Merikosken voimalaitoksen vahingonvaaraselvityksen päivitys. Etelärannan maapadon ja lamellipadon päivitys suurtulvavirtaamalle

Oulun Energia Oulun kaupunki, tekninen keskus Merikosken voimalaitoksen vahingonvaaraselvityksen päivitys. Etelärannan maapadon ja lamellipadon päivitys suurtulvavirtaamalle HQ1/250 22.12.2004

2 SISÄLLYSLUETTELO 1 YLEISTÄ...4 1.1 Selvityksen tarkoitus...4 1.2 Aiemmat vahingonvaaralaskelmat...5 1.3 Sovitut tavoitteet päivitykselle...5 2 ALUEEN KUVAUS...6 2.1 Voimalaitos ja hydrologiset tiedot...6 2.2 Allas ja patorakenteet...7 3 SELVITYKSESSÄ KÄYTETYT LASKENTAMENETELMÄT JA MALLIT...8 3.1 Maastomalliaineisto...8 3.2 Patomurtumasimulointi...9 3.3 Dynaaminen virtausmalli...9 3.4 Laskennan kalibrointi ja laskennassa käytetyt karkeuskertoimet...9 3.4.1 Montta-Merikoski jokimalli...9 3.4.2 Lamellipadon alapuolinen kauneusallas...14 3.4.3 Lasaretinhaara...24 4 PATOMURTUMAT...29 4.1 Yleistä...29 4.2 Lamellipadon murtuma...29 4.3 Etelärannan maapadon murtuma...31 5 PATOMURTUMA-AALLON LASKENTA...33 5.1 Lamellipato...33 5.2 Etelärannan maapato...36 5.3 Vesistön lähtövirtaamien vaikutus murtumavirtaamiin...38 5.3.1 Lamellipato...38 5.3.2 Etelärannan maapato...38 6 PATOMURTUMAN AIHEUTTAMA VAHINGONVAARA...39 6.1 Lamellipato...39 6.2 Etelärannan maapato...41 6.2.1 Yleistä...41 6.2.2 Sillat...41 6.2.3 Tiet...43 6.2.4 Rakennukset...44 6.2.5 Kunnallistekniikka...44 6.2.6 Erityiskohteet...44 6.3 Vahingot Tuiran siltojen alapuolella...45 6.4 Vahingot murtuma-alueen yläpuolisella jokijaksolla...47 7 TOIMINNALLINEN TARKASTELU...48 7.1 Hätäjuoksutuskapasiteetti mitoitustulvalla...48 8 ARVIO PADON LUOKITUKSESTA...49 8.1 Lamellipato...49 8.2 Etelärannan maapato...49 8.3 Muut padot...50 LÄHDETEOKSET...51

3 Liitteet 1 a.) Lamellipadon murtuma, tulvatulokset 0,5 h, karttakuva 1:5 000 b.) Lamellipadon murtuma, maksimisyvyydet, karttakuva 1:5 000 c.) Lamellipadon tulva-aallon seurantatulokset numeerisena 2 a.) Etelärannan maapadon murtuma, tulvatulokset 2, 3, 4, 6 h ja Wmax, karttakuva 1:5 000 b.) Etelärannan maapadon murtuma, maksimisyvyydet, karttakuva 1:5 000 c.) Etelärannan maapadon seurantatulokset numeerisena 3. Vahinkokohteet Lamellipadon murtumassa, luettelo 4. Vahinkokohteet Etelärannan maapadon murtumassa, luettelo

4 1 YLEISTÄ 1.1 Selvityksen tarkoitus Vuonna 1998 laadittu vahingonvaaraselvitys päivitettiin käyttämällä Oulujoen virtaamana suurtulvan mukaista lähtötilannetta HQ1/250. Virtaamatilannetta on aiemmissa murtumatapauksissa tarkasteltu siten, että koneistojen virtaama on 450 m 3 /s, mutta tulvaluukut ovat suljetut. Kyseinen tarkastelumalli ei kuitenkaan vastaa patoturvallisuusohjeissa mainittua tulvatilanteen tarkastelua. Meri Merikoski VL Lamellipato Suistoalue Etelärannan maapato Kauneusallas Kuva 1. Rakenteiden sijainti joen alaosalla ja suistoalueella. Tarkemmin voimalaitoksen lähialueen patorakenteet on esitetty kuvassa 3. Vahingonvaaraselvitystä koskevat vaatimukset on esitetty MMM:n patoturvallisuusohjeissa (MMM 7/1997). Ohjeen mukaan patomurtumavaikutukset on selvitettävä sekä normaali- että tulvatilanteessa. Tämän lisäksi on tehtävä toiminnallinen tarkastelu. Toiminnallinen tarkastelu on aiemmissa vahingonvaaraselvityksissa suoritettu mitoitustulvilla HQ 1/5000 HQ 1/700. Aiempien selvitysten mukaan kyseinen mitoitustulva ei aiheuta murtumariskiä. Toiminnallisen tarkastelun yhteydessä on arvioitu Pyhäkosken voimalaitoksen pato-murtuma ja Montan VL maapadon murtuma ja niiden vaikutusta Oulujoen alaosalla. Aiheutuva virtaamahuippu on laskettu Merikoskessa 739 m 3 /s suuruiseksi ja huippu saavutettaisiin joen alaosalla kuuden tunnin kuluttua Pyhäkosken murtumasta. Arvo on laskettu normaalivirtaamalla eikä tulos siten anna vastausta suurtulvatilanteessa tapahtuvien patomurtumien vaikutuksista. Merikoskea ylempänä sijaitsevien patojen murtumista ei tarkastella tämän selvityksen yhteydessä

5 1.2 Aiemmat vahingonvaaralaskelmat Merikosken voimalaitoksen vahingonvaaran osalta on valmistunut aiemmin seuraavat selvitykset: 1.) Kruteleff V., Kuivalainen P. 1988. Merikosken voimalaitoksen vahingonvaaraselvitys. Imatran Voima Oy, 25.1.1988. Lamellipato Etelärannan maapato Pohjoisrannan maatäyttö Juurusojan pato Padon luokitukseksi on esitetty kaikkien patojen osalta N-patoa. 2.) Alatalo Hannu. 1997. Merikosken voimalaitoksen vahingonvaaraselvityksen päivitys padotuskorkeudelle NN+11,00. Voimarakenne Oy. 6.10.1997. Lamellipato Etelärannan maapato Pohjoisrannan maatäyttö Juurusojan pato Padon luokitukseksi esitetty kaikkien patojen osalta N-patoa. 3.) Kuivalainen Pirkko. 1998. Merikosken voimalaitoksen vahingonvaaraselvitys, padotuskorkeus NN+11,00. Imatran Voima. 27.2.1998. Lamellipato Etelärannan maapato Juurusojan pato Padon luokitukseksi esitetty kaikkien patojen osalta N-patoa. Padotuskorkeuden muutoksen jälkeen tehdyistä vahingonvaaraselvityksen tarkistuksista (selvitykset 2 ja 3) ei ole pyydetty Suomen ympäristökeskuksen lausuntoa.. 1.3 Sovitut tavoitteet päivitykselle Merikosken voimalaitoksen vahingonvaaraselvityksen tarkentaminen suurtulvatilanteessa Etelärannan maapenkereen sekä Lamellipadon osalta. Patomurtumasimulointi Lamellipadon ja etelärannan maapadon kohdalta. Laskennan tuloksien perusteella arvioidaan vahinkovaikutukset voimalaitospatojen alaja yläpuolisilla alueilla. Patomurtumien vahingonvaara selvitetään keskivirtaamalla MQ sekä ylivirtaamilla HQ 1/100 sekä HQ 1/250.

6 2 ALUEEN KUVAUS 2.1 Voimalaitos ja hydrologiset tiedot Merikosken voimalaitos on Oulujoen alin voimalaitos sijaiten Oulun kaupungin alueella. Oulujoen vesistöalueen koko Merikosken voimalaitoksen kohdalla on 22 841 km 2 ja järvisyys 11,5%. Merikosken voimalaitoksen putouskorkeus on 11,0 m ja maksimiteho 39,2 MW. Sähköntuotto keskimääräisenä vesivuonna on 190 GWh/a. Virtaamien osalta selvitettiin suurtulvan HQ 1/250 mukainen virtaama kahdella eri menetelmällä. Kuvassa 2 on esitetty virtaaman toistuvuus tilastoanalyysin pohjalta Gumbel-jakaumana. Kuten kuvasta ilmenee on jakauman suurimmat havainnot erikoisen ylhäällä muihin havaintoihin verrattuna. Havaintojen osalta selvitettiin vuodet, jolloin kyseiset korkeat virtaamat ovat esiintyneet. Havainnoissa ei ollut mitään poikkeuksellista ajanjaksoa, johon korkeat virtaamat sijoittuvat. Korkeita arvoja nimittäin esiintyi keskimäärin kerran vuosikymmenen aikana. Kuva 2. Merikosken virtaaman toistuvuus Gumbeljakaumana. Koska oheisen kuvaajan perusteella on aika vaikea arvioida tarkasti virtaamaa HQ 1/250, mietittiin vaihtoehtoista menetelmää oikean virtaaman suuruuden arvioimiseksi. Vaihtoehtoiseksi menetelmäksi valittiin vesistömallin käyttö. Oulujoen vesistömallin laati Suomen ympäristökeskuksen hydrologian yksikkö (Veijalainen&Vehviläinen 2004). Ylivirtaaman HQ 1/250 suuruudeksi saatiin 930 m 3 /s.

