Lataa esitys
Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota
1
Hydrodynamiikka monimuotoisissa luonnonuomissa
Terhi Helmiö Tutkija TKK Vesitalous ja vesirakennus Hydrologian päivä
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
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 =>
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) laskentamenetelmiä kaksitasouomissa
22
Vastuskertoimien arviointi
23
Kuvitteellinen rajapinta
Rajapinnan sijainti määritetään (menetelmästä riippuen) joko etsimällä kasvillisuuden/ tulvatasanteen reuna (manuaalisesti) tai vuorovaikutusalueen leveyden 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 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
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 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
Samankaltaiset esitykset
© 2024 SlidePlayer.fi Inc.
All rights reserved.