Oulujoen pääuoman kalateiden suunnittelu ja tukitoimenpiteet DIDSON-KAIKULUOTAUKSET MERIKOSKEN KALATIEN SUUAUKOLLA SYYSKUUSSA 29 TYÖRAPORTTI 29.4.211 Juha Lilja
1. JOHDANTO Kalojen liikkeiden ja sijoittumisen seuranta kalateiden suuaukkojen läheisyydessä on keskeinen kysymys, kun tarkastellaan kalateiden toimivuutta tai eri tekijöiden mahdollisia vaikutuksia kalojen hakeutumiseen kalateihin. Myös kalateiden suuaukkojen suunnittelun kannalta kalojen käyttäytyminen ja liikkeet voimaloiden alakanavissa olisi tärkeää tietää etukäteen. Telemetriaseurannoin voidaan havainnoida yksittäisten kalojen liikkeitä ja sijoittumista voimaloiden alakanavissa. Vastaavasti kalojen seurantaa voidaan tehdä videokameroiden avulla, mutta niiden ongelmana on varsin rajoitettu alueellinen kattavuus. Viime vuosina markkinoille tullut kaikuluotain, DIDSON (Dual-frequency IDentification SONar), jonka avulla saadaan lähes videokameran tasoista kuvaa vedenalaisesta maailmasta ja jonka toimintaetäisyys on jopa useita kymmeniä metrejä, mahdollistaa nyt myös kaikuluotaustutkimukset voimaloiden alakanavissa ja kalateiden suuaukkojen läheisyydessä. DIDSON-kaikuluotain on alun perin kehitetty miinojen etsintään savisameissa vesissä, mutta se on osoittanut toimivuutensa myös kalatutkimuksen apuvälineenä (Cronkite ym. 26; Holmes ym. 26; Lilja ym. 21). DIDSON-luotaimesta on kaksi versiota, Standard ja LongRange -versiot. Ensimmäisen luotausetäisyys on enimmillään noin 4 metriä, kun taas pitkän kantaman versiolla päästään aina 1 metriin saakka. Erillisen linssimoduulin avulla DIDSONin erottelukykyä voidaan parantaa niin, että aikuisten lohien suuruiset kohteet pystytään erottamaan riittävällä tarkkuudella jopa 8 metrin etäisyydeltä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää DIDSON-luotaimen mahdollisuuksia havainnoida kalojen käyttäytymistä ja sijoittumista Oulujoen Merikosken voimalaitoksen alakanavassa, kalatien suuaukon kohdalla. Tutkimuksessa käytettiin Riista- ja kalatalouden tutkimuslaitoksen (RKTL) kahta LR-DIDSON-luotainta, joilla vuosittain lasketaan Tornionjokeen nousevien emolohien lukumäärä. 2. AINEISTO JA MENETELMÄT 2.1. DIDSON-luotaimet Pitkän kantaman DIDSON-kaikuluotain (Long Range DIDSON) lähettää veteen 48 vierekkäistä äänikeilaa, jotka yhdessä muodostavat näkökentän (Kuva 1). Näkökentän aukeamiskulma vaakatasossa on 29 ja korkeussuunnassa 14 mutta molempia voidaan tarvittaessa muuttaa käyttäen erilaisia linssimoduuleja. DIDSON-luotain voi toimia kahdella eri äänitaajuudella, joista matalampi on 7 khz ja korkeampi 12 khz. Matalampaa taajuutta kutsutaan havainnointitaajuudeksi (detection mode) ja on käytössä, kun kaikuluodattava matka on yli 2 metriä. Korkeampaa taajuutta kutsutaan tunnistamistaajuudeksi (identification mode) ja sitä on mahdollista käyttää, kun luotausetäisyys on alle 2 metriä. DIDSON luotaimen tuottama kuva (frame) on sen yksittäisten äänikeilojen muodostama kokonaisuus, jota säätelevät näkökentän pituus (window length) ja näkökentän aloitusetäisyys (start range). Näkökentän pituudelta jokainen yksittäinen äänikeila on jaettu 512 siivuun (sample), jolloin yksi kuva on 48 512 matriisi takaisinheijastuneiden kaikujen intensiteettiarvoista. Yksityiskohtaisin ja tarkin kuva saadaan, kun käytetään lyhyttä näkökenttää ja lyhyttä aloitusetäisyyttä. Kuvan resoluutio taas heikkenee luodattavan matkan ja näkökentän aloituspituuden kasvaessa.
