Kalajoen veden happipitoisuuden lisääminen

KALAJOEN VEDEN HAPPIPITOI- SUUDEN LISÄÄMINEN

Esko Lakso

1981:67

KALAJOEN VEDEN HAPPIPITOI- SUUDEN LISÄÄMINEN

Esko Lakso

Kokkolan vesipiiri Kokkola 1981

SISÄLLYSLUETTELO

1. TUTKIMUKSEN TARKOITUS

2. 'IEOREETTISET PERUSTEET JOKI-IIMASTUKSESSA 2.1 Kaasun liukoisuus nesteeseen

2.2 Kaasun liukenemi.nen nesteeseen 2.3 Hapetuskapasiteetti

2.4 Hapetustehokkuus

2.5 Ilmastus- tai hapetushyötysuhde 2.6 Ilmakuplan nousunopeus

3. AQ<AISENi.v1AT TUTKIMUKSET JA KÄYTröKOKEMUKSET 3.1 Putousporras ilmastimena

3 .. 11 Pienikuormitteiset putousportaat 3.12 Nonnaalikuonni.tteiset putousFOrtaat 3.2 Ilmastus voimalaitosten yhteydessä

3.3 Ilmaputkien käyttö ilmastukseen 3.4 Mekaaniset ilmastimet

4. 1\ALAJOEN VESISTÖALUE

4.1 Yleiset hydrologiset tiedot 4.2 Tehdyt vesistötyöt

4.3 Vesistön kuormitus

4 .. 4 Kalajoen veden happipitoisuuden alenemisesta aiheutuvat vaikeudet

4.5 Keinot Kalajoen veden happipitoisuuden nostamiseksi 5. SUORI'IETUT TUTKIMUKSET

5.1 Padingin ylisyöksypato 5.2 Oksavan voimalaitos 5.3 Padingin voimalaitos

5.4 Säännöstelyn vaikutus veden happipitoisuuteen

Sivu 5

6 6 7 12 13 14 15

1e

18 18 20 21 25 28 30 30 31 33 34 36 37 37 39 42 44

6.

5.5 Virtaustutkimukset 5.6 Hapenkulutuskokeet

5.7 Turbiinin energian menetys ilmastuksessa 5.8 Ilmastuksen kustannukset

TUI.DKSET JA JOHTOPÄÄTÖKSET

46 48 49 51 53

6.1 Padingin ylisyöksypato 53

6.2 Voimalaitosilrnastus 55

6.3 Settijärven säännöstely 56

6.4 Eri toimenpiteiden vaikutus veden happipitoisuuteen 56

6.5 Johtopäätökset 58

TIIVISTEIMÄ 61

SUMMARY 66'

PÄÄTÖSMAININNAT 71

KÄYTETYT MERKINNÄT 72

KIRJALLISUUSLUETTELO 74

LIITIEET

ten

mitusta

lä

mahdollista

tarve nostaa

alaosalla. Eri kuormitustekijöiden

alaosalla, on nahkiais-

toteutunut

pyrkii laskemaan kevättai- veden happipitoisuutta vabrristui vuonna 1975. Mer- vain kevättalvella, koska ilmasta veteen riittää korvaamaan joen

~~~~u~ Kalajokeen tulevaa kuor- että veden keinotekoinen

1980. Koejärjestelyt

n~~n~ kokeissa tehtävillä toimenpiteil- alaosan veden ja tältä osin

. Täysmittakaavaisten luotettavuus. Toisaalta laitteistojen suuri koko muunneltavuutta tutkimuksen aikana.

ovat mahdollisimman

, tulokset on pyritty esittä- sovellettavissa myös mui-

selvittämään

saadut tulokset on tekerrään

käytännön ko- Ja voimalaitosten käyttöä ilmastuksessa. Muita ilmastusmenetelmiä sekä säännöstelyn

, koska ne osaltaan saattavat olevan

veden hap- säännöstelyä tutkimuksen taustatietona käsitelty

veden

alaosan veden happipitoisuuden arvossa 7 g/m3, ja Pidisjär-

tämän

kannalta riit- vertailu toisiaan kor-

ulkopuolel- toi.staiseksi ole käytettävissä ver-

2 ..

6

TEOREETTISET PERUSTEET

TUKSESSA

JOKI-ILMAS-

2 .. 1 KAASUN LIUKOISUUS NESTEESEEN

Kaasl.ll1 kyllästyspitoisuus voidaan ilmaista Pöpelin (1976) mukaan yhtälöllä (1)

= kaasun kyllästyspitoisuus nesteessä

= suhteellisuuskerroin, jonka suuruus riippuu kaasun ja nesteen laadusta sekä lälnfötilasta. ~ :n arvot vedessä eri kaasuille läin[::ötilan funktiona on taulukoitu

=

mainitun kaasun pitoisuus kaasufaasissa

Kaasl.ll1 kyllästyspitoisuuden c arvio.imiseksi on tunnettava c , joka

s g

voidaan määrittää yleisen kaasulain perusteella.

p · V = n · R · T

p ^~ kaasun osapaine kaasufaasissa V= kaasufaasin tilavuus

n

=

mainitun kaasun moolimäärä R ;:::; yleinen kaasuvakio

T = absoluuttinen lälnfötila

Yhtälö (2) voidaan kirjo~ttaa muotoon

n = ...=..P _ _ V R • T

(1)

(2)

(3) Kertamalla yhtälön(3) Irolerrmat puolet mainitun kaasl.ID nolekyylipainolla M.VV, saadaan kaasun massa kaasufaasissa.

= p .. MW R .. T

=

.MW ^p

(4)

(4) saadaan

(5)

:n

on

saadaan

lauseke

lisää kaasun

• Le Chatelier -periaat- en liukoisuutta

lämpö-

rrol kaasua

H/ (R • T • T )

l 2

:n arvoa.

(6)

(7)

(8)

(9) rrassavirta assa dt

diffuusion seurauksena kontaktialan kasvaminen

riippuu alkuperäi- x sekä ajasta t pinnan integroida olettarualla

rajapinnan kyllästys-

voidaan havain- 1976).

on

veteen liukenee kaavan

s -6

vuorokauden kuluttua on keskimäärin 0,1 gjrn3 arvot osoittavat uusien ilmavesipintojen nopean syntymisen oleellisen merkityksen. Kuvassa 2 on esitetty (Hog~n yrn. 1970) silla ..

on noin 30 3 gjrn3d.

a b c

0,6 rn veteen erilaisilla veden virtausnopeuk- virtausnopeudella 1 m/s ve·teen liukeneva happimäärä

virtausnopeudella 0,1 rn/s vastaava arvo on noin

1 1

/c 1 1

): V

J

V

a·

f

1 m/s 10

ym. 1970 .

alkanut kuukausi ennen virtaus ..

10

Ilmastuskerroin k

2 määritellään seuraavasti

dM dc

dt · V

=

dt

=

k2 ^(c s ^{- c)}

Integroirnalla yhtälö (12) ajm suhteen ja olettarna.lla kaasujen diffuu- sioteorian mukaan kaasun liukenemisaika vakioksi (t

=

te) saadaan

:lle yhtälöön (11) sijoittamalla arvo k 2 = 2 · -V A "

Integroirnalla yhtälö (12) saadaan - c

c - c s 0

= e -k2 .. t

(12)

(13)

(14)

kasvaessa yhtälön (14) oikea. p.Ioli lähestyy arvoa nolla eli nesteen kaasu- pitoisuus lähestyy kyllästysarvoaan. Graafisesti tilanne on kuvan 3

mukainen.

2~---~---+---4---+---~---~---~

0~----~---+---+---~----~---~----~

0

1 3

480

Aika

640 800

960 s

1120

Kuva 3. Happipitoisuuden lisääntyminen vedessä tietyssä ilmastus- prosessissa.

Useissa ilmastusoperaatioissa, kuten putousportaissa, on vaikeaa, jopanuh- dotonta nääri ttää ilmastusaika t. Tämän johdosta ilrnastusaika olete- taan vakioksi \-.' kun ilmastin toimii sanoissa olosuhteissa. Täten rrääri- tellään ilmastuksen tehokkuuskerroin K

c - c

s e c - c

s 0

e -k2 · tk

=

vakio

=

1 - K

Yhtälö (15) voidaan kirjoittaa 111YÖS muotoon

(15)

c - c = K • (c - c ) (16)

e o s o

Tehokkuuskertoimen K rrerkitys on esitetty kuvassa 4. Yhtälöstä (16) ja kuvasta 4 voidaan havaita, että K:n arvo vaihtelee norna.alisti il- rnastuksessa välillä 0 - 1.

Kuva 4.

0 0

(1- K}·c₅

ap n lis(iy ce-c~r

,

₁

1 1 1 1 1

1 : hapen vajaus

~~~~~~~;...a~---Cs- Co

1 1 1 1 1 1 1 1 1

Kyllästyspitoisuus

Kun ilmastusoperaation tehokkuuskerrroin K on tunnettu,

erilaisilla kyllästyspitoisuuden lähtöarvoilla saatava happipitoisuuden ],..;L$äys voidaan rräärittää graafisesti.

