Lapuanjoen pengerrysalueiden käytön muutoksen tutkiminen virtausmallin avulla

Transkriptio

1 Antti Tamminen Harjoittelija, Vesistöyksikkö Ympäristö ja luonnonvarat -vastuualue Etelä-Pohjanmaan elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus Raportti Lapuanjoen pengerrysalueiden käytön muutoksen tutkiminen virtausmallin avulla

2 Sisällysluettelo Johdanto... 3 HEC-RAS Virtausmallinnus... 3 Aiemmat selvitykset... 4 Viimeaikaiset tulvat... 5 Lähtötiedot... 5 Malli... 6 Testitulokset... 9 Kevään 2013 virtaama Johtopäätökset ja jatkosuositukset Kirjallisuutta Kannen kuva: Poutun pohjapato 2

3 Johdanto Lapuanjoen keskiosien alavilla alueilla tulvat aiheuttavat satovahinkoja ja rakennusten kastumista suuremmilla kuin kerran 20 vuodessa tapahtuvilla tulvilla. Vahingollisten tulvien odotetaan yleistyvän ilmastonmuutoksen myötä. Alueilla pellot on suojattu muodostamalla pengerrysalueita, joille johdetaan vettä tulvakynnyksistä ja luukuista kun joen vedenpinnan nousu alkaa uhata rakennuksia Lapuan keskustaajamassa. Tulvaluukut avataan kun veden korkeus Poutun pohjapadolla nousee arvoon N43 +28,40 m tai rautatiesillan kohdalla arvoon N43 +28,70 m. Pengerrysalueiden käytön muutoksen tavoitteena Lapuanjoen keskiosassa on vähentää tulvista aiheutuvia satovahinkoja pelloilla ja pienentää suurien tulvien vahinkoja taajamissa. Tämä pyritään saavuttamaan viivyttämällä veden juoksutusta pengerrysalueille, jolloin pengerrysalueiden varastotilavuutta voidaan hyödyntää paremmin varsinaisen tulvahuipun leikkaamiseen suuremmilla tulvilla. Näin pyritään minimoimaan tulvista aiheutuvat vahingot kiinteistöille ja viljelmille. Alustavasti on suunniteltu, että Potun pohjapadolla veden annettaisiin nousta 25 cm korkeammalle kuin nykyään eli arvoon N ,65 m. Tässä raportissa arvioidaan kuinka juoksutuksen viivyttäminen vaikuttaisi joen vedenkorkeuksiin erilaisilla tulvilla ja minkälaisia jatkotutkimuksia tarvitaan. Vedenpinnan korkeutta arvioitiin käyttämällä HEC-RAS virtausmallinnusohjelmaa. Aiemmista malleista poiketen tässä mallissa pengerrysalueiden veden varastoimiskyky otettiin huomioon laskettaessa vedenpinnankorkeuksia uomassa. Mallissa huomioidaan, että vesi pääsee pengerrysalueille tulvaluukkujen ja kynnysten kautta. Näin on mahdollista saada realistisempi arvio jokiuoman ja pengerrysalueiden vedenpinnankorkeuksista. Lähtötiedot malliin kerättiin pengerryshankkeiden luvista ja suunnitelmista sekä edellisestä uoman mallinnuksesta. Tämän selvityksen tarkoituksena on alustavasti tutkia tulvaluukkujen aukaisemisen viivyttämisen vaikutuksia jokiuoman ja pengerrysalueiden vedenkorkeuksiin erilaisissa tulvatilanteissa ja arvioida mitä tulevissa selvityksissä tulee ottaa huomioon. Lopullisena tavoitteena ovat entistä tarkemmat tulvavaarakartat ja uusi optimaalisempi tulvaluukkujen käyttömenetelmä. HEC-RAS Virtausmallinnus HEC-RAS virtausmallinnusohjelma laskee uoman jokaiselle poikkileikkaukselle vesisyvyyden, virtaaman ja virtausnopeuden syötettyjen reunaehtojen ja geometrian perusteella. Mallinnettavan alueen yläjuoksun virtaama on mallin yläpuolinen reunaehto. Muita reunaehtoja voivat olla sivuvirtaamat, purkautumiskäyrät tai uoman pituuskaltevuus. Uoman mutkaisuudesta ja pohjan karkeudesta johtuva virtaaman hidastuminen otetaan laskennassa huomioon Manningin karkeuskertoimen avulla. Manningin kerroin säädetään erikseen pääuomalle ja töyräälle ja sen arvo määritetään vertaamalla laskettuja tuloksia havaittuihin arvoihin. Ohjelmaa voidaan käyttää tasaisen virtauksen sekä muuttuvan virtauksen mallintamiseen. Tasaisen virtaaman mallissa virtaama ei muutu ajan suhteen eli mallilla voidaan laskea uomatietoja tietyssä virtaamatilanteessa esimerkiksi tulvahuipun virtaamalla, mutta tulvahuipun kestoa ei oteta huomioon arvojen laskemisessa. Muuttuvan virtauksen mallissa virtaama muuttuu ajan suhteen. Yläpuolisena reunaehtona malliin syötetään virtaama-aika sarja ja määritellään kuinka usein malli laskee poikkileikkauksille uomatietoja määrittelemällä laskenta-aika-askeleen pituus. Muuttuvan virtauksen mallilla pystytään mallintamaan tulva-aallon eteneminen uomassa ja näin ollen saadaan tarkempia vedenpinnankorkeustuloksia poikkileikkauksissa tulvatilanteessa. Muuttuvan virtauksen mallilla pystytään ottamaan huomioon myös varastoalueen täyttyminen tai tyhjentyminen virtaamatapahtuman aikana. 3

