Hydrodynamiikka monimuotoisissa luonnonuomissa

1. Hydrodynamiikka monimuotoisissa luonnonuomissa Terhi Helmiö Tutkija TKK Vesitalous ja vesirakennus http://www.water.hut.fi/wr/research/luomu.html Hydrologian päivä 27.11.2003

2. Esityksen runko • luonnonmukainen vesirakennus • luonnonmukainen tulvasuojelu • virtaus monitasoisissa uomissa • miten mallintaa jokivirtausta? • esimerkki: muuttuvan virtauksen 1D-mallinnus tulvatasanteisessa, osittain kasvillisuuden peittämässä Reinjoessa

3. Luonnonmukainen vesirakennus • eliöstölle turvattava sopivia elinalueita koko luontaisella virtaamavaihtelualueella eikä vain keskiarvotilanteessa (esim. MQ) • tavoitteina • uomien ennallistaminen/ kunnostus • luonnon monimuotoisuuden parantaminen • sallittavia/ suosittavia • mutkaisuus • poikkileikkauksen muodon ja koon vaihtelu • uoman pituussuuntaan • eri virtaustilanteissa • kasvillisuus, puuaines • luonnonmukaisten uomien hydrauliikka monimutkaisempaa kuin suorien tasakokoisten uomien hydrauliikka

4. Ei näin…

5. … vaan mielummin näin!

6. Hydraulisessa mitoituksessa tarvitaan: • erilaisia elinolosuhteita • vaihtelevia vesisyvyyksiä eri virtaamilla • erilaisia karkeuselementtejä aiheuttamaan eri virtausnopeuksia • hyvä vedenjohtokyky tulvan aikana

7. Luonnonmukainen tulvasuojelu • lisäreunaehtona luonnonmukaisin menetelmin toteutettu tulvasuojelu mm. asutuksen ja maatalouden tarpeisiin • uomien ylimitoittaminen aiheuttaa suurten kulujen lisäksi ekologisia haittoja

8. Esim. Rein-joki • Mitä tapahtuu kun valuma-alueen luontaiset tulva-alueet vähenevät? • tulvien äärevöityminen: tulvahuippujen kasvu ja keston lyheneminen

9. Tulvasuojelunäkökohtia Miten voidaan parantaa joen virtauskapasiteettia ja lisätä uoman stabiliteettia? • ”vähemmän ekologisia” menetelmiä • poikkileikkauksen suurentaminen • puuaineksen tai kasvillisuuden vähentäminen • uoman suoristus • pengertäminen • ”ekologisempia” menetelmiä • tulvauomien ja laajennusten rakentaminen • kaksitasouoman rakentaminen

10. Sama poikkipinta-ala, eri poikkileikkausmuoto! Vaihtelevia elinolosuhteita! YKSIPUOLISET ELINOLOSUHTEET!

11. - tulvatasanne/ levennys uoman toisella tai molemmilla reunoilla, samalla tai eri korkeudella (engl. compound channel) tulvatasanteet voivat olla osittain tai kokonaan kasvillisuuden peittämiä Monitasoiset uomat Tulvatasanteita voidaan hyödyntää mm. virkistykseen =>

13. Monitasoinen uoma voi olla • luonnollinen • yliveden aikana vesi nousee pois uomasta tulvatasanteelle tai laajemmalle uomanosuudelle; tulvatasanne voi olla jopa kilometrejä leveä; mm. tulvaniityt • uoman rannoilla on tapahtunut sedimentoitumista ja keskiuomassa eroosiota • rakennettu • uomaa on laajennettu keskiveden yläpuoliselta osaltaan tulvasuojelun tarpeisiin

14. Esim. Päntäneenjoki • MQ 1.8 m3/s, MHQ 22 m3/s, HQ1/20 40 m3/s, valuma-alue 210 km2 • poikkileikkausta laajennettu keskivedenpinnan yläpuolelta tulvasuojelua varten

15. yliveden aikana hyvä vedenjohto-kyky! aliveden aikana riittävän pieni poikki-leikkaus ja riittävän suuri vesisyvyys

16. Virtaus kaksitasouomassa

17. Liikemäärän siirtyminen pääuoman ja tulvatasanteen välillä • hidastaa virtausta pääuomassa • lisää virtausta tulvatasanteella • lopputuloksena virtauskapasiteetin pieneneminen koko uomassa

18. Liikemäärän siirtyminen kasvittoman ja kasvillisuuden peittämän uomanosan välillä Sama ilmiö kuin tulvatasanteen ja pääuoman rajapinnassa

20. Virtauskapasiteetin (ja häviöiden) laskentamenetelmiäkaksitasouomissa

22. Vastuskertoimien arviointi

23. Kuvitteellinen rajapinta Rajapinnan sijainti määritetään (menetelmästä riippuen)joko etsimällä kasvillisuuden/ tulvatasanteen reuna (manuaalisesti)tai vuorovaikutusalueenleveyden ja sijainnin perusteella iteroiden

24. Kaksitasouoman virtauskapasiteetti

25. Virtaus kaksitasouomassa- ei kasvillisuutta • Uoman vedenjohtokyky riippuu • tulvatasanteen ja pääuoman • syvyyksien suhteista • leveyksien suhteista • karkeuseroista • pääuoman leveys/syvyys -suhteesta • tulvatasanteen leventäminen kasvattaa vedenjohtokykyä • pääuoman ja tulvatasanteen välisen luiskan kaltevuuden loiventaminen kasvattaa vedenjohtokykyä

