PIELISJOEN LYHYTAIKAISSÄÄTÖLASKENTA TULOKSET Oy Vesirakentaja, Jukka Nieminen Pohjois-Karjalan ELY-keskus, Teppo Linjama 20.12.2012
2 Sisältö Sisältö... 2 Taustaa... 3 Virtausmalli... 4 Lähtöaineisto... 4 Kalibrointi... 4 Lasketut voimalaitosten ajorytmit... 4 Tulokset... 6 Vedenkorkeudet... 6 Virtausnopeudet... 9 Laskentatarkkuus... 11 Johtopäätökset... 12 Liitteet... 13
Taustaa Pohjois-Karjalan ELY-keskuksen johdolla tehtäviin Pielisen säännöstelyselvityksiin liittyy vesivoiman lisäämismahdollisuuksien selvittäminen, sillä säännöstelyhankkeen yhtenä toteuttamisedellytyksenä on vesivoimahyödyn lisääminen jo rakennetussa vesistössä. Koska Pielisen säännöstelyllä pelkästään juoksutusohjetta optimoimalla ei muut, mm. ekologiset ja virkistyskäytölliset reunaehdot huomioiden saavutettaisi sanottavaa voimataloushyötyä, tarvitaan vesivoimahyödyn lisäämiseksi Pielisjoella tapahtuvaa virtaaman lyhytaikaissäätöä. 3 Kaltimon ja Kuurnan voimalaitoksilla lähes täysin porrastettu Pielisjoki sijaitsee kahden suuren järvialtaan, Pielisen ja Saimaan (Pyhäselän) välissä. Näin ollen virtaaman lyhytaikaissäätö ei vaikuttaisi käytännössä lainkaan Pielisen tai Pyhäselän vedenkorkeuksiin, vaan säädön vaikutus näkyisi Pielisjoella. Tässä selvityksessä tutkittiin, millaisia vaikutuksia Pielisjoen voimalaitoksilla harjoitettavalla virtaaman lyhytaikaissäädöllä olisi Pielisjoen vedenkorkeuksiin ja virtausnopeuksiin. Vesivoimalaitoksilla tehtävää virtaaman lyhytaikaissäätöä tarvitaan mm. sähköverkon kulutusvaihteluiden tasaamiseksi. Valtaosa Suomen sähköverkon säätö- ja häiriöreservistä on juuri lyhytaikaissäädön piirissä olevaa vesivoimaa. Lyhytaikaissäädössä kahden altaan välisen voimalaitoksen koneistojen läpi menevää virtaamaa säädetään sähköntarpeen mukaan. Yleensä sähköntarve on suurempi arkipäivisin kuin öisin tai viikonloppuisin. Näin ollen säädön piirissä olevissa joissa virtaama on yleensä suurempi päivisin (aamusta iltaan) kuin öisin ja viikonloppuisin. Perinteinen lyhytaikaissäätö on melko voimakasta nyt tutkittuihin Pielisjoen virtaaman säätövaihtoehtoihin verrattuna. Esimerkiksi Koitereen (Palojärven) ja Pielisjoen (Jäsysjärven) välissä sijaitsevalla Pamilon voimalaitoksella on lyhyellä aikavälillä mahdollista säätää virtaamaa noin välillä 0 190 m 3 /s. Kuva 1. Pielisjoki (tummansinisellä), Pielinen ja Koitere voimalaitoksineen.