4 HEC-RAS ohjelman uusimmalla versiolla virtausta voidaan mallintaa 1D- tai 2D-mallilla. 1D mallissa vesi virtaa vain yhteen suuntaa eli uoman keskiviivan suuntaisesti malliin syötettyjen poikkileikkausten välillä. Näin saadaan riittävä tarkkuus jos vesi pysyy penkereiden rajaamassa uomassa. 2D-mallissa vesi voi virrata mihin tahansa x-y suunnassa, mutta ei syvyyssuunnassa. Jos vesi virtaa laajemmalla alueella, kuten pengerrysalueella, 2D-mallilla saadaan realistisempia tuloksia kuin 1D-mallilla. 2D-mallin laskemiseksi tarvitaan tutkittavan alueen maastonkorkeustaso, jonka avulla ohjelma laskee veden virtaussuunnan. Ohjelma jakaa alueen laskentasoluihin joiden kokoa pienentämällä mallista saadaan tarkempi, mutta myös laskenta-aika kasvaa. Malli laskee hydrologiset arvot jokaiselle poikkileikkaukselle käyttäjän määrittelemän aika-askeleen välein. Laskentaan saattaa aiheutua numeerisia virheitä jos muutos lasketuissa arvoissa on yhden aika-askeleen aikana suuri, vesisyvyys matala tai poikkileikkausten väli liian pitkä tai lyhyt. Jos virheet kasvavat liian isoiksi malli voi muuttua epävakaaksi tai laskenta pysähtyä kokonaan. Muutos aika-askeleiden välillä voi olla suuri jos mallissa on esimerkiksi pitkiä tasaisia tulvakynnyksiä tai nopeasti aukeavia luukkuja. Tätä voidaan ehkäistä lyhentämällä aika-askelta, hidastamalla luukkujen avaamista tai lisäämällä tulvakynnykseen pienen kaltevuuden. Käyttäjä voi myös muuttaa joidenkin laskentakerrointen arvoja joita käytetään laskennassa. Näin voidaan lisätä mallin vakautta, mutta sen tarkkuus huononee. Jos matala vesisyvyys aiheuttaa mallissa ongelmia voidaan uoman pohjalle lisätä pieni ohjausuoma joka lisää poikkileikkauksen vesisyvyyttä, mutta on niin kapea, ettei se muuta likaa uoman virtausalaa. Jos poikkileikkausten etäisyys on liian suuri, voidaan geometriaan interpoloida poikkileikkauksia laskennan vakauttamiseksi. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi tarvittavat poikkileikkaukset tulisi kuitenkin käydä maastossa mittaamassa. Aiemmat selvitykset Aiemmat virtausmallit Lapuanjoelta on laadittu tasaisella virtauksella 1D malleina. Pengerrysalueet on sisällytetty poikkileikkauksiin passiivisina alueina joissa vesi ei virtaa. Näissä malleissa pengerrysalueiden vedenpinta nousee ja laskee jokiuoman vedenpinnan mukana, eikä pengerrysalueille virtaava vesi vaikuta uoman vedenpinnan korkeuksiin. Näin saadaan todellisuutta suurempi vedenpinnankorkeus pengerrysalueilla sekä jokiuomassa. Pengerrysalueiden vaikutus näkyy kuitenkin jonkin verran mallinnuksessa käytetyissä havaintovirtaamissa. Suurilla tai pitkäkestoisilla tulvilla tällainen malli antaa hyvän arvion vedenkorkeuksista, sillä pengerrysalueen ja uoman vedenpinnankorkeudet ovat todellisuudessakin lopulta lähellä toisiaan. Pienemmillä ja lyhytkestoisemmilla tulvilla pengerrysalueet toimivat tulvatilanteessa varastoalueina, joihin voidaan ohjata osa virtaamasta tulvaluukkujen ja tulvakynnysten kautta, jolloin vedenkorkeudet uomassa ovat pienempiä. Viimeisin tulvavaarakartoitus Lapuanjoelta on vuodelta vuonna Kartoitusta varten laaditussa mallissa poikkileikkaukset ulotettiin vain juuri uoman penkereiden yli ja mallin laskemaa vedenkorkeutta käytettiin selvitettäessä tulva-alueen laajuutta. Vuoden 2012 mallissa tai tässä raportissa esitettävässä mallissa ei kummassakaan huomioitu mahdollista jääpeitteen vaikutusta kevät-tulvilla. Lapuan taajaman jätevesiverkoston ja puhdistamon korkeus on niin matalalla tasolla, että jo 10 cm nosto luukkujen avauskorkeudessa aiheuttaisi Lapuan kaupungin laatimien arvioiden mukaan jätevesi- ja hulevesijärjestelmien suojaamisesta noin 2 milj. euron investointikustannukset ja 30 cm nosto noin 4,3 milj. euron investointikustannukset. Pegerrysalueiden käytön muutoksella pyritään kuitenkin estämään korkeat vedenkorkeudet suurilla tulvilla, joilla jätevesijärjestelmälle ja kiinteistöille aiheutuu eniten vahinkoa. Lisäksi veden päästäminen pengerrysalueille aiheuttaa huomattavia satovahinkoja syys- ja kesätulvilla. Vaikka investointikustannukset saattaisivat olla suuria Lapuan keskustaajamassa, jos luukkujen nostorajaa muutetaan, voitaisiin pitkällä aikavälillä 4

