Tutkimuksella lisätietoa luonnonmukaiseen tulvanhallintaan , Vantaan III tulvaseminaari DI Kaisa Västilä

Transkriptio

1 Tutkimuksella lisätietoa luonnonmukaiseen tulvanhallintaan , Vantaan III tulvaseminaari DI Kaisa Västilä

2 Luonnonmukaisen vesirakentamisen näkökulma tulvanhallintaan Hyödynnetään luonnollisia prosesseja ja luonnon elementtejä haluttujen (insinööri)tavoitteiden saavuttamiseksi Painotetaan pitkän tähtäimen hyötyjä/toimivuutta -oireisiin vs. syihin puuttuminen Muutetaan mieluummin uoman ympäristöä kuin uoman pohjaa Valuma-aluelähtöisyys: esim. kiintoainekuorma valumaalueelta

3 Vedenkorkeuksiin/tulvintaan vaikuttaa Varastoituminen valuma-alueelle Uoman kuljetuskapasiteetti ja virtausvastus Sedimentin kasautuminen uoman pohjaan -yläjuoksun uomaeroosio -valuma-alueelta tuleva sedimenttikuorma

4 Aalto-yliopistossa tehtävän tutkimuksen tavoitteita -kehittää ja testata menetelmiä erityyppisen (lehtipuut ja ruohovartinen) kasvillisuuden virtausvastuksen estimointiin kasvillisuuden ominaisuuksien avulla -selvittää, miten kasvillisuuden ominaisuudet (korkeus, peitto, massa) vaikuttavat uomaeroosioon/kiintoaineen kasautumiseen -ymmärtää luonnonmukaisessa maatalousuomassa tapahtuvia sedimenttiprosesseja ja sedimentin lähteitä valuma-aluetasolla

5 Ritobäcken: luonnonmukainen maatalouden peruskuivatusuoma Sipoossa Valuma-alue 10 km 2 : 13% viljelyalueita, loppu pääosin metsiä ja soita Saa alkunsa Fiskträsk-järvestä, laskee Sipoonkorven kansallispuiston kautta Byabäckeniin ja edelleen Sipoonjokeen Maaperä savea-silttiä, uoma-aineksesta savea n % Keskivirtaama n. 115 l/s Uudenmaan ELY suunnittelutti tulvatasanteen keskivedenkorkeuteen, suunnittelu: Ympäristötekniikan insinööritoimisto Jami Aho (lisätietoa mitoituksesta ja suunnittelusta: Särkelä ym. 2011) Ennen kaivua Kaivun jälkeen Kaisa Västilä Vesitekniikka kaisa.vastila@aalto.fi

6 Kasvillisuuden vaikutuksia virtausvastukseen ja sedimenttiprosesseihin tutkitaan tulvatasanteelle perustetuilla koealoilla, joilla on erityyppistä kasvillisuutta Luonnollisesti kehittyvä kasvillisuus Koripaju (pistokkaista) Laidunnurmiseos (englannin raiheinä, niittynurmikka, punanata, timotei) Kasviton vertailualue

7 Menetelmät: jatkuvatoiminen sameuden ja vedenkorkeuden seuranta 2 mittausasemalla 200 m pitkällä uomajaksolla -> saadaan selville uomaeroosio/-kasautuminen asemien välillä Alapuolinen mittausasema Sameus- ja paineanturi Kiintoainepioisuus (mg/l) Sameus (NTU) (Västilä & Järvelä 2011c) Virtaamamittaus Kaisa Västilä Vesitekniikka kaisa.vastila@aalto.fi

8 Uomageometrian, virtausvastuksen ja kasvillisuuden ominaisuuksien seuranta kasvikoealoilla 2-3 vuoden ajan Virtausvastuksen määritys vedenpinnan kaltevuudesta Uoman poikkileikkauksen mittaaminen Kasvillisuuden rakenteen ja massan ym. määritys Määritetyt kasviominaisuudet loppukesällä 2010 eri koealoilla, mm. kuivamassa Kaisa Västilä Vesitekniikka (Västilä & Järvelä 2011b)