4 Virtausmalli Säännöstelylaskennat tehtiin Oy Vesirakentajassa Hec-Ras-mallinnusohjelmalla, jolla voidaan simuloida paikan ja ajan suhteen muuttuvaa yksidimensioista avouomavirtausta. Mallissa uoma kuvataan poikkileikkauksilla ja niiden välisillä etäisyyksillä. Uoman eri osissa vaihteleva virtausvastus otetaan huomioon poikkileikkauskohtaisilla häviökertoimilla (karkeuskertoimilla). Lähtöaineisto Poikkileikkausaineisto pohjautuu Suomen ympäristökeskuksessa (SYKE) vuonna 1990 laadittuun Pielisjoen virtausmalliin, jota on myöhemmin täydennetty esim. syvyyskarttojen perusteella. Aineistoa on käytetty mm. SYKEssä vuonna 1996 tehdyissä säännöstelylaskelmissa sekä Oy Vesirakentajan tekemässä Kaltimon vahingonvaaraselvityksessä vuonna 1998. Joelle on asetettu ns. paaluluvut, joiden perusteella voidaan paikantaa tietty kohta joessa (joen pituusleikkauksessa). Paaluluvut on poikkileikkausaineistossa määritetty niin, että paaluluku nolla on Joensuun kohdalla ja paaluluku 65 000 Uimasalmen kohdalla. Pielisjoen paalukartta on esitetty liitteissä 1 ja 2. Mallinnettu alue ulottuu Pielisestä Joensuun kanavan yläpuolelle eli noin 70 km:n pituiselle jokiosalle. Mallissa ei ole mukana Pamilon lyhytaikaissäännöstelyä. Tämä siksi, että Jäsysjärvi tasaa Pamilon aiheuttamat vedenkorkeusvaihtelut Pielisjoella lähes kokonaan, lisäksi Pamilon lyhytaikaissäätöä ei pystytä juuri ennustamaan. Sen sijaan Koitajoen vesistön vedet otetaan huomioon valuma-alueiden suhteen laskettuina tasaisina sivuvirtaamina Pielisjokeen. Samalla tavoin tasaisena tulovirtaamana käsitellään myös muita Pielisjokeen laskevia sivuhaaroja (mm. Vääräjoki, Kuusoja, Jukajoki). Viimeksi mainittujen vesimäärät ovat pieniä. Joukiisen haara on mallissa omana uomanaan. Uoman alapäässä reunaehtona on Pyhäselän vedenkorkeudesta riippuva purkautumiskäyrä. Kalibrointi Kalibroinnissa uoman karkeuskertoimia säädettiin niin, että mallinnetut vedenkorkeudet vastaisivat mahdollisimman hyvin Pielisjoen eri virtaamatilanteissa havaittuja vedenkorkeuksia. Kalibrointi tehtiin jaksoissa voimalaitospatojen rajoittamille eri uomanosille. Alkuperäisen aineiston karkeuskertoimia oli tarpeen muuttaa vain vähän. Laskentatulokset voitiin sovittaa melko helposti suhteellisen harvaan havaintoaineistoon. Lisäksi Pielisjoella välillä Joensuu-Kaltimo tehtiin vedenpinnan tarkistusmittauksia RTK-GPS-laitteella 4.10.2012 (Kaltimon virtaama 364 m 3 /s), jotta pystyttiin varmistumaan virtausmallin riittävän hyvästä tarkkuudesta myös kalibrointipisteiden ulkopuolella. Näiden mittausten perusteella malli näyttää toimivan kohtalaisen hyvin myös kalibrointipisteiden välisillä uomaosuuksilla. Mittaustuloksia ei käytetty varsinaiseen kalibrointiin, ainoastaan tulosten vertailuun. Kuurnan alapuolisen jokiosuuden laskentatulokset poikkeavat ko. mittaustuloksista, koska Pyhäselän vedenkorkeus oli mittaushetkellä yli 70 cm laskennassa käytettyä vedenkorkeutta korkeammalla. Liitteessä 3 on esitetty kalibrointitulokset sekä kalibroinnin perustana olleet Pielisjoen vedenkorkeushavainnot. Lasketutvoimalaitostenajorytmit Mallinnettavat virtaamatilanteet valittiin niin, että mukana oli voimatalouden kannalta hyvin lievä säätövaihtoehto (perusvirtaama ± 15 %), vaikutuksiltaan jo melko voimakas vaihtoehto (± 30 %) sekä voimakas säätö (± 50 %). Perusvirtaamat mitoitettiin niin, että Kaltimon rakennusvirtaama ei ylity maksimivirtaamatilanteessakaan. Aivan pienten virtaamien tilanteessa mallinnusta ei tehty, koska yleensä tällöin Pielisjoen vedenkorkeus erityisesti Kuurnan ja Joensuun välillä on mm. virkistyskäyttöä ajatellen muutoinkin tarpeettoman alhaalla. Pielisjoen virtaamamallinnukset laskettiin kuudella eri virtaamatilanteella. Vuorokauden vesimäärä juoksutettiin vuorokauden aikana siten, että ajovirtaama poikkeaa keskiarvosta (perusvirtaamasta) tietyn prosenttimäärän; päivällä ylöspäin ja yöllä alaspäin. Kuurnan juoksutusmuutokset tehtiin aina 1 tuntia Kaltimoa aiemmin. Muutos
