29.9.2014 Jari Uusikivi ja Bertel Vehviläinen, Suomen ympäristökeskus
Siikajoen Uljuan altaan säännöstelyn kehittäminen Hydrologiset selvitykset
Johdanto
Viime vuosina kesän ja alkutalven tulvissa on tullut esille Uljuan altaan tulvantorjuntakyvyn vajaakäyttö tulvatilanteiden torjunnassa. Tässä työssä on selvitetty mahdollisuuksia parantaa Uljuan altaan käyttöä tulvantorjunnassa nykyisten lupaehtojen mukaisissa rajoissa kesä-, syksy ja talvikauden tulvissa. Näissä selvityksissä on myös otettu huomioon ilmastonmuutoksen vaikutus Siikajoen valuma-alueella vuoteen 2039 asti.
Ilmastonmuutoksen vaikutus
Vuosina 2010-2039 on odotettavissa että ilmastonmuutoksen seurauksena kevättulvat tulevat
pienenemään ja erityisesti talvikauden (joulukuu-maaliskuu) tulvat tulevat lisääntymään. Kevättulvien pieneneminen johtuu lopputalven lumipeitteen ohenemisesta ilmastonmuutoksen seurauksena.
Kevättulvien pienenemisestä huolimatta myös lähitulevaisuudessa vuoden suurimmat tulvat sijoittuvat keskimäärin kevääseen lumen sulamisen yhteyteen. Lopputalven lumipeitteen oheneminen johtuu kesken talven tapahtuvasta sulamisesta ja talvikauden vesisateiden lisääntymisestä ja lumisateiden vähentymisestä. Samat syyt vastaavasti lisäävät talvikauden tulvia ja samalla talvikauden
kokonaissademäärän ennustetaan lisääntyvän tulevaisuudessa. Kesät ovat ilmastonmuutoksen
seurauksena tulevaisuudessa keskimäärin hiukan vähäsateisempia, mutta vuosien välinen vaihtelu tulee kasvamaan.
Ilmaston muuttumisen seurauksena Uljuan altaan säännöstelyä tulee tarkastella muutenkin kuin kesä-, syys- ja talvitulvien torjunnan osalta. Erityisesti tulee tulevaisuudessa ottaa huomioon talvien
lumipeitteen väheneminen joka aiheuttaa kevätvirtaamien pienenemistä ja virtaamahuipun aikaistumista keväällä. Tällöin keväällä altaan täyttyminen hankaloituu pienempien kevätvirtaamien johdosta, jos kevät kuoppa tehdään nykyisellä tavalla ja altaan pinta lasketaan lupaehtojen mukaiselle 73,50 m+N43 tasolle.
Tulevaissudessa altaan talviajan säännöstelyssä pitäisi ottaa huomioon myös lumipeitteen vesiarvo ja sen avulla suunnitella kulloinkin sopiva kevätkuopan alin pinnankorkeus. Tätä talvikauden säännöstelyn toteutusta ei tarkastella tässä työssä.
Tässä työssä ilmastonmuutostarkastelu perustuu hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin (IPCC) neljännen raportin mukaisiin vuonna 2007 julkaistuihin ilmastomallien tuloksiin. Tarkastelussa on mukana 17 erilaista ilmastomallin ja päästöskenaarion yhdistelmää. Ilmastonmuutoksen vaikutusta Siikajoen vesistöalueelle on tarkasteltu Lämsänkosken virtaaman avulla. Tässä on verrattu
ilmastonmuutostilanteen virtaamia vuosien 1971-2000 mallin laskemiin virtaamiin. Lämsänkoski on vertailuun hyvin soveltuva paikka koska virtaamiin ei vaikuta altaiden säännöstely ja virtaama on lähes kokonaisuudessaan Uljuan altaan tulovirtaama. Uljuan altaan säännöstelyvaihtoehtojen tarkasteluun valittiin Ruotsin ilmatieteen ja hydrologian laitoksen SMHI:n alueellisen ilmastomallin tulokset A1B päästöskenaariolla (kuvissa numero 17). Tässä ilmastonmuutos vaihtoehdossa korostuu kesäkauden tulvien lisääntyminen ja talvikauden ja kevättulvien osalta se on lähellä kaikkien mallien keskiarvoa.
