case: helsingin rautatientorin ympäristö - Yhdyskunta
AALTO-YLIOPISTO Insinööritieteiden korkeakoulu Vesihuoltotekniikka Anne Majaniemi SEKAVIEMÄRÖINTIJÄRJESTELMÄN MALLINTAMINEN -CASE: HELSINGIN RAUTATIENTORIN YMPÄRISTÖ Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 31.5.2011 Työn valvoja: Professori Riku Vahala Työn ohjaajat: TkL Kia Aksela DI Ville Pietiläinen 2 DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ AALTO-YLIOPISTO TEKNIIKAN KORKEAKOULUT PL 11000, 00076 AALTO http://www.aalto.fi Tekijä: Anne Majaniemi Työn nimi: Sekaviemäröintijärjestelmän mallintaminen – Case: Helsingin Rautatientorin ympäristö Korkeakoulu: Insinööritieteiden korkeakoulu Laitos: Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan laitos Professuuri: Vesihuoltotekniikka Koodi: Yhd-73 Työn valvoja: Professori Riku Vahala Työn ohjaajat: TkL Kia Aksela, DI Ville Pietiläinen Ilmastonmuutoksen seurauksena kesäisten rankkasateiden on ennustettu lisääntyvän. Näistä aiheutuvat kaupunki- ja viemäritulvat ovat aiheuttaneet suuria vahinkoja eri puolilla Suomea. Varsinkin sekaviemäröityjen kaupunkien keskustoissa riskit ovat suuret, koska jäte- ja hulevedet johdetaan samassa järjestelmässä. Tässä työssä mallinnettiin Helsingin Rautatientorin alueen sekaviemäriverkosto noin neliökilometrin kokoiselta alueelta. Mallilla tutkittiin verkoston kapasiteettia, tulvimisherkkyyttä, tapahtuvia ylivuotoja sekä verkoston toiminnan kannalta kriittisimpiä pisteitä. Luotu malli on mahdollisimman tarkka, sisältäen kaikki alueella olevat kuntayhtymän verkostoon kuuluvat rakenteet koko-, muoto- ja korkotietoineen. Myös viemäriin johdettavat jäte- ja sadevedet sekä verkostoon pääsevät vuotovedet on arvioitu mahdollisimman tarkasti. Viemäriin sadevetensä laskevista katoista luotiin malliin valuma-alueita. Näihin satava vesi päätyy suoraan verkostoon kiinteistön liitoskohdassa. Sadevesikaivojen kautta kadun pinnalta verkostoon päätyvät vedet on saatu erikseen luodusta alueen laserkeilaustutkamittaukseen perustuvasta tarkasta pintamallista. Malli kalibroitiin suoritettujen virtaus- ja pinnankorkeusmittausten perusteella kahdella intensiteetiltään erilaisella sadetapahtumalla. Luotua mallia tarkasteltiin 8.7.2010 Helsingissä olleella harvinaisella rankkasadetapahtumalla sekä kolmella mitoitussateella. Saadut tulokset ovat sopusoinnussa tehtyjen mittausten ja havaintojen kanssa. Mallinnuksen perusteella voidaan sanoa, että sateet vaikuttavat alueen sekaviemärissä lähes välittömästä virtaamaa voimakkaasti kasvattaen. Tehdyn tarkastelun perusteella verkoston kapasiteetti ei ole riittävä johtamaan kaikkia rankkasateella muodostuvia hulevesiä pois tarpeeksi nopeasti. Suurimmat ongelmat ilmenivät verkoston latvaosien putkissa aiheuttaen putkien kapasiteetin täyttymistä ja kaivojen tulvintaa. Mallin antamia tuloksia tulee tarkastella suuntaa antavana tietona ydinkeskustan sekaviemäriverkon toiminnasta ja mitoituksesta. Mallilla tarkasteltiin yleisiä viemäreitä, eikä sen perusteella voida sanoa kovin paljon kiinteistöihin aiheutuvista riskeistä. Nämä riippuvat kiinteistön viemäröintijärjestelmän ominaisuuksista kuten liitoskorkeudesta. Tutkimuksessa luodulla mahdollisimman tarkalla verkostomallilla voidaan tutkia verkoston toimintaa, kapasiteettia ja kriittisimpiä pisteitä suurien pääviemäreiden lisäksi myös verkoston latvaosien viemäreiden osalta. Mallin luominen on työlästä, koska se vaatii paljon tarkkoja lähtötietoja. Yksityiskohtaista sekaviemäriverkostomallia voidaan kuitenkin hyödyntää ja käyttää monipuolisesti. Mallia voidaan käyttää sekä olemassa olevan verkoston toiminnan analysointiin, että verkoston yksittäisten kohteiden suunnitteluun. Päivämäärä: 31.5.2011 Kieli: Suomi Sivumäärä: 109 Avainsanat: Sekaviemäriverkosto, sekaviemäröintijärjestelmä, mallinnus, tarkan resoluution mallinnus, SWMM, rankkasade, verkoston kapasiteetti, virtausmittaus 3 ABSTRACT OF MASTER’S THESIS AALTO UNIVERSITY SCHOOLS OF TECHNOLOGY PO Box 11000, FI-00076 AALTO http://www.aalto.fi Author: Anne Majaniemi Title: Combined Sewer modeling – Case: Helsinki Railway Square area School: School of Engineering Department: Civil and Environmental Engineering Professorship: Water and Wastewater Engineering Code: Yhd-73 Supervisor: Professor Riku Vahala Instructors: Lic.Sc.(Tech.) Kia Aksela, M.Sc.(Tech.) Ville Pietiläinen As a result of the climate change, summer rainfalls have been predicted to become more common. These cause flooding both on the streets and in the sewers. Floods have caused severe damages in different districts of Finland. Risks are high, especially in the cities where sewage and storm water are drained into a combined sewer system. In this Master’s Thesis, the combined sewer systems network has been modeled in the area of Helsinki Railway Square, covering a region of about one square kilometer. The created model is used to examine the network capacity, sensitivity of flooding, overflow events and the most critical points of the modeled combined sewer network. The model is as exact as possible. It contains all accurate information of the manholes, pipes and special structures of the public combined sewer network in the area. The discharged waters to the sewer are estimated as precisely as possible. Drained roofs were used as catchments when creating the model. The amount of water, which flows from the streets via inlet, has been calculated separately using an accurate laser scanned surface model. The discharge and level of the water was measured in the area. The model was calibrated on the basis of these measurements, which based on two different rain events. The model was examined with a rare rainstorm incident, which occurred in Helsinki on 8th of July 2010, and with three different design storms. The modeling results conform to the measurements and observations. Based on the modeling, the flows are strongly increased almost immediately after rain in the combined sewer systems in the area. According to the examination, the capacity of the network is not sufficient to convey storm water fast enough when rainstorm has occurred. The main issues appeared in the head of the combined sewer network causing pipe pressurizing and flooding of the manhole. The result of the model should be seen as suggestive information relating to the combined sewer systems function and sizing. As the model is used to examine general sewers, it does not give much information of the risks concerning real estates. These depend on the wastewater facilities of the real estates, as a level of junction. This kind of accurate network model can be used to examine the functionality, capacity and critical points of both the main sewers of the combined sewer networks and the head of the sewer networks. Creating a model is laborious, as it requires a great deal of exact input data. However, the detailed combined sewer model can be exploited and used for various purposes. The model can be used when analyzing existing network function and planning individual objects of the network. Date: 31 May 2011 Language: Finnish Number of pages: 109 Keywords: Combined sewer network, combined sewer system, modeling, high-resolution modeling, SWMM, rainstorm, network capacity, flow measurement 4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty VTT:n, Aalto-yliopiston ja HSY:n yhteistutkimushankkeena. Työ käsittelee sekaviemäriverkoston mallinnusta kohteena Helsingin Rautatientorin ympäristö. Suuri kiitos työni ohjaajille Kia Akselalle ja Ville Pietiläiselle tuesta ja kannustavasta ohjauksesta työni kuluessa. Kiitän myös kaikkia diplomityöhöni osallistuneita tahoja ja muutoin diplomityössäni avustaneita ihmisiä sekä kaikkia kenttätutkimuksissa ja mittausten suorittamisessa auttaneita henkilöitä. Kiitos myös diplomityöni valvojalle, professori Riku Vahalalle. Espoossa 31.5.2011 Anne Majaniemi 5 SISÄLLYSLUETTELO 1 Johdanto ....................................................................................................................... 12 2 Rankkasateiden vaikutukset sekaviemäröintijärjestelmään......................................... 14 2.1 Hulevesien kulkeutuminen viemäriin ................................................................... 14 2.2 Viemäri- ja taajamatulvat ...................................................................................... 16 2.3 Verkoston toiminnan huomioiminen suunnittelussa............................................. 18 2.4 Sekaviemäriverkoston ylivuodot .......................................................................... 19 2.5 Sateiden rankkuus ja mitoitussateet ...................................................................... 19 2.6 Viemäröinnin toimintaa koskevat vastuut ............................................................ 23 3 Viemäriverkoston mallinnus ....................................................................................... 25 3.1 Verkostomallinnuksen periaate............................................................................. 25 3.2 Mallinnuksen vaiheet ............................................................................................ 26 3.3 Mallinnuksen käyttö ............................................................................................. 29 3.4 Taajamien kuivatusjärjestelmien mallinnus.......................................................... 31 4 Storm Water Management Model – SWMM .............................................................. 34 4.1 Ohjelma ja sen mahdollisuudet ............................................................................. 34 4.2 Ohjelman rakenne ................................................................................................. 35 4.2.1 Solmut ............................................................................................................ 35 4.2.2 Linkit .............................................................................................................. 36 4.3 Jatkuvuusyhtälöiden soveltaminen virtaaman laskennassa .................................. 37 4.4 Dynaamisen aaltoyhtälön asetukset ...................................................................... 39 4.5 Virtaamaan aiheutuvat häviöt ............................................................................... 40 4.6 Viemäreiden paineistuminen ja tulviminen .......................................................... 42 4.7 Mallin virhe ja tarkkuus ........................................................................................ 44 5 Tutkimusmenetelmien ja -aineiston kuvaus ................................................................ 46 5.1 Mallinnettava alue................................................................................................. 46 6 5.2 Mallinnettavan verkoston luonti ........................................................................... 47 5.3 Verkostoon tulevat vedet ...................................................................................... 50 5.4 Mallin kalibrointi .................................................................................................. 54 5.4.1 Virtausmittarit ja älykansi .............................................................................. 54 5.4.2 Mittareiden sijoittaminen ............................................................................... 56 5.4.3 Mittausten suorittaminen ja saadut tulokset ................................................... 59 5.4.4 Kalibrointiin käytetyt sadetapahtumat ........................................................... 62 5.4.5. Kalibroinnin toteutus ..................................................................................... 64 6 Tutkimustulokset ja niiden tarkastelu .......................................................................... 67 6.1 Mallilla tehdyt tutkimukset ................................................................................... 67 6.1.1 Heinäkuussa 2010 ollut rankkasade ............................................................... 67 6.1.2 Mitoitussateet ................................................................................................. 68 6.2 Mallilla saadut tulokset ......................................................................................... 69 6.2.1 Heinäkuussa 2010 ollut rankkasade ............................................................... 70 6.2.2 Mitoitussateet ................................................................................................. 73 6.2.3 Ylivuototapahtumat ........................................................................................ 79 6.2.4 Eri vesijakeiden vaikutus sekaviemärin kapasiteettiin rankkasateella ........... 82 6.2.5 Mallinnetun verkoston toiminta ..................................................................... 83 6.3 Tutkimustulosten tarkastelu .................................................................................. 84 6.4 Tehtyjä oletuksia ja muita havaintoja ................................................................... 87 7 Johtopäätökset ............................................................................................................. 90 Lähteet ............................................................................................................................ 95 Liitteet........................................................................................................................... 101 7 KUVALUETTELO Kuva 1 Eri vesijakeiden vaikutus viemärivirtaaman määrään (Kauppinen 2005) ........ 16 Kuva 2 Rankkasateiden toistumisaika ja intensiteetit seitsemälle eripituiselle sadetapahtumalle (Katajisto 1969, Ilmatieteenlaitoksen 2011 mukaan) ........................ 21 Kuva 3 Esimerkki kolmen erilaisen mitoitussateen intensiteettien jakautumisesta eri ajanhetkille (Calabrò 2004) ....................................................................................... 22 Kuva 4 Veden kulkeutuminen hulevesimallin hydrologisen ja hydraulisen osan läpi vastaanottavaan vesistöön (Zoppou 1999, muokattu) ............................................. 26 Kuva 5 Maanpäällisen ja maanalaisen kuivatusjärjestelmän mallintaminen (Smith 1993) ............................................................................................................................... 33 Kuva 6 Viemärin paineistuminen ja tulviminen (Schmitt ym. 2004) ............................ 43 Kuva 7 Viemäriverkoston tulviminen (Schmitt ym. 2004) ........................................... 44 Kuva 8 Punaisella on luotu Helsingin Rautatientorin ympäristön sekaviemäriverkoston malli sekä keltaisella kuusi purkupistettä, joista vesi poistuu mallinnusalueen ulkopuolisiin viemäreihin .................................................................... 49 Kuva 9 Vedenkulutuksen tuntivaihtelu mallinnusalueella ............................................ 51 Kuva 10 Viemärimalliin kattopinnoista luodut valuma-alueet ...................................... 52 Kuva 11 Verkostomallissa olevat kaivot, joista vaaleansinisellä ovat vettä kadulta vastaanottavat hulevesikaivot ......................................................................................... 53 Kuva 12 Älykansi joka mittaa veden pinnankorkeutta veteen laskettavalla paineanturilla. ................................................................................................................. 56 Kuva 13 Mallin kalibroimiseksi suoritettujen mittausten sijainti. ................................. 58 Kuva 14 Epäluotettavia virtausnopeustuloksia 23.9.2010 mittauspisteestä yksi........... 60 Kuva 15 Luotettavia virtausnopeus- ja pinnankorkeustuloksia 15.10.2010 mittauspisteestä kolme.................................................................................................... 61 Kuva 16 Älykannen mittaama pinnankorkeuden vaihtelu 17.1.2011 mittauspisteestä viisi ....................................................................................................... 62 Kuva 17 Kalibrointiin käytetyn 8.8.2010 olleen ukkosmyrskyn histogrammi. ............. 63 Kuva 18 Kalibrointiin käytetyn 9.11.2010 olleen tihkusateen histogrammi. ................ 63 Kuva 19 Rankkasateen aiheuttama virtaaman kasvu sekaviemäriverkostossa .............. 65 Kuva 20 Heinäkuussa 2010 olleen rankkasateen intensiteetti Helsingin Kaisaniemen mittausasemalla......................................................................................... 68 8 Kuva 21 Verkoston virtaama 8.7.2010 olleella sateella, kovimman sateen loputtua .... 70 Kuva 22 Putkien kapasiteetin käyttöaste 8.7.2010 olleella rankkasateella intensiteetiltään kovimman sateen loputtua.................................................................... 71 Kuva 23 Simulaation antamat runkoviemärin tulvivat kaivot 8.7.2010 olleen sadetapahtuman seurauksena .......................................................................................... 72 Kuva 24 Putkien kapasiteetin täyttöaste keskimäärin kerran viidessä vuodessa esiintyvällä kymmenen minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla sateen juuri loputtua ........................................................................................................................... 73 Kuva 25 Verkoston tulvivat kaivot keskimäärin kerran viidessä vuodessa esiintyvällä kymmenen minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla ........................ 74 Kuva 26 Putkien kapasiteetin käyttöaste keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä kymmenen minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla sateen juuri loputtua ........................................................................................................................... 75 Kuva 27 Verkoston tulvivat kaivot keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä kymmenen minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla ........................................... 76 Kuva 28 Putkien kapasiteetin käyttöaste keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä 20 minuuttia kestoisella mitoitussadetapahtumalla sateen juuri loputtua ........................................................................................................................... 77 Kuva 29 Verkoston tulvivat kaivot keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä 20 minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla ......................................................... 78 Kuva 30 Mallinnetun alueen kahdeksan ylivuotokaivoa keltaisella .............................. 79 Kuva 31 Tapahtuneet ylivuodot 8.7.2010 olleen rankkasateen seurauksena................. 81 Kuva 32 Tapahtuneet ylivuodot keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä 20 minuutin kestoisella mitoitussateella .............................................................................. 81 Kuva 33 Kadulta ja katoilta viemäriin päätyvien sadevesien vaikutus sekaviemärin kapasiteettiin kovalla sateella ................................................................... 82 9 TAULUKKOLUETTELO Taulukko 1 Standardin SFS-EN 752-4 (1997) mukaan suositellut viemäreiden mitoitus- ja tulvimistoistuvuudet .................................................................................... 20 Taulukko 2. Laskettujen virtaamien hyvyys mitattuihin verrattuna (Weston 2000) .... 29 Taulukko 3 Yhteenveto mallin kalibroimiseksi suoritetuista virtaus- ja pinnankorkeusmittauksista ............................................................................................. 