Hydrologia L10 Valunta Valunta: määrittely..se osa sadannasta, joka virtaa vesistöä kohti maan pinnalla, maaperässä tai kallioperässä (Int. Glossary of Hydrology, 1974) keskeisenä vaikuttavana voimana on gravitaatio vastustavina voimina: hitaus-, kitka- ja koheesiovoimat kasvipeite ja muut ympäristötekijät vaikuttavat valunta [R] = mma -1 tai mmd -1 virtaama Q = m 3 s -1 tai ls -1 (yksikkö-)valuma q =Q/F [q]= ls -1 km -2 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 2 1
Valunnan synty maanpäällinen eli pintavalunta pintakerrosvalunta pohjavesivalunta niiden keskinäinen osuus riippuu sadannan tai sulannan ominaisuuksista ja alueen pinnanmuodoista ja maaperästä luonnossa sama vesi voi olla välillä pintavalunnassa, liikkua pintakerrosvaluntana ja 15/01/2013 palata jälleen pintavalunnaksi WETA150 Hydrologia T.Huttula 3 pohjavesivalunnan erottaminen helpointa kuivalla kaudella 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 4 2
Valuntakäyrä, valunnan aikakäyrä yksittäinen sadanta-valuntatapahtuma tai vuosikymmenten pituinen aikasarjaesitys jako osiin: uomiin tuleva välitön valunta pintavalunta nopea pintakerrosvalunta maaperässä tapahtuva pohjavalunta hidas pintakerrosvalunta pohjavesivalunta nousu-, huippu- ja resessiovaiheet 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 5 Pinta- ja pohjavalunnan erottaminen erottaminen kokeellisesti alkupiste: nousun alku loppupiste harkinnanvaraisesti välille suora helpointa pienillä järvettömillä valuma-alueilla 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 6 3
Valunnan luonne Suomessa Kevätvalunta lumen sulaminen ja kevätsadanta, noin 100 200 mm E-S:ssa, 140 180 mm P-S:ssa osuus vuosivalunnasta 40 50% E-S:ssa ja 50 60 % P-S:ssa noin 80% lumen vesiarvon keskimääräisestä maksimista Kesävalunta (sulannan loppu VIII) yleensä pieni, mutta voi vaihdella sadannasta riippuen paljonkin ES:ssä 1 10 % sadannasta, yhteensä E-S:ssä noin 10 20 mm, P-S:ssa 30 40 mm Syysvalunta (IX lumen tulo) kasvaa jakson loppua kohden: E-S:ssa syyskuussa R/P=20%, lokakuussa 30 % ja marraskuussa >50 % Yhteensä: E-S:ssa 50 100 mm, K-S:ssa ja P-S:ssa jää pienemmäksi, koska lumi tulee aikaisemmin 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 7 Valunnan luonne Talvivalunta (lumentulo sulannan alku) pääosin pohjavesivaluntaa yleensä vähäistä E-S:n ja L-S:n rannikoilla saattaa ajoittain olla merkittävääkin keskimäärin < 50 mm 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 8 4
Yksikkövaluntakäyrä ylivirtaaman määritystä varten alle 5000 km 2 alueille oltava hyvä sadanta-aineisto (sadannan tuntiarvoja) oletukset välittömän valunnan keston muuttumattomuus sen lineaarisuus yhteenlaskettavuus Esim. 10 mm määritetään ensin suuruisen tehoisan sadannan valuntakäyrä 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 9 Valuvan veden alkuperä ja ikä valuntaprosessin monimutkaisuuden takia mustan laatikon menetelmä on paljon käytetty Ts. tarkastellaan vain input-output-prosessia eikä veden todellista liikettä isotooppimenetelmällä voidaan selvittää veden lähihistoriaa ja siis alkuperääkin laskemalla 18 O ainevirtaama esim. M joki = M sulanta+sadanta +M varastovalunta 18 O istooppipitoisuus riippuu vuodenajasta: lumessa ja talvisateessa sen pitoisuus on alhaisempi kuin kesäsateessa jokivedessä sen osuus on keskimäärin 0.2 % on pohjavedessä melko vakioinen 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 10 5
