Kirjalansalmen sillan länsipuolen ja penkereen ruoppausten vaikutukset Raportti Espoossa 12.2.2016 Tilaaja: Varsinais-Suomen ELY-keskus Matti Kiljunen Itsenäisyydenaukio 2, 20800 Turku Tekijä: Arto Inkala Suomen Ympäristövaikutusten Arviointikeskus Oy Sinimäentie 10 B, 02630 Espoo Puhelin: (09) 70018680 Sähköposti: inkala@eia.fi 1 (12)
Sisältö 1. Työn tavoite ja tausta...3 2. Tutkimusalue ja menetelmät...3 2.1 Sillan ympäristö ja olosuhteet...3 2.2 Virtaus- ja kulkeutumismallin yleiskuvaus...4 2.3 Mallialue ja -hilat...5 3. Simulointitulokset...7 3.1 Virtaukset ja viipymä...7 4. Yhteenveto...12 Viitteet...12 2 (12)
1. Työn tavoite ja tausta Kirjalansalmen vanha silta puretaan ja tilalle rakennetaan uusi. Samassa yhteydessä ennallistetaan sillan ympäristöä. Vanhan sillan rakentamisen yhteydessä tehty penger poistetaan ja kaisloittunut alue sillan länsipuolella ruopataan 2 metrin syvyyteen. Työssä tutkitaan, miten penkereen poistaminen ja kaisloittuneen alueen ruoppaaminen vaikuttavat alueen virtauksiin ja veden viipymään penkereen länsipuolella olevassa Stikuviken lahdessa. Työmenetelmänä tutkimuksessa on matemaattinen virtaus- ja kulkeutumismallia. Tutkimuksen simuloinnit on tehnyt Arto Inkala Suomen Ympäristövaikutusten Arviointikeskus Oy:stä. 2. Tutkimusalue ja menetelmät 2.1 Sillan ympäristö ja olosuhteet Kuvassa 1 on esitetty satelliittikuva Kirjalan salmen sillasta. Satelliittikuvassa erottuu selkeästi kaisloittunut alue sillalta Eura (Ören) saarelle sekä Stikuvikenin ympäristöään sameampi vedenlaatu. Vanhan sillan rakentamisen yhteydessä tehty penger painuu hitaasti alemmas nostaen samalla pehmeämpää vettä samentavaa kiintoainetta ympärilleen. Mallinnusta varten alueella suoritettiin monikeilaluotaus (Civil Tech 2015) sekä muutamia täydennysmittauksia Stikuviken lahdelta (Varsinais-Suomen ELY-keskus 2016). Kauempana sillasta käytettiin merikorttiaineiston syvyystietoja (Liikennevirasto 2015). Stikuviken lahti on riittävän syvä (3-4 m), jolloin sinne syntyy virtausten vertikaalikierto eli pinnalla virtauksen ovat tuulen suuntaisia ja pohjalle muodostuu päinvastainen paluuvirtaus. Paikallisina tuulina käytettiin Turun Rajakarin rannikkosääaseman tuulia (Ilmatieteenlaitos 2016). Simuloinnit toteutettiin vuoden 2012 kesäjaksolla 1.6-31.8. Ajanjakso valikoitui sillä perusteella, että saatavilla olevasta datasta kyseisenä kesänä keskimääräinen tuulen suunta ja nopeus olivat lähimpänä 2000-luvun kesien keskiarvoa. Tuulten lisäksi virtauksia Kirjalansalmessa voivat aiheuttaa lähi joet lähinnä Paimionjoki ja Aurajoki. Lähijokien virtaamina käytettiin Oiva tietokannan (Suomen ympäristökeskus 2015) tietoja. Myös suurimmat Itämereen laskevat joet aiheuttavat merialueelle virtauksia, jotka osaltaan vaikuttavat myös Kirjalansalmessa. Kirjalansalmi sijaitsee Itämereen nähden melko keskellä, joten millään tuulen suunnalla meriveden pinnankorkeus ei vaihtele niin laajasti kuin Suomenlahden tai Perämeren pohjukoissa. Sijainti kapeassa salmessa kuitenkin voimistaa pinnankorkeusmuutoksien aiheuttamia virtauksia, joten myös laajemman merialueen pinnankorkeuden vaihtelu otettiin mallisimuloinneissa huomioon. 3 (12)