62 10 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO Virtaaman poikkileikkauksen pinta-ala [m2] A Putkessa kulkevan virtaaman keskimääräinen poikkileikkausala [m2] AR Reiän pinta-ala[m2] Asolmu Solmukohdan pinta-ala [m2] AS Solmukohtaan liittyvien putkien veden pinnan ala [m2] C Hazen-Williamsin kerroin Cd Virtauskerroin Cw Padon virtaamakerroin D Reiän kokonaiskorkeus [m] f Darcy-Weisbachin kitkakerroin Fr Frouden luku FCG Finnish Consulting Group Oy g Painovoimakiihtyvyys [m/s2] GIS Geographical Information Systems H Hydraulinen korkeus eli vesisyvyys [m] Hlast Entinen hydraulisen korkeuden arvo [m] Hnew Uusi hydraulisen korkeuden arvo [m] hL Paikallishäviö putken pituusyksikössä HSY Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä K Paikallishäviökerroin Ki Paikallishäviökerroin putken pisteessä i L Putken pituus [m] LC Putken pituus [m] Lw Padon pituus [m] m Mallinnettavasta patotyypistä riippuva termi 11 n Manningin karkeuskerroin p Veden alla oleva osa reiästä Q Virtaama [m3/h] Qka Virtaaman keskiarvo [m3/h] Qlast Entinen virtaaman arvo [m3/h] Qnew Uusi virtaaman arvo [m3/h] Q Nettovirtaama [m3/h] R Hydraulinen säde [m] R Putken keskimääräinen hydraulinen säde [m] S Pinnan kaltevuus Sf Kitkakaltevuus SWMM Storm Water Management Model t Aika [s] v Virtausnopeus [m/s] V Putkessa kulkevan virtaaman keskimääräinen nopeus [m/s] Vi Paikallinen virtausnopeus putken pisteessä i [m/s] Vol Aika-askeleen aikana solmupisteen läpi kulkenut virtaama [m3] VTT Teknologian tutkimuskeskus VTT x Etäisyys putkessa [m] y Vedensyvyys [m] y Keskimääräinen vedensyvyys putkessa [m] Relaksointikerroin ø Putken halkaisija [mm] 12 1 JOHDANTO Kesäiset rankkasateet ja niistä aiheutuvat kaupunki- ja viemäritulvat ovat aiheuttaneet suuria vahinkoja eri puolella Suomea etenkin sekaviemäröityjen kaupunkien keskustoissa. Näissä jäte- ja hulevedet johdetaan samassa verkostossa mahdollisuuksien mukaan jätevedenpuhdistamolle, jolloin rankkasateiden aikaan verkoston kapasiteetti on tiukoilla. Myös Helsingin keskusta on vanhaa sekaviemäröityä aluetta, jossa tulvat ovat mahdollisia. Jotta tällaisiin tilanteisiin voitaisiin varautua, kehittää Ilmatieteen laitos rankkasadevaroitusjärjestelmää ja Teknologian tutkimuskeskus VTT kaupunkitulvista varoittavaa järjestelmää. VTT:n SmartAlarm -hankkeen tavoitteena on kehittää kiinteistöille hälytysjärjestelmä, jonka avulla rankkasateiden aiheuttamia tulvavahinkoja voitaisiin ennaltaehkäistä. Hankkeessa luodaan Helsingin ydinkeskustan alueesta pinta- ja verkostomallit, joiden avulla tarkastellaan veden käyttäytymistä ja kertymistä maan pinnalla ja verkostossa rankkasateiden seurauksena. Tämä diplomityö on tehty VTT:n hankkeen osatutkimuksena sisältäen sekaviemäriverkoston mallinnusosuuden SWMM eli Storm Water Management Model -ohjelmalla. Tutkimukseen on osallistunut myös HSY Vesihuolto verkostotietojen ja mittausten osalta. Tarkoituksena oli luoda pintamallinnusalueeseen sisältyvältä alueelta tarkka ja kalibroitu sekaviemärimalli sisältäen verkoston pisteet, joihin pintamallista tulee sateen seurauksena vettä. Luodun mallin avulla oli tavoitteena määrittää alueen sekaviemäriverkoston toimivuus erilaisissa sadantatilanteissa sekä tarkastella järjestelmän kapasiteettia ja tulvimisherkkyyttä. Tarkoituksena oli myös tutkia tarkan verkostomallin etuja ja mahdollisuuksia karkeampaan malliin verrattuna. Tämä toteutettiin rakentamalla alueesta mahdollisimman yksityiskohtainen verkostomalli HSY Vesihuollosta saatujen verkostotietojen avulla, joita täydennettiin maastotutkimuksin. Luotu malli kalibroitiin alueella tehtyjen virtaus- ja pinnankorkeusmittausten avulla. Mallilla tarkasteltiin ennen mittausten aloitusta Helsingin 8. heinäkuuta 2010 yllättänyttä poikkeuksellisen kovaa rankkasadetta. Tämän lisäksi sillä tutkittiin keskimäärin viiden vuoden välein toistuvaa kymmenen minuutin kestoista mitoitussadetta sekä 30 vuoden välein toistuvia kymmenen ja kahdenkymmenen minuutin kestoisia mitoitussadetapahtumia. Työssä tutkitaan sateella vesiä keräävää ydinkeskustan aluetta Rautatieaseman ympäristössä vajaan neliökilometrin kokoisella alueella rajautuen pohjoisessa Rautatieasemaan, 13 Kaisaniemen puistoon ja Liisankatuun, idässä Unionin- ja Fabianinkatuihin, etelässä Pohjois-Esplanadiin sekä lännessä Annankatuun. Viemärimallissa on huomioitu kaikki yleiseen verkostoon kuuluvat putket ja kaivot sekä joitain mallin kannalta olennaisia yksityis- ja tonttiviemäreitä, jotka muuten on rajattu tämän tarkastelun ulkopuolelle. Malli on luotu yksittäisten sadetapahtumien ja etenkin kesän rankkasateiden tarkasteluun. Näin ollen siinä ei ole huomioitu ilmasto-olosuhteiden kuten vuodenaikojen vaihtelua, sillä ne vaikuttavat pääasiassa maan pinnalla tapahtuviin hydrologisiin ilmiöihin. Sateesta aiheutuvaa veden imeytymistä maaperään ei ole huomioitu, vaan koko valumaalue on oletettu vettä läpäisemättömäksi. Pohja- ja orsiveden pinnankorkeuden on oletettu pysyvän vakiokorkeudella ja viemäreihin tapahtuvien vuotovesien määrän muuttumattomana. Työssä keskitytään veden määrän ja sen käyttäytymisen analysointiin verkostossa ja veden laadullinen tarkkailu on rajattu tämän tutkimuksen ulkopuolelle. Malli on kalibroitu alueelta tehtyjen virtaama-, pinnankorkeus-, ja virtausnopeusmittausten perusteella. Työn kirjallisuusosiossa käsitellään aluksi rankkasateiden vaikutusta sekaviemäröintijärjestelmän toimivuuteen sekä tulvimisesta aiheutuvia seurauksia ja niihin kuuluvia vastuita. Lisäksi perehdytään viemäreiden toiminnan huomioimiseen suunnittelussa sekä toiminnan testaamiseksi käytettäviin mitoitussateisiin. Kolmannessa luvussa kerrotaan viemärimallinnuksesta ja sen sovelluskohteista yleensä. Neljännessä luvussa tarkastellaan tässä työssä mallinnusohjelmana käytettyä SWMM:ää painopisteenä työn kannalta merkittävimmät ohjelman ominaisuudet. Luvussa 5 kerrotaan yksityiskohtaisesti luodusta mallista sekä sen kalibroimiseksi toteutetuista mittauksista ja niiden antamista tuloksista. Luvussa 6 esitellään ja tarkastellaan mallilla saadut tulokset sekä työn aikana esiin nousseet havainnot niin mallinnuksesta, kalibroinnista kuin mallinnusohjelmastakin. Viimeiseen lukuun on koottu tutkimuksen perusteella tehdyt päätelmät ja toimenpidesuositukset. 14 2 RANKKASATEIDEN VAIKUTUKSET SEKAVIEMÄRÖINTIJÄRJESTELMÄÄN Ilmastonmuutoksen seurauksena sateiden ennustetaan lisääntyvän. Touko-elokuun sadesumman ennustetaan kasvavan vain melko vähän, mutta kesän sateiden ilmastolliset piirteet tulevat todennäköisesti muuttumaan. Kun tulevaisuudessa talven sateet sekä yleistyvät että voimistuvat, niin kesän sateiden muutos näkyy ennen kaikkea rankkasateiden intensiteetin kasvuna. Tämä hankaloittaa muodostuvien hulevesien hallintaa ja voi johtaa sekaviemäriverkostossa kapasiteetin ylittymiseen ja ylivuotojen lisääntymiseen. (Silander 2008, RIL 237-2 2010) 2.1 Hulevesien kulkeutuminen viemäriin Hulevesiä päätyy viemäreihin sekä suunnitellusti että tahattomasti. Suunnitellusti pintavalunta päätyy sekaviemäreihin sadevesikaivojen ja -liitosten kautta lisäten putkissa virtaamaa. Verkostoon päätyvä pintaveden määrä riippuu sateen voimakkuudesta, kestosta sekä maanpinnan laadusta. Viemäreihin tahattomasti päätyvät hulevedet ovat vuotovesiä. Ne kulkeutuvat viemäreihin eri nopeudella erilaisia kulkeutumisreittejä pitkin ja vaikuttavat näin ollen eri tavoin. Maahan imeytyvä vesi jakautuu nopeasti ja hitaasti suotautuvaan veteen. Nopeasti maakerrosten läpi suotautuva vesi tihkuu verkostoon vuotavien putkiliitosten, särkyneiden putkien, virheellisten saumojen tai viallisten kaivojen kautta. Hidas suotautuma imeytyy pohjavedeksi. Jos sen pinta on viemäriputkitason yläpuolella, päätyy se viemäriin samoin kuin nopea suotautuma. Tämä pohjavirtaama lisää viemärin kokonaisvirtaamaa hitaasti, mutta on usein volyymiltaan suurin tekijä. Jos pohjavesi on korkealla, saattaa rakennusten perustusten salaojitus lisätä merkittävästi viemäriverkostoon johdettavaa huleveden määrää. Viemäreiden saumat alkavat usein myös ajan myötä vuotaa, mikä johtaa pohja- ja vuotoveden lisääntymiseen viemäreissä. Vuotovesien määrään vaikuttavat sadeolot, maaperän ominaisuudet, pohjaveden pinnan asema, viemäreiden rakennusmateriaali ja ikä sekä jätevesiviemäreissä laittomien hulevesiliitosten määrä. (RIL 124-2 2004) Pohja- ja orsivesien korkeuksilla on ratkaiseva vaikutus vuotojen määrään paikoissa, joissa veden pinta on viemäriputkitasossa tai sen yläpuolella. Kevätsulamisen aikana maalis-, huhti- ja toukokuussa pohjavedenpinta on korkealla, jolloin vuodoista aiheutuvat virtaamat ovat suurimpia. Loppukesällä pohjaveden pinta on puolestaan matalam- 15 malla ja virtaamat ovat pienempiä. Maan ollessa jäässä helmikuussa, vuodoista aiheutuvat virtaamat ovat pienimmillään. Vesi- ja viemärilaitosyhdistys raportoi vesihuoltolaitosten vuotovesimäärän suhdetta kokonaisjätevesimäärään muiden tunnuslukujärjestelmään kuuluvien seurantakohteiden ohessa. Vuoden 2008 tunnusluvut on laskettu 30 vesihuoltolaitoksen tiedoista. Näiden keskiarvo vuotovesimäärän suhteesta kokonaisjätevesimäärään on ollut 46,9 % ja suhteen vaihteluväli 11,0 – 75,1 %. Vuotovesimäärät sisältävät sadevedet sekaviemäröidyiltä alueilta, mikä nostaa tunnusluvun arvoa näillä alueilla ja selittää suurta hajontaa. (RIL 124-2 2004, Vesi- ja viemärilaitosyhdistys 2009) Suomessa on käytetty yleensä viemäreiden mitoituksessa Suomen Kuntatekniikan Yhdistyksen, SKTY:n suosituksia. Niiden mukaisesti erillisviemäröintialueilla, joissa viemärit mitoitetaan jäteveden ja pohjaveden perusteella, on jätevesimäärän arvioon lisättävä 50–200%. Pienempää lukua käytetään rakennetuilla alueilla, joilta pintaalayksikköä ja putken pituusyksikköä kohden tulee paljon jätevettä. Harvaan asutulla alueella vuotoveden osuus on suhteellisesti suurempi, jolloin käytetään lähellä ylärajaa olevia arvoja. Jäteveden ja vuotoveden määrät arvioidaan usein nykyisin yhtä suuriksi. (RIL 124-2 2004) Hulevesien aiheuttama suurin virtaama sekaviemäreissä aiheutuu kesäsateista, sillä lumen sulamisesta johtuvat suurimmatkin valumat ovat selvästi pienempiä kuin sateiden aiheuttama virtaaman lisäys. Rankkasateet aiheuttavat äkillisen ja suuremman virtaaman kasvun, kun taas lumien sulamisesta aiheutuva veden lisäys verkostossa on tasaisempaa ja kestää pidempään. Kaupunkien keskustoista lunta myös ajetaan paljon pois, mikä vähentää lumien sulamisen vaikutusta virtaaman kasvuun. (RIL 124-2 2004, Butler & Davies 2004) Kuvassa 1 on esitetty eräällä Helsingin valuma-alueella muodostuvien vesijakeiden vaikutus viemärivirtaaman aikasarjaan yhdeksän vuorokauden ajalta. Kyseisessä tapauksessa sateesta aiheutuva nopeasti suotautuva vesi vaikutti välittömästä sateen alettua noin puolen vuorokauden ajan viemärivirtaamaa kasvattaen. Pohjavirtaamaan hetkellinen vaikutus oli tätä pienempi mutta pidempikestoisempi. 16 Kuva 1 Eri vesijakeiden vaikutus viemärivirtaaman määrään (Kauppinen 2005) 2.2 Viemäri- ja taajamatulvat Mitoitustilanteessa viemäri saisi täyttyä enintään putken laen korkeuteen, jonka jälkeen vesimäärän lisääntyessä syntyy padotusta (Kunnallisen vesihuollon neuvottelukunta 1983). Tällainen toimimaton tai ylikuormittunut viemäri saattaa aiheuttaa viemäri- tai taajamatulvan. Viemäritulvassa vedenpinta kohoaa verkostossa niin paljon, että vesi purkautuu viemäristä kiinteistöön, pihalle tai kadulle joko kaivon kansien, lattiakaivojen tai muiden viemäröintipisteiden kautta. Viemäritulva aiheutuu yleensä nopeasti lisääntyneiden sade- tai sulamisvesien seurauksena. Tulvavahinkoja syntyy pääasiassa sekaviemäröinnin yhteydessä. (Vikman & Arosilta 2006) Joskus yksityiset viemärit on liitetty kunnan viemäriin ilman kiinteistön suuntaan tapahtuvan virtauksen estävää takaiskuventtiiliä. Tällöin mahdolliset viemärin padottumisesta aiheutuvat seuraukset riippuvat viemärilinjassa olevasta vedenkorkeudesta ja kiinteistöön johtavan viemäröintiliitoksen korkeudesta. Vedenpinnan noustessa kunnallisessa viemärissä kiinteistön liitoskohdan yläpuolelle, tulvii vesi sisään kiinteistöön. Tämä voi tapahtua ilman viemärin pinnan tulvimista. Tällainen viemärin tulviminen voidaan en- 17 nustaa viemärimallin avulla, kunhan sekä kunnan että kiinteistön viemäreistä on tiedot saatavilla. (Schmitt ym. 2004) Taajamatulvassa rakennetun alueen kuivatusjärjestelmä ei toimi suunnitellusti, jonka seurauksena hule- ja sekaviemäreiden mitoitukset ylittyvät tai hulevesien maanpäällinen hallinta ei toimi asiaan kuuluvalla tavalla. Tästä seuraa hulevesien kerääntyminen kaduille, pihoille tai muille alueille ja purkautuminen hallitsemattomasti saaden aikaan vahinkoja. Mitä laajemmalta alueelta ja mitä suurempia jäte- tai hulevesimääriä kyseiseen kohtaan virtaa, sitä suuremmat ovat vaikutukset. (Vikman & Arosilta 2006) Taajamatulvista sekä muista hulevesien tulvimisista, esimerkiksi hulevesiverkostosta, aiheutuvat vahingot ovat lähinnä taloudellisia. Sekaviemäreistä kaupunkialueella hallitsemattomasti kaduille, pihoille, puistoihin ja avo-ojiin tulvivat jätevedet ovat myös terveydellinen riski. Butler ja Davies (2004) toteavat sekä sekaviemäreistä tapahtuvien ylivuotovesien että hulevesien purkuvesien sisältävän mahdollisesti suuria pitoisuuksia patogeenejä. Kiinteistöillä vahingoista seuraa yleensä puhdistustoimenpiteitä, pintojen uusimista, kuivatusta ja irtaimiston tuhoutumista. Tulviminen voi kuitenkin vaurioittaa myös rakenteita niin kiinteistöillä kuin katualueillakin sekä liata ympäristöä. Jos katurakenteet vaurioituvat tai viemärikaivojen kannet siirtyvät pois paikoiltaan, voi tulvimisesta seurata liikenneonnettomuuksia sekä vaaraa jalankulkijoille ja kevyelle liikenteelle. (Vikman & Arosilta 2006) Tulvista aiheutuvat vahingot kohdistuvat taajamissa usein samoille entuudestaan tiedossa oleville alueille. Tämä johtuu siitä, ettei kiinteistöjä ole suojattu riittävästi ennalta viemäritulvalta tai ettei maankäytössä ole otettu tulvariskejä huomioon (Vikman & Arosilta 2006). FCG Suunnittelukeskus Oy:n (2007) tekemässä selvityksessä todetaan kuitenkin, että sateiden intensiteetin kasvun myötä rankkasadetulvia tulee jatkossa esiintymään Helsingissä myös muilla kuin perinteisillä tulva-alueilla. Jos rankkasateen aikana myös merenpinta on korkealla, lisääntyy vedennousu entisestään tulva-alueella. Merivedenpinnan ennustetaan nousevan, mikä vaikeuttaa osaltaan hulevesien poisjohtamista, varsinkin alavien merenranta-alueiden sekaviemäröidyillä alueilla. Sekaviemäriverkoston ylivuotoputkien päät joudutaan sulkemaan meriveden pinnan ollessa nousussa. Jos tällöin sataa rankasti, voi viemärijärjestelmä tulvia helposti kaduille ja rakennusten kellareihin. Helsingin kaupungin tulvastrategiassa todetaankin 18 että rankkasadetulviin varautumisessa huomio tulisi kiinnittää tulvareittien suunnitteluun. (FCG Suunnittelukeskus Oy 2007, Valkeapää ym. 2008) 2.3 Verkoston toiminnan huomioiminen suunnittelussa Viemäriverkoston hydrauliseen toimintaan vaikuttavat viemärin suunnitteluparametrit, kuten viemärin koko, muoto, viettokaltevuus ja materiaali. Tämän lisäksi siihen vaikuttavat verkoston kuntoparametrit, kuten liettyminen ja viemäreiden rakenteiden kunto. Teknisten vaatimusten mukaisesti viemäriverkon on kyettävä keräämään ja johtamaan jätevedet puhdistamolle. Viemäreiden on oltava myös niin tiiviitä, ettei niistä vuoda jätevettä ympäristöön, eikä niihin saisi joutua ulkopuolisia vesiä aiheuttaen putkien kapasiteetin ylittymistä. Viemäriverkon on toimittava niin, ettei ympäristölle ja ihmisille aiheudu tarpeetonta haittaa. Jotta verkosto täyttää sille asetetut toimintavaatimukset, on suunnittelussa otettava huomioon viemäröintijärjestelmät, viemäriverkon toiminnalliset ehdot, mitoitustilanteet, viemäriverkon varusteet ja verkon sijoittaminen maastoon. (RIL 237-1 2010, RIL 237-2 2010) Jotta toiminnalliset ehdot täyttyisivät, on viemäreiden mitoituksessa ja suunnittelussa huomioitava viemärin kapasiteetti, eli putken halkaisijan on oltava riittävän suuri mitoitusvesimäärän pois johtamiseen. Pitkään jatkuneena kuivana aikana sekaviemäröintijärjestelmässä kulkee vain jätevettä, mutta sadeaikaan virtaama koostuu jäte-, hule- ja vuotovesistä. (RIL 237-1 2010) Viemäreiden on oltava itsepuhdistuvia. Tämä tarkoittaa, että putkessa kulkevan virtaaman tulee olla ainakin lyhyen aikaa päivästä riittävän suuri huuhtomaan mukaansa viemärin pohjalle hitaamman virtauksen aikana laskeutuneen kiintoaineen. Putkien kaltevuus ei saa olla liian pieni, jotta verkostossa kulkeva vesimäärä riittää huuhtomaan putket, eikä liian suuri, jottei kasvava virtausnopeus aiheuta putkessa kulumista. Maksimivirtausnopeus suunnitellulla vesisyvyydellä on normaalisti 2,5 -3,0 m/s ja ohjeellisena suurimman virtausnopeuden arvona käytetään 5,0 m/s. (RIL 124-1 2003, RIL 237-1 2010, RIL 237-2 2010) Virtaamien suuri vaihtelu lisää toiminnallisia haasteita. Sekaviemäreissä käytetään usein poikkileikkaukseltaan munanmuotoisia putkia. Nämä soveltuvat hyvin paikkoihin, joissa virtaamamäärät vaihtelevat, koska niiden itsepuhdistumiskyky pienillä virtaamilla on 19 hyvä, mutta toisaalta niiden kapasiteetti riittää myös suurien virtaamien poisjohtamiseen. (RIL 237-1 2010) 2.4 Sekaviemäriverkoston ylivuodot Sekaviemäreille ovat ominaisia tulvakynnys rakenteet, joiden kautta osa tulva-ajan virtaamasta ohjataan suoraan vesistöön. Näin vältetään kohtuuttoman suuret putkikoot. Verkoston ylikuormitustilanteissa ylivuotojen kautta tulvivan jäteveden määrä riippuu jäteveden ja huleveden välisestä laimennussuhteesta, joka on valittu tulvakynnysten mitoituksen perusteeksi. Tulvakynnysten mitoitusta verrataan tavallisesti normaalin kuivan sään virtaamaan, johon määritellään normaalisti kuuluvaksi vuorokauden keskimääräinen jätevesivirtaama tai joskus päivätuntien keskimääräinen jätevesivirtaama sekä vuotovedet. Alueen ollessa kokonaan sekaviemäröity voidaan vesiensuojelun kannalta tilannetta pitää hyvänä, jos ylivuoto tapahtuu vasta kun viemärin virtaama nousee 5-10 -kertaiseksi kuivan sään virtaamaan verrattuna. (RIL 124-2 2004, RIL 237-1 2010) Sekaviemäriverkoston ylivuotovesi on likaisinta sateen alkaessa, mutta sen ominaisuudet muuttuvat melko nopeasti sateen kestäessä pidempään. Päällystetyt pinnat huuhtoutuvat sateen seurauksena puhtaiksi, minkä vuoksi sateen alussa verkostoon päätyvät hulevedet ovat likaisimpia. Sateesta aiheutuva kasvava virtaama verkostossa huuhtoo nopeasti putken pohjalle pienten virtaamien aikana laskeutuneen kiintoaineksen mikä osaltaan vaikuttaa mahdollisen ylivuotoveden laadun paranemiseen. (RIL 124-2 2004) 2.5 Sateiden rankkuus ja mitoitussateet Mitoitussade on suurin hulevesimäärä, jonka välittömäksi poisjohtamiseksi viemäri mitoitetaan. Mitoitussadetta ei normaalisti valita sellaiseksi, että viemäreiden kapasiteetti riittäisi rankimmistakin sateista muodostuvien vesien välittömään poisjohtamiseen, vaan suurimpien sateiden aikana sallitaan viemäreiden tulviminen sekä lyhytaikainen lammikoituminen alaville paikoille. Mitoitussateen valinnassa on siis kyse viemärien rakennuskustannusten ja viemärien tulvimisesta aiheutuvien vahinkojen ja haittojen vertaamisesta keskenään. (RIL 124-2 2004) Standardin SFS-EN 752-4 (1997) mukaan taajamien kuivatusjärjestelmät tulisi mitoittaa kestämään sateita, jotka toistuvat 1-10 vuoden välein. Tällöin viemärit eivät saa padottaa. Saman standardin mukaan kuivatusjärjestelmät tulisi mitoittaa niin, että tulvimista 20 esiintyy korkeintaan 10–50 vuoden välein. Standardissa tulvimisella tarkoitetaan tilaa, jossa verkosto ei pysty vastaanottamaan kaikkea hulevettä, tai verkoston täyttyminen johtaa veden tulvimiseen jostain pisteestä maan pinnalle tai sisälle rakennuksiin. Sallitut toistumistiheydet riippuvat käsiteltävän alueen maankäytöstä ja sen liikenneinfrastruktuurin luonteesta. Nämä on esitetty tarkemmin taulukossa 1. Taulukko 1 Standardin SFS-EN 752-4 (1997) mukaan suositellut viemäreiden mitoitus- ja tulvimistoistuvuudet Alue Mitoitussateen toistuvuus 1 (1/n vuotta) 1/1 1/2 Maaseutu Asuinalueet Kaupunkien keskustat, teollisuus ja kaupalliset alueet: Tulvatarkastelu tehty 1/2 Ei tulvatarkastelua 1/5 Maanalaiset raide- ja kulkutunnelit 1/10 1 Mitoitustulvan toistuvuus (1/n vuotta) 1/10 1/20 1/30 1/30 1/50 Näillä mitoitussateilla viemärit eivät saa padottaa Mitoitukseen sovellettavaa sadetta määritettäessä otetaan huomioon sen rankkuus, kestoaika ja toistuvuus. Mitoitussateen suuruuteen vaikuttavat lisäksi viemäröitävän alueen laatu sekä viemäreiden mahdollisesta tulvimisesta kärsimään joutuvat rakenteet. Näin ollen kaupunkien keskusta-alueilla käytetään usein suurempia mitoitusarvoja kuin pienillä paikkakunnilla. Kovimmat sateet esiintyvät harvoin ja sitä harvemmin mitä suuremmasta rankkasateesta on kysymys. Jos paikkakunnan sademäärä on suuri, myös kaatosateiden voimakkuus on suuri vähäsateiseen paikkakuntaan verrattuna. Sateen toistumisajalla tarkoitetaan ajanjaksoa, jonka kuluessa tietyn suuruinen sade tilastojen perusteella keskimäärin toistuu. Toistuvuus valitaan paikallisten olosuhteiden sekä viemäröintimenetelmän perusteella. (RIL 124-2 2004, Ilmatieteenlaitos 2011) Erillisjärjestelmän hulevesiviemäreiden tulviminen ei aiheuta yleensä vakavia häiriöitä, kun taas sekajärjestelmässä tulvat ovat oleellisesti haitallisempia. Hulevesiviemäreitä ei ole tarkoitus mitoittaa niin, että ne pystyisivät johtamaan kaikkein rankimpien sateiden aiheuttamat valunnat, vaan Suomessa sadevesiviemäriverkostot suunnitellaan tulviviksi ja tulvavedet tulee ohjata tulvareittejä pitkin purkuvesistöihin tai imeytysalueille. Suomessa viemäreiden mitoituksessa käytetään yleensä 1-3 vuoden välein toistuvia 10–15 21 minuutin sateita. Sekaviemäröidyillä alueilla joilla tulvat aiheuttaisivat suuria vahinkoja, on viemärit saatettu mitoittaa enintään kerran kymmenessä vuodessa tai sitäkin harvemmin esiintyvän sateen mukaisesti. Helsingissä sekaviemärit on mitoitettu käyttäen 3 vuoden välein toistuvaa mitoitussadetta. Suuren tulvariskin alueilla saatetaan käyttää 5 vuoden välein toistuvaa sadetta. (Niemelä 1968, RIL 124-2 2004, Sala 2005) Rankimmat sateet ovat kesällä useimmiten heinä- ja elokuussa, koska ilma on tällöin lämmintä ja voi sisältää paljon kosteutta. Suurimmat sateet on mitattu heinäkuussa, mutta yli 100 mm:n suuruiset vuorokausisademäärät ovat Suomessa harvinaisia. Ilmastonmuutoksen seurauksena kesän rankkasateiden arvioidaan yleistyvän. (Silander 2008) Tästä puolestaan seuraa sekaviemäriverkostossa ylivuotojen lisääntyminen. Kuvassa 2 on Helsingin Kaisaniemen sääaseman usean vuosikymmenen sadeaineistosta analysoitu sateiden toistumisaika ja intensiteetti seitsemälle eripituiselle sadetapahtumalle. Kuva 2 Rankkasateiden toistumisaika ja intensiteetit seitsemälle eripituiselle sadetapahtumalle (Katajisto 1969, Ilmatieteenlaitoksen 2011 mukaan) Sadetapahtumaa voidaan pitää harvinaisena, jos sen toistuvuusaika on 10–30 vuotta. Poikkeuksellisena sitä pidetään, kun ilmiö toistuu yhdessä mittauspisteessä keskimäärin harvemmin kuin kerran 30 vuodessa. (Ilmatieteen laitos 2011) 22 Sadetapahtumat eivät ole koskaan tasaisia vaan sateen intensiteetti muuttuu sateen aikana ja tämä voidaan esittää sateen muotoa kuvaavalla histogrammilla. Mitoitussateille on erilaisia malleja, joilla kuvataan havaitun sateen muotoa. Yksinkertaisin mitoitussateen muoto on tasainen sade, joka voidaan johtaa helposti rankkasateiden toistuvuusajan kuvaajasta. Siinä on sama intensiteetti koko sateen keston ajan ja näin ollen sateen histogrammi on suorakaiteen muotoinen. Se on laajasti käytetty menetelmä ja sen etuina on sen yksinkertaisuus, käytön nopeus ja helppo ymmärrettävyys. Tämän lisäksi on erilaisia huipukkaita mitoitussateita, jotka kuvaavat totuudenmukaisemmin oikeaa sadetapahtumaa. Näiden mitoitussateiden muotojen symmetriset profiilit muodostuvat