' lon 23 54'. Sijainti on noin 18 km Hanhikivestä länsiluoteeseen. Aseman keskituuli oli keskituuli 5.99 m/s, ja suunnan mediaani 21 astetta (5.74% tuulista). Lähes yhtä tyypillisiä 5

6 olivat pohjoisen puoleiset tuulet (suunta 2 astetta, 5.54% tuulista). Jaksolla oli normaalia enemmän pohjoisen puoleisia tuulia, tuulen nopeuksien suhteen jakso oli lähellä normaalia. Ilman lämpötilan suhteen vuoden 23 kesä oli normaalia lämpimämpi heinäkuun osalta, mutta muuten lähellä normaalia. Veden lämpötilan osalta heinäkuun loppu oli hyvin lämmin. Nahkiaisen sääaseman lämpötilat on esitetty kuvassa 4. Veden lämpötilamittauksia Hanhikiven lähialueelta oli saatavilla huonosti. Lähin intensiivipiste oli Hailuodossa, noin 7km pohjoiskoilliseen. Lähialueella olevista pisteistä Ouvy1, Ouvy2 ja RR8 oli muutamia havaintoja vuosittain. Veden pintalämpötilahavainnot on esitetty kuvassa % Kesä 23 ( ) 16 Tuuli/Nahkiainen,kesä % Kesäkuu 23 ( ) 18 Tuuli/Nahkiainen, Kuva 3. Tuulen suunta- ja nopeusjakaumat /%) sääasemalla Nahkiainen Lämpötila/Nahkiainen,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 Nahkiaisen sääasemalta, laskettuna 3h välein tehdyistä havainnoista. 6

7 2 15 Hailuoto Ouvy2 Ouvy1 RR8 Temp (C) Kuva 5: Veden pintalämpötiloja mittauspisteestä Hailuoto, Ouvy1, Ouvy2 ja RR8 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 Reunojen suolaisuusarvot asetettiin mittausten perusteella alueen keskisuolaisuusarvoja vastaaviksi ja vakioiksi. Lämpötilan ja suolaisuuden alkuarvoja asetettaessa hyödynnettiin Merentutkimuslaitoksen FIMR BMP-data arkistosta saatuja Perämeren mittauspisteiden BO3 ja F2 CTD-profiileja. Vuodelta 23 mittauksia oli suoritettu 2.6, 23.8 ja 27.8 (Olsonen, 27). Lämpötilan alkuarvoksi asetettiin 1ºC 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 jäähdytysvesivirtaamat ja käytetyt lämmönnousut on lueteltu taulukossa 3. Purun suolaisuus oli sama kuin oton 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 2 4 km 1 2 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 Hanhikiven lähialueella ei ole vedenlaadun mittauspisteitä, ja kauemmissakin pisteissä mittauksia on harvassa, kesän 23 simulointijaksolta mittauksia on yhdestä kahteen pistettä kutakin mittauspaikkaa kohti (Hailuotoa lukuunottamatta). Malli on laskettu samoilla parametriasetuksilla kuin Fennovoiman Simon mallisovellus, joka pystyttiin varmentamaan paremmin. Vertailut HERTTA-tietokannan mittauspisteisiin on esitetty pisteistä Ouvy1, Ouvy2, RR8 ja Hailuoto. Yleisesti ottaen mittauspisteissä lasketut pintalämpötilat vastasivat havaintoja hyvin, lukuunottamatta pisteen RR8 yhden havainnon pintalämpötilaa. Lämpötilavertailut on esitetty kuvassa 7 ja vastaavat tilastolliset tunnusluvut taulukossa 4. Vertailun mukaan malli arvioi lämpötilat noin asteen verran liian korkeiksi sekä pinnalla että 1m kerroksessa. TEMP [C] Ouvy1, pyhav malli.5m mittaus -1m malli 1m mittaus 9-11m 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 TEMP [C] Ouvy2, pyhav malli.5m mittaus -1m malli 1m mittaus 9-11m 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 TEMP [C] rr8, pyhav malli.5m mittaus -1m malli 1m mittaus 9-11m 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 TEMP [C] Hailuoto, pyhav malli.5m mittaus -1m malli 1m mittaus 9-11m 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 Kuva 7: Pisteet Ouvy1, Ouvy2 ja Hailuoto, veden lämpötilan lasketut ja mitatut arvot pinnalla ja 1m syvyydellä. 9