kumpaankin suuntaan tehtiin puolen tunnin aikana. Yhdellä virtaamatilanteella (240 m 3 /s, ± 30 %) kokeiltiin 30 minuutin muutoksen lisäksi myös 15 minuutin aikana tehtävää virtaamamuutosta. Mallinnukset laskettiin seuraavilla Pielisjoen virtaamatilanteilla: 5 Perusvirtaama (Kaltimo) 160 m 3 /s, ± 15 % muutos (min. 136 m 3 /s; max. 184 m 3 /s) 240 m 3 /s, ± 15 % (204 m 3 /s; 276 m 3 /s) 350 m 3 /s, ± 15 % (297,5 m 3 /s; 402,5 m 3 /s) 240 m 3 /s, ± 30 % (168 m 3 /s; 312 m 3 /s) 310 m 3 /s, ± 30 % (217 m 3 /s; 403 m 3 /s) 240 m 3 /s, ± 50 % (120 m 3 /s; 360 m 3 /s) Kaikissa virtaamatilanteissa käytettiin Pyhäselän vedenkorkeutena tasoa NN+75,90 m, joka vastaa suunnilleen Pyhäselän keskivedenkorkeutta. Yhdellä virtaamatilanteella (350 m 3 /s, ± 15 %) mallinnusta kokeiltiin myös Pyhäselän vedenkorkeudella NN+76,20 m, joka on lähes Pyhäselän vuotuisen keskiylivedenkorkeuden suuruinen. Taulukossa 1 on esitetty tarkastelluissa säätövaihtoehdoissa ajetut virtaamat Kaltimon ja Kuurnan voimalaitoksilla. Taulukko 1. Laskennassa käytetyt virtaamat ja ajorytmit. LASKETUT AJORYTMIT LASKETUT AJORYTMIT LASKETUT AJORYTMIT Q160 m 3 /s, muutos ±15 % Q240 m 3 /s, muutos ±30 % Q240 m 3 /s, muutos ±50 % Klo Kaltimo Klo Kuurna Klo Kaltimo Klo Kuurna Klo Kaltimo Klo Kuurna 8:00 136 7:00 139.5 8:00 168 7:00 172.4 8:00 120 7:00 123.2 8:30 184 7:30 188.7 8:30 312 7:30 320.2 8:30 360 7:30 369.5 20:00 184 19:00 188.7 20:00 312 19:00 320.2 20:00 360 19:00 369.5 20:30 136 19:30 139.5 20:30 168 19:30 172.4 20:30 120 19:30 123.2 Q240 m 3 /s, muutos ±15 % Q240 m 3 /s, muutos ±30 % 15 min Klo Kaltimo Klo Kuurna Klo Kaltimo Klo Kuurna 8:00 204 7:00 209.4 8:00 240 7:00 246.3 8:30 276 7:30 283.2 8:15 312 7:15 320.2 20:00 276 19:00 283.2 20:00 312 19:00 320.2 20:30 204 19:30 209.4 20:15 168 19:15 172.4 Q350 m 3 /s, muutos ±15 % Q310 m 3 /s, muutos ±30 % Klo Kaltimo Klo Kuurna Klo Kaltimo Klo Kuurna 8:00 297.5 7:00 305.2 8:00 217 7:00 222.7 8:30 402.5 7:30 412.9 8:30 403 7:30 413.5 20:00 402.5 19:00 412.9 20:00 403 19:00 413.5 20:30 297.5 19:30 305.2 20:30 217 19:30 222.7
6 Tulokset Vedenkorkeudet Taulukossa 2 on esitetty Pielisjoen eri kohdissa tapahtuvat vedenkorkeuden maksimivaihtelut eri säätövaihtoehdoilla. Taulukon otsikoissa on esitetty Kaltimon voimalaitoksen virtaama [m 3 /s] sekä ko. virtaamaan tehtävä prosentuaalinen virtaaman lisäys tai vähennys. Kaltimon ja Kuurnan voimalaitosten ylä- ja alavedenkorkeudet on taulukossa esitetty varsinaisten ylä- ja alavedenkorkeusasteikoiden lisäksi keskimäärin joitakin satoja metrejä voimalaitokselta poispäin, mistä merkkinä luku 2 ko. paikannimien perässä. Kuvassa 2 on esitetty Pielisjoen maksimivedenkorkeusvaihtelut muutamissa paikoissa eri säätövaihtoehdoilla. Taulukko 2. Maksimivedenkorkeusvaihtelut [m] Pielisjoella eri säätövaihtoehdoilla. SUURIN VEDENKORKEUSVAIHTELU ERI VIRTAAMATILANTEISSA Paikka Q160 ±15 % Q240 ±15 % Q350±15 % Q240±30 % Q310±30 % Q240±50 % Paaluluku Hiirenvesi 0.02 0.05 0.09 0.10 0.14 0.16 RS 55420 Häihänniemi 0.03 