Valuvan veden ikä Rohden tuloksia Nåstenin alueelta 1979 pohjaveden osuus 67 78 % keväällä purkautuvista sulamisvesistä vastaavia tuloksia myös Keski- Euroopasta 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 11 Valuntaan vaikuttavat tekijät: Ilmastotekijät Vaikutus volyymiin esim. vuositasolla valuntakerroin =R/P kerroin kasvaa vuosisadannan kasvaessa kasvaa Suomessa mentäessä kohti pohjoista, sillä haihdunta pienenee pohjoiseen mentäessä 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 12 6
ilmastotekijöiden vaikutus Vaikutus ajalliseen jakautumiseen edellistä suurempi, erityisesti sadannan ominaisuudet vaikuttavat: intensiteetti kesto ajallinen jakauma alueellinen jakauma liikesuunta 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 13 Aluetekijät: perusominaisuudet Valuma-alueen ominaisuus Vaikutus valuntakäyrään Miksi Koko 1. huippu laskee koon kasvaessa 2. alivalumat tasoittuvat 1. valunnan kerääntymisaika pitenee alueen kasvaessa 2. maankäytön heterogeenisuus kasvaa Muoto 1. pyöreillä alueilla jyrkkä, pitkulaisilla loiva Järvisyys 1. yleensä se tasoittuu 2. kuivina kesinä voi jyrkentää alivaluma osuutta 1. pyöreillä alueilla vesi ehtii nopeammin purkautumispaikkaaan 1. järvi toimii välivarastona 2. haihdunta suurempaa kuin maastossa 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 14 7
Aluetekijät: topografia Valuma-alueen ominaisuus Vaikutus valuntakäyrään Miksi Kaltevuus 1. kasvattaa ylivalumia 2. Suomen tyyppilisillä valuma-alueilla ei sulannan suhteen näin yksioikoisesti 1. kaltevuuden kasvu lyhentää veden kerääntymisaikaa 2. mäkimaastoa, jossa kaltevuutta myös varjon puolella Korkeus meren pinnasta 1. kasvaa korkeuden mukana 1. korkeuden funktiona sadanta kasvaa ja haihdunta pienenee 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 15 Aluetekijät: maa- ja kallioperätekijät Valuma-alueen ominaisuus Vaikutus valuntakäyrään Miksi Maalajien karkeus 1. ylivaluma vähenee sen kasvaessa 2. alivaluma kasvaa 1. karkean maaperän suodanta kyky parempi kuin hienomman 2. maanalainen varastoituminen kasvaa 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 16 8
Aluetekijät: kasvillisuus Valuma-alueen ominaisuus Vaikutus valuntakäyrään Miksi Kasvipeitteen tiheys ja runsaus 1. laskee ylivaluntaa 2. vaikutus kokonaisvaluntaan ja alivalumiin monimutkaisempi: kuivilla alueilla vähentää niitä, märillä/sateisilla ei vaikutusta 1. hidastaa pintavaluntaa estämällä veden virtausta ja kuohkeuttaa maaperää, jolloin imeyntä kasvaa 2. nostaa vettä syvältä maaperästä ja poistaa sen transpiraation kautta. Kosteilla alueilla ei vajetta synny 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 17 Aluetekijät: maastotyyppi Valuma-alueen ominaisuus Vaikutus valuntakäyrään Miksi Metsät 1. tasoittaa valuntakäyrää 2. keskivalunnan kohdalla vaikutus erilainen eri metsille Suot 1. ylivaluma pienenee, jos suo luonnontilainen 2. kokonaisvalunta ja alivalunta pienenee 1. vähentää pintavaluntaa kuten kasvipeitteen vaikutus yleensä ja varastoituminen kasvaa 2. riippuu ilmastovyöhykkeestä ja puuston lajista 1. veden välivarasto 2. haihdunta suurempaa kuin metsässä 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 18 9