5 saavuttaa säästöjä tulvien aiheuttamissa kustannuksissa. Pitkän aikavälin kustannuksia tulisi kuitenkin tutkia tarkemmin ennen päätösten tekemistä. Viimeaikaiset tulvat Suurista sademääristä huolimatta vuoden 2012 syystulva jäi Lapuanjoella pieneksi. Keväällä 2013 nopeasti sulanut suuri lumimäärä aiheutti myös Lapuanjoella tulvan, jonka suuruus oli 1/20 vuodessa ja 1/50 vuodessa esiintyvien tulvien väliltä eri puolilla Lapuanjokea. Tulvaluukkuja avattiin vain yhtenä päivänä noin kolmen tunnin ajaksi. Vedenpinnan taso oli pernaan sillan kohdalla korkeimmillaan hieman 1/50 vuodessa toistuvan tulvan tasoa alempana. Vesi nousi Ämpin ja Haapojan tulvakynnysten yli jo ennen kuin tulvaluukkuja alettiin avaamaan, koska yhtenäinen jääkansi padotti virtaamaa Kauhavanjoen liittymiskohdan alapuolella. Ilmaston muutoksen myötä talvien virtaamat tulevat kasvamaan Suomessa, mutta kevättulvat pienenemään ja kesät muuttumaan kuivemmiksi. Toisaalta rankkasateiden odotetaan lisääntyvän, eli sääolosuhteet tulevat äärevöitymään. Jos alueen vesistömallin ennusteita pystytään tarkentamaan, voitaisiin muuttuvissa tulvaolosuhteissa saavuttaa etuja operoimalla luukkuja enemmän ennustetta silmällä pitäen, eikä vain luvassa määrätyn rajan mukaan. Lähtötiedot Löyhingin ja Eskelin Pengerrysalueiden tulvaluukut on suunniteltu niin, että niiden teoreettinen purkautumisvirtaama pengerrysalueelle on molemmille 50 m 3 /s ilman alaveden vaikutusta ja kun uoman vedenpinta on luukkujen kohdalla tasossa N60 +28,30 m. Useissa kohdissa penkereen pengerrysalueen puoleinen luiska on todella loiva, jolloin luukkujen jälkeen maanpinnan taso on korkeammalla kuin muualla pengerrysalueella. Tulvaluukkujen alarajat ovat huomattavasti pengerten harjoja alempana. Tämän takia vesi ei leviä suoraan tasaisesti pengerrysalueelle, vaan kulkee pienessä uomassa kun se purkautuu tulvaluukusta. Tulvaluukkujen takainen vedenpinta nousee nopeasti aukaisemisen jälkeen johtuen luukkujen takaisen uoman geometrian aiheuttamasta virtausvastuksesta. Näin ollen tulvaluukkujen todellinen purkautumisvirtaama on tulvatilanteissa teoreettisia maksimeja paljon pienempi. Arvioiden mukaan luukkujen maksimivirtaama on m 3 /s. Lisäksi luukkuja avataan hitaasti, jotta vältytään nopeasti virtaavan veden aiheuttamilta vahingoilta pelloilla. Tulvaluukkujen ja tulvakynnysten sijainti- ja geometriatiedot syötettiin malliin lupaehdoissa ja suunnitelmissa määriteltyjen tietojen mukaan. Lapuanjoella on neljä tulvakynnystä, kaksi tulvaluukkua ja neljä pengerrysaluetta, joille on mahdollista johtaa vettä. Lapuanjoen poikkileikkaukset sekä siltojen- ja pohjapatojen tiedot saatiin Pekka Leiviskän 2012 alueelle tekemästä virtausmallista. Vanha virtausmalli oli luotu käyttäen N60 korkeusjärjestelmää, joten myös tässä mallissa käytettiin tätä järjestelmää. Pengerrysalueet, joille johdetaan vettä, mallinnettiin 1D varastoalueina. Pengerrysalueiden vedenkorkeus-tilavuus tiedot saatiin Rambolin 2011 laatimasta tulvariskien hallinnan yleissuunnitelmasta. N43 korkeusjärjestelmässä olleet tiedot muutettiin N60 järjestelmään lisäämällä arvoihin 13 cm. Kynnykset ja tulvaluukut liitettiin pengerrysalueisiin. Tulvaluukkujen avaamisnopeutena käytettiin arvoa 26 cm/h, joka laskettiin keskiarvona 2012 ja 2013 tulvien luukkujen avaamistiedoista Kyrönjoen Ionojalla ja Röyskölässä. Lapuanjoelta ei ollut saatavissa tulvaluukkujen avaustietoja, mutta voidaan olettaa luukkujen operoinnin olevan samankaltaista kuin Kyrönjoella. 5

6 Malli Mallinnettava uoman osuus oli Lapuanjoen paaluvälillä Malli rajattiin kattamaan vain pääuoma, sillä tämä helpotti mallin laatimista, eikä sivu-uomista ollut saatavissa riittävästi virtaamatietoja. Lisäksi mallia ei oltu georeferoitu, joten sen liitäminen samaan malliin Nurmonjoen ja Kauhavanjoen kanssa ei onnistu ilman, että kaikki uomat georeferoitaisiin jälkikäteen. Uoman alapuolisena reunaehtona käytettiin uoman pituuskaltevuutta 0,0002. Samaa arvoa käytettiin myös vanhan mallin alapuolisena reunaehtona. Kaltevuusarvon tarkkuuden ei tarvitse olla suuri sillä tutkittava alue on riittävän kaukana uoman alapäästä. Kuvassa 1 on tutkitun uomanosuuden pituusleikkaus. 40 Lapua_ei_Nurmonjoki Plan: 1) testi_luukut_00 8/22/2016 Lapuanjoki ylaosa Legend WS Max WS Crit Max WS Lat Struct Ground Elevation (m) Kuva 1 Tutkitun uomanosuuden pituusleikkaus. Main Channel Distance (m) Mallin toimivuutta testattiin käyttämällä vanhan mallin karkeuskertoimia ja luomalla keinotekoinen 14 päivää kestävä tulvatapahtuma. Testivirtaamatilanne luotiin Lapuanjoen mitoitusvirtaamien avulla. käytetyt mitoitusvirtaamat olivat suurempia kuin Pekka Leiviskän vuoden 2012 virtausmallissa käyttämät virtaamat. Tulvatapahtuma laadittiin niin, että ensimmäisen vuorokauden virtaama oli 1/5 vuodessa toistuvan virtaaman suuruinen, josta se nousi tasaisesti yhden vuorokauden aikana 1/20 vuodessa toistuvan virtaaman arvoon, siitä yhdessä vuorokaudessa arvoon 1/50 vuodessa ja siitä kahdessa vuorokaudessa tasaisesti arvoon 1/100 vuodessa. Virtaama pidettiin tällä tasolla kaksi vuorokautta ja laski sitten tasaisesti kuuden vuorokauden aikana takaisin 1/5 vuodessa toistuvaan arvoon. Kuvassa 2 näkyy kuvaaja uoman yläpään virtaaman arvoista. 6