12

2. 3 HAPETUSKAPASITEETri

Hapetuskapasiteetti oc määritellään happimäärän siirtymisenä nesteeseen tilavuus- ja aikayksikköä kohti standardiolosuhteissa. Standardiolosuhteet ovat:

- lämpötila 0°C - paine 101,3 kPa

- happipitoisuus 0 g/m3

Yhtälön (12) ja edellä esitetyn perusteella oc voidaan esittää yhtälön muodossa

(17) C~ =hapen kyllästysarvo puhtaassa vedessä, T = 0°C ja P

=

101,3 kPa Lämpötilan vaikutusta prosessin ilmastustehokkuuteen on kartoitettu useissa tutkimuksissa. Imhoff ja Albrecht (1972) ovat esittäneet näistä tutkimuksista kuvan 5 mukaisen yhteenvedon.

1.

3 ---,---..,.---,

1,2

IJ) ::J 1.1

::J .::::t:.

.::::t:.

..c 0

1.0 ...

QJ

IJ)

...

::J

<.1J

a.

0.9

.!:. 0

c <.1J 0,8 c

o. ⁷

~--~----~--.----~---.--~c

2s•c 30

5 10 ¹⁵

20

::J 0

f./)

Veden lämpötila

Kuva 5. Lämpötilan vaikutus ilmastustehokkuuteen.

A

=

Luonnolliset vesistöt.

B = Pneumaattiset ja heikosti turbulenttiset järjestelmät (turbiinit).

C

=

Mekaaniset ilmastimet (pintailmastimet, ylisyöksYl)adot, ibnastus- harj at) , kun on yli 20 W/m3.

Ylisyöksypadoissa lämpötilamuutokset tehdään käyrän C mukaisesti. Kupla- ilmastuksessa ja voimalaitosilmastuksessa käytetään käyrää B.

Lämpötilakorjauskuplailrnastirnille voidaan tehdä myös kokemusperäisellä ker- toimella n

10;nT' jonka arvot on taulukoitu (Pöpel 1976) . Kertoirrelle on kehitetty kokemusperäinen kaava

0

n10/DT

=

1, 0188 (lO C - T) (18)

Tässä tutkimuksessa ilmastushavainnot on tehty erittäin lähellä lämpötilaa 0°c. Tämän johdosta kirjalli~uudesta saadut tutkimustulokset on muunnettu lämpötilaan 0°C. Hapetuskapasiteetti lämpötilassa 0°c saadaan kuplailuil- rnastirnille seuraavasti

oc (T=OoC)

Koska cs(T=OoC) = 14,6 g/m3 kertaistuu muotoon

oc (T=OoC) 12 _, 1 . oc . _T

2. 4 HAPETUSTEHOKKUUS

DlO/DT DlOD0°C

ja n10;n0oc

=

1,205,

(19) kaava (19) yksin-

(20)

Hapetustehokkuudella OE tarkoitetaan veteen siirrettyä happimäärää käy- tettyä tehoyksikköä kohti.

oc · V

OE= NG

NG

=

tehoyksikkö

Yhtälöjen (15) ja (17) perusteella saadaan K

=

1- e-k2tk

=

1- e-oc tk/cs

oc = · ln (1 - K)

(21)

(22)

Sijoittamalla yhtälö (22) yhtälöön (21) ja toteamalla, että V/tk=:Q(virtaarna) - 3,6 Q C,'s ln (cs - Ce)

cs Co OE=

Yhtälössä (23) on käytetty seuraavia dirnensioita:

Q

=

virtaarna (m3 /s) Ne= tehoyksikkö (kW)

OE= hapetustehokkuus (kg/k\Nll)

(23)

14

Kertoimen 3 ,6 avulla muutetaan yksikkö (mg/ J) parerrnnin yksiköksi (kg/kWh) . Putousilmastuksessa (kW) arvo voidaan sekkeesta

NG = 0,8 Q h •

~

· g/1000 Q = virtaarna (m3

1

s)

h = putouskorkeus (m)

~ = tiheys 1000 (kgjm3)

g

=

painovoiman kiihtyvyys 9,81 (m/s2)

Kerroin 0,8 saadaan verrattaessa putouksen tehoa siitä voimalaitoksella saatavaan tehoon.. Voimalaitoksen hyötysuhde on keskimäärin 0, 8. Putouk- sen teho voidaan lyhyesti laskea kaavasta

=

7,85 Q . h

Voimalaitosilmastuksessa voimalaitoksen tehonmenetys on luettavissa suoraan voimalaitoksenmittareista. Samoin puhallinilmastuksessa tar- vittava teho voidaan lukea suoraan mittareista. Tällöin tarvittava ilmastusteho NG (kW) voidaan myös laskea kaavasta

NG =

Qg · (hw

⁺

~p)· f

·g/(0,6 · 1000) Qg

=

ilmavirta nonna.alipaineessa (rn3 /s)

hw

⁼ vesikerroksen paksuus ilmastimen päällä (m)

~p = painehäviö ilmastll11essa ja putkistossa (m)

Kerroin 0, 6 johtuu rroottorin ilmastimen yhteisestä Kaava voidaan yksinkertaistaa

=

16,35 ..

" (hw

+ ~p)

2.5 ILMASTUS- TAI

tai ) on

den alle puhalletun tai irnetyn hapen u._._,..._ ...

käytetyn hapen

Ilmastettaessa ilma:a käyrettäen voidaan maini·tulle hyötysuhteell.e ( n ) johtaa seuraava lauseke

(25)

{26)

ve-

n

=

lOOO·Qg·0,21·22,4 · 32

Ow

on virtaama (m3 1 s)

9g on ilmavirta (m3 1 s)

n =

0,33 ·

0w

^{(ce - co}

Og

2 .. 6 ILMAKOPLAN NOUSUNOPEUS

. 100 (28)

(29)

Ilnlakuplan nousunopeutta on tutkinut rrm. Kobus (1973) laboratoriokokeilla.

Ilmakuplan nousunopeuteen vaikuttavia seikkoja ovat käsitelleet mm.

Hogan ym.. (1970).

veden aiheuttama noste

kitka ilmakuplan paino

Kuva 6. Seisovassa vedessä erillisen ilmakuplan nousunopeuden määrää- vät tekijät.

siihen vaikuttavat seuraavat wimat (kuva 6 ja yhtälö 30) ilmakuplan paino + veden noste - kitka = 0

a . g + -6rr

d~ ~

WJ -

cn + ^d~

^•

^q

^w

.Ja =

ilman tiheys

.'1

w = veden tiheys c0 ⁼ kitkakerroin

v a

=

ilmakuplan nousunopeus

v2 a

-2- = 0 (30)

ty:mäaikaa ympäröivään nesteeseen. 'Ibisaalta hitaasti ylöspäin kohocr:;-~_:7:·:

vaa pientä ilmakuplaa ympäröi paksu vesikerros, joka pidentää

hapen diffusioitumismatkaa .. Kuitenkin ilmastuksessamahdollis.irman pieni

16

kuplakoko on toivottava. Kuplakoko on kuitenkin vähintään 10 kertaa ilmas- tusaukkoa suurempi, ellei käytetä mit.ään menetelmää kupl icn p iencntämtsc:ks i

jo niiden syntyvaiheessa (Hogan ym. 1970).

Ilmavirran nousunopeudella on ilmastutehokkuuden lisäksi merkitystä arvioitaessa voimalaitokseen syötetyn ilman käyttäytymistä turbiinin eri,kohdissa. Kuplan nousunopeus kasvaa Kobuksen (1973) suorittamien rråttausten mukaan suhteessa halkaisijaan kuvan 7 mukaisesti.

~5+---~---~

0,1

cm

1

Kuplakoko

Kuva 7. Ilmakuplan nousunopeus sen halkaisijan funktiona Kobuksen (1973) mukaan.

Kuvan 7 mukaan ilmakuplalla, sen halkaisij~1 ollessa 0,5 - 5 mm, on lähes vakiosuuruinen nousunopeus. Ilmakuplien nousunopeus riippuu myös aukosta purkautuvan ilman määrästä. Mikäli kyseessä on useita ilmansyöttö-

, nousunopeus riippuu ilmavirran määrästä pinta-alayksikköä kohti.

Runsas ilmamäärä aiheuttaa samalla sitä ympäröivän vesi virran nousua ylöspäin. Kuvassa 8 on esitetty aukosta pUrkautuvan ilman määrän vai- kutus kuplan keskimääräiseen Ilman nousunopeus kasvaa edelleen, mikäli ilmaa syötetään useista aukoista, kuvan 9 mukaan.