niin, että sateen maksimi-intensiteetti on aina jakauman keskellä, mutta huipun korkeus vaihtelee käytetystä jakaumasta riippuen. Profiilien muodot eivät juuri riipu rankkasateen kestosta, toistuvuusajasta tai maantieteellisestä sijainnista, mutta kesän rankkasateet ovat keskimäärin huipukkaampia kuin talvisateet. (Butler & Davies 2004) Kolmion muotoisessa mitoitussateessa intensiteetti kasvaa tasaisesti tiettyyn ajanhetkeen ajoittuvaan huippuintensiteettiin ja laskee tämän jälkeen tasaisesti nollaan. Sade voi kuitenkin kasvaa ja heikentyä eri nopeudella. Alla olevassa kuvassa 3 on esitetty tunnin mittaisen sateen intensiteetin jakautuminen tasaisessa, kolmion muotoisessa ja huipukkaassa Chicago Design Storm -jakaumaa noudattavassa mitoitussateessa. Kuva 3 Esimerkki kolmen erilaisen mitoitussateen intensiteettien jakautumisesta eri ajanhetkille (Calabrò 2004) 23 2.6 Viemäröinnin toimintaa koskevat vastuut Vesihuoltolaki on tärkein vesihuoltotoimintaa ohjaava laki (RIL 237-1-2010). Sen tavoitteisiin kuuluu muun muassa turvata sellainen vesihuolto, että kohtuullisin kustannuksin on saatavissa terveyden- ja ympäristönsuojelun kannalta asianmukainen viemäröinti (VhL 1§). Vesihuoltolain 9§:n mukaan vesihuoltolaitoksen kuuluu huolehtia toiminta-alueellaan vesihuollosta niin, että se vastaa yhdyskuntakehityksen tarpeita. Vesihuoltolaki selkeyttää kunnan, vesihuoltolaitoksen ja kiinteistön omistajan vastuita vesihuollon järjestämisestä. Kunnan tehtävä on lain mukaan laatia alueensa kattavat vesihuollon kehittämissuunnitelmat sekä osallistua vesihuollon alueelliseen yleissuunnitteluun. Koska vesihuoltolaitos vastaa toiminta-alueellaan vesihuollon järjestämisestä ja toimivuudesta, on sillä päävastuu riskien tunnistamisessa, niiden ehkäisemisessä sekä niihin varautumisessa. Erityistilanteissa vesihuoltolaitokset vastaavat, että vesihuolto toimii kyseisissä olosuhteissa mahdollisimman hyvin ja että palvelutaso saadaan normaaliksi mahdollisimman pian. (RIL 124-1 2003, Vikman 2006) Vesihuoltolain mukaisesti kiinteistön omistaja tai haltija vastaa kiinteistön vesihuollosta. Kiinteistön viettoviemärin viemäripiste tai viemäriin liitetty laite on sijoitettava yleensä padotuskorkeuden yläpuolelle. Padotuskorkeudella tarkoitetaan korkeustasoa, jolle jätevesi saa korkeintaan nousta maksimivirtaaman aikaan. Normaalisti vesihuoltolaitos määrittelee kiinteistölle sopimuksessa padotuskorkeuden. Jollei tätä ole määritelty, on padotuskorkeus yleensä erillisviemäröinnissä metri viemärin laen tasokorkeuden yläpuolella sekä sekaviemäröinnissä 10 cm kadun pinnan yläpuolella tonttiviemärin liitoskohdassa. Jos alin viemäripiste sijaitsee tämän korkeuden alapuolella tai jos vaadittavaa viemärikaltevuutta ei saavuteta, ovat kiinteistön jätevedet pumpattava kunnan viemäriin. Jos viemäröintipiste sijaitsee padotuskorkeuden alapuolella eikä kiinteistössä ole padotusventtiiliä voi seurauksena olla viemäritulva kiinteistöön. Helsingissä kiinteistökohtaisten viemäritulvien estämiseksi asiakkaan velvollisuutena onkin huolehtia padotuskorkeuden alapuolella olevien viemäröityjen tilojen suojaamisesta (RIL 124-1 2003, RIL 237–1 2010, Sala 2005, Ympäristöministeriö 2007). Vesihuollossa on lain mukaan virhe, jos palvelu ei vastaa sitä, mitä sopimuksen tai säädösten perusteella voi edellyttää. Asiakkaalla on oikeus hinnanalennukseen sekä vahin- 24 gonkorvaukseen henkilö- ja esinevahingosta sekä taloudellisesta menetyksestä. (RIL 124-1-2003) Viemäriverkon toiminnan turvaaminen on vesihuoltolaitoksen vastuulla ja viemäriverkon ylikuormittumisesta aiheutuvien erityistilanteiden hallinta kuuluu pääsääntöisesti myös heille. Hulevesijärjestelmän osalta vastuut eivät ole kuitenkaan aina kunnissa selvästi määriteltyjä. (Vikman & Arosilta 2006) Erityisesti vastuun jakaminen ongelmatilanteissa on vaikeaa, koska vastuu jakautuu useiden kaupungissa toimivien osastojen ja viranomaisten kesken. Helsingissä vesihuoltolaitos ja rakennusvirasto ovat sopineet erikseen joistain hulevesiin liittyvistä vastuista. Pelkästään katujen kuivatusta palvelevien sadevesikaivojen rakentaminen ja kunnossapito kuuluu rakennusvirastolle kun vesihuoltolaitos vastaa puolestaan muista hulevesiverkostoon kuuluvista rakenteista. Rakennusvirasto vastaa myös tulvareiteistä ja niiden rakentamisesta. Näin ollen tulvavahinkotilanteissa joissa vesi pääsee kiinteistöihin, rakennusvirasto on vastuussa silloin kun vesi tulvii kiinteistöön katualueilta ja vesihuoltolaitos vastaa tapahtuneesta, kun vesi tulvii kiinteistöön hulevesiviemäreiden kautta. (FCG Suunnittelukeskus Oy 2007) Helsingin kaupungille on luotu hulevesistrategia, jonka päämääriksi on asetettu muun muassa tulvimishaittojen poistaminen ja ehkäiseminen, pohjaveden pinnan ennallaan pitäminen sekä alueellisen ja paikallisen kuivatuksen varmistaminen. Hulevesistrategiassa määriteltyjen toimenpiteiden mukaisesti erillisviemäröintiä tulee lisätä sekaviemäröintialueella. Lisäksi sekaviemäröintijärjestelmään johdettavaa huleveden määrää pyritään vähentämään. (Nurmi ym. 2008) Hulevesiviemäriverkon ja keskusta-alueella sekaviemärijärjestelmän tulviminen nähdään olevan yksi suurimmista hulevesiin liittyvistä ongelmista Helsingissä. Valtaosalla Helsingin asemakaavoitetuista alueista on hulevesiviemäriverkko, joka mitoitetaan yleisen käytännön mukaan parin vuoden välein toistuvalle sateelle. Tätä rankempien sateiden yhteydessä hulevesiviemärijärjestelmä tulvii. Keskustassa sekaviemärijärjestelmän tulviminen saattaa johtaa tilanteeseen, jossa jätevedet tulvivat viemärijärjestelmän kautta rakennuksiin sisälle. (FCG Suunnittelukeskus Oy 2007) 25 3 VIEMÄRIVERKOSTON MALLINNUS 3.1 Verkostomallinnuksen periaate Tietokonemalleja on käytetty vesijärjestelmien käyttäytymisen simulointiin jo 1960luvun puolivälistä lähtien. Huleveden määrää ja laatua simuloivat mallit kehitettiin aikaisin 1970-luvulla, mistä lähtien kaupunkien hulevesimalleja on kehitetty jatkuvasti. Akateemiset oppilaitokset, viranomaiset, ministeriöt ja konsultit ympäri maailman ovat kehitelleet kaupunkien valuma-alueiden veden määrän ja laadun arviointiin satoja erilaisia mallinnusohjelmia. (Zoppou 1999) Niiden laskentaperiaatteet vaihtelevat hieman eri mallinnusohjelmien välillä. Jäljempänä kerrotaan SWMM 5:n taustalla olevasta laskennasta. Verkostomallinnus on nykyaikainen keino jäte-, hule- ja sekaviemäreiden hydraulisen toiminnan tutkimiseen. Matemaattisessa mallinnuksessa numeeriset valunta- ja virtausmallit pyrkivät esittämään mallinnusalueen tapahtumat erilaisiin menetelmiin perustuvien teorioiden avulla, jotka on sovitettu laskentaohjelmaan. Siitä on tullut yleinen menetelmä suunnittelun ja suunnitelmien tekemisen sekä hulevesijärjestelmien analysoinnin perustaksi. (Aaltonen ym. 2008, Durrans 2003, Zoppou 1999) Mallinnuksen pääperiaatteena on veden kulkeutumisen ja käyttäytymisen laskenta viettoviemäriverkostossa tietyillä solmupisteisiin tulevilla lähtötietovirtaamilla. Viemäreiden mallinnus perustuu kahteen erilliseen laskentaan. Hydrologisessa osassa simuloidaan valuma-alueelta verkostoon kulkeutuvia sade- ja kuivatusvesiä erilaisissa sääolosuhteissa. Hydraulisessa osassa simuloidaan verkostoon johdetun jäteveden sekä sinne kulkeutuneiden hule- ja kuivatusvesien kulkemista ja käyttäytymistä. Sadejakaumat ovat yleensä vain verkostomallin rakenneosia, jotka lisätään malliin sen ulkopuolelta. (RIL 237-2 2010, Zoppou 1999) Hydrologisen osan sisältävät mallit voidaan jakaa tapahtumamalleihin ja jatkuvan prosessin malleihin. Ensin mainitut ovat lyhyen aikavälin malleja, jotka käyttävät simulointiin muutamaa yksittäistä sadetapahtumaa. Jatkuvat mallit puolestaan simuloivat valuma-alueen koko vesitasetta pitkällä aikavälillä kuukausittaisten tai vuodenaikaisten ennusteiden mukaisesti. (Zoppou 1999) Kuvassa 4 on esitetty sateesta aiheutuneen veden kulkeutuminen mallin hydrologisen ja hydraulisen osan läpi. 26 Kuva 4 Veden kulkeutuminen hulevesimallin hydrologisen ja hydraulisen osan läpi vastaanottavaan vesistöön (Zoppou 1999, muokattu) 3.2 Mallinnuksen vaiheet Ennen mallinnustyön aloittamista on tärkeää analysoida ongelma, jota mallilla lähdetään ratkaisemaan. Tämä tulisi tehdä sekä tulosten tarvitsijan että mallintajan näkökulmasta. Määritettäviä asioita ovat muun muassa kysymykset joihin mallilla haetaan vastauksia, mallinnuksen aluerajaus, käytettävä aikaskaala, työssä huomioitavat fysikaaliset tapahtumat sekä tarkasteltavat tapahtumat. Tämän lisäksi ennen mallinnuksen aloittamista tulisi päättää mallinnuksen laatuvaatimukset ongelmanratkaisun, tulosten, kalibroinnin sekä tarvittavan asiantuntijuuden osalta. Tarvittavien tulosten ja määriteltyjen laatuvaatimusten mukaan määräytyy hyvin paljon se, millaista mallia tapauksessa kannattaa käyttää. (Aaltonen ym. 2008) Itse mallinnus koostuu seuraavista päävaiheista: lähtötietojen hankkiminen, valumaalueselvitys, jätevesivirtaamien määrän ja tuntivaihtelun selvittäminen, hydrologisen ja hydraulisen mallin luominen, mallin kalibrointi ja validointi, laskenta-ajot eri tilanteissa, tulosteiden luominen sekä tulosten analysointi ja johtopäätösten teko. Nämä vaiheet 27 sekä niiden tarkkuus riippuvat kulloisestakin mallinnuskohteesta sekä mallin toteutustavasta ja käyttötarkoituksista. (RIL 237-2 2010) Mallinnuksen lähtötietoina tarvitaan verkoston rakennetiedot, vedenkulutustiedot, viemärin virtaamatiedot ja mitatut sadantatiedot. Verkostotiedot saadaan malliin vesihuoltolaitoksen verkkotietojärjestelmästä. Rakennetiedoista otetaan mukaan yleensä vain olennaisimmat putket, kaivot ja muut mallin kannalta merkittävät erityisrakenteet, koska laajemman alueen käsittävässä mallissa kaikkien putkien ja kaivojen sisällyttäminen malliin ei ole tarkoituksenmukaista ja lisää laskenta-aikaa. Putkien lähtötietoina ovat pituus, halkaisija ja materiaali, jonka perusteella määritetään karkeuskerroin. Tarkastuskaivojen lähtötietoina ovat kaivon halkaisija, korkeustasot sekä virtauksen paikallisvastuskerroin. Pumppaamoille annetaan imualtaan tilavuutta sekä pumppujen määrää ja kapasiteettiä koskevat tiedot. Tasausaltaista olennaisia ovat niiden tilavuustiedot. Mallinnuksessa tehtävät yksinkertaistukset eivät saa vaikuttaa merkittävästi kokonaistulokseen. Valuma-aluejaon ja solmupistejaotuksen on oltava sitä tarkempi, mitä yksityiskohtaisempaa tietoa mallinnuksella halutaan. (Durrans 2003, RIL 237-2 2010) Valuma-alueisiin kuuluvat ne alueet, joilta mallinnettavaan viemäriin on teoreettisesti mahdollista syntyä valumavesiä. Valuma-alueselvityksessä määritetään nämä valumaalueet sekä jaetaan ne osavaluma-alueisiin. Näille annetaan valumakertoimet, kertymisajat, painannevarastoitumistekijät ja muut tarvittavat valuntaparametrit. Valumaalueisiin liitetään hydrologista laskentaa varten sateen aikaprofiili. Alueet liitetään verkostomallin solmupisteisiin, johtaen verkostoon niiden kautta muodostuvat valumavedet. (Butler & Davies 2004, RIL 237-2 2010) Vedenkulutustietoja käytetään viemäriin johdettavien jätevesien virtaamatietoina ja ne sijoitetaan verkostomallin solmupisteisiin. Verkostossa kulkevan kokonaisvesimäärän, hule- ja vuotovedet mukaan lukien, selvittäminen onnistuu yleensä helpoiten pumppaamoilta, minkä lisäksi olisi hyvä suorittaa erillisiä virtausmittauksia. Näiden tavoitteena on saada selville kyseiseltä valuma-alueelta tulevan virtaaman suuruus sekä siinä tapahtuva kausittainen vaihtelu lyhyellä ja pitkällä aikavälillä. Virtausmittauksista saadaan selville myös vedenkäytön tuntivaihtelu, sekä virtaamien muutos erityisesti sadetapahtumien aikaan ja muutama tunti niiden jälkeen. Eri käyttäjäryhmillä on erilainen vedenkulutuksen tuntivaihtelu riippuen siitä onko kyseessä teollisuus-, palvelu- vai asuinkäyt- 28 tö. Tämän mukaan näille voidaan antaa erilaiset tuntivaihteluarvot. Sadetietoja voidaan mitata omalla sääasemalla tai käyttää sadetutkan antamia arvoja. Säätiedoista on muodostuttava katkeamaton aikasarja, jos halutaan tarkastella viemärissä vuositasolla toistuvia ilmiöitä kuten lumen sulamista ja vuotovesien dynamiikkaa. (Butler & Davies 2004, RIL 237-2 2010) Mallin luonnin jälkeen seuraa laskenta, jonka jälkeen arvioidaan tulosten oikeellisuutta. Mikäli mallilla saadut tulokset eivät ole riittävän lähellä mitattuja arvoja, kalibroidaan mallia. Siinä mallin lähtöarvoja tai rakennetta muutetaan, suoritetaan laskenta uudelleen ja verrataan jälleen tuloksia mitattuihin arvoihin. Tämä toistetaan niin monta kertaa, että malli toimii vaadittavalla tarkkuudella kuten mallinnettava järjestelmä. Kalibrointi on aina tarpeellista, koska lähtötiedoissa on aina epätarkkuuksia, puutteita tai virheitä. (Butler & Davies 2004, Mustonen 1984) Sekaviemäriverkoston mallissa kalibroitavia tekijöitä ovat viemärissä virtaavan jäte- ja huleveden määrä ja käyttäytyminen sekä verkoston hydrauliset ominaisuudet. Veden määrän ja käyttäytymisen kalibrointi suoritetaan pitkälti hydrologisen mallin avulla. Mitä kattavammin kohteesta on havaintoja, sitä luotettavampaa kalibrointi on. Tämän lisäksi olennaista on mallin validointi. Siinä kalibroitujen parametrien sopivuutta testataan aineistoon, jota ei ole käytetty kalibroinnissa. Mallin kalibrointi ja validointi antavat tuloksille myös painoarvoa. (Aaltonen ym. 2008, Butler & Davies 2004) Kalibrointi on tärkeä vaihe, sillä sanotaan että mallin antamat tulokset ovat korkeintaan yhtä laadukkaita kuin mallin kalibroinnin onnistumisaste. Kalibroinnin onnistumista voidaan tarkastella vertaamalla mallinnettujen virtaamamäärien täsmäämistä mitattuihin arvoihin, huippuvirtaamien määrällistä ja ajallista vastaavuutta keskenään sekä lasketun kumulatiivisen tilavuuden täsmäämistä. Ongelmia voi aiheutua, jos mallia kalibroidaan vedenkorkeuksista johdettujen virtaamien ja niistä saatavien tilavuuksien mukaan. Näin ollen kalibrointi tulisikin suorittaa sitä suuretta vastaan, josta mittaukset on tehty. (Aaltonen ym. 2008) Taulukossa 2 on esitetty mallinnettujen virtaamien hyvyys havaittuihin arvoihin nähden. 29 Taulukko 2. Laskettujen virtaamien hyvyys mitattuihin verrattuna (Weston 2000) Taso Erinomainen Hyvä Kohtalainen Heikko Kriteeri 95 % lasketuista virtaamista on 5 % sisällä mitatuista arvoista 95 % lasketuista virtaamista on 10 % sisällä mitatuista arvoista 95 % lasketuista virtaamista on 15 % sisällä mitatuista arvoista Yllä olevia heikommat tulokset Mallilla suoritettavien laskentojen tuloksena saadaan verkoston virtaama- ja vedenkorkeuskäyttäytyminen laskentajakson aikana koko mallinnetun verkon alueella. Kun tulokset on saatu tyydyttäviksi, olennaisimmat esitetään halutussa muodossa. Tulokset voidaan esittää monenlaisina graafisina tuloksina, jotka saadaan suoraan mallinnusohjelmasta. Näitä ovat ohjelmasta riippuen muun muassa erilaiset karttaesitykset, pituusprofiilit linjojen vedenkorkeuksista sekä erilaiset animaatiot. Lisäksi mallinnusohjelmasta saa aikavaihtelukuvaajia tai taulukoita vedenkorkeuksista ja virtaamista verkoston mielenkiintoisista pisteistä, maksimitäyttöasteet linjaosuuksittain sekä käytössä olevan suhteellisen kapasiteetin kussakin verkoston kohdassa. (RIL 237-2 2010, Rossman 2010) 3.3 Mallinnuksen käyttö Viemärimallinnusohjelmilla on ollut aina kaksi pääkäyttötarkoitusta: suunnitella uusia järjestelmiä ja analysoida jo olemassa olevia. Suunnittelussa ehdotetun viemäriverkoston fyysiset yksityiskohdat määritetään niin, että järjestelmä käyttäytyy tyydyttävästi, kun se altistetaan tietyille olosuhteille. Analysoinnissa järjestelmän fyysiset ominaisuudet ovat jo olemassa ja mallintaja on kiinnostunut järjestelmän kapasiteetin riittävyydestä sekä siitä kuinka järjestelmä käyttäytyy näissä olosuhteissa. Toimintaa tarkastellaan virtaaman ja syvyyden sekä paineistumisen ja tulvinnan laajuuden kannalta. Tavoitteena on usein selvittää täytyykö järjestelmää parantaa. Samoja mallinnusohjelmia voidaan käyttää sekä suunnitteluun että analysointiin, mutta molempiin on kehitetty myös omia ohjelmia. (Butler & Davies 2004) Suunnittelussa on osatehtäviä, joiden ratkaisujen tarkkuus paranee merkittävästi, jos laskutyön määrää lisätään. Tämä koskee varsinkin sekaviemärijärjestelmää ja hulevesiviemäreitä, joiden virtaamien arvot riippuvat sekä sadevesistä että viemäröitävän alueen ominaisuuksista. Mallinnuksen avulla tehtävässä mitoittamisessa voidaan vir- 30 taamien arvioinnissa päästä hyvin lähelle mitattuja arvoja. Tässä voidaan tarkkuutta lisäävänä tekijänä ottaa huomioon muun muassa veden varastoituminen viemäriverkoston rakenteisiin, mikä muuten jätetään usein huomioimatta. (RIL 124-2 2004) Uusien jäte- ja hulevesijärjestelmien suunnittelussa verkostomallinnusta voidaan hyödyntää verkostojen kehittämissuunnitelmien ja yleissuunnitelmien laadinnassa. Sitä voidaan käyttää uusien verkostojen suunnittelussa ja mitoituksessa, jolloin verkosto voidaan suunnitella selviytymään tietynlaisista olosuhteista, kuten jollain todennäköisyydellä toistuvasta mitoitussateesta. Mallinnusta voidaan hyödyntää myös verkoston yksittäisten osien kuten uusien putkilinjojen, verkkoon kuuluvien pumppaamoiden, tasausaltaiden, ylivuotojen ja muiden hydraulisten rakenteiden mitoitukseen. Sitä voi soveltaa myös verkostojen saneeraussuunnitteluun ja uudisrakentamisen mitoitukseen. (RIL 2372 2010, Rossman 2010) Mallinnuksella voidaan selvittää olemassa olevan verkoston teoreettinen välityskyky vietto- ja paineviemäriosuuksittain, tarkastella verkoston kapasiteettiä ja mitoitusta sekä etsiä järjestelmän kriittisimmät pisteet ja tulvimisalttiit kohteet. Sen avulla voidaan selvittää sadannasta aiheutuvien vuotovesien määrä ja syntyperä, tarkastella verkoston luonnollisen varastotilavuuden hyödyntämismahdollisuuksia, sekä tehdä tulvatarkasteluja kesän rankkasateille ja keväiden lumiensulamistilanteille. Verkostomallilla voi laskea ja arvioida yhdyskuntarakenteen kehityksen, ilmastonmuutoksen, maankäytön muutosten tai muiden merkittävien muutosten aiheuttamia vaikutuksia. Sen avulla voi tehdä erilaisten verkon kehittämisvaihtoehtojen toiminnallista arviointia ja vertailua. Hulevesien osalta mallinnus on kätevä työkalu kadun pintakuivatuksen tarkistukseen, vaihtoehtoisten kuivatusmenetelmien valuntaa vähentävien vaikutusten arviointiin sekä tulvaherkkien kohteiden mallinnukseen ja tulvahaittojen ratkaisujen suunnitteluun. Mallinnuksella voi toteuttaa hyvin monenlaisia riski- ja vahingonvaara tarkasteluja. (RIL 237-2 2010, Rossman 2010) Mallinnusta voidaan käyttää veden laadun arviointiin sateesta aiheutuvan virtaaman lisääntymisen eri vaiheissa ja verkoston eri pisteissä. Vedenlaadun arvioinnilla on tärkeä merkitys, jos viemäreistä on tulvakynnyksiä suoraan vesistöön. Tällöin mallinnuksella voidaan tehdä luotettavampia arvioita ylivuototapahtumien vesistöä kuormittavasta vaikutuksesta. Mallinnuksella voidaan tarkastella myös kiintoaineksen tai muiden aineiden 31 ja ravinteiden huuhtoutumista kaduilta verkostoon ja edelleen vesistöön. (RIL 124-2 2004, Rossman 2010) 3.4 Taajamien kuivatusjärjestelmien mallinnus Mallinnettaessa ainoastaan verkostossa virtaavaa vettä, on kyseessä yksiulotteisen muuttuvan virtauksen laskenta. Ohjelma laskee viettoviemäriverkostossa normaalisti esiintyvän vajaan putken virtauksen eli avouomavirtauksen sekä täyden putken virtauksen eli paineellisen virtauksen. Taajamien kuivatusjärjestelmät koostuvat kahdesta osasta, joista suurempi toimii maan päällä ja pienempi maan alla. Osia yhdistävinä veden vaihtopisteinä toimivat yleensä sadevesikaivot. Tässä mallinnuksessa vesi voi liikkua molempiin suuntiin maanpäällisen ja maanalaisen kuivatusjärjestelmän välillä. Tällaista erillistä pintavirtaamaa ja sen vuorovaikutusta viemärivirtaaman kanssa paineellistuvassa viemäriverkostossa sanotaan dual drainage -mallinnukseksi. Tämä voi olla yksi- tai kaksiulotteista virtaaman laskentaa riippuen maanpäällisen kuivatusjärjestelmän mallinnustavasta. (Djordjevi ym. 1999, Smith 2006) Smith (2006) kertoo dual drainage -mallin kehityksen alkaneen jo vuonna 1978 Thompsonin ja Luptonin mallintaessa hulevesiviemäreiden paineistumista ja pinnan tulvintaa. Tämän jälkeen mallit kehittyivät vähitellen ja Smithin (2006) mukaan ensimmäinen maininta kaksiulotteisesta virtaamasta dual drainage -sovelluksessa on Takanishin ym. vuonna 1991 kehittämästä mallista. Samantyylisiä sovelluksia on tämän jälkeen kehitetty runsaasti. Viimeisten kahden vuosikymmenen aikana pinta- ja viemäriverkostojen matemaattisten mallien yhdistäminen on kehittynyt jatkuvasti. Kehitys jatkuu edelleen paikkatietojärjestelmiä ja maastoanalyysitekniikoita hyödyntämällä ja luomalla näiden avulla yksityiskohtaisia maastomalleja kaupunkialueille. (Smith 2006.) Esimerkiksi Djordjevi ym. (1999) ovat tehneet dual drainage -mallin, jossa he ovat käyttäneet GIS:ä pintamallin luonnissa. Kaksoiskuivatusjärjestelmät voidaan mallintaa käyttämällä vain yhtä mallinnusohjelmaa tai ne voidaan muodostaa kahdella tai useammalla mallin eri osiot käsittävällä mallinnusohjelmalla. Mallien tarkkuus vaihtelee myös karkeista erittäin tarkkoihin ja yksityiskohtaisiin malleihin. Seuraavassa kaksi esimerkkiä erilaisista dual drainage -malleista. 