Kuva 1. Satelliittikuva Kirjalansalmen sillan ympäristöstä (Google Earth 26.1.2016) 2.2 Virtaus- ja kulkeutumismallin yleiskuvaus Veden virtauksia kuvaavat matemaattiset yhtälöt voidaan johtaa massan ja liikemäärän säilymislaeista. Mallin virtauslaskenta perustuu näiden Navier-Stokesin yhtälöiden numeeriseen ratkaisemiseen. Virtausmallin virtauksia liikkeellepanevana tekijänä ovat käytännössä tuuli ja sen aiheuttamat pinnankorkeuden muutokset. Myös joet aiheuttavat suoraan virtauksia. Epäsuorasti joet ja tuulet aiheuttavat virtauksia synnyttämällä paine-eroja ja liikuttamalla tiheyseroja merellä. Paine- ja tiheyserot pyrkivät luonnossa tasoittumaan. Ratkaisua varten tarkastelualue jaetaan vaakatasossa pienempiin osiin, ns. hilaruutuihin, joiden välisiä eroja seurataan laskennassa. Hilaruudun leveys ja pituus muodostavat laskennan erotustarkkuuden, jota tiheämpiä eroja ratkaisusta ei saada esiin muuten kuin lisäoletuksilla. Kunkin hilaruudun syvyydet selvitetään merenkulkulaitoksen digitaalisesta kartta-aineistosta tai 4 (12)
tarkemmista luotausmittauksista. Hilaruutujen sisällä voi olla myös erotustarkkuutta kapeampia saaria, niemiä, kannaksia, uomia ja syvänteitä. Syvyyssuunnassa vesitilavuus on vastaavasti jaettu halutun paksuisiin kerroksiin. Kunkin hilaruudun ja vesikerroksen virtausnopeudet ratkaistaan tarkastelujaksolla vaihtelevissa sää- ja virtaamaolosuhteissa. Eri erotustarkkuudella ratkaistavat osat voidaan liittää toisiinsa sisäkkäisesti tarkentuvaksi järjestelmäksi. Näin mallissa voidaan ottaa huomioon laajan merialueen virtausten vaikutus tarkasti kuvattuun paikalliseen alueeseen. 2.3 Mallialue ja -hilat Mallialueeksi valittiin laaja alue Itämerta sisältäen Suomenlahden, Pohjanlahdelta ja pääaltaan pohjoisosat. Tällöin virtauksissa pystyttiin ottamaan huomioon lähialueen lisäksi Itämeren pinnankorkeuden muutokset sekä kauempana olevien suurten jokien aiheuttamat virtaukset. Kuvassa 2 on esitetty eri resoluutioilla kuvatut alueet. Kuva 2. Eri resoluutiolla kuvatut mallialueet. 5 (12)
Laajempi merialue kuvattiin 10 kilometrin resoluutioilla, Saaristomeri 2 kilometrin, Turun lähisaaristo 400 metrin ja Kirjalansalmen lähialue 80 metrin tarkkuudella. Tarkimman resoluution alue kattoi 18 x 14 km 2. Vertikaalisuunnassa mallihila on jaettu neljällätoista tasolla, joiden syvyysrajat ovat 1, 3, 5, 8, 12, 16, 20, 25, 30, 40, 60, 100, 200 ja 300 metrin syvyydellä. Kuvassa 3 on esitetty tarkemmin muutos nykytilanteeseen. Siltapenkereen ja Eura (Ören) saaren välinen kaislikko on nykytilanteessa arvioitu niin matalaksi ja tiheäksi, että ruutuja voidaan pitää maapisteinä, joiden läpi vettä ei virtaa. Uudessa tilanteessa näissä ruuduissa sekä poistettavan penkereen kohdalla syvyys tulee olemaan 2 metriä. Kuva 3. Kirjalansalmen sillan lähialue, johon on merkitty harmaalla nykytilanteen simuloinneissa maapisteinä olevat hilaruudut. Uuden sillan rakentamisen ja ruoppauksen jälkeen syvyys näillä hilaruuduissa on 2 metriä. Tummemmalla sinisellä kuvaan on merkitty ne hilaruudut, joiden alueella viipymää Stikuvikenillä simuloitiin. 6 (12)
