Kyrönjoen pengerrysalueiden käytön muutoksen tutkiminen virtausmallin avulla

Transkriptio

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

2 Sisällysluettelo Johdanto... 3 HEC-RAS Virtausmallinnus... 3 Aiemmat selvitykset... 4 Viimeaikaiset tulvat... 5 Lähtötiedot... 5 Malli... 6 Testivirtaama... 8 Syksyn 2012 virtaama Johtopäätökset ja jatkosuositukset Kirjallisuutta Kannen kuva: Seinäjoen ohjauspato 2

3 Johdanto Kyrönjoen yläosan alavilla alueilla tulvat aiheuttavat satovahinkoja ja rakennusten kastumista suuremmilla kuin kerran 20 vuodessa tapahtuvilla tulvilla. Vahingollisten tulvien odotetaan yleistyvän ilmastonmuutoksen myötä. Alueella pellot on suojattu muodostamalla pengerrysalueita, joille johdetaan vettä tulvakynnyksistä ja luukuista kun joen vedenpinnan nousu alkaa uhata rakennuksia Ilmajoen keskustaajamassa. Kyrönjoella luukut avataan nykymenettelyn mukaan, kun Nikkolan sillan mittauspisteessä saavutetaan vedenpinnan korkeus N43 +40,00 m tai Hanhikosken mittauspisteellä korkeus N43 +36,44 m. Pengerrysalueiden käytön muutoksen tavoitteena Kyrönjoen yläosassa 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 Kyrönjoella Nikkolan sillalla veden annettaisiin nousta 40 cm korkeammalle kuin nykyään eli arvoon N43 +40,40 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 myös, että vesi pääsee pengerrysalueille vain 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 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 Kyrönjoelta 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 Kyrönjoen yläosasta on laadittu vuonna Mallissa poikkileikkaukset ulotettiin kattamaan myös pengerrysalueet siten, että pengerrysalueet asetettiin passiivisiksi, kuten edellä mainitaan laaditussa mallissa tai tässä raportissa esitettävässä mallissa ei kummassakaan huomioitu mahdollista jääpeitteen vaikutusta kevättulvilla. Kyrönjoen tulvavaarakartoituksen tulokset eivät vastanneet todellisuutta tulvakynnysten virtaamien osalta. Kartoituksen mukaan tulvakynnyksistä alkaisi virrata vettä, kun vedenpinnantaso ylittää Nikkolan sillalla tason N43 +40,34 m. Syystulvalla 2012 Vedenkorkeus Nikkolassa oli korkeimmillaan N43 +40,44 m, mutta tulvakynnyksistä ei silti virrannut vettä. Tulvakynnysten virtaaman mallintaminen oikein on tärkeää, sillä sen vaikutus pengerrysalueiden kastumiseen on suuri. Myös tulvakynnysten taso saattaa olla todellisuudessa luvassa määriteltyä hieman korkeampi. 4