\ll 1.00

::J ~

0 c

:;J

\ll :;J 0 c c

C1P c

:0 '-

0.2

:0 :0

E

~

\ll 0

.,

0 2 3 4 5 6 9 1/s

~ 7 8 10

Ilmavirta

Kuva 8. Aukosta (d = 0,5-5 mn) purkautuvan ilman määrän vaikutus sen nousunopeuteen Kobuksen (1973) mukaan.

1.25 m/s

\ll

::J 1.00

~ 0

c :;J

0,75

\ll :;J 0 c

c 0.50

C1P c

--- ^---

/ ~

/

¹

1

¹

:0 ....

0.25

:0 :0

E

..:!111!

0

cJ)

41 X:

1 1 1

10 • 12 ¹⁴ 16

2 4 6 B

0

Ilmovirta

Kuva 9. aukoista ( d

=

1 rrm) purkautuvan ilman nopeus Kobuksen (1973) mukaan.

Mikäli vedellä on vaakasuuntainen nopeus ilmastuksen aikana, tämä. piene- tää oleellisesti ilmakuplien nousunopeutta ylöspäin, kuten kuvassa 10 on esitetty .. ilma on syötettävä kohtaan, jost,a ve- den virtausnopeus on vähintään 0,5 rn/s, että vältetään ilmakuplien nopea kohoaminen turbiinin yläosaan tai välppäaukosta ulos.

18

1.2

_ _ T _________

m/s vesivirran rlopeus

=

^{0 m/s!}

1

1.0 ¹

«/) !.- _. ^{0.05 m/s}

:l

---

dt

----

0. 0.8

0 c

:l

«/)

:J 0.6

0 c c <te c 0,4

;a

:o L.

:0

E ^{0,2 - - - -}

.::tt.

«/)

<te

~ 0

0 5 10. 15 20 l/m²s 25

limavirta

Kuva 10. Ilman nousunopeus, ilman määrän funktiona erilaisissa virtaus- olosuhteissa Kobuksen (1973) mukaan.

3. A I K A I S E MM A T T U T K I M U K S E T J A K Ä Y T T Ö -

KOKEMUKSET

3.1 PUTOUSPORRAS I~ffiST~lliNA

3.11 P i e n i k u o r rn i t t e i s e t p u t o u s p o r t a a t

Pienikuorrnitteisia putousportaita on tutkittu laboratorioissa kontrolloi- duissa olosuhteissa. Virtaama padon pituusmetriä kohti on yleensä ollut alle 30 1/s.

Useat tutkimukset osoittavat, että ilmastuksen tehokkuuskerroin K on suo- raan verrannollinen putouskorkeuteen alle 0,7- 1,0 rn putouksissa. Esirn.

Barret ym. (1960) esittävät tehokkuuskertoimelle K seuraavan yhtälön (31) saasteettemassa vedessä

K = 0,45 (1 + 0,046 T) h T = veden lämpötila (° C) h = putouskorkeus (m)

(31)

Kroonim. ja Schramin ( 196 9) mukaan kertoilren K arvo on noin 0 , 4 ja miltei riippumaton lärrpötilasta ja virtaama.sta, kun virt~1,us vaihtelee 6, 5 - 26 1/rns. Mikäli vesisuihku jaetaan vähintään 4 eri suihkuun metriä

kohti, ma.inittu kerroin K kohoaa aina arvoon 0, 64 asti, kun putous- korkeus on alle 0,7 m. Tämän korkeuden yläpuolella putouskorkeuden vaiku- tus K arvoon on vähäisempi. Kuvassa ll on esitetty saadut K:n arvot pu- touskorkeuden funktiona.

0.6

K 0,5

'ö

c

0.3

KAYSER& ST GMANN-BRAUNSCHWEIG(1975 suihkun rikkojat

/

ARRET YM.(1960)

/

r 2.0

1,8 1.6

L-

L- J1<AYSER & STEGMANN-BRAUNSCH 1 4

EIG (1975)

OJ

~ / ilfnan suihkun rikkojta 1 3 .S

~ Q2~---~~--~---~---~---~ . 0

L-

1.

2

4;

:J

~

.JIC

_g

^0,1

.!

0 0.4 Q6

^0,8 1,0

Putouskor keus

1,2 1,4m

..lll:

clt :::J

1,1 ~ 0

E

1,0

=

1,6

Kuva 11. Ilmastustehokkuuskertoimen K arvo putouskorkeuden funktiona eri tutkirnuksien mukaan. Veden lämpötila on l0°C.

Kayserin ja Stegrrann-Braunschweigin (1975) mukaan ilnastuksen tehokkuus voidaan ilmaista r:n (32) avulla.

r =

c - c s ⁰ c - c

s e

, joten r ^l 1 K

Arvolle r saatiin seuraava rraterraattinen lauseke (33) r = l + O,lla b (1+0,046T) h

a

=

l 125 ¹ kun vesi on vähän likaista b = 110, kun on vain yksi ylisyöksykynnys

b

=

1,3, kun kyseessä on porrastettu vesiputous

(32)

(33)

Edellä mainitussa tutkimuksessa on käsitelty pienikuonnitteisia patoja

(Q = 7 - 25 1/s), kun putouskorkeus on pieni (H

<

0, 7 m). Kuvassa 11 on esitetty r:n arvoja putouskorkeuden funktiona. 'futkirrruksen mukaan aina- kin pienillä virtaaroilla suihkunrikkojilla näyttää olevan huonBttava rrerkitys padon hapetustehoon.

3.12 N o r m a a 1 i k u o r m i t t e i s e t u t u s p o r t a t

Normaalikuormitteisissa ~~-~~CÅU~~~~>uU virtaamat padon

kohti saattavat arvosta 100 arvoon 1000 1/s.

on rakennettu muuta mutta myöhemmin niitä on

alettu käyttää tai ilmastuspatoina.

olosuhteista.

Tutkimustulokset on saatu Bericht (1977) on

Albrecht ja Imhoff

'-'-'-~>Jui.A 1 on

tusoiminaisuuksista.

2,

ha:petuskykyä.

esittävät kokemuksia Ruhrjoen ilmastuksesta. Liit- pohjapatojen ilmas-

o...,.;:.:~.u'-"~..~.. . ..~..u saadut haJ?etustehokkuuden OE arvot ovat alaveden