7 170 Plan: testi_luukut_25 River: Lapuanjoki Reach: ylaosa RS: Legend Flow Flow (m3/s) Dec1899 Jan1900 Time Kuva 2 Virtaama (m 3 /s) kuvaaja uoman yläpäässä PL Virtaamatiedot syötettiin tunnin välein. Virtaamatietoja oli saatavissa useista uoman poikkileikkauksista. Vähentämällä alajuoksun virtaamasta yläjuoksun virtaama sivu-uomien kohdalla, saatiin laskettua virtaamat Nurmonjoelle ja Kauhavanjoelle. Sivu-uomien virtaamat lisättiin uomien risteyskohtiin sivutulovirtaamana käytämällä mallin lateral inflow hydrograhp - reunaehtoa. Myös sivu-uomien välisille pääuoman osuuksille laskettiin alajuoksun ja yläjuoksun erotus, jota käytettiin uomaan virtaavan muun valunnan arviona. Nämä virtaamat laskettiin kuudessa osassa ja jokainen lisättiin malliin tasaisesti jaettuna kunkin osuuden pituudelle käyttämällä mallin uniform lateral inflow -reunaehtoa. Liitteessä 1 on listattu reunaehtoina käytettyjen virtaamien arvot. Vanhassa mallissa käytetyt poikkileikkaukset leikattiin tätä mallia varten varastoalueina mallinnettavien pengerrysalueiden osuudella penkereen harjan kohdalta, sillä näin vältytään pengerrysalueen päällekkäiseltä kuvaamiselta sekä poikkileikkauksissa että varastoalueena. Tulvakynnysten kohdalta poikkileikkaukset leikattiin kynnyksen korkeimman tason kohdalta, jotta poikkileikkausgeometria ei estäisi veden virtaamista varastoalueelle kynnykset jälkeen. Pengerrysalueen yläpuolella oleviin leveisiin poikkileikkauksiin lisättiin pengerrajat (levee) penkereiden harjan tasolle. Pengerraja toimii siten, että vesi ei voi nousta poikkileikkauksessa pengerrysalueelle ennen kuin vedenpinta on ylittänyt pengerrajan korkeustason. Jos pengerrajaa ei lisätä, vesi nousee poikkileikkauksen jokaisessa kohdassa samalle tasolle riippumatta penkereistä. Siirryttäessä leveistä poikkileikkauksista varastoalueiden kohdalla oleviin kapeisiin poikkileikkauksiin on mallin vakauden kannalta tärkeää, ettei poikkileikkausten vesipinta-ala muutu liian nopeasti. Jos vedenpinta ei mallissa nouse penkereiden yli, tämä voidaan estää lisäämällä pengerrajat leveisiin poikkileikkauksiin. Pengerrysalueiden vedenkorkeus-tilavuus -tiedot saatiin Rambol Oy:n vuonna 2011 laatimasta tulvariskien hallinnan yleissuunnitelmasta. Yleissuunnitelmassa Löyhingin pengerrysalueen tilavuudeksi saatiin vedenpinnan tasolla N60 +28,81 45,7 milj. m 3, Itäpuolen pengerrysalueelle 42,2 milj. m 3, Haapojan pengerrysalueelle 27,4 milj. m 3 ja Ämpin pengerrysalueelle 12,9 milj. m 3. Varastoalueiden nollatasoa hieman korkeammilla vedenkorkeuksilla vesitilavauus ei kasva paljoa vedenpinnan noustessa sillä aluksi vain ojat ja pienet painanteet täyttyvät. Alkuehtoina varastoalueille asetettiin vedenkorkeus, jolla alueiden vesitilavuus on 0,1 milj. m 3, jotta 7