3. Simulointitulokset 3.1 Virtaukset ja viipymä Tärkein virtauksia aiheuttava tekijä Kirjalansalmella on paikallinen tuuli. Kuvissa 4 ja 5 on esitetty lounais- ja luoteistuulen (5 m/s) aiheuttamat virtaukset nykytilassa ja ruoppausten jälkeen. Nykytilanteessa tuulet synnyttävät Stikuvikenille vertikaalikiertoa, jossa pintavirtaukset mukautuvat tuulen suuntaan ja pohjavirtaukset päinvastoin. Ruoppausten jälkeen vastaava kierto on vähäisempää. Kirjalansalmessa virtaukset ovat molemmissa vaihtoehdoissa pinnasta pohjaan saman suuntaisia. Pinnankorkeuksia tasoittava paluuvirtaus syntyy vasta Paimionselälle. Virtausmuutoksia esittävistä kuvista havaitaan selkeämmin, miten osa Kirjalansalmen läpi menevästä virtauksesta kiertää Stikuvikenin kautta. Syvemmällä Kirjalansalmella virtausnopeuksiin syntyvät muutokset ovat vähäisempiä. Lähimmäs Kirjalansalmea laskevat Aurajoki ja Paimionjoki molemmat reilun 10 km:n etäisyydellä sillasta. Molempien jokien keskivirtaamat ovat alle 10 m 3 /s ja suurin osa virtaamasta suuntautuu muualle kuin Kirjalansalmeen. Lähijokien aiheuttama virtaama Kirjalansalmessa on suuruusluokkaa 0.1-1 mm/s. Lähijokien lisäksi mallissa huomioitiin suurimpien Suomen- ja Pohjalahdelle laskevien jokien merialueelle aiheuttamat virtaukset. Myös näistä syntyvä vaikutus oli Kirjalansalmella vähäistä 0.1-1 mm/s. Jokien ja paikallisen tuulen lisäksi virtauksia voi syntyä Itämeren altaan heilahteluista. Tutkimusalue ei sijaitse lähellä lahtien pohjukoita, joten pinnankorkeuden muutokset ovat alueella maltillisia. Keskimääräinen päivämuutos Turun mareografilla on ollut n. 6 cm. Tutkimusalue sijaitsee kuitenkin kapeassa salmessa, jossa pinnankorkeuden muutokset voivat voimistua, joten myös pinnankorkeuden muutokset huomioitiin simuloinneissa. Keskimääräisillä pinnankorkeuden vaihteluilla Kirjalansalmeen syntyy suuruusluokaltaan 1 mm/s virtauksia eli hieman suurempia kuin jokien aiheuttamat. Suurimmillaan pinnankorkeuden muutos on Turussa ollut yli metrin päivässä, joten ääritilanteissa pinnankorkeusmuutoksista voi syntyä suuruusluokaltaan keskituuliin verrattavia virtauksia. Paikallisten tuulten aiheuttamat virtaukset ovat kuitenkin dominoivia. Virtausmuutosten pitkäaikaisempia vaikutuksia voidaan arvioida laskemalla veden viipymää Stikuvikenillä. Viipymä kuvaa veden alueella viettämää aikaa. Kuvassa 6 on esitetty keskimääräinen viipymä kesäjaksolla 1.6.-31.8.2012 eri vaihtoehdoissa sekä kuvassa 7 viipymässä tapahtunut suhteellinen muutos. Nykytilanteessa vesi vaihtuu lahden länsipuolelta kaislikon ja penkereen kupeesta hieman yli kahdessa vuorokaudessa ruoppausten jälkeen hitaimmin vaihtuva alue siirtyy lahden eteläosaan, jossa se on vähän yli puoli vuorokautta. Suhteellinen parannus viipymään on n. 50-80 %. Simulointien perusteella arvioituna Stikuvikenin vedenlaatu ei toimenpiteiden jälkeen tule enää poikkeamaan Kirjalansalmen vedenlaadusta. 7 (12)
Kuva 4. Lounaistuulen (5 m/s) aiheuttamat virtaukset Stikuviken lahden ympäristössä. Ylärivin kuvat ovat pintakerroksesta ja alarivin pohjakerroksesta. Vasemmat puoleiset kuvat ovat nykytilanteesta ja keskimmäiset ruoppausten ja siltapenkereen poiston jälkeen. Oikean puoleisiin kuviin on laskettua muutos tilanteiden välillä. 5 cm/s virtausnopeutta kuvaava virtausnuolen pituus on esitetty oikeassa reunassa. Kaikissa kuvissa on sama skaala.
