Kasvillisden vaiktksen mallintaminen virtakseen ja sedimenttien klketmiseen lonnonmkaisen vesirakentamisen näköklmasta Mallinnsseminaari, 1.4.2015 Kaisa Västilä ja Jha Järvelä
Kasvillisden vaiktsten mallintamisen kehittäminen on tärkeää Kasvilliss vaikttaa homattavasti omien virtasoloihin ja aineiden (mm. sedimentti, ravinteet) klketmiseen -> mallintaminen tärkeää mm. tlvanhallinnassa ja lonnonmkaisessa vesirakentamisessa Monimotoisen lonnonkasvillisden kvas hydralisissa malleissa on vaikeaa - yksinkertaistett arviointi esim. kirjallissarvojen persteella, kalibroimalla tai olettamalla kasvit jäykiksi yksinkertaisenmotoisiksi kappaleiksi - lotettavampaa olisi käyttää mitattaviin, fysikaalispersteisiin ominaisksiin pohjatvaa kasvillisden parametrisointia
Ttkimksen tavoitteet Virtas-kasvilliss-sedimentti-vorovaikts Lehtipiden biomekaniikka homioiden sekä lehvästön että varren: voima ja mototminen virtaksessa 5 tlvatasanneplajille (virtaskorkoe) Virtasvastksen ennstaminen kaksitasoomissa käyttäen fysikaalispersteisia ja helposti mitattavia kasviominaisksia (maastottkims) Tlvatasannekasvillisden vaikts hienon sedimentin klketmiseen käyttäen mitattavia kasviominaisksia (maastottkims)
Korkestaso (m) Ritobäckenin kaksitasooma Valma-ale 10 km 2 : 13% viljelyaleita, lopp pääosin metsiä ja soita Maaperä savea-silttiä Keskivirtaama n. 115 l/s Kokonaisleveys n. 10 m Tasanne veden peitossa n. 1-4 kkatta vodesta Snnittel: Udenmaan ELY + Ympäristötekniikan insinööritoimisto Jami Aho (lisätietoa: Särkelä ym. 2011, Västilä & Järvelä 2011) 5 kasvikoealaa: rohovartiset (Grasses-N, -D, -U), paja kasvava (Willows-M) ja kasviton (Bare-M) 17.0 Tyypillinen poikkileikkas Tlvatasanne Pääoma 16.5 Keskim. vedenkorkes 16.0 15.5 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 Etäisyys penkasta (m)
Virtas-kasvilliss-sedimentti-vorovaiktkseen liittyvät maastomittakset vosina 2010-2013 Poikkileikkasgeometrian kehitys koealoilla Virtasvasts koealoilla vedenpinnankorkeksien avlla Jatkvatoiminen virtaama- ja kiintoainemittas 2 kohdassa omaa Kasviominaisksien määritys (pinta-alat, massat, poikkileikkaksen peittävyys, vertikaalinen rakenne ym.) Kaisa Västilä Vesitekniikka kaisa.vastila@aalto.fi
Virtaskorttkimsten analyysit lehtipille Common Osier (Salix viminalis) (Koripaj) hybrid Crack Willow (Salix x rbens) (Kjapaj) Common Alder (Alns gltinosa) (Tervaleppä) Silver Birch (Betla pendla) (Radskoiv) + Black Poplar (Popls nigra) (Mstapoppeli) Force Flow Voima-antri Varren pinta-ala Lehtiala, -massa ym.
