Dno 7/420/2015 Kalajoen Keskuskarin aallokkoselvitys Heidi Pettersson, Kimmo Kahma ja Ulpu Leijala 2015
Ilmatieteen laitos (Erik Palménin aukio 1, 00560 Helsinki) PL 503, 00101 Helsinki puh: +358 29 5391000 www.fmi.fi
Kalajoen Keskuskarin aallokkoselvitys Kalajoen kaupungin tilauksesta (Kalajoen kaupunki, hankintapäätös 17.3. 2015 / Paakki) Ilmatieteen laitos on selvittänyt aallokko- oloja Kalajoen Keskuskarin alueella alimman suositeltavan rakennuskorkeuden määräämiseksi. Laskelmat on tehty tilaajan toimittamien piirustusten (Alustavat luonnokset 4.2.2015) mukaisten rakennussuunnitelmien tilanteeseen. Ulkomeren aallokko Perämerellä Aallokkoa on mitattu Perämerellä 80- luvulla Ulkokallan edustalla (64 16.1' N, 23 21.5' E) kahtena syyskautena. Operatiiviset aallokkomittaukset alkoivat vuonna 2012 Ulkokallasta pohjoiseen, avomerelle päin (64 41.032' N, 23 14.50' E). Koska mittauksia on vain parin avovesikauden ajalta, työssä on näiden havaintojen lisäksi käytetty aaltomallilla laskettuja, tarkastettuja aaltotietoja vuosilta 2002-2006 ja 2007-2011. Koska työn puitteissa ei ollut mahdollista tehdä aaltomittauksia Keskuskarin edustalla, aallokon vaimeneminen refraktion ja pohjan vaikutuksesta sekä paikallisen aallokon korkeus on määrätty laskennallisesti. Keskuskarin alue on ulkomerelle avoin luoteis- pohjoissuuntaan: aallokkoa vaimentavaa saaristoa ei tässä suunnassa juuri ole, matalikkoja kylläkin. Ulkomerellä suurimmat aallokot kehittyvät länsi- pohjoissuunnista. Kymmenen vuotta kattavien mallilaskelmien mukaan korkein merkitsevä aallonkorkeus Hs on 4.8 metriä ja huipun periodi Tp (suurimman energian periodi, modaalinen periodi) 9 s. Ulkokallan 1980- luvun mittausten suurin merkitsevä aallonkorkeus on 3.1 m. Perämeren uudella ulkomerellä sijaitsevalla mittauspaikalla on mitattu 4.4 metrin merkitsevä aallonkorkeus huipun periodin ollessa 8 s. Poiju on mitannut yli neljän metrin lounas - ja pohjoissuuntaista aallokkoa. Mallitulosten antamaa suurinta arvoa (yksi kerta /kymmenen vuotta) käytetään tässä työssä ulkomeren aallokon lähtöarvona. Aallokko Kalajoen Keskuskarin edustalla Refraktiomallilaskelmien (aaltojen taittuminen pohjan syvyysmuutosten takia) mukaan Keskuskarin edustalla länsikoillissuunnassa pohjassa on kanjonimainen muoto, joka taittaa aallokkoa etelä - ja pohjoissuuntaan eikä aaltokeskittymiä Keskuskarin edustalle pääse syntymään (kuva 1). Lisäksi veden mataloituminen rantaa lähestyttäessä vaimentaa aallokkoa. Veden mataloitumisen aiheuttama vaimennus on laskettu erikseen. Aallonmurtajan edustalla on noin 100-150 matkalta 1.5-2 metrin syvyistä vettä. Ulkomereltä saapuvat pitkät ja korkeimmat aallot jyrkkenevät ja murtuvat tämän alueen ulkoreunan alueella. Laskelmien mukaan merkitsevä aallonkorkeus aallonmurtajan edustalla on 1.3 metriä ja korkein yksittäinen aalto 1.7 metriä.
Kuva 1. Ulkomeren (Hs = 4.8 m ja Tp = 9 s) luoteisaallokon refraktoituminen Kalajoen Keskuskarin edustalla. Kartassa ei ole huomioitu pohjan mataloitumisen aiheuttamaa aallokon vaimenemista.
