3D-hydrodynaamisesta mallinnuksesta apua vesistövaikutusten arviointiin
3D-hydrodynaamisesta mallinnuksesta apua vesistövaikutusten arviointiin
Eri kuormitusten ja toimenpiteiden vesistövaikutuksia voidaan arvioida mallintamalla, eli kuvaamalla keskeiset vesistössä tapahtuvat prosessit matemaattisesti ja laskemalla tulokset laaditun matemaattisen mallin perusteella numeerisesti.
Kolmedimensiosissa (3D) laskentamalleissa kuvattava alue jaetaan osiin sekä vaaka- että syvyyssuunnassa, jolloin mallilla voidaan kuvata monimutkaisetkin vesialueet oikein.
Virtauksista vedenlaatuun
Hydrodynaamisissa malleissa kuvattava alue jaetaan osiin. Tätä jakoa kutsutaan mallihilaksi ja yksittäistä mallihilan osaa joko soluksi tai hilakopiksi. Virtauslaskennassa jokaiselle mallihilan laskentasolulle lasketaan erikseen virtausnopeus ja -suunta Navier-Stokesin virtauslaskentayhtälöistä johdettuun matemaattiseen kuvaukseen pohjautuen.
Mallille annetaan laskennan lähtötiedoiksi tunnetut ympäristötekijät, kuten järven tai rannikkoalueen syvyysmalli, vedenkorkeustiedot, tulevat jokivirtaamat, tuulet, ilman lämpötila ja tuleva säteily. Parametreiksi tarvitaan mm. pohja- ja tuulikitkakertoimet. Lopputuloksena saadaan mallinnettu virtaus mallihilassa ajasta riippuvana virtauskenttänä. Virtaus on harvoin yksinään kovinkaan kiinnostava tai käyttökelpoinen tieto, vaan tavoitteena on laskea virtauksen mukana kulkeutuvien aineiden pitoisuuksia eli vedenlaatua.
Kulkeutuminen lasketaan advektio-dispersio -yhtälöllä (=kulkeutuminen+sekoittuminen). Samalla voidaan laskea myös vedessä tapahtuvia aineiden reaktioita, kuten sedimentoitumista, hajoamista tai hapen kulumista. Reaktiot voivat riippua myös olosuhteista, esimerkiksi virtausmalleihin perustuvissa ekosysteemimalleissa lasketaan levien kasvua ravinnepitoisuuksien, veden lämpötilan ja tulevan auringon säteilyn pohjalta.
3D-mallit soveltuvat monenlaisiin ongelmiin
3D-hydrodynaamisessa mallissa kaikki lähtötiedot ja parametrit ovat muutettavissa. Tyypillinen muutos voi olla esimerkiksi uuden vedenlaatuun vaikuttavan kuormittajan lisääminen alueelle. Mallissa voidaan muuttaa myös säätietoja tai alueen tulo- ja lähtövirtaamia, jolloin voidaan arvioida esimerkiksi poikkeuksellisten säätilanteiden tai ilmastonmuutoksen vaikutuksia. Muuttamalla laskentasovelluksen mallihilaa voidaan puolestaan arvioida erilaisten vesirakenteiden, kuten aallonmurtajien, ruoppausten tai tiepenkereiden aiheuttamia muutoksia virtaamiin ja vedenlaatuun. Mallia voidaan käyttää myös analyysityökaluna, esimerkiksi arvioimaan yksittäisen kuormittajan osuutta tai vaikutusaluetta kohdealueen vedenlaadun kokonaistilanteeseen.
3D-vesistömallien tyypillinen sovellustarve on yva-selostusten tai lupahakemusten yhteydessä tehtävä vesistövaikutusten arviointi. 3D-malleja tarvitaan varsinkin niissä tapauksissa, joissa alueen virtaamat eivät ole itsestään selviä, kuten esimerkiksi suuremmilla järvillä ja rannikkoalueilla. Toinen 3D-malleille hyvin soveltuva, tosin myös varsin haastava mallinnusongelma, on suolaisten tai yleensä ympäristön vettä tiheämpien jätevesien käyttäytyminen monimuotoisilla järvi- tai rannikkoalueilla.
Nykyään 3D-mallien vaatimia lähtötietoja kuten olosuhde- ja virtaamatietoja on tarjolla hyvin, joten 3D-malleja voi soveltaa lähes kaikille vesialueille Suomessa. Rajoitteena on lähinnä malliin tarvittavien syvyystietojen saatavuus.
Mallinnus tuottaa tietoa vesistövaikutusten arviointiin
Vesistömallinnus on tyypillisesti osa suurempaa vesistövaikutusten arvioinnin prosessia. Mallinnus lähtee aina liikkeelle tarpeiden määrittelystä, jossa asiakkaan kanssa mietitään, mitä mallilla halutaan laskea ja millä tarkkuudella, sekä määritellään laskentaskenaariot. Määrittely tehdään yleensä hankkeen tarjousvaiheessa.
Mallinnuksen lopputuloksena saadaan tyypillisesti virtaustietoja, pitoisuusarvoja ja pitoisuuden muutoksia, jotka on suhteutettava alueen ominaispiirteisiin ja joiden vaikutus ekosysteemiin ja vedenlaadun luokituksiin on arvioitava. Mallin tulosten tulkinnan ja vesistövaikutusten merkittävyyden arvioinnin tekee useimmiten vesistöasiantuntija mallintajan laskemien tulosten pohjalta.
3D-mallinnuksessa mallisovelluksen rakentaminen ja toiminnan varmistaminen vievät mallinnustyöhön varatusta ajasta suurehkon osan. Toisaalta kun malli on kerran alueelle laadittu, on sitä usein mahdollista soveltaa samalla alueella myöhemmin muihin laskentoihin. 3D-mallinnuksen kustannushyödyt toteutuvatkin parhaiten tapauksissa, jossa kohdealueelle tarvitaan toistuvia laskentoja.
Kirjoittaja
Hannu Lauri
Johtava asiantuntija, Ympäristöpalvelut
hannu.lauri@afry.com
+358 40 661 7317