0.05 0.10 0.11 0.16 0.18 RS 51560 Eno 0.03 0.06 0.11 0.11 0.17 0.20 RS 48980 Kaltimo ylä 2 0.05 0.07 0.15 0.14 0.24 0.28 RS 44450 Kaltimo, ylä 0.05 0.07 0.15 0.14 0.24 0.28 RS 43900 Kaltimo, ala 0.09 0.15 0.13 0.29 0.29 0.42 RS 43850 Kaltimo ala 2 0.07 0.13 0.13 0.25 0.26 0.36 RS 43460 Alusvesi 0.04 0.10 0.14 0.20 0.26 0.30 RS 41400 Jakokoski 0.03 0.09 0.13 0.17 0.23 0.25 RS 36210 Mönnin silta 0.02 0.05 0.09 0.11 0.15 0.17 RS 33740 Uitonvirta 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.05 RS 32100 Kangasvesi 0.04 0.07 0.11 0.15 0.19 0.22 RS 26420 Paihola 0.04 0.09 0.13 0.17 0.23 0.26 RS 23540 Paihola ala 0.04 0.10 0.15 0.20 0.27 0.30 RS 21040 Kuurna ylä 2 0.05 0.11 0.18 0.22 0.31 0.34 RS 19240 Kuurna, ylä 0.05 0.12 0.18 0.23 0.32 0.35 RS 18900 Kuurna, ala 0.17 0.27 0.48 0.55 0.82 0.96 RS 18750 Kuurna ala 2 0.16 0.26 0.47 0.54 0.81 0.93 RS 18100 Ristisaari 0.14 0.24 0.45 0.49 0.76 0.85 RS 15460 Kilvenvirta 0.11 0.21 0.41 0.43 0.68 0.74 RS 11940 Jynkkä 0.07 0.17 0.34 0.35 0.57 0.59 RS 7740 Joensuu ylä 0.05 0.11 0.23 0.22 0.39 0.39 RS 300
7 0.90 Suurimmat vedenkorkeusvaihtelut eri paikoissa eri säätövaihtoehdoilla [m] 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 Q160 ±15 % Q240 ±15 % Q350±15 % Q240±30 % Q310±30 % Q240±50 % 0.10 0.00 Kuva 2. Suurimmat vedenkorkeuserot [m] (minimi maksimi) eri säätövaihtoehdoilla eri kohdissa Pielisjokea. Suurimmat vedenkorkeuden vaihtelut esiintyvät voimalaitosten alapuolella. Suuremmilla juoksutusmuutoksilla vaihtelut ovat suurehkoja pitkälle Kuurnan alapuolelle. Toisaalta myös suuremmilla virtaamilla Kuurnan alapuolisen jokiosuuden vedenpinta reagoi melko voimakkaasti pienemmälläkin prosentuaalisella säädöllä. Tämä viittaa siihen, että uoman vetokyky Kuurnan alapuolella ei välttämättä ole riittävä tehokasta säätöä ajatellen. Kuvassa 3 on esimerkki vedenkorkeuden vaihtelusta ajan funktiona yhdeksässä laskentakohdassa välillä Kaltimo- Kuurna virtaamalla 240 m 3 /s ±30 %. Kaltimon alapuolella vedenpinta nousee aamulla kello kahdeksan jälkeen, kun virtaamaa lisätään 168 m 3 /s:ista 312 m 3 /s:iin. Toisaalta Uitonvirran alapuolella (Kuurnan voimalaitoksen yläpuolella) vedenpinta laskee aamulla kello seitsemän jälkeen, kun Kuurnan voimalaitoksella lisätään virtaamaa, ja Kangasveteen varastoitunut vesi virtaa voimalaitoksen koneistoista läpi. Pielisjoen ollessa vuorokausisäädössä vedenpinnan maksimi- ja minimiajankohdat tapahtuisivat siis eri osissa jokea eri vuorokaudenaikoina. Yksinkertaistaen, voimalaitosten ylävedenpinnat olisivat maksimissaan yöllä ja voimalaitosten alavedenpinnat maksimissaan päivällä. Voimalaitosten ylävesiksi (vedenpinnan maksimi yöllä) voidaan lukea Kaltimon yläpuolinen jokiosuus sekä Kuurnan yläpuolinen osuus Uitonvirtaan Haapavirtaan saakka. Voimalaitosten alapuolisiksi osuuksiksi lasketaan välit Kaltimo Uitonvirta sekä Kuurna Pyhäselkä. Vedenkorkeuden minimi ja maksimi tapahtuvat hieman ennen kuin virtaamaa lisätään tai vähennetään eli Kuurnan vaikutuspiirissä aamulla noin klo 7 (Kaltimon vaikutuspiirissä eli Uitonvirran yläpuolella noin klo 8) ja illalla noin klo 19 (20). Haapavirran Uitonvirran vedenkorkeuden vaihtelu on vähäistä johtuen suuresta virtausnopeudesta ko. jokiosuudella. Kuvissa 4 ja 5 on esitetty vedenkorkeuden vaihtelut ajan funktiona muutamassa kohdassa väleillä Hiirenvesi Kaltimo ja Kuurna Joensuu Pielisjoen (Kaltimo) virtaamalla 240 m 3 /s ±30 %. Kuvissa on keskenään erilaiset pystyakselin (vedenpinnan) korkeusskaalat.
