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

Esityksen runko luonnonmukainen vesirakennus luonnonmukainen tulvasuojelu virtaus monitasoisissa uomissa miten mallintaa jokivirtausta? esimerkki: muuttuvan virtauksen 1D-mallinnus tulvatasanteisessa, osittain kasvillisuuden peittämässä Reinjoessa 27.11.2003

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 27.11.2003

Ei näin… 27.11.2003

… vaan mielummin näin! 27.11.2003

Hydraulisessa mitoituksessa tarvitaan: erilaisia elinolosuhteita vaihtelevia vesisyvyyksiä eri virtaamilla erilaisia karkeuselementtejä aiheuttamaan eri virtausnopeuksia hyvä vedenjohtokyky tulvan aikana 27.11.2003

Luonnonmukainen tulvasuojelu lisäreunaehtona luonnonmukaisin menetelmin toteutettu tulvasuojelu mm. asutuksen ja maatalouden tarpeisiin uomien ylimitoittaminen aiheuttaa suurten kulujen lisäksi ekologisia haittoja 27.11.2003

Esim. Rein-joki Mitä tapahtuu kun valuma-alueen luontaiset tulva-alueet vähenevät? tulvien äärevöityminen: tulvahuippujen kasvu ja keston lyheneminen 27.11.2003

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 27.11.2003

Sama poikkipinta-ala, eri poikkileikkausmuoto! Vaihtelevia elinolosuhteita! YKSIPUOLISET ELINOLOSUHTEET! 27.11.2003

Monitasoiset uomat - tulvatasanne/ levennys uoman toisella tai molemmilla reunoilla, samalla tai eri korkeudella (engl. compound channel) tulvatasanteet voivat olla osittain tai kokonaan kasvillisuuden peittämiä Tulvatasanteita voidaan hyödyntää mm. virkistykseen => 27.11.2003

27.11.2003

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 27.11.2003

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 27.11.2003

yliveden aikana hyvä vedenjohto-kyky! aliveden aikana riittävän pieni poikki-leikkaus ja riittävän suuri vesisyvyys 27.11.2003

Virtaus kaksitasouomassa 27.11.2003

Liikemäärän siirtyminen pääuoman ja tulvatasanteen välillä hidastaa virtausta pääuomassa lisää virtausta tulvatasanteella lopputuloksena virtauskapasiteetin pieneneminen koko uomassa 27.11.2003

Liikemäärän siirtyminen kasvittoman ja kasvillisuuden peittämän uomanosan välillä Sama ilmiö kuin tulvatasanteen ja pääuoman rajapinnassa 27.11.2003

27.11.2003

Virtauskapasiteetin (ja häviöiden) laskentamenetelmiä kaksitasouomissa 27.11.2003

27.11.2003

Vastuskertoimien arviointi 27.11.2003

Kuvitteellinen rajapinta Rajapinnan sijainti määritetään (menetelmästä riippuen) joko etsimällä kasvillisuuden/ tulvatasanteen reuna (manuaalisesti) tai vuorovaikutusalueen leveyden ja sijainnin perusteella iteroiden 27.11.2003

Kaksitasouoman virtauskapasiteetti 27.11.2003

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 27.11.2003

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 27.11.2003

Puiden aiheuttamat herätteet 27.11.2003

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 27.11.2003

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 27.11.2003

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 27.11.2003

Käytännön virtausmallinnus luonnonuomissa 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 27.11.2003

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 27.11.2003

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 27.11.2003

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 27.11.2003

Esimerkkejä poikkileikkauksista 27.11.2003

Muuttuvan virtauksen malli Ylä-Reinillä 27.11.2003

http://www.water.hut.fi/wr/research/luomu.html 27.11.2003