8 varastoalueiden vesitilavuus ei muuttuisin niin äkillisesti kun luukut avautuvat. Äkillinen vedenkorkeuden muutos kasvattaa mallin numeerista virhettä. Tulvaluukut ja kynnykset lisättiin malliin uoman suuntaisina rakenteina luvassa mainituin sijainnein ja geometrioin uoman penkereen harjan kohdalle. Ne liitetiin pengerrysalueina toimiviin 1D varastoalueisiin niin, että vesi voi virrata niiden kautta varastoalueelle tai uomaan. Tulvakynnysten patokertoimet muutettiin oletusarvosta 1,1 arvoon 0,28. Patokerrointa pienennettiin, koska kerroin on yleensä pienempi uoman pituussuuntaisille rakenteille. Lisäksi Lapuanjoen tulvakynnykset ovat yleensä vain matalampia osia penkereessä eli niiden virtausvastus on suurempi kuin esimerkiksi betonikourulla. Pieni patokerroin valittiin myös sen takia, että havaituilla tulvilla tulvakynnyksistä ei ole virrannut suuria määriä vettä. Löyhingin ja Haapojan pengerrysalueiden välissä on vain matala tiepenger, joten vesi virtaa niiden välillä kun vedenpinta nousee tarpeeksi. Ne liitettiin toisiinsa 500 m leveän tulvakynnyksen avulla. Kynnyksen korkeustaso määritettiin tarkastelemalla pengerrysalueiden välisen kohdan maankorkeustasoa ArcMap-ohjelmalla. Kynnyksen toinen pää asetettiin metrin toista alemmas, jotta kynnyksen virtaama ei muuttuisi liian nopeasti veden pinnan noustessa. Liian nopeasti muuttuva virtaama aiheuttaa malliin epävakautta. Kynnyksen ylempi pää asetettiin tasoon N60 +27,1 ja alempi tasoon +26,1. Luukkujen reunaehtona oli luukun nostonopeus 26 cm/h ja noston aloituskorkeutena määrätty veden korkeus Poutun pohjapadon kohdalla. Luukkujen alavedenkorkeus nousi mallissa paljon hitaammin kuin todellisuudessa, jolloin luukkujen virtaama oli todellisuutta suurempi. Luukkujen virtaamaa yritettiin ensin pienentää muuttamalla niiden purkautumiskerrointa arvosta 0,6 arvoon 0,5. Tämä ei kuitenkaan vaikuttanut luukkujen virtaamaan tarpeeksi. Lopulta luukkujen maksimi nostokorkeutta rajoitettiin metriin, jolloin luukkujen virtaama pysyi alle 30 m 3 /s. Luukkujen sulkeutumisrajaksi asetettiin 5 cm nostorajaa matalampi vedenkorkeus ja laskunopeudeksi syötettiin 13 cm/h. Mallin laskenta-aikavälinä käytettiin 5 minuuttia. Näin lyhyt aika-askel oli tarpeellinen laskennan vakauden säilyttämiseksi varastoalueiden ja uoman pituussuuntaisten rakenteiden kohdalla. Malli käyttää laskennassa taulukoituja tietoja (hydraulic property tables) tiettyä vedenkorkeutta vastaavasta virtauspinta-alasta. Aiemmassa mallissa silloille ei ollut määritelty ohjelman laskennassa käyttämää vedenkorkeus/pinta-ala taulukon suurinta vesikorkeutta, joten maksimi vedenkorkeus kunkin sillan kohdalla tarkistettiin vanhasta mallista 1/1000 toistuvuuden vesikorkeuksista ja asetettiin taulukon suurin korkeus varmuuden vuoksi noin metrin tätä korkeammalle. Vedenkorkeus/pinta-ala taulukon laskentaviivojen tiheys asetettiin maksimi arvoon suuremman laskentatarkkuuden saavuttamiseksi. Myös useiden poikkileikkausten vedenkorkeus/pinta-ala taulukon yläraja oli liian alhaalla. Näiden poikkileikkausten laskentaviivojen määrää lisättiin niin, että taulukon yläraja oli korkeammalla kuin mallin maksimi vedenpinta. Poikkileikkausten laskentaviivojen tiheyttä lisättiin tarkkuuden lisäämiseksi niin, että jokaisessa poikkileikkauksessa oli noin laskentaviivaa. Pohjapadon PL ja sillan PL välissä ei ollut kuin yksi poikkileikkaus. Ohjelma tarvitsee muuttuvan virtauksen laskentaan kuitenkin kaksi poikkileikkausta poikittaissuuntaisten rakenteiden ylä- ja alapuolella. Poikkileikkauksia ei voi interpoloida rakenteen ja poikkileikkauksen väliin, joten kopioin poikkileikkauksen PL metriä siitä ylävirtaan päin, jotta laskennan voisi suorittaa. Poikkileikkauksen kopioiminen lisää hieman mallin virhettä. Koska vain yksi poikkileikkaus kopioitiin ja etäisyys alkuperäiseen poikkileikkaukseen oli vain 40 metriä, voidaan olettaa, että aiheutuva virhe ei ole merkittävä tämän mallin kannalta. Tarkasteltaessa mallin testivirtaama ajojen varoituslistaa havaittiin, että useiden poikkileikkausten välillä energiahäviö on suurempi kuin suositeltu maksimi arvo. Useissa kohdissa myös poikkileikkausten välinen kuljetus suhde (conveyance ratio) oli suositellun välin 0,7 1,4 ulkopuolella. Molemmat näistä varoituksista viittaavat siihen, että poikkileikkausten väli on liian 8

9 pitkä ja poikkileikkauksia tarvitaan lisää. Poikkileikkauksia koitettiin interpoloida lisää siten, että poikkileikkausten väli oli maksimissaan 100 metriä. Varoitusilmoitusten määrä väheni, mutta tämä ei kuitenkaan vaikuttanut tuloksiin juurikaan, joten malli päätettiin ajaa alkuperäisillä poikkileikkauksilla. Poikkileikkausten määrää tulisi koittaa lisätä vielä tätäkin enemmän ja tarkastella miten se vaikuttaa mallin laskentaan. Parhaan tarkkuuden saavuttamiseksi uudet poikkileikkaukset tulisi mitata maastossa. Mallissa vesipinta näytti tippuvan porrasmaisesti Poutun- ja Korvenkosken pohjapatojen kohdalla, joka viittaa numeeriseen virheeseen laskennassa. Poutussa pudotus oli maksimi vedenkorkeudella noin 4 cm ja Korvenkosken kohdalla noin 25 cm. Uoman poikkisuuntaisten rakenteiden kerrointa (inline structure coefficient) muutettiin arvosta 1 arvoon 3, jonka pitäisi antaa kaikista suurimman numeerisen vakauden, mutta tämä ei kuitenkaan poistanut vesikynnyksiä. Toisaalta nämä kynnykset ovat niin pieniä, että niiden vaikutuksen voidaan olettaa olevan pieni mallin tarkkuuden kannalta. Mallin theta-kerroin (implisit weighting factor) muutettiin arvosta 1 arvoon 0,6 paremman laskentatarkkuuden saavuttamiseksi. Theta-kertoimen arvolla 1 saadaan vakain numeerinen ratkaisu ja arvolla 0,6 tarkin. Muutos ei vaikuttanut mallin vakauteen, joten arvo 0,6 voitiin pitää. Useissa poikkileikkauksissa pengerrysalueilla ja niiden alapuolella maksimi vedenpinta nousi testivirtaamalla korkeammalle kuin poikkileikkauksen reunapisteet. Kun näin käy ohjelma jatkaa poikkileikkausta suoraan ylöspäin niin paljon kuin vedenpinta nousee, eli kohtaan tulee pystysuora seinämä. Tämä vääristää mallin tuloksia, sillä penkereen tason yläpuolelle noussut vesi ei virtaa pengerrysalueelle. Tältä ongelmalta vältyttäisiin jos alueen kaikki penkereet mallinnettaisiin tulvakynnyksinä jotka olisi yhdistetty varastoalueisiin. Pengerharjan ylittyminen saattaa kuitenkin aiheutua myös virheellisistä karkeuskertoimista suurille tulville. Testitulokset Testivirtaamatapahtumalla vedenpinta nousi Poutun padolla korkeimmillaan noin 52 cm tulvarajan yläpuolelle. Vesi pysyi tällä korkeudella koko suurimman virtaaman ajanjakson. Kun tulvaluukkujen avauskorkeutta nostettiin 25 cm ja 50 cm, korkeimmat vedenpinnan tasot eivät juurikaan muuttuneet Poutun padolla ja sen yläpuolella. Poutun padolta alavirtaan 50 cm korkeammalla luukkujen avauksella maksimi vedenkorkeus oli muutamia senttejä korkeampi kuin muilla luukkujen avauskorkeuksilla. Mitä myöhemmin luukkuja nostettiin, sitä aiemmin uoman vedenpinta nousi korkeammalle tulvan noustessa. Kun virtaama saavutti huippunsa, vesipintojen korkeudet palautuivat yhteneviksi. Tämä saattaa tarkoittaa, että tulvaluukkujen virtaamakapasiteetti on rajoittava tekijä tulvahuippujen leikkaamisessa. Tässä käytetty virtaamasarja oli kuitenkin keinotekoinen, joten johtopäätöksiä ei voida tehdä. Todelliset tulvatilanteet saattavat kestää pidempään ennen varsinaista tulvahuippua, jolloin luukkujen avauskorkeuden nostosta voi olla hyötyä pengerrysalueiden oikea aikaisen täyttymisen kannalta. Lisäksi tulvaluukkujen operointi on luultavasti erilaista jos tulva on todella suuri. Kuvassa 3 näkyy vedenkorkeudet Poutun pohjapadolla luukkujen eri avauskorkeuksilla. Alin viiva kuvaa vedenkorkeuksia nykyisellä avauskorkeudella, keskimmäinen 25 cm korkeammalla avauksella ja ylin 50 cm korkeammalla avauksella. Liitteessä 2 on listattu Poutun vedenkorkeudet luukkujen eri avauskorkeuksilla. 9

