TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Rakennus- ja ympäristötekniikan osasto
Topi Tiihonen
HYDROLOGISET PROSESSIT TAAJAMAVALUMA-ALUEILLA Alueellisesti hajautetun hulevesimallin kehitys ja soveltaminen
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinööri tutkintoa varten Espoossa 26.04.2007 Työn valvoja: Professori Tuomo Karvonen
Työn ohjaaja: DI Nora Sillanpää teknillinenkörke/koulu
Rakennus ja ympäristötekniikan osaston kiijasto
ALKUSANAT
Tämä diplomityö on tehty Teknillisen korkeakoulun Vesitekniikan laboratoriossa osana Rankkasateet ja taajamatulvat (RATU) - hanketta. Hankkeen osapuolina ovat olleet Suomen ympäristökeskus, Ilmatieteen laitos sekä Teknillinen korkeakoulu Hanketta on rahoittanut Maa- ja metsätalous- sekä Ympäristöministeriö.
Aluksi haluan kiittää lämpimästi valvojaani Professori Tuomo Karvosta mahdollisuudesta ryhtyä tähän työhön ja erityisesti innoituksesta ohjelmoinnin opetteluun. Vaikka en aluksi ollut täysin tietoinen siitä mihin ryhdyin, olen tämän työn myötä oppinut tulevaisuuden kannalta hyödyllisiä ja tärkeitä asioita enemmän kuin olisin ikinä voinut toivoa. Haluan lisäksi kiittää Tuomoa kaikesta tuesta ja avusta, mitä työn aikana sain.
Ohjaajaani DI Nora Sillanpäätä haluan kiittää työhöni liittyvästä ohjauksesta, avusta ja todella loistavista kommenteista työni eri vaiheissa. Olen ollut etuoikeutettu, kun olen saanut ohjaajakseni Noran kaltaisen osaajan työni aihepiiriin liittyvissä asioissa.
Tämä diplomityö ei olisi ollut mahdollinen ilman Professori Pertti Vakkilaisen johtamaa RYVE-projektia, jonka eri vaiheissa kerättyä havaintoaineistoa käytettiin tässä työssä. Kiitos Pertti, ”Jyrkit” ja Nora laadukkaasta havaintoaineistosta sekä muutenkin tätä työtä edeltävästä taaj amahydrologiaan liittyvästä perustutkimuksesta - tämän diplomityön perustasta. Suuret kiitokset kuuluvat tietysti koko Vesitekniikan labran mahtavalle henkilökunnalle viihtyisän työpaikkailmapiirin luomisesta.
Haluan myös kiittää RATU-hankkeen rahoittajia ja kaikkia hankkeen parissa työskennelleitä henkilöitä hyvästä yhteistyöstä. Erityiskiitokset Jari Silanderille ja Juha Aaltoselle yhteistyöstä ja avusta RATU:n eri vaiheissa.
Perheen, työn ja vapaa-ajan tulee muodostaa kolmio, jossa kolmion jokaisen kärjen tulee saada ihmisen oman hyvinvoinnin kannalta ansaitsemansa huomio.
Haluan tässä kohtaa esittää rakkaimmat kiitokset vanhemmilleni. Isä ja äiti, kiitos siitä vilpittömästä tuesta ja turvasta mitä olen teiltä elämäni kaikissa vaiheissa saanut.
Kiitos myös ystävät ja kaverit olemassaolostanne. Erityisesti kiitän teitä siitä, että olette aina aika-ajoin muiluttaneet allekirjoittaneen ”insinööri-maailman”
totaalisesti pois arjen rutiineista. Tämä on ollut todella tärkeää, sillä urheilu, musiikki ja ystävät ovat aina yhteisesti muodostaneet itselleni sen ylimääräisen tekijän, joka on tehnyt elämästäni vielä hieman huikeampaa.
Espoossa, 26.4.2007
Topi Tiihonen
TIIVISTELMÄ
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä ja työn nimi: Topi Tiihonen
Hydrologiset prosessit taajamavaluma-alueilla; Alueellisesti hajautetun hulevesimallin kehitys Ja soveltaminen
Päivämäärä: 26.04.2007 Sivumäärä: 111 sivua Osasto : Rakennus-ja ympäristötekniikka Professuuri: Vesitalous ja
vesirakennus Työn valvoja: Professori Tuomo Karvonen
Työn ohjaaja: Diplomi-insinööri Nora Sillanpää
Avainsanat: taajamahydrologia, hulevesi, hajautettu malli, hydraulinen malli
Taajama-alueiden hydrologia on monimutkaista. Kaupunkiympäristö on hyvin heterogeenista maankäytön, maaperän ja muiden hydrologiaan vaikuttavien tekijöiden suhteen. Tämä vaikuttaa väistämättä veden kiertokulun kaikkiin osa-alueisiin. Taajamissa päällystettyjen ja vettä läpäisemättömien pintojen osuus kasvaa ja tämä yhdessä valuntaa kiihdyttävien teknisten kuivatusrakenteiden kanssa lisää ja nopeuttaa pintavaluntaa.
Taajamatulva voi syntyä monella eri tavalla. Rankkasateiden vaikutus voi aiheuttaa kuivatusjärjestelmän kapasiteetin ylittymisen ja aiheuttaa viemäritulvia. Tällöin vain osa hulevesistä kulkeutuu viemärijärjestelmään ja suuri osa hulevesistä jää tai purkautuu kaduille aiheuttaen mahdollisesti suurtakin vahinkoa.
On ennustettu, että ilmastonmuutoksen myötä säätapahtumat tulevat muuttumaan epäsäännöllisemmiksi ja luonteeltaan rajummiksi. Tällöin rankkasadetapahtumat tulevat lisääntymään kasvattaen taajamatulvien riskiä. Ilmastonmuutoksen sekä jatkuvan kaupungistumisen yhteisvaikutus tulee kasvattamaan paineita jo vanhenevissa hulevesijärjestelmissä ja asettamaan tulevaisuudessa erityisiä haasteita hulevesien hallinnalle kaupunkiympäristössä.
Suomen ympäristökeskuksen (SYKE), Ilmatieteen laitoksen (IL) ja Teknillisen korkeakoulun (TKK) sekä eräiden muiden tahojen yhteistyönä on aloitettu taajamatulvien syntymistä ja torjuntaa koskeva Rankkasateet ja taajamatulvat (RATU)- hanke. Tämä diplomityö liittyy RATU-hankkeen tavoitteisiin selvittää kalibroitavilla taajama-alueiden valunta- ja virtausmalleilla erilaisten säätapahtumien vaikutus valuntavesien määriin. Tässä työssä tehtiin GIS-pohjainen sadanta-valuntamalli, jolla voidaan tarkastella valuntatapahtumaa yksityiskohtaisemmin valuma-alueen sisällä.
Mallin laskennan suorittava laskentaohjelma toteutettiin Fortran-kielellä ja sadanta- valuntaprosessia mallinnettiin tapahtumakohtaisella, alueellisesti hajautetulla hydraulisella mallilla.
Tulokset osoittavat, että hulevesimalli toimi tarkoitukseensa nähden hyvin. Kalibroidulla mallilla simuloitiin erilaisia rankkasadetapahtumia kahdella eri kaupungistumisen asteella olevalla tutkimusalueella. Rankkasateiden aiheuttamia vaikutuksia molemmilla valuma-alueilla tarkasteltiin ja vertailtiin alueiden kesken. Mallin soveltuvuutta ja epävarmuuksia pohdittiin. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan tehdä johtopäätös, että hulevesien mallinnus on kannattavaa ja, lähtötiedoista riippuen, tässä työssä kehitetty mallinnusohjelma voi toimia tehokkaana työkaluna tarkastellessa rankkasateiden aiheuttamia hydrologisia prosesseja taajama valuma-alueilla.
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS Author and name of the thesis :Topi Tiihonen
Hydrological processes in urban watersheds; development and application of a distributed stormwater model
Date: 26.04.2007 Number of pages : 111 pages Department: Civil and Environmental Professorship : Water Resources Engineering
Supervisor : Professor Tuomo Karvonen Instructor : M.Sc. (Tech.) Nora Sillanpää
Keywords : Urban hydrology, stormwater, distributed model, hydraulic model
The hydrology of urban areas is complex. Urban environment is highly heterogeneous in terms of land use, sub-soil characteristics and other factors, which influence all the processes comprising the water cycle. In urban areas the fraction of paved and pervious areas increases and this, together with technical drainage systems, increases and accelerates runoff. Urban flooding may be due to various causes. If the intake capacity of the drainage system is limited, only a fraction of the water can flow into the pipes and a large runoff volume will be transported on the surface during and after a heavy rainfall.
This can cause adverse impacts.
It’s predicted that because of the climate change, weather events will become more irregular and intense by nature. In that case rainstorms will become more common and increase the risk of urban flooding. The combined effect from climate change and continuing urbanization will scale up the pressure what the already aging stormwater networks are facing and this sets special challenges for the management of stormwater in the future.
With the collaboration of Finnish Environmental Institute (FEI), Helsinki University of Technology (HUT) and Finnish Meteorological Institute (EMI), concerning the prevention of urban flooding, a heavy rainfall and urban flooding project (RATU) has been initiated. This present thesis is related to some of the objectives of this project: to find out suitable stormwater models and evaluate their usability in Finland, and to model and simulate a pilot area using exceptional heavy rain data.
In this study a GIS-based, stormwater modeling program was developed. This enabled a possibility to explore rainfall events and their hydrological response in detail within the watershed under study. The modeling program is coded with Fortran and it uses an event-based, distributed hydraulic model to model the rainfall-runoff process.
The results show that the modeling program works in desired way. Various rainstorm events were simulated with calibrated model in two different pilot areas, which are both in different phases of urbanization. Impacts of rainstorms were studied and compared between two pilot watersheds. The feasibility and limitations of the modelling program were discussed. It can be concluded that the modelling of urban flooding is feasible and, depending on the data and the digital elevation model (DEM) on hand, the modeling program developed in this study can be used as a respectable tool in stormwater modelling.