10 Taulukko 4: Mallilaskennan ja mittausarvon erotuksien keskiarvot (k.a) ja keskihajonnat (std.) mittauspisteissä kesäjakson ajalta. Piste N k.a. ( C) std ( C) Ouvy1 pinta Ouvy1 1m Ouvy2 pinta Ouvy2 1m RR8 pinta RR8 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 8. Mallilaskennan sopivuus jääkarttoihin on kohtuullisen hyvä. Yleisenä piirteenä on että jäätä muodostuu mallissa 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 8. Lasketut ja havaitut jäätilanteet talvella 22/

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 9. Lasketut skenaariot on esitetty taulukossa km O1 P1 O2 O3 Syvyystiedot: Merenkulkulaitos lupa /721/2 Syvyys (m) Kuva 9: Jäähdytysveden otto- ja purkupaikat Taulukko 5: Lasketut skenaariot Vaihtoehto Aktiiviset Sähköteho Otto Purku yksiköt [MW] V - - A O1 P1 A O1 P1 B O2 P1 B O2 P1 C O3 P1 C O3 P1 Otto- ja purkujärjestelyt: O1 Otto 1 otto 1m syvyydestä pohjalta O2 Otto 2 otto 1m syvyydestä pohjalta O3 Otto 3 ottokanava 6m, suunta lounaasta P1 Purku 1 purkukanava pinnalle, suunta pohjoiseen 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 konstruoitiin malliin siten, että rannassa olevalle ottokanavalle kaivettiin 6 m syvä kanava alueelle, jossa syvyys oli yli 6m. Pohjalla olevan oton ympäriltä pohjan syvyys tasoitettiin vakioksi. Purkujen 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 P Kuva 1: O1 ja P1 mallihilassa. Maa -5m >5m 13

14 O P Kuva 11: O2 ja P1 mallihilassa Maa -5m >5m P O Kuva 12: O3 ja P1 mallihilassa 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 luoteis- ja länsituulia, tuulien suunta- ja nopeusjakaumat on esitetty kuvassa 3. Lämpötilan nousut on laskettu vähentämällä kunkin skenaariolaskennan tuloskentästä vertailulaskennan lämpötilakenttä. Tulokset on esitetty kuvissa 14 ja 15. Vertailulaskennan keskilämpötilakentät löytyvät kuvasta 13. Lämpötilan nousu on esitetty kahdelta syvyydeltä, pinnalta -1m kerroksesta ja 2-3m 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 6 on lämpötilan nousun keskimääräiset alueet kaikista mallin laskentakerroksista 9m syvyyteen asti. v pinta, kesäkuun keskiarvo v 2-3m kerros, kesäkuun keskiarvo C C Kuva 13: Lämpötilat kesäkuussa, pinnalla ja 2-3 kerroksessa, nollavaihtoehto Lämpötilan yli viiden asteen keskimääräinen nousu rajoittuu voimalan purkuputken lähialueelle, ollen kaikilla skenaariolla alle.75 km 2. Suurin saadaan skenaariolla C, jolle ottovesi otetaan pinnalta, ja näin ollen se on pohjalta otettavaa vettä lämpimämpää. Pienin ala on skenaarioilla B. Suurin yli yhden asteen keskimääräisen lämpötilan nousun alue saavutetaan skenaariolla A2, alueen koko on 23 km 2. Muilla skenaarioilla alue jää pienemmäksi. Skenaariolla C2 lämmönnousu on skenaariota A2 pienempi vaikka ottovesi otetaan lähempää pintaa. Tämä näyttää johtuvan siitä, että 15

16 kesäkuussa pohjoisen puoleiset tuulet ovat vallitsevia, ja rannikon suuntainen virtaus kulkee pääasiassa etelään. Tällöin rannikolla tapahtuu kumpuamista, joka nostaa kylmää vettä purkuvirtauksen alle, johon purkuvirtaus sekoittuu ja siten viilenee. Otto O1 on kylmän pohjavirtauksen reitillä ja vähentää purun kohdalle pohjalta tulevan kylmän veden määrää, ja aiheuttaa siten purun viilentymisen hidastumista. Otto O2 on ei ole pohjavirtauksen reitillä ja ei näin aiheuta vastaavaa ilmiötä. Ilmiö liittyy pääasiassa pohjoistuulitilanteisiin. A1, -1m kerros A1, 2-3m kerros B1, -1m kerros B1, 2-3m kerros C1, -1m kerros C1, 2-3m kerros C C 16