Pvartisten kasvien parametrisointi virtasmallia varten Virtasopissa elementtiin kohdistva vastsvoima F : F 1 2 C D A c 2 m Missä ρ = nesteen tiheys, C D = vastskerroin, A c = referenssipinta-ala, m = keskimääräinen virtasnopes Kasvin kokonaisvoima voidaan ennstaa smmaamalla varsien ja lehvästön voima (Västilä & Järvelä 2014) -> määritettiin kormittaksista C D -arvo varsille (C D,S ) ja lehvästölle (C D,F ) käyttäen varsien projektiopinta-alaa (A S ) ja lehvästön kokonaispinta-alaa A L : (Västilä & Järvelä 2014) -C D -arvo mtt, koska lonnonkasvilliss motot virtasnopeden mkaan -> tämä rekonfigraatio tlee parametrisoida
Rekonfigraation parametrisointi ennstettaessa virtasvaststa Homioidaan rekonfigraation (sisältää mm. varren taipmisen ja lehtien mototmisen) vaikts vastskertoimiin termeillä (Västilä & Järvelä 2014): missä C Dχ =vastskerroin joka ei riip virtasnopedesta, χ=mototmiskerroin, m =keskinopes, χ =referenssinopes (0.2 m/s), ja alaindeksit F ja S tarkoittavat erikseen lehvästölle ja varsille määritettyjä parametreja. Aberle & Järvelä (2013): Voimasta (F) päästään virtasvastkseen (f tot ) : missä A B =pohjan pinta-ala, ja slt <> tarkoittavat spatiaalista keskiarvoistamista S S m S D D S C C,,, F F m F D D F C C,,, B m tot A F f 2 8 ''
Pvartisen kasvillisden virtasvastksen (f tot ) mallintaminen lehtialan (A L ) ja varsialan (A S ) avlla Edellisistä kalvoista johdetaan (Västilä & Järvelä 2014): f '' tot 4 A B ALC D, F m, F F A C S D, S m, S missä A B =pohjan pinta-ala, C Dχ =vastskerroin, χ=mototmiskerroin, m =keskinopes, χ =referenssinopes (0.2 m/s) ja alaindeksit F ja S tarkoittavat erikseen lehdille ja varrelle määritettyjä parametreja. Viivat kvaavat mallinnettja arvoja, symbolit mitattja arvoja (Västilä & Järvelä 2014 ) S Menetelmän soveltamiseksi jo ttkitille lajeille tarvitsee vain tiedon A L :stä ja A B :stä. Västilä & Järvelä (2014 ): Parametrien arvot 5 plajille Keskivirhe f :ssa eri lajeille: 6-24 % Menetelmää voi käyttää esim. arvioimaan pajpistokkaiden tai - pensaiden vaiktsta virtakseen
Korkestaso (m) Virtasvastksen kvaaminen (Manningin n) kaksitasoomassa Rohovartiselle kasvillisdelle poikkileikkaksen peittävyys kvasi parhaiten virtasvaststa Peittävyys B x =kasvillisden peittämä poikkipinta-ala shteessa veden alla olevaan kokonaisomapinta-alaan (A veg /A total ) kllakin vedenkorkedella 17.0 16.5 16.0 A veg Veden korkes h veg 15.5 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 Etäisyys oman renasta (m) 10.0 missä =keskinopes, R=hydralinen säde ja S=energiakaltevs Peittävyys ei kvannt hyvin harvempia pajja (Willows-M) -> pvartisille kasveille täytyy mallintaa myös kasvillisden tiheyden ja rakenteen vaikts (esim. Västilä & Järvelä (2014) mallilla)
Alnperin vesikasvillisdelle kehitetyn prosessipersteisen kaksitasovirtasmallin (Lhar & Nepf 2013) soveltaminen simloimaan virtaamat Ritobäckenin tlvatasannekasvillisden lomassa Virtasnopes kasvillisden peittämissä osissa poikkileikkasta ( v ) ja kasvittomissa kohdissa poikkileikkasta ( 0 ) (Lhar & Nepf 2013): * 2 * 2 ( 0) v PB X CvLv v 1/ 2 gsh ) CDaPhB X * 0 ( 0 2 (1 ) 1 / 2 ( ) P BX gsh C f Lb CvLv 1 / 2 1/ 2 missä g=gravitaatiovakio, S=(vedenpinnan)kaltevs, H=vedenkorkes, P=märkäpiiri, B x =kasvillisden peittämä shteellinen poikkipinta-ala, C v =vastskerroin,joka kvaa leikkasjännityksen kasvillisden ja paljaan veden rajapinnassa, C f =vastskerroin, joka kvaa pohjan leikkasjännityksen, L v =kasvillisden ja paljaan veden rajapinnan kokonaispits, L b =oman renojen ja paljaan veden välinen kokonaispits, C D =kasviyksilön vastskerroin, a=kasvillisden projektiopinta-ala tilavsyksikköä kohden, h=kasvillisden korkes Virtaama kasvillisden peittämässä osassa poikkileikkasta = B x v ; virtaama kasvittomassa osassa poikkileikkasta = (1- B x ) 0 C v =C f =C kalibroitiin yhdellä vedenkorkedella