9 Tasannekasvillisuuden ominaisuudet (korkeus, kuivamassa, peittävyys poikkileikkauksessa) Kevät 2010, 0 cm, B=0 Syksy 2010, 22 cm, 500 g/m 2, B<0.45 Kevät 2011, 11 cm, B= Syksy 2011, 57 cm, 1300 g/m 2, B= Joulukuu 2011 Kevät 2012, 30 cm, B=

10 Kasvillisuuden runsastuminen nosti vedenpinnan kaltevuutta High flows in Dec 2011 Syksy 2011 Kevät 2012 Kevät ,5 vuoden aikana vedenkorkeus 200 m pitkällä uomaosuudella nousi 35 cm korkeimmilla virtaamilla

11 Virtausvastuksen riippuvuus kasviolosuhteista ja vedenkorkeudesta Vedenkorkeus (m) 17,35 17,15 16,95 16,75 16,55 16,35 Kevät 2010 Kevät 2011 Kevät 2012 Syksy 2010 Syksy cm 22 cm h veg =57 cm Tulvatasan nevirtaus Uomantäysi 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Manningin n (s/m 1/3 ) missä u=keskinopeus, R=hydraulinen säde ja S=energiakaltevuus Virtausvastus (Manningin n) on sitä suurempi, mitä runsaampaa kasvillisuus on. Miten voidaan estimoida n kasvillisuuden ominaisuuksien avulla?

12 Ruohovartisen kasvillisuuden vastuksen estimointi kasvillisuuden peittämän suhteellisen pinta-alan (B=A veg /A) avulla Korkeus (m) 17,0 16,5 A k Vedenpinta 16,0 15,5 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Etäisyys luiskasta (m) h k

13 Menetelmän soveltaminen Ritobäckenille ng 1/2 /(KH 1/6 ) (-) Luhar & Nepf (2012): g n KH 1/ 2 1/ 6 C 2 3/ 2 1 B missä C=uoman vastuskerroin ilman kasveja, g=gravitaatiovakio, K=1 m 1/3 /s, H=vedenkorkeus ja B=kasvillisuuden peittämä suhteellinen poikkipinta-ala 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 R² = / 2 Keskivirhe Manningin n:ssä 16% Sama menetelmä toimi kohtalaisesti ilman kalibrointia kaikkina vuodenaikoina 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1-B (-)

14 Puumaisen kasvillisuuden aiheuttaman vastuksen estimointi helposti määritettävien kasviparametrien avulla Esim. pajupistokkaat/-pensaat Vastusvoiman mittaamiseksi kehitetty systeemi Braunschweigin teknillisessä yliopistossa (Schoneboom ym. 2008) Virtausnopeus u Voima F Voima-anturit kourun pohjan alapuolella

15 Darcy-Weisbachin kitkakertoimen (f tot ) määrittäminen puille lehtialan (A L ) ja varsialan (A B ) avulla Järvelä (2004):, soveltaminen: Västilä et al., 2013 Västilä & Järvelä (lähetetty arvioitavaksi): f '' Missä A B =pohjan pinta-ala, C Dχ =vastuskerroin, χ=muotoutumiskerroin, u m =keskinopeus, u χ =0.1 m/s ja alaindeksit F ja S tarkoittavat lehtiä ja varsia. tot 4 A B ALC D, F u u m, F F A C S D, S u u m, S S. f'' TOT (-) hybrid Crack Willow hybrid Crack Willow, predicted Common Osier Common Osier, predicted Common Alder Common Alder, predicted Silver Birch Silver Birch, predicted Menetelmän soveltamiseksi jo tutkituille lajeille tarvitsee vain tiedon A L :stä ja A B :stä Keskivirhe f :ssa eri lajeille: 6-24 % Velocity (m/s)