32 SWMM:ssä voidaan rakentaa yksiulotteiseen laskentaan perustuva kaksoiskuivatusjärjestelmä, joka koostuu pääasiassa kaivoista, putkista ja kanavista. Maan alla kulkeva verkosto kuvataan viemäriputkilla, joita kaivot yhdistävät toisiinsa. Kaduista ja vettä johtavista uomista muodostuva maanpäällinen kuivatusjärjestelmä kuvataan maanalaisen järjestelmän päällä kulkevana kanavaverkostona. Nämä yhdistyvät maan alla olevan verkoston kaivojen yläosaan ja ovat näin ollen yhteydessä suoraan maanalaiseen järjestelmään. Valuma-alueilta valuva vesi tulee maanpäälliseen verkostoon, josta se virtaa edelleen maan alla kulkevaan verkostoon. Vesi voi liikkua vapaasti näiden järjestelmien välillä ja maanalaisen viemäriverkoston kapasiteetin täyttyessä vesi tulvii kaivojen kautta takaisin ylempään verkostoon. Sadevesikaivojen yksityiskohdat, jotka muodostavat todellisen yhteyden kaivoissa maanalaisen ja -päällisen järjestelmän välillä, eivät ole tässä mallissa olennaisia. (Gironás 2009) Yksityiskohtaisempi kaksiulotteiseen laskentaan perustuvaa kaksoiskuivatusta simuloiva RisUrSim -malli on puolestaan kehitetty kaupunkien tulvimisen mallinnukseen, keskittyen erilliseen pinnalla tapahtuvaan virtaamaan ja sen mahdolliseen vuorovaikutukseen paineistuneen viemäriverkoston kanssa. Malli muodostuu kolmesta eri moduulista. Sateesta aiheutuva pintavalunta käsitellään kahden rinnakkaisen moduulin avulla ja viemäriverkostossa kulkeva virtaama lasketaan kolmannella moduulilla. Toista valuntaa käsittelevistä moduuleista sovelletaan esimerkiksi katoista muodostetuille pinnoille, joista vain valuu vettä viemäriin. Tällöin pintavalunta viemäriverkostoon tapahtuu määritellyissä yksisuuntaisissa pisteissä. Alueet eivät sisällä yksityiskohtaista pintavirtaaman simulointia, vaan niistä lasketaan vain verkostoon päätyvä vesi. Toinen moduuli sallii virtaaman kaksisuuntaisen vaihdon pinnan ja viemäriverkoston välillä määritellyissä vaihtopisteissä. Malli sisältää yksityiskohtaisen pintavirtaaman laskennan näille esimerkiksi parkkipaikka- tai katualueille, joille tulvimista ja sen seurauksena pintavirtaamaa tapahtuu. Verkosto koostuu maanalaisista putkista, tarkastuskaivoista ja erilaisista erityisrakenteista. Valuma-alueilta johdettu vesi virtaa painovoiman ohjaamana verkoston läpi ja päätyy purkupisteistä ulos järjestelmästä. (Schmitt ym. 2004) Tällainen pinnalla tapahtuvan virtaaman ja viemärivirtaaman mallinnuksen yhdistäminen perustuu virtaavien vesimäärien tarkkaan siirtoon pinnalta viemäriin ja päinvastoin. Viemäriverkosto vastaanottaa pinnalta vaihtopisteen kautta tulevan virtaamaan. Jos vaihtopisteessä viemärin kapasiteetti ei ole kuitenkaan riittävä ottamaan vettä vastaan, 33 varastoituu se pinnalle odottamaan viemärin imukyvyn paranemista. Samoin jos vesi tulvii viemäristä paineistumisen johdosta, varastoituu se pinnalle ja palaa viemäriin kapasiteetin salliessa. Tulvariskejä mallinnettaessa tarvitaan tarkasti kuvattuja hydraulisia ilmiöitä paineellisista ja tulvivista verkostoista. Erityistä huomiota vaativat virtaaman muuttuminen putkissa vapaapintaisesta virtaamasta paineelliseen virtaamaan, vedenpinnan nousu maanpinnan yläpuolelle ja veden poistuminen viemäröintijärjestelmästä. Tarkkuutta vaativat pinnalla tapahtuva virtaama pinnan tulviessa sekä vuorovaikutus paineellisen verkoston virtaaman ja pinnalla tapahtuvan virtaaman välillä. (Schmitt ym. 2004) Kuvassa 5 on esimerkki maanpinnalla ja viemäriverkostossa tapahtuvien virtaamien vuorovaikutteisesta mallintamisesta. Kuva 5 Maanpäällisen ja maanalaisen kuivatusjärjestelmän mallintaminen (Smith 1993) Tällaista kaksiulotteista taajaman kuivatusjärjestelmän mallia voidaan käyttää muun muassa kuivatusjärjestelmän suorituskyvyn arviointiin. Mittareina voidaan käyttää esimerkiksi verkoston täyttöastetta, mahdollisesti tulvivien kaivojen määrää, tulvan kestoa, vedenkorkeuksia, kokonaisvaluntaa ja maanpinnan vedenkorkeuksia. 34 4 STORM WATER MANAGEMENT MODEL – SWMM 4.1 Ohjelma ja sen mahdollisuudet Tämän työn mallinnusohjelmaksi valittiin eri viemärimallinnusohjelmien vertailun jälkeen Storm Water Management Model eli SWMM, joka on US EPA:n (United States Environmental Protection Agency) kehittämä sadanta-valunta simulointimalli. Ohjelman valintaa puolsi sen ilmaisuus sekä helppo saatavuus internetistä. Ohjelma ei aseta rajoitteita mallinnettavan verkoston koolle ja sillä pystyy mallintamaan monimutkaisia verkostorakenteita. SWMM:stä löytyy artikkeleita ja siihen on viitattu useissa tutkimuksissa (Barco ym. 2008; Cambez ym. 2008; Gallegos ym. 2009; Park & Johnson 1998). Näin ollen sitä voitiin pitää yleisesti käytössä olevana ja luotettavana mallinnusohjelmana. SWMM:n ensimmäinen versio kehitettiin vuosina 1969–1971 kaupunkialueella rankkasateista aiheutuvan valunnan mallintamiseen sekä sekaviemäreistä tapahtuvien ylivuotojen tarkasteluun (Huber ym. 1992). Tämän jälkeen siihen on tehty useita merkittäviä päivityksiä ja ohjelman uusin versio SWMM 5 on julkaistu vuonna 2005. Sitä on käytetty jatkuvasti laajasti ympäri maailman (Gironás ym. 2009). Yhdysvalloissa se on laajimmin käytetty viemäriverkostomallinnusohjelma. Euroopassa parhaiten tunnetut mallinnusohjelmat ovat yritysten SWMM:stä kehittämiä kaupallisia ohjelmia. (Butler & Davies 2004) SWMM sisältää sekä veden määrällisen että laadullisen tarkastelun ja sitä onkin käytetty monenlaiseen mallinnukseen. Tyypillisimpiä käyttökohteita ovat: - Veden pidätykseen tarkoitettujen rakenteiden mitoitus ja ominaisuuksien suunnittelu esimerkiksi vesiensuojelua varten - Tulvahallinnan vuoksi tehdyt kuivatusjärjestelmien rakenneosien suunnittelu ja mitoittaminen - Luonnon kanavien tulvamallinnus - Sekaviemäreiden ylivuotojen minimoinnin suunnittelu - Jätevesiviemäreiden tulvimisen arviointi - Laskeuman seurauksena veteen aiheutuneen kuormituksen arviointi - Maaperän epäpuhtauksien pidätyskyvyn arviointi (Rossman 2010) 35 4.2 Ohjelman rakenne SWMM on fysiikan lakeihin perustuva, diskreetti simulaatiomalli. Sitä voidaan käyttää sekä yksittäisten sadetapahtumien että jatkuvaan valunnan ja virtaaman määrän ja laadun mallinnukseen. Ohjelma jakautuu hydrologiseen ja hydrauliseen osaan. Se perustuu ajatukseen, että valuma-alueille satava vesi muuttuu valunnaksi ja mahdollisesti tämän sisältämiksi epäpuhtauksiksi, jotka jatkavat matkaa kulkumallin mukaisesti mallinnetun verkoston läpi. Veden kulkeutumiseen mallissa ja sen mukanaan kuljettamiin veden laadullisiin tekijöihin voidaan vaikuttaa mallin hydrologisen ja hydraulisen osien asetuksilla. (Rossman 2010) Hydrologinen osa muodostuu valuma-alueista. Näissä pystyy kuvaamaan monia hydrologisia tapahtumia kuten sadantaa, haihduntaa ja valuntaa. Lisäksi niissä voidaan huomioida lumen kertyminen ja sulaminen, sekä veden pidättyminen painanteisiin ja imeytyminen maaperään sekä siitä edelleen pohjaveteen. Valuma-alueille kohdistuvalle sadannalle luodaan aikasarja, joka määrittelee sateelle eri ajanhetkien intensiteetit. (Rossman 2010) Hydraulinen osa koostuu mallinnetusta verkostosta, joka muodostuu solmuista ja niiden välisistä linkeistä. Vesi tulee verkostoon solmujen kautta ja etenee linkkejä pitkin. Malli simuloi jokaisella aika-askeleella painovoimaisesti etenevän veden virtausta ja käyttäytymistä verkostossa. Veden kulkeutumiseen vaikuttavat luodun verkoston ominaisuudet. (Rossman 2010) 4.2.1 Solmut Verkoston solmupisteet voivat olla kaivoja, altaita tai vedenjakajia. Niille voidaan määritellä erilaisia ominaisuuksia tai toiminnallisia kontrollisääntöjä solmun tyypistä riippuen. Useimmiten solmut ovat kaivoja, joille määritetään pohjan korkeusasema sekä maksimisyvyys. Varastosolmuille voi määrittää näiden lisäksi muodon ja tilavuuden. Virtaaman jakajat ovat solmukohtia, jotka jakavat vedet niistä lähteviin putkiin annettujen sääntöjen mukaisesti. Nämä toimivat kuitenkin vain käytettäessä kinemaattista aaltoyhtälöä virtaaman laskennassa ja dynaamista aaltoyhtälöä sovellettaessa virtaaman jakajat toimivat normaalien solmukohtien tapaan. (Rossman 2010) 36 Solmupisteet voivat olla myös poisto- tai purkuaukkoja. Poistoaukot sijaitsevat usein verkoston keskellä esimerkiksi varastosolmun yhteydessä. Näitä käytetään tavallisesti säätelemään veden virtausta ulos verkostossa olevasta altaasta tai vesivarastosta. Poistoaukkojen toiminta perustuu käyttäjän määrittelemään pinnankorkeudesta riippuvaan reiästä purkautuvaan virtaamaan. Purkuaukkoja käytetään puolestaan mallinnetun verkoston reunoilla, joista verkostoon johdetut vedet poistuvat purkuaukkojen kautta. Näiden toimintaa voi säätää virtaamasta tai ajasta riippuvaiseksi. (Rossman 2010) Valuma-alueilta tulevan veden lisäksi solmuihin voidaan syöttää verkoston ulkopuolelta tulevaa vettä. Se voi olla pohjavettä, sateesta aiheutuvaa vuotovettä, kiinteistöistä tulevaa jätevettä, tai muita verkostoon johdettavia vesiä. Solmuun tuleva virtaama voi noudattaa tiettyä jaksottaista vaihtelua. Kiinteistöiltä tulevat jätevedet vaihtelevat vedenkulutuksen mukaan ja niille voidaan määrittää kuukaudesta, viikonpäivästä ja tunnista riippuvat kertoimet. (Rossman 2010) 4.2.2 Linkit Linkit voivat olla erilaisia putkia, kanavia, pumppuja, reikiä tai patoja. Putkien poikkileikkauksen muodon voi valita listatuista vaihtoehdoista tai sen voi määritellä itse. Tämän lisäksi putket tarvitsevat korkeus- ja karkeustiedot. Virtaaman säätäjät verkostossa ovat rakenteita, joita käytetään kontrolloimaan ja jakamaan virtaamaa verkostossa. Niiden yleisimpiä käyttötarkoituksia on säätää altaasta purkautuvaa virtaamaa ja estää ei toivottu putkien paineistuminen. Näiden mallinnukseen voi käyttää SWMM:ssä reikiä, patoja ja poistoaukkoja. Reikiä ja patoja käytetään useimmiten aukkojen ja verkoston ohjausrakenteiden mallintamisessa. Reiät ovat yleensä kaivon, altaan tai säätöportin kyljessä. Padot puolestaan sijaitsevat normaalisti kaivon tai altaan sisällä. (Rossman 2010) SWMM mallintaa reiät ja padot kahden solmupisteen välisenä linkkinä. Näissä kulkeva virtaama lasketaan samalla menetelmällä kuin putkien virtaama. Täysin veden alla olevan reiän läpi virtaava vesi lasketaan klassisen reikäyhtälön mukaan: Q C d AR 2 gH . (1) 37 Kun reikä on vain osittain veden alla, ohjelma käyttää muunnettua patoyhtälöä virtaaman laskemiseen: Q C d AR 2 gD p1,5 . (2) Näissä yhtälöissä Q on virtaama, Cd on reiän virtauskerroin, AR on reiän pinta-ala, g on painovoimakiihtyvyys, h on veden hydraulinen korkeus reiän alareunasta, D on reiän kokonaiskorkeus ja p on veden alla oleva osuus reiästä. (Rossman 2006) Padot voivat olla poikittaisia, virtaaman suuntaisia, V-lovellisia tai puolisuunnikkaita. Jokaiselle näistä on oma kaavansa, jolla ohjelma laskee padon yli tapahtuvan virtaaman, kun pato ei ole täysin veden alla. (Rossman 2010) Yhtälö on yleisessä muodossa: Q C w Lw h m , (3) missä Cw on padon virtaamakerroin, Lw on padon pituus, h on veden korkeus padon harjasta ja m on mallinnettavasta patotyypistä riippuva termi. Kun pato on täysin veden alla, kynnyksen yli tapahtuvan virtaaman arviointiin sovelletaan reikäyhtälöä (1). (Rossman 2006) Sekä reiän aukon suuruutta että padon harjan korkeutta on mahdollista säätää erikseen määriteltävillä ohjaussäännöillä. (Rossman 2010) 4.3 Jatkuvuusyhtälöiden soveltaminen virtaaman laskennassa Painovoiman aikaansaama virtaus sekaviemäriverkostossa etenee putkissa ja solmuissa muuttuvana avouomavirtauksena. Tämä tarkoittaa virtaustilannetta, jossa uoman poikkileikkaus muuttuu verkoston eri pisteissä ja virtaama vaihtelee eri ajanhetkillä. Avouomavirtausta soveltavien mallien tavoitteena on laskea virtaama ja vedenkorkeus uoman eri pisteissä ajan funktiona. Muuttuvaa avouomavirtausta kuvataan jatkuvuusyhtälön ja liikemäärän säilymisyhtälön, eli Saint Venantin -yhtälöiden mukaisesti (Lyngfelt 1985). Massan säilymisen perusteella putkeen tulevien ja sieltä poistuvien vesien erotuksen on oltava yhtä suuri kuin putkeen tietyn aikavälin aikana varastoituneen vesimäärän. Liikemäärän säilymisen periaatteen mukaisesti putkeen tulevan ja sieltä poistuvan liikemäärän erotus ja putkeen vaikuttavien ulkoisten voimien summa on yhtä suuri kuin liikemäärän muutos tarkasteltavassa putkessa. (Mustonen 1986) 38 Koska liikemääräyhtälössä on paljon termejä, on Saint Venantin -yhtälöistä muodostettu erilaisia yksinkertaistuksia. Käyttäjä voi valita SWMM:ssä mallinnuksessa vaaditun tarkkuustason mukaan kolmesta eri vaihtoehdosta sen, jota käytetään yhtälöiden ratkaisemisessa. Vaihtoehtoja ovat tasainen virtaus, kinemaattinen aalto ja dynaaminen aalto. (Rossman 2006) Tasainen virtaus on yksinkertaisin tapa, jossa oletetaan virtaus jokaisella aika-askeleella tasaiseksi ja pysyväksi. Tämä tarkoittaa virtaustilannetta jossa putken muoto, vesisyvyys ja virtausnopeus ovat muuttumattomia ajanhetkestä tai paikasta riippumatta. Tällöin verkostoon ei tapahdu varastoitumista eikä alapuolista padotusta voida huomioida, kuten ei myöskään poikkipinta-alan muutoksista aiheutuvia häviöitä tai putken sisään- ja ulostulohäviöitä. Tasainen virtaus ei huomioi seisovaa vettä eikä takaisinvirtausta. Verkoston risteyskohdissa ei voi olla kuin yksi suunta, jonne virtaus jatkaa kulkuaan eikä virtaus voi olla paineellista. Tasainen virtaus sopii ainoastaan alustavaan tarkasteluun käytettäessä pitkän ajan jatkuvaa simulaatiota. (Rossman 2010) Kinemaattinen aaltoyhtälö ratkaisee Saint Venantin -virtausyhtälöt yksinkertaistaen liikemäärän yhtälöä, olettaen vedenpinnan kaltevuuden olevan sama kuin putken pohjan kaltevuus. Se sallii virtaaman vaihtelut sekä ajan että paikan mukaan, jolloin verkoston sisällä voi tapahtua viivästymistä ja varastoitumista. Virtaus ei voi muuttua paineelliseksi, mutta verkoston kapasiteetin loputtua ylimääräinen vesi poistuu verkostosta solmupisteen kohdalta häviten systeemistä kokonaan tai kerääntyen kaivon yläpuolelle, josta se palautuu verkostoon kapasiteetin salliessa. Kinemaattisella aaltoyhtälöllä ei voida kuitenkaan mallintaa seisovaa vettä, veden takaisinvirtausta tai alapuolista padotusta, eikä se huomioi putken sisään- ja ulostulohäviöitä. Se myös rajoittaa verkoston monimutkaisuutta haaroitusten osalta. Sen eduiksi voidaan katsoa numeerinen stabiilius useamman minuutin mittaisilla laskennan aika-askeleilla. Tämän vuoksi yhtälö soveltuu erityisesti pitkien ajanjaksojen laskentaan, mikäli edellä mainitut yhtälön heikkoudet eivät ole olennaisia. (Rossman 2010) Kinemaattisen aallon tapauksessa jatkuvuusyhtälö kirjoitetaan: A t Q x 0, (4) 39 ja liikemäärän säilymisyhtälö on: Q t (Q 2 / A) x 0. (5) Yhtälöissä A on virtaaman poikkileikkauksen ala, t on aika, Q on virtaama ja x on etäisyys putkessa. (Zoppou 1999) Dynaaminen aaltoyhtälö ratkaisee Saint Venantin -virtausyhtälöt täydellisesti ja sillä saavutetaan tämän vuoksi teoreettisesti virheettömimmät tulokset. Se mahdollistaa verkoston paineistumisen, veden varastoitumisen verkostoon, virtauksen suunnan vaihtumisen, seisovan veden sekä huomioi putken sisään ja ulostulohäviöt. Menetelmä mahdollistaa virtaaman rajoittamisen ja säätelyn padoilla tai aukoilla, mistä seuraa yläpuolinen padotus ja veden seisominen verkostossa. Tämän vuoksi dynaamista aaltoyhtälöä käytettäessä aika-askeleen on oltava pieni, sekunneista minuuttiin, jotta laskenta pysyy vakaana ja tarkkana. (Rossman 2010) Käytettäessä laskennassa dynaamista aaltoa, käsitellään jatkuvuusyhtälöä samoin kuin kinemaattisen aallon tapauksessa. Liikemäärän säilymisyhtälössä huomioidaan myös hitaustermit gA Q t H , gASf ja gAhL, jolloin se on: x H (Q 2 / A) gA x x gAS f gAhL 0 (6) Tässä Q on virtaama, x on etäisyys putkessa, t on aika, A on virtaaman poikkileikkauksen ala, H on hydraulinen korkeus, Sf on kitkakaltevuus, hL on paikallishäviö putken pituusyksikössä ja g on painovoimakiihtyvyys. (Rossman 2006) 4.4 Dynaamisen aaltoyhtälön asetukset Avouomavirtaus voi olla luonteeltaan verkasvirtausta tai kiitovirtausta. Veteen aiheutettu häiriö aiheuttaa veden pinnalla etenevän häiriöaallon Ensin mainitussa häiriöaallon nopeus on suurempi kuin veden keskimääräinen virtausnopeus ja veteen aiheutettu häiriö vaikuttaa ylävirran puolelle. Jälkimmäisessä häiriöaallon nopeus on keskimääräistä virtausnopeutta pienempi ja häiriötekijöiden vaikutus kohdistuu ainoastaan alapuoliseen uomaan. Tätä hitausvoimien suhdetta painovoimaan kuvataan Frouden luvulla: 40 Fr v gH , (7) jossa v on virtausnopeus, g on painovoimakiihtyvyys ja H on keskimääräinen hydraulinen korkeus eli vesisyvyys. Likimääräinen häiriöaallon etenemisnopeus avouomassa on gH . Kun Fr < 1 on kyseessä verkasvirtaus ja kun Fr > 1 on kyseessä kiitovirtaus. Frouden luvun Fr ollessa 1, on kyseessä kriittinen virtaama. Frouden luvulla. (RIL 124-1 2003) Käyttäjä voi vaikuttaa dynaamisen aaltoyhtälön muodostumiseen. Ohjelmalle tulee määritellä sovelletaanko kiitovirtauksen kriteeriä kaltevuuden, Frouden luvun vai molempien mukaan. Hitaustermien asetuksilla säädellään kuinka Saint Venantin liikemääräyhtälön hitaustermejä käsitellään. Ne voidaan säilyttää kokonaisuudessaan kaikissa olosuhteissa, niiden vaikutusta voi heikentää virtaaman lähestyessä kriittistä virtaamaa ja hävittää virtaaman muuttuessa kiitovirtaukseksi, tai ne voidaan jättää huomioimatta kokonaan. (Rossman 2010) Koska SWMM on diskreetti simulaatiomalli, etenee laskenta käyttäjän määrittelemin aika-askelin. Ohjelmassa määritetään yhteensä neljä eri aika-askelta. Valuma-alueilta tapahtuvan veden valunnan laskemiseksi käytetyn aika-askeleen pituus määritellään erikseen sadejaksolle ja kuivalle ajankohdalle. Verkostossa kulkevan virtaaman laskemiseksi määritellään oma aika-askeleensa, joka ei saa olla pidempi kuin sadejaksolle määritelty valunnan laskentaan käytetty aika-askel. Myös tulosten raportoinnille tulee määrittää oma aika-askeleensa. Dynaamisen aaltoyhtälön käyttö vaatii huomattavasti pienemmän aika-askeleen kuin muut menetelmät. Sen yhteydessä voidaan käyttää myös muuttuvaa aika-askelta, joka pienentää tarvittaessa automaattisesti käytettävää aikaaskelta virtaaman muuttuessa äkillisesti. (Gironás ym. 2009) 4.5 Virtaamaan aiheutuvat häviöt Putken ollessa paineeton, jokainen Saint Venantin -yhtälöiden ratkaisumenetelmistä käyttää Manningin yhtälöä kuvaamaan virtaaman Q, poikkileikkauspinta-alan A, hydraulisen säteen R ja pinnankaltevuuden S välistä suhdetta putkissa: Q 1 AR 2 / 3 S 1 / 2 , n (8) 41 jossa n on putkille määritetty Manningin karkeuskerroin. Kaltevuus S kuvaa joko putken kaltevuutta tai kitkakaltevuutta, riippuen käytetäänkö laskennassa tasaista virtausta, kinemaattista aaltoyhtälöä vai dynaamista aaltoyhtälöä. (Rossman 2010) Pyöreässä paineellisessa putkessa virtaaman laskemiseen käytetään Manningin yhtälön sijaan joko Hazen-Williamsin tai Darcy-Weisbachin yhtälöä. Hazen-Williamsin yhtälö kirjoitetaan: Q 0,85CR 0,63 S 0,54 , (9) jossa C on Hazen-Williamsin kerroin. Darcy-Weisbachin yhtälö on puolestaan: Q 8g AR1 / 2 S 1 / 2 , f (10) missä g on painovoimakiihtyvyys, ja f on Darcy-Weisbachin kitkakerroin. Käyttäjä saa itse valita, kumpaa yhtälöistä sovelletaan dynaamista aaltoyhtälöä käytettäessä. (Rossman 2010) Näistä Darcy-Weisbach pohjautuu paremmin fysiikkaan ja on luotettavampi kuin Hazen-Williams. (Mays 1999) Viemäriverkoston virtauksen energiahäviöt tapahtuvat putken kitkahäviöinä ja paikallishäviöinä. Kitkahäviöt johtuvat virtaavan veden ja putken seinämien välisistä voimista sekä veden viskositeetistä. Paikallishäviöitä tapahtuu verkoston kohdissa, joissa virtaus häiriintyy. Häiriöitä aiheuttavat muun muassa putkien koon ja suunnan muutokset sekä risteävät ja haarautuvat virtaukset. Näiden paikallishäviöiden osuus koko energiahäviöistä pitkissä linjoissa on niin pieni, ettei niitä oteta yleensä käytännön tehtävissä huomioon (RIL 124-1 2003). Kuitenkin muun muassa kaivojen aiheuttamien häviöiden suuruus kasvaa, kun sadevesijärjestelmä tulvii ja virtaus muuttuu paineelliseksi. Putkivirtaus on usein turbulenttista ja jakaantuu poikkileikkauksessa suunnilleen tasaisesti lukuun ottamatta putken reunoja, joihin muodostuu hitaamman virtauksen laminaarinen vyöhyke. Tämän laminaarisen vyöhykkeen paksuus ja putken pintamateriaalin epätasaisuus vaikuttavat syntyvään kitkahäviöön. (Butler & Davies 2004) 42 Kitkakaltevuus Sf on se kaltevuus, joka vedenpinnalla on oltava tasaisessa virtauksessa voittaakseen nämä kitkahäviöt (Mustonen 1986). Se voidaan esittää Manningin yhtälön termeillä seuraavasti: Sf n 2V V k 2R4/3 , (11) missä n on Manningin karkeuskerroin, V on virtausnopeus, R on virtaaman poikkileikkauksen hydraulinen säde ja k on arvo 1,0 SI-yksiköitä käytettäessä. (Rossman 2006) Paikallishäviöt hL voidaan esittää putken pituuden LC ja pisteessä x olevan paikallishäviökertoimen K avulla: (Rossman 2006) hL KV 2 2 gLC . (12) Jotta jatkuvuusyhtälölle ja liikemäärän säilymisyhtälölle saataisiin numeerinen ratkaisu, on jokaiselle putkelle määritettävä alku- ja reunaehdot. Näille määritetään hydraulisen korkeuden H ja virtaaman Q alkuarvot laskennan alussa. Reunaehdoiksi annetaan kaikkia laskennan ajanhetkiä koskevat raja-arvot putken pituudelle, joka lyhimmillään on X=0 ja pisimmillään X=L. (Rossman 2006) Mikäli alkuarvoja ei määritetä, ohjelma olettaa hydraulisen korkeuden ja virtaaman nollaksi laskennan alussa. Mallilla saatavien tulosten tarkkuuden kannalta olennaista on jatkuvuuden huomiointi mallin laskennassa. SWMM5:n jatkuvuuden huomioiva laskentaperiaate on esitetty liitteessä 1. 4.6 Viemäreiden paineistuminen ja tulviminen Normaalisti kun verkoston kapasiteetti on riittävä, järjestelmä kuljettaa virtaamaa alavirtaan päin. Vakiovirtaamalla linjassa vallitsee tietty pinnankorkeus ja sitä vastaava virtausnopeus, joilla virtaama läpäisee putken minimienergialla. Jos tuleva vesimäärä lisääntyy, pinnankorkeus kasvaa. Putket, rummut ja muut viemäriputket täyttyvät joskus, niin että vesi virtaa niissä paineellisena. Näin voi käydä rankkasateen seurauksena tai jos putki on jostain syystä alimitoitettu. 