Merikoskessa kerran 700 vuodessa toistuva mitoitustulva on Imatran voima Oy:n 8.6.1988 laatiman selvityksen mukaan 1130 m 3 /s ja kerran 5000 vuodessa sattuva mitoitustulva on 1193 m 3 /s. Kyseisiä arvoja on käytetty aiemmin toiminnalliseen tarkasteluun liittyvän juoksutuskapasiteetin riittävyyden arviointiin. 7 2.2 Allas ja patorakenteet Eteläinen maapato on puuponttiseinällä vahvistettu homogeeninen moreenipato. Padon pituus on 320 m, harjan leveys 4,0...5,9 m ja harjan alin korkeustaso NN+ 12,80 m. Tiiviin osan alin ylätaso on NN+ 11,80 m. Luiskan märän ja kuivan puolen kaltevuudet ovat 1:2:een. Kuvassa 3 on esitetty patorakenteiden nimet ja sijainti karttakuvassa. Kuvassa 4 on esitetty voimalaitoksen vaikutusalueen muut patorakenteet. Alkuperäistä puuponttiseinää on etsitty Geobotnian tutkimuksissa vuonna 1978. Tällöin seinän sanottiin olevan lahonnut tasoon NN+ 10,60, mutta pitävän vettä. Padon korotustöiden yhteydessä kesällä 1997 kaivettiin kaksi koekuoppaa läheltä Geobotnia Oy:n koekuoppaa tiivisteen kunnon tarkistamiseksi, mutta tiivisteseinää ei löytynyt suunnitelman mukaiselta kohdalta. Vaikka tiivisteponttiseinä olisi lahonnut tai puuttuisi kokonaan, padon voidaan Voimarakenne Oy:n näkemyksen mukaan katsoa täyttävän patoturvallisuusohjeiden vaatimukset. (Voimarakenne 1.9.1997) Pohjoisrannan maatäyttö Säännöstelypato Merikosken voimalaitos Lamellipato Maalla peitetty lamellipato Lasaretihaaran säännöstelypato Etelärannan maapato Kuva 3. Merikosken voimalaitoksen allasalueen patorakenteet. (c) Oulun kaupunki, kartastopalvelut 2004

8 Saarelan padot Juurusojan pato Kuva 4. Merikosken voimalaitos, vaikutusalueen padot. 3 SELVITYKSESSÄ KÄYTETYT LASKENTAMENETELMÄT JA MALLIT 3.1 Maastomalliaineisto Maastomalliaineisto saatiin Oulun kaupungin tekniseltä keskukselta. Sitä täydennettiin Oulun Energialta saatujen kauneusaltaan syvyystietojen sekä Lasaretinhaaran uoman syvyystietojen osalta. Aineiston käsittelyssä käytettiin ohjelmistona Autocad Land Desktop 2i versiota. Korkeustiedoista, joita oli sekä pistemuotoisina että taiteviivatietoina muodostettiin maastomalli käyttäen Viasys Oy:n VID-GIS 5.04 maastomalliohjelmaa. Sillä muodostettiin laskentapoikkileikkaukset HEC-RAS 3.1.1 ohjelmalle.

9 3.2 Patomurtumasimulointi Patomurtuman simuloinnissa käytettiin ohjelmistona HEC-RAS 3.1.1:in sisältämää patomurtumamallia. Mallissa annetaan aukon pohjanleveys, murtuma-aukon lopullinen muodostumissyvyys, aukon leveys sekä aika jonka kuluessa murtuma-aukko muodostuu maksimiinsa. Tämän lisäksi voitiin valita joko ylivirtaukseen tai suotovirtaukseen perustuva murtumatyyppi. Murtuman muodostumisessa voitiin lisäksi käyttää joko lineaarista aukon muodostumista tai antaa muodostuminen käyttäjän haluamalla tavalla. Näissä murtumatarkasteluissa aukon etenemisen muodostuminen oletettiin etenevän lineaarisesti. Osassa murtumatarkasteluja käytettiin Imatran voiman DAMBRK laskennoissa käyttämiä murtuman hydrografeja, koska sillä saadut laskentatulokset olivat tuottaneet hieman suuremman virtaaman maksimin. 3.3 Dynaaminen virtausmalli HEC-RAS 3.1.1:n muuttuvan virtauksen ratkaisumalli perustuu massan säilymisen lakiin sekä momenttiyhtälöön. Ratkaisussa otetaan huomioon virtauksen jakautuminen uomaan ja tulva-alueelle. Alueille on käytettävissä tarpeen mukaan erilaiset karkeuskertoimet sekä uoman että tulva-alueen osalta. Laskenta tapahtuu ratkaisemalla täydelliset 1-dimensionaaliset St. Venantin yhtälöt ajan suhteen. Mallin lähtötietoina ovat poikkileikkaustiedot sekä reunaehdot. Lisäksi mallin on mahdollista lisätä uomassa olevia virtauksen kannalta poikkeavasti käsiteltäviä rakenteita, kuten pohjapatoja, rumpuja, siltoja sekä esimerkiksi penkereiden ylivirtausta. Mallissa olevat poikkileikkaustiedot koostuvat pituuskorkeus lukupareista, jotka määrittävät uoman pohjan muodon laskentapisteiden kohdalla kohtisuoraan virtaussuuntaan nähden. Poikkileikkausten välinen etäisyys tunnetaan uoman ja tulva-alueiden kohdalla. 3.4 Laskennan kalibrointi ja laskennassa käytetyt karkeuskertoimet 3.4.1 Montta-Merikoski jokimalli Patomurtuman osalta käytettävissä olevan vesitilavuuden ja vedenpinnan äkillisen alenemisen vuoksi tarvittiin Oulujoen jokimalli väliltä Montta-Merikoski. Mallin rakentamiseksi tallennettiin paperimuodossa olleet poikkileikkaukset Oulun Energian luovuttamista tiedoista.

10 0 km 10 km 20 km 30 km Kuva 5. Mallinnettu Oulujoen osa Montta-Merikoski. Tallennettuja poikkileikkauksia oli kaikkiaan 229, joista osa kuvasi uoman jakautumista saarten kohdalla. Kalibrointivirtaamina käytettiin 31.5.2000 sekä 14.6.2000 tehtyjä havaintoja. Vastaavat virtaamat olivat 450 m 3 /s ja 261 m 3 /s. Kyseisinä ajankohtina oli jokivarresta eri havaintopaikoista tehty vedenkorkeushavainnot, jotka on esitetty taulukossa 1.

11 Taulukko 1. Vedenkorkeushavainnot. Mittauspiste Etäisyys Merikoski VL [km] W Q=450 m 3 /s 31.5.2000 [m] W Q=261 m 3 /s 14.6.2000 [m] Merikoski 0,00 11,00 11,00 Patosilta 0,41 10,98 11,00 Rautatiesilta 1,08 11,06 11,01 Pohjantiensilta 1,63 11,16 11,03 Hintan vesilaitos 2,32 11,17 11,06 Nykänen 4,42 11,24 11,10 Nissiläntie 6,01 11,26 11,10 Kero-oja 8,22 11,31 11,13 Juurusoja 9,35 11,36 11,13 Kaupintie 10,77 11,38 11,13 Madekoski 12,11 - - Sanginsilta 13,06 11,71 11,31 Kourinoja 17,15 11,96 11,48 Päivärinne 26,80 12,30 11,66 Montta 37,63 12,68 11,96 Kuvassa 6 on esitetty kalibroinnissa käytetyt havainnot ja lasketut vedenkorkeudet välillä Montta- Merikoski. Kuvaan on merkitty havaitut arvot pienillä neliöillä. 15 10 Oulujoki Plan: HQ450 2.2.2004 Oulujoki montta_merikoski Legend EG PF 1 EG PF 2 WS PF 2 WS PF 1 Crit PF 1 Crit PF 2 Ground OWS PF 1 OWS PF 2 Elevation (m) 5 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Main Channel Distance (m) Kuva 6. Lasketut ja havaitut virtaamat kalibrointimittauksilla.