8 Vedenkorkeu [NN+m] QKaltimo=240 m 3 /s, vrk-säätö ±30% RS 43460 Kaltimo, ala2 RS 41400 Alusvesi RS 36210 Jakokoski RS 33740 Mönnin silta RS 32100 Uitonvirta RS 26420 Kangasvesi RS 23540 Paihola RS 21040 Paihola, ala RS 19240 Kuurna, ylä2 84.60 84.55 84.50 84.45 84.40 84.35 84.30 84.25 84.20 84.15 84.10 84.05 84.00 83.95 83.90 83.85 83.80 83.75 3:00 6:00 9:00 12:0015:0018:0021:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:0015:0018:0021:00 0:00 3:00 6:00 9:00 Kuva 3. Vedenkorkeuden vaihtelu [m] ajan funktiona yhdeksässä kohdassa välillä Kaltimo Kuurna Pielisjoen (Kaltimo) virtaamalla 240 m 3 /s ±30 %. 93.60 QKaltimo=240 m 3 /s, vrk-säätö ±30% RS 55420 Hiirenvesi RS 51560 Häihänniemi RS 48980 Eno RS 44450 Kaltimo, ylä2 93.55 Vedenkorkeu [NN+m] 93.50 93.45 93.40 93.35 93.30 3:00 6:00 9:00 12:0015:0018:0021:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:0015:0018:0021:00 0:00 3:00 6:00 9:00 Kuva 4. Vedenkorkeuden vaihtelu [m] ajan funktiona neljässä kohdassa välillä Hiirenvesi Kaltimo Pielisjoen (Kaltimo) virtaamalla 240 m 3 /s ±30 %.
9 QKaltimo=240 m 3 /s, vrk-säätö ±30% 76.90 RS 18100 Kuurna, ala2 RS 15460 Ristisaari RS 11940 Kilvenvirta RS 7740 Jynkkä RS 300 Joensuu, ylä 76.80 76.70 Vedenkorkeu [NN+m] 76.60 76.50 76.40 76.30 76.20 76.10 76.00 3:00 6:00 9:00 12:0015:0018:0021:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:0015:0018:0021:00 0:00 3:00 6:00 9:00 Kuva 5. Vedenkorkeuden vaihtelu [m] ajan funktiona viidessä kohdassa välillä Kuurna Joensuu Pielisjoen (Kaltimo) virtaamalla 240 m 3 /s ±30 %. Virtaamatilanteessa 240 m 3 /s ±30 % kokeiltiin myös sellaista ajorytmiä, että Kaltimon ja Kuurnan virtaamamuutos tapahtuu minimistä maksimiin ja päinvastoin 15 minuutissa tavallisesti käytetyn puolen tunnin sijaan. Tällä ei kuitenkaan ollut käytännössä merkitystä vedenkorkeuden tai virtausnopeuden vaihteluiden suuruuteen eikä myöskään niiden muutosnopeuteen muualla kuin voimalaitosten läheisyydessä. Virtaamatilanteessa 350 m 3 /s ±15 % mallinnusta kokeiltiin myös Pyhäselän vedenkorkeudella NN+76,20 m muuten laskennassa käytetyn Pyhäselän vedenkorkeuden NN+75,90 m sijaan. Tämä tapahtui muodostamalla uusi Pielisjoen purkautumiskäyrä / alapuolinen purkautumisehto Pyhäselän vedenkorkeudelle 76,20 m. Pyhäselän vedenkorkeudella ei kuitenkaan ollut mainittavaa vaikutusta Pielisjoen vedenkorkeuden tai virtausnopeuden vaihtelun suuruuteen Kuurnan ja Pyhäselän välillä, Kuurnan yläpuolella vaikutusta ei luonnollisesti ollut lainkaan. Vedenkorkeudet Kuurnan ja Pyhäselän välillä Pyhäselän mallinnetulla vedenkorkeudella NN+76,20 m olivat yleisesti hieman suuremmat ja toisaalta virtausnopeudet hieman pienemmät kuin normaalitilanteen mallinnuksessa, jossa Pyhäselän vedenkorkeus oli NN+75,90 m. Virtausnopeudet Virtausmallinnuksessa saadaan tuloksena myös virtausnopeudet joen eri kohdissa ajan funktiona. Virtausnopeuden vaihtelut saattavat vaikuttaa joen virkistyskäyttöön ja vesiliikenteeseen sekä ekologiaan. Kuvassa 6 on esitetty suurimmat virtausnopeuden vaihtelut Pielisjoen eri kohdissa eri säätövaihtoehdoilla. Taulukossa 3 on esitetty samat tulokset laajemmin. Kuvassa 7 on esitetty virtausnopeudet ajan funktiona eri kohdissa Pielisjokea säätövaihtoehdolla 240 m 3 /s ± 30 %. Yleisesti ottaen mitä suurempi virtausnopeus tietyssä joen kohdassa on, sitä suurempi on myös nopeuden määrällinen vaihtelu. Sen sijaan virtausnopeuksien prosentuaalisessa vaihtelussa joen eri kohdissa saman säätövaihtoehdon sisällä ei esiintynyt merkittäviä eroja.