Korkean vedenkorkeuden aikainen aallokko Kalajoen Keskuskarin alueella Aallonkorkeus H=1.7 metriä on laskettu tilanteelle jolloin keskivedenkorkeus on 0. Taulukossa 1 on vedenkorkeuden arvot eri toistuvuusajoille nykyhetken tilanteessa sekä nykyiseen käsitykseen valtamerien pinnannoususta perustuvat ennusteet vuosina 2050 ja 2100 (Kahma ym., 2014). Taulukko 1. Vedenkorkeus Kalajoen Keskuskarissa interpoloituna Raahen ja Pietarsaaren mareografien mittauksista. Korkeusjärjestelmä on N2000. tapausta/vuosi nykyhetki cm 2050 cm 2100 cm 1/20 153 145 166 1/50 167 159 181 1/100 178 169 193 Taulukosta nähdään että vedenkorkeus voi olla lähes kaksi metriä keskivettä korkeammalla. Meriveden korkeuteen vaikuttaa luonnollisesti kovat tuulet ja myrskyt, jotka myös aiheuttavat korkeat aallokot. Perämerellä korkeimmat vedenkorkeudet saavutetaan tyypillisesti etelä- lounaistuulilla, kun taas korkeimmat aallokot kehittyvät useimmiten luoteis- pohjoistuulilla. Tämä tarkoittaa että korkeimman vedenkorkeuden ja korkeimman ulkomeren aallokon esiintyminen yhtä aikaa on harvinaista, vaikkakaan ei mahdotonta. Etelä- lounaistuulilla, jolloin vedenkorkeus tyypillisesti nousee korkealle, aallokko Keskuskarin edustalla muodostuu etelä- lounaissuuntaisesta aallokosta sekä ulkomereltä kiertyneestä, lähes länsisuuntaisesta aallokosta. Keskuskarista katsoen lounaissuunta on varsin karikkoista ja paikallinen aallokon korkeus jää alle metriin. Mallilaskelmien mukaan neljän metrin aallokko ja 9 sekunnin hallitseva periodi on ulkomerellä mahdollista myös näillä tuulilla. Refraktion seurauksena aallokko kuitenkin pääsee kiertymään Keskuskarin edustalle, vaimentuen samalla pohjan mataloituessa. Kun ollaan keskiveden tasolla, aallokko on yhtä korkeaa kuin luoteistuulilla, eli aallon korkeus lounaistuulilla on 1.7 m. Korkea vedenkorkeus tekee vedestä syvemmän rannikon lähellä ja se vähentää aallokon vaimenemista rannikolle tultaessa. Korkeimmat aallot ovat tällöin kolmen metrin luokkaa. Taulukon 1 vedenkorkeuksia (N2000) vastaavat mitoitusaallot ovat laskettu taulukkoon 2. Taulukko 2. Mitoitusaallot taulukossa 1 esitettyjen vedenkorkeuksien tapauksissa. tapausta/vuosi nykyhetki m 2050 m 2100 m 1/20 2.9 2.9 3.0 1/50 3.0 3.0 3.1 1/100 3.1 3.1 3.2
