Loimijoen padotus- ja juoksutusselvitys: Loimijoen ja a patotarkastelu

Transkriptio

1 Loimijoen pdotus- j juoksutusselvitys: Loimijoen j ptotrkstelu Juh Altonen Suomen ympäristökeskus SYKE

2 Sisältö Johdnto... 2 Käytetyt ineistot j menetelmät... 2 Hydrologiset hvinnot... 2 Käytetty virtusmlliohjelmisto... 3 Virtusmlli... 3 Herkkyysnlyysipohjinen jääptolskent... 4 Tulokset... 5 Ohje tulosten tulkintn... 5 Vähämerkitykselliset prmetrit... 6 Poikkileikkuskohtiset tulokset... 7 Virtmn vikutus jääptotulvien vedenkorkeuksiin Johtopäätökset j suositukset

3 Virtm Q, m³/s Vedenkorkeus W, N2000+m Johdnto Tämä työ on tehty osn Loimijoen pdotus- j juoksutusselvitystä. Työn trkoitus oli selvittää, millisi vikutuksi Loimijoen virtmll on Loimijoen losn jääptotilnteisiin. Loimijoen virtm voidn muutt Tmmeln Pyhäjärveä säännöstelemällä j jääptotulvien ehkäisy j hillintä ovt pdotus- j juoksutusselvityksessä huomioitvi sioit. Loimijoen loslt ei juuri ole stvill hydrologisi hvintoj virtusmllin klirointi vrten. Alueelt ei myöskään ole trkkoj jääptohvintoj. Nämä seikt puolsivt herkkyysnlyysityyppisen lähestymistvn käyttöä, joss yksittäisten jääptotilnteiden sijn mllinnettiin stoj tilnteit, joiss mm. Loimijoen virtm, Kokemäenjoen vedenkorkeus, jääpdon losn sijinti sekä jään j uomn ominisuudet vihtelivt. Käytetyt ineistot j menetelmät Hydrologiset hvinnot Reunehtojen vihteluvälin määrittämisessä käytettiin pun Kokemäenjoen Syyränsuun hvintosemn vuosien vedenkorkeuksi (kuv 1) j Loimijoen Murilnkosken vuosien virtmi (kuv 2) % frktiilit Hvintojen vihteluväli Medini Kuv 1. Kokemäenjoen Syyränsuun hvintosemn vedenkorkeudet % frktiilit Hvintojen vihteluväli Medini Kuv 2. Loimijoen Murilnkosken hvintosemn virtmt

4 Käytetty virtusmlliohjelmisto Työssä käytettiin HEC-RAS virtusmlli 1, joll voidn lske sekä tsist että jn suhteen muuttuv virtust poikkileikkuksist koostuvss uomjärjestelmässä. Ohjelmistoll voidn myös lske jääknnen sekä jääpdon vikutus vedenkorkeuteen. Jääptolskent toimii vin tsisell virtuksell j käyttäjä määrittelee normlien reunehtojen (yläpuolinen virtm j lpuolinen vedenkorkeus) jääpdon lreunn sekä tämän yläpuolelle uomosuuden, jolle jääpto voi muodostu. Vrsinisess lskennss ohjelm lskee jääpdolle tspinotilnteen, jonk perusteell pdon vrsininen pituus, muoto j siten pdoss olev jäämäärä määräytyvät. Virtusmlli Virtusmllin geometri koostettiin Mnmittuslitoksen tuottmst km2-korkeusmllist, jot täydennettiin Loimijoen vedenlisen uomn oslt iemmin Kokemäenjoen keskiosn tulvkrtoitust vrten Vrsinis-Suomen ELY-keskuksest sduill uompoikkileikkuksill. Poikkileikkuksist interpoloitiin pikktieto-ohjelmss yhtenäinen pint, jott niiden välit stiin täytettyä. Tämän jälkeen virtusmlli vrten linjttiin lopullisi poikkileikkuksi n. 50 metrin välein, jott jääptolskennst stisiin trkk (kuv 3). Kuv 3. Mllinnettv lue j virtusmllin poikkileikkukset. 1 U.S. Army Corps Engineers (USACE), HEC-RAS River Anlysis System, Hydrulic Reference Mnul, CPD-69. 3