12 Sivutulovirtaamina käytettiin Sanginjoelle (F=399,93 km 2 ) edellä mainittujen päivien osalta virtaamia 6,2 m 3 /s ja 4,3 m 3 /s ja Muhosjoen (F=537,37 km 2 ) osalta 8,3 ja 5,8 m 3 /s. Virtaamien suuruus perustui Kiiminkijoen avulla suoritettuun vertailuvesistölaskentaan. (Sähköposti Eero Nuortimo, Pohjois- Pohjanmaan ympäristökeskus 13.1.2004.) Kuvissa 7-9 esiintyvä laskentatapaus PF1 edustaa 31.5.2000 (450 m 3 /s) tilannetta ja PF2 14.6.2000 (261 m 3 /s ) tilannetta. Kalibroinnissa oletuskarkeuskertoimena (Manning) käytettiin arvoa 0,033. Karkeuskerroin kuvaa virtaukseen liittyviä häviöitä. Kalibroitaessa uoman karkeutta kuitenkin muutettiin Sanginjoen yläpuolisella alueella alimmillaan arvoon 0,025. Tästä huolimatta lasketut vedenkorkeudet Päivärinteen havaintopaikan kohdalla asettuivat suuremman virtaaman tapauksessa hieman eli 0,13 m ylemmäksi kuin havaitut. Uomaa ei kuitenkaan katsottu aiheelliseksi muuttaa hydraulisesti sileämmäksi vain yhden havainnon perusteella. Toisaalta joen yläosalla lähellä Montan voimalaitosta olevalla noin 0,1 m virheellä ei ole patomurtuman tarkastelussa käytännön merkitystä. (Uoman kalibrointi vaatii pientä hienosäätöä yläosalla, mikäli tässä laadittua mallia käytetään vedenkorkeuksien tarkasteluun Montan voimalaitoksen läheisyydessä johonkin muuhun tarkoitukseen.) Muissa havaintopisteissä lasketut arvot noudattavat hyvin valituilla uomankarkeuksilla havaittuja korkeuksia. Pienemmällä kalibrointivirtaamalla lasketut vedenkorkeudet vastaavat havaittuja arvoja kaikissa havaintopisteissä. Lasketut ja havaitut vedenkorkeudet ilmenevät kuvasta 6. Kuvassa 7 on esitetty uoman keskimääräiset virtausnopeudet eri poikkileikkauksissa ja kuvassa 8 Frouden luku. Kuvaan 9 on summattu poikkileikkausalan ja poikkileikkausten välisten etäisyyksien avulla laskettu tilavuuskertymä voimalaitokselta ylöspäin.

13 1.2 Oulujoki Plan: HQ450 2.2.2004 montta_merikoski Legend Vel Total PF 1 Vel Total PF 2 1.0 0.8 Vel Total (m/s) 0.6 0.4 0.2 0.0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Main Channel Distance (m) Kuva 7. Keskimääräiset virtausnopeudet uomassa virtaamilla 450 m 3 /s ja 261 m 3 /s. 0.16 0.14 Oulujoki Plan: HQ450 2.2.2004 montta_merikoski Legend Froude # Chl PF 1 Froude # Chl PF 2 0.12 0.10 Froude # Chl 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Main Channel Distance (m) Kuva 8. Frouden luku ei poikkileikkauksissa virtaamilla 450 m 3 /s ja 261 m 3 /s

14 35000 Oulujoki Plan: HQ450 2.2.2004 montta_merikoski Legend Volume PF 1 Volume PF 2 30000 25000 Volume (1000 m3) 20000 15000 10000 5000 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Main Channel Distance (m) Kuva 9. Oulujoen Montta-Merikoski kokonaistilavuus Suurtulvavirtaamalla HQ1/250 = 930 m 3 /s. 3.4.2 Lamellipadon alapuolinen kauneusallas Kauneusaltaan osalta ei pohjan karkeuden kalibrointia suoritettu. Karkeutena käytettiin keskialueella arvoa 0,033. Laita-alueella käytettiin pääsääntöisesti arvoa 0,065 ja joissain poikkileikkauksissa missä kasvillisuutta oli todella tiheästi arvoa 0,100. Laskennassa käytettyjen poikkileikkausten sijoittelu on esitetty kuvassa 10.

15 (c) Oulun kaupunki, tekninen keskus 2004 Kuva 10. Kauneusaltaassa käytetyt poikkileikkaukset. Kuvassa 11 on esitetty betonista rakennettu Lamellipato. Merikosken voimalaitos sijaitsee kuvassa vasemmalla. Kuva 11. Lamellipato

16 Alapuolisena reunaehtona käytettiin siltojen purkautumiskapasiteettia, joka määritettiin erikseen. Mallinnuksessa käytettiin alueen alapuolisena reunaehtona Merikosken siltojen rajaamaa aluetta. Jotta reunaehto oli sovellettavissa mallinnukseen, määritettiin eri silta-aukoille purkautumiskäyrät. Kuvassa 12 on esitetty tulva-aallon mallinnuksessa käytettyjen silta-aukkojen sijainti. Tuiranväylä Ämmänväylä Pokkisenväylä Kuva 12. Merikosken silta-aukkojen sijainti. (c) Oulun kaupunki, kartastopalvelut 2004 Tuiranväylän kohdalla padon harjan kynnyskorkeus on NN+ 1,73 m ja aukon leveytenä käytettiin 40 m. Purkautumiskäyrä laadittiin aukon yläpuoleisen veden korkeuteen NN+ 5,00 saakka. Silta-aukon purkautumiskynnys käsiteltiin sen harjan kapeuden vuoksi teräväharjaisena (d<1/2h) pohjapatona ja purkautuminen laskettiin Polenin kaavalla: Q = 2/3µ b missäµ = 0,65 b = 40m 2gh 3/ 2 Kuvassa 13 on esitetty Tuiranväylän silta-aukon Polenin kaavalla laskettu purkautumiskäyrä.

17 Tuiranväylä 6 5 4 Vedenkorkeus 3 2 1 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Virtaama Kuva 13. Tuiranväylän silta-aukon purkautumiskapasiteetti kun alaveden vaikutusta ei ole huomioitu. Ämmänväylän kohdalla padon harjan kynnyskorkeus on NN+ 1,73 m ja käytetty aukon leveys 80 m. Alaveden ei oletettu vaikuttavan purkautumiseen. Silta-aukon purkautumiskynnys käsiteltiin padon harjan kapeuden vuoksi teräväharjaisena (d<1/2h) pohjapatona ja purkautuminen laskettiin Polenin kaavalla. Kuva lasketusta purkautumiskäyrästä on esitetty kuvassa 14. Q = 2/3µ b 2gh missäµ = 0,65 b = 80m 3/ 2

Ämmänväylä 18 6 5 4 Vedenkorkeus 3 2 1 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Virtaama Kuva 14. Ämmänväylän silta-aukon purkautumiskapasiteetti kun alaveden vaikutusta ei ole huomioitu. Käytännössä purkautumiskapasiteetti suurilla tulvavirtaamilla on hieman suurempi sekä Ämmänväylän että Tuiranväylän siltojen osalla kuin Polenin kaavan mukainen, koska veden tulonopeus ylittää arvon 0,5 m/s. Siten Weisbachin kaavan käyttö purkautumisen laskennassa olisi teoreettisesti hieman tarkempi. Polenin kaavalla saadaan kuitenkin vedenkorkeus tasolle, jossa se olisi ylimmillään. Pokkisenväylän purkautumiskapasiteetti käsiteltiin hieman eri tavalla kuin edellä esitellyt Tuiran- ja Ämmänväylän silta-aukot. Tämä johtui aukon yläpuolelle rakennetuista kahdesta rinnakkaisesta pohjapadosta. Kuvassa 15 on esitetty Pokkisenväylän sijainti ja sen yläpuoliset pohjapadot.