Aallokon nousukorkeus aallonmurtajalla Aallokon haitat rakenteelle riippuvat paitsi aallokon ominaisuuksista, myös siitä, millä tavoin aalto osuu rakenteisiin vallitsevan vedenkorkeuden aikana. Tilanne on pahin, kun murtuva aalto osuu pystysuoraan seinään tai jyrkkään rantaan. Silloin se tuottaa vesimassan, joka nousee vauhdilla korkealle ylöspäin ja päästyään seinämän harjan yli vielä etenee aallon suuntaan. Tämä vesimassa muodostuu yhtenäisestä osasta, josta käytetään ilmaisua 'vihreä vesi', sekä roiskeista, josta käytetään myös ilmaisua 'valkoinen vesi'. Suuresta murtuvasta aallosta syntynyt vihreä vesi etenee alkuvaiheessa suurella nopeudella. Aallonmurtajan yli päästessään se saattaa rikkoa aallonmurtajan harjaa sekä satama- altaaseen osuessaan aiheuttaa siellä aallokkoa. Roiskeet, jotka voivat nousta hyvinkin korkealle, lähinnä vain kastelevat rakenteet suolavedellä eikä niistä aallonmurtajan tapauksessa ole kovinkaan paljon haittaa. Piirustusten mukaan aallonmurtajan jyrkkyys merelle päin on 1:2. Aallonmurtajan materiaalista ei ole tietoa ja seuraavissa laskelmissa oletetaan pinnan koostuvan kiinteästä ja sileästä materiaalista. Aallokon nousukorkeudelle eli run- up:lle ei ole vielä yhtenäistä teoriaa ja kirjallisuudessa esiintyy useita laskutapoja (esim. CEM, 2003-2011). Eri menetelmien avulla lasketut arvot kolmen metrin aallolle vaihtelevat 4.4 metristä 8.1 metriin, sisältäen sekä vihreän että valkean veden. Todennäköisin nousukorkeus laskelmien mukaan on vihreälle vedelle 5 metriä keskiveden yläpuolelle. Myös vihreän veden nousukorkeutta koskevissa tutkimuksissa on suurta hajontaa ja käytetyillä laskennallisilla menetelmillä sitä ei voida kovin tarkasti arvioida, vaan tähän tarvittaisiin mallikokeet. Suunniteltu kolme metriä korkea aallonmurtaja on näiden laskelmien valossa liian matala estääkseen harvinaisten (kerran 1/20 vuodessa tai harvemmin) tapausten aaltojen ylitulon. Rakenteiden materiaalin valinta vaikuttaa luonnollisesti aallon nousukorkeuteen. Sileän pinnan korvaaminen kivenlohkareilla pienentää nousukorkeutta (CEM, 2003-2011). Kivenlohkareiden optimaalinen koko voidaan laskea käyttäen tässä selvityksessä lasketun mitoitusaaltoa. Toinen vaihtoehto on loiventaa aallonmurtajan jyrkkyyttä. Aallonmurtajan aukon läpi pääsevä aallokko Piirustusten mukaan suunniteltu aallonmurtajan aukko antaa länteen eli suuntaan josta on odotettavissa suurimmat aallokot. Vastapäinen hiekkaranta on noin 15 metriä leveä, ennen varsinaisia rakennuksia se päättyy 2.2 metriä keskiveden yläpuolella olevaan puukantiseen rantareittiin. Yksityiset piha- alueiden korkeus keskivedestä on 2.7 metriä.
Kuva 2. Ulkomeren (Hs = 4.8 m ja Tp = 9 s) pohjoisaallokon refraktoituminen Kalajoen Keskuskarin edustalla. Kartassa ei ole huomioitu pohjan mataloitumisen aiheuttamaa aallokon vaimenemista.
Meriveden ollessa korkealla, aukosta läpi tuleva aallokon merkitsevä aallonkorkeus on 1.8 metriä. Vedenkorkeuden ollessa 1.5 metriä (toistuvuusaika 1/20 vuotta, taulukko 1), rantaviiva siirtyy 10 metriä lähemmäksi rakennuksia. Vastaavasti vedenkorkeuden ollessa 1.7 metriä (toistuvuusaika 1/50 vuotta, taulukko 1), rantaviiva siirtyy lähes 12 metriä. Eri menetelmillä lasketut nousukorkeudet vaihtelevat 0.8-1.5 metrin välillä. Todennäköisimmäksi nousukorkeudeksi saadaan 1.0 m, joten taulukon 1 vedenkorkeusarvoilla vesi yltää 2.45-2.93 metriin keskivedenkorkeudesta. Aallonmurtajan aukosta tuleva aallokko vaimenee nopeasti aukon kummallakin puolella: nousukorkeus on korkeimmillaan suoraan aallonmurtajan aukkoa vastapäätä. Pohjoispuolella olevan tyrskyrannan aallokko Rakennettavan alueen pohjoisosassa oleva tyrskyranta on 7-30 metriä leveä alue. Pohjoisosan edustalla on varsin laaja, alle 10 metriä matalan veden alue, joka vaimentaa ulkomereltä tulevaa aallokkoa. Keskuskarin pohjoispuolella on aallokkokeskittymä, mutta itse Keskuskarin luona sellaisia ei tälläkään suunnalla ole (kuva 2). Rantavedessä sekä rannalla on suuria kivenlohkareita. Rannan leveimmällä kohdalla rannan keskimääräinen jyrkkyys on 1:10. Aallokon nousukorkeutta rajoittaa rannan kivilohkareet ja se jää alle 85 cm, kivenlohkareiden koosta ja määrästä riippuen. Korkean vedenkorkeuden aikana hetkellinen vedenpinta jää siis alle 2.30-2.78 metriin (taulukkoa 1 vastaavat vedenpinnan korkeudet). Rannan kapeimmassa kohdassa jyrkkyys on 3:7 ja tasaisen rannan tapauksessa aaltojen nousukorkeus korkean veden tilanteessa voisi olla kahdesta neljään metriä. Rantavedessä ja rannalla olevat kivenlohkareet, kunhan niitä on riittävästi aiheuttamaan aallokon murtumisen myös korkean veden aikaan, vaimentavat rantautuvaa aallokkoa ja sen nousukorkeutta huomattavasti. Yhteenveto Kalajoen Keskuskarin edustan aallokosta Keskuskarin aallonmurtajan edustan suurimman aallokon korkeuteen vaikuttaa voimakkaasti veden syvyys. Se määrää miten korkeaksi aalto voi kasvaa murtumatta. Keskuskari on avoin luoteis- pohjoissuuntaan, mutta aallokon refraktiosta johtuen myös lounaisaallokkoa kiertyy Keskuskarin edustalle. Kovimpien luoteismyrskyjen aikana korkein aalto on tyypillisimmin 1.7 metriä koska vedenkorkeus on todennäköisimmin alhaalla. Korkean vedenkorkeuden aikaan, jotka muodostuvat tavallisimmin kovilla etelä- lounaistuulilla, korkein aalto on 3.0 metrin luokkaa (taulukko 2). Aallokon nousukorkeus aallonmurtajalle on tällöin 5 metriä (ns. "vihreä vesi"), joten aallot voivat ylittää suunnitellun korkuisen aallonmurtajan. Aallonmurtajan aukko antaa länteen, ja korkean meriveden aikana aukon sisäpuolella korkein merkitsevä aallonkorkeus voi saavuttaa 1.8 metriä. Aallokon nousukorkeudeksi saatiin 1 metri, eli veden pinta käy korkeimmillaan 2.45-2.93 metrin korkeudella (taulukon 1 mukaiset vedenkorkeusarvot)
aallonmurtajan aukkoa kohtisuoraan olevalla rannalla. Aallokon nousukorkeus pienenee nopeasti tämän kohdan molemmin puolin. Pohjoisrannan leveimmillä kohdilla aallokon nousukorkeus jää alle 85 cm, eli veden pinta jää alle 2.30-2.78 metriin taulukon 1 mukaisilla vedenkorkeusarvoilla. Pohjoisrannan kapeimmilla kohdilla ranta on jyrkempi, ja usean metrin nousukorkeus voisi olla mahdollinen, mutta kivikkoinen rantaviiva laskee nousukorkeuden mitä todennäköisimmin alle riskirajan. Viitteet CEM 2003-2011. Coastal Engineering Manual, EM 1110-2- 1100. U.S. Army Corps of Engineers (USACE) http://chl.erdc.usace.army.mil/cem K. Kahma, H. Pellikka, K. Leinonen, U. Leijala, M. Johansson, 2014. Pitkän aikavälin tulvariskit ja alimmat suositeltavat rakentamiskorkeudet Suomen rannikolla. Ilmatieteen laitos, Raportteja 2014:6.