5 Lserkeiluksen resoluutio on 2 metriä j pystysuuntinen trkkuus yksiselitteisillä pinnoill n. 15 cm 2. Poikkileikkuksien korkeusjärjestelmä muunnettiin N60-järjestelmästä korkeusmllin N2000- järjestelmään lisäämällä niihin 32 cm. Poikkileikkuksien oslt hvittiin, että ne eivät välttämättä olleet oikein georeferoituj, sillä esim. krttpohjll trksteltun silt-ukko kuvv poikkileikkus oli n. 100 metriä ylävirrss. Mlliin ei lisätty Loimijokeen Huittisten kohdll lskev Punklitumenjoke j lempn olev Smmunjoke. Siltoj ei huomioitu. Herkkyysnlyysipohjinen jääptolskent Jääptojen lskentn käytettiin SYKEssä kehitettyä herkkyysnlyysipohjist menetelmää, joss yksittäisten jääptotilnteiden sijn lsketn stoj tilnteit, joiss reunehdot j lskentprmetrit määräytyvät ennlt setettujen vihteluvälien mukisesti. Muutettviss olevt prmetrit ovt: Loimijoen virtm Kokemäenjoen vedenkorkeus Loimijoen losn kohdll Uomn krkeuskerroin (Mnning n) Jääpdon lreunn sijinti Jääpdon suurin sllittu pituus Jääpdon krkeuskerroin Jääpdon huokoisuus (jäälohkreiden j niiden väliin jäävän vpn tiln suhde) Suurin sllittu virtusnopeus jääpdon litse Jääpdon sisäinen kitkkulm Pituus- j leveyssuuntisen jännityksen suhde (K1 stress) Jääpdon lvirrn puolell olevn kiinteän jääknnen pksuus Jääpdon lvirrn puolell olevn kiinteän jääknnen krkeuskerroin Microsoft Excel tulukkolskentohjelmn VBA:ll toteutettu puohjelm generoi muutettvt prmetrit vihteluväleiltä j yhdistelee niistä hlutun määrän uniikkej prmetriyhdistelmiä, lukee lkuperäisen virtusmllin geometrin j tekee siihen muutoksi. Se myös tekee trvittvt reunehtotiedostot yläpuolisen virtmn j lpuolisen vedenkorkeuden oslt. Jääptotilnteiden lisäksi kustkin skenriost on myös mhdollist luod jääknneton versio, jolloin jääptotilnnett voidn verrt vstvn vovesitilnteeseen. Tässä työssä käytetyt prmetrit vihteluväleineen on esitetty tulukoss 1. Tulukko 1. Herkkyysnlyysiss käytetyt prmetrit vihteluväleineen. Prmeteri Minimi Mksimi Mnning n, uom 0,025 0,040 Mnning n, jääpdon lvirrn puolen kiinteä jää 0,010 0,030 Mnning n, jääpto 0,025 0,070 Jääpdon lvirrn puoleisen kiinteän jääknnen pksuus [m] 0,1 0,5 Jääpdon kitkkulm [ ] Jääpdon huokoisuus 0,35 0,45 Jääpdon pituus- j leveyssuuntisen jännityksen suhde (K1) 0,30 0,35 Suurin sllittu virtusnopeus jääpdon litse [m/s] 2,5 10,0 Loimijoen virtm [m3 /s] Kokemäenjoen vedenkorkeus [N2000+m] Jääpdon lreunn vihteluväli [PL numero] 50, ,34 Jääpdon pituus [m]

6 Tulokset Ohje tulosten tulkintn Kuvss 4 on esitetty Loimijoen limmn (4) j erään mllin keskiosn poikkileikkuksen (4) vedenkorkeudet lpuolisen reunehdon eli Kokemäenjoen vedenkorkeuden suhteen. Kusskin kuvss on 891 vedenkorkeutt. Kukin piste on siis yhden simuloinnin tulos, joss Loimijoen virtm, Kokemäenjoen vedenkorkeus, uomn, jääpdon j jääknnen krkeuskertoimet, jääpdon sijinti j suurin sllittu pituus ym. prmetrit on generoitu etukäteen nnetuilt vihteluväleiltä. Kuv 4. Loimijoen limmn poikkileikkuksen () j mllinnettvn lueen keskiosll sijitsevn poikkileikkuksen () vedenkorkeudet mllinnetuill jääptotilnteill Kokemäenjoen vedenkorkeuden suhteen esitettyinä. Loimijoen limmn poikkileikkuksen vedenkorkeudet korreloivt lpuolisen reunehdon knss täydellisesti, kosk mikään muu tekijä Kokemäenjoen vedenkorkeuden lisäksi ei vikut tämän poikkileikkuksen vedenkorkeuksiin lskennn edetessä lvirrst ylävirtn. Keskiosn poikkileikkuksen tuloksisskin pisteprven losn vino j terävä rj on loogisesti selitettävissä lpuolisen veden vikutuksell, sillä Loimijoen vedenkorkeudet eivät voi oll Kokemäenjoke mtlmmll. Kun Loimijoen virtm j jääpdon vikutus ovt pieniä, jokien vedenkorkeudet korreloivt toistens knss. Kun Kokemäenjoki on korkell, vedenkorkeuden vihteluväli joess on korkest lähtötsost johtuen pienempi kuin mtlill Kokemäenjoen korkeuksill. Suurill vedenkorkeuksill vesi tulvii uomst tulvlueelle, mikä rjoitt vedenkorkeuden nousu. Mtlt Kokemäenjoen korkeudet ntvt osltn Loimijokeen nousuvr, mutt Loimijoen virtmst, jääpdon sijinnist, koost j muist prmetreist johtuen myös mtlt Kokemäenjoen vedenkorkeudet voivt iheutt suuri vedenkorkeuksi. Kuv 5 on poikkileikkuksen vedenkorkeus (sm poikkileikkus kuin kuvss 4) Loimijoen virtmn suhteen, kun herkkyysnlyysiin vlitut prmetrit vihtelevt nnetull vihteluvälillä. Tässäkin on loogist, että virtmn ksvess vedenkorkeudet ksvvt suurill virtmill ei void svutt mtli vedenkorkeuksi j vedenkorkeuden vihteluväli jää pieniä virtmi pienemmäksi pienilläkin virtmill voidn silti svutt korkeit vedenkorkeuksi, jos esim. lpuolinen vedenkorkeus j jääpto sen mhdollistvt. Vertilun vuoksi kuvss 5 on esitetty jääpdon krkeuskertoimen vikutus smn poikkileikkukseen kuin kuviss X j X. Pisteprven jäsenet sijoittuvt huomttvsti tsisemmin koko kertoimelle sllitun vihteluvälin (0,025-0,07) j mllinnettujen vedenkorkeuksien (n. N m) muodostmlle lueelle j tästä ei ole mhdollist todet kertoimell olevn yksiselitteistä vikutust lskettuihin vedenkorkeuksiin. 5

7 Kuv 5. Erään poikkileikkuksen vedenkorkeudet Loimijoen virtmn () j jääpdon krkeuskertoimen () suhteen esitettyinä. Vähämerkitykselliset prmetrit Herkkyysnlyysiss on jään krkeuskertoimen lisäksi moni muitkin prmetrej, joill ei void sno olevn yksiselitteistä vikutust tuloksiin. Kuvss 6 on esitetty tuloksi jääpdon lisen suurimmn sllitun virtusnopeuden (), jääpdon jännityksen jkutumisen (), jääpdon huokoisuuden (c), uomn krkeuskertoimen (d), jääpdon sisäisen kitkkulmn (e) j jääpdon lvirrn puolell olevn kiinteän jääknnen pksuuden oslt (f). Kuten kuvst nähdään, vedenkorkeudet jkutuvt suhteellisen tsisesti sekä vedenkorkeuden että kunkin trksteltvn prmetrin vihteluvälien lueelle. Vihteluvälien käyttö on silti perusteltu, sillä lueelt ei mm. ole hvintotietoj. Vihteluvälejä käyttämällä voidn premmin huomioid virtusmllin rtkisutpoihin j luett kuvviin poikkileikkuksiin mhdollisesti liittyvät epävrmuudet. c d e f Kuv 6. Prmetrit, joill ei hvittu olevn yksiselitteistä vikutust tuloksiin. 6

