Hydrologinen kierto ja vesitase. Vesi- ja ympäristötekniikka - ENY-C Harri Koivusalo

Transkriptio

1 Kysymykset Miten hydrologinen kierto muodostuu ja miten/miksi se vaihtelee eri aikajaksoilla? Miten haihdunta riippuu energiataseesta, mistä tulee haihduntaan tarvittava energia ja mikä on niiden vaihtelu? Miten selität suuren valuntamäärän (tulvat) ja pienen valuntamäärän (kuivuus) vesitaseen vaihtelun perusteella? Miten arvelet hydrologisen kierron muuttuvan tulevaisuudessa ja miten se vaikuttaa ihmisten elämään?

2 Hydrologinen kierto ja vesitase Vesi- ja ympäristötekniikka - ENY-C Harri Koivusalo

3 Globaali hydrologinen kierto Yksiköt suhteessa sadantaan maan päällä (100)

4 Vesivarat globaalisti Ilmakehän vesimäärä n % makean veden määrästä Ilmakehän vesimäärä n.13 % makean pintaveden määrästä

5 Hydrologisen kierron pääkomponentit valuma-alueella Sadanta Interseptio Lumen kertyminen ja sulanta Haihdunta Evaporaatio, transpiraatio, evapotranspiraatio Infiltraatio ja varastoituminen maa- ja pohjaveteen Valunta Varastoituminen Maa- ja pohjavedet, pintavedet, lumi Paasonen-Kivekäs M, Peltomaa R, Vakkilainen P, Äijö H. (toim.) Maan vesi- ja ravinnetalous ojitus, kastelu ja ympäristö. Salaojayhdistys ry. 452 s.

6 Valuma-alueen vesitase P R E S G P on sadanta (esim. mm/aika) R on valunta E on haihdunta S on maavesivaraston muutos G on pohjavesivaraston muutos S = 0 ja G = 0 pitkän ajan kuluessa

7 Maapallon keskimääräinen vesitase Haihdunta merillä km 3 /a Energiana EJ/a (1 EJ = J) Suomen energiankulutus EJ Ihmisen kuluttama (primääri) energia luokkaa 500 EJ Haihdunta merillä kuluttaa yli 2000 kertaisesti org/2010/02/18/energy-for-globalwater-cycle/

8 Mannerten keskimääräinen vesitase

9 Vesitase Suomessa Espoo Sodankylä Vuosisadanta 700 mm 600 mm Lumisadetta 210 mm 270 mm Valunta 300 mm 350 mm Maksimivesiarvo 100 mm 180 mm... ja sen ajankohta Pysyvä lumipeite Globaalisti keskimäärin Maa-alueilla sadanta mm/a haihdunta mm/a valunta mm/a

10 Energiatase

11 Säteily Lyhytaaltosäteily (auringonsäteily) Pitkäaaltosäteily

12 Maapallon energiataseen kuvaus Lyhytaaltosäteily Pitkäaaltosäteily Latentti lämpö Tuntuva lämpö Kiely, G Environmental Engineering, Chapter Four: Concepts in Hydrology. McGraw-Hill International Editions, Chemical and Petroleum Engineering Series, Boston.

13 Energiatase (vaakapinnalla) Nettosäteily R n R sd R su R ld R lu LE R sd on tuleva lyhytaaltosäteily (esim. J/s/m 2 = W/m 2 ) R su on heijastunut lyhytaaltosäteily R ld on tuleva pitkäaaltosäteily R lu on lähtevä pitkäaaltosäteily LE on latentti lämpö H on lämmittävä lämpö G on lämmön johtuminen pintamateriaaliin ym. varastomuutokset, pitkällä ajalla G = 0 H G

14 Suuruusluokkakaavio energiataseesta Yksiköt suhteessa auringonsäteilyyn merellä (100)

15 Vesitaseen ja energiatase yhteys Haihtuminen ja siihen kuluva energia Sadannan olomuoto

16 Kysymys Mitä tapahtuu globaalin hydrologisen kierron komponenteille ja energiataseelle jos ilmasto muuttuu? P E R R n LE H 0

17 Sadanta

18 Sateen synty Sateen muodostuminen edellyttää, että ilmassa on vesihöyryä ilmassa on oltava hiukkasia, joiden pinnalle vesihöyry tiivistyy ilman on jäähdyttävä ns. kastepistelämpötilaan, missä vesihöyry tiivistyy nestemäiseen olomuotoon Sade alkaa, kun hiukkasten pinnalle tiivistyneiden pisaroiden massa kasvaa riittävän suureksi. Kondensaatio ja pisaroiden yhteensulautuminen (coalescence)