Lhar & Nepf (2013)- mallin soveltaminen kaksitasooman virtasvastksen ennstamiseksi Poikkileikkaksen keskimääräinen virtasnopes = B x v + (1- B x ) 0 Kaksitasoomalle L v + L b P. C f :n ja C v :n vaihtelvälit ovat ~ samat (Lhar & Nepf 2013) -> oletetaan: C f =C v =C Lhar & Nepf (2013): virtasnopes tiheässä kasvillisdessa on ~ kertalokkaa alhaisempi kin kasvittomassa osassa omaa -> jätetään homioimatta v, koska tlvatasanteen rohokasvilliss oli tiheää Näillä oletksilla ja käyttämällä Manningin n:n kaavaa malli saadaan motoon 1/ 2 1/ 2 g C 1 Bx 1/ 6 n KH 2 3/ 2 missä C=vastskerroin, joka parametrisoi kasvittoman oman vastksen sekä kasvillisden ja kasvittoman aleen rajapinnan vastksen, g=gravitaatiovakio, K=1 m 1/3 /s, H=vedenkorkes ja B x =kasvillisden peittämä shteellinen poikkipinta-ala
Ritobäckenin rohovartista tlvatasannekasvillistta kasvavan kaksitasooman virtasvastksen ennstaminen Ed. Kalvolla: g n KH 1/ 2 1/ 6 C 2 1/ 2 3/ 2 1 Bx missä C=vastskerroin joka parametrisoi kasvittoman oman vastksen sekä kasvillisden ja kasvittoman aleen rajapinnan vastksen, g=gravitaatiovakio, K=1 m 1/3 /s, H=vedenkorkes ja B x =kasvillisden peittämä shteellinen poikkipinta-ala Kalibroitiin ainoastaan vodenajan vaikts C-arvoon yhdellä syksy- ja kevättilanteella. Keskivirhe Manningin n:ssä eri vodenaikoina 6-17% -> virtasvastksen ennstamiseksi ainoa tarvittaa kasviominaiss oli peittävyys!
Kasvillisden ominaisksien vaikts sedimentin nettokasatmiseen eri osissa omaa 2 voden aikana Kasvillisden ylivirtaamilla poksissa oleva korkes (H) selitti kasatmista kasvillisden kiva- ja märkämassaa paremmin Kasatminen oli sitä srempaa, mitä srempi oli kasvillisden srin poksissa oleva korkes 190 m pitkälle tasanteelle kasati kiintoainetta 5.4 kg/m 2 /a eli 0.7 cm/m 2 /a eli n. 5.5 % oman kiintoainekormasta
Advektion ja diffsion vaikts sedimentin kasatmiseen tasanteelle Lateraalinen diffsio to pääomasta sedimenttiä tasanteelle, mtta tiheä kasvilliss estää tehokkaan diffsiokljetksen tasanteen sisäosiin Ritobäckenin kiintoaineflokkien raekokojakamaa (Siitonen ym. 2013) käyttämällä simloitiin advektion max. pitsskaala x a Zong ja Nepfin (2011) yhtälöllä: x h/ w a v s missä v =virtasnopes kasvillisdessa (voidaan ennstaa aiemmin esitellyillä malleilla) ja w s =sedimentin lasketmisnopes= 2.7 10-7 D 1.57 ja D =flokkien läpimitta (μm) (Thonon ym. 2005). Esim. 40 m matkalla tasanneosdelle advektion mkana tlevasta kiintoaineesta kolmannes oli kasatnt, kn virtasnopes tlvatasannekasvillisden lomassa oli 0.01 m/s ja vesisyvyys 0.2 m. Kasatmisen kannalta kiintoaineen leviäminen pääomasta tlvatasanteelle advektion mkana on tärkeää säännölliset matalan tasannekasvillisden aleet kasvattavat merkittävästi kasatmista -> tällöin Ritobäckenin 850 m pitkälle kasvitetlle tasanteelle voisi kasata arviolta n. 20% savi- ja silttikokoisesta kiintoainekormasta
Johtopäätökset lonnonmkaisen vesirakentamisen näköklmasta P- ja rohovartisen kasvillisden mitattavilla ominaisksilla voidaan mallintaa vaikts omien virtasnopeksiin ja vedenkorkeksiin sekä arvioida vaiktsta sedimenttiprosessihin. -> esitellyt kasviparametrisoinnit voidaan sisällyttää hydralisiin malleihin Kasviominaisksia mttamalla, esim. paikoittaisella tai kattavalla niittämisellä, voidaan säätää omien vedenkorkeksia, sekä vaikttaa siihen, tapahtko omissa kasatmista, eroosiota vai sedimentin läpivirtasta. Mallien jatkohyödyntäminen esim. kehitettäessä keinoja, joilla voidaan tehokkaimmin vaikttaa ravinteiden klketmiseen omaverkostoissa.