8 Poikkileikkuskohtiset tulokset Tässä osioss esitetään poikkileikkuskohtisi tuloksi. Virtusmllist vlittiin 7 poikkileikkust (kuv 7), joist hettiin kunkin simuloinnin mukinen vedenkorkeus sekä jääpdon jäämäärä (kuvt 8-14). Trksteltvn poikkileikkuksen vedenkorkeudet esitettiin Loimijoen virtmn, Kokemäenjoen vedenkorkeuden, jääpdon sijinnin sekä jääpdoss olevn jäämäärän suhteen. Kuvien kselien minimit j mksimit ovt smt kikille poikkileikkuksille. Kuv 7. Trkempn trksteluun otettujen poikkileikkuksien sijinnit. Poikkileikkuskohtisist tuloksist voidn todet mm. seurv: Poikkileikkuksen virtm-vedenkorkeus-kuvss nähdään miten mllin yläosn koskios vikutt pienempiin, lle 300 m³/s virtmiin j mtlmpiin vedenkorkeuksiin. Vedenkorkeuksi tiivistyy hyvin lähelle toisin, kun koskijkson lpuoliset vedenkorkeudet eivät vikut ylävirtn. Loimijoen j Kokemäenjoen risteyksestä n. 4-5 km ylävirtn on lue, jok tuott selvästi korkempi vedenkorkeuksi ylävirtn jos jääpdon lreunn muodostuu tälle lueelle. Jään määrän oslt smnmittkvisist kuvist käy selvästi ilmi miten jääpdoss olevn jään määrä vähenee lähestyttäessä Kokemäenjoke. 7

9 Downstrem wter level, N2000+m c d Ice jm toe loction, meters from downstrem Ice volume, m³ Kuv 8. Poikkileikkuksen vedenkorkeudet Loimijoen virtmn (), Kokemäenjoen vedenkorkeuden (), jääpdon lreunn sijinnin (c) sekä jääpdoss olevn jään määrän (d) suhteen esitettynä Downstrem wter level, N2000+m Ice jm toe loction, meters from downstrem c d Kuv 9. Poikkileikkuksen vedenkorkeudet Loimijoen virtmn (), Kokemäenjoen vedenkorkeuden (), jääpdon lreunn sijinnin (c) sekä jääpdoss olevn jään määrän (d) suhteen esitettynä. 8

10 Downstrem wter level, N2000+m Ice jm toe loction, meters from downstrem c d Kuv 10. Poikkileikkuksen vedenkorkeudet Loimijoen virtmn (), Kokemäenjoen vedenkorkeuden (), jääpdon lreunn sijinnin (c) sekä jääpdoss olevn jään määrän (d) suhteen esitettynä Downstrem wter level, N2000+m Ice jm toe loction, meters from downstrem c d Kuv 11. Poikkileikkuksen vedenkorkeudet Loimijoen virtmn (), Kokemäenjoen vedenkorkeuden (), jääpdon lreunn sijinnin (c) sekä jääpdoss olevn jään määrän (d) suhteen esitettynä. 9

11 Downstrem wter level, N2000+m Ice jm toe loction, meters from downstrem c d Kuv 12. Poikkileikkuksen vedenkorkeudet Loimijoen virtmn (), Kokemäenjoen vedenkorkeuden (), jääpdon lreunn sijinnin (c) sekä jääpdoss olevn jään määrän (d) suhteen esitettynä Downstrem wter level, N2000+m Ice jm toe loction, meters from downstrem c d Kuv 13. Poikkileikkuksen vedenkorkeudet Loimijoen virtmn (), Kokemäenjoen vedenkorkeuden (), jääpdon lreunn sijinnin (c) sekä jääpdoss olevn jään määrän (d) suhteen esitettynä. 10

12 Downstrem wter level, N2000+m Ice jm toe loction, meters from downstrem c d Kuv 14. Poikkileikkuksen vedenkorkeudet Loimijoen virtmn (), Kokemäenjoen vedenkorkeuden (), jääpdon lreunn sijinnin (c) sekä jääpdoss olevn jään määrän (d) suhteen esitettynä. Virtmn vikutus jääptotulvien vedenkorkeuksiin Kuvss 15 on esitetty 7 poikkileikkuksen vedenkorkeudet virtmn suhteen smss kuvss. Kuvn on lisäksi otettu tulukkolskentohjelmn utomttisesti lskem linerinen trendiviiv yhtälöineen j korreltiokertoimineen. Kuten yhtälöiden muuttujn x edessä olevist vkioist nähdään, on yhden virtmyksikön (m³/s) vikutus vedenkorkeuteen poikkileikkuksest riippuen vin n. 4-8 mm j hjont suurt. Ylintä poikkileikkust lukuun ottmtt virtm-vedenkorkeus pisteprven muoto noudttelee trendiviivn suunt. Virtmn vähentäminen 10 m³/s pienentäisi siis vedenkorkeuksi n. 4-8 cm j 20 m³/s n cm. 11