43 Standardissa SFS-EN 752-4 (1997) viemärilinjan paineistuminen määritetään tilaksi, jossa jätevesi tai hulevesi on paineen alaisena viemärissä, mutta ei nouse maanpinnalle aiheuttaen tulvimista. Tämä voidaan jakaa edelleen putkien ja kaivojen paineistumiseen. Putket paineistuvat, kun vedenpinta kohoaa putken laen korkeudelle. Vedenpinnan kohotessa edelleen kaivon yläreunaan asti puhutaan kaivon paineistumisesta. Nämä on esitetty kuvassa 6. Paineistumisen lisääntyminen saattaa lopulta johtaa verkoston tulvintaan veden pinnan kohotessa maanpinnan yläpuolelle. Tällöin vesi poistuu verkostosta tai ainakin estää pintaveden pääsyn viemäriin. (Butler & Davies 2004) Kuva 6 Viemärin paineistuminen ja tulviminen (Schmitt ym. 2004) Saint Venantin -yhtälöitä voidaan käyttää ainoastaan avouomavirtauksen laskentaan. SWMM käyttää muuttuvan paineellisen virtaaman laskentaan Priessmannin raon menetelmää. Siinä koko paineistuneen putken matkalle kuvitellaan putken lakeen kiinnittynyt kapea rako, jonne vesi pääsee nousemaan. Tällöin paineellisen putken virtaama kuljetetaan käsitteellisenä avouomavirtaamana käyttäen virtuaalista vapaapintaista virtaamaa. Hypoteettinen avoin rako on kapea, jotta se ei aiheuta merkittävää virhettä vesimäärään. (Mays 1999) 44 Jos kapasiteetti ylittyy, ylimääräinen vesi tulvii verkosta sen solmukohdista. Tulviminen tapahtuu veden noustessa solmukohdan maksimikorkeuden yläpuolelle. SWMM:ssä saa määritellä poistuuko tulviva vesi mallista kokonaan vai varastoituuko se kaivon yläpuolelle ja palautuu järjestelmään kapasiteetin salliessa. (Rossman 2010) Joskus kaivojen kannet voivat olla hitsattu tai pultattu kiinni, jolloin vesi ei pääse tulvimaan kaivosta, vaikka se paineistuisi. Tämä voidaan toteuttaa mallilla hyödyntämällä erikseen määriteltävää paineistumissyvyyttä. (Gironás ym. 2009) Kuvassa 7 olevassa vasemmanpuoleisessa kaivossa vesi on noussut kaivon maksimikorkeuden yläpuolelle ja tulvii kaivosta varastoituen maan pinnalle. Oikeanpuoleinen kaivo ei ole paineistunut ja sen kapasiteetti mahdollistaa varastoituneen veden vastaanottamisen maan pinnalta. Yksinkertaisimmillaan tulvinut vesi palaa mallissa aina samaan kaivoon mistä on tulvinut, mutta malliin voi yhdistää pintakuivatusjärjestelmän, jota myöten vesi voi palata verkostoon muunkin kuin tulvineen kaivon kautta. Kuva 7 Viemäriverkoston tulviminen (Schmitt ym. 2004) 4.7 Mallin virhe ja tarkkuus Simulointiajon päättyessä onnistuneesti, ohjelma ilmoittaa simulaatiossa esiintyvän jatkuvuuden virheen erikseen valuma-alueilla tapahtuneen veden etenemiselle ja verkostossa lasketulle virtaaman etenemiselle. Virheprosentit muodostuvat vertaamalla aikaaskeleen alussa olevaa vesimäärää ja sisään virtaavaa vettä aika-askeleen lopussa olevaan vesimäärään ja ulos virranneeseen veteen. Analyysin tulokset ovat kyseenalaisia, jos virheet ovat 10 % suuruusluokkaa. Yleisimpiä syitä virheeseen ovat liian suuri aikaaskel tai liian lyhyet putket. (Rossman 2010) Koska dynaamisen aallon laskentamenetelmä on hyvin tarkka, joidenkin putkien virtaama tai solmujen veden syvyys saattaa vaihdella tai heilahdella huomattavasti tiettyinä ajanhetkinä. Tämä on seurausta numeerisesta epävakaudesta ratkaisumenetelmässä. Ohjelma ei automaattisesti tunnista tällaisia olosuhteita ja siksi käyttäjän on tarkistetta- 45 va mallin numeerinen vakaus ja ratkaistava ovatko simulointitulokset soveltuvia mallinnuksen näkökulmasta. Numeerinen epästabiilius voi esiintyä vain lyhytaikaisesti, joten sen havaitsemiseksi raportointiväli on asetettava riittävän lyhyeksi. (Rossman 2010) Jotta laskenta pysyy stabiilina, tulee Courantin ehdon toteutua jokaisessa putkessa. Tämä ehto kuvaa aika-askeleen suhdetta ilmiön nopeuteen aika-askeleessa kuljetulla matkalla x ja aika-askeleen pituudella t seuraavasti: (Butler & Davies 2004) x t c (13) Liian suuri aika-askel johtaa helposti laskennan epästabiiliuteen. Sovellettaessa muuttuvaa aika-askelta, ohjelma laskee aika-askeleen pituuden niin, että Courantin ehto toteutuu joka putkessa. Muuttuvalle aika-askeleelle tulee määritellä myös sovituskerroin, jotta aika-askel pysyy tietyissä rajoissa. Se ei voi kuitenkaan pidentyä eikä muuttuvalla aika-askeleella ole merkitystä, mikäli varsinainen aika-askel on pienempi kuin 0,5 sekuntia. Toinen menetelmä putkien Courantin ehdon saavuttamiseksi on putkien keinotekoinen pidentäminen kasvattamalla tarvittaessa aika-askelta sekunteihin. Mallin numeerista epästabiiliutta voidaan vähentää myös jättämällä Saint Venantin liikemääräyhtälön hitauskertoimet huomioimatta. (Rossman 2010) 46 5 TUTKIMUSMENETELMIEN JA -AINEISTON KUVAUS Tässä työssä luodaan taajamien kuivatusjärjestelmän maanalainen osa sisältäen tarkan sekaviemärimallin alueen verkostosta. Maanpäällinen osuus muodostuu katujen osalta erikseen luodusta laserkeilaustutkamittaukseen pohjautuvasta tarkasta pintamallista, josta verkostoon johdettuja vesimääriä käytetään luodun verkostomallin toiminnan tarkastelussa. 5.1 Mallinnettava alue Työssä tarkastellaan Helsingin ydinkeskustan sekaviemäriverkoston toimintaa ja kapasiteettiä tarkalla viemärimallilla noin 0,8 km2 kokoisella alueella Helsingin Rautatientorin ympäristössä. Rautatientori sijaitsee Helsingin keskustan matalimmalla kohdalla, jonne kovemmalla sateella kerääntyy pintavesiä alueen itä-, länsi- ja eteläpuolilta. Mallinnettavan alueen sijainti ja rajaus määräytyi VTT:n SmartAlarm hankkeesta, jonka osatutkimuksena luotu mallinnus tehtiin. Alue rajautuu pohjoisessa Rautatieasemaan, Kaisaniemen puistoon ja Liisankatuun, idässä Unionin- ja Fabianinkatuihin, etelässä PohjoisEsplanadiin sekä lännessä Annankatuun. Valtaosa mallinnusalueesta on päällystettyä. Sen itä- ja länsireunoilla maaperä on hiekkaa tai moreenia, jonka alla on kallio. Alueen keskellä koillis-lounas -suunnassa kulkee linja, jonka maaperä on savea ja sen päällä on pääosin yli kolme metriä paksu täytemaakerros. Savikko- ja täytemaa -alueen rajat näkyvät liitteessä 2 olevassa alueen maaperäkartassa. Osalla aluetta on melko tiheään pohjaveden pinnankorkeuden mittauspisteistä, joista korkeuksien muutosta seurataan jatkuvasti. Näistä tehtyjen havaintojen perusteella pohjavesi on koko alueella viemäreiden alapuolelle. Alueella on lisäksi myös orsivesikerroksia, jotka ovat pohjaveden yläpuolella. Orsivettä on kuitenkin ainoastaan sellaisilla alueilla, joissa savikerroksen päällä on täyttöä tai luonnon kitkamaakerroksia (Niinimäki 2011b). Orsiveden pinnankorkeuden mittauspisteitä on alueella vähemmän, mutta paikoin orsiveden voidaan todeta olevan viemärilinjan tasossa, jolloin sitä pääsee viemäreihin vuotovetenä. Ydinkeskustassa on paljon puupaaluille perustettuja rakennuksia, jotka voivat vahingoittua pohjaveden lyhytaikaisestakin alenemisesta. Kaupungilla ei ole omia erillisiä 47 pisteitä, joista se säännöstelisi pohjaveden pinnankorkeutta. Osassa alueen kiinteistöistä on kuitenkin kellarikerroksessa pohja- tai perusvesikaivo, joka kerää kiinteistön perustuksista ylimääräistä orsi- ja pohjavettä. Vedenpinta on alueella niin korkealla, että osaan kaivoista kerääntyy mahdollisesti vettä jatkuvasti. Tämä vesi pumpataan sekaviemäriverkostoon, joka lisää siellä kulkevaa kokonaisvesimäärää. Koska alue on suurimmalta osin päällystettyä, eivät rankkasateet vaikuta perusvesikaivoista pumpattuihin vesimääriin välittömästi. Vaikutus näkyy tasaisena pidemmän aikaa sateen jälkeen orsija pohjavesipintojen nousun seurauksena (Niinimäki 2011a). Keskustan huoltotunnelin suunnittelun yhteydessä on tehty 2000-luvun puolivälissä tunnelia käsittelevän alueen osalta pohja- ja perusvesikaivojen sijaintiselvitys. Kyseinen alue sijaitsee mallinnusalueen savi- ja täyttömaa -osassa. Se sisältää alueen kiinteistöjen pohjavesi- ja merkittävien perusvesikaivojen sijaintitietoja sekä vesipinnan taso- ja pumppaustietoja. Alueen kiinteistöistä lähes jokaisessa on vähintään yksi tai useampi kaivo. Kaikkiin näistä ei tullut ollenkaan vettä eikä kaivoista verkostoon pumpatuista vesimääristä ole tietoa. Ainoastaan järjestelmien pumppujen tiedot ja niiden käyntiajat on selvitetty. Muita selvityksiä mallinnusalueen pohjavesikaivojen sijainnista ei ole, eivätkä näistä viemäriin pumpatut vesimäärät ole tiedossa (Niinimäki 2011b). Alueen jätevesi koostuu asumisesta muodostuvasta sekä palveluiden tuottamasta jätevedestä. Alueella ei ole teollisuutta, mutta siellä on paljon toimistoja, ravintoloita, hotelleja ja muita palveluita joiden vedenkulutuksen tuntivaihtelu eroaa kotitalouksien vedenkulutuksen vaihtelusta. Alueen verkostosta tehtyjen virtausmittausten perusteella alueen huippuvirtaama ajoittuu aamu kuuden ja ilta kuuden väliselle ajalle. Tämä näkyy myös jäljempänä esitetystä kuvasta 9, jossa on yhdistettynä kaikkien alueella muodostuvien jätevesien tuntivaihtelu. 5.2 Mallinnettavan verkoston luonti Tutkimusalueen sekaviemäriverkoston malli on tehty luomalla mahdollisimman totuudenmukainen verkosto lähtötietojen avulla ja lopulta kalibroitu tämä tarkoitusta varten tehdyillä virtausmittauksilla. Viemäriverkoston fyysiset tiedot ja mitat on koottu HSY Vesihuollon verkkotietojärjestelmän viemärikarttojen pohjalta. Tietoja on täydennetty vanhojen karttojen, liitoskohtalausuntojen, suunnitelmien sekä maastokäynneillä tehtyjen tutkimusten avulla. Mallinnettavan alueen viemäriverkosto on hyvin vanhaa, minkä 48 vuoksi se on sekaviemäröityä. Alueen viemärit ovat viettoviemäreitä eikä siellä ole yhtäkään pumppaamoa. Muita erityisrakenteita kuten ylivuotokaivoja pienelle alueelle on rakennettu kuitenkin huomattavan paljon. Koska alueen verkosto on vanhaa, on sitä vuosikymmenten kuluessa muutettu ja täydennetty uusilla viemärilinjoilla. Verkostoa on myös korjattu sekä saneerattu muun muassa sujuttamalla. Mallinnusalue jakautuu karkeasti kolmeen osaan: Mannerheimintien länsipuoleen, sekä Mannerheimintien itäpuolella Aleksanterinkadun pohjois- ja eteläpuoliin. Mannerheimintien länsipuolella verkostossa ei ole tehty merkittäviä muutoksia vuosien varrella ja vedet laskevat Mannerheimintien ja Postikadun risteyksestä luoteeseen isoon pääviemäriin, josta edelleen Mäntymäen pumppaamolle. Alueen viemäreissä on riittävästi kaatoa, ja vesi virtaa putkissa nopeasti. Aleksanterinkadulta ja sen eteläpuolella vedet purkautuvat Kluuvikadun ja Fabianinkadun viemäreitä pitkin PohjoisEsplanadilla kulkevaan viemäriin, josta jatkavat matkaansa Siltavuoren pumppaamolle. Aleksanterinkadun pohjoispuolen verkostossa on tehty vuosien kuluessa muutoksia ja vedet jakautuvat nykyään Rautatieaseman länsipuolelta pohjoiseen lähtevään sekaviemäriin ja alueen koilliskulmalle laskeviin viemäreihin. Näissä Mannerheimintien itäpuolen viemäreissä on hyvin pieni kaltevuus ja putket ovat paikoin niin painuksissa, että vesi seisoo niissä. Viemäreissä on myös joissain kohdin lietettä, eikä linja toimi tämän vuoksi täydellä kapasiteetilla. Mallinnettu verkosto ja kuusi purkupistettä on esitetty kuvassa 8. Se sisältää mallissa olevia kokooja- ja tonttiviemäreitä yhteensä noin 15 kilometriä. 49 Kuva 8 Punaisella on luotu Helsingin Rautatientorin ympäristön sekaviemäriverkoston malli sekä keltaisella kuusi purkupistettä, joista vesi poistuu mallinnusalueen ulkopuolisiin viemäreihin Rautatieaseman edestä koilliseen kulkee kaksi suurta viemärilinjaa. Toinen näistä on sekaviemäri alueen muiden viemäreiden tapaan ja toinen on hulevesiviemäri. Näitä yhdistävät ylivuotokaivot, jotka toimivat reunapatoperiaatteen mukaisesti. Kaivoissa on ylivuotokynnys, joka erottaa seka- ja hulevesipuolet toisistaan. Virtaaman kasvaessa sekavesipuolella riittävän suureksi, vedenpinta nousee kaivoissa yli kynnyksen korkeuden jolloin tapahtuu ylivuoto. Osa alueen ylivuotokaivoista on kiinteitä ja osan korkeutta voi säätää settilankuilla. Aiemmin myös Rautatieaseman länsipuolelta pohjoiseen kulkevan viemärilinjan vedet kulkivat Rautatieaseman editse koilliseen. Tällöin sekavesipuolen kapasiteetti oli paljon tehokkaammin käytössä ja ylivuotoja tapahtui todennäköisesti paljon enemmän. Nykyään näitä linjoja yhdistää vain sukellusviemäri ja ylivuotokaivo. Koska mallista tehtiin mahdollisimman tarkka, on siihen sisällytetty kaikki alueella olevat kuntayhtymän verkostoon kuuluvat viemärit. Myös mallin kannalta olennaisia yksi- 50 tyis- ja tonttiviemäreitä on huomioitu mallinnuksessa, mutta muuten ne on rajattu tarkastelun ulkopuolelle. Putkille on määritetty muoto, sisähalkaisija ja korkotiedot. Alueen putket ovat poikkileikkaukseltaan pääasiassa pyöreitä, mutta joukossa on myös pisaranmuotoisia ja kitamaisia viemäreitä. Alueella on kalliotunneliviemäreitä, jossa vesi virtaa vapaasti tunnelin pohjalla. Näiden poikkileikkausprofiilit on määritetty mallinnusohjelmassa erikseen. Putkien halkaisijat vaihtelevat 0,20–2,1 m välillä ja ne ovat 270 metrin mittaisia. Mallissa on huomioitu kaikki kokoojaviemäreiden kaivot. Työn kannalta hyvin olennaisia olivat verkoston osat, joista sadevettä pääsee kadulta viemäriin. Tätä varten kartoitettiin kaikki mallinnusalueen yleisillä alueilla sijaitsevat erilaiset ritilä- ja kitakaivot sekä AcoDrain -kourut. Kaivot on nimetty malliin kannen tyypin mukaisesti, jolloin umpikannet ja erilaiset vettä kadulta imevät kaivot erottuvat toisistaan. Kaivoille on määritetty pohjan korko, jonka avulla kokonaiskorkeus on saatu laskettua pintamallista saatujen kaivon kansien korkotietojen avulla. Vettä vastaanottavien hulevesikaivojen halkaisijaksi on määritetty 0,8m ja kokoojaviemäreiden kaivojen halkaisijaksi 1,0 m. Hiekkaa ja samalla myös vettä keräävää hulevesikaivojen pohjalla olevaa sakkapesää ei ole huomioitu. Koska se on aina täynnä vettä, ei se näin ollen vaikuta virtaamamääriin tai veden varastoitumiseen. Ylivuotokaivojen ja suurimpien kokoojaviemäreiden kaivojen tilavuus on määritetty erikseen. Malliin on sisällytetty myös erilaisten erityisrakenteiden yksityiskohtaiset rakennetiedot. Näitä ovat muun muassa alueen kahdeksan ylivuotokaivon kynnyksen korko- ja pituustiedot sekä ylivuotoaukkojen koko. 5.3 Verkostoon tulevat vedet Jätevettä tulee verkostoon yhteensä 107 alueen kiinteistöltä. Tuleva jätevesivirtaama on määritetty kiinteistöjen vedenkulutustiedoista vuoden 2010 alusta keskimäärin 212 vuorokauden aikana mitatun vedenkulutuksen perusteella. Näistä on laskettu keskimääräinen vedenkulutus m3/s. 28.7.–26.11.2010 välillä tehtyjen viemärivirtausmittausten kaikista sateettomien 68 vuorokauden mittaustuloksista on arvioitu keskimääräinen vedenkulutuksen tuntivaihtelukäyrä, jonka mukaisesti kiinteistöiltä tuleva virtaama vaihtelee. Tämä vedenkulutuksen ja viemärivirtaaman jakautuminen eri tunneille on esitetty kuvassa 9. Kuvan mukaisesti mallinnetulla alueella muodostuva jätevesimäärä on keskipäivällä lähes kolme kertaa suurempi kuin aamuyöstä pienen virtaaman aikaan. 51 Kuva 9 Vedenkulutuksen tuntivaihtelu mallinnusalueella Valtaosa alueen kattovesistä johdetaan suoraan viemäriin. Osa kattovesistä kerätään räystäskouruilla ja johdetaan syöksytorvea pitkin kadulle. Paikoin syöksytorven alla on niin sanottu rännikaivo, josta vesi menee eteenpäin sekaviemäriverkostoon. Joissain tapauksissa syöksytorvea on jatkettu maan läpi ja vedet johdettu näin viemäriin. Kattopinta-alojen määritys sekä jako viemäröityihin ja kadulle vetensä johtaviin, tehtiin maastokäyntien ja ilmakuvan perusteella. Kaikki ne rakennukset joissa ei ollut katolta kadulle johtavaa syöksytorvea, oletettiin viemäröidyiksi. Kiinteistöjen sisäpihoille satavien vesien oletettiin päätyvän myös viemäriin. Näistä sekä suoraan viemäriin johdettavista kattopinnoista muodostettiin malliin 168 valumaaluetta, joiden vesi johdettiin kunkin kiinteistön liitoskaivoon. Näiden yhteispinta-ala oli noin 0,3 km2. Kaduille vetensä purkavat kattopinta-alat huomioitiin pintamallissa. Viemärimalliin muodostettujen ja kuvassa 10 esitettyjen vettä läpäisemättömien valumaalueiden pinnat oletettiin sileiksi ja tasaisiksi ilman painumia, minkä johdosta niille satava vesi virtaa nopeasti viemäriin. Mahdollinen haihdunta ja imeytyminen jätettiin huomioimatta ja kaikki valuma-alueille satava vesi oletettiin päätyvän viemäriin. 52 Kuva 10 Viemärimalliin kattopinnoista luodut valuma-alueet Mallissa on hieman alle 1000 kaivoa. Näistä puolet on kokoojaviemäreiden kaivoja, jotka yhdistävät putket toisiinsa ja ottavat vastaan kiinteistöistä tulevia jätevesiä ja katoilta tulevia hulevesiä. Toinen puolet on hulevesiä kadun pinnalta vastaanottavia ritiläja kitakaivoja. Osa hulevesikaivoista puuttui karttatiedoista. Tämän vuoksi kartoilta puuttuvien kaivojen liittymispiste ja -korkeus runkoviemäriin jouduttiin arvioimaan. Näiden putkien halkaisijaksi oletettiin 200 mm. Nieluina toimivat kaivot on jaettu läpivirtausalojen perusteella yhdeksään eri ryhmään kansistojen läpivirtausalojen perusteella. Kaduilta tapahtuva pintavalunta laskettiin BreZo -nimisellä ohjelmalla (Begnudelli ym. 2008). Se laski kunkin nielun vastaanottaman vesimäärän joka aika-askeleella ja muodosti näistä aikasarjatiedostot. Kaivojen vastaanottamat vesimäärät riippuvat kaivon läpivirtauspinta-alasta sekä kadun pinnalla tarjolla olevasta vesimäärästä. Pintamallin ja viemärimallin yhdistäminen tapahtui osoittamalla 53 vuorovaikutukseen osallistuvat kaivot näihin pintamallin luomiin tiedostoihin. Kuvassa 11 on verkostomallissa olevat kaivot. Näistä vaaleansinisellä merkityt ovat vettä vastaanottavia hulevesikaivoja. Kaivot tulvivat verkoston kapasiteetin ylittyessä. Jotta vesi ei poistu mallista, on kaivoille määritetty tulvimispinta-alaksi 10m2. Kaivoista purkautuva vesi varastoituu tälle alalle ja verkoston kapasiteetin salliessa palautuu se jälleen verkostoon. Kuva 11 Verkostomallissa olevat kaivot, joista vaaleansinisellä ovat vettä kadulta vastaanottavat hulevesikaivot Mallinnettava alue oletetaan kauttaaltaan päällystetyksi, jolloin sadevesiä ei pääse alueen maaperään. Näin ollen sateiden ja muiden ilmasto-olosuhteiden vaikutus vuotovesimääriin on jätetty huomioimatta. Mallin kalibroimiseksi 28.7.–25.11.2010 toteutettujen virtausmittausten perusteella arvioitiin koko mittausjaksolta alueen keskimääräinen vuotovesien määrä verkostossa. Mittausten perusteella verkoston sekavesimäärä todettiin kaksinkertaiseksi alueen vedenkäyttöön verrattuna. Todellisuudessa vuotovesien määrä verkostossa voi vaihdella verkostossa eri vuodenaikoina. Vaihtelua ei ole kui- 54 tenkaan huomioitu tässä tarkastelussa, koska vuotovesien osuus verkoston vesimäärästä rankkasateen aikana on hyvin pieni. Vuotovesi on todennäköisesti viemäriin pääsevää pohja- ja orsivettä, sekä kiinteistöjen perusvesikaivoista verkostoon pumpattavaa vettä. Vuotovedet huomioitiin lisäämällä malliin vuorokauden keskimääräisen jätevesivirtaaman verran vuotovesiä. Lisäys toteutettiin niihin solmupisteisiin, joihin tulee myös kiinteistöjen jätevedet. Malliin ei ole huomioitu ilmasto-olosuhteiden vaihtelua, sillä ne vaikuttavat pääasiassa maan pinnalla tapahtuviin hydrologisiin ilmiöihin. Ne on rajattu tämän tarkastelun ulkopuolelle, koska viemäriin tulevat vesimäärät saadaan pintamallista ja kattopinnoilta vesi päätyy viemäriin niin nopeasti, etteivät ilmastolliset olosuhteet vaikuta niihin. 5.4 Mallin kalibrointi Helsingin rautatieaseman sekaviemäriverkoston toimintaa simuloivan mallin kalibroimiseksi alueen verkostosta tarvittiin virtaamatietoja. Alueella ei ole jatkuvaa viemärivirtaamien tai pinnankorkeuksien seurantaa. Tämän vuoksi alueella tehtiin viemärivirtausja pinnankorkeusmittauksia, jotta verkoston todellinen käyttäytyminen erilaisissa tilanteissa saatiin selvitettyä ja voitiin kalibroida malli vastaamaan todellista tilannetta. Tämän lisäksi kalibrointiin käytettiin Ilmatieteen laitoksen sadetietoja. 5.4.1 Virtausmittarit ja älykansi Viemärivirtaamien mittaamiseen käytettiin FLO-DARTM SYSTEM – avouomavirtausmittauslaitteistoja. Mittalaitteisto koostuu mittapäästä, joka suorittaa mittaukset sekä tiedonkeruulaitteesta, joka kerää mittalaitteen ottamat tiedot. Mittalaite pultataan tarkastuskaivoon tulevan putken yläreunaan niin, ettei se ole kosketuksissa viemärissä kulkevan veden kanssa. Tähän johdolla yhteydessä oleva tiedonkeruulaite asennetaan kaivon yläosaan. Näin ollen parin viikon välein suoritettava paristojen vaihto ja mitatun tiedon taltiointi sujuu helposti. Mittalaitteen toiminta perustuu pinnankorkeuden ja virtausnopeuden mittaamiseen, joiden avulla ohjelma laskee putkessa kulkevan virtaaman sille annettuja lähtötietoja hyödyntäen virtausnopeuden ja virtaaman poikkileikkauspinta-alan tulona. Laite mittaa pinnankorkeutta ultraäänianturilla ja virtausnopeutta Dopplerin ilmiöön perustuvalla lasertutkalla. Mittalaite ei ole normaalitilanteessa lainkaan kosketuksissa virtaavan veden kanssa, mutta se on suunniteltu kestämään myös veden alle joutumista. Tällöin vir- 55 tausnopeuden mittaus keskeytyy ja pinnankorkeuden mittaus tapahtuu mittalaitteen koteloon sijoitetulla erillisellä paineanturilla, jonka toiminta perustuu mittarin yläpuolella olevan vesipatsaan paksuuden mittaamiseen. Mittalaitteet ohjelmoitiin mittaamaan viiden minuutin sykleissä. Tällöin viiden minuutin välein suoritetaan minuutin pituinen mittausjakso, jonka perusteella lasketaan pinnankorkeuden keskiarvo koko viiden minuutin ajanjaksolle (Marsh McBirney 2000, 2005). Mittareiden virtausnopeuden mittaamisen vaihteluväli on 0,2 ± 6 m/s, tarkkuus ±0,03 m/s ja resoluutio 0,001 m/s. Pinnankorkeuden mittauksen vaihteluväli on 0,01-1,5, tarkkuus ± 1 % ja resoluutio 0,001m. Mittarin joutuessa veden alle laite mittaa pinnankorkeuden aina 3,5 metrin korkeuteen asti, jolloin sen tarkkuus on ± 1 %. Mittalaitteen ilmoittaman virtaaman tarkkuus on ± 5 %, kun putken täyttöaste on 10–90 %. (FlowTronic 2010) Pelkkään viemärivirtaaman pinnankorkeuden mittaamiseen käytettiin älykantta. Se koostuu kannen pohjaan kiinnitetystä suojakoteloputkesta, jonka sisällä on tiedonkeruulaite, modeemi ja paristo. Mittaus tapahtuu koteloputkesta lähtevällä paineanturilla, joka lasketaan johdon varassa roikkumaan viemärissä virtaavaan veteen. Mittauslaitteisto on esitetty kuvassa 12. Se on helppo asentaa, sillä anturi säädetään vain roikkumaan kannesta tietylle korkeudelle, niin että se ulottuu veteen, jonka jälkeen kansi voidaan laskea paikoilleen. Anturi mittaa hydrostaattiseen paineeseen perustuen päällään olevan vesipatsaan korkeuden, josta ohjelma laskee vedenpinnan korkeuden ja ilmoittaa sen käyttäjän haluamalla tavalla, esimerkiksi etäisyytenä viemärin pohjasta. Valurautakanteen on tehty pieni reikä, johon antenni on vedetty suojakotelosta. Se lähettää datan internet palvelimelle, josta se saadaan tietokoneelle. Laitteisto ohjelmoitiin mittaamaan pinnankorkeuden 15 minuutin välein ja lähettämään mitatut tiedot palvelimelle 3 tunnin välein. 