5 Kyrönjoesta on tehty myös arvioita tulvien aiheuttamista kustannuksista erilaisissa tulvaskenaarioissa. Lippo keskittyi 2013 valmistuneessa diplomityössään kesä- ja syystulvien aiheuttamiin sato- ja rakennusvahinkojen optimointiin. Työssä todettiin, että pienillä tulvilla satovahingot ovat suuremmat kuin rakennusvahingot jos pengerrysalueille päästetään vettä. Tämän takia, Lippo suositteli luukkujenavauskorkeuden nostamista Kyrönjoella 40 cm nykyisestä tasosta. Työssä mainitaan, että myös kevättulvilla veden päästäminen pengerrysalueille aiheuttaa kustannuksia kylvöjen myöhästymisen sekä pumppaamojen suuremman käytön takia. Viimeaikaiset tulvat Vuonna 2012 Kyrönjoella oli suurista sateista johtuen poikkeuksellinen syystulva. Pengerrysalueille päästettiin vettä noin kahden vuorokauden ajan yhteensä noin 10 milj. m 3. Luukkuja avattiin hitaasti virtaavan veden aiheuttamien vahinkojen ehkäisemiseksi. Tulvaluukkujen nostonopeus oli Ionojalla keskimäärin 26 cm/h ja Röyskölässä 22 cm/h Ionojalla luukkuja avattiin enimmillään 1,7 m ja Röyskölassä 1,8 m. Molemmat luukut ovat 4,5 m korkeita. Luukkujen avaamisesta huolimatta tulva nousi harvemmin kuin 1/50 vuodessa toistuvan tulvan suuruiseksi. Ainoastaan Malkakosken padon yläpuolisesta tulvapenkereestä virtasi vettä. Muilla kynnyksillä vesipinta jäi muutamia senttejä kynnystason alapuolelle. Keväällä 2013 suuri lumimäärä ja normaalia nopeampi sulaminen aiheuttivat toistuvuudeltaan noin 1/50 vuodessa esiintyvän tulvan Kyrönjoella. Ilmajoen keskustassa vedenkorkeudet nousivat jopa 1/100 vuodessa toistuvan tulvan tasolle johtuen yhtenäisestä jääkannesta, joka padotti vettä Nikkolan sillan yläpuolella. Pengerrysalueille päästettiin vettä tulvaluukuista neljän vuorokauden ajan yhteensä yli 20 milj. m 3. Molempien luukkujen avausnopeus oli noin 30 cm/h. Suurimmillaan luukkujen avaus oli Ionojalla 2,3 m ja Röyskölässä 2,5 m. 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 Tieksin ja Rintalan pengerrysalueiden tulvaluukkujen yhteenlaskettu teoreettinen maksimi purkautumisvirtaama on noin 150 m 3 /s ilman alaveden vaikutusta vedenpinnan tason ollessa N ,00 m Nikkolan sillan kohdalla. Useissa kohdissa penkereen pengerrysalueen puoleinen luiska on todella loiva, jolloin luukkujen jälkeen maanpinnan taso on korkeammalla kuin muualla pengerrysalueella. Tulvaluukkujen alarajat ovat huomattavasti penkereiden 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 takaisten uoman geometrian aiheuttamasta virtausvastuksesta. Näin ollen tulvaluukkujen todellinen purkautumisvirtaama on tulvatilanteissa teoreettisia maksimeja pienempi. 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. Kyrönjoella on yhteensä kahdeksan tulvakynnystä, kolme tulvaluukkua ja neljä pengerrysaluetta, joille johdetaan vettä. Tulvaluukut ja kynnykset ovat yhteydessä Rintalan, Tieksin, Haapojan ja Kitinojan pengerrysaleisiin. Poikkileikkausten sekä siltojen- ja pohjapatojen tiedot saatiin Jami Ahon 2013 tekemästä 5

6 virtausmallista. Vanha virtausmalli oli luotu käyttäen N60 korkeusjärjestelmää, joten myös tässä mallissa käytettiin tätä järjestelmää. Pengerrysalueet, joille johdetaan vettä uomasta, mallinnettiin 1D varastoalueina. Pengerrysalueiden vedenkorkeus-tilavuus - taulukko laskettiin ArcMap -ohjelmalla rajaamalla alueen korkeustaso pengerrysalueiden hyötyalueisiin ja laskemalla korkeustason pohjalta niiden vesitilavuudet eri vedenpinnan korkeuksilla. Korkeustasona käytettiin laserkeilausdatan pohjalta laadittua korkeustasoa 2 metrin pisteväleillä, jonka tiedot olivat N2000 korkeusjärjestelmässä. Arvot muutettiin N60 järjestelmään vähentämällä niistä 41 cm. N43 korkeusjärjestelmässä olleet tiedot muutettiin N60 järjestelmään lisäämällä arvoihin 14 cm. Laskettuja pengerrysalueiden tilavuuksia verrattiin Jenni Lipon diplomityössään 2013 esittämiin tilavuuksiin. Rintalan maksimi vesitilavuudeksi saatiin 46,7 milj. m 3 vedenkorkeudella N60 +39,59 m, joka vastasi hyvin diplomityössä esitettyä tilavuutta 47 milj m 3. Tieksin pengerrysalueen maksimitilavuudeksi saatiin 23,7 milj. m 3 vedenpinnan korkeudella N60 +39,59 m, joka on huomattavasti enemmän kuin Lipon esittämä 17,5 milj. m 3. Diplomityössä tilavuuksien laskemiseen on käytetty eri korkeustasoa, josta ero voi johtua. Halkosaaren maksimitilavuudeksi saatiin 10,6 milj. m 3 korkeustasolla N60 +39,40 m, joka on lähellä diplomityön arvoa 9 milj. m 3. Kitinojan pengerrys alueen maksimitilavuudeksi saatiin 3,5 milj. m 3 vedenpinnan korkeudella N60 +39,09. Diplomityössä ei esitetty Kitinojan tilavuutta. Tulvaluukkujen avaamisnopeutena käytettiin arvoa 26 cm/h, joka laskettiin keskiarvona syksyn 2012 ja kevään 2013 tulvien luukkujen avaamistiedoista Ionojalla ja Röyskölässä. Liitteessä 1 on esitetty pengerrysalueille lasketut vedenkorkeus-tilavuus - taulukot. Malli Mallinnettava alue rajattiin Kyrönjoen paaluvälille , koska tarkastelun pääkohteena ovat vedenkorkeudet Ilmajoen ja Seinäjoen taajamien kohdalla. Myös kaikki sivu-uomat jätettiin pois tarkastelusta, sillä niistä ei ollut saatavilla tarpeeksi virtaama- ja vedenkorkeustietoja. Vanhassa mallissa alapuolisena reunaehtona oli käytetty purkautumiskäyrää Skatilan mittauspisteen kohdalla. Skatila ei sisälly tämän mallin rajaukseen, joten sen sijaan käytettiin kaltevuutta 0,0002 mallin alapuolisena reunaehtona. Kaltevuuden tarkkuudella ei ole suurta merkitystä sillä mallin alapää on kaukana tutkittavasta alueesta ja ennen sitä uomassa on jyrkempi osuus. Arvo 0,0002 on sama kuin Lapuanjoen pengerrysalueiden alapuolinen kaltevuus. Kuvassa 1 on tutkitun uomanosuuden pituusleikkaus. 6