Lämsänkosken 1/100 vuoden toistuvuuden virtaamat, koko vuosi. Koko vuoden suurimmat virtaamat sijoittuvat historiassa ja ilmastonmuutostilanteessa kevät aikaan, lumien sulamisen yhteyteen. Suuret (kerran 100 vuodessa toistuvat) kevättulvat tulevat pienenemään Lämsänkoskella kaikissa
ilmastonmuutosvaihtoehdoissa verrattuna vuosiin 1971-2000.
Lämsänkosken 1/100 vuoden toistuvuuden virtaamat, kesäkausi (kesäkuu-marraskuu). Kesäkauden suuret tulvat (kerran 100 vuodessa toistuvat) tulevat kasvamaan lähes kaikissa
ilmastonmuutosvaihtoehdoissa verrattuna vuosiin 1971-2000. Joissakin ilmastonmuutosskenaarioissa kasvu on hyvin merkittävää.
Lämsänkosken 1/100 vuoden toistuvuuden virtaamat, talvikausi (joulukuu-helmikuu). Talvikauden suuret tulvat (kerran 100 vuodessa toistuvat) tulevat kasvamaan lähes kaikissa ilmastonmuutosvaihtoehdoissa verrattuna vuosiin 1971-2000. Pääosassa ilmastonmuutosskenaariosta kasvu on hyvin merkittävää.
Ilmastonmuutostarkasteluissa käytetyt simulaatiot ja niitä vastaavat numerot kuvissa:
1. DMAa1b 2. ec5a1b 3. ec5a2 4. ec5b1 5. hada1b 6. hada2 7. hadb1 8. HRHa1b 9. kara1b 10. kara2 11. karb1 12. MPEa1b 13. ncaa1b 14. ncaa2 15. ncab1 16. SEa1bu 17. SMHa1b
Uljuan altaan säännöstelyvaihtoehdot
Uljuan altaan säännöstely vaihtoehdosta tarkasteltavana oli kolme erilaista säännöstely käytäntöä.
Kaikissa näistä vaihtoehdoissa oli huomioituna ilmastonmuutoksen vaikutus virtaamiin. Eri
vaihtoehdoissa säännöstelyssä oli eroa toukokuu-joulukuu välillä, välillä tammikuu-huhtikuu kaikkien vaihtoehtojen säännöstely oli samanlainen. Tammikuu-huhtikuu välin säännöstelyä toteutettiin mallivertailuissa siten että sulamiskauden loputtua altaan vedenkorkeus saatiin kunkin
säännöstelyvaihtoehdon toukokuun tasolle. Tällöin useissa tapauksissa allasta ei voitu laskea mallin simuloinneissa lupaehtojen mukaiselle tasolle 73.50 m+N43 välillä 15.3.-15.4.
Kolme tarkasteltua säännöstely vaihtoehtoa olivat:
Nykyinen säännöstely, jossa allas pyritään pitämään tasolla 78,20m (N43) toukokuu-joulukuu välisenä aikana
Alempitaso, jossa allas pyritään pitämään tasolla 77,40m toukokuu-joulukuu välisenä aikana Mukautuvataso, jossa allasta pidetään pääsääntöisesti tasolla 78,20m, muuta allas lasketaan
tasolle 77,40 kun maavesivarasto on riittävän täynnä, eli maankosteus on suuri. Lisäksi mukana voimalaitostuotanto ja kuivuus tarkasteluissa on mukautuvan säännöstelyn vaihtoehto jossa kesän kuivien jaksojen aikana Uljuan altaasta juoksutetaan vettä jotta Siikajoen virtaama ei laske liian pieneksi (kuvissa nimellä Mukautuva alivirtaama)
Mukautuvassa säännöstelyssä allas lasketaan alemmalle tasolle kun maankosteus on riittävän suuri.
Riittävä maankosteus taso ylittyy silloin kun koko Uljuan yläpuolisen valuma-alueen maavesivaraston arvo ylittää arvon 120 mm. Tämä tarkoittaa tilannetta jossa maavesivaraston vajaus on alle 45 mm tai täyttö aste yli 73%. Maavesivaraston arvot lasketaan vesistömallissa ja ovat mukana myös mallin operatiivisissa ennusteissa. Maavesivaraston vesiarvoa mitataan myös Siikajoen alajuoksulla Ruukissa, mutta tämän mittauspisteen arvot eivät ole aivan suoraan käytettävissä Uljuan altaan yläpuoliseen valuma-alueeseen maaperän erojen vuoksi. Maavesivaraston arvo on sadesummaa parempi tapa arvioida maaperän kykyä imeä vettä. Sadesumma ei ota huomioon erivuoden aikojen hyvinkin
erisuuruista haihduntaa maaperästä. Maavesivarasto ottaa tämän seikan automaattisesti huomioon, sen arvo on suoraan verrannollinen sadannan ja haihdunnan erotukseen.