(1977) mukaan Albrecht

(1973) tutkimustensa että ylisyöksykynnyksen

yläpuolinen saa kokonaisputouskor-

putouskorkeudesta. Parhaat

~~~-""~·u on täydellinen yli- keudesta sekä syvyys vähintään

arvot on saatu

Suihkunrikkojia Hutarew on ilmeisesti saanut paran- netuksi

1)"

edistävät ilman

toon.

30

ilmastustehoa padon pinnasta veden keskinäistä sekoittumista. Hutarewin

voidaan t~iliökkailla

verrattuna normaaliin

reacration of Waters" (1969) on selivitet- ilmastustuloksiin.

tutkimusten mukaan tarvitaan noin nostamaan veden happipitoisuuden alavesi .. mainitussa

._, "'"'"-:J'C"'-'l u..~..·~~...~.v.J~c-~. . ..~-a on suhteellisen syvä

~v-L~~~~~·a tutkimuksessa Uudessa Englannissa . Vesi putosi kiviloh-

noin , 5 ( 5 , 5 m) korkuinen riitti

arvoon ..

3. 2 II.MASTUS VOIMALAI'IOSTEN YHTEYDESSÄ

Voimalaitosten yhteydessä suoritetuissa ilmastustutk~uksissa ilma tai happikaasu on lisätty veteen vaihtoehoisesti joko turbiinin painepuolel- la tai imupuolella. Edellisessä tapauksessa tarvitaan puhallin ^i~ saa- miseksi veteen, jälkimäisessä tapauksessa voidaan käyttää hyväksi itse-

~ua ilman lisäämiseksi turbiiniin.

Mettlachin voimalaitoksella Saarjoessa vuonna 1964 suoritetuissa tut- kimuksissa (Eckholdt 1966) ilma puhallettiin putkimaisten hienokuplail- ma.stirnien läpi välpän ja turbiinin väliseen tilaan. Voimalaitos on tyy- piltään pysty-Kaplan,jonka putouskorkeus vaihtelee rajoissa 10 - 11,5 m.

Ilmastuksen tavoitteena oli nostaa veden happipitoisuutta 2 g/m3 ja pyr- kiä ilmastuksessa 50 % hyötysuhteeseen. Suoritettujen koeajojen tulokset p:>ikkeavat toisistaan huomattavasti, kuten lii tteestä 2 ilrrenee. Bl.lb.al-

timena käytetyn kiertamäntäkampressorin antama ilmamä3rä oli 0,25 m3;s.

PUh.altimen vastapaine oli 8 m vesipatsasta ja sen ottama teho noin 33 kW.

Eckholdtin (1966) tutkimuksessa ei otettu huomioon ilnBStuksesta aiheutuvaa turbi.inin tehon ja energian :rrenetystä. Korkeinmat OE arvot satiin suuri.milla käy- tetyillä turbiinin tehoarvoilla. Sanoin hapen käytön hyötysuhde oli täl- löin paras eli noin 33 %. Pienillä virtaaman arvoilla hapen käytön hyöty- suhde oli alle 20 %. Osa ilmasta karkasi ylös syöttöputkien luota työs- kentelytasolle.

Ba.ldeneyn voimalaitoksella Ruhrjoella ilma pilalletaan turbiiniin välittömästi ennen turbiinin siipiä (Albrecht ja Imhoff 1973 sekä Imhof f ja Albrecht 1972). Turbiini on tyypiltäänpysty,...Kaplan. Sen suurin virtaama on 15 m³/s, mutta ilmastettaessa suurin virtaaroapiEnenee arvoon min 14 m3;s. Putouskorkeus on noin 8, 5 m. Suurin turbiiniin puha.llettava ilm:::unä.ärä on 0, 92 m3 /s vas- tapaineen ollessa 4 m vesipatsasta. Puhaltimen ottama teho on tällöin noin 60 kW. Turbiinin tehonrcenetyksek.si arvioidaan yhteensä 66 kW. Ilmastuste- hoksi ilmoitetaan veden happipitoisuus 50 % kyl~ästysasteella ja 20°c lämpötilassa 178 kg/h. Tällöin OE:n (T

=

0°C) arvoksi saadaan 3,8 kg/

kWh liitteen 2 mukaan ja hapen käytön hyötysuhteek.si 18 %. Ba.ldeneyn voimalaitoksella on ilmastettu Ruhrjoen vettä 1960-luvun puolivälin jäl- keen 20 - 30 vuorokauden ajan vuodessa aina, kun veden happipitoisuus on pyrkinyt laskemaan alle 4 g/m3.

22

Turbiinin itseimun avulla on veden happipitoisuutta nostettu Poppen- weilerin voimalaitoksella Neckarjoe.ssJ: 1950-luvun loppupuolelta läh-

tien (Wagner 1958) • Turbiini on tyypiltään pysty-Kapla.n ¹ jonka suurin vir- taarna on 30 m3js ja putouskorkeus noin 7,1 m. Ilman syöttö tapahtuu välittömästi turbiinin siipien jälkeen 400:n turbiinin kehälle ~ratun

halkaisijaltaan 15 mn suuruisen aukon kautta .. Turbiinin irne:mä.ä ilmarnäär~~ä

voidaan säätää ilman syöttöputken venttiilin avulla. Liitteessä 2 on esi- tetty koeajoista vuonna 1977 saadut tulokset.

Useissa koeajoissa erityisesti suurilla virtaaroilla onnistuttiin lisää- mään veteen happea yli 2 kg/kWh. Tällöin iliTan määrä oli yleensä alle 1,5 % vesimäärästä. Hapen käytön hyötysuhde oli tällöin yleensä yli 30 parhaimnillaan yli 40 %. Suurilla virtaaroilla voitiin

turbiinin .i.n:ernä ilmamäärä nostaa korkeaksi, 3 m3 /s, mutta tällöin turbiinin tehohäviö oli yli 900 kW. Vastaava veden happipitoisuuden nousu oli arvosta 3,8 gjm3 arvoon 7,4 gjm3. Hapetustehokkuden arvo oli tällöin suuren tehohäviän johdosta vain 1,2 kg/kWh ..

Wisaonsiningokienvoimalaitosten ilmastusta on kehitetty ainakin 18 voima- laitoksessa 1940-luvulta lähtien (Wiley ym. 1960 1962). Ilmastus ta- pahtuu voimalaitoksissayleensä itse.imun avulla .. Yieisesti todetaan, et·tä ilmastus on kannattavaa, kun veden happipitoisuus on alle 40 kylläs- tysarvosta. Ilmastuksen yhteydessä on mitattavan tehonmenetyksen lisäksi pyritty määräärrään rrwös energian menetys. Ilman syrjäyttämän veden sääs- tymisestä johtuen energian menetys on tehon menetystä pien6npi. Arvio vaih- telee voimalaitoskohtaisesti 30 70 Liitteessä 2 on lähdeai- neiston (Wiley ym. 1960) perusteella laskettuja ilrnastustuloksia taulu- kossa 1 mainitUista voimalaitoksista.

Taulukko 1. Yleistiedot niistä Wisconsinin joen voimalaitoksista, joiden ilmastustuloksia on esitetty 2.

Flambeau

(Hot Rapids)

I.Dwer Fox

(Ki.rnberley)

IoV~er Fox

Voimal-aitoksen tyyppi

lll i

Leffel-vaaka.turbi in i Allis

korkeus

6,0

2 4

Huippu teho

(kW) hOO 320 900

~-*--- ---~~---~ - - - " - - - - · - ·

Hausenin massa

5 m suurin vat mene1teJI.m3Lt

täen tätä

turbiinin ·~~~~.~~.~ ~~~·~~n~

Turbiinin itseinmn avulla

12

tiin

63 turbiiniin

noin 2 0, 20

osa ilmasta karkasi ulos ennen

Neefin

turbiinia tiin

24

- kuinka paljon voidaan nostaa vesistön veden happipitoisuutta voima- laitoksella puhdasta happikaasua käyttäen

- kuinka suuri on hapetushyötysuhde.

Happi syötettiin veteen välpän etupuolelta käyttäen 54 p:>lystyrol-suo- datinputkea, jolloin suodatinputkien kokonaispi tuus oli 81 m. Hapen syöt- tölaitteiston upotusyvyys oli no.in 10 m. Tutkimuksessa käytettiin seuraa- via koesarjoja:

- hapen syötön , ja vesimäärän suhde pidettiin vakiona ( 0, 2 %) siten, että hapen 100 % hyötysuhteella veden happipitoisuus olisi kohonnut 3

- turbiinin j~ksutus pidettiin vakiona (53,5 - 55,2 m3/s) ja hapen syö"t::- taä nuutettiin

- hapen syöttömäärä oli 1000 m3 /h ja kokeen kesto 2 tuntia (muiden kokei- den kestoaika oli vain 15 min).

Ensinnäiseseäkokeessa pienillä alle 30 m3/s virtaaroilla veden nopeus turbiiniin oli niin pieni, että huanattava osa hapesta karkasi ylös huonontaen siten hapetustulosta. Paras hyötysuhde .saavutettiin Virtaa- malla 60,7 m3 /s, jolloin hapen käytön hyötysuhde oli 4 9 % ja veden happi- pitoisuuden lisäys 1,43 g/m3~

'lbisessa kokeessa ha:pen käytön hyötysuhteen kannalta paras tulos saavu- tettiin pieninmällä hapen syöttömäärällä, joka oli 0 ,13 % vesimäärästä.

Tällöin hapen käytön hyötysuhde oli 63 % ja happipitoisuuden nousu 1,18 g/m3. Suurinmalla happimäärällä, 0,21 % vesimäärästä, vastaava hyötysuhde oli 54 % .ja happipitoisuuden lisäys 1,58 g/m3.

Viirreisessä kokeessa happimäärä oli 0,29 % vesimäärästä ja virtaama 95,3 m3/s. ~ållöin hapen käytön hyötysuhde oli 73 ^% ja veden happipi- toisuuden lisäys 3,05 gjm3. Yksityiskohtaiset tulokset koeajoista on esitetty liitteessä 2.

Kun happi syötetään välpän etupuolelle, jotta happikuplat Irel1isivät turbiiniin mahdollisirrman tasaisesti veteen jakautuneena, suuri veden:

virtausno}?eus turbiinin läpi on eduksi korkean hapen käytön hyötysuhteen saavuttamiseksi.

3. 3 liMAPUTKIEN KÄYTID IIMASTOKSEEN

Veden happipitoisuuden nostoa ilrnaputkilla on tutkittu sekä laboratorios- sa että käytännössä. Laboratoriossa kontrolloiduissa olosuhteissa saadut tulokset ovat hyviä verrattuna käytännön olosuhteissa saatuihin tuloksiin.

Käytännön olosuhteissa vaikeutena on ilmamääxänjakaminen tasaisesti koko ilrnastusputkistoon, jolloin ilman purkautumisnopeus on tasainen ja kupla- koko pieni. Lisäksi vaikeutena on ilnakuplista veteen irreytyvän hapen tehokas sekoittuminen koko 11mastettavaan vesimassaan.

Ippen ja Carver (1954) ovat lal::Dratoriotutkimuksissaan saaneet kuvan 12 mukaisia ilman ja hapen hyötysuhteen arvoja.

...-:J

-

·a

>

.c 0

-~

c

:a ⁴⁰

-~---+---~~--::--uo""lll'f-:::::~--~~

i ~~ I ²⁰ +----=-;;;r-i=~~~$f~:s~-t----i

O.:o

::r:.c: a~

0

0

2 3 m 4

llmastimi~n upotussyvyys

Kuva 12. Laboratoriotutkimuksissa Ippenin ja Carverin (1954)saamia hapen ja ilman käytön hyötysuhteen arvoja kuplailmastuksessa. Yhtenäisellä viival- la on kuvattu hapella saatuja tuloksia ja katkoviivalla ilmalla saatuja tuloksia.

Ziemiski ym. (1958) raportoivat laboratorio-olosuhteissa saavutetun hapen käytön hyötysuhteen arvoja 2 9 - 33 %, kun ilma.stimien upotussyvyys oli

1,2 m. Ippen ja carver (1954) ovat mitanneet samaa syvyyttä käytettäessä hyötysuhteen arvon 22 % kuplakoon ollessa 1,32 mm. Laboratorio-olosuhteis- sa Zierniski ym. (1958) ovat mitanneet hapetustehokkuuden arvon 3, 9 kg/

kWh ilmastimien upotussyvyyden ollessa nojn 3 m.

26

Pattlen mukaan (1950) hapen käytön vaihtelee erittäin rajoissa. Parhaimmillaan mainittu arvo on 0,18 kertaa upotussyvyys (rn)

alhaisimrnillaan 0,02 kertaa kg/kWh:ssa. ^Arvo riippuu mm. ilman purkautumisnopeudesta. arvojen pohjalta Kobus (1973) on laskenut saavutettavista

Vesisyvyys Virtaama.

Veden lämpötila Veden happipitoisuus

4 25 2

Vaadittu hapenlisäys 4 Yllä

teen 0, kertaa kWh. Vastaava arvo on 0, 6 kg/kWh. Vaadi tun malla hapetuksen

Viemäriveden

laskien saadaan hapetuksen hyötysw1- arvolla hapetustehokkuudeksi 5,3 kg/

arvolla 0,02 kertaa upotussyvyys (m) tarvitaan korkeamr' alemmalla 900 kW.

Täten niiden ilmastustehokkuudesta jätevedenpuhdistarroissa on nmsaasti.

kokemuksia. Eri (1976) esittää taulukon

2 mukaisia

Taulukko 2 ..

tehokkuuden

)

..

vesijohtovettä käytettäessä

hapetushyötysuhteen hapetus-

Hapetustehokkuus kg/kWh. Upotussy- vyys noin 3,5 rn

1,7- 2,2 1,1 - 1,5 0,9 - 1,5

~J-"'~~-~~ on todettu kuvassa 13 iJ.mastuksessa käytetyn

w

0 tn :J :::J ...::a::

.X .!:. 0

...

(b _U)

... ::J

c.n

~

3,6 kgÅ<

3.

wr

2

2

.8

2 ,4

2

.0

1 ,6 0,0

-·-

^r-.~ ...

"""'-.,

...

~"·

'·"""' ""·

'·

,_.----

^{.. ~..._}

'

..,.,..,... ...

/ , /

^{,..-- ~}

0,100

0.125

0,150

Ilmamäärän ja vesimäärän suhde

Kuva 13. Ilmastustehokkuus ilmamäärän funktiona erilaisissa virtausolo- suhteissa ja ilmastimien upotussyvyyden ollessa 3,4 rn. Pistekatkoviiva tarkoittaa pitkää, kapeaa allasta ja pi tkäoma.ista virtausta, katkoviiva kaksoisspiraalivirtausta sekä yhtenäinen viiva spiraalivirtausta.

Tutkimuksessa käytettiin 3 , 4 rn ilrnastimien upotussyvyyttä ja Saran-putki- hienokuplailma.stimia. Ilrnastustehokkuuden ma.ksirniarvot näyttävät sijait- sevan erittäin pienillä ilmamäärillä tilavuusyksikköä kohti (0,1 %) . Tä.m3. on ilmeistä, kun tarkastellaan kuplan nousunopeutta ilmamäärän funk- tiona (kohta 2 .. 6) . Pitkittäinen virtaus lisää kuplan nousuaikaa, joten pitkä kapea allas ja pitkittäinen virtaus nostavat ilmastuksen hapetus- tehokkuutta. Käytännön olosuhteissa sekä jäteveden puhdistarroissa että joki- ilmastuksessa käytetyt ilmamäärät ovat noin 10-kertaisia kuvassa 13 esi- tettyihin ilmamääriin verrattuna, jolloin ilmastus~ehokkuuden arvot ovat edellisellä sivulla esitetyn mukaiset.

Vuoteen 1973 käytettiin Ruhrjoella Baldeneyseen tekojärvellä putki- ilrnastusta, kun ilmaa oli saatavissa edullisesti läheiseltä hiilikaivok- sesta (Albrecht 1973). Järveen upotettiin 2 kpl 150 m:rf ja 2 kpl

mast1~S"J:)Ut:.kia. Ilman purkuaukot olivat 10 cm välein. Niiden halkai- 100 rn:n

sija järven syvimmissä kohdissa oli 0, 7 mn ja ma.talilla osilla 0, 5 mm. Il- mastuskohdissa järven syvyys vaihteli 2,5 - 6,3 m. Ilmaputket oli-

vat halkaisijaltaan 5 cm:n kumiletkuja.

28

Ilmansyötön ollessa 0,55 m3/s saatiin veteen liukenemaan happea 28 kg/h veden happipitoisuuden ollessa 50 % kyllästysarvosta ja veden lärrq_X)tilan 20°C. Mainituissa olosuhteissa hapenlisäys oli 0,15 kg/kWh. Standardi- olosuhteissa (hapettomassa tilassa lämpötilan ollessa 0°C) hapetustehokkuus

1

olisi noin 0,3 kg/kWh.

Delawarejoessa USA:ssa suoritettujan kokeiden mukaan hapetustehokkuus saavuttaa maksimiarvonsa noin 4 m asennussyvyydessä ja laskee sen jäl- keen asennussyvyyden kasvaessa (Oxygen Generation of Polluted Rivers 1971).

Ilmastimien syvyyden kasvaessa yli 4

m:

±in nousee ilmastl.lksen tehontarve no- peammin kuin lisäsyvyyden tuoma hyötysuhde (kuva 14)

1, 2

24

kg/kWh

.,.

1.0

²⁰

0.8 16

12

,

eli .J:.

:J \1)

8 > ^:o

-

_>

.J:.

4 ^\1) ::::J

- ~

0

:r:o :r:

0

2

⁴

6

8 10m 12

Ilma n ssyvyys

Kuva 14.. Hapetustehokkuuden hapetushyötysuhteen mu~1tokset ilmastus- putkien up:>tussyvyyden funktiona. Yhtenäinen viiva kuvaa hapetushyöty- suhdetta ja katkoviiva ... r_. ... ~J,.Jc+·=h,...,Lrl!r,

3.4 MEKAANISET ILMASTIMET

Mekaaniset ilmastimet esim. seuraaviin ilmastintyyppeihin:

- pintailmastimet

- yhdistetyt ilman puhallukseen tai itseimuun sekä veden sekoi tukseen perustuvat ilmastirret

Pintailmastimien veden hapetuskyky perustuu veden pirskottamiseen ilmaan, hapekk.aan veden tehokkaaseen sekoittamiseen sekä ilrnakuplien kierrättämi- seen veteen. Näiden ilmastimien hapetustehokkuus on suurimmillaan 1,6 kg/k'Wh, kun ilma.stusaltaan koko ja muoto ovat optima.alisia ilmastimelle

(Pöpel 1976) .

Ruhrjoella Baldeneyseen tekojärvellä käytetään pintailma.stinta nostamaan järven happipitoisuutta paikallisesti (Albrecht ja Imhoff 1973) . Pinta- ilma.stin koostuu kahdesta S.imcar-ilmastirresta ja niitä käyttävästä 110 kW dieselmoottorista. Ilmastusyksikköä voidaan hinata tarpeen mukaan.

Veden happipitoisuuden ollessa 50 % kyllästysarvosta laitteella saavute- taan 47 kg/h ilrnastustulos eli 0, 75 kg/k.Wh. Standardiolosuhteissa saa- vutettu hapetustehokkuus on noin 1, 6 kg/kWh.

'Whipple yrn.. (1969) ovat tutkimuksissaan päätyneet siihen, että virtaus- nopeus lisää olennaisesti pintailmastimen hapetustehokkuutta. Passaic-

joella on suoritettu kokeita pintailrnastimella erilaisilla virtaamilla.

Lti tteessä 3 on esitetty tutkimuksesta saadut tulokset. Veden virtauk- sen ollessa vähäinen ilmastustehokkuuden arvot standardiolosuhteissa jää- vät alhaisiksi: 1,0 - 1,5 kg/k~lll. Suurem:nilla virtaaroilla arvot olivat yli 2,0 kg/kWh ..

Turbiliri-staattori-yhdistelmillä, joihin ilma puhalletaan tai ne imevät itse veteen sekoitettavan ilman, i.lrroitetaan 1 - 1,5 kg/kWh hapetus- tehokuuksia (Pöpel 1976). Laitteistojen, esirn. Fringsin, esitteissäesite- tään hapetustehokkuuden nousevan suotuisissa olosuhteissa yli 2 kg/kl1.h.

Näiden laitteiden teho perustuu ilman jakamiseen veteen pienikuplaisena eli 0,02 - 3 mm kuplakoolla. Pumppausvaikutuksen avulla ilma sekoitetaan nopeasti mahdollisimman suureen vesimassaan.

•Lähinnä järvien ilmastuksessa tulevat kyseeseen ns. limnolaitteistot. Niis- sä hapetettava otetaan tiety 1 tä syvyydeltä, kerrostuneista järvistä hypolimniosta käyttäen apuna p:rtkuripumppua ja ilmavirtaa. Ilmansyöttö ve-

teen tapahtuu teiden

~vulla

puhallinta tai potkurin ja siihen liitettyjen apulai t- hyväksikäyttäen. Potkurin aiheuttaman turbulenssin sekoitetaan mahdollisimman tehokkaasti. Ylijäämä- kaasut purkautuvat ilmaan ja hapetettu vesi voidaan palauttaa takaisin samaan kerrokseen. Ilmastuksen yhteydessä ei häiritä järven kerrostuneisuut- ta. Wahnbachaltaalla (Berrlhardt 1978) ja kotimaassa suoritetuissa järvien kunnostuksissa (Seppänen 1980) saatujen kokemusten perusteella laitteiston hapetustehokkuus on l - 1,5 kg/k.Y..Jh. Talvisaikaan käytettäessä edellä mainittu

4 ..

30

ilmastintyyppi pitää ympärillään avannon sulana, jolloin ilmasta suoraan veteen liukenevan hapen määrä on tämän lisäksi arvioitu huomattavaksi

(Seppänen 1980).

KALAJOEN VESISTÖALUE

4 1 YlEISET HYDROLOGISET TIElX)T

Kalajoen vesistöalue on esitetty kuvassa 15. Vesistön valuma-alueen ala on 4 300 km2 sekä järvisyys 2,8 % ja ilman tekojärviä 1,5 %. Vu~sijaksolla 1931 - 1960 Hihnalankoskessa (3025 km2) ja Raudaskoskessa (2280 '<m2) onha.vait- tu seuraavat virtaarnan arvot(Hydrologinen vuosikirja 1976- 1977, 1980):

Raudaskoski (m³/s) Hihnalankoski (m³/s)

19,6 25,4

HQ 320 373

MHQ 186 240

MNQ 0,7 1,3

NQ 0,0 0,1 Syksyllä 1975 käyttöönotettu Hautaperän tekojärvi pienetää ylivirtaamaa noin 50 m3

;s ja lisää alivirtaamaa siten, että alivirtaama Oksavan voima.- laitoksella on 3 m³;s vuorokausikeskiarvona laskien. Kevättaivella keskimää- rin helmikuun puolivälin ja huhtikuun puolivälin välisenä aikana, jolloin ilrnastus vesistössä on tarpeen, virtaama Oksavan voimalaitoksella on 5 - 10 m³;s. Tähän aikaan vuodesta vesi saadaan pääosin Oksavan yläpuolella sijaitsevista tekojärvistä ja säännöstellyistä luonnonjärvistä. Vesistö- alueen suurimmat (yli 1 km2) järvet on esitetty taulukossa 3.

Taulukko 3. Kalajoen vesistöalueen pinta-alaltaan yli 1 km2 suuruiset järvet.

Järvi

Reis-Vuohtojärvi +Hautaperän tekojärvi

Pitkäjärvi +Kuonanjärvi +Settijärvi

Pidisjärvi +Korpinen

Kuusaanjärvi Haapajärvi +Iso-Juurikka

Kiljanjärvi Iso-Kähtävä + = tekojärvi

Säannöstely alkoi

1970 1975 ei säänn ..

1968 1970 1979 1962 ei säänn.

1975 1962 1970 säänn.

Yhteensä

Pinta-ala km2 10,0

7,6 6,0 5,3 4,2 3,9 3,0 2,2 1,9 1,8 1,8 1 48,9

Säännöstelytila- vuus milj. m3

20,5 48,2 10,0 9,5

fj, 0

5,2

3,6 3,8 105,8

0

(j}!J

Luonnonjärvi

~ ^Tekojärvi

Pidisjär:vi

H ihnala~kosk ⁱ

1 ( ) (

\

~ Alavieska

~

",

~ o· )

~ 1

1 1

)

VI iviesk6

Hornarin

~.p;malaitos

(suunnittei rla )

\

1

\

\

'

⁾

{ 1

1

\ 1

\

1

S~ttijfvi 1

_,-..;...,._,

~,//

l l

\ J

J Kuononjärvi ./

J

l , r - - /

10 20 km \ /

---rc:::====:i ...

_oc:::===:t '...

_____

^/ / _..

Kuva 15. Kalajoen vesistöalue 4.2 TEHDYT VESISTÖTYÖT

Lähtökohtana järvien säännöstelyille ja tekojärvien rakentamiselle oli tul- va-alueiden poistaminen ylivirtaamia pienentämällä. Vesistöalueen tulva- alueiden kokonaispinta-ala 1960-luvun alkupuolella oli noin 8 000 ha.

32

Jokilaakson kokonaispeltoala on noin 66 000 ha. Tehtyjen ja tekeillä olevien tulvasuojelutöiden jälkeen vesistöalueen

ala on yhteensä noin 1 000 ha (Vesihallituksen

tulva-alueiden pinta- tiedotus 137, 1978).

Pidisjärven ynpä.ristön tulvasuojelu, jonka hyötyala oli noin 3 000 pelto- hehtaaria, ei ollut taloudellisesti kannattava ilman eri vesienkäyttömuo- tojen ottamista huomioon samanaikaisesti. Mukaan hyödynsaajiksi tulivat tulvasuojelun lisäksi voima.talous ja virkistyskäyttö. Tulvasuojelusuun- nitelma käsitti:

Hautaperän tekojärven rakentamisen,

- Pidisjärven sekä sen ylä- ja alapuolisen jokiosan tulvapenkereiden rakentamisen.

Perkaukset Pidisjärven ja Ylivieskan välisellä jokiosalla.

Tulvasuojelupenkereiden rakentaminen teki mahdolliseksi nostaa täysin ruohottuneen Pidisjärven vesipintaa noin 1,5 rn. Vesistön säännöstelys~ä

noudatetaan seuraavia periaatteita:

Kesäaikaan säännöstellyt järvet ja tekojärvet ovat rnahdollisirrrnan täynnä virkistyskäytön turvaamiseksi. Tekojärvissa on noin 0,5 rn tulvavara, mutta vesistössä esiintyvät kesä- ja syystulvat voidaan hallita tehtyjen perkausten ja pengerrysten avulla. Kuivina kesinä ainoastaan vesistön vaadittu alivirtaama juoksutetaan Kalajokeen.

Talvella ma.rras - huhtikuussa altaita tyhjennetään, mikä mahdollistaa seuraavan kevättulvan varastoinnin altaisiin. M?aliskuun loppupuolella ja huhtikuun alussa tyhjennyksessä otetaan huomioon lumen vesiarvo.

Talvisaikaan voidaan hyödyntää arvokasta vesienergiaa.

Kevättulvalla säännöstellyt järvet ja tekojärvet täytetään.

Kalajokeen on rakennettu taulukossa 4 mainitut voimalaitokset. Näistä Oksavalla on suoritettu ilrnastuskokeita kevättalvina 1979 ja 1980.

Padingin voirnalaitoksen säännöstelypadolla tutkittiin ylisyöksykynnyk- sen käyttöä ilmastimena kevättalvella 1979. Padingin voima.laitoksen valmistuttua syksyllä 1979 suoritettiin ilrnastuskokeita kevättalvella 1980 turbiini-ilrnastusta käyttäen.

Taulukko 4. Kalajokeen rakennetut voimalaitokset.

Voimalaitoksen nimi

Hinkua Oksava Padinki

Putous korkeus

(m) 19,5x 10,5

4,0

Mitoitus- Huippu- vi:]aarnct teho

(m /s) ^(MW)

40 6,3

36 3,0

30 1,0

Vuosi- Turbiini- energia tyyppi

(GWh/a)

9,7 pysty-Kaplan 8,9 vaaka-Kaplan 4,5 vaaka-Kaplan x

=

Putouskorkeus pienenee Hautaperän tekojärven vesipinnan laskiessa.

4.3 VESISTÖN KUORMITUS

Kilpinen (1979) päätyi tutkimuksessaan taulukossa 5 esitettyyn kuormituksen jakatm1aan Kalajoessa vuonna 1977.

Taulukko 5. Kalajoen kuormituksen jakautuminen eri tekijöille vuonna 1977 Kilpisen (1979) mukaan.

Kuo r m i t u s 1 ä h d e

Kuormi- Luonnon Sadeveden Taaj arat ja Perkauk- Muu ihmisen Yht.

tuspara- huuhtouma kuormitus teollisuus set aiheuttama

rretri kuormitus

t(a ^% t/a % t/a % t/a ^% t/a ^% t/a

Kok.N 1 200 44 70 2,6 65 2,4 450 17 920 34 2 700

Kok.P 48 34 3 2,4 15 10,6 40 28 35 25 140

