Oulujoki, Merikosken 1/250 virtaama

Transkriptio

1 Oulujoki, Merikosken 1/25 virtaama Suomen Ympäristökeskus Hydrologian yksikkö Noora Veijalainen Bertel Vehviläinen

2 Oulujoki, Merikosken 1/25 virtaama Tämän työn tarkoituksena on arvioida Oulujoen suulla sijaitsevan Merikosken padon kerran 25 vuodessa toistuvan tulvan suuruus. Lisäksi pyrittiin arvioimaan Oulun edustan merialueen jääpadotuksen riskiä tarkastelemalla erityisesti tulvia, jotka ajoittuvat aikaan kun meri on Oulun edustalla jäässä. Kerran 25 vuodessa toistuvan tulvan suuruutta arvioidaan soveltaen menetelmää, jota Suomen ympäristökeskuksessa käytetään patojen mitoitustulvien arvioimiseen. Menetelmä pohjautuu Ruotsissa kehitettyihin mitoitustulvien arvioinnin suuntaviivoihin (Riktlinjer för bestämning av dimensionerande flöden för dammanläggningar, SMHI 199). Menetelmässä yhdistetään tietyn toistumisajan omaava 14 vuorokauden mitoitussadantajakso 4 vuoden todellisiin sadanta- ja lämpötilatietoihin vuosilta ja etsitään pahimman tulvan aiheuttava tilanne. Laskelmat tehdään Suomen ympäristökeskuksen vesistömallilla, joka on veden kiertokulkuun liittyviä fysikaalisia prosesseja yksinkertaistettuna kuvaava malli. Näitä prosesseja ovat aluesadanta, lumen kertyminen ja sulaminen, maanpinnan kosteuden laskenta ja haihdunta, pohjaveden muodostuminen ja veden kertyminen ja purkautuminen järvistä ja joista. Vesistömalli on kalibroitu (sovitettu ko. vesistöä mahdollisimman tarkasti laskevaksi) noin 4 vuoden päivittäisillä sää- ja vesistöhavainnoilla. Käytetyt mitoitussadannat ovat koko Merikosken yläpuolisen alueen keskimääräisiä sadantoja. Muutoin sadannat ja lämpötilat ovat kullekin osa-alueelle havaintojen mukaan laskettuja aluearvoja. Laskelmat tehtiin kolmella erikokoisella 14 vrk mitoitussadannalla, joiden toistumisajat olivat noin 1/5, 1/1 ja 1/25. Sadannat arvioitiin Ilmatieteenlaitoksen raportin Patoturvallisuuden mitoitussadannat (Solantie, Uusitalo, 2) perusteella. Sateiden tarkemmat arvot näkyvät taulukosta 1. Saadun tulvan tarkkaa toistumisaikaa on tällä menetelmällä hankala estimoida, mutta se on suurempi kuin siihen liittyvän mitoitussadantajakson toistumisaika. Siten 1/25 vuoden sadannalla saatu tulva on toistumisajaltaan harvinaisempi kuin 1/25 toistuva tulva. Todennäköisin sopiva tulva on 1/5 sateella ja 1/1 sateella saadun tulvan väliltä. Pahin tulva kaikilla mitoitussateilla saatiin, kun mitoitussadantajakso alkoi , jolloin virtaama oli suurimmillaan Sadannalla 1/5 saatiin tulvan suuruudeksi 912 m 3 /s, 1/1 sateella 932 m 3 /s ja 1/25 sateella 965 m 3 /s. Tulokset on esitetty taulukossa 2 ja kuvissa 1-3. Kuvassa 4 on esitetty sadannat ja lämpötilat, kun mitoitussadantana on 1/1 arvo. Mitoitussadantajakson ulkopuoliset sadannat ja kaikki lämpötilat ovat Oulujärven lähialueen (59.311) aluesadantoja ja lämpötiloja. Suurin havaittu virtaama Merikoskella 52 vuoden aikana on ollut 848 m 3 /s ( ). Nyt saatu simuloitu tulva ajoittuu samaan aikaan kuin havaittu suurin virtaama. Tulva ajoittuu syksyyn, jolloin Oulujärvi on täynnä eikä varastokapasiteettia juuri ole ja siksi Oulujärven Jylhämän padon juoksutukset nousevat melko suuriksi. Merikosken virtaamat riippuvat voimakkaasti Jylhämän juoksutuksista ja siten nyt saatuihin tuloksiin vaikuttaa minkälaista juoksutusohjetta Jylhämän padolla on käytetty. Jylhämän laskennassa käytetyssä juoksutusohjeessa juoksutus kasvaa melko nopeasti arvoon 7 m 3 /s ja tämän jälkeen hitaammin arvoon 8 m 3 /s, kun vedenkorkeus Oulujärvessä on 123,65 m. Tämä vastaa Patoturvallisuusohjeiden mitoitustulvalaskelmissa käytettyä juoksutusohjetta. Käytetty juoksutus on järkevä, mutta ei liian täydellinen, sillä todellisuudessa tulvaa ja sen suuruutta ei välttämättä osata ennakoida kovin hyvin. Merikosken maksimivirtaaman Jylhämän säännöstelyn kautta