7 60 Kjoki_Sjoki_ym_leikatut Plan: 1) luukut_07_00myoh_laskee 8/15/2016 Kyronjoki Pitkamo-Seinsuu Legend WS Max WS Crit Max WS Lat Struct Ground Elevation (m) Kuva 1 Tutkitun uomanosuuden pituusleikkaus. Main Channel Distance (m) 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. Pengerrysalueiden ulkopuolella oleviin leveisiin poikkileikkauksiin lisättiin pengerrajat 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 penkereestä. 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 pengerten yli, tämä voidaan estää lisäämällä pengerrajat leveisiin poikkileikkauksiin. Vain Halkosaari, Tieksi, Rintala ja Kitinoja mallinnettiin varastoalueina, sillä ne ovat ainoat pengerrysalueet, joille johdetaan tulvatilanteessa vettä kynnysten yli tai patoluukuista. Lisäksi valtaosa pengerrysalueiden pinta-alasta on näillä alueilla, joten muiden pengerrysalueiden sisällyttäminen malliin varastoalueina ei aiheuttaisi luultavasti suurta muutosta. Varastoalueiden nollatasoa hieman korkeammilla vedenkorkeuksilla vesitilavauus ei kasva paljoa vedenpinnan noustessa sillä aluksi vain ojat ja pienet painanteet täyttyvät. Varastoalueiden lähtötiedoiksi vedenpinnan taso asetettiin noin 10 cm varastoalueiden nollatasoa ylemmäs, jotta varastoalueiden vedenkorkeuden muutos ei olisi virtaamasarjan alussa niin nopea. Äkillinen vedenkorkeuden muutos kasvattaa mallin numeerista virhettä. Tulvaluukut ja kynnykset lisättiin malliin uoman suuntaisina rakenteina luvassa mainituin sijainnein ja geometrioin uoman penkereen harjan kohdalle. Tulvakynnysten patokertoimet muutettiin oletusarvosta 1,1 arvoon 0,28. Patokerrointa pienennettiin, koska kerroin on yleensä pienempi uoman pituussuuntaisille rakenteille. Lisäksi Kyrönjoen 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 7