56 Kuva 12 Älykansi joka mittaa veden pinnankorkeutta veteen laskettavalla paineanturilla. Pinnankorkeutta mittaavan paineanturin mittausväli on 0-2500 mm (Hyvönen 2011). Näin ollen mittarin pitäisi mitata pinnankorkeutta luotettavasti, vaikka pinnankorkeus verkostossa nousisi huomattavasti. Koska paineanturi on kosketuksissa jäteveden kanssa, saattaa se kerätä kiintoainesta ympärilleen, mikä voi aiheuttaa virhettä mittaustulokseen sekä hajottaa anturin. Tämän vuoksi tällainen jatkuvan pinnankorkeuden mittaus soveltuu ainoastaan kaivoon, jossa on koko ajan vettä niin paljon, ettei anturia tarvitse laskea aivan kaivon pohjalle. Koska paineanturin toiminta perustuu anturissa olevan kalvon toimintaan ja laite oli vasta tuotteen ensimmäinen versio, ei tiedetä kuinka anturi kestää jäteveden syövyttävää vaikutusta tai jätevedessä olevaa kiintoainesta ja rasvaa, eikä sitä kuinka nämä vaikuttavat anturin antamaan tulokseen. 5.4.2 Mittareiden sijoittaminen Virtausmittareille sopivan paikan löytäminen verkostosta oli haastavaa, sillä luotettavan mittauksen aikaansaamiseksi ne tulisi asentaa sellaiseen kohtaan verkostoa, jossa virtausolosuhteet eivät muutu. Useimpiin mallinnusalueen kaivoista tulee liittymiä, putki 57 tekee mutkan, tai kaivossa on joko kynnys tai pudotus, joten jo mittausteknisesti sopivan paikan löytäminen oli haastavaa. Laitteiden edellyttämät olosuhteet eivät toteutuneet kaikissa mittauspisteissä, mikä heijastui myös mittaustulokseen. Koska mittalaitteen kiinnittäminen tapahtui menemällä kaivoon, ei sen suuaukko saanut olla liian ahdas, eikä laitetta voinut asentaa suuriin useita kuutioita oleviin bunkkerikaivoihin. Tutkimusalueen sijainti ydinkeskustassa aiheutti omat haasteensa, sillä valtaosa kaivoista sijaitsi vilkkaasti liikennöidyllä katualueella ja jalkakäytävilläkin työskentely täytyi suorittaa yöaikaan. Alueelle sijoitettiin neljä viemärivirtausmittaria. Mittauspiste 1 sijoitettiin linjaan, joka keräsi valtaosan Mannerheimintien länsipuolen jätevesistä. Mittauspisteet 2-4 sijoitettiin mallinnusalueen koillisosaan kulkevaan sekaviemäriin. Näistä mittauspiste 2 sijaitsi juuri ennen mallinnusalueen rajaa ja sen kautta kulkivat kaikki kyseisen alueen jätevedet. Mittauspiste 3 sijaitsi vähän ennen mittauspistettä 2 mitaten osan tähän pisteeseen päätyvistä vesistä. Mittauspisteeseen 4 kerääntyi vedet vain hyvin pieneltä alueelta purkautuen myös alueen koilliskulmaan mittauspisteiden 3 ja 2 kautta. Tämä valittiin mittauspisteeksi, sillä juuri kyseiseen risteykseen kertyy rankkasateilla vettä matalan sijainnin vuoksi. Pääosin Aleksanterinkadulta vetensä keräävään Kluuvikadun kautta Pohjois- Esplanadille kulkevaan viemärilinjaan ei voitu toteuttaa virtausmittausta linjan keräämän suuren rasvamäärän vuoksi. Viemäri oli myös painuksissa ja siinä seisoi jatkuvasti vesi. Tähän asennettiin mittauspisteeksi 5 älykansi, seuraamaan viemärissä tapahtuvia pinnankorkeuden vaihteluita. Fabianinkadulla sijaitseva viemäri kulkee koko matkan autotien alla. Tarkastuskaivojen suuaukot olivat lisäksi hyvin kapeita tiilimuurattuja ja saneeratun linjan sujutusputket tulivat pitkälle kaivon sisälle, joten virtausmittausten toteuttaminen ei ollut mahdollista. Elielinaukion alla kulkeva viemäri menee puolestaan parkkihallin alla ja tarkastuskaivojen kannet on pultattu kiinni, joten mittaamisen toteuttaminen siinä oli mahdotonta. Rautatieaseman edestä lähtevä suuri hulevesilinja oli paikoin pahasti painuksissa ja siellä seisoi monin paikoin runsaasti vettä. Putken kitamaisen poikkileikkauksen mitat eivät olleet tarkasti tiedossa, mikä olisi aiheuttanut epävarmuutta virtaamamittaukseen ja viemärilinjan kaivot olivat suuria bunkkerikaivoja, joihin mittarin saaminen oli mahdo- 58 tonta. Kaikista alueen viemäreistä ei siis saatu virtaamatietoa, mutta malli on kalibroitu saatujen viemärimittausten perusteella. Mittareiden lisäksi yhteen alueen ylivuotokaivoista asennettiin ylivuototapahtuman seuranta, jotta saatiin selville tapahtuuko Elielinaukion kautta purkautuvan linjan ja Rautatieaseman edestä koilliseen menevän linjan yhdistävässä ylivuotokaivossa virtaamaa jompaa kumpaan suuntaan. Tähän kaivoon ylivuotokynnyksen päälle asennettiin puupalikkaa, joka sidottiin narulla kaivon seinään kiinni. Mahdollisen ylivuodon tapahtuessa puupalikka tippuu kynnyksen päältä virtaavan veden mukana sille puolelle, jolle ylivuoto tapahtuu. Tarkastelujakson aikana ylivuotoja ei kuitenkaan tapahtunut. Seuraavassa kuvassa 13 on kalibrointimittausten sijaintikartta. Virtausmittausten sijainti on merkitty keltaisilla pisteillä, pinnankorkeuden mittauspiste on vihreänä pisteenä ja Rautatieaseman kulmalla sijainnut ylivuodon seuranta tummansinisenä pisteenä. Kuva 13 Mallin kalibroimiseksi suoritettujen mittausten sijainti. 59 5.4.3 Mittausten suorittaminen ja saadut tulokset Viemärivirtausmittausten suorittamiseen valitut FloDar -mittarit valittiin projektiin siksi, että ne olivat valmiiksi HSY:n varastossa. Koska mittareita ei ollut käytetty useampaan vuoteen, vaativat ne huoltoa ja kalibrointia ennen käyttöönottamista. Tämän jälkeen mittalaitteet toimivat pääasiassa moitteettomasti, mutta mittausolosuhteet heikensivät lopputuloksen luotettavuutta. Virtausmittaukset oli tarkoitus aloittaa keväällä 2010 lumien sulettua. Alkuvaikeuksien vuoksi mittausjakso siirtyi myöhemmäksi ja jäi suunniteltua lyhyemmäksi. Näin ollen 8.7.2010 olleesta rankkasateesta ei saatu virtaamatietoa. Virtaamamittarit saatiin ensimmäisen kerran maastoon 28.7.2010, mutta osa tiedonkeruulaitteista vaati vielä tämän jälkeen huoltoa. Pysyvä lumi satoi maahan jo marraskuun loppupuolella, jonka jälkeen mittaus lopetettiin. Lopulta kunnollista viiden minuutin välein mitattua virtaamatietoa kaikista neljästä virtaamamittauspisteestä on 27.10.–26.11.2010 väliseltä ajanjaksolta. Mittauspisteistä 1-3 on kuitenkin virtaamatietoja myös loppukesältä ja alkusyksystä. Mallin kalibroinnin kannalta tärkeää virtaamatietoa saatiin muun muassa 8.8.2010 olleesta ukkosmyrskystä näiden kolmen mittauspisteen osalta ja kaikkien neljän virtausmittauspisteen osalta 9.11.2010 olleesta syksyisestä pitkäkestoisesta tihkusateesta. Mitatut virtausnopeuden arvot olivat ajoittain melko kohinaisia, mistä seurasi virtaamatulosten arvojen heittelehtiminen. Tämän vuoksi virtausnopeuden tuloksien kriittinen tarkastelu oli tarpeen tulosten luotettavuuden parantamiseksi. Mittauslaitteiden kokonaisvirhe saisi olla korkeintaan 4 % virtaaman suuruutta avokanavamittauksena toteutettuna ja 2 % pinnankorkeuden mittauksessa. Todellisuudessa tarkistetut mittaustarkkuudet jäävät usein merkittävästi näitä heikommiksi. (RIL 124-2 2004) Mittauspisteessä 2 oli pohjalla kiintoainesta, jonka määrän virtausmittari oletti koko ajan vakioksi. Tämä saattoi kuitenkin vaihdella suuren virtaaman huuhtoessa sitä pois ja pienemmän virtaaman aikaan kiintoaineen kerääntyessä putkeen uudelleen. Mahdollinen kiintoaineen määrän vaihtelu on vaikuttanut veden pinnan korkeuteen ja aiheuttanut virhettä mittarin ilmoittamaan virtaaman määrään. Saatujen tulosten perusteella käytettyjen mittareiden antaman datan luotettavuus kärsi erittäin suurella virtaamalla. Koska mittareilla pyrittiin keräämään tietoa kovien sateiden seurauksena aiheu- 60 tuvista virtaamista, olisi tähän tarkoitukseen sopinut paremmin laitteisto, jonka mittausalue on harvoin esiintyvien ääriolosuhteiden mukainen. Virtausmittareiden antamia pinnankorkeuden arvoja voidaan pitää luotettavina, mutta virtausnopeuden arvot vaihtelevat sateiden aikaan mittauspisteessä 1 epäloogisesti. Myöskään muissa mittauspisteissä virtausnopeuden arvoihin ei voi täysin luottaa kovien sateiden aikaan. Tämä aiheuttaa virhettä myös mittareiden pinnankorkeuden ja virtausnopeuden arvoista laskettuun virtaaman arvoon. Kuvassa 14 on epäloogisesti muuttuvia virtausnopeuden tuloksia yhden vuorokauden ajalta mittauspisteestä 1. Kuvassa 15 on esitetty mittauspisteestä 3 saatuja luotettavan oloisia virtausnopeuden ja pinnankorkeuden tuloksia yhden vuorokauden ajalta. Kuva 14 Epäluotettavia virtausnopeustuloksia 23.9.2010 mittauspisteestä yksi 61 Kuva 15 Luotettavia virtausnopeus- ja pinnankorkeustuloksia 15.10.2010 mittauspisteestä kolme Työssä käytetty älykansi oli vasta testiversio, joten sen käyttöön saaminen siirtyi talveen ja mittausjakso jäi muutenkin lyhyeksi mittalaitteiston kadottua kaivosta. Pinnankorkeustietoja saatiin 11.1.–28.1.2011 väliseltä ajankohdalta eikä sateiden ajalta saatu näin ollen mittaustietoa, mutta vuorokautinen pinnankorkeuden vaihtelu saatiin kuitenkin selville. Tuloksista näkyi kyseinen tiedossa ollut paha viemärilinjan painuma, joka aiheuttaa veden seisomista aina runsaasti linjassa. Hetkellisestä lumien sulamisesta aiheutuva veden lisääntyminen viemärissä nosti vedenpintaa tavanomaisesta tasosta. Myös viikonlopun tasaisempi vedenkulutus erottui viikolla olevista kulutuspiikeistä. Mittalaitteen antamia tuloksia voidaan pitää luotettavina. Kuvassa 16 on älykannen mittaama pinnankorkeuden vaihtelu vuorokauden ajalta. 62 Kuva 16 Älykannen mittaama pinnankorkeuden vaihtelu 17.1.2011 mittauspisteestä viisi Kaiken kaikkiaan sekaviemäriverkon virtausmittaukset olivat vaikeita toteuttaa. Myös Hyyrynmäki (2007) on todennut viemäriverkon virtausmittaukset hyvin haasteellisiksi kertoessaan Helsingin sekaviemäreiden reaaliaikaisesta seurannasta. Seuraavassa taulukossa 3 on kalibrointimittausten yhteenveto. Virtaamien keskiarvot QKA on laskettu kunkin mittauspisteen osalta sateettomien päivien virtaamalle. Taulukko 3 Yhteenveto mallin kalibroimiseksi suoritetuista virtaus- ja pinnankorkeusmittauksista Mittauspiste 1 Mannerheimintie 2 Kaisaniemenkatu 3 Teatterikuja 4 Mikonkatu 5 Kluuvikatu Ø [mm] 1000 1100/1250 1100/1250 600 Q KA [m3/h] 150 125 50 15 1200 Mittausjaksot 28.7.-14.8.2010 ja 21.9.-25.11.2010 28.7.-20.9.2010 ja 21.10.-25.11.2010 28.7.-15.8.2010 ja 14.10.-25.11.2010 27.10.-25.11.2010 11.1.-28.1.2011 Putken halkaisija pisaran muotoisessa putkessa on merkitty leveys/korkeus 5.4.4 Kalibrointiin käytetyt sadetapahtumat Mallin kalibrointiin käytettiin kahta sadetapahtumaa ja niistä saatuja mittaustuloksia. Toinen sateista on kova, mutta lyhytkestoinen elokuun alussa ollut ukkosmyrsky ja toinen on pitkäkestoinen, mutta intensiteetiltään pieni marraskuun tihkusade. Ukkosmyrs- 63 kystä saatiin mittaustietoa pisteistä 1-3 ja tihkusateesta mittauspisteistä 1-4. Sadetapahtumien intensiteetit on esitetty kuvissa 17 ja 18. Kuva 17 Kalibrointiin käytetyn 8.8.2010 olleen ukkosmyrskyn histogrammi. Kuva 18 Kalibrointiin käytetyn 9.11.2010 olleen tihkusateen histogrammi. Sadetietoina käytettiin ilmatieteenlaitokselta saatuja Kaisaniemen havaintopisteestä mitattuja sateen intensiteetin arvoja. Tämä ilmatieteenlaitoksen mittauspiste sijaitsi aivan mallinnusalueen vieressä, mikä oli mallin kalibroinnin kannalta hyvin tärkeää, sillä sateiden alueellisen vaihtelun huomattiin olevan merkittävä. Tästä esimerkkinä marraskuun tihkusade, jonka kertymä oli Helsinki Testbed -hankkeen Hietaniemen hautaus- 64 maan mittausasemalla noin 9 % suurempi kuin Ilmatieteenlaitoksen Kaisaniemen mittauspisteessä. Sadetiedot syötettiin malliin saatuina intensiteetin kymmenen minuutin keskiarvoina. 5.4.5. Kalibroinnin toteutus Koko viemärimallin kalibrointi suoritettiin saatujen mittaustulosten perusteella. Ensin mallin jäte- ja vuotovesivirtaamat kalibroitiin vastaamaan mitattuja sateettoman ajan virtaama- ja pinnankorkeustietoja simuloimalla yhden vuorokauden sateettoman ajan virtaamavaihtelu. Mittauspisteet 1-4 kalibroitiin pinnankorkeuden ja virtaamatietojen perusteella. Mittauspisteen 5 kalibrointiin käytettiin ainoastaan mitattuja pinnankorkeustietoja. Sateettoman ajan virtaaman simuloinnin avulla arvioitiin verkostoon tulevaa pohja- ja orsiveden määrää. Lisäksi tarkennettiin jätevesivirtaamien tuntivaihtelukäyrä. Liitteessä 3 on esitetty saadut sateettoman ajan kalibrointitulokset virtaaman ja pinnankorkeuden osalta mittauspisteittäin. Veden virtausnopeutta verkostossa säädettiin putkien karkeutta kuvaavan Manningin -kertoimen ja verkostossa tapahtuvien energiahäviöiden avulla. Koska mallinnettu alue on vain osa Helsingin keskustan viemäriverkostoa, ei vesi pääse purkautumaan todellisuudessa vapaasti mallinnetun alueen kaikista purkupisteistä. Tätä tarkennettiin kuvassa 8 esitettyjen purkupisteiden 3, 4, 5 ja 6 osalta rajoittamalla näissä veden purkautumista mallinnusalueelta. Muut viemäriverkoston parametrit määrittävät viemäriverkoston tilavuutta ja kaltevuutta ja nämä tiedot oletettiin oikeiksi. Verkostoon johdetut jätevesimäärät vaihtelevat vuodenajan, viikonpäivän ja vuorokaudenajan mukaan, mikä näkyi saaduista virtausmittaustuloksista. Mittausjakson jäätyä suunniteltua lyhyemmäksi ja katkonaisemmaksi, ei virtaamien kausittaista vaihtelua pidemmällä aikavälillä saatu selville. Koska työssä tutkittiin rankkasateiden vaikutusta sekaviemäriverkostossa ja kuivan ajan virtaaman osuus rankkasateesta aiheutuvaan vesimäärään verrattuna on pieni, ei sen kausittaisen vaihtelun merkitys ole tässä työssä olennainen. Kuvassa 19 on esitetty 8. elokuuta 2010 olleen ukkosmyrskyn sateen intensiteetti sekä sen seurauksena aiheutunut virtaaman kasvu mittauspisteessä 2. Kyseisen sateen seurauksena virtaama kasvaa yli yhdeksänkertaiseksi kuivan ajan virtaamaan verrattuna. 65 Kuva 19 Rankkasateen aiheuttama virtaaman kasvu sekaviemäriverkostossa Sateiden vaikutuksen kalibroimiseksi tarkennettiin pintamalliin ohjelmoitujen erilaisten sadevesikansien veden vastaanottokapasiteettiä, mikä vaikutti sekaviemäriin tuleviin vesimääriin. Kalibrointi kohdistui myös verkostomalliin kiinteistöjen katoista muodostettujen valuma-alueiden ominaisuuksiin. Näiden osalta tarkennettiin pintojen kaltevuutta ja karkeutta. Kaltevuudeksi määritettiin 30 % ja karkeuskertoimeksi sileän asfaltin mukaisesti 0,01. Lisäksi säädettiin katoista luoduille valuma-alueille satavan veden valuntana kulkemaa matkaa ennen verkostoon pääsemistä. Näillä ei kuitenkaan ollut juuri merkitystä valuma-alueiden pienen koon vuoksi. Liitteissä 4 ja 5 on sadetapahtumien kalibrointitulokset virtaaman ja pinnankorkeuden osalta niistä mittauspisteistä, joista oli mittaustuloksia. Mallinnusalueen mahdollisia sisäisiä eroavaisuuksia ei ole eroteltu, vaan esimerkiksi vuotovesien prosentuaalinen osuus sateettoman ajan virtaamasta on ajateltu koko alueella yhtä suureksi. Todellisuudessa tämä voi vaihdella paikallisesti. Koska tarkoituksena oli saada mahdollisimman tarkkoja simulointituloksia, ohjelman käyttämät laskenta-asetukset olivat olennaisia. Laskennassa käytettiin dynaamista aaltoa, joka on tarkin käytettävistä vaihtoehdoista. Dynaamisen aaltoyhtälön muodostumista säädettiin niin, että kiitovirtauksen kriteeriä sovellettiin sekä kaltevuuden että Frou- 66 den luvun mukaan. Yhtälön hitaustermien vaikutus säädettiin heikkeneväksi virtaaman lähestyessä kriittistä virtaamaa. Simuloinnissa käytetyt aika-askeleet voitiin asettaa mahdollisimman lyhyiksi, koska mallilla tarkasteltiin korkeintaan muutamien tuntien sadetapahtumia ja sateettoman ajan virtaamaakin mallinnettaessa simuloitiin vain vuorokauden ajanjaksoja. Hydrologisena aika-askeleena käytettiin kuivana aikana 10 s ja sadeaikana 1s. Hydraulisena aikaaskeleena käytettiin 1s. Lisäksi käytettiin muuttuvaa aika-askelta 75 % sovituskertoimella, sekä lyhyiden putkien pidennystä. Simulointitulosten raportointiväliksi asetettiin 10 sekuntia. 67 6 TUTKIMUSTULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 6.1 Mallilla tehdyt tutkimukset Helsingin ydinkeskustan sekaviemäriverkon toimintaa tarkastellaan neljällä erilaisella sateella. Yksi näistä on oikea sadetapahtuma ja kolme muuta ovat kuvitteellisia mitoitussateita. Mallilla tarkastellaan verkoston kapasiteettia ja kriittisimpiä pisteitä, virtaaman suuruutta, tulvivia kaivoja ja tapahtuvia ylivuotoja. Luodulla mallilla tutkitaan myös kadulta sadevesikaivojen kautta verkostoon tulevien pintavesien ja suoraan sekaviemäriin johdettujen kattovesien suhdetta ja vaikutusta verkoston kapasiteettiin. Tämän lisäksi verrataan tällä yksityiskohtaisella verkostomallilla saatuja simulaatiotuloksia karkeammalla tasolla luodun mallin antamiin tuloksiin. FCG Finnish Consulting Group ylläpitää koko Helsingin viemäriverkostosta luotua mallia, jolla seurataan sekaviemäriverkon ylivuotokaivoista ympäristöön joutuvia vesimääriä ja ainekuormituksia neljännesvuosittain. Malli kattaa koko Helsingin alueen, mutta siihen on valittu ainoastaan keskeisimmät viemärilinjat ja kaivot sisältäen kaikki runkoja pääviemärit, viemäritunnelit sekä suurimmat kokoojaviemärit. Malli sisältää tässä työssä tarkasti mallinnetulta alueelta ainoastaan osan suurimmista, halkaisijaltaan yli 1000 mm olevista viemäreistä sekä kuusi ydinkeskustassa olemassa olevista kahdeksasta ylivuotokaivosta. Tässä tutkimuksessa tehdyn sekaviemärimallin antamia tuloksia verrataan FCG:n ylläpitämän karkeammalla tasolla luodun mallin antamiin tuloksiin. Heinäkuun rankkasateen mallinnustuloksia verrataan ylivuotolaskentojen tuloksiin. Ranta-Pere (2009) tarkastelee sekaviemäriverkon toimintaa kyseisen karkeammalla tasolla luodun mallin perusteella Helsingin kantakaupungin osalta. Yksityiskohtaisen mallin mitoitussateilla saatavia tuloksia verrataan näihin tuloksiin. Tämän myötä pohditaan yksityiskohtaisen viemärimallin antamia etuja ja mahdollisuuksia karkeammalla tasolla luotuun malliin verrattuna. 6.1.1 Heinäkuussa 2010 ollut rankkasade Heinäkuun 8. päivänä 2010 viiden aikaan iltapäivällä Helsingin ylle kehittyi kuumuuden ja kosteuden seurauksena alle puolessa tunnissa sadepilvi, joka ei heikon ilmavirtauksen vuoksi juuri liikkunut. Tästä seurasi Helsingin keskustan alueelle osunut paikallinen rankkasade. Kaisaniemessä sijaitsevalla Ilmatieteenlaitoksen havaintoasemalla mitattiin kello 17–18 välisen ajan sademääräksi yli 20 millimetriä ja koko vuorokauden 68 sademääräksi 28 millimetriä. Helsingin keskustassa sijaitsevilla Helsinki Testbed – projektin asemilla sade oli hetkellisesti poikkeuksellisen suurta, ollen voimakkuudeltaan jopa yli 100 mm/h. (Ilmatieteenlaitos 2010) Keskustan rakennusten kynnyskorkeudet ovat paikoin hyvin matalia. Rankkasateen seurauksena kaduille kertynyt vesi virtasi oviaukoista rakennuksiin. Vettä tulvi myös kellareihin, parkkihalleihin sekä muihin rakenteisiin. Kuvassa 20 on Kaisaniemestä mitattu sateen intensiteetti 5 minuutin keskiarvona, josta muodostuu sateen kokonaiskertymäksi 22,3 mm ja sateen rankimman 20 minuutin ajan sademääräksi 15,4 mm. Kuva 20 Heinäkuussa 2010 olleen rankkasateen intensiteetti Helsingin Kaisaniemen mittausasemalla 6.1.2 Mitoitussateet Mallia simuloitiin kolmella eri mitoitussateella. Sateiden intensiteetteinä käytettiin aiemmin tässä työssä esitettyjen erilaisten rankkasateiden toistuvuusajan kuvan mukaisia intensiteettejä. Tutkitut mitoitussateet ovat seuraavat: - Kerran viidessä vuodessa toistuva 10 minuutin mittainen mitoitussade, jonka intensiteetti on 60 mm/h. Sateen kokonaissademäärä on tällöin 10 mm. - Kerran 30 vuodessa toistuva 10 minuutin mittainen mitoitussade, jonka intensiteetti on 87 mm/h. Sateen kokonaissademäärä on tällöin 14,5 mm. - Kerran 30 vuodessa toistuva 20 minuuttia kestävä mitoitussade, jonka intensiteetti on 60 mm/h. Sateen kokonaissademäärä on tällöin 20 mm. 69 Mitoitussateita simuloitaessa mallia ajettiin ensin kolme tuntia kuivan ajan virtaaman tasoittumiseksi. Itse mitoitussade ajoitettiin alkamaan keskipäivällä kello 12:00, jolloin verkostossa kulkevan jäteveden määrä on suurimmillaan. Sade syötettiin malliin tasaisena, eli intensiteetti pysyi vakiona koko sateen keston ajan. Mitoitussateet valittiin samoiksi, joita Ranta-Pere (2009) käyttää karkeammalla tasolla luodun verkostomallin tarkastelussa, jotta tuloksia voitiin verrata keskenään. 6.2 Mallilla saadut tulokset Tässä työssä esitetyt tulokset perustuvat lähtötietojen perusteella luotuun ja suoritettujen mittausten avulla kalibroituun sekaviemäriverkostomalliin. Kaikista työssä tutkituista sadetapahtumista on esitetty putkien täyttöaste tietyllä ajanhetkellä. Täyttöastetta tarkastellaan prosentteina viidessä eri luokassa seuraavasti: < 25 % putken kapasiteetista käytössä 25–50% putken kapasiteetista käytössä 60–75% putken kapasiteetista käytössä 75–99% putken kapasiteetista käytössä Yli 100% putken kapasiteetista käytössä Suurin täyttöaste tai virtaama voi esiintyä kuitenkin eri putkissa eri ajanhetkillä. Verkoston latvaosien maksimivirtaamat ovat juuri rankimman sateen aikana ja heti sen jälkeen, kun kokoojaviemäreissä puolestaan maksimivirtaamat ovat hiukan myöhemmin. Lisäksi kaikista työssä tutkituista sadetapahtumista esitetään sadetapahtuman seurauksena tulvivat runkoviemärin kaivot. 