3 aiheutuva vaihteluväli on noin ± 5 %. Järkevät, mutta eri ääripäitä kuvaavat juoksutusohjeet aiheuttavat esimerkiksi 1/1 vuoden sateella saadun Merikosken tulvan maksimivirtaamaan noin 5 m 3 /s muutoksen joko ylös- tai alaspäin ( Merikosken virtaamamaksimin vaihteluväli m 3 /s ja Jylhämän juoksutusten maksimin m 3 /s). Ala-arvio saatiin juoksutusohjeella, jossa tulva osattiin ennakoida erinomaisesti, suuret juoksutukset aloitettiin nopeasti ja tulvan pitkittyessä juoksutukset jätettiin pieniksi vedenpinnan noususta huolimatta. Ylä-arvio saatiin, kun tulvan ennakoiminen oletetaan olevan huonoa ja vedenpinnan noustessa selvästi yli tulvavedenkorkeuden nostettiin juoksutuksia melko voimakkaasti. Liitteessä 1 on esitetty havaitut virtaamat Gumbelin todennäköisyysjakaumalle piirrettynä. Siitä nähdään että Gumbelin jakauman mukaan viisi suurinta arvoa poikkeavat selvästi muista ja asettuvat sovitetun Gumbel-jakauman 95 % luottamusvälin ulkopuolelle. Tämä on melko yleinen tilanne säännöstellyissä vesistöissä, joissa säännöstelyllä voidaan tehokkaasti pienentää pieniä ja keskisuuria tulvia, mutta suuremmilla tulvilla säännöstelykapasiteetti alkaa loppua, kun varastoaltaat täyttyvät jo tulvan aikana, ja tulva tulee vesistöstä läpi vaimentamattomana. Tämän vuoksi Gumbelin jakaumaa tai muitakaan todennäköisyysjakaumia ei voi aina soveltaa säännösteltyihin vesistöihin. Gumbelin jakaumaa voi koittaa käyttää hyväksi kuten liitteen 1. kuvassa sovittamalla suoran suurien havaintojen kautta ja ekstrapoloimalla sitä eteenpäin. Gumbelin jakaumalla suurien havaintojen kautta tehdyltä suoralta voidaan arvioida että 1/1 vuodessa tulva olisi noin 88 m 3 /s ja 1/25 noin 94 m3/s. Myös nämä arviot ovat vain hyvin suuntaa antavia, sillä ei ole mitään takuita että ekstrapolointi antaa oikeita tuloksia. Työssä pyrittiin myös arvioimaan tulvan mahdollisuutta jääpeiteaikana, jolloin Oulun edustan merialueen kapeissa salmissa jäät estävät veden virtausta ulommas. Arvio perustuu tulvan ajankohtaan ja suuruuteen. Jääpadotuksen riski on suuri, jos kevättulva alkaa aikaisin keväällä tai jos tulvia esiintyy talvella. Kuvassa 5 on esitetty aikaisin keväällä tapahtuva tulvatilanne. Mitoitussadantajakson toistuvuus on noin 1/1 vuodessa ja jakso alkaa Huhtikuun alkupuolella lämpötila kohoaa nopeasti ja lumen sulaminen ja tulva alkaa. Lumi on sulanut Oulujärven lähialueilta kokonaan mennessä ja tulvavirtaama on tällöin Merikosken kohdalla 842 m 3 /s. Suurimmillaan tulva on Merikosken kohdalla 871 m 3 /s Oulun edustan jäätilannetta ei tarkasti tiedetä, mutta jäätä olisi todennäköisesti ainakin tulvan alkupuolella ulommaksi merelle johtavissa salmissa jääpadotuksen riski olisi olemassa. Kuvassa 6 näkyvät sadannat ja lumen vesiarvo kyseisessä tulvatilanteessa (59.311) ja kuvassa 7 Merikosken virtaamat ja lämpötilat (59.311). Vastaavanlaisia tilanteita, jolloin suuri tulva esiintyi jääpeiteaikana, oli simuloinneissa keväällä lumen sulamisen aikaan maalis- toukokuussa noin kymmenen kappaletta ja lisäksi joulukuun alussa kerran. Myös keskellä talvea esiintyi simuloinneissa muutamana vuonna tulvia, mutta ne olivat virtaamiltaan keväällä esiintyneitä tulvia huomattavasti pienempiä. Taulukko vrk pituinen sadantajakso ja sen toistuvuus syyskuussa Oulujoen vesistöalueelle Toistumisaika Sadanta [mm] jakson 1. Päivä Sadantasumma [mm] 14 päivän jakso 1/5 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 5,3 3,5 14, 4,9 8,7 3,5 5,3 3,3 3,3 14,3 1/1 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 5,8 3,8 15, 44, 9,4 3,8 5,8 3,5 3,5 112,1 1/25 3,9 3,9 3,9 3,9 3,9 6,4 4,2 16,6 48,8 1,4 4,2 6,4 3,9 3,9 124,3