8 suuria määriä vettä. Mallissa ei huomioitu Halkosaaren pumppaamon tulvaluukuille johtavia 30 m pitkiä putkia, joka voi kasvattaa luukkujen virtaamaa todelliseen verrattuna. Halkosaaren luukkujen virtaama on kuitenkin niin pieni, ettei sillä ole suurta merkitystä. Luukkujen reunaehtona oli luukun nostonopeus 26 cm/h, laskunopeus 13 cm/h ja noston aloituskorkeutena määrätty veden korkeus Nikkolan sillan kohdalla. Luukut asetettiin laskeutumaan kun Nikkolan vesipinta laskee 5 cm luukkujen nostorajaa alemmas. Luukkujen alavedenkorkeus nousi mallissa paljon hitaammin kuin todellisuudessa, jolloin luukkujen virtaama oli todellisuutta suurempi. Luukkujen virtaamaa pienennettiin rajoittamalla luukkujen maksimi nostokorkeutta 0,7 metriin, jolloin luukkujen virtaama pysyi alle 30 m 3 /s, joka on lähellä arvioituja todellisia arvoja. 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 kyseisissä poikkileikkauksissa. 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. Testivirtaama Mallin toimivuutta testattiin käyttämällä vanhan mallin karkeuskertoimia ja luomalla keinotekoinen 14 päivää kestävä tulvatapahtuma. Virtaamatiedot kerättiin 2013 tehdyn mallinnuksen mitoitusvirtaamista eri tulvien toistuvuuksille. 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 1 näkyy testivirtaamasarja tarkastellun uoman yläpäässä. 8

9 280 River: Kyronjoki Reach: Pitkamo-Seinsuu RS: Legend Flow Flow (m3/s) Dec1899 Jan1900 Time Kuva 2 Käytetyn testivirtaamasarjan kuvaaja uoman yläpäässä. Virtaamatiedot syötettiin tunnin välein. Virtaamatietoja oli useista uoman poikkileikkauksista, joiden avulla saatiin laskettua sivuvirtaamat. Vähentämällä alajuoksun virtaamasta yläjuoksun virtaama Seinäjoen liittymiskohdalla, saatiin laskettua Seinäjoen virtaama Kyrönjokeen. Sivutulovirtaama lisättiin malliin uomien risteyskohtaan käyttämällä lateral inflow hydrograph reunaehtoa. Kyrönjokeen virtaavan muun valunnan määrä laskettiin kahdessa osassa Seinäjoen yläpuoliselle ja alapuoliselle osuudelle vähentämällä osuuksien alapään virtaamasta yläpään virtaamat. Näin saadut sivutulovirtaamat lisättiin tasasisesti uoman osuuksille käyttäen uniform lateral inflow reunaehtoa. Reunaehdoissa käytetyt virtaamat on listattu liitteessä 2. Tarkasteltaessa mallin testivirtaama ajojen varoituslistaa havaittiin, että useissa kohdissa poikkileikkausten välinen kuljetus suhde (conveyance ratio) oli suositellun välin 0,7 1,4 ulkopuolella. Tämä varoitus viittaa siihen, että poikkileikkausten väli on liian pitkä ja poikkileikkauksia tarvitaan lisää. Poikkileikkausten määrää tulisi koittaa lisätä interpoloimalla ja tarkastella miten se vaikuttaa mallin laskentaan. Jos poikkileikkausten lisääminen muuttaa mallin tuloksia, lisäpoikkileikkauksia tulisi mitata maastossa parhaan tarkkuuden saavuttamiseksi. Malli ajettiin kolmella eri luukkujen avauskorkeudella. Avauskorkeudet olivat Nikkolan sillan kohdan tasot N60 +40,14, +40,34 ja +40,54. Matalimmalla luukkujen avauksella vedenpinta nousi Nikkolan sillalla tasoon N60 +40,29, 20 cm korkeammalla avauksella tasoon +40,34 ja korkeimmalla luukkujen avauksella tasoon +40,51. Kun luukkujen avausraja oli korkein, eivät luukut auenneet lainkaan luodulla testivirtaamasarjalla. Luukkujen avaustasolla N60 +40,34 luukut aukenivat 59 cm ja nykyisen luvan mukaisella avauskorkeudella N60 +40,14 ne aukesivat korkeimpaan sallittuun tasoon eli 70 cm. Halkosaaren tulvaluukkujen virtaama oli suurimmillaan 9,6 m 3 /s, Tieksin tulvaluukun suurin virtaama oli 21,4 m 3 /s ja Rintalan tulvaluukun 28,9 m 3 /s. Kuvassa 1 on kuvattu vedenkorkeudet Nikkolan siltaa lähimmällä poikkileikkauksella. Kuvassa ylin viiva kuvaa vedenkorkeuksia kun luukkujen avauskorkeus on N60 +40,54, keskimmäinen viiva kuvaa vedenkorkeuksia luukkujen avauskorkeudella N60 +40,34 ja alin viiva vedenkorkeuksia luukkujen avauskorkeudella N60 +40,14. Kuvasta nähdään, että alimmalla luukkujen avauksella vedenpinta ei pysy luukkujen avauskorkeudessa vaan nousee lähelle 20 cm korkeamman luukkujen avauksen vedenkorkeuksia. Korkeammalla avauskorkeudella luukut ovat kuitenkin vähemmän aikaa auki. Korkeimmalla luukkujen avauskorkeudella tulvan huippu ei leikkaudu 9