Lisätietoja Aberle, J., and J. Järvelä (2013), Flow resistance of emergent rigid and flexible vegetation, J. Hydral. Res., 51(1), 33 45, doi:10.1080/00221686.2012.754795. Lhar, M., and Nepf, H. (2013). From the blade scale to the reach scale: A characterization of aqatic vegetative drag. Adv. Water Resor., 51, 305 316. doi:10.1016/j.advwatres.2012.02.002. Siitonen, N., Västilä, K. & Järvelä J. 2014 Hienojakoisen sedimentin klketminen ja kasatminen maatalosomissa. Vesitalos 54(6): 30-34. Särkelä, A., Alaskari, H. & Västilä, K. Lonnonmkaisen kivatshankkeen vesistövaiktkset ja omassa tapahtvat mtokset. Loppraportti http://www.ymparisto.fi/download/noname/%7b01cafe1e-d0d0-4437-a5b7- C7928B83E352%7D/100309 Thonon, I., Roberti, J. R., Middelkoop, H., van der Perk, M., and Brrogh, P. A. (2005). In sit measrements of sediment settling characteristics in floodplains sing a LISST-ST. Earth Srf. Process. Landforms, 30, 1327 1343. doi: 10.1002/esp.1239. Västilä, K. & Järvelä, J. 2011 Environmentally preferable two-stage drainage channels: considerations for cohesive sediments and conveyance. Intl. J. River Basin Management. DOI: 10.1080/15715124.2011.572888. http://www.tandfonline.com/eprint/wc2jczvjibdzdy3mxe5/fll Västilä, K., Järvelä, J & Aberle, J. 2013 Characteristic reference areas for estimating flow resistance of natral foliated vegetation. J. Hydrol., 492, 49 60, doi: 10.1016/j.jhydrol.2013.04.015. Västilä, K. & Järvelä, J. 2014 Modeling the flow resistance of woody vegetation sing physically-based properties of the foliage and stem. Water Resorces Research 50(1): 229-245. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013wr013819/abstract. Västilä, K., Järvelä, J. & Koivsalo, H. 2015 Flow-vegetation-sediment interaction in a cohesive two-stage channel. Lähetetty arvioitavaksi Jornal of Hydralic Engineering -lehteen. Zong, L., and Nepf, H. (2011). Spatial distribtion of deposition within a patch of vegetation. Water Resor. Res., 47, W03516. doi:10.1029/2010wr009516.
Kiitos! Ttkimsta ovat tkeneet Somen Akatemia, Maa- ja vesitekniikan tki ry, Maa- ja metsätalosministeriö, Oskar Öflndin säätiö, Emil Aaltosen säätiö, VALUEttkijakol ja Tekniikan edistämissäätiö. Kiitos Udenmaan ELY-keskkselle, Vantaanjoen ja Helsingin sedn vesiensojelyhdistykselle sekä Ritobäckenin maanomistajille yhteistyöstä. Kaisa Västilä Vesitekniikka Aalto-yliopisto kaisa.vastila@aalto.fi