17 Kuva 14: Lämpötilan nousu nollavaihtoehtoon verrattuna -1m ja 2-3m kerroksissa, kesäkuun keskiarvo, Skenaariot A1, B1 ja C1. A2, -1m kerros A2, 2-3m kerros B2, -1m kerros B2, 2-3m kerros C2, -1m kerros C2, 2-3m kerros C C 17

18 Kuva 15: Lämpötilan nousu nollavaihtoehtoon verrattuna -1m ja 2-3m kerroksissa, kesäkuun keskiarvo, skenaariot A2, B2 ja C2 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

19 5.2. 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 16. 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 17 ja 18, sekä taulukoissa 7, 8 ja 9. 2 Tuuli/Nahkiainen, % Tuuli/Nahkiainen, % Kuva 16: Tuulen tulosuunta- ja nopeusjakaumat keskiarvojaksoilla ja Aiemmalla jaksolla tuulee pääasiassa pohjoisen ja idän suunnalta, jälkimmäisellä etelästä ja lounaasta.. Etelätuulilla lämpöpäästö pyrkii kertymään Hanhikiven pohjoisen puoleiseen Kultalanlahteen, jolloin yhden asteen lämmennyt alue jää melko suureksi pohjoistuulitilanteeseen verrattuna. Lämmin vesi sekoittuu kuitenkin hyvin rannikon suuntaiseen virtaukseen ja kiertää rannalle ulapan kautta. Pohjoistuulilla rannikolla 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 A ja B lähempänä pohjaa olevassa otossa vesi on vielä skenaarion C vettä kylmempää, jolloin lämmönnousualueet pienenevät edelleen. Skenaariossa A tapahtuu vastaava ilmiö kuin kesäkuun simuloinneissa, eli otto O1:n häiritsee viileää pohjavirtausta ja lämmönnousun alueet ovat suuremmat kuin skenaariolla B. 19

20 A1 pinta etelätuulet A1 pinta pohjoistuulet B1 pinta etelätuulet B1 pinta pohjoistuulet C1 pinta etelätuulet C1 pinta pohjoistuulet C C Kuva 17: 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 18: 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

23 5.3. Veden lämpötila ottopisteissä Alla olevaan taulukkoon 1 on laskettu ottopisteiden veden lämpötilat eri laskentaskenaarioille jakson ajalta. Vastaavat lämpötila-aikasarjojen kuvat on esitetty kuvassa 19. Ottopisteiden sijainnit näkyvät kuvassa 14. Ottopisteille O1 ja O2 lämpötilat ovat 9-11 m kerroksesta, ottopisteen O3 lämpötila on 5-7 m kerroksesta. 2 O1/1m /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 2 O1/O /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 2 O1/O /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 2 O1/O /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 2 O1/O /6 16/6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 pyhaa2 pyhaa1 pyhab1 pyhaa1 pyhab2 pyhaa1 pyhac1 pyhaa1 pyhac2 pyhaa1 Kuva 19: 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 Veden lämpötilan muutos valituissa aikasarjapisteissä Skenaariolle A2,B2 ja C2 laskettiin lämpötilan nousu verrattuna nollavaihtoehtoon aikasarjana alla valituissa pisteissä. Tulosaikasarjat on esitetty kuvassa 19 pisteissä Ouvy1, Ouvy2, P7, P9, K1 ja K2. Pisteiden paikat näkyvät kuvassa 8. Erotusaikasarjojen keskiarvot ja hajonnat on laskettu taulukkoon 7. Taulukko 11: Lämpötilan nousu eri skenaariolla valituissa aikasarjapisteissä Lämpötilaerotus: skenaario-nollavaihtoehto Skenaario piste avg std min max A2 P14/pinta B C A2 P14/2.5m B C A2 P6/pinta B C A2 P6/4.5m B C A2 P5/pinta B C A2 P5/2.5m B C A2 P8/pinta B C A2 K1/pinta B C A2 K1/4.5m B C A2 K2/pinta B C

25 8 P14/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 8 P14/2.5m /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 8 P6/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 8 P6/4.5m /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 8 P8/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 A2 B2 C2 A2 B2 C2 A2 B2 C2 A2 B2 C2 A2 B2 C2 Kuva 2. Lämpötilan muutos nollaskenaarioon verrattuna, skenaariot A2,B2 ja C2, pisteet P14/pinta, P14/2.5m, P6/pinta, P6/4.5m, P8/pinta 25