10 lainkaan ja maksimivedenkorkeus on huomattavasti muita avauskorkeuksia ylempänä. Liitteessä 3 on listattu vedenkorkeudet Nikkolassa luukkujen eri avauskorkeuksilla. River: Kyronjoki Reach: Pitkamo-Seinsuu RS: Legend Stage - luukut_07_20myoh_laskee Stage - luukut_07_00myoh_laskee Stage - luukut_07_40myoh_laskee Stage (m) Dec1899 Jan1900 Time Kuva 3 Vedenkorkeudet (N60 m) Nikkolan sillan läheisyydessä luukkujen eri avauskorkeuksilla. Vuonna 2013 laaditussa virtausmallissa käytettiin samoja mitoitusvirtaamia kuin tässä mallissa. Verrattuna vuonna 2013 tehtyyn tasaisen virtauksen malliin1/100 vuodessa toistuvalla virtaamalla, vedenpinnat olivat tässä mallissa matalammat. Tasaisen virtauksen mallissa Nikkolan sillan vedenkorkeus oli 63 cm korkeammalla kuin alimmalla luukkujen avauskorkeudella ajetussa muuttuvan virtauksen mallissa. Vedenkorkeuksien ero johtuu luultavasti pengerrysalueiden varastokapasiteetin paremmasta huomioimisesta muuttuvan virtauksen mallissa, sillä mallien karkeuskertoimet pidettiin samana. Liitteessä 1 on esitetty tasaisen virtaaman mallin vesikorkeudet 1/100 vuodessa toistuvalla virtaamalla ja muuttuvan virtaaman mallin tulokset maksimi vedenkorkeuksilla, jotka esiintyvät kun virtaama on 1/100 vuodessa toistuvalla tasolla. Mallien virtaamat eroavat toisistaan sillä muuttuvan virtauksen mallissa tulvaluukkujen ja kynnysten virtaamat vaikuttavat uoman virtaamaan. Liitteessä 4 on tasaisen virtauksen mallin ja alhaisimmalla luukkujen avauksella ajetun muuttuvan virtauksen mallin vedenkorkeudet Nikkolassa. Taulukossa 1 on listattu varastoalueiden maksimi tilavuuksia luukkujen eri avauskorkeuksilla. Tieksissä ja Rintalassa vettä virtaa selvästi vähemmän pengerrysalueelle kun luukkujen avauskorkeutta nostetaan. Luukkujen ollessa vähemmän aikaa auki ei alueelle ehdi virrata niin paljon vettä. Halkosaaren ja Kitinojan varastoalueilla vesi virtaa pengerrysalueille pääasiassa tulvakynnysten kautta, joista virtaa enemmän vettä kun uoman vedenpinta on pidempään korkealla eli suuremmilla luukkujen avauskorkeuksilla. Mallinnuksessa saadut pengerrysalueiden vesitilavuudet eivät ole lähellä laskettuja maksimitilavuuksia muualla kuin Halkosaaren pengerrysalueella. Laskettu maksimi Halkosaarelle oli 10,6 milj. m 3, joka on vain 0,6 milj. m 3 enemmän kuin mallissa korkeimmalla luukkujen avauksella saatu tilavuus. Liitteissä 2 5 on kuvattu pengerrysalueiden vesipintojen korkeudet sekä uoman vesipinnan korkeudet ylimmän tulvakynnyksen kohdalla Kitinojalla ja tulvaluukkujen kohdalla muilla pengerrysalueilla. Liitteissä 5 8 on listattu vedenkorkeudet pengerrysalueilla ja uomassa pengerrysalueen ylimmän tulvaluukun tai kynnyksen kohdalla. 10