19 Kyllästyneen vesihöyryn paine (Pa) Kyllästyneen vesihöyryn paine Paine veden yllä Paine jään yllä Ilman lämpötila ( C) Esat Ea Esat = Kyllästyneen vesihöyryn paine Ea = vesihöyryn paine Suhteellinen kosteus = Ea / Esat %

20 Sateen tyypit Lämmin ilma Rintamasade Kylmä ilma Konvektiivinen sade Orografinen sade

21 Sateen olomuoto Form of precipitation Sateen olomuoto Esimerkki sateen olomuodon kuvauksesta Vesisade Räntäsade Lumisade Rainfall Mixed snow/rain Snowfall Temperature [C] Ilman lämpötila 2 m korkeudella ( C)

22 Haihdunta

23 Termejä Haihtuminen: nestemäisessä muodossa olevan veden muuttumista vesihöyryksi Haihtuminen lumesta (jään pinnalta): sublimoituminen Kondensoituminen: vesihöyryn tiivistymistä nesteeksi Härmistyminen: muutos vesihöyrystä kiinteään olomuotoon Ice Melting Freezing Sublimation liquid Water Deposition Evaporation Condensation H H O O O O H O O H O O O H O O H O Water Vapor O O H H H O O O O O O H

24 Pinnan energiatase R net LE H G R net on nettosäteily R su on heijastunut lyhytaaltosäteily R ld on tuleva pitkäaaltosäteily R lu on lähtevä pitkäaaltosäteily LE on latentti lämpö: haihduntaan tai tiivistymiseen liittyvä energiavirta H on lämmittävä lämpö: ilman sisältämän lämmön siirtymiseen liittyvä energiavirta G on lämmön johtuminen pintamateriaaliin 1 kg vesimäärän haihduttamiseen (T = 10 C ) vaatii energiaa höyrystymislämmön verran, eli J 1 kg vesimäärän lämmittämiseen 1 C verran vaatii energiaa lämpökapasiteetin verran, eli J

25 Haihduntatilannetta kuvaava kaavio Energialähde Haihdunta Tuulen nopeuden ero Lämpötilaero Ilmankosteuden ero Kiely, G Environmental Engineering, Chapter Four: Concepts in Hydrology. McGraw-Hill International Editions, Chemical and Petroleum Engineering Series, Boston.

26 Valunta

27 Valuma-alueen vesitase ja vuodenajat korkeilla leveysasteilla Valunta + varasto Routa Sadanta - haihdunta Lumen vesiarvo Haihdunta Sadanta

28 Valunta Suomen oloissa Boreaalinen vyöhyke: kevättulvat Data from Koivusalo et al. (2006) Environmental Modelling & Software 21,

29 Valunnan jakaminen komponentteihin Pintavalunta vs pohjavalunta Välitön valunta Välikerrosvalunta, pintakerrosvalunta pohjavesivalunta Nopea vs hidas valunta

30 Säämuuttujat valunta Matemaattinen kuvaus Mallin parametrit, alkutila Pistemalli (lumped) Sadanta-valuntamalli Hajautettu malli (distributed)

31 Valunnan ja virtaaman yksiköt Valunta on maa-alueilta vesistöihin kulkeutuvaa vettä Valunta m 3 /m 2 /d m/d Valuma l/s/km 2 tai l/s/ha 1 l/s/ha = 8.64 mm/d Virtaama tarkoittaa uoman poikkileikkauksen läpi aikayksikössä kulkevaa vesimäärää Virtaama m 3 /d Valunta = virtaama / valuma-alueen pinta-ala

32 Globaali valunta ja jokien virtaama Sadanta Valunta Virtaama Esim Kemijoen Isohaarassa virtaama n km 3 /a

33 Loppuyhteenveto Vesitase Sadanta = haihdunta + valunta + varaston muutos Veden varastoituminen ja viipymä Vesitaseen ja energiataseen yhteys Vesitasekomponenttien (sadanta, haihdunta, valunta) vaihtelu ajan ja paikan suhteen Eri valuma-alueilla Eri vuodenaikoina ja vuorokaudenaikoina Pitkän ajan vaihtelut ja muutokset