16 Kiintoaineen lähteet ja prosessit valuma-aluemittakaavassa Ritobäckenillä n. 6 mm uomaeroosiota 1. keväänä, kun tulvatasanne kasviton Kasvillisuuden kehittymisen jälkeen (B>0.16) ei uomaeroosiota vaan kasautumista -> kulkeutuva kiintoaine peräisin valuma-alueelta Vuotuinen kiintoainekuorma: t/km 2 /a Kiintoaine-virtaama-korrelaatioden perusteella valuma-alueella on kaksi erityyppistä valunta- ja sedimenttilähdettä: nopeasti vs. hitaasti valuntaa muodostavat alueet (Västilä & Järvelä, 2011c) -> nousuvaiheen suuret kiintoainepitoisuudet olivat pääosin peräisin pelloilta Net erosion (g/s), incoming SSC (mg/l) Net erosion Incoming SSC Discharge Day Lähde: Västilä & Järvelä Discharge (m 3 /s) c

17 Tulvatasannekasvillisuuden kuivamassan (g/m 2 ) vaikutus sedimentin kasautumiseen (m) eri osissa uomaa 2 vuoden aikana Luiska Tasanne Tasanteen reuna Luiskassa ja tulvatasanteen uoman puoleisessa reunassa kasvillisuuden kuivamassa oli suoraan yhteydessä kasautuvan sedimentin määrään Tasanteella korrelaatio oli heikompi Tasanteelle kasautui myös savi-silttikokoluokan kiintoainesta

18 Tutkimustulosten hyödyntäminen tulvanhallinnassa/tulvariskin arvioinnissa Kasvillisuuden aiheuttaman virtausvastuksen arvioiminen pienissä uomissa ja tulvatasanteilla -> tulvan leviämisen mallintaminen eri vuodenaikoina -> kasvillisuuden hallinta virtausvastuksen/tulvimisen kannalta Kasvillisuuden ominaisuuksien hallinta sedimenttiprosessien kannalta -> millaista luiska/tasannekasvillisuuden tulee olla, että se suojaa uomaeroosiolta, jotta vähennetään alajuoksun liettymistä -> millaista kasvillisuuden tulee olla, jotta sedimenttiä kasautuu/ei kasaudu esim. tulvatasanteille Sedimenttiprosessien ymmärtäminen valuma-aluetasolla -> päästään käsiksi ongelmien syihin -> toimenpiteiden optimointi

19 Lähteitä Järvelä, J Flow resistance in environmental channels: Focus on vegetation. Dissertation. Helsinki University of Technology. Luhar & Nepf From the blade scale to the reach scale: A characterization of aquatic vegetative drag, Adv. Water Resour., (2012), 51, , doi: /j.advwatres Schoneboom, T., Aberle, J., Wilson, C.A.M.E. & Dittrich, A Drag force measurements of vegetation elements, ICHE 2008, Nagoya, 8 12 September, 2008, 10 pp. Särkelä, A., Aulaskari, H. & Västilä, K Luonnonmukaisen kuivatushankkeen vesistövaikutukset ja uomassa tapahtuvat muutokset. Loppuraportti. Västilä, K., Jalonen, J. & Järvelä, J. 2011a Sedimenttiprosessien vaikutukset luonnonmukaisten uomien suunnitteluun. Vesitalous 2011(4): Västilä, K. & Järvelä, J. 2011b Cohesive sediment dynamics in a vegetated two-stage drainage channel: the first year after floodplain excavation. Proceedings of River, Coastal and Estuarine Morphodynamics 2011 conference, 6-9 Sep 2011,Beijing. Västilä, K. & Järvelä, J. 2011c Environmentally preferable two-stage drainage channels: considerations for cohesive sediments and conveyance. Intl. J. River Basin Management. DOI: / Västilä, K. & Järvelä, J Suspended sediment transport in a vegetated agricultural channel. Proceedings, 8th Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics RCEM, 9-13 June 2013, Santander, Spain. Västilä, K. & Järvelä, J. Lähetetty arvioitavaksi. Modeling the flow resistance of woody vegetation using physically-based properties of the foliage and stem. Water Resources Research. Västilä, K., Järvelä, J. & Aberle, J Characteristic reference areas for estimating flow resistance of natural foliated vegetation. J. Hydrol. Doi: /j.jhydrol

20 Tutkimusta ovat tukeneet Suomen Akatemia, Maa- ja vesitekniikan tuki ry, Maa- ja metsätalousministeriö, Oskar Öflundin säätiö, Emil Aaltosen säätiö ja VALUE tutkijakoulu Kaisa Västilä Vesitekniikka Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu