Hydrodynamiikka monimuotoisissa luonnonuomissa
Download
1 / 37

Hydrodynamiikka monimuotoisissa luonnonuomissa - PowerPoint PPT Presentation


  • 64 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Hydrodynamiikka monimuotoisissa luonnonuomissa' - thai


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
Hydrodynamiikka monimuotoisissa luonnonuomissa

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
Esityksen runko

  • luonnonmukainen vesirakennus

  • luonnonmukainen tulvasuojelu

  • virtaus monitasoisissa uomissa

  • miten mallintaa jokivirtausta?

  • esimerkki: muuttuvan virtauksen 1D-mallinnus tulvatasanteisessa, osittain kasvillisuuden peittämässä Reinjoessa


Luonnonmukainen vesirakennus
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




Hydraulisessa mitoituksessa tarvitaan
Hydraulisessa mitoituksessa tarvitaan:

  • erilaisia elinolosuhteita

    • vaihtelevia vesisyvyyksiä eri virtaamilla

    • erilaisia karkeuselementtejä aiheuttamaan eri virtausnopeuksia

  • hyvä vedenjohtokyky tulvan aikana


Luonnonmukainen tulvasuojelu
Luonnonmukainen tulvasuojelu

  • lisäreunaehtona luonnonmukaisin menetelmin toteutettu tulvasuojelu mm. asutuksen ja maatalouden tarpeisiin

  • uomien ylimitoittaminen aiheuttaa suurten kulujen lisäksi ekologisia haittoja


Esim rein joki
Esim. Rein-joki

  • Mitä tapahtuu kun valuma-alueen luontaiset tulva-alueet vähenevät?

    • tulvien äärevöityminen: tulvahuippujen kasvu ja keston lyheneminen


Tulvasuojelun k kohtia
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


Sama poikkipinta ala eri poikkileikkausmuoto
Sama poikkipinta-ala, eri poikkileikkausmuoto!

Vaihtelevia elinolosuhteita!

YKSIPUOLISET

ELINOLOSUHTEET!


Monitasoiset uomat

- 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 =>


Monitasoinen uoma voi olla
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


Esim p nt neenjoki
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


Hydrodynamiikka monimuotoisissa luonnonuomissa

yliveden aikana hyvä vedenjohto-kyky!

aliveden aikana riittävän pieni poikki-leikkaus ja riittävän suuri vesisyvyys



Liikem r n siirtyminen p uoman ja tulvatasanteen v lill
Liikemäärän siirtyminen pääuoman ja tulvatasanteen välillä

  • hidastaa virtausta pääuomassa

  • lisää virtausta tulvatasanteella

  • lopputuloksena virtauskapasiteetin pieneneminen koko uomassa


Liikem r n siirtyminen kasvittoman ja kasvillisuuden peitt m n uomanosan v lill
Liikemäärän siirtyminen kasvittoman ja kasvillisuuden peittämän uomanosan välillä

Sama ilmiö kuin tulvatasanteen ja pääuoman rajapinnassa


Virtauskapasiteetin ja h vi iden laskentamenetelmi kaksitasouomissa
Virtauskapasiteetin (ja häviöiden) laskentamenetelmiä peittämän uomanosan välilläkaksitasouomissa


Vastuskertoimien arviointi
Vastuskertoimien arviointi peittämän uomanosan välillä


Kuvitteellinen rajapinta
Kuvitteellinen rajapinta peittämän uomanosan välillä

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


Kaksitasouoman virtauskapasiteetti
Kaksitasouoman peittämän uomanosan välillävirtauskapasiteetti


Virtaus kaksitasouomassa ei kasvillisuutta
Virtaus kaksitasouomassa peittämän uomanosan välillä- 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


Virtaus kaksitasouomassa tulvatasannekasvillisuutta
Virtaus kaksitasouomassa peittämän uomanosan välillä- 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


Puiden aiheuttamat her tteet
Puiden aiheuttamat herätteet peittämän uomanosan välillä


Hydrodynaaminen mallinnus luonnonmukaisissa uomissa
Hydrodynaaminen mallinnus luonnonmukaisissa uomissa peittämän uomanosan välillä

  • 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


Montako dimensiota malliin
Montako dimensiota malliin? peittämän uomanosan välillä

  • 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


Pysyv n vai muuttuvan virtauksen malli
Pysyvän vai muuttuvan virtauksen malli? peittämän uomanosan välillä

  • 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


K yt nn n virtausmallinnus luonnonuomissa
Käytännön virtausmallinnus peittämän uomanosan välilläluonnonuomissa

  • 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


Muita huomattavia asioita
Muita huomattavia asioita peittämän uomanosan välillä

  • 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


Ep station rinen 1d malli osittain kasvillisuuden peitt mille uomille
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


Esim rein joki1
Esim. Rein-joki peittämille uomille

  • 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


Esimerkkej poikkileikkauksista
Esimerkkejä poikkileikkauksista peittämille uomille




ad