26. Virtaus kaksitasouomassa- tulvatasannekasvillisuutta Pääuoman virtauskapasiteetti riippuu lähes täysin tulvatasanteen ominaisuuksista • mitä tiheämpi kasvillisuus, sitä enemmän turbulenssi heikkenee tulvatasanteella sekä tulvatasanteen ja pääuoman rajapinnassa • pääuoman ja tulvatasanteen välisen luiskan kaltevuuden merkitys vedenjohtokykyyn häviää • jos tulvatasanteen kasvillisuus on jäykkää (puita, pensaita), virtauskenttä riippuu • kasvillisuuden peittoasteesta (kasvaa kasvien halkaisijan ja tiheyden lisääntyessä) • herätteen pituudesta (kasvaa halkaisijan lisääntyessä ja tiheyden vähetessä) • jos kasvillisuus on erittäin tiheää, rajapinnan vastuskerroin saattaa kasvaa tulvatasanteen kaventuessa

27. Puiden aiheuttamat herätteet

28. Hydrodynaaminen mallinnus luonnonmukaisissa uomissa • virtausmallin soveltuvuus riippuu joen mittakaavasta ja siitä, mitä virtausilmiötä halutaan mallintaa • virtausmalli on oikein käytettynä tehokas apuväline sekä uomien suunnittelussa ja mitoituksessa että habitaattien palauttamisessa

29. Montako dimensiota malliin? • Suomen jokia ja puroja voidaan kohtalaisella luotettavuudella mallintaa yksiulotteisesti • suhteellisen pieniä ja stabiileja • 2D/3D-malli tarpeen, kun halutaan mallintaa ilmiötä uoman leveys- ja/tai syvyyssuunnassa, esim. • uomassa tapahtuvia poikittaisvirtauksia • virtausta uomasta tulvatasanteelle • virtausta tulvatasanteella • joihinkin tapauksiin kehitetty yksiulotteisia tai näennäisesti kaksiulotteisia malleja, jotka ovat helppokäyttöisempiä kuin useampidimensioiset mallit • yleensä koko jokialueelle 1D-malli ja monimutkaisia yksityiskohtia tarkennetaan 2D/3D-malleilla tarvittaessa

30. Pysyvän vai muuttuvan virtauksen malli? • pysyvä = stationäärinen = ajasta riippumaton • muuttuva = epästationäärinen = ajasta riippuva • yksinkertaisimmissa tapauksissa pysyvän virtauksen malli on usein riittävä • pikkupuroissa jo yksittäiset karkeuselementit voivat aiheuttaa moninkertaisesti suurempia virheitä kuin mitä mallin tarkkuus on • suuremmissakin virtavesissä muuttuvan virtauksen mallinnustarve on tapauskohtaista • tulva-aallon eteneminen ja viipymä vesistössä • sivu-uomien tulvahuippujen ajoittuminen toisiinsa nähden

31. Käytännön virtausmallinnusluonnonuomissa • luonnonmukaisten uomien mitoituksessa ja mallinnuksessa olennaista ottaa huomioon • vaihteleva karkeus/vastus uoman eri osissa • liikemäärän siirtymisen aiheuttama häviö • uoman epäsäännöllisyyden eli äkillisen laajenemisen tai supistumisen aiheuttamat häviöt • vähimmäisvaatimuksena • malliin voidaan syöttää eri karkeusparametreja virtaustilanteista tai uomankohdista riippuen • ei oleteta että ali- ja ylivirtaamalla uomassa on sama vakiona pysyvä Manningin kerroin • tulvatasanteen ja pääuoman rajapintaan voidaan lisätä suurempi vastus kompensoimaan liikemäärän siirtymisen aiheuttamaa häviötä

32. Muita huomattavia asioita • Mallien stabiilius voi olla vaikeasti saavutettava luonnonmukaisissa uomissa • suuret poikkileikkausmuodon ja –koon vaihtelut uoman pituussuunnassa • suuret karkeusvaihtelut sekä uoman pituussuunnassa että vesisyvyyden funktiona • Lisäongelmia • vuorovesi • sedimentin kulkeutuminen • uoman haarautuminen

33. Epästationäärinen 1D-malli osittain kasvillisuuden peittämille uomille • sisältää erilliset vastuskertoimet kasvillisuusalueille, kasvittomille uomanosille ja rajapinnoille • laskee tulva-aallon etenemisen ja viipymän • laskee osavirtaamat ja nopeuskomponentit erikseen tulvatasanteille ja pääuomaan

34. Esim. Rein-joki • 28 km jakso Ylä-Reinillä Rheinweilerista Hartheimiin (n. 200 km alavirtaan Constance-järveltä) • 140 poikkileikkausta 100-320 m välein, poikkileikkauksessa 42…227 koordinaattipistettä • enimmäkseen kasvipeitteinen penkka Ranskan puolella ja leveä kasvipeitteinen tulvatasanne Saksan puolella

35. Esimerkkejä poikkileikkauksista

36. Muuttuvan virtauksen malli Ylä-Reinillä

37. http://www.water.hut.fi/wr/research/luomu.html