19 Ämmänväylä Pohjapadot Pokkisenväylä Pohjakartta (c) 2004 Oulun kaupunki, tekn.keskus Kuva 15. Pokkisenväylän silta-aukon lisäksi mallinnuksessa huomioidut pohjapadot. Kuvassa 15 esitetyn uomamallin mukaisesti määritettiin ylimmän eli 0,348 km kohdalla olevan poikkileikkauksen purkautumiskäyrä. Mallinnuksen 1-D laskentaohjelmistona käytettiin HEC-RAS versiota 3.1.1. Rakennetussa mallissa vedenkorkeuksia ei kalibroitu, vaan käytettiin uoman karkeutena arvoa 0,033. Uoman poikkileikkaukset muodostettiin Oulun kaupungin toimittamasta maastomalliaineistosta. Pohjapatojen kynnyskorkeuksien osalta käytettiin niiden suunnitelmakuvia. Pokkisenväylän siltaaukoista käytettiin siltojen rakentamiseen liittyviä suunnitelmakuvia. Alapuolisen vedenkorkeuden todellista nousua Tuiran siltojen alapuolisella alueella ei mallinnettu, mutta oletettiin alapuolisen vedenkorkeuden olevan maksimissaan korkeudessa NN+ 1,50 m, jota käytettiin reunaehtona sillan alaosassa. Myöhemmin tarkistettiin suistoalueen RMA2 mallilla edellä olevan vedenkorkeusolettamuksen oikeellisuus ja todettiin ettei käytetty ylin vedenpinta ollut valittuna liian alhaiseksi. Pokkisenväylässä virtauksen kannalta määräävä ei ole ylempänä sijaitseva Pokkisen sillan kolmiaukkoinen siltaosa vaan silloista alempana sijaitseva, yksiaukkoinen osa. Senkin kapasiteetti riittää kuitenkin tässä raportissa lasketuilla virtaamilla, jolloin määräävä vedenkorkeus saavutetaan pohjapatojen määräämänä. Kuvissa 16 ja 17 on esitetty silta-aukot ylävirran suunnasta kuvattuina.

20 Kuva 16. Pokkisenväylän ylempi, kolmiaukkoinen silta Kuva 17. Pokkisenväylän alempi yksiaukkonen silta. Merikosken vahingonvaaraselvityksen päivitys. Etelärannan maapadon ja lamellipadon päivitys suurtulvavirtaamalle HQ1/250. 22.12.2004

21 Vedenkorkeus asettuu Pokkisenväylän lähellä sijaitsevan kahden pohjapadon yläpuolisella alueella eri virtaamilla kuvan 18 mukaisesti. pokkinen Plan: Plan 01 15.2.2004 5.0 Legend W.S. Elev 4.5 4.0 3.5 W.S. Elev (m) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0 50 100 150 200 250 300 Q Total (m3/s) Kuva 18. Vedenkorkeus eri virtaaman arvoilla poikkileikkauksessa 0,348 km. Vedenkorkeudet on esitetty NN+ tasossa. Koska edellä esitetyissä laskelmissa ei ole selvitetty alaveden vaikutusta purkautumiskapasiteettiin, arvioitiin sen vaikutus suurtulvan mukaisessa virtaamatilanteessa. Suistoalueen suurtulvan arvioimiseksi laskettiin virtaama eri silta-aukoista tilanteessa, jossa Oulujoen pääuomassa on virtaama HQ 1/250. Virtaaman suuruusarvio kyseisellä toistuvuudella on tehty Suomen ympäristökeskuksen toimesta (Veijalainen&Vehviläinen, 2004). Alaveden vaikutus silta-aukkojen alapuolisella alueella selvitettiin tarkemmin tilanteessa, jossa merivesipinta on vedenkorkeudella NN + -0,05 m sekä sekä toinen laskenta kerran 200 vuodessa toistuvana HW 1/200 vedenkorkeudella NN + 1,47 m. Virtaamana käytettiin HQ 1/250 virtaamaa, joka on Oulujoen alaosalla 930 m 3 /s. Tarkistuslaskennassa suistoalueelle laaditulla RMA2 2D-mallilla (Kemijoki Oy/Marko Talvensaari 15.01.2004) siltojen alapuoliseksi vedenkorkeudeksi saatiin taulukossa 2 esitetyn mukaiset vedenkorkeudet:

22 Taulukko 2. Vedenkorkeus purkautumiskohtien alapuolisella alueella eri merivedenkorkeuksilla. Purkautumiskohta Q [m 3 /s] Meriveden korkeus NN+ 1,47 [m] Meriveden korkeus NN+ -0,05 [m] Merikosken voimalaitos 450 1,65 0,50 Tuiranväylä 127 1,74 0,80 Ämmänväylä 254 1,64 0,41 Pokkisenväylä 99 1,64 0,42 Koska silta-aukoissa olevien purkautumiskynnysten korkeus on tasossa NN+ 1,73 m ja silta-aukkojen yläpuolinen vedenkorkeus asettuu noin tasolle NN+ 3,13 m, ei edellä mainituilla alavedenkorkeuksilla ole virtaamatilanteessa HQ 1/250 padottavaa vaikutusta silta-aukkojen purkautumiskykyyn avovesitilanteessa. Alaveden vaikutus arvioitiin lisäksi patomurtuman mukaisella virtaamalla, jolloin kokonaisvirtaama kaikkien aukkojen osalta nousee voimalaitos mukaan lukien yli 1400 m 3 /s (voimalaitosvirtaama 450 m 3 /s). Tällöin vedenpinta Merikosken siltojen alapuolella alkaa nousta lähelle kynnyskorkeutta NN + 1,73 m, mutta ei tässäkään tapauksessa vaikuta purkautumista rajoittavasti. Meriveden korkeus oli kyseisessä tarkastelussa tasolla NN + 0,33 m, eli lähes metrin yli keskivedenkorkeuden. Kuvassa 19 on esitetty Kemijoki Oy:n tekemät laskelmat suistoalueen vedenpinnoista.

23 Kuva 19. Vedenkorkeudet suistoalueella Lamellipadon patomurtuman hetkellisellä maksimilla. Koska edellä olevan perusteella voidaan todeta, että alavesi ei vaikuta käytetyillä virtaama-arvoilla padottavasti veden purkautumiseen silta-aukoista, käytettiin kuvan 20 mukaista eri aukoista yhdistettyä purkautumiskäyrää Lamellipadon murtumassa alapuoleisena reunaehtona kauneusaltaan alaosalla.

24 4.5 River: suisto Reach: suisto1 RS: 0000 Legend Stage (m) 4.0 3.5 3 /s) (m ) (m 3.0 S tage 2.5 2.0 1.5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Flow (m3/s) Kuva 20. Tuiran-, Ämmänväylän- ja Pokkisenväylän yhdistetty purkautumiskäyrä Lamellipadon patomurtumavirtaaman laskennassa. 3.4.3 Lasaretinhaara Etelärannan maapadon murtumavirtaaman leviämisen selvittämiseksi Lasaretinhaara rakennettiin ensin varsin yksinkertaisena verkkona, kuten mallinnus oli aiemmin DAMBRK-ohjelmistolla laadittu Imatran voiman selvityksen yhteydessä. Pian kuitenkin havaittiin, että mallinnustapa ja uoma on liian karkea esitys todellisuudesta, eikä se huomioi riittävästi virtauksen jakautumista uoman eri osiin. Tässä laskennassa luotiin uomaverkosto, joka käytetyssä laskennassa on pääpiirteissään yksinkertaistettuna Kaaviokuva on esitetty kuvassa 21.

25 W Pohjapato Vanha VL Ohijuoksutustunneli W Uoma C W Penger Pohjapato Uoma B Pohjapato Uoma D Uoma A Q Kuva 21. Etelärannan alapuolisella alueella käytetty uomaverkosto ja reunaehdot. Uoman yläosan karkeuskertoimena käytettiin arvoa 0,033 ja sen reuna-alueilla arvoa 0,040-0,050. Reuna-alueiden karkeutta nostettiin, koska reunoilla sijaitsee jonkin verran kasvillisuutta (puustoa). Alempana uomassa ja erityisesti sivu-uomien osalta käytettiin suurempia karkeuksia, joiden arvot vaihtelivat välillä 0,045-0,065 riippuen aluetta peittävän kasvillisuuden runsaudesta. Uoma jakautuu pohjapadon padottamana yläosassa kahteen eri haaraan. Kuvassa 22 on esitetty haarautumiskohdassa sijaitseva pohjapadon harja. Kyseisen kohdan oikean virtausjakauman tarkaksi arvioimiseksi olisi ollut suuri apu, mikäli siitä olisi ollut käytettävissä mittaustuloksia virtaaman jakautumisesta suurella virtaamalla. Koska niitä ei kuitenkaan ollut käytettävissä rakennettiin malliin penger, jonka ylitse vesi pääsee virtaamaan myös sivusuunnassa. Se tasoittaen uomien välistä korkeuseroa, kuten käytännössäkin tapahtuisi. Käytännössä tämä tarkoittaa virtausta poikkileikkauksesta toiseen

26 Kuva 22.. Pohjapato, joka jakaa osan virtaamasta oikeanpuoleiseen haaraan. Pohjapato lisättiin Lasaretinhaaran pääuomaan malliin pohjapatona. Kuvassa 23 on esitetty Lasaretinhaarassa oleva vanhan voimalaitoksen yläpuolella oikealla rannalla sijaitseva penger, jonka ylitse vesi virtaa murtumatilanteessa. Mallissa se mallinnettiin ylivirtauspenkereenä. Sen oletettiin kestävän muutaman tunnin ajan ylivirtausta, koska vedenkorkeus ei nouse paljoa penkereen yläpuolelle. Kuva 23. Vanhan Myllytullin voimalaitoksen yläpuolella veden virtaussuuntaan katsottaessa oikealla rannalla sijaitseva penger. Kuva otettu ylävirran suuntaan.

