JOKIJÄÄN JA JÄÄPATOJEN VAIKUTUS VEDENKORKEUKSIIN JA UOMAN KULUTUSVOIMIIN Maria Kämäri 1,2 Eliisa Lotsari 2, Petteri Alho 3, Juha Aaltonen 1, Mikko Huokuna 1 1 Suomen ympäristökeskus SYKE 2 Itä-Suomen yliopisto, 3 Turun yliopisto maria.kamari@ymparisto.fi Malliseminaari 1.4.2014 Kokemäenjoki 28.1.2014
Sisältö Tutkimuksen tavoite ja menetelmät Jokijään vaikutukset uomaan Mikä on kitkajännitys eli shear stress? Kokemäenjoen talvitulva joulukuu 2004- tammikuu2005 Tulokset Tulevat tutkimukset 4.2.2014 2
Tutkimuksen tavoite Arvioida joessa olevan jääkannen tai jääpadon vaikutus: vedenkorkeuksiin (water level) uoman pohjan kitkajännitykseen (τ, shear stress, bed shear stress) sedimenttien liikkeellelähtöpotentiaaliin Menetelmä 1-D hydrodynaaminen jokimalli HEC-RAS, jossa jääkansi ja jääpato optiot jäätilan vs. avotilan mallitulokset Ilmastomuutoksen myötä muuttuvat virtaamat Kohdejoki Kokemäenjoki Sediment-transport processes in ice-covered flow are not fully understood Ettema and Daly 2004 11.2.2014 3
Jokijään vaikutukset ovat moninaiset The influence of an ice cover on a channel involves complex interactions among ice thickness water depth ice roughness fluid flow bed geometry sediment and channel geometry Metsähallitus, Maanmittauslaitos, Logica 2014 4
Veden ja uoman pohjan välinen kitkajännitys shear stress τ (N/m 2 ) Shear stress is a measure of the resistance to flow When the critical shear stress of sediment particles on the bed is exceeded particles move Kirjoita kaava tähän. 9800 N/m 3 Brunner 2010: HEC-RAS River Analysis System. Hydraulic Reference manual 5
Kitkajännityksen jakautumien uomassa Suora uoma, tasainen syvyys (Chow 1959) Kaarre, epätasainen poikkileikkaus (COE 1994) 6
Pohjan sedimenttien eroosio/kasautuminen Q s = sediment flow rate (M/T) D 50 = median grain size (L) Lane s Balance from Rosgen (1996) Q w = water flow rate (L 3 /T) S = slope (L/L) 7
Kokemäenjoen alaosan sedimentit ja niiden kriittinen kitkajännitys? Sedimenttinäytteitä analysoitu 81 kpl Hienojakoisia koheesiomaalajeja noin 50% (D 50 < 0.062 mm) Hiekkaa noin 50% (0.2 mm < D 50 < 2 mm) Orgaanista ainesta 1-6% (esim. Raumanjuopa) Kriittiset kitkajännityksen arvot vaihtelevat (critical shear stress) Maalaji Nm -2 Author mud 0.18 Metha and Panthenides 1975 mud 0.06-0.08 Krone 1976 mud 0.001-1.0 Sheng et al, 1991 Fine silt 0.5 Lang et al. 1989 Gravel < 10 mm 1.7 Williams 1983 8
Example of allowable shear stresses (tractive forces) for cohesive materials (COE 1994) Nm -2 47.9 23.9 4.8 ~ 5 Nm -2 2.39 ~ 2 Nm -2 0.48 9
The daily average shear stress in a cross section in Luotsinmäenjuopa during 30-year periods Simulointi 1971-2000 sekä eri ilmastoskenaarioiden mukaiset arvot Kesällä pieni virtaama ja pieni kitkajännitys Lotsari et al. (2013) 10
Pori 30.12.2004 11
Kokemäenjoen vedenkorkeus Porin keskustan kohdalla 1.6 1.4 Kokemäenjoen vedenkorkeus Jääpato nro 1 WL max + 1.22 m Lauha jakso, Ei jäätä Jääpato nro 2 WL max + 1.52 m Water level [m] 1.2 1.0 0.8 JÄÄN VAIKUTUS VEDENKORKEUTEEN 0.6 2004-12-20 2004-12-27 2005-01-03 2005-01-10 2005-01-17 2005-01-24 2005-01-31 Max. 60 cm 0.4 0.2 WL havainto Porin silta Simulointi, ilman jäätä Q mean = 453 m 3 /s Max. 88 cm Date
Shear stress, N/m2 Meri Kivini Porin silta Jääpadon vaikutus kitkajännitykseen 5 4 Qsteady = 383 m 3 /s WL meri = 0.45 m 3 2 1 0-1 Ei jäätä 0 2 4 6 8 10 12 Ei jäätä Jääpato 0.4-1 välillä m paksu Meri-Kivini n=0.06 Paksuus 0.4-1m Manning n = 0.06 Etäisyys mereltä km 13
PORIN KESKUSTA KITKAJÄNNITYS KOKEMÄENJOESSA KUN YHTENÄINEN JÄÄKANSI 20,30 TAI 40 cm Q talvi mean = 260 m 3 /s 14
Tulokset ja pohdinta 1. Jääpato Kokemäenjoen alajuoksulla nostatti joen vedenkorkeutta Porissa 60-90 cm kun Q = 167-678 m 3 /s ja merivesi Mäntyluodossa -0.1 0.9 m N60-tasossa Korkea merivesi + Q > 400 + Jää- = m3 /s pato Tulvariski Muutokset kitkajännityksessä verrattuna tilanteeseen ilman jäätä 1. Jääpadon alla sedimenttien liikkeellelähtöpotentiaali kasvaa 2. Jääpadosta ylävirtaan sedimenttien liikkeellelähtöpotentiaali pienenee 3. Jääkannen alla sedimenttien liikkeellelähtöpotentiaali a. pienenee, kun jääkansi on sileä b. kasvaa, kun jääkansi on rosoinen 15
Tulokset ja pohdinta 6. Mikäli ilmastomuutoksen vaikutuksesta talvivirtaamat kasvavat ja jääpeitteinen aika vähenee -> kulkeutuuko joesta talvikuukausina mahdollisesti aikaisempaa enemmän sedimenttejä jokisuistoon ja rannikolle? 16
Tutkimusryhmä ja yhteistyökumppaneita Eliisa Lotsari, UEF Petteri Alho, Turun yliopisto Mikko Huokuna, SYKE Juha Aaltonen, SYKE Noora Veijalainen, SYKE Mikko Sane, SYKE Yhteistyökumppaneita Pauli Myllymäki, VAR-ELY Satakunnan ammattikorkeakoulu, SAMK Kemijoki Oy, KAT Oy 18.2.2014 17
KIITOS 18