Merikosken voimalaitospadon alakanavassa molemmat käytössä olleet luotaimet, DIDSON 1 alakanavan pohjoisreunalla ja DIDSON 2 eteläreunalla (Kuva 2), keräsivät aineistoa korkeammalla äänitaajuudella (12 khz). Luotausaineiston tallennusnopeus oli säädetty 5 kuvaan sekunnissa. Luotaimia ohjaavat ja samalla aineistoa tallentavat tietokoneet oli sijoitettu alakanavan pohjoisreunalle sijoitettuun työmaakoppiin. DIDSON 1:llä luotausaineisto siirrettiin tietokoneelle kaapelilla, kun taas DIDSON 2:lla käytettiin langatonta tiedonsiirtoa alakanavan yli. Näkökentän avautumiskulma DIDSON 1:llä oli sekä vaakatasossa että korkeussuunnassa 14, kun taas DIDSON 2:lla vaakatasossa 29 ja korkeussuunnassa 14. Kuva 1. Kaavakuva DIDSON-luotaimen tuottamasta kuvavasta. Yläkuvassa kolmiulotteinen havainnekuva, joka DIDSON-luotaimella näkyy kaksiulotteisena (alla). Yksittäinen DIDSON-kuva muodostuu 48 äänikeilan kaikuenergiasta, jotka on jaettu näkökentän pituudelta 512 siivuun. Oikean alareunan pikkukuvassa näkyy kaksi kalaa uimassa ylävirtaan DIDSONin näkökentässä.
2.2. Luotauspaikka ja aika Merikosken voimalaitos on Oulujoen alin voimalaitos ja se sijaitsee aivan Oulun keskustan tuntumassa, Koskikeskuksen ja Tuiran kaupunginosien välissä. Merikosken voimalaitoksen omistaa Oulun kaupungin liikelaitos, Oulun Energia. Teholtaan voimalaitos on 39 megawattia ja pudotuskorkeutta voimalaitoksella on 11 metriä. Voimalaitoksen yhteydessä on kalatie, joka valmistui syksyllä 23. Kalatien suuaukko sijaitsee voimalaitoksen purku-uoman etelänpuoleisella reunalla noin 4 metriä padosta alavirtaan (Kuvat 2-3). DIDSON 1 T1 T2 T3 Merikosken voimalaitos Oulujoki DIDSON 2 Kalatie 5 m Kuva 2. Merikosken voimalaitospato ja sen turbiiniaukot T1, T2 ja T3. DIDSON-luotaimet sijoitettiin voimalaitospadon alakanavan molemmille reunoille. DIDSON kaikuluotaukset Merikosken voimalaitospadon alakanavassa tehtiin 1.-7.9.29 välisenä aikana. Luotaimet laskettiin telineiden varassa veteen kalatien suuaukon kohdalta purku-uoman molemmilta reunoilta (Kuva 2). Molempien luotaimien äänikeilat suunnattiin keskiuomaa kohti siten, että mahdollisimman suuri osa purku-uomasta saatiin kaikuluodattua käyttäen korkeampaan taajuutta (identification mode) ja aineistoa tallennettiin yhden tunnin tiedostoina 2 metrin näkökentällä. Veden virtaus luotauslinjalla oli voimakkaasti pyörtelevä, sillä etäisyys voimalaitospadolle oli noin 4 metriä, kuitenkin vai hetkittäin luotainten erottelukyky laski tiheiden ilmakuplapilvien valuessa äänikeilojen läpi.