27 Vanhan voimalaitoksen osalta laskennassa käytettiin 3,0 m leveää ja 2,5 m korkeaa suorakaiteen muotoista tunnelia. Koska yläosa oli loivasti kapeneva niin pääosa häviöistä tunnelissa aiheutui purkautumisesta alapuolelle. Alapuolella vesi nousee niin korkealle että se peittää tunnelin ulostuloaukkoa. Syntyvät virtaushäviöt tällöin suuria. Tunnelin pituus on 20 m ja sen karkeutena käytettiin viimeistelemättömän lautamuotilla valetun betoniseinän karkeutta 0,018. Tunnelin kynnystaso sen yläosassa on NN+ 5,10 m ja sen alapäässä NN+ 2,10 m. Lisäksi malliin rakennettiin veden purkautumismahdollisuus laitoksen oikealta puolelta kynnystason NN+ 7,80 m yläpuolelta. Tällä mallinnettiin mahdollista veden virtausta laitoksen oikealta puolelta vedenpinnan noustessa riittävän korkealle. Käytetyn kohdan leveytenä oli 10 m. Kyseinen kohta purkaa mallissa veden likimain pohjapadon tavoin. Ylimmillään vettä on tässä kohdassa kynnystason yläpuolella noin 0,30-0,40 m, joten sen kokonaisvaikutus virtaamaan jäi varsin vaatimattomaksi. Kuva 24. Vanha käytöstä poistettu Myllytullin voimalaitos, ohijuoksutustunneli sijaitsee vasemmalla puolella. Etualalla laitoksen yläpuolella sijaitseva pohjapato. Kuvaushetkellä ohijuoksutusaukko oli rakenteiden osalta osin tukkiutunut hajoavista vanhoista rakenteista. Rakennus on suojeltu.

28 Kuva 25. Alin pohjapato Lasaretinhaarassa sijaitsee sillan alla. Uomien alapuoleiset reunaehdot Kauneusaltaassa asetettiin siten, että B ja C uomien alapuoleinen reunaehto oli vedenkorkeus NN+ 3,5 m. Lasaretinhaaran alaosan reunaehtona oli käytännössä (Uoma A) alaosan sillan ja pohjapadon yhdistelmä, joka on esitetty kuvassa 25. Uoman D osalta (virtaus Kasarmintien kautta) jouduttiin käyttämään mallinnuksessa ns. Pilot Channelia eli lisäämään uoman pohjaan apuoja, johon voitiin laskennan alkuhetkellä asettaa tietty perusvirtaama. Tällöin vältettiin kuivan uoman käyttö mallissa, jolloin laskenta ei voi mennä läpi. Apuojan leveys oli kuitenkin niin pieni, että sen kautta virtasi alle 1 m 3 /s vettä. Kohtalaisen monimutkaisen virtausverkon ja lyhyellä matkalla esiintyvien suurehkojen korkeuserojen vuoksi ei mallilla voitu laskea aivan pieniä virtaamia. Stationaarisessa laskennassa saatiin laskenta käynnistymään jopa 1 m 3 /s virtaamilla, mutta patomurtuman muuttuvassa virtaustilanteessa laskenta kaatui murtumavirtaaman kasvaessa. Siten lähtötilanne on jouduttu mallintamaan 30 m 3 /s virtaamalla. Etelärannan maapadon murtumassa käytetyn Lasaretinhaaran mallinnuksen heikkouksina voidaan mainita mallinnuksen epätarkkuus uomien B ja C loppuosilla. Todelliset uomat haarautuvat moneen osaan ja tässä yhteydessä malli rakennettiin alaosien pienten virtaamien kannalta aika epätarkasti. Suuremmilla virtaamilla vesipinta niissä kuitenkin nousee selvästi täyttäen myös uomien välisiä alueita. Kun lisäksi alueella on lyhyellä matkalla useamman metrin korkeusero, ei valitulla uoman alaosan kuvauksella ole vaikutusta Lasaretinhaarasta näille alueille poistuvan kokonaisvirtaaman suuruuteen.

29 4 PATOMURTUMAT 4.1 Yleistä 4.2 Lamellipadon murtuma Lamellipadon murtumassa käytettiin Imatran voiman DAM BREAK ohjelmistolla määrittämää veden purkautumista terrori-iskun seurauksena syntyvästä murtuma-aukosta. Tässä lamellipadon oletetaan murtuvan kolmen lamellin eli 24 metrin leveydeltä äkillisesti ajassa 0,1 tuntia pohjan korkeustasoon NN + 3,50 saakka. Laskelmassa on aukon maksimivirtaamaksi saatu 738 m 3 /s. Murtuma-aukon fyysiset mitat ovat peräisin Antti Leskelän laatimasta muistiosta (Imatran Voima 12.6.1987). 800 700 River: suisto Reach: suisto1 RS: 0519 Legend Lateral Inflow 600 500 Q [m3/s] 400 300 200 100 0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 Simulation Time (days) Kuva 26. Lamellipadon sortumassa syntyvä äkillinen virtaama. HEC-RASilla tehtyjen vertailulaskelmien mukaisesti ei saavutettu aivan niin suuria murtumavirtaamia kuin Imatran voiman laatimissa. HEC-RASin laskelmissa aukon pohjantason asettaminen korkeuteen NN + 3,00 (aiemman NN+ 3,5 m sijasta ) virtaaman huippu jäi edelleen hieman edellä esitetystä. Virtaamahydrografin samoin kuin vedenkorkeuden käyttäytyminen joessa sen sijaan poikkeaa oleellisesti Imatran voiman käyttämästä. Tämä johtuu siitä, että Imatran voiman laskelmassa yläpuolinen Oulujoki oli rajoitettu muutamaan poikkileikkaukseen, jolloin joen varastotilavuus ei ole oikea ja veden-

korkeus laskee kyseisessä lyhyen alueen mallissa huomattavasti nopeammin kuin todellisuudessa tapahtuisi. 30 Kuvassa 27 on esitetty HEC-RAS mallinnuksesta saadut vedenkorkeudet ja virtaamat sekä Oulujoessa että alapuolisessa kauneusaltaassa. Lisäksi kuvasta on erotettavissa virtaama murtuma-aukosta. 11 Plan: Plan 01 River: Oulujoki Reach: montta_merikoski RS: 350 1000 Legend W NN+ [m] 10 9 8 Virtaama Oulujoessa murtuman ylä- ja alapuolella Vesipinta Oulujoessa murtumapaikan ylä ja alapuolella Virtaama murtuma-aukosta, Qmax=536 m3/s, 0,1h 800 600 Q [m3/s] Stage HW US Stage HW DS Stage TW Flow HW US Flow HW DS Flow Leaving 7 400 6 200 5 4 0 2400 0015 0030 0045 0100 0115 0130 0145 0200 0215 0230 0245 0300 01Jan2000 Time Kuva 27. Murtumavirtaama HEC-RASilla laskettuna. Murtuman tapahtuessa virtaama pienenee vastaavasti myös säännöstelypadosta mikäli luukkujen asentoa ei muuteta.

31 11 10 9 Plan: Plan 01 River: Oulujoki Reach: montta_merikoski RS: 720 Vesipinta Oulujoessa säännöstelypadon ylä ja alapuolella Virtaama Oulujoessa säännöstelypadon ylä- ja alapuolella 1400 1200 1000 Legend Stage HW DS Stage HW US Stage TW Flow HW US Flow HW DS Flow Leaving W NN+ [m] 8 800 Q [m3/s] 7 600 6 Virtaama säännöstelypadosta 5 400 4 200 2400 0015 0030 0045 0100 0115 0130 0145 0200 0215 0230 0245 0300 01Jan2000 Time Kuva 28. Virtaama ja vedenkorkeudet säännöstelypadon kohdalla. Koska Imatran voiman selvityksen mukaan patoaukosta virtaava vesimäärä on maksimin osalta suurempi, tarkasteltiin kyseisellä tavalla määritetyn virtaaman maksimin vaikutuksia alapuolisille alueille. 4.3 Etelärannan maapadon murtuma Etelärannan maapato on puisella ponttiseinällä vahvistettu maapato. Perusmekanismina murtuma on aiemmissa Imatran voiman laatimissa laskelmissa (E7) laskettu hitaana, kuuden tunnin aikana maksimiinsa kehittyvänä virtaamana. Murtuma-aukon on arvioitu muodostuva tasolle NN + 6,00 m. Aukon pohjan leveydeksi on valittu 20 m. Laskelma on tuolloin tehty DAMBRK/BREACH ohjelmistolla. Murtuma-aukon fyysiset mitat ovat peräisin Antti Leskelän laatimasta muistiosta (Imatran Voima 12.6.1987). Tässä yhteydessä tehtiin aukon vertailulaskelmia HEC-RASin murtumavirtaaman avulla. Vertaamalla HEC-RASin laskelmia DAMBRK/BREACH ohjelmasta saatuihin, saadaan murtuman maksimivirtaamalle hieman toisistaan poikkeavat arvot (E2 ja E7 taulukossa 3). Murtuma-ajan vaikutusta tutkittiin vertailemalla tunnin ja kuuden tunnin aikana syntyvää aukkoa keskenään. Murtuma-analyysissä käytettiin HEC-RASin versiota 3.1.1. Laskennoissa murtuman oletettiin kehittyvän lineaarisesti lopulliseen muotoonsa.