4 Taulukko 2. Yhteenveto tuloksista Sateen toistumisaika Jylhämän suurin juoksutus Merikosken suurin virtaama 1 / m 3 /s 912 m 3 /s 1 / m 3 /s 932 m 3 /s 1 / m 3 /s 965 m 3 /s virtaama (m 3 /s) Merikosken tulva, kun mitoitussadanta n. 1/5 Juoksutus, Oulujärvi Vedenkorkeus Oulujärvi ,8 123,6 123,4 123, ,8 122,6 122,4 vedenkorkeus (m, NN) Kuva 1. Tulva Merikosken padolla, kun sadannan toistuvuus on noin kerran 5 vuodessa. virtaama (m 3 /s) Merikosken tulva, kun mitoitussadanta n. 1/1 Juoksutus, Oulujärvi Vedenkorkeus Oulujärvi ,8 123,6 123,4 123, ,8 122,6 122,4 vedenkorkeus (m, NN) Kuva 2. Tulva Merikosken padolla, kun sadannan toistuvuus on noin kerran 1 vuodessa

5 virtaama (m 3 /s) Merikosken tulva, kun mitoitussadanta n. 1/25 Juoksutus, Oulujärvi Vedenkorkeus Oulujärvi ,8 123,6 123,4 123, ,8 122,6 122,4 vedenkorkeus (m, NN) Kuva 3. Tulva Merikosken padolla, kun sadannan toistuvuus on noin kerran 25 vuodessa 5 Sadanta ja lämpötila 15 sadanta (mm) sadanta lämpötila lämpötila ( o C) Kuva 4. Sadannat ja lämpötilat tulva-ajankohtana. Mitoitussadantajakso ajoittuu ja sen toistuvuus on kerran 1 vuodessa.

6 Merikoski kevättulva, kun mitoitussadanta n. 1/ , ,9 virtaama (m 3 /s) Juoksutus, Oulujärvi Vedenkorkeus Oulujärvi 123,4 122,9 122,4 121,9 vedenkorkeus (m, NN) 121, Kuva 5. Kevättulva Merikosken padolla, kun sadannan toistuvuus on noin kerran 1 vuodessa. Merellä mahdollisesti vielä jäätä, jolloin Oulun edustan salmissa oleva jää estää purkautumista ulommaksi. 3 Sadanta ja lumen vesiarvo 3 sadanta (mm) sadanta lumen vesiarvo lumen vesiarvo (mm) Kuva 6. Sadannat ja lumen vesiarvo kevättulvan aikaan. Mitoitussadantajakso on ja sen toistuvuus on kerran 1 vuodessa.

7 Merikoski kevättulva, virtaamat ja lämpötilat virtaama (m 3 /s) lämpötila lämpötila ( o C) Kuva 7. Merikosken virtaama ja lämpötila kevättulvatilanteessa, jossa jääpadotuksen riski Oulun edustan salmissa on olemassa. Viitteet: Riktlinjer för bestämning av dimensionerande flöden för dammanläggningar, Sluttraport från Flödeskommitten, Statens Vattenfallsverk, Svenska Kraftverksföreningen, Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut Harlin, J. Hydrological modelling of extreme floods in Sweden. (1992) SHMI Reports Hydrology No 3. SMHI, Norrköping. Koskela J., Turunen M. A., Vehviläinen B. ja Niemi O. (21), "Ilmastonmuutoksen vaikutus patojen mitoitusvirtaamiin: Kemijoki, Oulujoki, Kyrönjoki", Julkaisematon työraportti, Suomen ympäristökeskus, Helsinki. Reuna, M., Perälä, J. ja Aitamurto, S. (1993) Lumen aluevesiarvoja Suomessa vuosina Vesi ja ympäristöhallinnon julkaisuja sarja A 165. Vesi ja ympäristöhallitus, Helsinki. Solantie R. ja Uusitalo K. (2), Patoturvallisuuden mitoitussadannat. Suomen suurimpien 1, 5 ja 14 vrk:n piste- ja aluesadantojen analysointi vuodet kattavasta aineistosta. Ilmatieteenlaitos, raportteja No.2:3 Patoturvallisuuskansiot (eri vuosia), löytyvät ympäristöhallinnosta.

8 Liite 1. Gumbel Kuva 1. Merikosken virtaaman toistuvuus Gumbelin jakauman mukaan. Lähde: Pekka Leiviskä.