Kuva 5. Luoteistuulen (5 m/s) aiheuttamat virtaukset Stikuviken lahden ympäristössä. Ylärivin kuvat ovat pintakerroksesta ja alarivin pohjakerroksesta. Vasemmat puoleiset kuvat ovat nykytilanteesta ja keskimmäiset ruoppausten ja siltapenkereen poiston jälkeen. Oikean puoleisiin kuviin on laskettua muutos tilanteiden välillä. 5 cm/s virtausnopeutta kuvaava virtausnuolen pituus on esitetty oikeassa reunassa. Kaikissa kuvissa on sama skaala.
Kuva 6. Keskimääräinen veden viipymä Stikuvikenillä 1.6.-31.8.2012. Ylhäällä nykytilanne ja alhaalla tilanne ruoppauksen jälkeen. 10 (12)
Kuva 7. Suhteellinen muutos viipymässä vaihtoehtojen välillä. 11 (12)
4. Yhteenveto Kirjalansalmen sillan uusimisen ja Stikuvikenin lahden ennallistamisen vaikutuksia arvioitiin matemaattisen mallin avulla. Mallilla laskettiin virtauksia sekä veden viipymää Stikuvikenillä. Mallin erotustarkkuus oli sillan ympäristössä 80 m ja asteittain harventuen pohjoista Itämerta kuvattiin 10 kilometrin tarkkuudella. Laajan mallialueen ansiosta simuloinneissa pystyttiin huomioimaan paikallisten tuulten ja lähijokien lisäksi Itämeren pinnankorkeuden heilahtelut ja suurimpien Suomen- ja Pohjanlahdelle laskevien jokien aiheuttamat virtaukset. Paikallinen tuuli osoittautui kuitenkin selkeästi merkittävimmäksi virtauksia aiheuttavaksi tekijäksi Kirjalansalmessa. Uuden sillan rakentaminen ja alueen ennallistaminen parantaa veden vaihtuvuutta Stikuvikenillä kesäaikaan noin 50-80 %. Nykyisin keskimääräinen viipymä on suurimmillaan noin kaksi vuorokautta siltapenkereen läheisyydessä ja ruoppausten jälkeen maksimiviipymä on hieman yli puoli vuorokautta Stikuvikenin eteläosassa. Viitteet Civil Tech Oy, 8.12.2015, Monikeilaluotausaineisto Kirjalansalmelta, digitaalinen aineisto Google Earth, 26.1.2016, Satelliittikuva Kirjalansalmelta Ilmatieteenlaitos, 2016, Avoin data 1/2016, tietokanta Liikennevirasto 2015, digitaalista merikorttiaineistoa 12/2015 Maanmittauslaitos 2015, Maastotietokanta 12/2015 aineistoa Suomen ympäristökeskus, 2015, Oiva tietokanta 12/2015 aineistoa Varsinais-Suomen ELY-keskus, 2016, Täydennysmittauksia Stikuviken lahdelta, digitaalinen aineisto 12 (12)