32 Vertaamalla Imatran Voiman laskemaa murtumasta syntyvää virtaamamaksimia HEC-RASilla saatuun, DAMBRK mallilla määritetty virtaaman maksimi on jonkin verran suurempi. Kuvassa 29 on murtumavirtaaman kehittyminen tapauksessa E2 (HEC-RAS). 250 Plan: E2 River: Oulujoki Reach: apu RS: 800.* Legend Flow 200 Q 150 [m3/s] 100 50 0 2400 0100 0200 0300 0400 0500 0600 0700 0800 0900 1000 01Jan2000 Time Kuva 29. Murtumavirtaaman kehittyminen, E2 Murtuma-aukon muodon herkkyyttä tutkittiin erilaisilla aukon muodostumistavoilla. Etelärannan maapadon murtuma laskettiin useilla eri aukkovaihtoehdoilla. Vertailemalla murtumia E1 ja E2 laskettiin ero murtuma-ajan vaikutuksesta virtaaman maksimin suuruuteen. Verrattuna pidempään kuuden tunnin aikana tapahtuvaan murtumaan, on yhden tunnin aikana kehittyvä murtuma noin 10% maksimiltaan suurempi. Tämä johtuu siitä, että vesipinta on Oulujoessa ehtinyt jo hieman laskea aukosta virranneen veden poistuttua joesta kuuden tunnin aikana. Käytännössä voimalaitoksen säännöstelyluukuilla voidaan vaikuttaa voimakkaasti vedenpinnan korkeuteen ja käytettävä toimintamalli on tässä vaikea ennakoida tarkasti. Laskennassa E3 tutkittiin tapausta jossa murtuma-aukko muodostuu esim. keskivälille patojaksoa, jolloin taustapuolen maanpinnan korkeus on noin tasolla NN+9,00 m. Muodostuvaksi aukoksi ajateltiin 40 metriä leveää ja kestoksi 6 tuntia. Tällöin syntyvä maksimivirtaama jää selvästi muita laskettuja arvoja pienemmäksi. Tapauksissa E4 suurennettiin aukkoa vaakasuunnassa ja E5:ssä annettiin aukon muodostua edellisiä syvemmälle. Kohdassa E6 aukon sivuseinien kaltevuutta loivennettiin. Aukon muodon vaikutukset maksimivirtaaman suuruuteen on esitetty tarkemmin taulukossa 3.

33 Taulukko 3. Etelärannan maapadon murtuma-aukon vaikutus maksimivirtaamaan. Murtuman Laskentaohjelma W NN+ Murtuma- Murtuman Aukon Luiskan Aukon Maksimi tunnus tyyppi kesto pohjaleveys kaltevuus pohjan korkeus virtaama [h] [m] NN+ [m] [m3/s] E1 HEC-RAS 11.00 Ylivirtaus 1 20 1:1 6 259 E2 HEC-RAS 11.00 Ylivirtaus 6 20 1:1 6 237 E3 HEC-RAS 11.00 Ylivirtaus 6 40 1:1 9 107 E4 HEC-RAS 11.00 Ylivirtaus 6 25 1:1 6 274 E5 HEC-RAS 11.00 Ylivirtaus 6 20 1:1 5 300 E6 HEC-RAS 11.00 Ylivirtaus 6 20 1:3 6 282 E7 DAMBRK/BREACH 11.00 Ylivirtaus 6 20 1:1 6 273 Vertaillut aukkomuodot toivat pieniä muutoksia virtaaman huippuun ja jonkin verran huipun muotoon. Koska DAMBRK/BREACH mallin virtaama oli hieman HEC-RASin virtaamaa suurempi, käytettiin jatkolaskennassa samaa murtumamekanismia kuin aiemmin Imatran voiman laatimissa laskelmissa. 5 PATOMURTUMA-AALLON LASKENTA 5.1 Lamellipato Lamellipadon murtuma on äkillinen terrori-iskun seurauksena syntyvä murtumatapaus, jolloin lamellipadon murtuma-aukko muodostuu kolmen lamellin levyiseksi. Murtumamekanismi on ajallisesti hyvin lyhyt. Virtaaman nousu maksimiinsa on vastaavasti myös hyvin nopea. Tuiran siltojen kohdalla maksimivirtaaman arvo saavutetaan jo noin 20 minuutin kuluttua murtuman alkuhetkestä. Vesipinta nousee Tuiran siltojen läheisyydessä noin 0,7-0,8 m lähtötilanteeseen verrattuna. Tässä yhteydessä on huomattava, että kauneusaltaan virtaama on jo lähtötilanteessa 480 m 3 /s. Vedenkorkeuden maksimi esiintyy samaan aikaan kuin virtaaman maksimi.

34 Plan: Plan 01 River: suisto Reach: suisto1 RS: 0000 1000 Legend 3.8 900 Stage Flow 800 Stage (m) 3.6 3.4 700 Flow (m3/s) 600 3.2 500 3.0 400 2400 0015 0030 0045 0100 0115 0130 0145 0200 0215 0230 0245 0300 01Jan2000 Time Kuva 30. Lamellipadon murtuman aiheuttama virtaama Imatran voiman murtumavirtaamalla. Plan: Plan 01 River: suisto Reach: suisto1 RS: 0000 900 Legend 3.7 3.6 800 Stage Flow Stage (m) 3.5 3.4 3.3 700 600 Flow (m3/s) 3.2 500 3.1 3.0 400 2400 0015 0030 0045 0100 0115 0130 0145 0200 0215 0230 0245 0300 01Jan2000 Time Kuva 31. Lamellipadon murtuman aiheuttama virtaama HEC-RASin patomurtumalla, jossa Oulujoki mukana Montan voimalaitokselle saakka.

Kuvan 30 mukaisessa tilanteessa maksimivirtaama on noin 100 m 3 /s pienempi kuin Imatran voiman mallintamassa aineistossa. Virtaama pienenee maksimin jälkeen kuitenkin huomattavasti hitaammin kuin Imatran voiman laskelmassa. Tämä johtuu pidemmälle mallinnetusta jokiuomasta, jolloin koko uomassa oleva vesivarasto tulee laskennassa huomioiduksi. Tuiran silta-aukkojen läpäisykapasiteetti ei ole ongelmallinen, tässä lasketun suurtulvan mukaisella virtaamalla. Siltojen kapasiteetti riittää hyvin kyseisen virtaaman tarpeisiin. 35 Veden virtausnopeuden keskimääräiset lasketut maksimit ovat murtumapoikkileikkausta ja paria sen alapuolista poikkileikkausta lukuun ottamatta suuruusluokkaa 1,0-2,0 m/s. Sen sijaan murtumapaikan kohdalla kauneusaltaassa saavutetaan suurimmillaan 4,16 m/s keskimääräinen virtausnopeus. Virtaus nousee kyseisessä paikassa kriittiseksi, eikä mallin laskemien yläpuolisten kolmen poikkileikkauksen vedenkorkeusarvot ole laskennassa luotettavia. Lasketut vedenkorkeudet säännöstelyluukkujen välittömässä läheisyydessä ovat mallin käsittelytavasta johtuen todennäköisesti liian suuria. Alueella ei kuitenkaan sijaitse rakennuksia, jotka olisivat vielä kyseisellä korkeudella kastumisvaarassa, joten tarkempaa tarkastelua ei kolmen ylimmän poikkileikkauksen osalta tehdä. Poikkileikkaukset sijaitsevat välittömästi säännöstelyluukkujen alapuolella. Terrori-iskun seurauksena syntyvän murtuma-aukon aiheuttama virtaama pudottaa välittömästi veden korkeutta Oulujoessa. Toisaalta säännöstelyluukut on kytketty automaattiseen pinnanohjaukseen vedenkorkeuden mukaan. Olettamalla, että luukkuja ei säädetä vaan vedenpinnan annetaan pudota saadaan säännöstelyluukkujen yläpuolisella jokialueella kuvan 32 mukainen vedenpinnan alenemiskuvaaja. Kuvassa on sinisellä esitetty vedenpinnan aleneminen ja vihreällä katkoviivalla virtaaman muuttuminen. 11.0 10.5 Plan: Plan 01 River: Oulujoki Reach: montta_merikoski RS: 722 1400 1300 Legend Stage Flow Stage (m) 10.0 1200 1100 Flow (m3/s) 9.5 1000 9.0 900 2400 0015 0030 0045 0100 0115 0130 0145 0200 0215 0230 0245 0300 01Jan2000 Time Kuva 32. Vedenpinnan aleneminen Oulujoessa Lamellipadon murtuman seurauksena.