Aluetekijät: uomasto Valuma-alueen ominaisuus Vaikutus valuntakäyrään Miksi Uomaverkon tiheys 1. ylivaluma kasvaa 2. alivaluma laskee 1. veden poistuminen alueelta nopeutuu 2. sama syy Kaltevuus ja vedenjohtokyky 1. ylivaluma kasvaa 2. alivaluma laskee 1. veden poistuminen alueelta nopeutuu 2. sama syy 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 19 Virtaaman mittauspaikka virtaussuunta sama ja muuttumaton koko poikkileikkauksessa poikkileikkaus muuttumaton esim. järven luusua, tasainen joen kohta, vuolaasti virtaava salmi, patokanava, 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 20 10
Menetelmät Suoramittaus siivikointi muut pistenopeusmittaukset integroivat mittaukset, esim. ADCP ultraäänimittaus sähkömagneettinen mittaus Kohot (vrt. luento 1, da Vindcin menetelmä) Muut menetelmät merkkiaineet volumetrinen mittaus mittapadot ja muut rakenteet 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 21 Q-mittaus siivikoimalla 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 22 11
Siivikointitulos 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 23 Virtaaman mittaus pikku-uomassa silloin ennen 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 24 12
Q-mittaus siivikoimalla ja ADCP:llä 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 25 Akustinen Q-mittaus veneestä 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 26 13
Ultraäänimittaus Käytössä yli 30 v. Perustuu virtaavan väliaineen (veden) aiheuttamaan signaalin kulkuaikaeroon nopeus veden virtaussuunnassa suurempi kuin vastakkaiseen suuntaan Asemalla ääniaallot lähetetään yhtä aikaa kummaltakin rannalta viistosti yli uoman Saadaan uoman keskinopeus Asemaan kuuluu myös W-mittaus 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 27 Sähkömagneettinen mittaus Uoman ympärille tuotetaan magneettikenttä asettamalla elektrodit uoman kummallekin rannalle Virtaava vesi on magneettikentässä liikkuva johdin, jolloin elektrodien välille indusoituu sähkömotorinen voima Se on suoraan verrannollinen magneettivuon tiheyteen ja veden virtausnopeuteen Erityisesti teollisuudessa ja vesihuollossa paljon käytetty menetelmä Hydrologiset sovellukset UK:ssa 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 28 14
Erilaisia Q-mittaustapoja 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 29 Q-mittausten kehitysnäkymiä 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 30 15
Epäsuorat Q-mittaukset: purkautumiskäyrä uomassa: Q=f(W) yksikäsitteisyyden ehtona kiitovirtaus eli häiriöt uomassa eivät etene ylävirtaan uomakohtainen Q=f(W) funktio, joka kehitetään empiirisesti mittausten avulla sen jälkeen rekisteröidään vain vedenkorkeutta ja lasketaan Q 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 31 Purkautumiskäyrästä mikäli alapuolinen vesistö vaikuttaa luodaan käyräparvi, jossa siis Q=f(W,H) talvella tehtävä ns. jääredukointi, koska jääpadotus nostaa vedenkorkeutta ja Q:n korjaamattomat arvot olisivat liian suuria 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 32 16
Vesirakenteiden käyttö virtaaman määrittämisessä Voimalaitosten hyötysuhteen avulla Säännöstelypadot kiitovirtaus ns. patokaavoja erilaisille aukoille, niissä virtaama on vedenkorkeuden ja luukun leveyden funktio C=kuroutumiskerroin a=luukun avaus b=luukun leveys h 1 = vapaan veden pinnan korkeus luukun yläpuolella 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 33 Mittapato 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 34 17