Meanderijoen jäänalaiset virtausominaisuudet selville 2D-mallinnuksen avulla

Kirjoittaja: Tiia Tarsa

Artikkeli pdf-muodossa

Karttapiirros, joka esittää joen virtaaman vaihtelun eri kohdissa jokea.

Kuvassa esitettynä (a) nopean virtauksen ytimen liikkuminen uoman puolelta toiselle sekä (b) voimakkain takaisinvirtauspyörre talvella 2014. Sekä talvella että syksyllä voimakkaimmat takaisinvirtauspyörteet sijaitsivat sellaisissa matalissa sisäkaarteiden kohdissa, jotka oli ympäröity syvillä alueilla ulkokaarteen ja alavirran puolella (kuva: Tiia Tarsa).

Meanderijoen mutkaisuus syntyy avoveden aikaan, selviää tuoreesta opinnäytetyöstä.

Meanderoivat eli mutkittelevat joet ovat kiehtoneet tutkijoita kautta aikojen monimutkaisen virtausrakenteensa ansiosta. Vaikka meanderijokien virtausta on tutkittu varsin paljon, niiden virtausrakennetta ei vieläkään täysin ymmärretä. Etenkin ymmärrystä meanderijokien jäänalaisista virtausprosesseista olisi tärkeä syventää, sillä meanderijoista tehdyt tutkimukset ovat keskittyneet pääasiassa avouomatilanteen virtaukseen.

Viime vuosikymmeninä myös jokien jäänalaisen virtauksen tutkimuksessa on tapahtunut edistystä, minkä on mahdollistanut ennen kaikkea numeeristen mallien hyödyntäminen.  Niin avouomatilanteen virtauksessa kuin jäänalaisessakin virtauksessa on havaittu esimerkiksi takaisinvirtauspyörteitä, joissa vesi virtaa horisontaalisesti vastakkaiseen suuntaan primaarivirtaukseen verrattuna. Muita tällaisia meanderijoille tyypillisiä piirteitä ovat virtauksen kiertyneisyys sekä nopean virtauksen ytimen liikkuminen uoman puolelta toiselle.

Monipuolisia aineistoja

Pro gradu -tutkielmani tavoitteena oli lisätä ymmärrystä meanderijokien jäänalaisesta virtauksesta simuloimalla Pohjois-Suomessa, Utsjoella sijaitsevan etelästä pohjoiseen virtaavan Pulmankijoen virtausta.

Varsinaisena tutkimusalueena oli kolmesta peräkkäisestä meanderikaarteesta koostuva 1,2 kilometrin pituinen jokiosuus. Simuloinneissa hyödynnettiin River2D-ohjelmalla rakennettuja numeerisia 2D-malleja, joiden avulla virtausominaisuudet pystytään selvittämään kahdessa ulottuvuudessa eli tasossa. Virtausominaisuudet voitiin selvittää horisontaalisesti koko tutkimusalueena olevalta jokiosuudelta. Tutkielmassa pyrittiin selvittämään tutkimusalueen jäänalaiset virtausominaisuudet talvella 2014 ja vertaamaan niitä syksyn 2013 avouomatilanteen virtausominaisuuksiin. Lisäksi tutkielmassa arvioitiin, soveltuuko 2D-mallinnus virtausominaisuuksien selvittämiseen.

Syksyn 2013 ja talven 2014 malleja rakennettaessa hyödynnettiin monipuolisesti erilaisia aineistoja. Molempien mallien uoman pohjan topografia-aineistot on hankittu käyttämällä akustista virtausprofiilimittaria (eng. Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP), jossa oli mukana myös vertikaalisyvyyden mittauksen sensori. Uoman ulkopuolisten alueiden topografia-aineistot puolestaan on hankittu maalaserkeilausta ja liikkuvaa maalaserkeilausta hyödyntäen.

Virtaama-aineisto on kerätty akustisen virtausmittarin (eng. Acoustic Doppler Velocimeter, ADV) ja ADCP:n avulla. Vedenpinnankorkeusaineisto on koottu Levelogger-mittalaitteen ja ADCP:n mittaustulosten perusteella. ADCP-mittausten perusteella koottiin myös virtausnopeusaineisto. Jääkannen topografia-aineisto koostui maatutkamittauksista sekä joen jääkannen läpi kairattujen reikien kohdalla tehdyistä manuaalisista mittauksista. Näitä kairareikämittauksia hyödynnettiin myös talven mallin uoman pohjan topografia-aineistossa. Tutkielmassa käytetty aineisto on kerätty pääasiassa Turun yliopiston, Aalto-yliopiston, Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksen ja Itä-Suomen yliopiston yhteistyönä.

Jääkannen topografia mukaan talvivirtauksen laskentaan

Albertan yliopistossa kehitetty River2D-ohjelma on tarkoitettu jokien kaksiulotteiseen, syvyyskeskiarvotettuun mallinnukseen. Ohjelman avulla voidaan rakentaa sekä hydrodynaamisia malleja että kalojen elinympäristömalleja.