70 6.2.1 Heinäkuussa 2010 ollut rankkasade Kuvassa 21 on 8.7.2010 olleen rankkasateen seurauksena tässä työssä mallinnetun sekaviemäriverkoston putkissa kulkeva virtaama ajanhetkellä 18:15, jolloin intensiteetiltään kovin sade päättyy. Virtaama on jaettu siinä viiteen eri luokkaan. Suurin virtaama on kuvassa punaisella merkityissä putkissa, joissa virtaama on yli 0,3 m3/s. Nämä ovat verkoston suurikokoisimpia viemäreitä, jotka purkavat vedet mallinnusalueelta ulos. Verkoston latvaosien viemäreissä virtaama on pääosin alle 0,05 m3/s. Kuva 21 Verkoston virtaama 8.7.2010 olleella sateella, kovimman sateen loputtua 71 Kuvassa 22 on rankkasateen seurauksena putkien kapasiteetin käyttöaste samalla ajanhetkellä kuin edellisessä kuvassa esitetty virtaama. Kuvasta nähdään, että putkien kapasiteetti on monin paikoin 100 % käytössä. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että viemäri tulvisi, sillä veden on noustava vielä kaivon reunan yläpuolelle ennen tulvimista. Täyttyneet putket ovat pääasiassa halkaisijaltaan pienempiä verkoston latvaosien viemäreitä. Ne keskittyvät mallinnusalueen keskiosaan savi- ja täyttömaa-alueelle. Kuva 22 Putkien kapasiteetin käyttöaste 8.7.2010 olleella rankkasateella intensiteetiltään kovimman sateen loputtua Heinäkuun rankkasateen seurauksena monet alueen hulevesiä vastaanottavat ritilä- ja kitakaivot täyttyivät ja osa tulvi myös kadulle. Myös luodulla mallilla tehdyn simuloinnin mukaan useat hulevesikaivot täyttyivät ja tulvivat kadulle. Tämän lisäksi luodun mallin mukaan myös 10 alueen runkoviemärin kaivoa täyttyi ja aiheutti veden tulvintaa verkostosta kadulle. Kuvassa 23 on esitetty nämä simulaatiossa tulvineet runkoviemärin kaivot. Simulaation osoittamien tulvivien runkoviemärin kaivojen alueella oli todellisuudessa kadulla paljon ympäröiviltä alueilta sinne valunutta vettä. Näin ollen ei tiedetä, 72 tapahtuiko alueella runkoviemäreiden kaivojen tulvimista oikeasti vai oliko kaikki siellä oleva vesi kaduilta kertynyttä sadevettä. Kuva 23 Simulaation antamat runkoviemärin tulvivat kaivot 8.7.2010 olleen sadetapahtuman seurauksena Rankkasade aiheutti ylivuodon alueen kahdesta ylivuotokaivosta. Nämä on esitetty tarkemmin jäljempänä. Jos rankkasade olisi ajoittunut keskipäivään, olisi jäteveden määrä ollut verkostossa suurimmillaan. Tällöin verkoston virtaamamäärät sekä pinnankorkeudet olisivat olleet jäteveden johdosta isompia ja verkoston kapasiteetti olisi ollut vielä tiukemmalla. 73 6.2.2 Mitoitussateet Ensimmäinen tarkasteltu mitoitussade on kerran viidessä vuodessa toistuva sadetapahtuma. Sateen intensiteetti on 60 mm/h 10 minuutin ajan, jolloin sateen kokonaiskertymäksi tulee 10 mm. Kuvassa 24 on tämän sadetapahtuman vaikutus putkien kapasiteettiin. Kuva on ajanhetkeltä 12:10, jolloin mitoitussade päättyy. Kuva 24 Putkien kapasiteetin täyttöaste keskimäärin kerran viidessä vuodessa esiintyvällä kymmenen minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla sateen juuri loputtua Tämä ei aiheuta putkien kapasiteetin täyttymistä yhtä suurelta osin kuin edellä tarkasteltu heinäkuun rankkasadetapahtuma. Tämä johtuu mitoitussateen lyhyestä kestosta. Myöskään ylivuotoja ei keskimäärin kerran viidessä vuodessa toistuvalla mitoitussateella tapahtunut. Kuvassa 25 on esitetty tällä mitoitussateella tulvivat runkoviemärin kaivot. 74 Kuva 25 Verkoston tulvivat kaivot keskimäärin kerran viidessä vuodessa esiintyvällä kymmenen minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla 75 Toinen tarkasteltu mitoitussade on kerran 30 vuodessa toistuva 10 minuutin mittainen mitoitussade, jonka intensiteetti on 87 mm/h ja kokonaissadevesimäärä 14,5 mm. Se on siis kestoltaan yhtä pitkä kuin ensimmäinen mitoitussade, mutta intensiteetiltään ja sademäärältään tätä suurempi. Kyseisen mitoitussateen vaikutus verkoston putkien kapasiteettiin sateen loputtua ajanhetkellä 12:10 on esitetty kuvassa 26. Kuva 26 Putkien kapasiteetin käyttöaste keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä kymmenen minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla sateen juuri loputtua Verrattaessa keskimäärin kerran viidessä ja kerran kolmessakymmenessä vuodessa tapahtuvia mitoitussateiden vaikutuksia putkien kapasiteettiin, nähdään että kovempiintensiteettinen sade ennättää täyttää suuremman osan alueen putkista. Putket jotka täyttyvät sateen seurauksena kokonaan, ovat pääosin verkoston latvaosien putkia. Suuremmat viemärit eivät ennätä täyttyä kokonaan mitoitussateiden lyhyestä kestosta johtuen. Tämäkään mitoitussadetapahtuma ei aiheuttanut ylivuotoja. Verkoston tulvivat runkoviemärin kaivot on esitetty kuvassa 27. Keskimäärin kerran kolmessakymmenessä vuo- 76 dessa tapahtuva sade aiheuttaa huomattavasti useamman kaivon tulvintaa kuin kerran viidessä vuodessa tapahtuva sade. Kuva 27 Verkoston tulvivat kaivot keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä kymmenen minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla 77 Kolmas tarkasteltu mitoitussadetapahtuma on kerran 30 vuodessa toistuva 20 minuuttia kestävä mitoitussade, jonka intensiteetti on 60 mm/h ja kokonaissademäärä 20 mm. Se on siis intensiteetiltään yhtä suuri kuin ensimmäinen mitoitussadetapahtuma, mutta kestoltaan tätä kaksi kertaa pidempi. Kuvassa 28 on tämän mitoitussateen vaikutus putkien kapasiteettiin juuri sateen loputtua kello 12:20. Kuva 28 Putkien kapasiteetin käyttöaste keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä 20 minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla sateen juuri loputtua Tämä mitoitussade aiheuttaa mallinnetun verkoston putkien kapasiteetin täyttymistä vain hiukan enemmän kuin kestoltaan lyhyempi mutta intensiteetiltään suurempi edellä tarkasteltu kerran kolmessakymmenessä vuodessa tapahtuva kymmenen minuutin kestoinen mitoitussade. Mallin kaivoista peräti 400 muuttuu paineelliseksi kyseisellä mitoitussateella. Tämä tarkoittaa, että vesi nousee niissä ainakin hetkellisesti kaivon ylimmän putken laen yläpuolelle, muttei kuitenkaan kaivon kannen yläpuolelle aiheuttaen tulvimista. Tarkastel- 78 luista sadetapahtumista keskimäärin kerran 30 vuodessa toistuva 20 minuutin mittainen sadetapahtuma aiheuttaa määrällisesti eniten kaivojen tulvimista. Sadetapahtuman seurauksen 68 mallinnetun verkoston kaivoista tulvii tai on täynnä, niin ettei hulevesi mahdu kadun pinnalta niihin. Suurin osa näistä on juuri kadulta vettä imeviä ritilä- ja kitakaivoja. Tämän lisäksi myös muutama runkoviemärin kaivo tulvii. Kuvassa 29 on keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä 20 minuutin mittaisella mitoitussateella tulvivat runkoviemärin kaivot. Nämä alkavat tulvia vasta juuri ennen mitoitussateen loppumista, eikä tulviminen kestä pitkään. Tulviva vesimäärä on kaivosta riippuen kuutiosta muutamaan kymmeneen kuutioon. Kokoojaviemäreiden kaivojen tulviessa hyvin pieni osa kadulle purkautuvasta vedestä voi olla jätevettä, mikä aiheuttaa myös hygieenisen riskin. Kuva 29 Verkoston tulvivat kaivot keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä 20 minuutin kestoisella mitoitussadetapahtumalla Tämä mitoitussadetapahtuma aiheuttaa eniten verkoston runkoviemäreiden kaivojen tulvimista. Tämä johtuu siitä, että kyseisen mitoitussateen kokonaisvesimäärä on suurin tarkastelluista mitoitussadetapahtumista. Lisäksi sadetapahtuman seurauksena aiheutuu 79 ylivuoto kahdessa alueen ylivuotokaivosta. Nämä on esitetty tarkemmin seuraavassa kappaleessa. 6.2.3 Ylivuototapahtumat Mallinnetulla alueella on kahdeksan ylivuotokaivoa. Läntisin kaivoista erottaa ainoastaan eri suuntiin virtaavia sekaviemäreitä toisistaan. Seitsemän muuta kaivoa toimivat Rautatieaseman editse koilliseen kulkevan sekaviemärin ylivuotokaivoina. Ylivuodon tapahtuessa vesi virtaa sekaviemärin vieressä kulkevaan hulevesiviemäriin, josta se päätyy mereen. Ylivuotokaivojen sijainti on esitetty kuvassa 30. Kuva 30 Mallinnetun alueen kahdeksan ylivuotokaivoa keltaisella Tarkastelluista sadetapahtumista keskimäärin kerran viidessä vuodessa tapahtuvassa mitoitussateessa ja keskimäärin kerran kolmessakymmenessä vuodessa tapahtuvassa 10 minuutin mittaisessa mitoitussateessa ei ylivuotoja ilmennyt. Mallin mukaan sekä heinäkuun rankkasateella että kerran kolmessakymmenessä vuodessa tapahtuvassa 20 minuutin kestoisella mitoitussateella ylivuotoja tapahtui kuvaan merkityistä ylivuotokaivoista 4 ja 5. 80 Ylivuotoihin johtaneista sateista heinäkuussa olleen sateen kokonaiskertymä on 22,3 mm ja mitoitussateen 20 mm. Heinäkuun sade on siis sademäärältään suurempi, mutta myös pitkäkestoisempi. Ylivuotokaivossa 4 tapahtuu suurempi ylivuoto mitoitussadetapahtumalla kun taas ylivuotokaivossa 5 suurempi ylivuototapahtuma on 8.7.2010 olleella rankkasateella. Ylivuotokaivo 4 sijaitsee suuren kokoojaviemärin alkupäässä ennen ylivuotokaivoa 5. Koska mitoitussateessa on suurempi intensiteetti, virtaa suurempi vesimäärä nopeammin ylivuotokaivoon 4, mistä aiheutuu tässä kaivossa heinäkuun sadetta suurempi ylivuoto. Koska heinäkuun sade on pitkäkestoisempi ja mitoitussadetta tasaisempi, ennättää suuri kokoojaviemärikin täyttyä, minkä vuoksi verkoston kapasiteetin ylittyminen tulee ylivuotokaivossa 5 voimakkaampana heinäkuun sadetapahtumalla. Kuvissa 31 ja 32 on esitetty tapahtuneet ylivuodot sateen alkamisen jälkeen. Pisteviivalla on kaivosta tapahtuneen ylivuodon virtaama ja yhtenäisellä viivalla on esitetty koko ylivuototapahtuman aikana virranneen veden kertymä. Molemmissa sadetapahtumissa ylivuoto alkaa aiemmin kaivossa neljä. Se on myös nopeampi ja virtaamaltaan suurempi kaivossa 5 tapahtuneeseen ylivuotoon verrattuna. Tämä johtuu kaivon 4 sijainnista verkoston kohdassa, johon yhdistyy useita pienempiä viemäreitä. Ylivuotokaivossa 5 virtaama hulevesiviemärin puolelle on tasaisempi. Heinäkuun rankkasateessa se on kertymältään vain hiukan ylivuotokaivossa 4 tapahtuvaa ylivuotovirtaamaa pienempi. Mitoitussateessa ylivuotokaivosta 4 tapahtuvan ylivuodon kertymä on noin kaksi kertaa heinäkuun rankkasateesta aiheutunutta ylivuodon kertymää suurempi, kun taas ylivuotokaivossa 5 mitoitussateen seurauksena tapahtuneen ylivuodon määrä on vain noin puolet heinäkuun rankkasateen seurauksena tapahtuvasta ylivuodon määrästä. Simuloinnin perusteella kerran 30 vuodessa tapahtuvalla 20 minuutin kestoisella mitoitussateella Rautatientorin alueen ylivuotokaivoista tapahtuvan virtaaman määrä on noin 820 m3 ja heinäkuun rankkasateella hiukan pienempi ollen noin 640 m3. 81 Kuva 31 Tapahtuneet ylivuodot 8.7.2010 olleen rankkasateen seurauksena Kuva 32 Tapahtuneet ylivuodot keskimäärin kerran 30 vuodessa esiintyvällä 20 minuutin kestoisella mitoitussateella 82 6.2.4 Eri vesijakeiden vaikutus sekaviemärin kapasiteettiin rankkasateella Kuvassa 33 on verrattu katoilta viemäröityjen sadevesien ja kadulta viemäriin johdettujen vesien määriä ja vaikutusta verkoston kapasiteettiin kalibrointiin käytetyllä 8.elokuuta olleella ukkosmyrskyllä. Virtaamat ovat Mannerheimintiellä kulkevasta metrin halkaisijaltaan olevasta kokoojaviemäristä juuri ennen veden purkautumista ulos mallinnusalueelta. Kuva 33 Kadulta ja katoilta viemäriin päätyvien sadevesien vaikutus sekaviemärin kapasiteettiin kovalla sateella Hulevedet valuvat mallin perusteella sekaviemäriin lähes viiveettä viemäröidyiltä katoilta ja hiukan hitaammin kadulta. Näin ollen katoilta johdetut vedet aiheuttavat suurimman virtaamahuipun verkostossa, kun taas kadulta vedet tulevat verkostoon tasaisemmin. Kyseisessä verkoston pisteessä viemäröidyt kattovedet vaikuttaisivat olevan suurempi sekaviemäriverkon kuormittaja kuin kadulta verkostoon johdetut vedet. Tämä johtuu siitä, että katot muodostavat kaksi kolmasosaa kyseisen pisteen valuma-alueesta ja kadut vain kolmanneksen. Verkoston latvaosien viemäreissä katoilta viemäröidyt vedet aiheuttavat samalla tavoin suuremman virtaamahuipun verkostossa. 83 6.2.5 Mallinnetun verkoston toiminta Normaaliolosuhteissa alueen verkosto toimii luodun mallin perusteella moitteettomasti lukuun ottamatta Kluuvikadulta Pohjois-Esplanadille johtavaa linjaa. Tämä johtuu linjassa olevasta merkittävästä painumasta, minkä vuoksi siinä on jatkuvasti vettä. Kyseisen viemärin valuma-alueella sijaitsee paljon ravintoloita. Veden seisominen viemärissä aiheuttaa ravintoloista veden mukana tulevan rasvan kertymistä linjaan, mikä puolestaan aiheuttaa omat ongelmansa ja heikentää viemärin toiminnallista kuntoa. Rautatieaseman editse menee nykyään vähemmän vettä kuin aiemmin alueelle rakennetun Rautatieaseman länsipuolelta pohjoiseen kulkevan viemärilinjan ansiosta. Tämä vähentää todennäköisesti kovien sateiden aikaan tapahtuvia ylivuotoja sekä lyhentää niiden kestoa sekä ylivuotokynnyksen kautta virtaavan veden määrää. Kaikki mallinnusalueen ylivuotokaivoista eivät vaikuta olevan nykyisin tarpeellisia, koska tutkituilla sadetapahtumilla ylivuotoja ei tapahtunut kuin kahdesta kaivosta. Yliopistonkadun kulmasta Elielinaukiolle johtanut yksi viemäri on korvattu kahdella viemärilinjalla 2000-luvun alussa. Mallin mukaan verkosto näyttää täyttyvän tässä paikassa edelleen rankkasateen aikaan. Uuden linjan rakentaminen on kuitenkin luultavasti parantanut tilannetta jonkin verran ja vähentänyt mahdollisesti kaivojen tulvimista. Sateen ollessa kestoltaan lyhyt, mutta intensiteetiltään suuri, putket alkavat padottaa pian ja vedenpinta kaivoissa nousta. Putkien välityskyvyn lisääntyessä ja ylivuotokynnyksistä purkautuvan virtaaman ansiosta vedenpinta ei kuitenkaan nouse maanpinnalle mallin mukaan kuin vasta kovalla rankkasateella. SFS-EN 752-4 mukaisesti viemäröintijärjestelmän tulee selvitä keskusta-alueilla keskimäärin kerran viidessä vuodessa toistuvasta mitoitussateesta ilman putkien padottamista. Kuvan 24 perusteella Helsingin ydinkeskustan putket täyttyvät monin paikoin kyseisellä mitoitussateella. Saman standardin mukaisesti keskusta-alueilla sallitaan tulvimista keskimäärin kerran kolmessakymmenessä vuodessa toistuvan sateen seurauksena. Kuvasta 29 nähdään kaivot, jotka mallin mukaan tulvivat kyseisellä kaksikymmentä minuuttia kestävällä tasaisella mitoitussateella. Luodun mallin perusteella verkoston kapasiteetti ei ole riittävä johtamaan kaikkia alueella rankkasateella muodostuvia hulevesiä 84 pois riittävän nopeasti. Mallissa käytetyt mitoitussateiden tasaiset jakaumat ovat kuitenkin epärealistisia ja todellisuudessa sateen intensiteetti vaihtelee. Verkoston kapasiteettiongelmaa aiheuttaa Mannerheimintien itäpuolella putkien pieni kaltevuus, linjoissa olevat painumat sekä alapuolisen verkoston padottaminen, mikä estää mallinnusalueen viemäreitä tyhjentymästä riittävän nopeasti. Kluuvikadun kautta purkautuva Aleksanterinkadun viemärin kapasiteetti ylittyy ensimmäisenä. Myös Mikonkadulta Rautatientorin suuntaan laskevissa viemäreissä kapasiteetti täyttyy nopeasti. Mannerheimintien länsipuolella kapasiteetti on tiukimmilla alueen pienemmissä viemäreissä, mutta Mannerheimintiellä kulkevassa isossa viemärissä kapasiteetti on mallin perusteella riittävä. Vaikka luotu malli on tehty mahdollisimman tarkaksi, tulee sen antamia tuloksia tarkastella suuntaa antavana tietona ydinkeskustan sekaviemäriverkoston toiminnasta ja mitoituksesta. Tehtyjen tarkastelujen perusteella verkoston kriittisimmiksi pisteiksi voisi sanoa ylivuotokaivoja 4 ja 5, joista virtasi vettä kahdella tutkitulla sadetapahtumalla ylivuodon kautta hulevesiviemäriin. Tämän lisäksi kriittisimpiä pisteitä ovat herkimmin tulvivat kokoojaviemäreiden kaivot. Kaiken kaikkiaan mallinnetun verkoston kapasiteetti ei ole tiukimmilla alueen suurimmissa viemäreissä, vaan ongelmat esiintyvät pienemmissä 600 mm tai tätä pienemmissä latvaviemäreissä. Nämä eivät ennätä tyhjentyä rankkasateella riittävän nopeasti, vaan tulvivat kadulle. Ongelmallisimmat pisteet sijaitsevat keskustan matalimmissa kohdissa savi- ja täyttömaa-alueella. Alueen vanhoissa linjoissa on paikoin painumaa, eikä juurikaan kaatoa, minkä vuoksi ne eivät tyhjene riittävän nopeasti. Verkoston kapasiteetin parantaminen vaatisi näissä putkilinjoissa suurempia putkia tai linjojen suurempaa kaatoa, jotta verkosto johtaisi veden nopeammin pois ydinkeskustan alueelta. 6.3 Tutkimustulosten tarkastelu Analyysin tulokset ovat kyseenalaisia, jos ohjelman ilmoittamat laskennan jatkuvuusvirheet ovat suuruudeltaan 10 % luokkaa. Mallin jatkuvuusvirhe hydrologisessa osassa oli sateen suuruudesta riippuen 0-0,03 %. Simuloitaessa sateetonta aikaa hydraulisen osan jatkuvuuden virhe pysyi alle 1 %. Kalibrointiin käytetyillä sekä tarkastelluilla sadetapahtumilla jatkuvuuden virhe oli verkostossa 6,1–6,8 %. Verkostomalliin talojen katoista luoduista valuma-aluista verkostoon päätyvät vedet aiheuttivat malliin suu- 85 remman jatkuvuuden virheen, kuin erillisestä pintamallista verkostoon johdetut vedet. Tämä johtuu siitä, että verkostomalliin lisättyjen valuma-alueiden vedet päätyvät nopeammin verkostoon, kun pintamallista taas virtaavat vedet tulevat suuremmalla viiveellä ja tasaisemmin kaivojen kautta viemäriin. Koska jatkuvuuden virheet pysyivät selvästi alle 10 %, voidaan tuloksia pitää laskennan jatkuvuuden osalta luotettavina. Ohjelman käyttäjän on itse tarkistettava mallin numeerinen stabiilius. Numeerista epästabiiliutta voi esiintyä vain lyhytaikaisesti, joten sen havaitsemiseksi raportointiväliksi asetettiin 10 sekuntia. Myös aika-askeleen asettaminen mahdollisimman lyhyeksi ja kaivojen tilavuuden määrittäminen paransi mallin antamien tuloksien vakautta. Virtaamien, pinnankorkeuksien ja virtausnopeuksien arvoissa ei näin ollen ilmennyt arvojen suurta heilahtelua, vaan tulokset pysyivät stabiileina. Koko Helsingin viemäriverkoston kattavassa verkostomallissa on tämän mallinnusalueen osalta ainoastaan Rautatieaseman edestä koilliseen kulkeva sekaviemärilinja sekä Mannerheimintiellä sijaitseva viemärilinja suurten yli metrin halkaisijaltaan olevien putkien osalta. Molemmissa malleissa linjoissa virtaavat vesimäärät ovat tarkastelluilla sadetapahtumilla samaa suuruusluokkaa, mutta veden pinnankorkeuksissa on eroa. Rautatieaseman edestä koilliseen lähtevässä sekaviemärilinjassa vedenpinta ei tässä työssä tehdyssä mallissa kohoa verkostossa aivan yhtä korkealle 8.7.2010 olleella sadetapahtumalla kuin ylivuotolaskentoihin käytetyssä karkeammalla tasolla tehdyssä mallissa. Karkeammalla mallilla tehdyssä simulaatiossa Rautatientorin editse koilliseen kulkevan viemärilinjan suurin täyttöaste on 75–100 % keskimäärin kerran viidessä vuodessa tapahtuvalla mitoitussateella ja 100 % keskimäärin kerran kolmessakymmenessä vuodessa ilmenevällä mitoitussateella. Tässä työssä luodun yksityiskohtaisen verkostomallin antamat putkien suurimmat täyttöasteet ovat näitä pienempiä. Ero johtuu siitä, että karkeammassa tarkkuudella luodussa mallissa kaikki hulevedet on johdettu Rautatieaseman edestä koilliseen kulkevaan sekavesiviemäriin kun taas tarkassa mallissa osa sadevesistä on johdettu sekaviemärilinjan vieressä kulkevaan hulevesiviemäriin. Sateen loputtua sekaviemäriverkoston vedenpinta palaa Rautatieaseman editse kulkevan linjan osalta samalle korkeudelle molemmissa malleissa. Mannerheimintiellä kulkevassa linjassa vedenpinta jää puolestaan tässä työssä tehdyssä tarkassa mallissa korkeammalle kuin karkeammalla tarkkuudella luodussa mallissa. 86 Koko Helsingin kattavalla verkostomallilla saaduissa simulaatiotuloksissa Mannerheimintiellä kulkevan viemärilinjan suurin täyttöaste keskimäärin kerran viidessä vuodessa tapahtuvalla mitoitussateella on 50–75 % ja keskimäärin kerran kolmessakymmenessä vuodessa tapahtuvalla mitoitussateella 75–100 %. Tämän linjan osalta tarkalla mallilla saatiin samanlaiset tulokset. Mannerheimintiellä kulkevan linjan osalta pinnankorkeus jää sateen loputtua tarkassa mallissa hiukan korkeammalle kuin karkeammalla tarkkuudella luodussa mallissa. Ero voi johtua malleihin syötettyjen jäte- ja vuotovesimäärien eroista. Pinnankorkeuteen vaikuttaa myös veden virtaamisen rajoittaminen mallissa kyseisestä linjasta suureen kalliotunneliin. HSY Vesihuollolle ja edelleen ympäristöviranomaisille tehdyissä ylivuotolaskelmissa on raportoitu ainoastaan alueen koilliskulmassa sijaitsevan kaivon ylivuototapahtumat. Muita tämän alueen ylivuototapahtumia ei raportoida, koska näiden vesien on oletettu purkautuvan aina sarjassa sekaviemärilinjan seuraavaan putkeen ja kulkeutuvan edelleen puhdistamolle. Malli kuitenkin laskee Rautatieaseman ympäristössä olevissa ylivuotokaivoissa tapahtuvat ylivuodot. Näitä tapahtui heinäkuun 8. päivän sateella mallin mukaan jokaisessa ylivuotokaivossa. (Riihinen 2010, 2011) Koska ylivuotovedet päätyvät mallissa sekaviemärilinjan seuraavaan putkeen, ovat nämä vesimäärät mukana jälleen seuraavaan ylivuotokaivoon tulevassa vesimäärässä. Näin ollen näitä ylivuotovesimääriä ei voitu verrata tässä työssä luodulla mallilla saatuihin ylivuotovesimääriin. Tässä työssä tehdyn mallin mukaan ylivuotoja tapahtui ainoastaan ylivuotokaivoista 4 ja 5. Koko Helsingin kattavan viemärimallin ja Rautatieaseman ympäristöstä tehdyn tarkan mallin tuloksia verratessa on muistettava niiden tarkkuus ja käyttötarkoitus. Ranta-Pere (2009) toteaa, että koko Helsingin kattava verkostomalli on tarkoitettu ensisijaisesti kokonaisuuden hahmottamiseen ja erilaisten sadetapahtumien vaikutuksien selvittämiseen verkoston toiminnan kannalta. Kyseisen mallin antamia tuloksia voidaan tarkastella suuntaa antavana tietona runkoverkon toiminnasta. Sille ei ole tehty myöskään tarkkaa kalibrointia keskustan alueella mittausten hankalan suorittamisen takia. Koko Helsingin kattavaa viemärimallia päivitetään jatkuvasti. Mallin kalibroimiseksi tehdään parhaillaan kymmenestä pisteestä virtausmittauksia ja malliin luotuja valumaalueita tarkennetaan. Tämän tutkimuksen myötä malli täydennetään ja korjataan työssä 87 tehtyjen havaintojen perusteella. Rautatieaseman edestä koilliseen kulkevan sekaviemärilinjan vieressä kulkeva hulevesiviemäri lisätään malliin. Tämän lisäksi mallia täydennetään puuttuvien ylivuotokaivojen osalta sekä muuttamalla kaikista Rautatieaseman edessä sijaitsevista ylivuotokaivoista tapahtuvien ylivuotovesien virtaaminen hulevesiviemäriin ja edelleen mereen. Lisäksi tässä työssä mallin kalibroimiseksi tehtyjä mittauksia voidaan käyttää karkeammalla tarkkuudella luodun mallin kalibrointiin keskustan osalta. 