11 Taulukko 1 Varastoalueiden maksimi tilavuudet eri luukkujen avauksilla (milj. m 3 ). Pengerrysalue Luukut +0 cm Luukut +20 cm Luukut +40 cm Tieksi 14,2 11,8 8,6 Halkosaari 9,3 9,5 10,0 Rintala 20,3 15,0 9,8 Kitinoja 1,6 1,7 2,0 Mallissa vettä virtasi tulvakynnyksistä enemmän kuin tulvaluukuista, vaikka kynnysten patokerroin oli asetettu pienimpään suositeltuun arvoon 0,28. Taulukossa 2 on esitetty tulvakynnysten maksimivirtaamat tulvaluukkujen eri aukaisukorkeuksilla. Taulukosta huomataan, että Halkosaaren ja Kitinojan alimmista tulvakynnyksistä vesi virtaa pengerrysalueelta uomaan. Tämä saattaa merkitä sitä, että pengerrysalueiden varastotilavuus on täyttynyt. Vettä virtaa uomaan jo alimmalla luukkujen avauskorkeudella, jolloin pengerrysalueiden vesitilavuudet ovat molemmilla pengerrysalueilla selvästi alempana kuin lasketut maksimi tilavuudet. Syynä voi olla laskentavirhe maksimitilavuuksien määrityksessä. Malli ei myöskään ota pengerrysalueen pinnan muotoja huomioon laskuissa, jolla voi olla vaikutusta negatiivisiin virtaamiin. Kaikilla tulvakynnyksillä virtaama kasvoi kun tulvaluukkujen avauskorkeutta nostettiin, mutta kuten taulukosta 1 nähdään Tieksin ja Rintalan pengerrysalueilla vesitilavuus kuitenkin pieneni samalla. Liitteessä 9 on listattu tulvakynnysten ja luukkujen virtaamat ja vedenkorkeudet luukkujen eri avauskorkeuksilla. Taulukko 2 Tulvakynnysten maksimivirtaamat (m 3 /s) tulvaluukkujen eri avauskorkeuksilla. Paalunumero Luukut N60 +40,14 Luukut N60 +40,34 Luukut N60 +40, itä 10,4 12,4 22, länsi 9,2 11,0 19, ,6 16,1 22, ,1-18,1-21, ,7 29,5 36, ,0 18,5 24, ,1 11,2 16, ,0-58,8-76,9 Kaikista tulvakynnyksistä virtasi vettä ennen kuin tulvaluukut aukesivat kun niiden avauskorkeus oli nykyisen luvan tasolla. Kynnyksistä alkoi virrata vettä 7 28 tuntia ennen luukkujen avaamista. Tarkasteltavan uoman alapään kynnysten yli alkoi virrata vettä ensimmäisenä. Mallia tulisi kehittää, jotta tulvakynnysten virtaamat saataisiin mallinnettua totuudenmukaisemmin. Mallin säätämisestä huolimatta laskennassa oli numeerista virhettä muutamalla aika-askeleella Kitinojan, Tiekisin ja Rintalan pengerrysalueilla sekä kahdessa poikkileikkauksessa uoman yläpäässä ja alapäässä. Virhe toleranssi ylittyi yhteensä viisi kertaa. Suurin numeerinen virhe vedenkorkeuksissa pengerrysalueilla oli 26 cm Kitinojalla ja uomassa 16 cm paalun kohdalla. Pengerrysalueen vedenpinnan virhe esiintyy virtaamasarja alussa, jolloin tilavuus pengerrysalueella on pieni. Suurin virhe uoman vedenkorkeudessa esiintyi uoman alapäässä, joka ei ole tarkasteltavan alueen kannalta merkityksellistä. Syksyn 2012 virtaama Vuoden 2012 syystulvan virtaamat laskettiin Kauhajoen- ja Jalasjoen säännöstelypatojen, Kiikun padon ja Hanhikosken mittauspisteiden virtaamatietojen perusteella. Havainnot saatiin SYKE:n HYD-valikosta ajalta tuntitietoina. Mallinnettavan alueen yläpuolinen 11