10 Suurimmat virtausopeuden vaihtelut eri paikoissa eri säätövaihtoehdoilla [m/s] 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 Q160 ±15 % Q240 ±15 % Q350±15 % Q240±30 % Q310±30 % Q240±50 % 0.00 Kuva 6. Suurimmat virtausnopeuden vaihtelut eri paikoissa eri säätövaihtoehdoilla. Taulukko 3. Virtausnopeuden maksimivaihtelut [m/s] Pielisjoella eri säätövaihtoehdoilla. SUURIN VIRTAUSNOPEUDEN [m/s]vaihtelu ERI VIRTAAMATILANTEISSA Paikka Q160 ±15 % Q240 ±15 % Q350±15 % Q240±30 % Q310±30 % Q240±50 % Paaluluku Hiirenvesi 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.03 RS 55420 Häihänniemi 0.11 0.14 0.18 0.28 0.31 0.48 RS 51560 Eno 0.07 0.10 0.13 0.19 0.22 0.32 RS 48980 Kaltimo ylä 2 0.02 0.03 0.05 0.07 0.08 0.11 RS 44450 Kaltimo, ylä 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 RS 43900 Kaltimo, ala 0.13 0.18 0.26 0.37 0.46 0.61 RS 43850 Kaltimo ala 2 0.13 0.19 0.27 0.38 0.47 0.63 RS 43460 Alusvesi 0.01 0.01 0.02 0.03 0.03 0.04 RS 41400 Jakokoski 0.08 0.08 0.10 0.17 0.19 0.29 RS 36210 Mönnin silta 0.07 0.08 0.10 0.16 0.18 0.27 RS 33740 Uitonvirta 0.21 0.25 0.34 0.50 0.60 0.85 RS 32100 Kangasvesi 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 RS 26420 Paihola 0.01 0.01 0.02 0.03 0.03 0.04 RS 23540 Paihola ala 0.04 0.06 0.09 0.12 0.15 0.20 RS 21040 Kuurna ylä 2 0.03 0.05 0.08 0.10 0.13 0.17 RS 19240 Kuurna, ylä 0.05 0.07 0.11 0.15 0.20 0.25 RS 18900 Kuurna, ala 0.11 0.15 0.21 0.30 0.37 0.49 RS 18750 Kuurna ala 2 0.10 0.13 0.18 0.27 0.33 0.44 RS 18100 Ristisaari 0.11 0.14 0.19 0.28 0.34 0.48 RS 15460 Kilvenvirta 0.10 0.13 0.14 0.25 0.28 0.42 RS 11940 Jynkkä 0.08 0.09 0.09 0.18 0.17 0.30 RS 7740 Joensuu ylä 0.08 0.11 0.11 0.21 0.23 0.34 RS 300
11 Virtausnopeus [m/s] Virtausnopeus, QKaltimo=240 m 3 /s, vrk-säätö ±30% RS 51560 Häihänniemi RS 48980 Eno RS 44450 Kaltimo ylä2 RS 33740 Mönnin silta RS 32100 Uitonvirta RS 23540 Paihola RS 19240 Kuurna, ylä2 RS 15460 Ristisaari RS 300 Joensuu ylä 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 3:00 6:00 9:00 12:0015:0018:0021:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:0015:0018:0021:00 0:00 3:00 6:00 9:00 Kuva 7. Virtausnopeudet [m/s] ajan funktiona eri kohdissa Pielisjokea Kaltimon virtaamalla 240 m 3 /s ±30 %. Alusveden ja Kangasveden virtausnopeudet ovat samaa suuruusluokkaa kuin alinna näkyvän Paiholan nopeudet. Pielisjoki on useissa kohdissa varsin leveä ja poikkileikkaukseltaan laaja, joten virtausnopeudet tai niiden määrälliset vaihtelut eivät muodostu kovin suuriksi isoillakaan virtaamamuutoksilla. Suurimmat virtausnopeudet ja niiden muutokset esiintyvät Haapavirran-Uitonvirran, Häihänniemen sekä Ristisaaren kohdalla. Suhteellisesti suuria virtausnopeuden muutoksia kuitenkin esiintyy muuallakin, vaikka itse virtausnopeudet ja niiden määrällinen muutos eivät olekaan kovin suuria. Laskentatarkkuus Virtausmallinnuksessa käytetty poikkileikkausaineisto on vuodelta 1990 eli yli 20 vuotta vanha, ja uoman poikkileikkausprofiilit ovat luultavasti muuttuneet jonkin verran mittausajankohdasta nykyhetkeen. Uoman poikkileikkausten karkeuskertoimia säätämällä kuitenkin saadaan poikkileikkauksissa mahdollisesti tapahtuneet muutokset kompensoitua laskentatarkkuuden merkittävästi siitä kärsimättä. Myös poikkileikkausten välinen etäisyys vaikuttaa laskentatarkkuuteen erityisesti uoman muutoskohdissa: mitä tiheämmässä poikkileikkauksia on, sitä parempi laskentatarkkuus saavutetaan. Olennainen tekijä laskentatarkkuuden kannalta on kalibrointiaineiston tarkkuus ja erityisesti alueellinen edustavuus. Nyt tehtyjen laskentojen kalibroinnin perustana olleiden Pielisjoen vedenkorkeushavaintojen kattavuus koko jokijaksoa ajatellen oli melko suppea, virtaamatilanteesta riippuen vain 6 9 vedenkorkeushavaintoa noin 70 kilometrin jokiosuudella. Vedenkorkeuden havaintopisteiden (kalibrointipisteiden) välillä erityisesti, jos uoman profiili siellä muuttuu paljon saattaa laskentatarkkuus kärsiä. Laskentatarkkuutta näillä välijaksoilla voitaisiin parantaa tekemällä vedenkorkeushavaintoja eri virtaamatilanteissa kattavasti koko jokiosuudelta. Laskentatarkkuutta kontrolloitiin mm. 4.10.2012 tehdyillä Pielisjoen vedenkorkeushavainnoilla vertaamalla niitä laskettuihin arvoihin. Verrattaessa 4.10. tehtyjä vedenkorkeushavaintoja laskentatuloksiin tultiin siihen johtopäätökseen, että jokiuoman poikkileikkauksia (tai karkeuskertoimia) ei kannata muuttaa laskennassa jo käytetyistä arvoista. Ainoa paikka, missä sitä vakavasti harkittiin, oli Paiholan ja Kuurnan välillä olevan vanhan venekanavan kohta. Siellä poikkileikkausten suuret keskinäiset välimatkat aiheuttavat todennäköisesti jonkin verran virhettä laskentaan, mutta pienehkö virhe kohdistunee lähinnä Kuurnan voimalaitoksen ja vanhan venekanavan väliselle jokiosuudelle.
12 Kuurnan alapuolella laskentatarkkuuteen vaikuttaa heikentävästi se, että laskennassa Pyhäselän vedenkorkeutena käytettiin vain keskivedenkorkeuden mukaista tasoa. Tämä ei kuitenkaan olennaisesti vaikuta itse säädöstä johtuvien vedenkorkeuden tai virtausnopeuden muutosten suuruuteen, joten laskennan perusteella voidaan hyvin arvioida säädön vaikutuksia. Lyhytaikaissäädön vaikutuksia vedenkorkeuksiin voitaisiin todennäköisesti jonkin verran vähentää avartamalla Pielisjoen uomaa sellaisista kohdista, joissa vetokyky ei selvästi ole riittävä ja joissa sen takia esiintyy padotusta. Johtopäätökset Tehtyjen laskentojen ja niiden tulosten perusteella saadaan melko tarkka kuva eri säätövaihtoehtojen vedenkorkeus- ja virtaamamuutosten suuruusluokasta. Mikäli Pielisen säännöstelylupaa päätetään hakea, on mahdollista, että hakemussuunnitelmaa varten täytyy tehdä lisälaskentaa tai -arvioita mm. lyhytaikaissäännöstelyn hyödyistä sekä tarkemmista vedenkorkeus- ja virtaamavaikutuksista tietyillä optimoiduilla ajorytmeillä niin, että käytettävissä on tarkempia Pielisjoen vedenkorkeus-virtaamahavaintoja sekä mahdollisesti kattavampia poikkileikkaustietoja joesta. Myös mm. ekologiset vaikutukset ja vaikutukset joen virkistyskäyttöön tulee selvittää. Laskennassa käytetyt ajorytmit ovat esimerkkejä siitä, miten joen virtaamaa voitaisiin säätää. Todellisuudessa ajorytmit olisivat jonkin verran erilaisia johtuen mm. vaihtelevasta säätötarpeesta, jota ei voida tarkasti ennakoida pitkälle tulevaisuuteen. Käytettyjen ajorytmien laskentatulosten perusteella voidaan melko hyvin arvioida joen käyttäytyminen myös muunlaisilla ajorytmeillä ja virtaamatilanteilla. Esimerkkinä toisenlaisesta ajorytmistä voi mainita viikkosäännöstelyn, jolloin virtaama on pääsääntöisesti viikonloppuisin vähäisempi ja arkena suurempi. Koska vedenkorkeuden ja virtausnopeuden vaihtelut ehtivät asettumaan nyt mallinnuksessa käytetyssä 12 tunnin jaksossa minimiinsä ja maksimiinsa, voidaan laskentatulosten perusteella arvioida myös viikkosäännöstelyn vaikutuksia. Myös lyhytaikaisemman tuntikohtaisen säädön vaikutuksia voidaan arvioida suuntaa-antavasti nyt saaduista laskentatuloksista. Laskennassa käytettyjen, suuruusluokaltaan erilaisten säätövaihtoehtojen laskentatuloksia voidaan hyödyntää arvioitaessa Pielisjoen lyhytaikaissäädön erilaisten vaihtoehtojen hyväksyttävyyttä joen eri käyttömuotojen kannalta silloin, kun päätetään koko Pielisen mahdollisen säännöstelyhankkeen jatkosta. Tarkempi säädön voimakkuus sekä riippuvuus joen olosuhteista, kuten virtaamasta, jäätilanteesta ja vuodenajasta voidaan optimoida tarkemman analyysin perusteella. Joka tapauksessa Pielisjoen mahdollisen lyhytaikaissäädön reunaehdot tulisi asettaa niin, että haittavaikutukset saataisiin minimoitua ja hyödyt maksimoitua joustavalla, joen ominaisuudet ja eri käyttömuodot huomioivalla tavalla.