SISÄLTÖ
ALKUSANAT...2
TIIVISTELMÄ... 3
KUVALUETTELO... 7
TAULUKKOLUETTELO...10
1 JOHDANTO...11
2 HYDROLOGISET PROSESSIT TAAJAMISSA...12
2.1 Yleisesti kaupungistumisen vaikutuksista hydrologiseen kiertoon... 12
2.2 Sadanta...14
2.2.1 Sateen syntymekanismit... 15
2.2.2 Sadanta Suomessa... 16
2.2.3 Kaupungistumisen vaikutukset sadantaan... 17
2.3 Haihdunta... 18
2.3.1 Haihduntaprosessi ja haihdunta Suomessa... 18
2.3.1 Kaupungistumisen vaikutukset haihduntaan... 18
2.4 Valunta...19
2.4.1 Valunnan synty ja valunta Suomessa...20
2.4.2 Kaupungistumisen vaikutukset valumaan... 20
2.5 Sadanta-valuntaprosessi taajamissa... 21
2.5.1 Imeyntä... 22
2.5.2 Painannesäilyntä... 24
2.5.3 Pintojen vaikutus valunnan äärevöitymiseen...24
3 MALLINNUS TAAJAMAHYDROLOGIASSA...25
3.1 Yleistä... 25
3.1.1 T aaj amahydrologiamallien taustaa... 27
3.2 Lähestymistapoja mallintamiseen...29
3.2.1 Deterministinen ja stokastinen malli...29
3.2.2 Konseptuaalinen ja empiirinen malli...29
3.2.3 Muita luokituksia... 29
3.3 Hydrauliset mallit... 30
3.3.1 Saint Venantin yhtälöt... 31
3.3.2 Kinemaattiset aaltoyhtälöt... 32
3.3.3 Diffuusioaaltoyhtälöt...33
3.4 Hydrologiset mallit... 34
3.4.1 Lineaarinen allas... 34
3.4.2 Hortonin yhtälö... 35
3.4.3 Green-Amptin menetelmä... 36
4 TAAJAMAHYDROLOGIAMALLI... 38
4.1 Mallin taustaa...38
4.2 Eri prosessien mallinnuksessa sovelletut numeeriset menetelmät... 39
4.2.1 Kinemaattinen aalto-approksimaatio ja diffiiusioanalogia...39
4.2.2 Finite Volume Method (FVM)... .'... 41
4.2.3 Painannesäilyntä ja katot... 42
4.2.4 Green-Amptin menetelmä...43
4.2.5 Penman-Monteith...44
4.2.6 Maankosteusvaraston ja avo-ojista purkautuvan virtaaman laskenta... 46
4.2.7 Kuivatus]ärjestelmästä purkautuvan virtaaman laskenta...47
4.2.8 Eksplisiittinen ratkaisu uudelle vedenkorkeudelle... 48
4.2.9 Aika-askeleen valinta...48
5 MALLINNUSOHJELMAN TIETOTEKNINEN RAKENNE... 49
5.1 Laskentaverkkojen luonti...50
5.2 Laskentaohjelman tietotekninen rakenne...53
5.3 Ohjelman käyttö... 55
6 TUTKIMUSAINEISTO... 55
6.1 Vallikallio... 56
6.1.1 Alueen kuvaus... 56
6.1.2 Mittaustoiminta Vallikalliossa...57
6.2 Laaksolahti... 59
6.2.1 Alueen kuvaus... 59
6.2.2 Mittaustoiminta Laaksolahdessa... 61
6.2.3 Korkeusmallit... 62
7 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU... 65
7.1 Mallin kalibrointi... 65
7.1.1 Kalibroinnissa käytetty optimointialgoritmi... 66
7.1.2 Mallin kalibrointi Vallikalliossa... 67
7.1.3 Mallin kalibrointi Laaksolahdessa... 70
7.2 Validointi... 74
7.2.1 Mallin validointi Vallikalliossa... 74
7.2.2 Mallin validointi Laaksolahdessa... 77
7.2.3 Validointitulosten arviointia...78
7.3 Herkkyysanalyysi... 80
7.3.1 GLUE... 80
7.3.2 Sadannan kasvun vaikutuksia mallin simuloimiin virtaamiin... 83
7.3.3 Laskentaverkon hilakoon vaikutukset tuloksiin...85
8 MALLIN HYVYYDEN POHDINTAA JA JOHTOPÄÄTELMIÄ...89
8.1 Malliin liittyvien epävarmuuksien pohdintaa... 89
8.1.1 Havaintoaineisto... 90
8.1.2 Korkeusmalli ja maankäyttö...91
8.1.3 Parametrit...91
8.1.4 Numeeristen mallien approksimaatiot ja oletukset... 93
8.2 Mallin soveltuvuus hulevesimallinnukseen...94
9 YHTEENVETO... 99
LÄHTEET... 101
LIITE A: TUTKIMUSALUEIDEN MAANKÄYTÖT... 109
LIITE B: MALLIN MAANKÄYTTÖÖN SIDOTUT PARAMETRIT... 111
KUVALUETTELO
Kuva 1. Kaupungistumisen hydrologisia vaikutuksia (muunnettu Andjelkovic 2001).
...13 Kuva 2. Rankan sateen raja-arvot sateen keston funktiona, kun sateen kesto on alle (A) ja yli (B) tunnin, (muunnettu Rantakrans 1967)...17 Kuva 3. Virtaamien liike solmujen välillä Finite Volume-menetelmällä...41 Kuva 4. Työssä käytettyjen ohjelmien yhteydet...50 Kuva 5. Laskentaverkon luomisessa käytetyn ExceWisualBasic-pohjäisen ohjelman
käyttöliittymä...52 Kuva 6. Excel/VisualBasic-pohjaisella ohjelmalla luotu laskentaverkko (6m x 6m)
Maplnfo-professinal ohjelmassa. Verkon alla on esitetty Laaksolahden tutkimusalueen maankäyttöön sidotutpintatyypit...53 Kuva 7. Laskentaohjelman rakenne...54 Kuva 8. Vallikallion valuma-alueen kartta (Kotola & Nurminen 2003b)...57 Kuva 9. Mittauskaivo Vallikalliossa. Kaivon halkaisija oli 1000 mm ja tulevan sekä
lähtevän putken halkaisija 500 mm. (Kotola & Nurminen 2003b)...58 Kuva 10. TKK:lla tehdyt kouru- ja siivikkomittaukset sekä Aaltosen 2007niiden
perusteella sovittama purkautumiskäyrä...59 Kuva 11. Laaksolahden valuma-alueen kartta (Kotola & Nurminen 2003b)...60 Kuva 12. Kuva Laaksolahden mittapadosta. (Kotola & Nurminen 2003b)...61 Kuva 13. Vallikallion korkeusmalli. Kuvassa on esitetty myös valuma-alueen
tarkennettu ulkoreuna, rakennusten paikat sekä viemäriverkko...63 Kuva 14. Laaksolahden korkeusmalli. Kuvassa on esitetty myös valuma-alueen
ulkoreuna, rakennusten paikat sekä viemäriverkko...63 Kuva 15. Näkymä Vallikallion tutkimusalueelta digitaalisen korkeusmallin
perusteella...64 Kuva 16. Näkymä Laaksolahden tutkimusalueelta digitaalisen korkeusmallin
perusteella...64
Kuva 17. Vallikallion mallin kalibroinnissa käytetty kymmenen tunnin jakso...68 Kuva 18. Kalibroinnin tulokset jaksolle VK 10. Kalibroinnin hyvyysluvuksi saadaan 0.92306. Muut tunnusluvut sekä tulokseen johtaneet parametrit on esitetty kuvan yläreunassa...69 Kuva 19. Laaksolahden mallin kalibroinnissa käytetty vuorokauden jakso...70 Kuva 20. Laaksolahden mallin kalibroinnissa käytetty kolmen vuorokauden jakso. 71 Kuva 21. Kalibroinnin tulokset jaksolle LL 24. Kalibroinnin hyvyysluvuksi saatiin
0.95036. Muut tunnusluvut sekä tulokseen johtaneet parametrit on esitetty kuvan yläreunassa...72 Kuva 22. Kalibroinnin tulokset jaksolle LL 72. Kalibroinnin hyvyysluvuksi saatiin
0.8759. Muut tunnusluvut sekä tulokseen johtaneet parametrit on esitetty kuvan yläreunassa...73 Kuva 23. Vallikallion mallin validoinnissa käytetty kuuden tunnin jakso...74 Kuva 24. Vallikallion mallin validoinnissa käytetty kymmenen tunnin jakso...75 Kuva 25. Validoinnin tulokset jaksolle VK6. Vahdoinnin hyvyysluvuksi saatiin
0.9446. Muut vahdoinnin arvioinnissa käytetyt tunnusluvut on esitetty punaisella kuvan yläreunassa...76 Kuva 26. Validoinnin tulokset jaksolle VK10. Validoinnin hyvyysluvuksi saatiin
0.94518. Muut vahdoinnin arvioinnissa käytetyt tunnusluvut on esitetty punaiseha kuvan yläreunassa...76 Kuva 27. MaUin laskema kapasiteetin ylitys Valhkalhon mittakaivon putkissa
vahdointijaksoha VK 6 klo 14:37-14:50. Ylimenevä virtaama on miltei 250 l/s suurempi kuin purkautumiskäyrän perusteeha oletettu putkien vetämä maksimivirtaama...77 Kuva 28. Laaksolahden mahin vahdoinnissa käytetty jakso LL 24b...78 Kuva 29. Vahdoinnin tulokset jaksohe LL24b. Vahdoinnin hyvyysluvuksi saatiin
0.927. Muut vahdoinnin arvioinnissa käytetyt tunnusluvut on esitetty punaiseha kuvan yläreunassa...78 Kuva 30. Hyväksytyistä simuloinneista piirretyt hajapistejoukot, joissa on esitetty
parametrin arvo (vaaka-akseh) vs. hyvyysluku (pysty-akseli)...82 Kuva 31. Sadannan kasvun vaikutukset Vahikahiossa simuloituihin virtaamiin...84
Kuva 32. Sadannan kasvun vaikutukset Laaksolahdessa simuloituihin virtaamiin.. 84 Kuva 33. Laskentaverkon eri resoluutioille kalibroidut valuntakäyrät
hyvyyslukuineen...86 Kuva 34. Laskentaverkon eri resoluutioilla samasta tapahtumasta määritellyt veden
korkeudet. Mallin laskentaverkon resoluution perusteella luetut maankäyttömuodot on esitetty vasemmalla ja vedenkorkeudet oikealla.
Punainen osoitin näyttää korkeimman hetkittäisen veden korkeuden valuma-alueella...88 Kuva 35. Simulointijakson VK 10 jälkeiset veden korkeudet VallikaUiossa.
Tapahtuman kumulatiivinen sadanta oli 40.3mm...94 Kuva 36. Simulointijakson VK 10 jälkeiset veden korkeudet VallikaUiossa.
Sadantaan tehty 15 % systemaattinen simuloimaan ilmastonmuutoksen vaikutusta. Tapahtuman kumulatiivinen sadanta oli nyt 46.35 mm...95 Kuva 37. Simulointijakson VK 6 sadanta ja valuntahuipun hetkeUä määritetyt
virtausnopeudet x- ja y-tasossa. Tapahtuman kumulatiivinen sadanta oh 26.4 mm, josta tässä kuvassa kuvatulla hetkeUä oh satanut 21.6 mm...96 Kuva 38. Simulointijakson VK 6 rankimmassa vaiheessa valuma-alueeUa maaperän
hydrauliseUa johtavuudella mahinnettu imeyntä ja veden korkeudet (yläkuva)...97 Kuva 39. Simulointijakson VK 6 rankimmassa vaiheessa valuma-alueeha Green-
AmptiUa mallinnettu imeyntä ja vedenkorkeudet (yläkuva)...97
TAULUKKOLUETTELO
Taulukko 1. Saint-Venan tin liikemäärän yhtälön jako eri approksimaatioiden
termeihin (muokattu Lyngfelt 1985)...32 Taulukko 2. Green-Amptin mallissa käytettyjen parametrien arvoja eri maatyypeille (muunnettu Rawls, Brakensiek & Miller 1983, AAS2004 mukaan).... 38 Taulukko 3. Virtauslaskennan määräytyminen solmujen välisten gradienttien
mukaan...42 Taulukko 4. Ohjelmassa tapahtuva imeynnän laskenta Green-Amptin menetelmällä.
...44 Taulukko 5. Potentiaahsen evapotranspiraation laskennassa tarvittavat lähtötiedot
...45 Taulukko 6. Laskentaohjelman moduulien nimet ja kuvaukset...54 Taulukko 7. Taulukossa esitetty kalibrointiin mukaan otetut parametrit
Vallikalliossa sekä niille määritellyt optimointialgoritmin tarvitsemat alkuarvaukset ja rajat...69 Taulukko 8. Kalibointiin mukaan otetut parametrit sekä niille optimointialgoritmin
tarvitsemat alkuarvaukset ja ja rajat...71 Taulukko 9. Optimoitujen parametrien arvot kullekin resoluutiolle sekä resoluution
ja parametrien arvon prosentuaalinen poikkeama työssä käytetyn resoluution (6m x6m) optimoituihin parametreihin verrattuna...87
1 JOHDANTO
Maapallo kaupungistuu kiihtyvää vauhtia ja nykyään jo yli puolet maapallomme väestöstä asuu kaupungeissa (UN-HABITAT 2006). Luonnonmukaisten alueiden muuttuessa kaupunkialueiden maankäytön tarpeiden mukaan muuttuu myös veden luontainen kierto näillä alueilla (Brun & Band 2000). Tämä asettaa erityisiä haasteita ja vaatimuksia veden käytölle ja hallinnalle kaupunkiympäristössä.
Voimakkaat rankkasateet ja niihin liittyvät sääilmiöt vaikuttavat monin tavoin yhteiskuntaamme ja edellyttävät siten erilaisia varautumistoimenpiteitä. Tästä huolimatta rankkasateista ja lumensulamisesta johtuvat taajamien ja viemäriverkostojen tulvat ovat jokavuotinen ilmiö Suomessa.
Ilmastonmuutoksen myötä on voitu osoittaa sadannan kasvaneen monilla pohjoisen pallonpuoliskon maa-alueilla (IPPC 2001b), ja vaikkakaan maassamme yli sadan vuoden ajan tehdyistä sadehavainnoista ei vielä erotu pitkäaikaista nousevaa trendiä (Tuomenvirta 2004), voidaan näin arvioida tapahtuvan myös Suomessa (Jylhä et ai.
2004, Ruosteenoja et ai. 2005, Räisänen & Ruokolainen 2006). Säätapahtumat saattavat muuttua ilmastonmuutoksen myötä myös epäsäännöllisemmiksi ja luonteeltaan rajummiksi (Amell 1999a, 1999b, IPPC 2001a, Groisman et ai. 2005, Jylhä et ai. 2005). Tällöin rankkasadetapahtumat voivat lisääntyä ja kasvattaa taajamatulvien riskiä sademäärien ja toisaalta sateiden intensiteettien kasvaessa.
Ilmastonmuutoksen tuomien paineiden ja toisaalta vanhojen viemärijärjestelmien vanhenemisen myötä olisi tarvetta uusille ratkaisuille taajamavesien hallinnan kehittämiseksi.
Toimivien ja tehokkaiden hulevesiratkaisujen tuottaminen vaatii paljon tutkimusta, jota helpottavat nykyisen informaatio- ja tietotekniikan mahdollistavat työkalut, kuten mallinnuksen eri sovellukset. Uudenlaiset ratkaisut taajamahydrologiassa vaativat tarkkaa suunnittelua, jonka perustana tulee olla luotettavaa havaintoaineistoa, eli pääasiassa sadannan ajallisia ja paikallisia jakaumia sekä pintavaluntamallinnuksen antamia tuloksia. (Maksimovic 1996)
Suomen ympäristökeskuksen (SYKE), Ilmatieteen laitoksen (IL) ja Teknillisen korkeakoulun (TKK) sekä eräiden muiden tahojen yhteistyönä on aloitettu taajamatulvien syntymistä ja torjuntaa koskeva Rankkasateet ja taajamatulvat (RATU)-hanke. Hanke on tarkoitus toteuttaa vuosina 2005-2007 ja sitä rahoittavat maa- ja metsätalousministeriö (MMM) sekä ympäristöministeriö (YM). Tämä tutkimus liittyy RATU-hankkeen tavoitteisiin selvittää kalibroitavilla taajama- alueiden valunta- ja virtausmalleilla uusien rankkasadejakaumien vaikutus hulevesien määriin. Näihin tavoitteisiin liittyen eräänä RATU-projektin osahankkeena oli laatia alueellisesti hajautettu kaksiulotteinen hulevesimalli.
Tässä työssä tehtiin alueellisesti hajautettu kaksiulotteinen hulevesimalli, jonka avulla pyrittiin ennustamaan Espoossa sijaitsevilla tutkimusalueilla (Vallikallio ja
Laaksolahti) tapahtuvia hydrologisia prosesseja sadetapahtumien aikana sekä niiden jälkeen. Eräänä työn tarkoituksena oli tutkia, onko hulevesien mallintaminen alueellisesti hajautetulla mallilla mielekästä ja tarpeellista hulevesien hallinnan työkaluksi sekä tulevaisuuden tuomien vaikutusten kartoittamiseksi.
Mallin kalibroimiseen ja validoimiseen käytetty meteorologinen ja hydrologinen aineisto on kerätty prof. Pertti Vakkilaisen johtamassa RYVE-projektissa TKK:n vesitalouden laboratoriossa. Mittaustoimintaa ja aineistoa ovat aiemmin esitelleet Kotola ja Nurminen (2003b)
Taajamahydrologia määritellään hydrologian osa-alueeksi, joka tutkii hydrologisia prosesseja ihmisen rakentamassa ympäristössä, kaupungeissa ja taajamissa (Kotola &
Nurminen 2003a).
Andrieun ja Chocat’n (2004) mukaan taajamahydrologiaa voidaan käsitellä kahdesta erilaisesta näkökulmasta: insinöörin näkökulmasta ja tieteellisestä näkökulmasta.
Alkuajoistaan lähtien taajamahydrologia on kehittynyt sovellettuna tieteenalana pyrkien turvaamaan vesijärjestelmien paremman hallinnan taajamissa. Insinööri- näkökulmasta katsottuna taajamien vesijärjestelmien hallinnan kehittämisellä on ollut kolme päätavoitetta: kansanterveys ja taajamien vesihuolto, tulvansuojelu ja hiljattain merkitystään nostanut ympäristönsuojelu. Tästä perspektiivistä prosessien tutkimuksen tarkoituksena ei ole ollut löytää uusia elementtejä veden kiertokulusta, vaan rakentaa malleja, joiden avulla insinöörit voivat kehittää taajamavesien hallintaa edellä mainittujen tavoitteiden mukaisesti. Tämä pragmaattinen lähestymistapa on ollut tehokas ja myötävaikuttanut merkittävästi hulevesien hallintajärjestelmien kehittymiseen taajamissa. Tieteellisestä näkökulmasta taajamahydrologialle voidaan antaa kaksi päätavoitetta: kehittää tietämystä taajama- alueiden hydrologisista prosesseista sekä myötävaikuttaa uusien menetelmien ja tekniikoiden kehitykseen taajamavesien hallinnassa. Edellä kuvatut näkökulmat palvelevat samoja tarkoituksia ja ovat tiukasti sidottuja toisiinsa.
Seuraavissa kappaleissa kuvatulla mallilla pyritään kehittämään tutkimusta edistävää tietämystä taajama-alueiden hydrologisista prosesseista, mutta toisaalta insinööri-näkökulmasta ajateltuna, ohjelmaa voidaan soveltaa myös toimivana työkaluna esimerkiksi hulevesivesijärjestelmien paremmassa hallinnassa ja tulvansuojelussa.
2 HYDROLOGISET PROSESSIT TAAJAMISSA
2.1 Yleisesti kaupungistumisen vaikutuksista hydrologiseen kiertoon
Taajama-alueiden hydrologia on monimutkaista. Kaupunkiympäristö on hyvin heterogeenista maankäytön, maaperän ja muiden hydrologiaan vaikuttavien tekijöiden suhteen. Tämä vaikuttaa väistämättä veden kiertokulun kaikkiin osa- alueisiin: sadantaan, pintavaluntaan, imeyntään ja veden liikkeisiin maaperässä, pintavesien ja pohjavesien väliseen vuorovaikutukseen, kuivatusjärjestelmien ja
pohjavesien väliseen vuorovaikutukseen sekä taajama-alueilla tapahtuvaan haihduntaan (Andrieu & Chocat 2004).
Taajama-alueilla ainakin osa maanpinnasta on päällystetty läpäisemättömillä materiaaleilla. Samalla luonnonmukaisten vesiväylien vedenkuljetuskapasiteettia on parannettu puhdistamalla, suoristamalla ja syventämällä luonnonmukaisia uomia tai vaihtoehtoisesti on rakennettu keinotekoisia uomia (Akan 1993).
Kaupungistumisella on haitallisia vaikutuksia veden laatuun. Taajamissa eri lähteistä peräisin olevat haitalliset aineet kerääntyvät läpäisemättömille pinnoille ja huuhtoutuvat sadetapah tuman aikana uomastoon ja kuivatusjärjestelmiin kuormittaen ympäristöä. (Akan 1993)
Kaupungistumisen vaikutuksia hydrologiseen kiertoon on esitetty kuvassa 1.
SAASTEONGELMIA TULVANSUO {ELOLLISIA KAUPUNGISTUMINEN
HÄIRIÖT JÄTEVEDEN-
RAKENNUSTE N MÄÄRÄ KASVAA
TAAJAMIIN VÄESTÖNTIHEYS
POHJAVEDEN
SUOTAUTUMINEN LISÄÄNTYY
VASTAANOTTAVIEN
VESISTÖJEN VALUNTA
NOPEAMMIN ALUEELTA JÄTEVESIEN MÄÄRÄT
KULJETTAMAT SAASTEET LISÄÄNTYVÄT
LÄPÄISEMÄTTÖMÄT
LISÄÄNTYVÄT JÄRJESTELMISSÄ
Kuva 1. Kaupungistumisen hydrologisia vaikutuksia (muunnettu Andjelkovic 2001).
Rakentaminen muuttaa monin tavoin veden hydrologista kiertoa. Kaupunkimaiset rakenteet kuten läpäisemättömät pinnat, korkeat ja tiheässä sijaitsevat rakennelmat, toiminnat, energiantuotanto, teollisuus, liikenne yms. vaikuttavat ilmakehän alimman osan säteily- ja energiasuhteisiin ja aikaansaavat sitä kautta muutoksia sadannan ja haihdunnan määrään. Maan pinta sekä maaperän juuristo-, väli- ja kapillaarivyöhykkeet muokkautuvat ihmisen toiminnan ja yleisemmin kaupungistumisen seurauksena. Laajojen maa-alueiden kattaminen heikosti vettä läpäisevillä tai kokonaan läpäisemättömillä pinnoilla sekä kuivatusjärjestelmien rakentaminen muuttaa valunnan jakautumista sen komponentteihin. Pintavalunnan
määrä sekä virtausnopeudet kasvavat, ja pohjavedeksi suotautuvan veden määrä vähenee. (Melanen 1986)
Monet eri tekijät määräävät, kuinka suuria ja selviä kaupungistumisen hydrologiset vaikutukset ovat. Näitä tekijöitä ovat Melasen (1986) mukaan muun muassa alueen hydrologinen lähtötilanne, ilmastolliset tekijät, hydrologiset erityispiirteet, kaupungin koko, väestön määrä, alueellinen teollistumisaste, vesi- ja viemärilaitosratkaisut.
Pintavalunnan määrä ja nopeus kasvavat kaupungistumisen myötä oleellisesti.
Vesistöalueen täydellinen kaupungistuminen voi purkukohdassa johtaa valuntahuippuihin, jotka ovat 5-10 kertaisia luonnontilaisiin nähden. (Melanen 1986). Kaupungistuminen voi aiheuttaa tulvimista myös valuma-alueen alajuoksulla. Uomien alajuoksuilla voi myös esiintyä virtaamavaihtelusta johtuvaa eroosiota (Akan 1993). Pintavalunnassa tapahtuvat muutokset edellyttävät mittavia rakenteellisia ratkaisuja, kuivatus- ja viemäröintijärjestelmiä, jotta mahdolliset tulvahaitat saadaan estetyiksi (Melanen 1986).
Taajamatulva voi syntyä, kun rakennettujen alueiden hule- ja kuivatusjärjestelmät eivät toimi suunnitellulla tavalla. Tämä johtuu useimmiten siitä, että satanut vesimäärä ylittää järjestelmien mitoituksen. Esimerkiksi asutuksen rakentamisella valuma-alueen yläosiin on taipumus kasvattaa alajuoksun vesimääriä, jolloin alajuoksun viemäriverkon mitoituskapasiteetti voi ylittyä. Kuivatusjärjestelmien kapasiteetin ylittymisen takia hulevedet kerääntyvät hallitsemattomasti kaduille, pihoille ja kiinteistöihin aiheuttaen mahdollisesti suuriakin vahinkoja. Kuivatus- ja hulevesiverkostoa mitoitettaessa mitoitussadetta ei yleensä valita sellaiseksi, että rankimpienkin sateiden vedet mahtuisivat viemäreihin, vaan silloin sallitaan viemäreiden tulviminen ja lyhytaikainen lammikoiden muodostuminen alaviin kohtiin. Kysymyksessä on siten toisaalta viemärien rakennuskustannusten ja toisaalta viemärien tulvimisesta aiheutuvien vahinkojen ja haittojen vertailu. (RIL 2004)
2.2 Sadanta
Erään määritelmän mukaan sade on ilmakehässä pilvistä tiivistynyttä vesihöyryä, joka putoaa pisaroina taivaalta (Princeton University 2006). Sadanta mittaa alueelle tietyllä aikavälillä satanutta vettä ja se on hydrologisen kierron tärkein komponentti sekä kaikkien hydrologisten prosessien käynnistävä elementti (Hamill 2001).
Sateen intensiteetillä tarkoitetaan aikayksikön kuluessa vaakasuoralle pinnalle kertyvän veden määrää. Se voidaan esittää sademäärän aikaderivaattana seuraavalla tavalla (Puhakka 1995):
. _dP_
dt (1)
Intensiteetti on hetkellinen suure, mutta useimmiten se määritellään tietyn aikavälin keskimääräisenä intensiteettinä (Kilpeläinen 2006). Sateen intensiteetti riippuu pisaroiden kokojakaumasta sekä pisaroiden putoamisnopeudesta, ja intensiteetin ajallinen sekä paikallinen vaihtelu on suurta. Suomen olosuhteissa sateen intensiteetin suuruusluokka on välillä 0,001 - 5 mm/min (Kilpeläinen 2006).
Sadetapahtumaksi määritellään yhtäjaksoinen sadanta, joka sataa vaakasuoralle pinnalle. Yksittäistä sadetapahtumaa edeltää ja seuraa sateeton jakso, joka voi olla kestoltaan muutamasta minuutista useisiin viikkoihin. Jokaisella sadetapahtumalla on kesto, joka vaihtelee suuresti sadetapahtumasta toiseen.(Kilpeläinen 2006)
2.2.1 Sateen syntymekanismit
Ilmakehän dynamiikan näkökulmasta sade on lähes aina seurausta vesihöyrypitoisen ilman nousevasta liikkeestä. Nousevan liikkeen perusteella voidaan sade jakaa kolmeen perustyyppiin:
Laaja-alainen rintamasade Konvektiivinen kuurosade Orografinen sade
Laaja-alainen rintamasade syntyy barokliinisen epävakauden seurauksena (Puhakka 1995). Rintamasade muodostuu kun kaksi ilmamassaa, joilla on eri lämpötila, kosteus ja tiheys, kohtaavat. Ilmamassojen välille muodostuu rintama, joka erottaa viileän ja lämpimän ilmamassan. Lämpimässä rintamassa kevyempi lämmin ilma nousee kylmemmän ilman yläpuolelle, joka raskaampana pysyy maanpinnan lähettyvillä. Lämpimän ilman noustessa se laajentuu, viilenee ja tiivistyy pilviksi aiheuttaen mahdollisesti sadetta. Koska ilmamassojen väliset rajapinnat ovat pieniä (kaltevuudet: 1:100...1:400), tapahtuu ilman kohoaminen ja samalla viilentyminen hitaasti. Tämän takia lämpimän rintaman kautta syntyvät sateet ovat yleensä melko vaimeita, laaja-alaisia ja pitkäkestoisia. Sateiden kesto on usein 6-12h aina muutamaan päivään asti. (Kuusisto 1986)
Kylmässä rintamassa kylmä ilma, törmätessään lämpimän ilmamassan kanssa, painuu lämpimän ilmamassan alle pakottaen lämpimän ilman nopeasti ylös aiheuttaen samalla ilman äkillisen jäähtymisen. Kylmän rintaman kaltevuus voi olla välillä 1:25...1:100 ja sen aiheuttama sade on täten myös vastaavasti rankempaa, alueellisesti suppeampaa ja lyhytaikaisempaa kuin lämpimän rintaman aiheuttama sade. Kylmien rintamien aiheuttamat rankkasateet liittyvät usein ns. lauhkeisiin rintamiin. (Kuusisto 1986)
Konvektiivinen sade syntyy kuin aurinko lämmittää jotain maanpinnan osaa ympäristöään enemmän. Tällöin maanpinnan lähellä oleva ilma lämpenee ja tulee näin ylempiä ilmakerroksia kevyemmäksi. Lämmennyt ilma kohoaa, jäähtyy,
lopulta tiivistyy ja sataa. Konvektiivisten sateiden ohella esiintyy usein ukkosta ja yleensä sateet ovat hyvin rankkoja, alueellisesti suppeita ja lyhytaikaisia. (Kuusisto
1986)
Orografinen sade muodostuu silloin kun ilmamassa kohtaa maastoesteen ja on pakotettu kohoamaan ylöspäin. Orografisten sateiden muodostuminen riippuu hyvin paljon tuulista, mutta useimmiten sateita esiintyy vuorisilla rannikoilla.
Sadanta lisääntyy korkeuden funktiona, mutta toisaalta poikkeamat topografiassa vaikuttavat usein välittömästi sateen profiiliin. Pinnanmuodot vaikuttavat myös sadannan alueelliseen jakautumiseen seuduilla joiden korkeussuhteet vaihtelevat vähemmän. Orografiset sateet aiheuttavat usein rinnevaluntaa, koska ne satavat usein maastoesteiden yläpuolella, ehdolla että ilma on noussut tarpeeksi. Orografiset sateet ovat Suomessa kuitenkin harvinaisempia pienien korkeuserojen vuoksi.
(Kuusisto 1986)
2.2.2 Sadanta Suomessa
Eniten sadetta tuovat Suomeen Atlantilta tulevat syklonit, mistä johtuen suurin osa Suomen sateista on tyypiltään rintamasadetta. Maassamme sataa kautta vuoden melko epätasaisesti siten, että vähäisimmät sateet saadaan kevätkuukausina ja edellä mainitut kesäkuukausien intensiiviset konvektiiviset sateet aiheuttavat vuoden sademaksimin: heinä- ja elokuu ovat tilastollisesti sateisimmat kuukaudet (Kuusisto 1986).
Etelä- ja Keski-Suomessa sataa vuosittain yleensä n. 600-800mm ja Pohjois- Suomessa jäädään yleensä alle 600mm:n, mutta paikoin voidaan mennä tuosta luvusta ylikin (Hyvärinen ja Korhonen 2003). Sateesta tulee lumena etelässä noin 30
% ja pohjoisessa noin 50 % (Heino 8t Hellsten 1983).
Yli 100 mm suuruiset vuorokausisademäärät ovat Suomen ilmasto-oloissa hyvin harvinaisia. Ilmatieteen laitoksella sovelletaan Rantakransin (1967, Kilpeläinen 2006 mukaan) määritelmää rankalle sateelle, joka on esitetty kuvassa 3.
Määritelmän raja-arvot rankaksi luokiteltavalle sateelle soveltuvat Suomen etelä- ja keskiosan sateisiin. Raja-arvot on pyritty asettamaan siten, että vuosittain tietyssä mittauspisteessä esiintyisi rankkasade ainakin kerran.
Suomen vuorokausisademäärän ennätys, 198 mm, mitattiin Espoon Lahnuksessa 21.
heinäkuuta 1944. Helsingin Kaisaniemen mittausaseman suurin vuorokausisademäärä, 79,3 mm, mitattiin 24. heinäkuuta vuonna 1993. Suomen rankin sade vuorokaudessa ja sitä lyhyemmässä ajassa on noin 10 prosenttia maailman rankimmista arvoista. Hetkellisten intensiteettien ennätyksiä ei ole Suomessa koottu. (Kilpeläinen 2006)
A R.iiKii s.teen i jjo-jvo sateen keston fnnWion,i tsleen kesto < 1ln
8 7
?6 f.5
£ 4
£
■5 3
1
0
0 5 10 15 2D 25 30 35 40 45 50 55 sateen kesto [min]
R.iku s»e«i i <i<wrvo sateen kesi on funktiona (sateen kesto 1...24IU
r4
„ 16
£ 14£ 14
I;
> 6
"O 0 K 4 2 0
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2 sateen kesto [h]
3 24
Kuva 2. Rankan sateen raja-arvot sateen keston funktiona, kun sateen kesto on alle (A) ja yli (B) tunnin, (muunnettu Rantakrans 1967)
2.2.3 Kaupungistumisen vaikutukset sadan taan
Monet viimeaikaiset tutkimukset tukevat seikkaa, että kaupungistuminen vaikuttaa oikeissa olosuhteissa kasvavasti sadantaan (Bornstein & Lin 2000; Orville et ai. 2001;
Hidalgo 2004; Molders & Olson 2004; Shepherd 2005). Heinon (1978, Melanen 1986 mukaan) mukaan kaupungistumisen vaikutuksia ei voitu erottaa muista vaihtelua aiheuttavista tekijöistä.
Kaupungistumisen vaikutusta sadantaan on tutkittu 1900-luvun puolivälistä lähtien.
Kratzer (1956, Lowry 1998 mukaan) tutki kaupunki-ilmaston erityispiirteitä. Hän löysi vuosilta 1867-1910 sadantakäyriä kovaa vauhtia kaupungistuvasta Tukholmasta ja huomattavasti pienemmässä kaupungistumisen vaiheessa olevasta Uppsalasta. Uppsalassa sadanta ei tarkasteltavan jakson aikana juurikaan muuttunut kun taas Tukholmassa sadannan määrä kasvoi jatkuvasti tuona aikana. Kratzer selitti näitä eroja mm. sillä, että kaupungeissa on huomattavasti enemmän vesihöyryä sitovia pienhiukkasia aiheuttavaa teollisuutta ja liikennettä. Erääksi syyksi hän päätteli kortteleiden ja korkeuserojen aiheuttaman ilmavirtauksen nousemisen
mekaanisesti. Eräs päätelmä oli myös se, että ympäristöönsä nähden suhteellisen lämmin kaupunkialue voi myös nostaa ilmavirtauksia.
Konvektiiviset sateet muodostuvat useimmiten taajamien tuntumaan. Tämä johtuu paljosta päällystetystä pinnasta ja suojaisista alueista, jonka takia taajamien maanpinta voi lämmetä ympäristöönsä nähden hyvinkin radikaalisti ja aiheuttaa ukkoskuuroja (Kuusisto 1986).
Sateen todennäköisyyden kasvaminen taajamissa on seurausta monista tekijöistä, kuten kaupunkialueilla lisääntyneen saastumisen aiheuttamasta lisätiivistymisestä sekä kohonneesta lämpötilan noususta lisääntyneestä lämmön kulkeutumisesta kaupunkialueiden yläpuolella (Heino 1978).
2.3 Haihdunta
Haihdunnalla ymmärretään nestemäisessä tai kiinteässä olomuodossa olevan veden muuttumista vesihöyryksi. Haihtumista tapahtuu luonnossa erityyppisiltä pinnoilta erilaisissa olosuhteissa. Näiden erottamiseksi toisistaan on otettu käyttöön muun seuraavanlaisia käsitteitä: Evaporaatio on haihduntaa maan, veden tai lumen pinnasta. Transpiraatio on kasvin elintoimintoihin liittyvää haihduntaa, jolloin haihtuva vesi kulkee juuri-varsi-lehti-systeemin lävitse. Interseptiohaihdunta on kasvien pinnoille pidättyneen veden haihduntaa. Evapotranspiraatio on maa- alueilta tapahtuva kokonaishaihduntaa. (Vakkilainen 1986)
2.3.1 Haihduntaprosessi ja haihdunta Suomessa
Vesimolekyylejä poistuu jatkuvasti veden pinnasta ja toisia palaa takaisin. Siirtyvien vesimäärien erotus on nettohaihdunta. Haihtumiselle on olemassa kaksi ehtoa:
haihduttavan veden pinnan täytyy saada jostain lämpöenergiaa pitääkseen yllä tietyn haihduntatehon ja toisaalta täytyy olla olemassa jokin ilmaa sekoittava tekijä joka siirtää haihtuneen vesihöyryn pinnan läheisyydestä. (Vakkilainen 1986)
Etelä-Suomessa vuosisadannasta haihtuu keskimäärin noin 60 %, Pohjois-Suomessa lähes 50 % ja vuosihaihdunnasta yli puolet tapahtuu kolmen kesäkuukauden aikana (Vakkilainen 1986). Keskimääräinen vuosihaihdunta on suurinta Etelä-Suomessa ja pienintä käsivarren Lapissa (Kuusisto 1982).
2.3.1 Kaupungistumisen vaikutukset haihduntaan
Kaupunkialueilla haihdunta on yleisesti vähäistä. Sadepisaroiden osuessa maahan vesi virtaa päällystetyillä pinnoilla suhteellisen lyhyen ajan ja tänä aikana ei haihduntaa juurikaan ehdi tapahtua. Sateen aikana ilma on kosteusprosentiltaan lähes vedellä kyllästynyttä, joka myös osaltaan vähentää haihduntaa (Hogland 1986).
Dow & DeWalle (2000) tutkivat vuotuisen haihdunnan pitkäaikaisia trendejä 51 :llä kaupungistuvalla valuma-alueella USA:n itäosissa. Tutkimus osoitti, että valuma-alueen kaupungistuminen vähentää vuotuista haihduntaa sekä lisää ilmakehän lämpösisältöä (engl. sensible heating of the atmosphere). Dow ja DeWalle havaitsivat samassa tutkimuksessa pienellä asuinalueella suoritetun nurmikon ja puutarhankastelun lisäävän alueen haihduntaa.
Berthier et ai. (2006) tutkivat kahdella eri haihduntamallilla erilaisten pintojen vaikutusta pienellä taajama-alueella tapahtuvaan kokonaishaihduntaan. Tutkitun alueen 4,7 hehtaarin pinta-alasta 55 % oli läpäisevää ja 45 % päällystettyä (kattojen osuus 17 % ja muut päällysteet 28 %) alueita. Molemmat mallit simuloivat alueen evapotranspiraatiota samankaltaisin tuloksin. Tulosten mukaan vuotuisella tasolla jopa 90 % tutkittavan alueen kokonaishaihdunnasta tapahtui luonnonmukaisilta alueilta. Tutkimuksen mukaan päällystetyillä alueilla tapahtuva kokonaishaihdunta olisi viisi kertaa pienempää luonnonmukaisiin verrattuna. Yksittäisen sadetapahtuman kannalta luonnollisten pintojen vaikutus kokonaishaihduntaan ei kuitenkaan välttämättä ole dominoiva. Sadetapahtuman jälkeisinä tunteina päällystetyiltä pinnoilta tapahtuva haihdunta voi ajoittain olla suurempaa päällystämättömiin verrattuna.
Kaupungistuminen voi myös siis lisätä haihduntaa. Laajojen taajama-alueiden on todettu saavan aikaan oman mikroilmastonsa, joka aiheuttaa lämpötilan nousua kaupungeissa (Mitchell 1961). Tässä yhteydessä puhutaan
lämpösaarekevaikutuksesta (engl. urban heat island). On tutkittu, että jo yli tuhannen asukkaan kaupungilla olisi lämpösaarekevaikutus ja vaikutuksen suuruusluokka olisi suoraan verrannollinen kaupungin väkiluvun luonnolliseen logaritmiin (Oke 1973).
Fysikaalisessa mielessä haihdunta on kuitenkin samanlaista pinnasta riippumatta.
Käytettävissä olevassa energiassa, ilmastotekijöissä, pintojen karkeudessa ja veden saannissa olevat erot aiheuttavat kuitenkin sen, että erilaisilta pinnoilta haihtuu erisuuruisia vesimääriä. (Vakkilainen 1986)
2.4 Valunta
Valunta on se osa sadannasta, joka virtaa vesistöä kohti maan pinnalla, maaperässä tai kallioperässä. Valunta on tietyssä aikayksikössä tietyltä alueelta valuva vesimäärä. Virtaamalla ja valunnalla tarkoitetaan kuitenkin eri asioita. Virtaamalla tarkoitetaan aktuaalista, vesiuomassa tai myös maaperän poikkileikkauksessa kulkevaa vesimäärää sekunnissa kuutiometreinä tai litroina ilmaistuna. Valunta on taas määritelmältään ennen kaikkea vesitaseen osatekijä ja itse prosessin nimi (Hyvärinen 1986).
Valunta on yksi keskeisimpiä tapahtumia hydrologiassa. Valunta tarkoittaa aikayksikössä virtaavaa veden määrää koko valuma-aluetta tai sen pinta-alayksikköä kohti. Vesitaseyhtälössä valunta määritellään seuraavasti:
R = P-E-AS (2)
Valunta R [mm/d] on siis se osa sadannasta P [mm/d], joka jää jäljelle kun siitä vähennetään haihdunta E [mm/d] ja vesivaraston muutos AS [mm/d] valuma- alueella; tämä varasto voi olla esimerkiksi maaperässä, vesistöissä tai kasvipeitteessä.
(Hyvärinen 1986)
2.4.1 Valunaan synty ja valunta Suomessa
Fysikaalisesti valunta tapahtuu pääasiassa gravitaation vaikutuksesta. Valunnan syntyminen edellyttää, että painovoimaa ja edelleen veden liikettä vastustavat voimat eli hitaus-, kitka- ja koheesiovoimat kumoutuvat. Jotta vastustavat voimat kumoutuisivat, täytyy olla olemassa energiagradientti ja jokin tietty vesisyvyys.
Valuntaprosessissa veden liikettä vastustavat voimat kehittyvät veden liikkeen myötä joten voidaankin sanoa, että vastustavat voimat eivät pelkästään riipu virtauspinnan karkeudesta, virtauksen syvyydestä, nesteen viskositeetista ja nesteen ja virtauspinnan välisestä pintajännityksestä vaan myös virtaaman epäsäännöllisyydestä ja epätasaisuudesta. (Yen 1986)
Valunta syntyy valuma-alueelle sataneesta vedestä, alueen pohjavesivarastoista ja alueella olevan lumen tai jään sulamisesta. Valunnan voidaan ajatella muodostuvan kolmesta osasta: pintavalunnasta, pintakerrosvalunnasta ja pohjavesivalunnasta.
Intensiteetiltään tasaisessa sadannassa valunnan ja erityisesti maanpäällisen valunnan osuus kasvaa ajan funktiona sateen jatkuessa. Maanpinnalla virtaava vesi joutuu pieniin uomiin jo minuuttien päästä sateen alkamisesta, pintakerrosvalunta ehkä muutamien tuntien kuluttua ja pohjavesivalunta saavuttaa vesiuomat maaperästä riippuen vasta viikkojen, kuukausien tai vuosien kuluttua sateen alkamisesta. Maanpäällisen valunnan osuus kasvaa sitä mukaan, mikä on maaperän vedenläpäisevyys ja edelleen maaperän imeyntä. Edellä esitelty valunnan jaottelu on silti teoreettinen. Maanpäällinen valunta muuttuu pintakerrosvalunnaksi ja pintakerrosvalunta muuttuu taas maanpäälliseksi valunnaksi ennen vesiuomaan päätymistä. Vuodenajat antavat myös omat ominaispiirteensä valunnalle.
(Hyvärinen 1986)
Suomen vuotuinen keskivalunta on keskimäärin 320mm. Etelä-Suomessa valuma on maa-alueilta 200-300mm/a ja Lapissa yleisesti n. 300-400mm/a (Kuusisto 1982).
2.4.2 Kaupungistumisen vaikutukset valuntaan
Valunnan kolmen komponentin osalta kaupungistumisen vaikutukset näkyvät selvimmin pintavalunnassa. Alueen kaupungistuessa päällystettyjen ja vettä läpäisemättömien pintojen osuus kasvaa, kun kasvillisuusalueita korvataan
läpäisemättömillä pinnoilla. Lisääntynyt läpäisemätön pinta-ala yhdessä valuntaa kiihdyttävien teknisten kuivatusrakenteiden kanssa lisäävät pintavaluntaa ja nopeuttavat pintavaluntavede n virtausta. Valunnan kaksi muuta komponenttia (pintakerros- ja pohjavesivalunta) pienenevät kaupungistumisen seurauksena, koska veden imeytyminen maaperään vähenee. (Kotola & Nurminen 2003a)
Kaupunkialueille ominaiset läpäisemättömät pinnat estävät veden imeytymisen maaperään ja nopeuttavat pintavaluntaa (Hollis 1975). Pintavalunta on valunnan tärkein komponentti taajama-alueilla. Taajama-alueilla olevat uomat ja vedenkuljetuskanavat vaikuttavat pääasiassa valuma-alueen ylivirtaamien suuruusluokkaan (Akan 1993).
Valuma-alueen läpäisemättömien pintojen osuuden lisääntyessä pintavalunnan ylivirtaamat kasvavat ja niiden aiheuttama huippu kokonaisvalunnassa saavutetaan nopeammassa ajassa sateen alkamisesta. Yleisesti valunnan kokonaismäärä ja tulvariskipotentiaali kasvavat merkittävästi taajama valuma-alueilla. (Weng 2001) Kaupungistumisella on myös vaikutuksia taajamien läheisyydessä sijaitseviin uomiin. Leopold (1968, Hollis 1975 mukaan) on osoittanut, että valuma-alueen kaupungistuminen voi nostaa huippuvirtaamia 1,5-6 keltaisiksi samantyyppiseen rakentamattomaan valuma-alueeseen verrattuna. Kaupungistumisen vaikutus ylivirtaamiin pienenee harvinaisempien sadetapahtumien kohdalla. Pitkittyneiden rankkasateiden seurauksena myös läpäisevät pinnat voivat kyllästyä vedellä ja reagoida hydrologisesti kuten läpäisemätön taajama-alue.
Hollis (1975) tutki 15 eri alueella läpäisemättömän alueen suhdetta koko valuma- alueen pinta-alaan ja sen vaikutusta tulvien toistuvuuksiin. Tutkimuksen mukaan kaupungistuminen ei vaikuta eri toistuvuuksien tulviin samalla tavalla. Jos valuma- alueesta alle 5 % on päällystettyä, ei sillä ole mitään vaikutusta joka vuosi toistuviin tai sitä harvinaisempiin tulviin. Jos alueesta on päällystetty 30 % tai enemmän, voi se kaksinkertaistaa kerran 100 vuodessa esiintyvän tulvan huippuvirtaaman.
Kaupungistumisella ei ole vaikutusta harvinaisempien tulvatapahtumien, kuten kerran 200 vuodessa esiintyvien tulvien huippuvirtaamiin. (Hollis 1975)
2.5 Sadanta-valuntaprosessi taajamissa
Sadannan muuttuminen valunnaksi riippuu hyvin paljon valuma-alueen ominaisuuksista. Taaj amahydrologiassa ollaan kiinnostuneita yksittäisten sadetapahtumie n aiheuttamasta valuntavastuksesta taajama valuma-alueella.
Valuntavastusta voidaan kuvata valuntakertoimella, joka on valunnan ja sadannan suhde. Valuma-alueelle määritettävä kokonaisvaluntakerroin C, voidaan määritellä seuraavasti: (Melanen & Laukkanen 1981, Metsäranta 2003 mukaan)
(3)
jossa q [mm] on sadetapahtuman aiheuttaman valunta ja P [mm] tapahtuman sademäärä.
Yksittäisestä tapahtuvasta määritettyjen valuntakertoimen keskiarvojen ja useista tapahtumista koko valuma-alueelle määritettävän kokonaisvaluntakertoimen välille liittyy epävarmuutta. Metsäranta et ai. (2005) mukaan valuntakertoimelle yksittäisistä tapahtumista määritetty keskiarvo saattaa olla paljon pienempi kuin samalle valuma-alueelle määritelty valuntakerroin. Läpäisemättömän pinnan osuuden lisääntyessä lisääntyy myös valuntakertoimien keskiarvoihin liittyvä epävarmuus. Yksittäisistä sadetapahtumista määriteltyjen valuntakertoimien arvot voivat vaihdella hyvinkin paljon samalla valuma-alueella (Metsäranta et ai. 2005).
Sadetapahtuman aiheuttaman valunnan syntyehtona on tehoisa sadanta (engl.
excess rainfall). Tehoisa sadanta on se osa kokonaissadannasta, josta muodostuu alkuhäviöiden jälkeen pintavaluntaa (Overton & Meadows 1976, Metsäranta 2003 mukaan). Tämän työn kannalta tärkeimpiä sadannasta pidätettäviä häviöitä ovat imeyntä, painannesäilyntä, ja haihdunta.
2.5.1 Imeyntä
Valunnan kannalta yksi tärkeimmistä tekijöistä sadeveden poistumisen kannalta on sataneen veden imeytyminen. Tämä pätee läpäiseville pinnoille ja pienen intensiteetin sateille. Imeynnän määrä laskee läpäisemättömien pintojen ja sateen intensiteetin kasvun funktiona (Yen 1986).
Läpäisevillä pinnoilla maaperän imeyntäkyky riippuu pääasiassa maaperän ominaisuuksista. Kasvuston, eläimistön ja ihmisen toimintojen seurauksena maan pintakerros on usein löyhempää alempiin maakerroksiin verrattuna. Syvemmällä maaperässä maa muuttuu tiiviimmäksi ja vedenläpäisevyys pienenee. Hyvin intensiiviset rankkasateet voivat aiheuttaa sen, että maaperä ei kykene absorboimaan suurta vesimäärää, ja tämä voi realisoitua suurinakin pintavaluntoina ja tulvina. (Hamill 2001)
Taajama-alueilla ominaisille läpäisemättömille pinnoille satavan veden oletetaan, alkuhäviöiden jälkeen, muuttuvan välittömästi tehoisaksi sadannaksi. Läpäisevillä pinnoilla ilmenee tehoisaa sadantaa sillä hetkellä kun sateen intensiteetti ylittää maaperän imeyntäkyvyn (Mein & Larson 1973). Läpäisevää pintaa sisältävillä alueilla päästään alkuhäviöiden jälkeen tehoisaan sadantaan sillä hetkellä kun sateen intensiteetti ylittää maaperän imeyntäkyvyn (Mein & Larson 1973).
Yleisesti maaperän imeyntäkykyyn vaikuttavat seuraavat tekijät (Hamill 2001):
Maalaji ja erityisesti sen huokoisuus ja vedenläpäisevyys.
- Maaperän vesipitoisuus sadetapahtuman alussa. Kuiva maa imee vettä vaivattomammin kuin kostea tai kokonaan vedellä kyllästynyt maa.
Sateen intensiteetti, koska se ohjaa veden määrää ja imeyntäprosessia eteenpäin vievää hydraulista painetta.
Sadetapahtuman kesto, koska kuiva maa kostuu progressiivisesti imeynnän jatkuessa.
Maanpinnan kaltevuus. Tasaiset pinnat aiheuttavat imeyntää ja kaltevat pinnat pintavaluntaa.
Kasvuston olemassaolo, koska maaperän alkuperäinen ja lopullinen imeyntäkyky on suurempi maaperälle, jossa on kasvustoa verrattuna paljaaseen maahan. Juuret hidastavat pintavaluntaa ja rikkovat maaperää tehostaen imeyntää. Maan pinnalla olevat kuivat lehdet sekä muu orgaaninen aines imee vettä.
Edellä mainittujen imeyntään vaikuttavien tekijöiden perusteella voidaan olettaa, että läpäisemättömän pinnan lisääntyminen vähentää veden imeyntää vaikuttaen edelleen pintakerros- ja pohjavaluntaan kaupungistuvalla alueella.
Dam & van de Yen (1984, Metsäranta 2003 mukaan) tutkivat asfaltoidun pysäköintialueen vedenläpäisevyyttä. Asfaltti todettiin tutkimuksessa täysin läpäisemättömäksi. Muille tutkimuksessa käytetyille materiaaleille (tiili, betonilaatta) esitettiin keskimääräisiä imeyntänopeuksia, jotka olivat luokkaa 11 mm/h... 16 mm/h riippuen päällyste-elementin dimensioista. Tutkimuksen yksi johtopäätelmä oli, että asfaltti voitaisiin korvata läpäisevillä päällystemateriaaleilla ja näin voitaisiin vähentää merkittävästi päällystetyiltä alueilta muodostuvaa pintavaluntaa.
Maaperä voi tiivistyä kaupungistumisen ohella myös muillakin tavoilla. Läpäisevän maaperän jäätyminen voi tehdä maaperästä lähes läpäisemätöntä. Luonnontilainen maanpinta voi tiivistyä myös muilla tavoin ihmisen (askeleet, autot tms.) tai luonnon toiminnan (esim. suuret sadepisarat, pitkä kuiva jakso) seurauksena (Hamill 2001).
Kuten edellä todettiin, vaikuttavat maankosteus ja kausivaihtelut hyvin paljon maaperän imeyntäkykyyn. Kuivan maan imeyntäkyky on yleensä korkea tiettyyn kosteuspitoisuuteen asti. Maaperän kyllästyessä imeyntäkyky vakiintuu johonkin vakioarvoon. Tämä johtuu kapillaari-ilmiöstä ja maaperässä olevien hiukkasten paisumisesta joutuessaan veden kanssa kosketuksiin. Tämän seurauksena imeyntäkykyyn vaikuttaa myös edeltävät sadetapahtumat. (Arnell 1980) Pitkittyneiden rankkasateiden seurauksena läpäisevät pinnat voivat kyllästyä
vedellä ja reagoida hydrologisesti kuten läpäisemätön taajama-alue (Leopold 1968, Hollis 1975 mukaan).
2.5.2 Painannesäilyntä
Painannesäilynnällä (engl. depression storage) tarkoitetaan sitä osaa sataneesta vedestä, joka jää lammikoihin, ojiin ja muihin maan pinnassa oleviin painanteisiin.
Painannesäilynnän voidaan nähdä koostuvan kahdesta komponentista:
vesimäärästä, joka tarvitaan maan pinnan kastelemiseen ja vesimäärästä, joka pidättäytyy todellisiin painanteisiin. (Amell 1980)
Kun sateen intensiteetti ylittää maaperän imeyntäkapasiteetin, alkavat painanteet täyttyä. Pienimpien painannesäilyntävarastojen täytyttyä alkaa vesi liikkua maanpinnalla ja pintavalunta käynnistyy. Pintavalunta alkaa täyttää suurempia painanteita, jotka mahdollisesti aikanaan myös täyttyvät ja pintavalunta kasvaa edelleen. Osa vedestä sataa kuitenkin lähelle viemärikaivoja ja siirtyy kuivatusjärjestelmään ennen kuin painanteet muualla valuma-alueella alkavat täyttyä. Sateen päätyttyä painannesäilyntävarastoissa oleva vesi poistuu imeytymällä maaperään ja/tai haihtuu. (Amell 1980)
Monet tutkimukset ovat osoittaneet, että pienillä läpäisemättömillä alueilla keskimääräinen painannesäilyntä riippuu valuma-alueen kaltevuudesta (Jovanovic
1986).
2.5.3 Pintojen vaikutus valunaan äärevöitymiseen
Läpäisemättömien pintojen määrän on todettu olevan tärkein indikaattori analysoitaessa kaupungistumisen vaikutuksia veden kiertoon (Schueler 1995).
Merkittävimmät muutokset tapahtuvat kasvavan pintavalunnan katalysoimassa valunnan kasvussa, eli hulevesien määrässä, johtuen pääosin päällystettyjen ja läpäisemättömien pintojen suuresta osuudesta taajama-alueilla. Suurin osa taajamissa tapahtuvasta valunnasta tulee läpäisemättömiltä pinnoilta ja läpäisemättömien pintojen merkitys valunnan muodostumiselle voi olla hyvinkin merkittävä (Chiew & McMahon 1999).
Vuosittaista keskimääräistä valuntaa läpäisevillä alueilla voidaan arvioida seuraavalla yhtälöllä (Chiew & McMahon 1999):
Mqa = rcj ■ Aj • P + rcp (1 - A,)(P + WV), (4)
jossa Mqa[mm/a] on keskimääräinen vuosivalunta, P[mm/a] sadanta ja Wu [mm/a]
sadeveden muu käyttö tarkasteltavalla alueella, m [-] ja rcp [-] ovat valuntavakioita, joilla kuvataan sitä osaa sadannasta, josta tulee valuntaa. Ai [-] on läpäisemättömän alueen pinta-alan osuus koko valuma-alueen pinta-alasta.
Läpäisemättömät alueet koostuvat kaupungeissa rakennusten katoista ja kuljetusinfrastruktuurista eli kaduista, parkkipaikoista ja ajoväylistä (Lee & Heaney 2003). Läpäisemättömän pinnan vaikutus valuntaan riippuu paljon siitä, onko läpäisemätön pinta suorassa yhteydessä viemäriverkkoon.
Lee & Heaney (2003) tutkivat suoraan viemäriverkkoihin yhteydessä olevien läpäisemättömien (engl. directly connected impervous areas, DCIA) pintojen vaikutusta valuntaan pitkällä aikavälillä. He arvioivat kokonaisvaluntaa yhdistämällä erikseen määritellyt valunnat DCIA- ja muilta alueilta. He estimoivat kokonaisvaluntaa seuraavalla lineaarisella mallilla:
Qtot tJDCIA+Qo'
jossa qT0T [mm] on kokonaisvalunta. qDCIA [mm] on valunta DCIA-alueilla, joka saadaan seuraavalla kaavalla:
9 DCIA ~~ ADCIA " PEFF > (6)
jossa Adcia [-] on DCIA:n osuus valuma-alueen kokonaispinta-alasta ja PEFF [mm]
tehoisa sadanta. q0 [mm] on muiden alueiden valunta, joka saadaan seuraavasti:
<h = Ao-pEFF-Vs> (7)
jossa A0 [-] on muiden alueiden osuus pinta-alasta ja Vs [mm] valuma-alueen arvioitu painannesäilyntä.
Kun tutkitaan läpäisemättömien pintojen osuutta valunnan äärevöitymiseen, ollaan usein kiinnostuneita läpäisemättömien pintojen osuudesta (engl. total impervious area, TIA) koko valuma-alueen pinta-alasta. Lee:n & Heaneym (2003) mukaan olisi vieläkin tärkeämpää keskittyä alueisiin, jotka ovat suoraan yhteydessä viemäriverkkoon (DCIA:t).
Läpäisemättömien pintojen osuuksien määrittämisessä käytetyillä menetelmillä voidaan vaikuttaa paljon saatuihin tuloksiin. Nykyisin yleisessä käytössä olevat GIS- pohjaiset työkalut voivat toimia hyvinä työkaluina alueen maankäyttömuotoja määritellessä, mutta tutkimusalueella suoritetut kenttätutkimukset ovat erittäin tärkeitä tarkkojen estimaattien saamiseksi suoraan viemäriverkkoihin yhteydessä olevien läpäisemättömien alueiden määrittämisessä. (Lee & Heaney 2003)
3 MALLINNUS TAAJAMAHYDROLOGIASSA
3.1 Yleistä
Yleisesti malli määritellään matemaattiseksi tai fysikaaliseksi systeemiksi, joka noudattaa tietyllä tavalla joitain ennalta määrättyjä olosuhteita ja jonka
käyttäytymistä käytetään ymmärtämään toista fysikaalista, biologista tai sosiaalista systeemiä, jonka kanssa ennalta määrätyllä systeemillä on jotain yhteistä (Dictionary Of Scientific Terms 1974). Matemaattinen simulointimalli määritellään menetelmänä, jolla pyritään esittämään fysikaalinen prosessi matemaattisesti. Tämä tapahtuu sallimalla muutoksia syötteen arvoihin päämääränä generoida muutoksia mallin antamaan vasteeseen (Yen 1986).
Taajamahydrologiaan liittyen hydrologisella mallilla viitataan matemaattiseen työkaluun, joka mahdollistaa sen käyttäjän simuloimaan yhtä tai useampaa seuraavista prosesseista: pintavalunta, uomissa tapahtuva valunta, pohjavesivalunta, imeyntä sekä muut maanpinnan ja alempien maakerrosten välillä tapahtuvat prosessit (mm. suotopinnat), lumen sulamisesta aiheutuva valunta, haihdunta ja transpiraatio. Taajamahydrologiaan liittyvät myös mallit, jotka simuloivat hulevesien määrän lisäksi hulevesien laatuun liittyviä prosesseja. (Zoppou 1999) Ennen kuin voidaan aloittaa mallintaminen tai uskottava keskustelu mallien ominaisuuksista ja käyttötarkoituksista, tulee mallintamisen motiivit aina perustella.
Erilaiset käyttötarkoitukset vaativat ominaisuuksiltaan ja tarkkuudeltaan erilaisia malleja. Hydrologiassa sovelletulle mallille voidaan tunnistaa kaksi olennaista tarkoitusta: tieteellinen tutkimus ja vesivarojen hallinta. Tieteellisen tutkimuksen työkaluna hydrologista mallia voidaan käyttää tiettyä hydrologista prosessia koskevien hypoteesien testaukseen. (Beven 1989)
Yleisesti mallinnus laajentaa hydrologisen tutkimuksen kenttää helpottaen muun muassa herkkyysanalyysin ja hydrologisten ennusteiden tekemistä. Malleilla voidaan myös korjata mahdolliset puutteet havaintoaineistoissa generoimalla puuttuvia arvoja. Joskus voi myös olla, ettei pitkäaikainen havaintoaineisto ole enää yhteensopiva vallitsevan hydrologisen tilanteen kanssa, jolloin tarvittaessa jollain sopivalla mallilla voidaan simuloida havaintoaineisto vastaamaan vallitsevia hydrologisia oloja. (Linsley 1982)
T aaj amahydrologiassa on tärkeää painottaa hulevesien laatukysymysten riippuvuutta hulevesien määrästä. Tämä tulisi tehdä ainakin kahdesta seuraavasta syystä. Ensinnäkin vedessä olevia epäpuhtauksien pitoisuuksia ja määriä on hyvin vaikea määrittää tietämättä arvioita hulevesien virtaamista. Toisaalta menetelmät, joilla pyritään vähentämään hulevesien määrään tai laatuun liittyviä haittoja ovat yleensä toisiaan täydentäviä. Esimerkiksi pidätysallasta käytetään vähentämään niin hulevesien laatuun (sedimenttiloukku) kuin määräänkin (pienentää huippuvirtaamia) liittyviä haittavaikutuksia. (Zoppou 1999)
Vaikkakin hulevesiin liittyvät laatuasiat ovat tärkeitä kaupunkien hulevesien hallinnassa, on erityisen tärkeää, että on olemassa uskottavia ja realistisia hydrologisia ja hydraulisia malleja, jotka kuvaavat hulevesien määrää riittävällä paikallisella ja ajallisella tarkkuudella. (Zoppou 1999)
3.1.1 Taajamahydrologiamallien taustaa
Yleisesti sadanta-valuntamallit kuvaavat yksinkertaisuuden ja tarkkuuden eri asteilla systeemiä (valuma-alue) johon tulee tietty syöte P, joka kulkee systeemin läpi ja purkautuu lopulta valuma-alueen reunalla jonkinlaisena vasteena Q (Yen 1986).