26 8 P5/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 8 P5/2.5m /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 A2 B2 C2 A2 B2 C2 8 K1/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 8 K1/4.5m /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 8 K2/pinta /6 1/7 16/7 31/7 15/8 3/8 Kuva 21. Lämpötilan muutos nollaskenaarioon verrattuna, skenaariot A2,B2 ja C2, pisteet P5/pinta, P5/2.5m, K1/pinta, K1/4.5m, ja K1/pinta. A2 B2 C2 A2 B2 C2 A2 B2 C Keskimääräiset virtaukset kesäkuussa Kesäkuun keskimääräiset virtaukset sekä voimalayksikön vaikutusta virtauksiin 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 3. Kesäkuussa on normaali enemmän pohjoisen puoleisia tuulia, mistä johtuen virtaukset ovat vastaavasti pohjoisesta etelään. Tyypillisemmillä etelänpuoleisilla tuulilla virtaus on etelästä pohjoiseen. 26

27 -1m kerros 4-5m kerros Kuva 22: Kesäkuun keskimääräiset virtaukset, nollavaihtoehto 9-11m kerros 27

28 -1m kerros 4-5m kerros 9-11m kerros Kuva 23: Kesäkuun keskimääräisten virtausten muutos, skenaario A2 28

29 -1m kerros 4-5m kerros 9-11m kerros Kuva 24: Kesäkuun keskimääräisten virtausten muutos, skenaario B2 29

30 -1m kerros 4-5m kerros 9-11m kerros Kuva 25: Kesäkuun keskimääräisten virtausten muutos, skenaario C2 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: Lasketut jäätilanteet ja kuvina 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. Pyhäjoen edustalla virtaus on em. päävirtauksen mukainen, joskin rannikon matalammat alueet aiheuttavat virtaukseen kiertoja ja pyörteitä. Skenaariosimuloinneissa jäähdytysvesi levisi lähinnä pohjoiseen. ja itään rannan suuntaa seuraten. Skenaariossa A2 otto pohjalta Hanhikiven edustalla ohjasi selvästi myös purkuvirtaaman suuntaa, skenaariossa B2 ottopaikan vaikutus oli pienempi, koska otto on kauempana purkupaikasta Ilman lämpötila talvella Säätilan puolesta vuoden 22 marraskuu oli selvästi keskimääräistä kylmempi, 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. Nahkiaisen sääasemalla mitatut ilman lämpötilat on esitetty kuvassa 26. Lämpötila/Nahkiainen,talvi 2/3-5 TEMP [C] /11 3/11 15/12 3/12 14/1 29/1 Kuva 26: Ilman päivittäiset keski-, minimi- ja maksimilämpötilat jaksolla Kemi1 sääasemalta laskettuna 3h välein tehdyistä havainnoista. 31

32 6.2. Jäätilanteet ja Kuvissa 27 ja 28 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 3-35cm. 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 4-5cm. 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 27: Jään paksuus

34 Jäätilanne A : Jäätilanne A : Jäätilanne B : Jäätilanne B : Jäätilanne C : Jäätilanne C : cm cm Kuva 28: Jään paksuus

35 7. Ilmastonmuutoksen vaikutuksen arviointi Ilmastonmuutoksen kesäaikaisia vaikutuksia arvioitiin laskemalla skenaario B2 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 2-3 m kerroksessa on esitetty kuvassa 29. 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 9-11 m kerroksessa noin 1.4 astetta, mikä vastaa laskennan alkuarvon muutosta. Vuoden 23 tilanteeseen verrattuna voimalan päästövesi kylmenee muutaman asteen kymmenesosan ympäristöön verrattuna, tämä selittyy siten, että kesäkuussa ottovesi otetaan pääasiassa termokliinin alapuolelta. Pintavesi puolestaan lämpenee ilmastonmuutosskenaariolla hieman vuotta 23 lämpimämmäksi, jolloin lämpötilaero ottoveden ja pintaveden välillä suurenee. Heinä- elokuussa termokliini on syvemmällä, jolloin lämpötilaero pinnan ja ottopaikan välillä on lähempänä vuoden 23 tilannetta. Laskennan ennustama veden lämpötilan nousu kesäkuussa on pienempi kuin ilman lämpötilan nousu. Tämä johtuu pääasiassa kumpuamisesta, jota tapahtuu Pyhäjoen edustalla pohjoistuulilla. Tällöin syvemmällä oleva kylmä vesi sekoittuu pintaveteen ja viilentää sitä, jolloin pintavesi ei pääse lämpenemään yhtä paljon kuin tilanteessa jossa kumpuamista ei esiinny. B2 ilmastonmuutoksen vaikutus, -1m B2 ilmastonmuutoksen vaikutus, 2-3m C C Kuva 29: Veden lämpötilan nousu vuoteen 25 mennessä verrattuna vuoden 23 tilanteeseen skenaariolla B2 pintakerroksessa ja 2-3m syvyydellä. 35