River2D-ohjelma koostuu neljästä alaohjelmasta, jotka ovat nimeltään R2D_Bed, R2D_Ice, R2D_Mesh ja River2D. Mallinnuksen ensimmäisessä vaiheessa R2D_Bed-ohjelmalla luotiin uoman pohjan topografiaa kuvaava tiedosto TIN-menetelmän avulla. Samalla periaatteella toimivalla R2D_Ice-ohjelmalla puolestaan rakennettiin jääkannen topografiaa kuvaava tiedosto. R2D_Mesh-ohjelmalla sen sijaan diskretisoitiin uoman pohjan topografiaa kuvaava tiedosto TIN-menetelmää hyödyntäen elementtiverkoksi (eng. finite element mesh). Elementtiverkko avattiin River2D-ohjelmassa, jossa malli lopulta myös ajettiin. Jäänalaista virtausta mallinnettaessa myös jääkannen topografiatiedosto avattiin River2D-ohjelmassa. Mallien ajamisen jälkeen suoritettiin mallien kalibrointi. Lopulta kalibroitujen mallien tulokset visualisoitiin River2D-ohjelmalla.

Molempien vuodenaikojen virtausominaisuuksia kuvailtiin mallinnettujen vedensyvyyksien, syvyyskeskiarvotettujen virtausnopeuksien ja -suuntien sekä kulutusvoiman suuruutta havainnollistavien leikkausnopeuksien avulla. Syvyyskeskiarvotettu virtaus kuvaa uoman pohjasta vedenpintaan ulottuvan vesipatsaan virtausnopeuksien ja -suuntien keskiarvoa.

Jäänalaisella virtauksella vähäinen merkitys uoman muotoutumiseen

Kun vedensyvyyksien ja virtausnopeuksien vaihtelua tarkasteltiin uoman pituussuunnassa, havaittiin että molempina vuodenaikoina syvyyskeskiarvotetut virtausnopeudet olivat suurimmillaan matalilla alueilla eli kaarteen 1 alkuosassa sekä kaarteiden 2 ja 3 välissä sijaitsevalla suoralla uoman osuudella. Pienimmät virtausnopeudet sen sijaan havaittiin meanderikaarteissa, missä oli yleisesti ottaen syvempää. Myös meanderikaarteissa oli havaittavissa vedensyvyyksien ja virtausnopeuksien samankaltaista vaihtelua. Virtausnopeudet nimittäin pienenivät siirryttäessä kaarteiden matalasta alkuosasta kohti syvänteitä ja kasvoivat jälleen syvänteiden alavirran puolella vedensyvyyksien pienentyessä.

Sekä talvella että syksyllä nopean virtauksen ytimen havaittiin liikkuvan uoman puolelta toiselle niin, että se virtasi lähellä sisäkaarretta kaarteiden alkuosassa, jonka alavirran puolella se vähitellen siirtyi virtaamaan lähemmäksi ulkokaarretta. Molempina vuodenaikoina tutkimusalueella havaittiin myös takaisinvirtauspyörteitä. Uoman kaarevuudesta aiheutuneet, voimakkaimmat takaisinvirtauspyörteet sijaitsivat sellaisissa matalissa sisäkaarteiden kohdissa, joissa vedensyvyydet olivat suuria pyörteen ulkokaarteen puolella ja pyörteen alavirran puolella koko uoman leveydeltä. Jäänalaisessa virtauksessa havaittiin avouomatilanteeseen verrattuna enemmän takaisinvirtauspyörteitä ja muita virtaussuunnan muutoksia erityisesti pienten virtausnopeuksien ja vedensyvyyksien alueilla.

Suurin kulutusvoima kohdistui molempina vuodenaikoina kohoumien alueille, minkä lisäksi uoman pohjaan havaittiin kohdistuvan suurempi kulutusvoima kuin uoman reunoihin. Talvella virtauksen kulutusvoima kohdistui uoman leveyteen suhteutettuna kapeammalle alueelle kuin syksyllä. Syvyyskeskiarvotetut virtausnopeudet, leikkausnopeudet, vedensyvyydet ja virtaama olivat talvella keskimäärin pienemmät kuin syksyllä. Talven virtauksella ei näin ollen todennäköisesti myöskään ollut merkittävää vaikutusta uoman muokkautumiseen.

2D-mallinnuksen havaittiin soveltuvan hyvin niin syksyn kuin talvenkin horisontaalisten virtauksen piirteiden selvittämiseen, sillä mallien ennustustarkkuudet olivat riittävän hyvät, eikä virtausominaisuuksia olisi pystytty selvittämään pelkkiä maastomittaustuloksia analysoimalla yhtä kattavasti ja yksityiskohtaisesti kuin mallinnuksen avulla.

Kirjoittaja on Itä-Suomen yliopiston historia- ja maantieteiden laitokselta valmistunut filosofian maisteri, joka työskentelee Suomen metsäkeskuksella asiakirjojen tallennuksen sekä asiakas- ja kiinteistötietojen ylläpidon parissa. Sähköposti: tiia.tarsa@metsakeskus.fi.