10 29.2 River: Lapuanjoki Reach: ylaosa RS: Legend Stage - testi_luukut_00 Stage - testi_luukut_25 Stage - testi_luukut_ Stage (m) Dec1899 Jan1900 Time Kuva 3 Vedenkorkeudet (N60) Poutun padolla tulvaluukkujen eri avauskorkeuksilla. Verrattuna vuonna 2012 tehtyyn tasaisen virtauksen malliin 1/100 vuodessa toistuvalla virtaamalla, vedenpinnat olivat tässä mallissa hieman matalammat, vaikka käytetyt virtaaman arvot olivat suuremmat. Tasaisen virtaaman mallissa uomanosuuden yläpuolinen 1/100 vuodessa toistuva virtaama oli 142,2 m 3 /s ja muuttuvan virtauksen mallissa 170 m 3 /s. Tasaisen virtauksen mallissa Poutun padon vedenkorkeus oli noin 12 cm korkeammalla. Vedenkorkeuksien ero johtuu luultavasti pengerrysalueiden varastokapasiteetin paremmasta huomioimisesta muuttuvan virtauksen mallissa, sillä mallien uomageometria ja karkeuskertoimet pidettiin samana. Liitteessä 3 on esitetty tasaisen virtaaman mallin vesikorkeudet 1/100 vuodessa toistuvalla virtaamalla ja muuttuvan virtaaman mallin tulokset korkeimmalla vedenkorkeudella, jolloin virtaama mallissa on myös 1/100 vuodessa toistuvalla tasolla. Kaikkien tulvakynnysten yli virtasi vettä, mutta virtaamat olivat pieniä. Taulukosta 1 nähdään tulvakynnysten maksimivirtaamat tulvaluukkujen eri avauskorkeuksilla. Mitä myöhemmin tulvaluukkuja avattiin, sitä aiemmin tulvakynnyksistä virtasi vettä. Nykyisen luvan mukaisella luukkujen avaustasolla Itäpuolen tulvaluukusta alkoi virtaamaan vettä hieman 1/50 vuodessa toistuvaa virtaamaa pienemmällä virtaamalla uoman vedenpinnan ollessa kynnyksen kohdalla tasossa N60 +28,62. Löyhingin kynnyksestä alkoi virrata vettä lähes samaan aikaan veden korkeudella N60 +28,44. Haapoja tulvakynnyksestä virtasi vettä jo tuntia ennen luukkujen avausta vedenpinnan ollessa kynnyksellä tasossa N60 +27,52. Ämpin tulvakynnyksestä vesi virtasi hieman 1/20 vuodessa toistuvaa virtaamaa suuremmalla virtaamalla vedenkorkeuden ollessa kynnyksellä tasossa N60 +27, cm nosto avauskorkeuksiin ei vaikuttanut kynnysten maksimivirtaamaan, mutta 50 cm korkeammilla avauskorkeuksilla maksimivirtaama kasvoi hieman. Eniten vettä virtasi Löyhingin tulvakynnyksestä sillä se on huomattavasti muita pidempi. Tulvaluukkujen virtaamat pysyivät alle 30 m 3 /s kun ne olivat auenneet maksimiinsa eli metrin korkeuteen. Liitteessä 4 on listattu kaikkien tulvaluukkujen ja kynnysten virtaamat kaikilla luukkujen avauskorkeuksilla. Taulukko 1 Tulvakynnysten maksimivirtaamat tulvaluukkujen eri avauskorkeuksilla Luukkujen noston muutos Itäpuoli Löyhinki Haapoja Ämppi +50 cm 1,63 9,23 4,37 3, cm 1,31 6,81 3,92 3,20 0 cm 1,31 6,81 3,92 3,20 10

