Tulvat kuriin ympäristön ehdoilla
19.06.2012
Aalto-yliopistossa kehitetään matemaattisia malleja, jotka kuvaavat veden virtauksen, kasvillisuuden ja sedimenttien vuorovaikutusta jokiympäristössä. Hydraulisilla malleilla luodaan perusta luonnonmukaiselle ympäristöä säästävälle tulvien hallinnalle.
Tulvia on perinteisesti pyritty ehkäisemään ennalta perkaamalla jokiuomia ja rakentamalla penkereitä. Ympäristötietoisuuden kasvaessa raskasta rakentamista arvostellaan kuitenkin yhä herkemmin.
Niinpä tulvasuojeluun halutaan löytää luonnonmukaisia keinoja, joiden turvin jokivarsien kasvillisuus ja luontoarvot voidaan säilyttää. Tähän ohjaa myös 2007 voimaan astunut EU:n direktiivi tulvariskien arvioinnista ja hallinnasta.
– Enää ei voida rakentaa tulvapenkereitä vain varmuuden vuoksi. Viranomaisten ja suunnittelijoiden pitää pystyä osoittamaan toimenpiteiden välttämättömyys, toteaa dosentti Juha Järvelä yhdyskunta- ja ympäristötekniikan laitokselta.
Lehdet vastustavat virtausta
Suomen Akatemian rahoittamaan nelivuotiseen hankkeeseen osallistuu Aalto-yliopiston tutkijoiden lisäksi tutkijoita Wienin luonnontieteiden yliopistosta BOKU:sta. Itävaltalaiset tutkijat tuovat hankkeeseen biologista osaamista.
Tulvien hallinnan lisäksi tutkijoita kiinnostaa ravinteiden ja kiintoaineiden kulkeutuminen jokiympäristössä. Kasvillisuus vähentää eroosiota ja pidättää kiintoaineita sekä ravinteita.
Tutkimuksissa jokivarsille tyypillisiä puita – koivuja, leppiä ja pajuja – hinataan vedessä eri nopeuksilla. Samalla mitataan puiden aiheuttama vastusvoima, ja kuvataan vedenalaisilla videokameroilla puun muodonmuutos virtaavassa vedessä.
Vastusvoimien lisäksi tutkijat määrittävät jokaisen hinattavan puun lehtien pinta-alan ja rakenteen sekä laserkeilauksen että elektromagneettisen menetelmän avulla. Mittausten tuloksena puista saadaan luotua 3D-rakennemallit millimetritason tarkkuudella.
Tohtorikoulutettava Johanna Jalonen ja dosentti Juha Järvelä valmistelemassa laserkeilaustutkimusta.
Tietoja yhdistelemällä saadaan selville erikokoisten ja erilajisten puiden sekä lehtien aiheuttama vastus vedessä. Hanke on kansainvälisesti poikkeuksellinen, sillä vastaavia kokeellisia tutkimuksia, joissa kytketään hydraulinen teoria biologiseen tietämykseen ja uusimpiin mittausmenetelmiin, ei ole muualla tehty.
Jo nyt tiedetään, että puiden lehdet lisäävät virtausvastusta merkittävästi lehdettömään vuodenaikaan verrattuna. Ilmiö oli nähtävissä esimerkiksi kesällä 2004, kun pitkät sateet aiheuttivat Etelä-Suomessa tulvia. Kasvillisuus pidätti vettä siten, että vesi nousi joissa kevättulvia paljon korkeammalle, vaikka sateista tuli jokiin vettä merkittävästi vähemmän kuin sulavasta lumesta kevätaikaan.
Kohti kaukokartoitusta
Meneillään olevassa tutkimuksessa luodaan tulvien arvioimiseen huomattavasti aiempaa tarkempia ja käyttökelpoisempia matemaattisia malleja.
Hankkeessa mallinnetaan todellisia puita lehtineen toisin kuin aiemmissa mallinnuksissa, jotka ovat perustuneet pienimittakaavaisiin kokeisiin jäykillä, sylinterimäisillä kappaleilla. Mallinnus on vaativaa, sillä puut ovat rakenteeltaan monimutkaisia, ja ne taipuvat sekä menevät suppuun virtaavassa vedessä.
Vaikka tutkimus on luonteeltaan perustutkimusta, odotetaan sen palvelevan kohtalaisen pian myös käytännön työtä.
– Nyt kehitettäviä matemaattisia malleja voidaan todennäköisesti soveltaa käytäntöön jo muutaman seuraavan vuoden sisällä. Paljon riippuu siitä, kuinka innokkaasti suunnittelijat ottavat uusia menetelmiä käyttöönsä, Järvelä sanoo.
Järvelä hahmottelee kehityspolun, jossa meneillään olevassa tutkimuksessa luotavia matemaattisia malleja yhdistetään satelliiteilla tai lentokoneilla tehtäviin kaukokartoitusmenetelmiin.
– Kaukokartoitusmenetelmillä voidaan mitata vaivattomasti jokialueen lehtialaindeksi ja luoda alueen kasvillisuuden ominaisuuksia kuvaava paikkatietoaineisto. Kun siihen yhdistetään hydrauliset mallit, voidaan esimerkiksi arvioida, miten kasvillisuuden jättäminen koskemattomaksi tai raivaaminen vaikuttaa veden virtauksiin ja joen tulvaherkkyyteen.
Kokeita hallissa ja luonnossa
Järvelän johtamassa tutkimushankkeessa työskentelee kaksi tohtorikoulutettavaa Aalto-yliopistosta, yksi tohtorikoulutettava Wienin BOKU-yliopistosta sekä ulkomaisia vaihto-opiskelijoita ja harjoittelijoita.
Insinööritieteiden korkeakoulun hinausallas ja virtauskouru tarjoavat erinomaisen ympäristön ison mittakaavan kokeisiin. Kasvillisuuden, sedimentin ja virtauksen vuorovaikutusta tutkitaan myös Sipoon Ritobäckenissä. Jokiuoman varrelle on asennettu automaattinen näytteenotin sekä mittaus- ja sääasemat.
Teksti: Timo Hämäläinen
Kuva: Adolfo Vera
Katso myös
Tutkimusryhmän verkkosivut Yhdyskunta- ympäristötekniikan laitos (civil.aalto.fi)