36 Kuten kuvasta 32 ilmenee, alenee vesipinta hyvin nopeasti. Vedenpinnan todelliseen alenemiseen vaikuttaa kuitenkin käytännössä se, miten voimalaitoskoneistosta ja säännöstelyluukuista vettä murtumahetken jälkeen juoksutetaan. 5.2 Etelärannan maapato Etelärannan maapadon murtuma on laskettu varsin hitaana mekanismina, jolloin murtuma-aukon maksimikoon syntymiseen kuluu aikaa 6 tuntia. Mekanismin hitauteen on vaikuttanut puisen ponttiseinän sijainti maapatorakenteessa. Lasaretinhaaran ylimmissä poikkileikkauksessa tilanne on kuvan 32 kaltainen, jossa virtaaman ja vedenkorkeuden maksimi saavutetaan kuuden tunnin kohdalla. Virtaamamaksimi on tällöin 273 m 3 /s. 9.2 Plan: Plan 01 River: lasaretti Reach: lasa_a1 RS: 1102 300 Legend 9.0 Stage 8.8 250 Flow 8.6 200 Stage (m) 8.4 8.2 150 Flow (m3/s) 8.0 100 7.8 7.6 50 7.4 2400 0100 0200 0300 0400 0500 0600 0700 0800 0900 0 1000 01Jan2004 Time Kuva 33. Virtaama ja vedenkorkeus Lasaretinhaaran alussa (ylimmässä poikkileikkauksessa). Koska Etelärannan maapadon alapuoleinen uoma on pituudeltaan lyhyt, vain noin kilometri, ei virtaama- ja vedenkorkeushuipun esiintyminen poikkea uoman alkuosalla esiintyvästä huipusta. Virtaaman osalta huippu alaosalla on noin 15 minuuttia myöhemmin kuin se on uoman alkuosalla. Toisaalta virtaaman huippu on pienentynyt noin neljänteen osaan siitä mitä se oli murtuma-aukosta virratessaan. Ilmiötä ei selitä vaimeneminen vaan se, että virtaama on jakautunut useaan eri haaraan ja hakeutunut eri reittejä kauneusaltaaseen ja sieltä edelleen Merikosken siltojen kautta suistoalueelle ja sitten edelleen mereen. Virtaaman maksimit eri osissa uomaverkkoa on esitetty kuvassa 34.

37 W Pohjapato 85 m 3 /s Vanha VL Ohijuoksutus - tunneli W Uoma C 74 m 3 /s W Penger 118 m 3 /s Pohjapato 153 m 3 /s Uoma B Uoma D 55 m 3 /s Uoma A Pohjapato 273 m 3 /s Q Kuva 34. Maksimivirtaamat eri kohdissa uomaverkkoa. 2.5 Plan: Plan 01 River: lasaretti Reach: lasa_a5 RS: 0 90 Legend 2.0 80 70 Stage Flow Stage (m) 1.5 1.0 60 50 40 Flow (m3/s) 0.5 30 20 0.0 2400 0100 0200 0300 0400 0500 0600 0700 0800 0900 10 1000 01Jan2004 Time Kuva 35. Virtaama ja vedenkorkeus Lasaretinhaaran alaosassa lähellä Pokkisen siltaa.

38 Virtausnopeuden kannalta vaarallisimmat alueet sijaitsevat Myllytullin vanhan voimalaitoksen yläpuolisella alueella. Veden keskimääräinen virtausnopeus laskentapoikkileikkauksissa Lasaretinhaaran ylimpien siltojen kohdalla nousee maksimissaan noin arvoon 2,5-3,3 m/s. Koska kyseessä on keskimääräinen virtausnopeus, nousee virtausnopeus uoman keskiosalla lähellä vedenpintaa vielä edellä mainittua suuremmaksi. 5.3 Vesistön lähtövirtaamien vaikutus murtumavirtaamiin 5.3.1 Lamellipato Lamellipadon murtuessa Oulujoen lähtövirtaama vaikuttaa voimakkaasti kauneusaltaaseen juoksutettavan veden määrään. Normaaliolojen MQ tilanteessa ei säännöstelypadoista ohijuoksuteta vettä kalatien vaatimia virtaamia lukuun ottamatta. Tällöin murtuman alkuhetkellä vesipinta on altaan alaosilla noin korkeudessa NN + 1,73 m ja pohjapadon yläpuolisella alueella noin korkeudessa NN + 2,50 m. Murtuma lamellipadossa nostaa vedenkorkeuden Merikosken siltojen kohdalla noin korkeuteen NN +3,50 ja pohjapadon yläpuolella noin korkeuteen NN + 4,00 m. Patomurtuman jälkeiset ylimmät vedenkorkeudet ovat siten MQ tilanteessa noin 0,3-0,4 m alemmat kuin HQ 1/250 mukaisessa tilanteessa. 5.3.2 Etelärannan maapato Etelärannan maapadon murtumassa Oulujoen ylivirtaamalla HQ 1/100 tai HQ 1/250 ei käytännössä ole eroa patoaukosta purkautuvan murtumavirtaaman suuruuteen. Sen sijaan MQ tilanteessa säännöstelypadon juoksutuksella on merkittävä vaikutus vedenpinnan alentamiseen ja siten murtumavirtaaman vähentämiseen. Murtuma-aukosta purkautuvaa maksimivirtaamaa voidaan alentaa säännöstelyluukuista suoritettavien juoksutusten avulla. Tässä yhteydessä on kuitenkin huomioitava joessa tapahtuvat haitat kuten vedenkorkeuden alenemisen vaikutukset Merikosken voimalaitoksen jäähdytysvesijärjestelmään sekä Oulun Veden ja Kemira Oy:n vedenottoon. Mikäli koneiston läpi virtaava vesimäärä pysyy vakiona, alenee vedenpinta joessa pienentäen samalla murtumavirtaamaa syntyneestä murtuma-aukosta. Toisaalta voimalaitoksen käytön kannalta ei vedenpinta voi alittaa tasoa NN + 10,00 metriä ilman, että koneistolle alkaa tulla jäähdytyksestä aiheutuvia ongelmia. Tällöin tulee turvautua säännöstelyluukkujen käyttöön. Tarkan toimintaohjeen laadinta vaatii kuitenkin lisäselvityksiä ohjeistuksen laatimiseksi onnettomuustilanteessa. Eri vaihtoehdot vahinkojen pienentämiseksi tulisi selvittää voimalaitoksen pelastussuunnitelmassa.

6 PATOMURTUMAN AIHEUTTAMA VAHINGONVAARA 6.1 Lamellipato 39 Lamellipadon murtuma on oletettu tapahtuvaksi äkillisen terroriteon seurauksena. Murtuma-aukko laajenee maksimiinsa hyvin nopeasti aiheuttaen suuren hetkellisen virtaamahuipun. Lamellipadon alapuolisen kauneusaltaan vedenpinta nousee nopeasti. Vesi nousee kauneusaltaan pohjapadon yläpuolella nousee noin korkeuteen NN + 4,33 m ja Merikosken silta-aukkojen läheisyydessä korkeuteen NN + 3,94 m. Kauneusaltaan yläosassa, murtuma-aukon läheisyydessä sekä säännöstelypatojen alapuoleisella alueella tilanne on kuitenkin veden syvyyden ja virtausnopeuden yhdistelmänä vaarallinen, mikäli sinne jostain syystä on ihmisiä joutunut. Vastaavasti Tuiran silta-aukkojen alapuolitse virtaavan veden virtausnopeus nousee paikoin melko suureksi. Rakennuksista veden saartamaksi jää maakuntamuseo. Vesipinta nousee rakennuksen kellarikerroksen ovea vasten korkeuteen NN+ 4,30. Maanpinta talon pohjoispäädyssä sijaitsevien kellarikerroksen oven läheisyydessä on noin NN+ 3,40 m. Vahingot ovat kellarikerroksen vettymisvahinkoja. Virtausnopeus alueella jää kuitenkin hyvin pieneksi.maakuntamuseon pääty on esitetty kuvassa 36. Kuva 36. Veden saartamaksi jäävä maakuntamuseon kellarikerrospääty. Maakuntamuseon vieressä sijaitseva pieni puinen varastorakennus kastuu. Varastorakennus on esitetty kuvassa 37. Lisäksi vesi nousee hieman yhden kasvihuoneen sokkelitason yläpuolelle. Kasvihuone on esitetty kuvassa 38.