Vaikutukset vesivoimantuotantoon
Siikajoella on vesivoiman tuotantoa kolmessa paikassa. Suurin voimalaitos on Uljuan altaan padolla jonka maksimi teho on 3,7 MW ja kaksi muuta ovat pienempiä voimalaitoksia Siikajoen uoman vieressä olevat Ruukki (maksimi teho 0,15 MW) ja Pöyry (maksimi teho 0,5 MW).
Säännöstelyvaihtoehtojen vaikutusta vesivoiman tuotantoon tarkasteltiin mallisimuloinnein, joissa ilmastonmuutoksen vaikutukset on huomioitu. Tarkastelu tehtiin Uljuan ja Pöyryn voimalaitosten osalta.
Säännöstelyn vaikutukset tuotantoon arvioitiin tuotannon erona säännöstelyvaihtoehtoon jossa allasta säännöstellään nykyiseen tapaan, eli allasta pyritään pitämään kesällä tasolla 78,20 m. Vaikutuksia arvioitaessa huomioitiin erikseen tuotannon muutokset kesäkaudelle (1.4.-31.10) ja talvikaudelle (1.11.- 31.3.).
Uljuan vesivoiman sähköntuotanto arvioitiin kaavalla:
Energia( )=
jossa = hyötysuhde, = vedentiheys, g = painovoiman kiihtyvyys, h = putouskorkeus (max 14.7 m, kun Uljuan allas tasolla 79.00m) ja Q = virtaama (12.5 – 25 m3/s). Uljuan laitoksella minimi virtaama jolla turbiini saadaan pyörimään on 12,5 m3/s ja tarkasteluhetkellä turbiinin kautta ei voi syöttää suurempaa virtaamaa kuin 25 m3/s. Hyötysuhde riippuu virtaamasta ja käytetty hyötysuhde on esitetty kuvaajassa:
Pöyryn laitoksen vesivoiman sähköntuotanto arvioitiin laitoksen 5 metrin putouskorkeuden tehokäyrältä, jolloin putouskorkeus on siis vakio kaikissa tilanteissa ja ainoastaan virtaaman muutoksilla on merkitystä.
Virtaama laitokseen on arvio, eikä perustu suoriin mittauksiin ja laskettiin kaavalla:
Q(laitokseen) = ½ * (Q(Länkelä)- 5 m3/s)
ja virtaama laitokseen ei ole koskaan suurempi kiun 11,9 m3/s.
Uljuan säännöstelyvaihtoehto jossa allasta pidetään kesällä tasolla 77,40m tai mukautuvassa
säännöstelyssä kun allasta pidetään alempana, tai lasketaan kesäaikana alemmaksi lisäävät tuotantoa Uljuan voimalaitoksessa kesäaikana 7-10 %. Talvikauden tuotanto taas pienenee, 14-16 %, kun allas on yleensä tyhjempi syksyn lopuksi. Kokonaisuudessaan Uljuan tuotanto pienenee 4-7% , kun talvikaudella Uljuassa tuotetaan enemmän sähköä kuin kesäkaudella.
0,8 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94
0 5 10 15 20 25 30 35
Hyötysuhde
Virtaama, m3/s
Uljuan hyötysuhde
y = 0,049x + 0,0012
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 2 4 6 8 10 12 14
Sähköntuotanto,MW
Virtaama laitokseen, m3/s
Pöyry tuotannontehokäyrä
Uljuan tuotanto % verrattuna säännöstelyvaihtoehtoon jossa allasta pidetään kesällä tasolla 78,20.
Tulokset on esitetty 42 vuoden malliajojen summana. Negatiiviset prosentit tarkoittavat pienempää tuotantoa ja positiiviset suurempaa tuotantoa kuin mitä säännöstelyvaihtoehdossa 78,20 saadaan tuotettua.
Uljuan säännöstelyvaihtoehto jossa allasta pidetään kesällä tasolla 77,40m tai mukautuvassa säännöstelyssä Pöyryn voimalaitoksen kesäaikainen tuotanto kasvaa noin 1% tai pysyy samana.