13 y = x R² = y = x R² = y = x R² = y = x R² = y = x R² = y = x R² = y = x R² = Kuv 15. Virtmn vikutus jääptotilnteiden vedenkorkeuksiin seitsemässä poikkileikkuksess. 12

14 Kuvss 16 on vielä vertiltu jääptotilnteen j sitä vstvn vovesitilnteen vedenkorkeuksien erotuksi poikkileikkuksien X j Y oslt. Avovesi- j jääptotilnteiden virtmt j lpuoliset vedenkorkeudet sekä uomn krkeuskerroin smoj, jolloin vertilu on mhdollist. Kuvst nähdään, että jääpto voi nost vedenkorkeuksi phimmilln lähes 4 metriä vstvn vovesitilnteeseen verrttun (tsost N ,3 m tsolle 46,11 m). Merkille pntv on myös se, että myös suhteellisen pienillä, m³/s virtmill jääpto voi nost vedenkorkeuksi jop 2,5 metriä vovesitilnteeseen verrttun. Keskimääräinen jääpdon vikutus koko ineistoill on kuvn 16 poikkileikkuksiss on kuitenkin n. 60 cm Kuv 16. Jääpdon vikutus vedenkorkeuteen vstvn vovesitilnteeseen verrttun (PL j ). 13

15 Johtopäätökset j suositukset 1. Jääptotilnteist on mm. niiden nopest syntytvst j työturvllisuudest johtuen yleensä vähän ti ei linkn trkkoj hvintoj. Näin on myös Loimijoell. Lisäksi mllinnukseen liittyy niin moni muuttuji, jotk eri sintuntijt voivt yhtä vkuuttvsti perustell erirvoisiksi mutt silti yhtä oikeiksi. Tämän vuoksi lähestymistp, jok huomioi esim. monenliset virtmtilnteet sekä useit jääptojen pikkoj tuo kokonisvltisemmn käsityksen lueest verrttun muutmn yksittäisen jääpdon mllinnukseen. 2. Loimijoen jääptotilnteiss etenkin Loimijoen virtm j Kokemäenjoen vedenkorkeus vikuttvt tulvvedenkorkeuksiin, mutt myös jääpdoss olevn jään määrän j jääpdon lreunn sijinnill on merkitystä. Tulokset ntvt kuitenkin vikutuksist suunnn, sillä usen muuttujn yhdenikisest vikutuksest johtuen tulosten hjont on suurt. 3. Virtm pienentämällä on mhdollist pienentää Loimijoen jääpdoist iheutuvi vedenkorkeuksi sijinnist riippuen n. 4-8 cm per 10 m³/s. Epävrmuudet ovt kuitenkin suuri j tämä menetelmä ei ot knt siihen miten esim. virtmn pienentäminen jäänlähdön ikn vikutt jääpdon sijinnin ti muodon muuttumiseen. Kosk jääpto voi nost vedenkorkeuksi huomttvsti vovesitilnteeseen verrttun j siten iheutt tulvi, on jääptoihin vrutuminen pdotus- j juoksutusselvityksessä iheellist. 4. Työssä hvittiin, että Loimijoen poikkileikkukset eivät ole georeferoituj j esim. selkeä siltpoikkileikkus oli n. 100 metriä väärässä pikss. Tämän vikutus tuloksiin ei ole suuri (pl. koskipikt), mutt seurvi tulvkrtoituksi tehtäessä tämä olisi hyvä trkist. Mllin ulottminen Murilnkoskelle sti mhdollistisi virtm- j vedenkorkeushvintojen täysimääräisen hyödyntämisen esim. kliroinniss. Mhdollisi uusintmittuksi tehdessä poikkileikkukset voisi ulott luotuslitteiston kpsiteetin mukn mtlikoille j uomss olevien srten molemmille puolille. 14