40 Kuva 37. Maakuntamuseon vieressä kastuva pieni varastorakennus. Kauneusaltaan läheisyydessä sijaitsevia kävely- ja pyöräteitä jää osittain veden alle. Niiden kohdalla veden virtausnopeus ja vesisyvyys ovat pääosin pieniä, eikä niistä aiheudu kovinkaan merkittävää riskiä ihmishengelle. Jossain määrin saattaa aiheutua maaston eroosiovaurioita ja vaurioita pienille puusilloille. Vedenpinnan nopea aleneminen murtumakohdan yläpuolisessa Oulujoessa aiheuttaa tason NN+10,00 alapuolella vahinkoja Merikosken voimalaitoksen jäähdytykselle sekä vaikeuttaa tason NN+8,50 alapuolella Oulun Veden ja Kemiran veden ottoa. Vahinkokohteet on listattu liitteessä 3. Kuva 38. Kastuva kasvihuone.

41 6.2 Etelärannan maapato 6.2.1 Yleistä Etelärannan maapadon murtuman on oletettu etenevän hitaahkosti noin kuudessa tunnissa. Virtaama nousee lähes koko alueella aukon murtumavirtaaman kehittymistä vastaavalla aikataululla ja alueen maksimivedenkorkeudet saavutaan noin 15-20 minuutin viipymällä murtuma-aukon maksimivirtaamista. Merkittävimmät vahingot syntyvät joidenkin rakennusten alapohjien vettymisestä. Lisäksi kaksi siltaa on erityisessä vaarassa ja liikenne katkeaa Kasarmintieltä useammasta kohdasta. Kastuvat rakennukset on esitetty tarkemmin liitteessä 4. 6.2.2 Sillat Virtaamat aiheuttavat suurimmat riskit silloille S2 ja S3, jotka on esitetty kuvissa 39 ja 40. Vaarallisia tilanteita saattaa lisäksi syntyä Taidemuseon ja Lasaretinsaaren välisen alueen silloilla, joiden kannen ylitse vesi nousee useita kymmeniä senttejä. Virtaavan veden keskimääräinen virtausnopeus nousee alueella aika suureksi ollen noin 2,5-3,0 m/s. Kuva 39. Silta S3.

42 Kuva 40. Silta S2.

Taulukko 4. Sillat Lasaretinhaaran varrella. Sillan nro Etäisyys Pokkisen sillasta [km] Kannen ylätaso NN+ [m]* Veden nousuaika siltakannen tasoon [hh:mm] 43 Wmax NN+ [m] vmax [m/s] Wmax aika [hh:mm] Huom. S1 1,027 9,50-8,97 3,14 6:00 S2 0,917 8,10 3:30 8,92 2,16 6:00 Vahinkoriski suuri S3 0,838 8,10 5:00 8,71 2,25 6:00 Vahinkoriski suuri S4 0,740 8,40-7,57 2,62 6:00 S5 0,468 4,60-3,19 0,46 6:15 S6 0,340 4,00-3,19 0,98 6:15 S7 0,285 4,10-3,02 2,18 6:15 S8 0,100 2,50-2,15 1,26 6:15 *) korkeus määritetty maastomallista 6.2.3 Tiet Vesi nousee Kasarmintielle Lasaretinhaaran uoman läheisyydessä jatkuen Taidemuseolle saakka. Taidemuseon ja Åströmin kiinteistön välistä virtaa jonkin verran vettä. Virtausnopeus ja veden syvyys jäävät kuitenkin pieniksi. Kasarmintietä keskustan suuntaan siirryttäessä vesi nousee voimakkaasti tiealueelle opetusviraston kohdalla. Virtausnopeus on noin 2,0 m/s ja veden syvyys noin 1,0 metriä opetusviraston kohdalla. Virtausnopeus on noin 2,0 m/s ja veden syvyys noin 1,0 metriä. Veden nousu aiheutuu Myllytullin vanhan voimalaitoksen eteen padottuneen veden kiertämisestä voimalaitosrakennuksen ympäri. Vahinkoriski alueen liikenteelle ja alueella oleville ihmisille on kyseisessä kohdassa suuri. Vettymisvahinkoja syntyy myös Lasaretin alueen pihalle pysäköidyille ajoneuvoille veden noustessa muutamia kymmeniä senttejä piha-alueelle. Samoin esim. Oulun Yliopiston kasvatustieteellisen tiedekunnan sekä taidemuseon piha-alueella on pysäköityjä ajoneuvoja, joille veden nousu aiheuttaa vettymisestä aiheutuvia vahinkoja. Lisäksi syntyy riskitilanteita ihmisten yrittäessä hakea ajoneuvojaan alueelta pois. Lisäksi vettä nousee hieman Myllytullin koulun kohdalla Kirkkokadulle. Kyseistä aluetta käytetään autojen parkkialueena. Kirkkokadun päästä on kevyenliikenteen väyliä Hupisaarten alueelle sekä Kasarmintielle.

44 Kuva 41. Kasarmintie, jossa veden syvyys on noin 1,0 m ja virtausnopeus noin 2,0 m/s. 6.2.4 Rakennukset Vettymisvahinkoja aiheutuu Taidemuseolle ja sen vieressä oleville kahdelle kerrostalolle. Lisäksi vettymisvahinkoja aiheutuu Myllytullin vanhan voimalaitoksen ja saman rakennuksen yhteydessä olevien koulutilojen osalle. Lähialueen kastuvat rakennukset on listattu liitteessä 4. 6.2.5 Kunnallistekniikka Veden virtaus aiheuttaa Kasarmintien viemäröinnille ylikuormitusta. 6.2.6 Erityiskohteet Taidemuseon ja Myllytullin voimalaitoksen välisellä alueella sijaitsee kaksi Oulun Energian omistamaa öljysäiliötä. Säiliöt jäävät patomurtumatilanteessa tulva-alueelle, mutta niistä ei pitäisi päästä öljyä ympäristöön mikäli ne pysyvät tulvatilanteessa paikallaan. Jos säiliöt ovat tyhjillään tai lähes tyhjillään, on mahdollista, että veden noste nostaa säiliöt kellumaan, jolloin niissä jäljellä olevan öljy voi päästä ympäristöön. Öljysäiliöt on esitetty kuvassa 42.

45 Kuva 42. Oulun Energian öljysäiliöt. 6.3 Vahingot Tuiran siltojen alapuolella Tuiran siltojen alapuolisella alueella maksimivirtaama nostaa virtausnopeuksia ja virtaamia sekä Etelärannan maapadon mutta erityisesti Lamellipadon murtuessa. (Talvensaari 2004). Kuvassa 43 on esitetty virtaamien aiheuttamat veden virtausnopeudet eri puolilla suistoaluetta Lamellipadon murtuman seurauksena. Mallinnetussa tilanteessa Merikosken voimalaitoksen virtaamana on 450 m 3 /s, Tuiranväylän silta-aukon 268 m 3 /s, Ämmänväylän 536 m 3 /s sekä Pokkisenväylän 230 m 3 /s. Käytetyt arvot ovat hieman suuremmat kuin Lamellipadon äkillisessä murtumassa syntyvät virtaaman maksimiarvot. Kuvasta havaitaan kuitenkin että virtausnopeudet eivät nouse alueella kovin suuriksi. Suurimmat arvot saavutetaan hieman Tuiranväylän sillan alapuolella sekä Toppilansalmessa rautatie/maantiesillan alapuolella.

46 Toppilansalmi Tuiranväylä Ämmänväylä Pokkisenväylä Rommakonväylä Kuva 43. Virtausnopeudet suistoalueella. Tarkasteltaessa suuren virtaaman vaikutusta suistoalueella, havaitaan että suistoalueella sijaitsevan Rommakonväylän sekä Toppilanväylän kapasiteetti riittää suurenkin virtaaman läpäisyyn aiheuttamatta vedenpinnan nousua teatteri- ja kirjastotalon vieressä sijaitsevalle torialueelle. Sen sijaan meriveden korkeus osoittautuu ratkaisevaksi suistoalueella tarkasteltaessa tilannetta, jossa tapahtuu Lamellipadon murtuma ja virtaamat kauneusaltaassa ja Tuiran silta-aukoissa kasvavat hetkellisesti suuriksi. Meriveden ja silta-aukkojen alapuolisen vedenkorkeuden ero on noin 1,0 m lukuun ottamatta Tuiranväylän alapuolista aluetta, jossa ylin vedenkorkeus asettuu noin +1,4 m merivedenkorkeutta ylemmäksi. Kyseinen tilanne on esitetty kuvassa 44. (Talvensaari 2004)