12 virtaama laskettiin Kauhajoen säännöstelypadon ja Jalasjoen säännöstelypadon virtaamien summana tehdyssä mallinnuksessa todettiin, että Kauhajoen ja Jalasjoen mittaukset näyttävät suurilla virtaamilla liian vähän. Tässä mallissa mahdollinen mittausvirhe on otettu huomioon laskemalla Kauhajoen ja Jalasjoen virtaamasumman erotus Hanhikosken virtaamasta, vähentämällä tästä Seinäjoen virtaama ja lisäämällä tämä summa sivutulovirtaamana tasaisesti yläpään ja Hanhikosken välille uomassa. Seinäjoen Kiikun padon virtaama lisättiin sivutulovirtaamana uomien risteyskohtaan. Juhani Huhtamäen tulvapäiväkirjasta saatiin arvio pengerrysalueille johdetusta veden määrästä, joka oli Rintalaan n. 5 milj. m3, Tieksiin n. 4,7 milj. m3 ja Halkosaareen n. 0,2 milj. m3 eli yhteensä 9,9 milj. m3. Tulvapäiväkirjan mukaan tulvaluukut olivat auki välillä 6.10 klo 11 ja 8.10 klo 17. Pengerrysalueille valunut vesimäärä jaettiin tällä aikajaksolla ja saatiin pengerrysalueiden virtaamaksi 50,9 m3/s ja lisättiin se uoman sivuvirtaamaan. Joillain hetkillä ennen tulvan nousemista tulovirtaamien summan ja hanhikosken virtaamien erotus oli negatiivinen. Nämä erotuksen arvot muutettiin nolliksi. Negatiiviset arvot saattavat johtua laskenta- tai mittausvirheestä. Käytetyt virtaamatiedot olivat tarkastamattomia ja saattavat sisältää tämän takia virheitä. Liitteessä 10 on listattu käytetyt virtaamat ja vedenkorkeushavainnot. Lokakuun 2012 virtaamasarja ajettiin samoilla luukunavauksilla kuin testivirtaamasarja. Vedenkorkeushavaintoja oli saatavissa Nikkolan- ja Hanhikosken mittauspisteiltä. Nikkolassa lähin poikkileikkaus, oli paalunumerolla , joka on 17 metriä mittauspisteestä alavirtaan. Hanhikosken havaintoarvoja verrattiin paalun 71075,86 poikkileikkauksen laskenta-arvoihin, joka on noin 100 metriä mittausasemasta ylävirtaan. Taulukosta 3 nähdään, että Nikkolassa havaittu vedenkorkeuden maksimiarvo on korkeampi kuin millään luukkujen avauskorkeuksilla laskettu arvo. Hanhikosken mittauspisteellä tilanne on päinvastainen eli kaikki lasketut vedenkorkeudet ovat havaittuja korkeampia. Lasketut vedenkorkeudet kasvavat molemmissa pisteissä kun luukkujen avaamista viivytetään. Taulukko 3 Nikkolan ja Hanhikosken maksimi vedenkorkeudet (m) havainnoissa ja mallin eri luukkujen avauskorkeuksilla. Havainnot Luukut +0 cm Luukut +20 cm Luukut +40 cm Nikkola 40,38 40,15 40,34 40,36 Hanhikoski 36,56 36,97 37,06 37,08 20 cm nykyistä rajaa korkeammalla luukkujen avauksella luukut avautuivat korkeimmillaan vain 12 cm ja kaikkien luukkujen virtaamat pysyivät alle 5 m 3 /s. 40 cm korkeammalla luukkujen avauksella luukut eivät auenneet ollenkaan. Nykyisen luvan mukaisella luukkujen avaamiskorkeudella luukut aukesivat 59 cm, jolloin Rintalan luukun maksimi virtaama oli 24,05 m 3 /s, Tieksin 19,83 m 3 /s ja Halkosaaren 14,10 m 3 /s. Kun varastoalueiden veden maksimitilavuudet laskettiin yhteen, saatiin arvoksi 13,4 milj. m 3, joka on huomattavasti enemmän kuin tulvapäiväkirjassa esitetty arvo 9,9 milj. m 3. Luukkujen virtaamien tuntiarvoista laskettiin niiden kautta virrannut vesimäärä, jonka arvoksi saatiin 7,2 milj. m 3. Tulvakynnyksistä virtaa siis huomattava osa pengerrysalueiden vedestä. Halkosaaren ja Kitinojan alimmasta tulvakynnyksestä virtaa lisäksi vettä takaisin uomaan. Kitinojalla suurimmillaan lähes 30 m 3 /s, mutta Halkosaaressa vain alle 1 m 3 /s. Kuvissa 4 ja 5 on esitetty Nikkolan ja Hanhikosken havaitut ja luvan mukaisella luukkujen avauskorkeudella lasketut vedenkorkeudet ajanjaksolla Lasketut vedenkorkeudet Nikkolassa olivat paalulta ja Hanhikoskella paalulta 71075,86. Nikkolan kuvaajasta huomataan, että mallissa tulvan huippu saadaan leikattua erittäin tehokkaasti, mutta havaituissa arvoissa luukkujen avaamisen vaikutus näkyy paljon heikommin. Mallissa luukkujen virtaamien tulisi olla realistisella tasolla, joten ero saattaa johtua tulvakynnysten suuresta virtaamasta. Muuten kuin tulvan huipun osalta, havaitut arvot ovat Nikkolassa matalampia kuin 12