Muutokset on pienempiä kuin Uljuan muutokset koska märkänä aikana juoksutus Uljuasta ei lisää tuotantoon käypää virtaamaa, koska tuotanto Pöyryn voimalaitoksella on maksimaalista jo
säännöstelyvaihtoehdossa 78,20. Talviaikana Pöyryn tuotanto pienenee 2-3%, samasta syystä kuin Uljuankin talviaikainen tuotanto. Kokonaisuudessaan Pöyryn tuotanto pienenee noin 1 %. Pöyryssä kesä- ja talvikauden tuotanto ovat lähes samansuuruisia.
Pöyryn tuotanto % verrattuna säännöstelyvaihtoehtoon jossa allasta pidetään kesällä tasolla 78,20.
Tulokset on esitetty 42 vuoden malliajojen summana. Negatiiviset prosentit tarkoittavat pienempää -20
-15 -10 -5 0 5 10 15
78.20 77.40 mukautuva mukautuva
alivirtaama
Uljua
Kokonaistuotanto Kesä
Talvi
-3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5
78.20 77.40 mukautuva mukautuva
alivirtaama
Pöyry
Kokonaistuotanto Kesä
Talvi
tuotantoa ja positiiviset suurempaa tuotantoa kuin mitä säännöstelyvaihtoehdossa 78,20 saadaan tuotettua.
Kuivuuden torjunta
Mallisimuloinneilla testattiin lisäksi Uljuan altaan soveltumista Siikajoella esiintyvien kesän kuivien jaksojen aiheuttamien ongelmien lieventämiseen. Tässä tarkastelussa pyrittiin estämään Siikajoen alivirtaamia juoksuttamalla vettä Uljuan altaasta kuivien kausien aikana. Tavoitteena oli pitää Siikajoen virtaama Harjunnivassa suurempana kuin 4 m3/s, joka estäisi kuivuuden aiheuttamia ongelmia
jokiuomassa. Näissä tarkasteluissa Uljuan altaasta juoksutetaan 3 m3/s aina kun virtaama Harjunnivassa uhkaa mennä alle 4 m3/s, tällöin Harjunnivan virtaama pysyy aina yli 4 m3/s.
Alivirtaamien torjuntaa tarkasteltiin mukautuvan säännöstelyn vaihtoehdolla siten että Uljuan altaan vedenpinta pysyy mukautuvan säännöstelykäytännön alemman, kostean tilanteen, tason 77,40 m yläpuolella. Kun Uljuan pinta uhkaa laskea tämän tason alapuolelle juoksutus Uljuasta lopetetaan ja Siikajoen virtaaman annetaan pienentyä. Yleisimmin tällaista kuivan kauden juoksutusta käytettiin tilanteissa joissa Uljuan pinta oli ennen kuivuuden alkua tasolla 78,20m, jolloin juoksutettavaa vettä riitti enimmillään noin kahden kuukauden mittaisen kuivuuden torjuntaan ennen kuin altaan pinta on laskenut tasolle 77,40 m. Kuivien jaksojen torjunnan toimivuutta verrattiin muihin mukana olleisiin säännöstely vaihtoehtoihin, joissa kauan kestäviä kuivia tilanteita ilmeni selvästi enemmän.
Erimittaisten kuivien kausien (Q < 4 m3/s) esiintyminen Harjunnivassa. Pylväissä on esitetty eri
säännöstelyvaihtoehdoissa esiintyneiden 5-30 vuorokautta kestävien ja yli kuukauden kestävien kuivien jaksojen määrät 42 vuoden mallinnusjakson aikana. Tuloksissa on huomioitu ilmastonmuutoksen vaikutukset.
Johtopäätökset
Pitämällä Uljuan allasta tasolla 77,40 m tai käyttämällä mukautuvaa säännöstelyä jolloin allas on tasolla 77,40 kun maa on märkää, saadaan tulvia pienennettyä Mankilassa ja Harjunnivassa. Säännöstely vaihtoehtojen 77,40 ja mukautuvataso välillä ei ole tulvantorjunnassa eroa. Näillä molemmilla
vaihtoehdoilla saadaan pienennettyä virtaamia Harjunnivassa merkittävästi, n. 50 m3/s, tulvan huipun aikana. Samalla saadaan Mankilassa tulva-alaa isoissa tulvissa pienennettyä 1000-1400 ha.