11 Vuoden 1984 keväällä noin 1/50 vuodessa toistuvan tulvan seurauksena vesi virtasi pengerrysalueille penkereiden yli useista kohdista, koska tulvakynnyksiä ei ollut vielä rakennettu. Vuoden 2013 tulvalla vesi virtasi vain Haapojan ja Ämpin tulvakynnyksistä. Molemmissa tapauksissa vesikorkeudet olivat normaalia suurempia jäiden padottavan vaikutuksen johdosta. Tulvakynnyksistä vaikuttaa todellisuudessa virtaavan vettä siis vain noin 1/50 vuodessa toistuvilla tulvilla tai jään vaikutusten takia. Mallia tulisi kehittää tulvakynnysten virtaaman totuudenmukaistamiseksi ja jään padottava vaikutus ottaa mahdollisuuksien mukaan huomioon. Taulukossa 2 nähdään pengerrysalueiden lopulliset vesitilavuudet tulvatilanteen jälkeen kolmella eri luukkujen avauskorkeudella. Kun tulvaluukut avattiin myöhemmin, pengerrysalueille ehti virrata vähemmän vettä. Haapojalla ei ole tulvaluukkua, mutta se on yhteydessä Löyhingin pengerrysalueeseen, eli luukkujen avaus vaikuttaa siihenkin. Ämpin pengerrysalue ei ole yhteydessä muihin pengerrysalueisiin eikä siinä ole tulvaluukkua. Taulukosta huomataan, että Ämpissä vesitilavuus kasvaa mitä myöhemmin luukut avataan. Tämä johtuu siitä, että myöhemmillä luukun avauksilla uoman vesipinta on kauemmin korkealla, jolloin tulvakynnyksistä ehtii virrata enemmän vettä. Vertaamalla pengerrysalueiden lopullisia vesitilavuuksia Rambolin vuonna 2011 laskemiin tilavuuksiin, nähdään, että testivirtaamalla pengeralueille jäi vielä käyttämätöntä varastotilavuutta. Liitteissä 5-8 on kuvattu pengerrysalueiden vesipintojen korkeudet sekä uoman vesipinnan korkeudet Löyhingissä ja Itäpuolella tulvaluukkujen kohdalta sekä Ämpissä ja Haapojalla tulvakynnysten kohdalta. Taulukko 2 Pengerrysalueiden lopulliset vesitilavuudet luukkujen eri avauskorkeuksilla. Pengerrysalue Vesitilavuus milj. m 3, luukut +0 cm Vesitilavuus milj. m 3, luukut +25 cm Vesitilavuus milj. m 3, luukut +50 cm Ämppi 1,4 1,5 2,2 Löyhinki 14,6 12,8 10,6 Haapoja 11,1 10,1 8,7 Itäpuoli 20,0 17,3 12,0 Kevään 2013 virtaama Vuoden 2013 kevättulvan virtaamat laskettiin tutkittavalle uoman osuudelle ja ajettiin malli näillä tiedoilla. Kauhavanjoen virtaamaa arvioitiin Laihianjoen huhtikuun 2013 virtaaman avulla. Valumaalueet ovat samankaltaiset ja järvisyys on samaa luokkaa (Laihianjoki 0 % ja Kauhavanjoki 0,2 %). Laihianjoen virtaama jaettiin sen valuma-alueen koolla ja näin saatiin valuma. Tämä valuma kerrottiin Kauhavanjoen valuma-alueen koolla, jolloin saatiin tuloksena virtaama. Pekka Leiviskän 2012 tekemän selvityksen pohjalta arvoihin lisättiin vielä 40 m 3 /s ja tätä virtaamaa käytettiin Kauhavanjoen virtaamana. Nurmonjoen virtaama Lapuanjoen yhtymäkohdassa laskettiin Hipin padon virtaaman avulla. Hipin padon valuma-alue on 801 km 2 ja Nurmonjoen liittymiskohdan 865 km 2. Hipin padon virtaama kerrottiin valuma-alueiden suhteella, jolloin saatiin Nurmonjoen Lapuanjokeen liittymiskohdan virtaama. Virtaama Liinamaan kohdalle laskettiin Kepon mittauspisteen virtaamasta kertomalla se Liinamaan ja Kepon valuma-alueiden suhteella. Liinamaan valuma-alue on 3540 km 2 ja Kepon 3949 km 2. Saadusta virtaaman arvosta vähennettiin vielä Tampparinkosken-, Nurmonjoelle lasketun ja Kauhavanjoelle laskettujen virtaamien arvot. Näin saatiin mallinnettavan alueen sivutulovirtaama joka lisättiin pääuomaan tasaisesti Tampparinkosken ja Linnanmaan välille. Laskettu sivutulovirtaama oli joillain ajanhetkillä negatiivinen. Negatiiviset arvot muutettiin nolliksi. 11

12 Negatiiviset sivutulovirtaamat saattavat johtua laskenta- tai mittausvirheestä. Syynä voi myös olla veden purkautuminen penger- ja muille alueille Tampparinkosken ja Kepon välillä. Liitteessä 9 on listattu käytetyt virtaamat ja vedenkorkeushavainnot. Laskettuja vedenpinnankorkeuksia verrattiin Poutun pohjapadon ja Liinamaan mittauspisteillä havaittuihin vedenkorkeuksiin. Suoraan Poutun mittauspisteen kohdalla ei ollut poikkileikkauksia, joista vedenkorkeustiedot olisi saatu, joten mittauspisteen arvoja verrattiin noin 250 metriä ylävirtaan sijaitsevan paalunumeron arvoihin. Liinamaan havaintoja verrattiin poikkileikkauksen vedenkorkeuksiin, joka sijaitsee mittauspisteen läheisyydessä. Kuvissa 4 ja 5 on esitetty Poutun ja Liinamaan havaitut ja lasketut vedenkorkeudet huhtikuussa Kuvista huomataan, että lasketut vedenkorkeudet ovat huomattavasti alempia kuin havaitut. Mallissa vedenpinta nousi Poutun pohjapadon kohdalla vain tasoon N60 +27,94, joten tulvaluukuista tai kynnyksistä ei virrannut lainkaan vettä. Havaitut arvot nousivat kuitenkin tasoon N60 +28,56 ja tulvaluukut olivat auki noin 3 tuntia. Erot saattavat johtua jään padottavasta vaikutuksesta uomassa. Käytetyt virtaamat eivät myöskään vastaa todellisuutta täysin, joka voi olla osasyy eroihin. Etenkin Kauhavanjoen virtaaman laskeminen Laihianjoen virtaaman avulla voi aiheuttaa virhettä käytettyihin virtaamiin. Mallin karkeuskertoimet on alun perin kalibroitu käyttämällä melko vanhoja virtaama- ja vedenkorkeustietoja tietoja vuosilta 1982 ja 1984, joten virhe voi osittain johtua myös kalibroinnista. Mallinnetut vedenkorkeudet Poutun kohdalla on luetteloitu liitteessä Pouttu N Havainnot Lasketut Kuva 4 Havaitut vedenkorkeudet (N60) Poutun mittauspisteellä ja lasketut korkeudet paalulla