13 Vedenkorkeus N60 (m) Vedenkorkeus N60 (m) lasketut. Sama havaitaan Hanhikosken kuvaajasta, mutta Hanhikoskella tulvahuipun leikkaaminen ei erotu lasketuissa vedenkorkeuksissa. Erot vedenkorkeuksissa saattavat johtua virheellisistä arvoista malliin syötetyissä virtaamissa sekä karkeuskertoimissa. Liitteessä 11 on listattu vedenkorkeudet Nikkolassa luukkujen eri avauskorkeuksilla Nikkola Havainnot Lasketut Kuva 4 Havaitut vedenkorkeudet (N60) Nikkolan mittauspisteellä ja lasketut korkeudet paalulla Hanhikoski Havainnot Lasketut Kuva 5 Havaitut vedenkorkeudet (N60) Hanhikosken mittauspisteellä ja lasketut korkeudet paalulla 71075,

14 Johtopäätökset ja jatkosuositukset Tässä raportissa mallin testaamiseen käytetty testivirtaamasarja oli täysin keinotekoisesti luotu eikä se vastaa Kyrönjoen 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 tarvittaessa käydä mittaamassa uusia poikkileikkauksia. Erityisesti tulvaluukkujen ja kynnysten virtaamien totuudenmukaiseen mallintamiseen tulisi kiinnittää huomiota. 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 tulisi kerätä tarkempia virtaamahavaintoja, jotta niitä voitaisiin käyttää mallin kalibrointiin. Vuoden 2012 syystulvan mallintamiseen käytettyjen virtaamatietojen tarkkuudessa oli puutteita, sillä havaintoja oli vähän saatavilla. Mallin karkeuskerrointen arvoja ei kalibroitu vaan käytettiin vanhan tasaisen virtaaman mallin karkeuskertoimia, joka lisää mallin virhettä. Malli tulisi kalibroida uudestaan tarkkojen virtaamien ja vedenkorkeuksien havaintojen avulla hyväksyttävän tarkkuuden saavuttamiseksi. Mallinnuksen tuloksista voidaan kuitenkin todeta, että mallissa pengerrysalueiden käytöllä tulvahuippu leikkautuu huomattavasti tehokkaammin Nikkolan sillan kohdalla kuin todellisuudessa. Tulevissa malleissa kevättulvilla jäiden vaikutus tulisi myös ottaa mahdollisuuksien mukaan huomioon esimerkiksi Suomen ympäristökeskuksen laatiman todennäköisyyksiin perustuvan arvion avulla. 14

15 Kirjallisuutta Erika Raitalampi, Liisa Maria Rautio, Tuuli Saari, Katja Haukilehto, Sari Yli-Mannila & Anna Bonde. Kyrönjoki halintasuunnitelma Etelä-Pohjanmaan elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus Jenni Lippo. Kyrönjoen yläosan tulvapengerrysalueiden käytön optimointi kesä- ja syystulvatilanteissa Diplomityö Jami Aho Kyrönjoen yksityiskohtainen tulvavaarakartoitus paaluvälillä (Isokyrö Ylistaro), paaluvälin (Skatila Isokyrö) mallin täydennys, Pajuluoman virtausmallin kalibrointi Orismalanjoen ja Lehmäjoen mallien uudelleen kalibrointi ja virtausmallin laatiminen paaluvälille (Ylistaro-Kurikan Jokihaara). Ympäristötekniikan insinööritoimisto Jami Aho 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 Päätökset 16/1995/2 ja 17/1995/2. Kyrönjoen yläosan järjestelyt Seinäjoen ja Lapuan kaupungeissa ja Ilmajoen, Nurmon ja ylistaron kunnissa 15