36 8. Yhteenveto Raportissa arvioitiin Pyhäjoen Hanhikiveen mahdollisesti rakennettavan voimalaitosyksikön jäähdytysvesien vaikutusta lähialueen veden lämpötiloihin ja talviaikaiseen sulan alueen kokoon. Laskennassa käytettiin Hanhikiven edustalle laadittua 3-dimensioista laskentamallia, jossa on voimalan lähialueella tarkennettu mallihila. Mallin karkein hila sisälsi koko Perämeren 2.15km resoluutiolla, ja tarkin alue noin 7x7 km alueen Hanhikiven edustalla 8m resoluutiolla. Lähtötietona mallissa käytettiin Nahkiaisen 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 yhdellä purkupaikalla. Laskentavaihtoehdot nimettiin seuraavasti: A=pohjaotto luoteesta, B = pohjaotto lännestä ja C=rantaotto lounaasta. Kaikilla vaihtoehdoilla purku oli pohjoiseen. Lämpötilan nousu kesäkuussa Kesätilanteessa 18 MW tehoisella voimalayksiköllä veden lämpötila nousi kesäkuussa keskimäärin vähintään yhden asteen alueella jonka koko vaihteli km 2 välillä. Pienin alue oli vaihtoehdolla B ja suurin vaihtoehdolla C. Suuremmalla 25 MW tehoisella voimalayksiköllä yhden asteen lämpötilan nousu tapahtui alueella jonka koko vaihteli km 2 välillä, pienin alue oli edelleen vaihtoehdolla B ja suurin vaihtoehdolla A. Vaihtoehdon A oton sijainti aiheuttaa muutoksia pohjan läheisiin virtauksiin, ja etenkin pohjoistuulilla vähentää kylmän veden sekoittumista lämpimään purkuveteen, jolloin vaihtoehdon B oton sijoittelu on tehtyjen laskelmien perusteella edullisempi. Vaihtoehdossa C, jossa otto sijaitsee rannalla, on ottovesi kesäaikana lämpimämpää, jolloin myös purkuveden ja lämminneiden alueiden pinta-alat nousevat vaihtoehtoon B verrattuna. Vaihtoehdolla C lämminneet pinta-alat ovat noin % B vaihtoehtoa suurempia. Tarkastelujaksona oli tässä kesä, jolloin oton sijaintisyvyyden vaikutus korostuu veden lämpötilakerrostumisen vuoksi. Ottoveden lämpötila Ottoveden lämpötilat ovat kesätilanteessa vaihtoehdolla C keskimäärin 2.5 C korkeammat kuin vaihtoehdolla B. Pääsyynä tähän korkeampaan lämpötilaan on oton C sijainti matalan (alle 6m) lahdelman rannalla, jolloin ottoon tulee paljon lämmintä pintavettä etenkin etelänpuoleisilla tuulilla. Pohjoistuulitilanteissa vaihtoehdolla C tapahtuu myös takaisinkiertoa purusta ottoon, mikä voi hetkellisesti nostaa ottoveden lämpötilaa usealla asteella. Ottoveden lämpötilaero rantaoton ja pohjaoton välillä on syksyllä, talvella ja keväällä tässä esitettyjä arvoja pienempi. Talvitilanteet Talvisaikaan purkuvesi pitää veden avoimena ja aiheuttaa jään ohenemista pääasiassa Hanhikiven pohjois- ja itäpuolille. Avoimen veden alue jää suhteellisen pieneksi, ollen 18 MW voimalavaihtoehdolla noin välillä km 2, ja suuremmalla 25 MW voimalavaihtoehdolla välillä km 2. Purkuvesi sekoittuu rannikon suuntaiseen virtaukseen, mikä tehostaa jäähtymistä. Pienimmät avoveden ja ohuen jään alueet ovat vaihtoehdolla B, mutta ero vaihtoehtoon A on pieni. Vaihtoehdolla C avoin alue ja ohuen jään alueet ovat noin -25 % vaihtoehtoja A ja B suurempia. 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, 26, digitaalinen kartta-aineisto, Merenkulkulaitos, lupa nro /721/2 NCEP_Reanalysis 2 data, 28, 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