Vesianalyysien perusteella lasketty typpikuorma Kalajoen suuosalla vuonna 1977 oli 1 800 t ja vastaava fosforikuorma 160 t. Typen osalta huomattava eroavuus johtuu luonnonhuuhtouman sekä perkausten aiheuttaman kuormituksen arvioinnin epätarkkuudesta. Kuitenkin esitetyt luvut kertovat eri tekijöiden vaikutuksen suuruusluokan. Vedessä tapahtuvien biologisten prosessien

kannalta lähteistä tulevien ravinteiden vaikutus on erilainen. Lan- noitteiden ja jätevesien

biologisissa prosesseissa. Sen

ravinnekuorma on melko pian käytössä aanluonnon huuhtouman sisältämät ravinteet ovat pääosin humukseen sitoutuneena ja siten vasta humuksen mahdollisen hajoamisen jälkeen käytössä.

Perkaukset on pääasiassa keskiosalla Pidisjärven alapuolei- sella osalla. Perkaukset ajoittuvat pääasiassa kevätta1veen,tanm.i-huhtikuu- hun .. Vuonna pe.rkausten rräät:ä oli 80 000 m3 ja vuonna 1978 vastaavasti 60 000 m3 ..

Eri kuormitustekijöiden yhteisvaikutuksesta Kalajoessa on esiintynyt kevät- talvella alentuneita happipitoisuuksia 1960-luvulla. Kuvassa 16 on esi- tetty 1970-luvulla havaittuja happipitoisuuksia joessa. Jokiosalla erityi- sesti Pidisjärvessä tapahtuu huomattava veden happipitoisuuden lasku.

4.4

34

Veden laatuun Hautaperän tekojärvi vaikutti selvimmin alentamalla Kalajoen kevättalvisia veden happipitoisuuksia. Ennen Hautaperän tekojärven käyt- töönottoa Pidisjärven yläpuolisella jokiosalla veden happipitoisuus oli yli 10 g/m3. Hink.uan voimalaitokselta lähtevän veden happpipitoisuudet on esitetty kuvassa • Alhaisimmillaan

4 g/m3. Hautaperän

järvessä esiintyy voimakas

happipitoisuus on ollut alle on 11,5 m. Jääpeit:teen aikana

lC~.uULUuo Järven syvänteissä vesi on sitä (kuva 18) . Hautaperän tekojärven hapettomassa tilassa

vesitilavuus säännöstelyn ~~~~ on 2 milj. m3.

Kuva 16.. Veden

KALAJOEN VEDEN

Vuosina 1976

1977

AIHEUTUVAT VAIKEUDET

Kalajoen alaosalla niin al- ne vaikeuttivat nahkiaisten Kalajoen alaosalla esiintyvä

Kalajoen alaosalla esiinty- ja sen läpi virtaa- kotitarvekalastusta. Vuonna kaupunqin ja Nivalan kunnan

-

100 ^"/o

-

^{c 90 (!)}

tn 0

BO

'-a.

tn >-

... 70 :.g II)

>- 60

~

c 50

(!)

"0

:J 40

:J

·a

tn ₃₀

-

^a.

a. 20 a. 0 :X: ·10

n m

^{IV V VI}

Kuva ^17. Hinkuan voimalaitokselta lähtevän veden happipitoisuudet

vuosina 1976 - 1980. --1976 ---1917 ---1978 ... 1979 •-•1980

Hapen kyllästysaste 10 20 30 40 50 60 70 80 90°/o100

Kuva ^18. isuudet kcv2ittalvPl1<:1 1977.

36

Nahkiaistuotannon rahallista merkitystä arvioitaessa lähtökohtana voidaan pitää vesioikeudellisen katselmustoinri_tuksen avustavan virkamiehen lausun- toa Kalajoen n~1kiaistuhoista vuosina ja 1978 (Niemi 1980) • Mainittuina vuosina nahkiaissaaliin vähenemäksi 232 000 kpl, joidenka netto- arvo oli yhteensäl62 400 mk eli keskimäärin 80 000 mk/a. Hautaperän tekojär- ven käyttöönoton jälkeen esiintyneet likomatojen viihtyvyydelle liian pienet veden happipitoisuudet olivat pääasiallinen syy nahkiaistuhoille.

Nahkiaisten poikastuotantoa esiintyy lähellä joen suualuetta olevissa koskissa, mutta määrin aina Padinkiin asti.

4 .. 5 KEINOI' KAlAJOEN VEDEN HAPPIPITOISUUDEN NOSTAMISEKSI

Kalajoen veden kevättalvisen happipitoisuuden nostamiseksi on neljä eri- laista keinoa:

Happipitoisuuden alenemista aiheuttavan kuormituksen vähentäminen.

Hapekkaan veden juoksuttaminen pääuomaan kevättalvella.

Hautaperän tekojärven veden happipitoisuuden lisääminen.

- Veden happipitoisuuden lisääminen pääuomassa.

Vuonna 1977 Kalajoessa pääuoman varrella taajamien jätevedet käsiteltiin larrmik:kopuhdistaroissa tai ne laskivat ilman käsittelyä jokeen. Haapajärven jätevedenpuhdistarro valmistui vuonna 1978 Ylivieskan ja Nivalan jäteve- denpuhdistarrot vuotta nwöherrmin. Taa j ^art1Cffi ja teollisuuden j ätevesikuormi- tus on nykyisin pienempi verrattuna vuoden 1977 tasoon.

Perkausten aiheuttama kuonni tus kun perkaustyöt saadaan tehdyk- si.. Mainitut toimenpiteet koskettavat kuitenkin vain 20 % vesistöön tu- levasta typpikuorrna.sta ja noin kolma.sosaa fosforikuormasta ..

vettä savan

Kuonanjärvestä on mahdollista juoksuttaa runsashappista Settijoki laskee välittömästi Ok- Kuonanjärvestä lähtevä Kuonanjoki

lähelle Hinkuan voimalaitosta. Näiden järvien käyttö- mahdollisuuksia hapekkaan veden varastona tarkastellaan lähemmin kohdassa 8.

veden happipitoisuuden lisäämisestä ei tutkimustulosten tietoja. Siikajoen vesis-

tössä sijaitsevassa tekojärvessä tutkitaan ainakin talvella 1980 - hapettamismahdollisuuksia Hydixor-nenetelmällä.

li-

voimalaj-

Oksavan suvantoa,

kolmin-

38

l

r~k----~100~0~--~~~~---1~p~oo~--~~~v

~

____ 21~oo~o---~

Ohjauslevy

A-A

Kuva 19 .. Ilmastuksessa käy-tetty Padingin ylisyöksypato. Kuvassa mitat on ilmaistu millimetreinä.

Lämpötilan laskiessa alle - 10°C ylisyöksypadot alkoivat jäätyä. Jää- tyminen alkoi jakaj issa kohdissa, joissa virtaus oli nopein. Jäät p:Jistet- tiin käsityönä tal~en mukaan. Kovilla pakkasilla (- 30 - - 40°C) jään täytyi poistaa kahdesti vuorokaudessa. Muutu huoltoa ilmastupadot eivät vaatineet.

70

50

40

~ c

~ 30

20

Kuva 20.

5 2 OKSAVAN VOIMALAIIDS

21

·tutkittiin

~~.~~.~~~ turbiinin eteen on

vuonna 1979 Padingin

mahdollisuutta syöttää imupuolelle 3 m turbiinisiipien jälkeen.

kuvassa Ilrnastuslaitteita ei turvallisuuskysymysten takia jättää toi-

a,

40

Vålpän eteen ilma syötettiin 5,2 rn pitkästä halkaisijaltaan 150 mm teräs- putkesta, johon oli :porattu altaan 5 mn reikiä 600 kpl. Ilrnastimen upotussyvyys oli noin 8 rn. Ilrnapuhaltimena käytettiin Aerzener GMA 13.6 kiertomäntäroottoria,

on taulukossa 6

il.rroitettu mukainen.

erilaisilla vastapaineilla

Taulukko 6. .A.erzener GMA 13.6 ilmantuotto erilaisilla vastapaineilla.

Puhaltimen vastapaine ( m vesipatsasta)

10 8 5 2 1

,318 ,328 ,343 ,366 ,378

Puhallin on varustettu 55 kW moottorilla Moottorin teho on riittävä kaikilla vastapaineen Ilman purkauturnisnopeus

istä oli noin 30

Koeajoissa voimalaitoksen _{rn-- s}

3;

ja veden nopeus huomattavasti suurempi

J~~-~J~,~~ kohti, kuin Kobuksen (1973) tutkimuksissa (kohta 2 .. 6). Ilman nousunopeus oli vähintään 0,6 - 0, 7 m/s. Huomattava osa ilmasta karkasi suoraan välppäämöstä tai palasi pitkin vesitunnelin viistoa Silmämääräistenhavaintojen mukaan noin 40 % syötetystä ilmamäärästä karkasi välpältä ylös. Vålppäämöstä ylös tulevan ilman tai menevän ilwan määrää ei ollut mahdollista mitata

Kun olleet , ne olivat vettä täynnä. Puhalti-

rren korkea.ntr1Cll1 pameen, joka ve-

den poistumisen jälkeen vapautui syöttäen välpälle lyhytaikaisesti run- saasti oli seurauksena etulaakerin kuurreneminen.

laakeri saatiin normaaliin vasta turbiinin pysäyttämi-

sen voitiin välttää nostamalla

ilmastusputkissa arvoonsa (8 m vesipainetta) vähitellen.

vähittäiseen nostamiseen käsikäyttöistä il- man

mukaan 32,

ottama. teho oli sähkömittarin voimalaitoksen tehon menetys oli tehopiirturista, josta arviointitark-