T1 T2 T3 Kuva 3. Merikosken voimalaitospadon turbiiniaukot katsottuna DIDSON 2:n kohdalta ylävirtaan. 3. TULOKSET JA JOHTOPÄÄTÖKSET DIDSON 1 keräsi aineistoa 13 tuntia ja DIDSON 2 oli toiminnassa noin 9 tuntia. Tutkimusjakson aikana vain muutama kala hakeutui kalatiehen. Sitä vastoin kalojen havaittiin uivan edes takaisin voimalaitospadon alakanavassa. Varsinkin suuret, yli 9 cm pitkät kalat, uivat aktiivisesti ylä- ja alavirtaan luotauslinjan läpi. Tässä raportissa esitettävät tulokset kuvaavat yli 4 cm pitkien kalojen liikeaktiivisuutta luotauslinjalla, eikä ylös- ja alaspäin uineita kaloja ole laskettu erikseen. Molemmilla luotaimilla havaitut kalamäärät vaihtelivat suuresti tutkimusjakson aikana (Kuva 4). Alakanavan pohjoisreunan DIDSON 1:llä havaittiin enimmillään 11 kalaa/tunti ja DIDSON 2:lla kalojen uintiaktiivisuus lähestyi 5 kalaa/tunti. Aktiivisuus DIDSON 2:lla (kalatien suuaukon edustalla) oli suurimmillaan silloin kun kokonaisjuoksutus oli pienimmillään. Tutkimusjakson aikana kokonaisjuoksutus voimalaitoksen läpi vaihteli 5 25 m 3 /s välillä (Kuva 4). Pienimmillään juoksutukset olivat yöllä. Päiväsaikaan juoksutukset olivat yleensä yli 15 m 3 /s. Juoksutus eri turbiinien läpi vaihteli myös suuresti, jakson alussa turbiini 3 (T3) ei ollut käytössä lainkaan ja 3.9. klo 8: jälkeen turbiini 1 (T1) oli suljettuna seurantajakson loppuun saakka. Kuvassa 5 näkyvät DIDSON 1:llä havaitut kalamäärät suhteessa yksittäisen turbiinien läpi juoksutettuihin vesimääriin. Silmämääräisesti näyttää siltä, että liikehdintä DIDSON 1:llä seuraa juoksutusmääriä kolmosturbiinista (T3) eli kalat hakeutuivat vastakkaiselle rannalle juoksutukseen
Juoksutus (m 3 /s) nähden. Lisäksi T2:n sulkeminen aiheutti ainakin kahdessa tapauksessa kalamäärien kasvun DIDSON 1:llä. Aineistoa T1:n juoksutuksen ajalta on melko vähän mutta näyttää siltä, että virtauksen väheneminen aiheutti kalojen määrän lisääntymisen DIDSON 1:n edustalla eli vastakkaisella puolella kalatien suuaukkoon nähden. DIDSON 2:lla suurimmat kalamäärät havaittiin, kun T2:n oli suljettuna (Kuva 6). Myös T3:n juoksutuksen pienentäminen lisäsi kalamääriä kalatien suuaukon puoleisella rannalla. T1:n ollessa käytössä DIDSON 2:n oli sijoitettu kalatien ensimmäiseen altaaseen eikä täten havaintoja suuaukon edustalta saatu. 3 25 6 5 Juoksutus yht DIDSON 1 DIDSON 2 2 4 15 3 1 2 5 1 1.9.29 12: 2.9.29 12: 3.9.29 12: 4.9.29 12: 5.9.29 12: 6.9.29 12: 7.9.29 12: Kuva 4. Tutkimusjakson aikana Merikosken voimalaitoksen kokonaisjuoksutus ja DIDSON-luotaimilla (DIDSON 1 & 2) havaitut kalamäärät (>4 cm). Huom. Luotausaineistoa ei kertynyt, kun sitä kuvaava viiva katkeaa.
Juoksutus (m3/s) Juoksutus (m 3 /s) Juoksutus (m3/s) 16 14 12 Merikoski T1 DIDSON 1 25 2 1 15 8 6 1 4 2 5 1.9.29 12: 2.9.29 12: 3.9.29 12: 4.9.29 12: 5.9.29 12: 6.9.29 12: 7.9.29 12: 16 14 12 Merikoski T2 DIDSON 1 25 2 1 15 8 6 1 4 2 5 1.9.29 12: 2.9.29 12: 3.9.29 12: 4.9.29 12: 5.9.29 12: 6.9.29 12: 7.9.29 12: 16 25 Merikoski T3 14 DIDSON 1 2 12 1 15 8 6 1 4 2 5 1.9.29 12: 2.9.29 12: 3.9.29 12: 4.9.29 12: 5.9.29 12: 6.9.29 12: 7.9.29 12: Kuva 5. Tutkimusjakson aikana Merikosken voimalaitoksen eri turbiinien juoksutusmäärät (T1, T2 ja T3) sekä DIDSON 1 luotaimella havaitut kalamäärät (>4 cm). Huom. Luotausaineistoa ei kertynyt, kun sitä kuvaava viiva katkeaa.