13 Liinamaa N Havainnot Lasketut Kuva 5 Havaitut vedenkorkeudet (N60) Liinamaan mittauspisteellä ja lasketut korkeudet paalulla Johtopäätökset ja jatkosuositukset Testivirtaamilla saatujen tulosten mukaan uoman suurin vedenkorkeus ei juuri muuttunut luukkujen avauskorkeuden kasvaessa. Tässä raportissa mallin testaamiseen käytetty testivirtaamasarja oli kuitenkin täysin keinotekoisesti luotu eikä se vastaa Lapuanjoen todellisia tulvia riittävän hyvin, jotta sillä saatuja tuloksia voitaisiin käyttää todellisten tulvatilanteiden arviointiin. Testivirtaamaa käyttämällä saatiin kuitenkin tietoja muuttuvan virtauksen mallin toiminnasta ja alueista, joissa sitä tulisi kehittää. Mallin poikkileikkausten määrän riittävyys tulisi tarkistaa ja tarvittaessa käydä mittaamassa uusia poikkileikkaustietoja. Erityisesti tulvaluukkujen ja kynnysten virtaamien totuudenmukaiseen mallintamiseen tulisi kiinnittää huomiota ja tutkia onko tulvaluukkujen kapasiteetti rajoittava tekijä suurten tulvien tulvahuippujen leikkaamisessa. Jotta veden kulkeutumista pengerrysalueille voitaisiin mallintaa totuuden mukaisesti, pengerrysalueet tulisi mallintaa 2D alueena, jossa käytettäisiin tiheää solukokoa tulvaluukkujen läheisyydessä ja harvempaa solukokoa muualla pengerrysalueella. 2D mallinnuksessa voitaisiin käyttää alueelta olevaa laserkeilausaineistoa maanpinnantasoa varten. Toinen vaihtoehto olisi mallintaa tulvaluukkujen takana oleva alue erillisenä uomanaan 1D mallinnuksen avulla. Tätä menetelmää varten tulisi kuitenkin laatia poikkileikkaustiedot näistä pienistä uomista, joten 2D-mallinnus olisi tässä tilanteessa luultavasti kannattavin ratkaisu. 2D-mallin avulla voitaisiin mahdollisesti tutkia myös luukkujen avausnopeuden vaikutuksia veden virtausnopeuksiin pelloilla, jolloin optimaalista luukkujen avausnopeutta voitaisiin arvioida. Tulevaisuudessa tulvaluukkuista ja kynnyksistä tulisi kerätä tarkempia virtaamahavaintoja, jotta niitä voitaisiin käyttää mallin kalibrointiin. Kun malli ajettiin vuoden 2013 kevättulvan virtaamatiedoilla, huomattiin, että tasaisen virtauksen mallille kalibroidut uomatiedot aiheuttavat muuttuvan virtauksen mallissa huomattavaa virhettä. Lisäksi käytettyjen virtaamatietojen tarkkuudessa oli puutteita, sillä vain luukkujen käyttöönoton jälkeisiä havaintoja voitiin käyttää, eikä niitä ollut kattavasti saatavilla. Malli tulisi kalibroida uudestaan tarkkojen virtaamien ja vedenkorkeuksien havaintojen avulla hyväksyttävän tarkkuuden 13

14 saavuttamiseksi. Kun havaittuja vedenkorkeuksia verrattiin laskettuihin arvoihin, huomattiin kuitenkin, että jäiden padottava vaikutus saattaa nostaa havaittuja vedenkorkeuksia verrattuna mallin korkeuksiin. Tästä johtuen tulevissa malleissa jäiden vaikutus tulisi ottaa mahdollisuuksien mukaan huomioon esimerkiksi Suomen ympäristökeskuksen laatiman todennäköisyyksiin perustuvan arvion avulla. Kesä- ja syystulvilla uoman olosuhteisiin vaikuttaa runsas kasvillisuus. Eri vuodenaikojen erilaisten tilanteiden huomioimiseksi mallin karkeuskeroimet voisi asettaa kuukaudesta riippuvaiseksi. Näin samalla mallilla voitaisiin mallintaa sekä kevät- että syystulvia tarkasti. 14

15 Kirjallisuutta Erika Raitalampi, Liisa Maria Rautio, Katja Haukilehto, Tuuli Saari & Anna Bonde. Lapuanjoki hallintasuunnitelma Etelä-Pohjanmaan elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus Ramboll Finland Oy Lapuan keskustaajama, Tulvariskien hallinan yleissuunnitelma. Pekka Leiviskä Lapua Alahärmä yksityiskohtaiset tulvavaarakartat HW1/20 HW1/1000. Insinööritoimisto Pekka Leiviskä US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center. HEC-RAS, River Analysis System Hydraulic Reference Manual. Version saatavilla: RAS%205.0%20Reference%20Manual.pdf Länsi-Suomen Vesioikeus Päätös 13/1996/2. Lapuanjoen tulvapengerrysten lupapäätöste osittainen muuttaminen, Lapua, Kauhava ja Ylihärmä 15