~~~-uuu saatiin liitteessä 5 esitetyt tulokset .

.l.J.Uf'""""".JI..I-'..L.._..._, ... H .... \...1.\...L\.;.;..I..l. määrittämiseksi otettiin noin 200 m voima-

60 kW arvioituna kuus on

±

20 kW .. Eri

lelle sekä

noin 3 m tos menetti

noin 3 km päästä voimalaitoksen yläkanavan suul ta.

~~·~~-~~-~~ otettiin kolminkertaiset näytteet.

säteittäisesti oli20 mm

tutkimuksissa syötettiin ilmaa imupuo-

'-'"·''"·--•-u•u. ... käyttäen. Ilma syötettiin kehälle poratusta 50 reiästä, joi- . Turbiinin kehän alaosassa virtaanalla normaalipainetta. Turbiinin yläosassa oli Puhallin näytti 0,5 m painetta. Tällöin pu- ... oli 0,38 ja sen tehonotto 7,2 kW. Voima.lai-

noin 60 kW .. Itseimua käytettäessa ilmamäärä oli 0,25 m3/s 60 Ilmastuksessa käytetyt venttiilit olivat osittain auki.

Kun otettiin

lakkaa

impuolelle, voimalaitoksen ylä- voitiin ottaa edestä. Alapuoliset näytteet

voimalaitoksesta. Itseimua käytettäessä lämpöanturiperiaatteella toimivalla

päästä. Mittari oli varustettu as- a oli 150 mm. Tulokset vuonna liitteessä 5. Tampellan mukaan voimalaitoksen itseimu häiriintyy tai

v..., ... ,.._~ ... , ... ^{J ...} ;>'-.J.-..L.U. oli ilmastus jatkuvasti 19.2 - 8.4. Mainittuna aikana vaihteli 18 - 28 m3/s. Voi-

noin 200 m voimalaitoksen ala-

~'-""..._, ... ..;;1~· ^... välpäl tä, mutta jossakin ta- suulta. Vuonna 1980 suoritetut voimalaitoksen ylä- ja alapuo- havaintDtulokset on esitetty myös tulokset Oksavan ylii.puoLLsist<..l. veden

1979.

Oksavan aina Pidis-

. Voima-

0

Kuva 25, Vesistöjärjestelyt Oksavan voimalaitoksen yläpuolisella vesis- tönosalla.

8,5

g/m3

~

5 a.o

+ - - - + - - - - -

"'

·- ....

0

'ä.

7, 5 +--~..,.._ _ _ _ ----:1~---+---1----~~

o. Virtaoma Haapajärvestä 5.2nrlrs

g.

Virtaoma Settijärvils tä 0.6 m3/s

.r:.

1,

0

t;;;;;;;;;;z;:=---r-~t----;:-:u:-;-:::::-:f:::::;:-::&::""::=::-7:t:':"~~;-:::~l Settijoen veden happipito suus 12.8 mg/

c

t1 Haapojärv.n veden happipitoisuus 6,2 m II

>

"i

as~--~---~~---.---+---~

13.00 13.30

14.00 14.30

15.00

Kuva 26. Veden happipitoisuus Oksavan yläkanavan suulla 29.2.1980.

suurmasta

5.

levan veden

talulukon Re-

suurmista

2,7 virtaamasta vuonna

verrattuna.

Oksavan kokonaisvirtaa- kohoa-

~~~u~L~u~~v~ havainnois-

veden voima-

välillä osattaisiin

vaikuttavat selvittää

Oksavan voimalaitoksella lisättiin veteen noin

tu-

Vä-

~~~··~~~· voimalaitokselle asti.

voimalai- Hinkuan voimalaitoksen

voimalai-

voimalai-tok- vuorokautta. Merkkiaine-

Lisäksi tutkittiin 24.- 26.3.1980 Kuonanjoesta tulevan veden sekoittumis- ta Hautaperän teko järveen. Hautaperän tekojärven vedenkorkeus oli 24 .. 3.

tasolla 91,24 26.3.1980 tasolla 90,92 (N_43 ). Lisäksi jäätä oli noin 60 cm.. Tutkimus toistettiin kaksi kertaa. Ensimrräisellä kertaa väri- ainetta veteen

pysäyksissä.

PADINKI

Merkki aine. laskettiin veteen Oksavalta 10.3 1980 klo 14.00

+---~--+----r-no Ilonäyte +---+---+---+-~

1 .

50~~~~~~~~---~~4----r~~~~~~

18.3. 19.3. 20.3. 21.3. 22.3. 23. 3. 24.3. 25. 3. 26. 3.

Aika

OKSAVA

Merkkiaine laskettiin veteen HinkuaUa 13.3:1980 klo 10.00

90

M. A

...,

~ \

r---...

vv _"\

""'

'7n ... J ¹

JlJ ^'

^V

^{~~ -..}

^{r -}

M.

l/ ^~

1 nollar:äyte ¹ 501

22.3. 23.3. 24.3. 25.3. 26.3. 27.3. 28.3. 29.3. 30.3. 31.3.

Aika

Kuva 27. vaihtelut Padingin ja Oksavan voima..-

Kuvassa 28 väriaineen jakautuminen järvessä minituissa tilan- teissa. osoitti, että ainakin alhaisilla vesipinnoilla Kuonanjär- vestä tuleva vesi kulkeutui lähes kokonaan 1 - 2 vuorokauden ku-

Tutkimus olisi syytä uusia lla.

Kuva 28 ..

.. 3 .. 1980

5 .. 6 HAPENKUIDTUSKOKEET

suut ta ..

Tll NNE

24.3.1980 klo 14.06-15.51

veteen 24.3.1980 klo 7. 55

200 400 600 800 1000 m

. _ ,

3.1980 klo 7.49-9.10

veteen 25.3 1980 klo 13.00 Juoksutus Hinkuolla alkoi 25.3 klo 8.00

- 9 0 - Korkeuskäyrä Fluorometrin 1 u kema

50-70

48

".'''-..l'-''-'''-'. Väri lisättiin

voimalaitoksen ollessa

virratessa Kalajoessa.

kerroksista

vesirna.ssasta pelkistynei-

akuonnitus

5.7

ja aan sedimentoitunut

Veden vesimassan

kulutusta tarkasteltiin

, koska

~~-~=-wLLLL~-~ on nostaa veden

t-Jac:::tu.I...JJ.LICtoo::::J,a maalis-huhtikuussa.. Veden hapenkulutusta tut-

seuraavalla menetelmällä:

määritettäessä

Tulokset

Oksavan

osassa

TURBIININ ENERGIAN

Ulkomisten

ei takaisin Ensimnäisen

11,8

1

IIMASTUKSESSA

5,9 11,3 12,6 1, 3,9

lähtevässä vedessä

mää-

suoritetuista

6,0 11,5 13,1 1,5 3,6 11,2

vesistön- to- veden hapenkulutus ei

on tut- alustavia siten vain sumtaa

sekä turbiinin

Turbiinissa .ilm:=1 osittain

an,