Näiden tulosten perusteella altaan pitäminen tasolla 77,40 olisi suositeltava säännöstelykäytäntö.
Mukautuva säännöstely tuo saman tulvantorjunta hyödyn, mutta samalla lisää sää- ja hydrologisten ennusteiden tarkkuuden vaikutusta tulvantorjunnan päätöksentekoon. Yksiselitteinen altaan pitäminen tasolla 77,40 m+N43 ei anna tilaa tulkinnoille ja pienentää ennusteiden epävarmuuden vaikutusta tulvatorjunnan päätöksentekoon.
Säännöstelyvaihtoehto 77,40 ja mukautuva säännöstely pienentävät Siikajoen vesivoimaloiden vuosittain tuottaman sähkön määrä, kun tuotantoa verrataan säännöstelyvaihtoehtoon 78,20.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
mukautuva
alivirtaama mukautuva 77.40 78.20
5-30 vrk yli 31 vrk
Kokonaisuudessaan mukautuva säännöstelyvaihtoehto pienentää sähköntuotantoa vähemmän kuin säännöstelyvaihtoehto 77,40. Mukautuvan säännöstelyn käyttö säännöstelyvaihtoehto 77,40 sijasta tulvantorjuntaan on perusteltua, mikäli se riittävässä määrin pienentää säännöstelyn haittavaikutuksia ekologiaan, virkistyskäyttöön ja vesivoiman tuotantoon Siikajoessa ja Uljuan altaassa.
Uljuan altaan keskimääräiset vedenkorkeuksien vaihtelut kaikissa tarkastelluissa
säännöstelyvaihtoehdoissa. Säännöstelyrajat ovat tämänhetkisten lupaehtojen mukaiset.
Kaikkien säännöstelyvaihtoehtojen suurimmat ja keskimääräiset virtaamat Harjunnivassa. Suurimpien virtaamien osalta eri vaihtoehtojen erot tulevat näkyviin kesällä, syksyllä ja alkutalvesta esiintyvien virtaamahuippujen aikana. Eri vaihtoehtojen välinen ero virtaamahuippujen suuruuksissa selittyy erona Uljuan altaan varastointikyvyssä. Säännöstelyvaihtoehdoissa 77,40 ja mukautuva Harjunnivan
virtaamahuiput ovat lähes identtiset. Keskimääräisissä virtaamissa erot eri vaihtoehtojen välillä ovat pieniä.
Harjunnivan virtaaman toistuvuudet Gumbelin jakaumalla laskettuna eri Uljuan
säännöstelyvaihtoehdoissa. Vaihtoehdoissa 77,40 ja mukautuva tulokset ovat tarkalleen samat.
Harjunnivassa tulvarajana on 200 m3/s virtaama. Tulva rajan ylittävä virtaama esiintyisi kesäkuun ja joulukuun välillä tason 78,20 säännöstelyvaihtoehdossa n. 11 vuoden välein, muissa vaihtoehdoissa n.
25 vuoden. Vuosien 1971 ja 2013 välillä Harjunnivan tulvaraja ylittyi kesäkuun ja joulukuun välisenä aikana noin 7 vuoden välein.
0 50 100 150 200 250 300
1 10 100
Virtaama,m3/s
Toistuvuus, vuotta
Harjunnivan virtaamien toistuvuus (kesä, syksy, talvi)
77.40 78.20 Mukautuva
Mallin simulointien tuloksia
Seuraavissa kuvissa on esitetty mallin simulointien tuloksia yhteensä 42 simulointiajosta kullakin säännöstelyvaihtoehdolla.
Uljuan altaan vedenkorkeus, nykyisellä säännöstelyllä, tavoitetaso 78,20
Uljuan altaan vedenkorkeus, altaan tavoitetaso 77,40
Uljuan altaan vedenkorkeus, altaan tavoitetaso maankosteuden mukaan.
Harjunnivan virtaama, nykyisellä säännöstelyllä tavoitetaso 78,20. Kuvassa kaikki tason 78,20 mallisimulointien tulokset. Tulvaraja on 200 m3/s.
Harjunnivan virtaama, Uljuan tavoitetaso 77,40. Kuvassa kaikki tason 77,40 mallisimulointien tulokset.
Tulvaraja on 200 m3/s.
Harjunnivan virtaama, Uljuan taso mukautuva. Kuvassa kaikki mukautuvan tason mallisimulointien tulokset. Tulvaraja on 200 m3/s.