Sadanta-valuntaprosessia taajama-alueilla on tutkittu tieteellisesti jo yli sadan vuoden ajan. Irlantilainen Thomas Mulvaney kehitti ensiversion rationaalisesta menetelmästä jo vuonna 1851 ja amerikkalainen Kuichling julkaisi 1889 sen rationaalisen menetelmän kaavan (8), jota nykyäänkin käytetään yleisesti sadannan aiheuttamien virtaamien määrittämisessä taajama-alueilla.
Q = Ci A, (8)
jossa C [-] on valuntakerroin, i [m/s] sateen intensiteetti ja A [m2] valuma-alueen ala. (Linsley 1982)
Rationaalisella menetelmällä ja muilla tämän kaltaisilla alkuaikojen empiirisillä menetelmillä pystyttiin arvioimaan ainoastaan sateen aiheuttamien pintavaluntojen huippuvirtaamia. Päätarkoituksena oli tuolloin löytää perusteet kuivatusjärjestelmien mitoitukselle. 1800-luvun lopulta 1900-luvun alkuun julkaistiin suuri määrä erilaisia kaavoja, joista suurin osa oli joko muunnelmia Mulvaneyn kaavasta (8) tai vieläkin yksinkertaisempia ilmaisuja sadannan ja valunnan suhteista, joissa valuntaa kuvattiin pelkästään tutkittavan alueen ominaisuuksien mukaan (Linsley 1982). Chow (1962) on julkaissut kattavan koosteen näistä kaavoista. Myöhemmin monia muita menetelmiä on kehitetty tuomaan täydentävää ja tarkentavaa tietoa sadanta-valuntaprosessista.
50-luvun alussa tietokoneet alkoivat yleistyä ja tällöin alettiin tutkia tietokoneiden mahdollisia sovellustapoja hydrologisiin ongelmiin. Tuon ajan tietokoneet olivat hitaita, mutta huomattavasti nopeampia kuin käsinlaskenta ja toisaalta tietokoneet pystyivät käsittelemään suuriakin määriä havaintoaineistoja tehokkaasti.
Tietokoneiden yleistymisen myötä pienimmän neliösumman regressio tuli suosituksi menetelmäksi tutkia valuma-alueen valunnan tai virtaaman sekä erilaisten meteorologisten ja fysikaalisten parametrien yhteyttä. Myös yksikkövaluntakäyrien laskennassa ja sovelluksissa alettiin käyttää tietokoneita.
(Linsley 1982)
Tietokoneavusteista mallinnusta on käytetty simuloimaan vesisysteemien käyttäytymistä aina 1960 luvulta lähtien. Linsley ja Crawford (1960) julkaisivat alkuun Stanford Watershed Model l:n (SWM 1). Aluksi erittäin yksinkertainen ohjelma käytti päivittäistä sadantaa, karkeaa imeyntäfunktiota ja yksikkökäyrien kombinaatioita tuottaakseen virtaamakäyrän päivittäiselle keskivirtaamalle. Tämän jälkeen ohjelmistoa kehitettiin huomattavasti ja vuonna 1966 ilmestyi SWM IV
(Crawford & Linsley 1966). SWM IV pystyi jo tulostamaan tunneittain toistuvan virtaaman hydrografin. Pintavalunta, valunta läpäisemättömiltä alueilta ja pohjavesivalunta laskettiin erikseen ja näiden summa määritti kokonaisvalunnan valuma-alueella. Tätä ohjelmaa kehiteltiin ja muunneltiin edelleen ohjelmaksi, joka tunnetaan nykyään nimellä Hydrologic Simulation Program Fortran (HSPF) (Johansson, Imhoff & Davis 1980).
Ensimmäiset ohjelmat, jotka pystyivät simuloimaan sekä hulevesien laatuun että määrään liittyviä prosesseja ilmestyivät 70-luvun alussa ja ne kehitettiin pääasiassa USEPA:n (United States Environmental Protection Agency) toimesta. Storm Water Management Model (SWMM) ilmestyi vuonna 1971 (Metcalf, Eddy et al 1971).
SWMM suunniteltiin simuloimaan yksittäisten säätapahtumien aiheuttamia sadanta-valuntaprosesseja. Alun perin SWMM käytti Hortonin imeyntämallia laskemaan tehokkaan sadannan ja loi tästä valuntakäyrän kuljetusmallilla. Tämän jälkeen ohjelma on, muiden ohjelmistojen mukana, läpikäynyt monia muutoksia ja kehitysaskeleita vuosikymmenien kuluessa ollen nykyisin todella kattava ja käytetty ohjelma sadanta-valunta prosessin mallintamiseen taajama valuma-alueilla - niin valunnan määrän kuin laadunkin suhteen, (viimeisin versio SWMM 5, julkaistu 10/19/2005).
Nykyään on olemassa lukematon määrä taajamahydrologiaan liittyviä prosesseja simuloivia ohjelmia. Hulevesimallien pääasialliset erot muodostuvat sadannan ja valunnan suhdetta laskevien algoritmien perusteella. Minkään yksittäisen yleisimmissä malleissa ja ohjelmissa käytetyn laskenta-algoritmin ei ole todettu olevan ylivertainen toiseen verrattuna. Vaikka on olemassa ohjelmia, jotka laskevat sadannan ja valunnan suhteita monella eri laskenta-algoritmilla, ei ole olemassa kaupallista ohjelmistoa, joka pystyisi toteuttamaan laskennan kaikilla tunnetuilla algoritmeilla. (Hansen et ai. 2005)
Tekniikassa viime vuosina otetut kehitysaskeleet ovat tehneet simulaatiomallinnuksesta erittäin tehokkaan ja hyödyllisen menetelmän hydrologisten prosessien tutkimuksessa. Tietotekniikan kehittymisen myötä havaintoaineiston keräys, varastointi ja prosessointi on myös tullut helpommaksi ja tehokkaammaksi. (Zoppou 2001)
Andrieun ja Chocat’n (2004) mukaan taajama-alueilla on etulyöntiasema rakentamattomiin alueisiin nähden hydrologisen perustutkimuksen tulevaisuutta ajatellen. Taajama-alueiden etuna on se, että niiden ominaisuudet ovat yleisesti paremmin tiedossa: paikkatieto on kehittyneempää, valuma-alueet pienempiä sekä mittaustoimintaan tarvittava rahallinen ja tekninen tuki yleensä paremmin saatavilla. Näiden hydrologisen mallinnuksen näkökulmasta tärkeiden seikkojen olemassaolo voi johtaa siihen, että taajama-alueilla tapahtuva hydrologinen perustutkimus tulee todennäköisesti lisääntymään tulevaisuudessa.
3.2 Lähestymistapoja mallintamiseen
3.2.1 Deterministinen ja stokastinen malli
Deterministinen malli perustuu olettamukseen, että prosessi voidaan kuvata fysikaalisin termein ilman minkäänlaista satunnaisuutta. Jos yhtäkään mallin muuttujista voidaan pitää satunnaismuuttujana, eli muuttujan esiintymiseen liittyy jokin satunnainen todennäköisyysjakauma, kutsutaan mallia stokastiseksi (Clark 1973). Deterministisessä mallissa kaikki muuttujat tiedetään varmuudella, jolloin malli antaa aina samat tulokset samoilla parametreillä. Hydrologiset deterministiset mallit perustuvat säilymislakeihin, jotka liittyvät nesteen käyttäytymiseen. Näihin lakeihin kuuluvat massan säilymislaki, eli jatkuvuus sekä liikemäärän ja energian säilymislait (Linsley 1982).
Stokastisessa mallissa tulokset vaihtelevat, koska yksi tai useampi muuttuja vahtaan jostain todennäköisyysjakaumasta. Stokastisessa valuntamallissa tietyllä hetkellä määritetty valunta olisi aikaisempien valunta-arvojen ja jonkin satunnaismuuttujan funktio (Linsley 1982). Determinististä mallia voidaan pitää stokastisena mallina, jossa satunnaismuuttujat on korvattu niiden keskiarvoilla. Stokastisen mallin etuna on se, että satunnaismuuttujaan liittyvä epävarmuus saadaan jakauman avulla liitettyä malliin. Jos stokastisilla malleilla pyritään kuvaamaan kovin monimutkaisia ongelmia, voivat stokastisten yhtälöiden ratkaisut olla liian monimutkaisia ja näin epäkäytännöllisiä (Li & McLaughlin 1991).
3.2.2 Konseptuaalinen ja empiirinen malli
Stokastiset ja deterministiset mallit voidaan edelleen jaotella joko konseptuaalisiksi tai empiirisiksi riippuen siitä perustuvatko mallit fysikaalisiin lakeihin vai empiirisiin havaintoihin. Konseptuaalinen mallin perustana on hydrologisen kierron käsitteellinen ymmärtäminen, missä kierron erilaiset aliprosessit kuvataan empiirisesti määritetyillä funktioilla. Konseptuaalinen malli perustuu pääosin fysikaalisiin lakeihin. Empiirinen malli on taas yksinkertaistettu esitys systeemistä tai ilmiöstä, joka perustuu havaintoihin tai kokemukseen (Linsley 1982).
Jako konseptuaalisten ja empiiristen mallien välillä ei ole kuitenkaan täysin selkeä.
Clark (1973) demonstroi Darcyn lain ja Newtonin liikelain avulla, että koska molemmat ovat fysikaalisia lakeja, tulisi molemmat normaalisti tulkita konseptuaalisiksi malleiksi. Molemmat em. lait ovat kuitenkin luotu havaintojen perusteella ja tässä valossa ne siis olisivat empiirisiä malleja.
3.2.3 Muita luokituksia
Teoreettisessa mallissa itse mallin teoreettinen periaate kuvataan matemaattisten funktioiden sarjana. Black-box-mallissa käytetään yhtä tai useampaa sopivaa matemaattista funktiota, joita pyritään sovittamaan havaintoaineistoon. Black-box