Liitteet Liite 1. Virtaamamallinnuksessa käytettyjen Pielisjoen poikkileikkausten ja paalulukujen likimääräiset sijainnit välillä Joensuu Uitonvirta. 13
Liite 2. Virtaamamallinnuksessa käytettyjen Pielisjoen poikkileikkausten ja paalulukujen likimääräiset sijainnit välillä Uitonvirta Uimaharju. 14
Liite 3. Pielisjoen virtausmallinnuksen kalibrointitulokset sekä virtaamalla 364 m 3 /s tehdyt vertailumittaukset. 15 KALIBROINTILASKENNAN VEDENKORKEUDET [m] JA VEDENKORKEUSHAVAINNOT Kaltimon virtaama Q=452 m 3 /s Q=364 m 3 /s Q=241 m 3 /s Q=159 m 3 /s Q=126 m 3 /s pl laskettu havaittu laskettu mitattu laskettu havaittu laskettu havaittu laskettu havaittu Pielinen (Ahveninen) 75000 94.39 94.40 94.06 93.60 93.60 93.23 93.21 92.98 92.98 Hiirenvesi 55420 94.24 94.23 93.96 93.54 93.53 93.21 93.20 92.95 92.95 Kaltimo, ylä 43900 94.10 94.10 93.84 93.47 93.47 93.14 93.14 92.90 92.90 Kaltimo, ala 43850 84.73 84.72 84.57 84.65 84.32 84.33 84.15 84.16 84.07 84.06 Alusvesi 41800 84.64 84.46 84.46 84.21 84.10 84.04 Jakokoski 36210 84.57 84.57 84.39 84.40 84.16 84.15 84.07 84.06 84.03 84.04 Jakokoski, ala 35880 84.55 84.38 84.37 84.15 84.07 84.02 Uitonvirta, ala 31100 84.11 84.05 84.12 83.99 83.99 83.95 Kangasvesi 29600 84.05 84.01 84.08 83.97 83.99 83.94 Paihola 23250 84.00 83.97 84.05 83.94 83.98 83.93 Paihola, ala 21000 83.95 83.94 84.02 83.93 83.97 83.93 Koskisaari Kuurna 20500 83.93 83.93 83.96 83.92 83.97 83.92 Kuurna, ylä 18900 83.87 83.87 83.88 83.90 83.90 83.90 83.96 83.96 83.91 83.91 Kuurna, ala 18750 77.76 77.29 77.39 76.60 76.60 76.09 76.08 75.74 Uuro 18050 77.73 77.26 77.37 76.58 76.06 75.72 Lehmonsaari 11700 77.45 77.02 77.18 76.41 75.92 75.62 Jynkkä, ylä 8500 77.26 76.87 77.10 76.32 76.28 75.85 75.57 Jynkkä 7740 77.22 76.84 76.29 75.82 75.81 75.55 Kulhonselkä Utra, ylä 6100 77.21 76.84 77.08 76.29 75.82 75.55 Leveälahti Utra, ala 4700 77.17 76.80 77.03 76.27 75.81 75.54 Pekkalan silta 820 77.07 76.71 76.94 76.21 75.78 75.50 Joensuu, ylä 300 77.05 76.70 76.20 76.20 75.78 75.78 75.50 Joensuu, ala 75.98 75.63 Karkeuskertoimen vaihtelu 0,02-0,034 0,02-0,036 0,016-0,045 0,015-0,045 0,021-0,047