Juoksutus (m 3 /s) Kalojen lukumääsä (kpl/h) Juoksutus (m 3 /s) Juoksutus (m 3 /s) 16 14 12 1 Merikoski T1 DIDSON 2 5 45 4 35 3 8 6 4 2 25 2 15 1 5 1.9.29 12: 2.9.29 12: 3.9.29 12: 4.9.29 12: 5.9.29 12: 6.9.29 12: 7.9.29 12: 16 5 Merikoski T2 14 DIDSON 2 45 4 12 35 1 3 8 6 4 2 25 2 15 1 5 1.9.29 12: 2.9.29 12: 3.9.29 12: 4.9.29 12: 5.9.29 12: 6.9.29 12: 7.9.29 12: 16 5 Merikoski T3 14 DIDSON 2 45 4 12 35 1 3 8 6 4 2 25 2 15 1 5 1.9.29 12: 2.9.29 12: 3.9.29 12: 4.9.29 12: 5.9.29 12: 6.9.29 12: 7.9.29 12: Kuva 6. Tutkimusjakson aikana Merikosken voimalaitoksen eri turbiinien juoksutusmäärät (T1, T2 ja T3) sekä DIDSON 2 luotaimella havaitut kalamäärät (>4 cm). Huom. Luotausaineistoa ei kertynyt, kun sitä kuvaava viiva katkeaa. 9
DIDSON-kaikuluotain toimi hyvin Merikosken voimalaitoksen purku-uoman pyörteisessä vedessä, eivätkä pyörteissä kulkeutuneet ilmakuplat juurikaan heikentäneet kuvan laatua (Kuva 7). Perinteisten yksikeilakaikuluotaimien käyttö näissä olosuhteissa olisi ollut rajoitetumpaa ja kalojen havaitseminen pohjan tuntumasta lähes mahdotonta. Kuva 7. Merikosken voimalaitoksen alakanavassa uiva noin 11 cm lohi kuvattuna pohjoisreunan (DIDSON 1) luotaimella. DIDSON-kaikuluotaimen käyttö kalateiden suunnittelun ja seurannan yhteydessä tarjoaa hyvän mahdollisuuden kerätä lyhyessä ajassa runsaasti uutta ja hyödyllistä tietoa esimerkiksi kalojen hakeutumisesta eri alueille patojen alapuolisessa kanavassa sekä käyttäytymisestä olemassa olevien tai suunniteltujen kalateiden suuaukkojen läheisyydessä. Toisaalta kiinteästi rannalle sijoitettu luotain pystyy havaitsemaan vain luotauslinjalla liikkuvat kalat eikä esimerkiksi koko purku-uomaa voida näin kattaa. Usean luotaimen hankkiminen olisi taas erittäin kallista eikä siten realistinen vaihtoehto. Yhtenä ratkaisuna koko purku-uoman hetkelliseen kattamiseen voisi olla DIDSON luotaimen kiinnittäminen liikkuvaan veneeseen. Liikkuvalla veneellä ja GPSpaikannusjärjestelmällä kerätystä DIDSON-aineistosta voidaan sitten tuottaa spatiaalinen kuva kalojen hetkellisestä sijainnista voimalaitospadon alapuolisella alueella. Kiitokset Suuret kiitokset Simsonar Oy:n Heikki Oukalle ja Pertti Seppäselle, jotka auttoivat luotainten asennuksessa ja aineiston keruussa. Erityiskiitokset myös Oulun Energian Ahti Sipolalle, sillä ilman hänen huomattavaa panostaan tämä tutkimus olisi tuskin onnistunut. 1
Kirjallisuus Cronkite, G. M. W., Enzenhofer, H. J., Ridley, T., Holmes, J., Lilja, J. & Benner, K. 26. Use of high-frequency imaging sonar to estimate adult sockeye salmon escapement in the Horsefly River, British Columbia. Canadian Technical Report of Fisheries and Aquatic Sciences 2647:vi + 47 p. Holmes, J. A., Cronkite, G. M. W., Enzenhofer, H. J. & Mulligan, T. J. 26. Accuracy and precision of fish count data from a dual-frequency identification sonar (DIDSON) imaging system. ICES Journal of Marine Science 63: 543-555. Lilja, J., Romakkaniemi, A., Stridsman, S. & Karlsson, L. 21. Monitoring of the 29 salmon spawning run in River Tornionjoki/Torneälven using Dual-frequency IDentification SONar (DIDSON). A Finnish-Swedish collaborative research report. 46 p. 11