6.4 Tehtyjä oletuksia ja muita havaintoja Rakennettu malli perustuu käytössä olleisiin lähtötietoihin, joten virheelliset tiedot verkostokartoissa ovat virheellisesti myös mallissa. Luotu malli on tehty kuitenkin niin tarkasti, kuin lähtötietojen perusteella käytetyllä mallinnusohjelmalla oli mahdollista. Viemäriverkoston hydrauliseen toimintaan vaikuttavat viemärin suunnitteluparametrit, kuten viemärin muoto, viettokaltevuus ja materiaali. Tämän lisäksi siihen vaikuttavat viemärin kuntoparametrit kuten liettyminen ja rakenteiden kunto. Mallissa viemäriverkosto on oletettu toimivan karttatietojen mukaisena. Laskelmat eivät siis huomioi viemärissä olevaa irtokertymää, viemäriin tunkeutuneita juuria tai muita rakentamisen jälkeen viemäriin syntyneitä virtausta haittaavia tekijöitä, joita voivat olla esimerkiksi tukkeumat ja sortumat. Koska mallinnusalueen verkosto on pääosin hyvin vanhaa, on sen toiminnallinen kunto hyvin todennäköisesti muuttunut vuosikymmenten aikana. Virtaamaa hidastavien tekijöiden vaikutus on huomioitu putkien karkeutta kuvaavassa Manningin -kertoimessa. Jos putkessa on paljon kiintoainesta, on sen todellinen täyttöaste kuitenkin suurempi kuin mallin antama. Kaivojen maksimikorkeus on laskettu pintamallista saatujen kaivon kansien korkotietojen perusteella, joka saattaa joissain pisteissä aiheuttaa maksimissaan muutaman kymmenen senttimetrin virheen kaivon todelliseen korkeuteen nähden. Tämä vaikuttaa mallissa ajanhetkeen, jolloin kaivo täyttyy ja alkaa tulvia sekä kaivosta tulvivaan vesimäärään. Alueen kiinteistöissä on paljon pohja- ja perusvesikaivoja, joiden avulla ne säätelevät pohjaveden pinnankorkeutta pumppaamalla ylimääräistä kaivoon kerääntyvää vettä verkostoon. Kaikista alueen kaivoista ja niistä sekaviemäriin pumpatuista vesimääristä ei ollut tietoa, joten vesimäärät jouduttiin arvioimaan. Maan pinta on oletettu vettä lä- 88 päisemättömäksi, ja viemäriin päätyvien vuotovesien määrä on oletettu vakioksi. Todellisuudessa sade saattaa kuitenkin vaikuttaa jonkin verran alueen maaperään kosteuteen. Myös pohja- ja orsivesien pinnat vaihtelevat eri vuodenaikoina, jolloin verkostoon päätyvien vuotovesien määrä vaihtelee. Tässä tutkimuksessa verkostoon päätyvät vuoto- ja pohjavedet on kuitenkin oletettu koko alueella samoiksi sekä sääoloista ja vuodenajoista riippumattomiksi. Luotuun malliin johdettujen vesien määrään vaikuttaa käytetty sadeaineisto. Tässä käytettiin aivan mallinnusalueen vierestä mitattuja sadantatietoja. Kalibrointiin käytettyjen sadetapahtumien intensiteetit olivat kymmenen minuutin keskiarvoina ja 8.7.2010 olleen sadetapahtuman intensiteetit olivat viiden minuutin keskiarvoina. Tämä aiheuttaa jonkin verran epätarkkuutta ja jättää suurimmat intensiteettihuiput huomioimatta. Kiinteistöjen katoille satava vesi menee mallissa kokonaisuudessaan suoraan viemäriin. Todellisuudessa näin ei kuitenkaan ole, vaan osa vesistä jää muun muassa erilaisiin painaumiin tai rakenteisiin ja haihtuu. Luodusta mallista on jätetty pois kiinteistöjen viemäröintijärjestelmät, jotka aiheuttaisivat jonkin verran viivettä kattovesien virtaamiseen viemäriin. Kattopinta-alojen jako viemäröityihin ja kadulle vetensä johtaviin, on tehty ilmakuvan ja maastohavaintojen perusteella. Näissä voi olla jonkin verran virhettä, sillä todellista tietoa kattojen viemäröidyistä aloista ei ollut. Viemäriin johdettujen jätevesimäärien laskentaan käytettiin vuoden 2010 kuuden ensimmäisen kuukauden kiinteistöjen vedenkulutustietoja, kun taas mallin kalibrointiin tehdyt mittaukset toteutettiin kuuden jälkimmäisen kuukauden aikana. Tämä aiheuttaa varmasti jonkin verran epävarmuutta verkostossa virtaavan sateettoman ajan virtaamaan. Mallin kalibrointia varten suoritetut mittaukset oli hankala toteuttaa. Tämä johtui sekä tutkimusalueen sijainnista Helsingin ydinkeskustassa että verkoston iästä. Virtausmittareiden sijoittaminen mallinnusalueen purkupisteisiin ei ollut mahdollista eikä kaikkiin suurimpiin putkilinjoihin saatu mittaria ollenkaan. Näin ollen koko malli on kalibroitu niiden linjojen perusteella, joista saatiin mittaustietoa. Koska kaksi mittareista sijaitsi mallinnusalueen keskellä, ei kalibrointia tarvinnut suorittaa ainoastaan purkupisteiden läheisyydestä tehtyjen mittausten perusteella, vaan myös mallinnusalueen sisäisistä tapahtumista saatiin mittaustietoa. Tämä osoittautui tärkeäksi tarkasteltaessa tuloksia, 89 joissa verkoston suurimmat täyttöasteet sijaitsevat juuri mallinnusalueen sisällä pienemmissä putkissa. Koska tutkimus keskittyi nimenomaan rankkasateiden vaikutuksiin, tulisi kalibroinninkin perustua suuriin virtaamiin. Nämä ovat kuitenkin havaintoaineistossa harvassa ja osassa mittauksissa ollut 30 minuutin tulostusväli saattaa aiheuttaa juuri virtaaman huippuarvon poisjäämisen mittaussarjasta, kuten osassa toteutetuista mittauksista vaikuttaa tapahtuneen. Malli saatiin kuitenkin kalibroitua kaikkien mittauspisteiden osalta hyvin siihen nähden, kuinka paljon alueella oli epävarmoja tekijöitä, jotka jouduttiin arvioimaan. Maan pinnasta luotu erillinen pintamalli vaikuttaa kadulta verkostoon johdettujen hulevesien määrään ja verkostoon kulkeutumisen nopeuteen. Tämä riippuu muun muassa pintamallin resoluutiosta. Lisäksi pintamallista tulevien vesien viiveeseen vaikuttaa sadevesikaivojen imuteho, johon vaikuttaa pintamalliin arvioitu kansien läpivirtausalojen koko. Mitä nopeammin ja pienemmällä viiveellä sadevedet päätyvät pintamallista viemäriin, sitä suuremmat huippuvirtaamat ja -pinnankorkeudet verkostoon aiheutuu. Malli näyttää hetkellisesti joissain verkoston pisteissä liian voimakasta putken täyttöastetta. Tämä saattaa johtua siitä, ettei mallissa ole kiinteistöjen viemäröintijärjestelmiä, vaan katoilta tulevat vedet päätyvät suoraan liitoskaivoon. 90 7 JOHTOPÄÄTÖKSET Työssä tarkasteltiin mallin antamia tuloksia erityisesti verkoston kapasiteetin, tulvimisherkkyyden ja kriittisimpien pisteiden osalta. Tehtyjen mittausten mallin perusteella voidaan sanoa, että sateet vaikuttivat kyseisen alueen sekaviemärissä lähes välittömästi virtaamaa voimakkaasti kasvattaen. Kovien sateiden aikaan virtaama yli kymmenkertaistui sateettomaan ajankohtaan verrattuna. Luodun mallin perusteella verkoston kapasiteetti ei ole riittävä johtamaan kaikkia rankkasateella muodostuvia hulevesiä pois tarpeeksi nopeasti. Suurimmat ongelmat eivät ilmene alueen suurissa kokoojaviemäreissä, vaan pienemmissä verkoston latvaosien putkissa. Näissä putkien kapasiteetti täyttyy herkimmin ja kaivot tulvivat. Vaikka alueesta luotu verkostomalli on mahdollisimman tarkka ja sen kalibrointi onnistui melko hyvin kaikkien mittauspisteiden osalta, tulee mallin antamia tuloksia tarkastella suuntaa antavana tietona ydinkeskustan sekaviemäriverkoston toiminnasta ja mitoituksesta. Mallilla tarkastellaan yleisiä viemäreitä, eikä sen perusteella voida sanoa kovin paljon kiinteistöihin aiheutuvista riskeistä. Tähän vaikuttaa muun muassa kiinteistöjen liitoskorkeus, järjestelmissä olevat yksisuuntaventtiilit sekä kiinteistöjen pumppausjärjestelyt. Sekaviemäriverkostot ovat vanhoja ja rakennettu vuosikymmeniä sitten. Tällöin ei ole osattu ennakoida tulevaa verkoston kapasiteettitarvetta nykypäivää vastaavaksi. Asukasmäärän lisääntyessä kuormitus on saattanut lisääntyä ja vaatimukset viemäröinnin moitteettomaan toimintaan kasvanut. Myös päällystetyn pinnan osuus, vettä vastaanottavien hulevesikaivojen määrä sekä suoraan viemäriin johdettujen kattovesien määrä on lisääntynyt jatkuvasti. Näin ollen sateet aiheuttavat äkillisemmät ja suuremmat virtaamahuiput sekaviemäriverkostossa. Viemäritulvien ehkäisemiseksi sekaviemäriin johdettavien hulevesien määrää tulisi mahdollisuuksien mukaan vähentää. Katuja uusittaessa ja linjoja saneerattaessa ennen kaduille johdettuja kattovesiä ei tulisi yhdistää sekaviemäriin tarkistamatta verkostojen kapasiteettiä ja harkitsematta muita keinoja johtaa sadevedet alueelta. Kattovesien yhdistäminen suoraan sekaviemäriin voi johtaa ongelmiin, mikäli verkoston kapasiteetti on ollut jo aiemmin tehokkaasti käytössä. Sekaviemärijärjestelmien ylikuormitustilanteita voidaan lieventää ja torjua erilaisilla pidättävillä ja virtaamaa hidastavilla rakenteilla sekä ratkaisuilla, jotka ehkäisevät kuormitus- 91 huippuja järjestelmän kriittisissä kohdissa. Myös kadun pinnan tulvareittien tehokkaalla suunnittelulla voidaan pienentää taajamatulvien riskiä. Vesihuoltolaitosten tulisikin varautua ilmastonmuutoksen seurauksena aiheutuvien kesän rankkasateiden lisääntymiseen. Mallinnus on hyvä menetelmä olemassa olevan verkoston toiminnan analysointiin sekä verkoston yksittäisten kohtien suunnitteluun. Karkeammalla tarkkuudella luodut verkostomallit sisältävät usein vain suurimmat viemärilinjat sekä olennaisimmat kaivot ja muut rakenteet. Esimerkiksi verkoston tulvivat kaivot tai muut ongelmakohdat voivat sijaita pienemmissä linjoissa ja verkoston latvaosissa kuten tässä työssä tutkitulla alueella. Koska tarkka verkostomalli sisältää suurimpien pääviemäreiden lisäksi myös pienimmät verkoston latvaosien viemärit ja kaikki verkostossa sijaitsevat kaivot, voidaan sillä tutkia paljon tarkemmin verkoston toimintaa ja kapasiteettiä normaalitilanteessa sekä erilaisilla sateilla. Yksityiskohtainen malli antaa totuudenmukaisemman kuvan tarkasteltaessa esimerkiksi rankkasateen seurauksena kapasiteetin ylittäviä kohtia ja verkostossa ensimmäisenä tulvivia kaivoja. Sitä voidaan käyttää myös verkoston toiminnan kannalta kriittisimpien pisteiden selvittämiseen muidenkin kuin suurimpien linjojen osalta. Tällainen yksityiskohtainen sekaviemäriverkostomalli mahdollistaa myös verkoston kapasiteettiin vaikuttavien eri kuormituslähteiden keskinäisen vertailun tai yksittäisen kuormittajan vaikutuksen tarkastelun verkoston vesimääriin. Se soveltuu myös hyvin erilaisten riskitarkastelujen tekoon. Tällainen voi olla esimerkiksi meriveden noususta aiheutuvan verkostojen täyttymisen ja tulvimisen mallinnus. Tämän avulla voidaan etsiä verkoston kriittisimmät pisteet, joista merivesi pääsee ensimmäisenä verkostoon. Samalla mallilla voidaan tarkastella niitä pisteitä, joista tällaisessa tilanteessa verkosto kannattaa tulpata veden nousun estämiseksi verkostoon. Riskitarkasteluina voidaan tutkia myös ilmastonmuutoksen vaikutuksia erilaisilla mitoitussateilla. Kapasiteettitarkasteluja voidaan hyödyntää riittäviä liitoskorkeuksia arvioitaessa, sekä tutkittaessa millaisia rakenteita tonttiviemärissä tulee olla, jotta vahingoilta vältytään. Mallia voidaan hyödyntää uusien linjojen suunnittelussa ja vanhojen saneerauksessa. Sillä voidaan tutkia uusien linjojen rakentamisen parantavaa vaikutusta verkoston kapasiteettiin sekä suunnitella verkoston toiminnan kannalta parhainta ratkaisua verkostoa 92 saneerattaessa. Suunnittelussa tarkkaa mallia voidaan käyttää hulevesien osalta muun muassa virtaamaa viivyttävien rakenteiden mitoituksessa ja toiminnan testaamisessa. Tarkalla verkostomallilla voidaan selvittää sekaviemäristä tapahtuvien ylivuotojen määrä ja laatu tarkemmin kuin karkeammalla tarkkuudella laaditulla mallilla. Sitä voidaan myös käyttää ylivuotokynnysten mitoituksen tarkistamisessa sekä tarvittaessa ylivuotokynnysten uudelleenmitoituksessa. Ennen mallinnustyöhön ryhtymistä tehdään usein selvä rajaus, mitä luotavassa mallissa huomioidaan ja mitä jätetään tarkastelun ulkopuolelle. Käytettävä mallinnusohjelma on kuitenkin tunnettava myös tarkastelun ulkopuolelle rajattujen asioiden osalta, eikä jotain tiettyä tekijää voi rajata ulkopuolelle, arvioimatta ensin miten tämä vaikuttaa mallinnustulokseen. Mitä tarkempaa mallia käytetään, sitä enemmän tarvitaan yksityiskohtaisia lähtötietoja. Jos näitä tietoja ei pystytä antamaan riittävän laadukkaina, on yksityiskohtaisesta mallinnuksesta saatava hyöty kyseenalainen, sillä pienet virheet mallissa saattavat vaikuttaa huomattavasti mallinnustulokseen. Myös erilaiset mallinnuksessa tehdyt oletukset vaikuttavat helposti lopputulokseen. Jotta mallilla saataisiin mahdollisimman oikeita tuloksia, on verkoston rakennetietojen lisäksi malliin tulevat vesimäärät tiedettävä mahdollisimman tarkasti. Kiinteistöistä tulevat jätevesitiedot saadaan melko tarkasti vedenkulutustiedoista. Ongelmia aiheuttaakin verkostoon päätyvien vuotovesien arviointi. Tämän kannalta tarkan mallin luominen uudehkolle verkostolle on helpompaa ja antaa luotettavamman tuloksen. Rankkasateilla suurimmat vesimäärät aiheutuvat sekaviemäriin kuitenkin sadevesistä, jolloin vuotovesien osuus verkostossa sateen aikana on pieni. Kiinteistöjen katoilta viemäriin päätyvien vesien määrä voidaan arvioida viemäröityjen kattopinta-alojen perusteella. Kadulta hulevesikaivojen kautta verkostoon päätyvien vesimäärien arviointi ja mallinnus on paljon vaikeampaa, sillä eri kaivojen kautta verkostoon päätyvä vesimäärä riippuu monesta tekijästä maan pinnalla. Suuresta tietomäärästä johtuen mallin luominen on työlästä ja aikaa vievää. Tätä voidaan helpottaa, mikäli verkostotiedot saadaan siirrettyä mallinnusohjelmaan suoraan verkkotietojärjestelmästä. Siitäkin huolimatta mallinnettava alue jää usein pieneksi, sillä käsin tehtävää työtä ei voi välttää. Vanhaa verkostoa on saatettu muuttaa useaan otteeseen, eikä karttatietojen oikeellisuudesta voida olla aina varmoja. Viemäreiden kuntoa 93 selvitetään TV-kuvauksen avulla. Nykyisin kuvattujen viemäreiden tutkimus- ja raportointiohjelmalla voidaan luoda verkostosta 3-ulotteinen malli, joka perustuu kuvauksessa tehtyihin tutkimuspöytäkirjoihin. Kun tällainen malli saataisiin yhdistettyä verkostomallinnusohjelmaan, voitaisiin alueellisten kuvausten jälkeen tarkistaa myös verkoston kapasiteetti viemärin kunnon lisäksi. Vesilaitosten tulisi panostaa ajanmukaiseen ja kattavaan mittaustiedon keruuseen. Myös muunlainen seuranta ja raportointi muun muassa tulvivien kohteiden, tukosten ja muiden verkoston kapasiteettiin ja toimintaan liittyvien havaintojen osalta on tärkeää. Raportoituja tietoja verkoston kunnosta voidaan hyödyntää mallinnuksessa. Lisäksi niiden avulla voidaan löytää merkittävimmät ongelmakohdat ja päätyä oikeanlaiseen ongelmanratkaisuun, joko mallinnuksen avulla tai muilla keinoin. Sekaviemäriverkostojen säännöllinen kunnossapito, huolto ja toiminnan tarkkailu ovat tärkeitä, sillä ne ovat helppoja ja edullisia vahinkojen ehkäisymenetelmiä. Viemärivirtausmittausten tekeminen on haastavaa. Tämän tutkimuksen alueella ongelmat aiheutuivat sekä mallinnettavan alueen sijainnista aivan Helsingin keskustassa että vanhan sekaviemärin asettamista haasteista. Myös mallinnus- ja kalibrointityö olisi hyvä ajoittaa tällaisessa kohteessa lumettomaan ajankohtaan. Tällöin lisävirtausmittauksia ja verkoston tutkimista voisi tehdä enemmän. Tässä tutkimuksessa tehty tarkastelu oli rajattu ainoastaan verkostossa kulkevan vesimäärän ja sen käyttäytymisen tutkimiseen. Luotuun malliin voisi lisätä veden laadullisen tutkimuksen, jolla voisi arvioida ylivuotokaivoista tapahtuvan virtaaman laatua sekä sen aiheuttamia seurauksia. Tässä tutkimuksessa verkostoon kadun pinnalta hulevesikaivojen kautta päätyvät vesimäärät laskettiin erillisellä lasertutkamittaukseen perustuvalla tarkalla pintamallilla. Jatkotutkimuksena voisi verrata tämän pintamallin ja pelkästään SWMM:llä mallinnetun kadun pinnalta tapahtuvan valunnan eroa sekä tutkia erillisestä pintamallista saatavaa lisäarvoa ja tarkkuutta. Kun karkeammalla tarkkuudella luotu koko Helsingin käsittävä viemäriverkostomalli on päivitetty tämän mallinnustyön yhteydessä selvinneiden rakennetietojen osalta, voisi näiden mallien antamia simulointituloksia verrata uudelleen ja tutkia esimerkiksi eroaako mallien antamien ylivuotovesien määrä toisistaan. 94 Kansalaisten valveutuneisuus ympäristöasioita kohtaan on lisääntynyt merkittävästi viime vuosina. Toimintavarma ja korkeatasoinen vesihuolto luo perustan kaikille yhteiskunnallisille toiminnoille. Kaupunkien hule- ja jätevesijärjestelmien kehittäminen on jatkuva prosessi. Rakennettujen järjestelmien toimintaa ja palvelutasoa tulisi seurata ja kehittää jatkuvasti. Tässä työssä luodun mahdollisimman tarkan verkostomallin luominen on työlästä ja vaatii paljon tarkkoja lähtötietoja. Sitä pystyy kuitenkin hyödyntämään monipuolisesti niin olemassa olevan verkoston toiminnan analysoinnissa kuin verkoston yksittäisten kohteiden suunnittelussakin. 95 LÄHTEET Aaltonen, J., Hohti, H., Jylhä, K., Karvonen, T., Kilpeläinen, T., Koistinen, J., Kotro, J., Kuitunen, T., Ollila, M., Parvio, A., Pulkkinen, S., Silander, J., Tiihonen, T., Tuomenvirta, H. & Vajda, A. 2008. Rankkasateet ja taajamatulvat (RATU). Suomen ympäristökeskus. Vammalan Kirjapaino Oy, Vammala. 123 s. (Suomen ympäristö 31/2008). ISBN ISBN 978-952-11-3210-0 (painettu). 978-952-11-3211-7 (sähköinen). Barco, J., Kenneth, M.W. & Stenstrom, M. K. 2008. Automatic Calibration of the U.S. EPA SWMM Model for a Large Urban Catchment. Journal of hydraulic engineering. Vol 134:4. S. 466-474. ISNN 0733-9429. Begnudelli, L., Sanders, B.F. & Bradford, S.F. 2008. Adaptive Godunov-Based Model for Flood Simulation. Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 134:6. S. 714-725. ISNN 0733-9429. Butler, D. & Davies J. W. 2004. Urban Drainage 2nd edition.Spon Press. London and New York. 543 s. ISBN 0-415-30607-8. Calabrò, P. S. 2004. Design Storms and Water Quality Control. Journal of Hydrologic Engineering. Vol. 9:1. S. 28–34. ISNN 1084-0699 Cambez, M.J., Pinho, J. & David, L.M. 2008. Using SWMM 5 in the continuous modeling of stormwater hydraulics and quality.11th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK. Djordjevi , S., Prodanovi , D. & Maksimovi , . 1999, An approach to simulation of dual drainage. Water Science and Technology. Vol. 39:9. S. 95–103. ISNN 0237-1223. Durrans, S. R. 2003. Stormwater Conveyance Modeling and Design. First Edition. Haestad Methods. 688 s. ISBN 0-9657580-8-7 FCG Suunnittelukeskus Oy 2007. Helsingin hulevesien hallinta nyt ja tulevaisuuden näkökulmia -Selvitys. 21.9.2007. 61 s. Raportti 0100-C8620. 96 Flow-Tronic. 2010. FLO-DARTM Model 4000 Combined Radar Area/Velocity Flow Sensor. [Verkkodokumentti, viitattu 10.11.2010]. Saatavissa: http://www.flow- tronic.com/portal/downloads/tec_specs/en/Attachment00035011/Tec-Spec%20FloDar%204000%20SR-LR%20EN%20Rev%2009-2010.pdf. Gallegos, H. A., Schubert, J. E. & Sanders, B. F. 2009. Two-dimensional, highresolution modeling of urban dam-break flooding: A case stude of Baldwin Hills, California. Advances in Water Resources Vol 32. S. 1323-1335. Gironás, J., Roesner, L. A. & Davis J. 2009. Storm Water Management Model Applications Manual. Cincinnati, Ohio. U.S. Environmental Protection Agency. National Risk Management Research Laboratory. 180 s. EPA/600/R-09/000. Helsingin kaupunki, Geotekninen osasto. 2011. Maaperäkartta. Helsinki Soili. [Verkkodokumentti, viitattu 2.3.2001]. Saatavissa : http://ptp.hel.fi/soili/Default.aspx. Huber, W. C., Dickinson, R. E. & Barnwell, T. O. 1992. Storm Water Management model, Version 4: User’s manual. Second Printing. Athens, Georgia. U.S. Environmental Protection Agency. Environmental Research Laboratory. 52 s. EPA/600/3-88/001a. Hyvönen 2011. Tuotekehitysjohtaja. EHP-Tekniikka Oy. Kirjallinen tiedoksianto. 21.2.2011. Hyyrynmäki, P. 1997. Helsingissä seurataan sekaviemärien toimintaa reaaliaikaisesti internetin kautta. Automaatioväylä. 1-2007. S 32-33. ISSN 0784 6428. Ilmatieteen laitos. 2010. Uutiset. Tiedotteet. Kuumassa ja kosteassa kehittyi rankkasateita Helsingissä ja ukkosia Itä-Suomessa. [Verkkodokumentti, viitattu 8.12.2010]. Saatavissa: http://legacy.fmi.fi/uutiset/index.html?A=1&Id=1278657699.html Ilmatieteen laitos. 2011. Teematietoa. Sääennuste. Tunne termit - ymmärrä säätiedotus. Sade. Sadetta ja poutaa. [Verkkodokumentti, viitattu 30.3.2011]. Saatavissa: http://ilmatieteenlaitos.fi/sade Kauppinen, H. 2005. Verkostojen kuntoselvitys. Helsingin Vesi. s. 29. 97 Kunnallisen vesihuollon neuvottelukunta. 1983. Viemäritulvat. Suomen kaupunkiliitto. 32 s. ISBN 951-759-222-1 Lyngfelt, S. 1985. On urban runoff modelling – The application of numerical models based on the kinematic wave theory. Göteborg. Chalmers University of Technology. 195 s. Marsh McBirney. 2000. Flo-DarTM System. Open Channel Non-Contact Radar Flowmeter. Model 460. Installation & Operation. 40 s. P/N 105004601. Marsh McBirney. 2005. Start-Up Guide. Flow-Dar Open Channel Flowmeter with Surcharge Velocity Sensor Option. 14 s. P/N 105006001. Mays L.W. 1999. Hydraulic Design Handbook. Department of Civil and Environmental Engineering. Arizona State University. Tempe, Arizona. McGraw-Hill. 1024 s. ISBN 0-07-041152-2. Mustonen, S. 1986. Sovellettu Hydrologia. Vesiyhdistys r.y. Helsinki. Mäntän Kirjapaino Oy. 503 s. ISBN 951-95555-1-X. Niemelä, J. 1968. Yleinen Viemärilaitos. 2. painos. Kaupunkiliiton toimisto. Teknillinen osasto. Pohjois-Karjalan Kirjapaino Oy, Joensuu 58 s. (Kaupunkiliiton käsikirjoja ja tutkimuksia N:o C 2). Niinimäki, R. 2011a. Rakennusgeologi. Helsingin kaupungin kiinteistöviraston geotekninen osasto. Suullinen tiedoksianto 8.3.2011. Niinimäki, R 2011b. Rakennusgeologi. Helsingin kaupungin kiinteistöviraston geotekninen osasto. Kirjallinen tiedoksianto 15.3.2011. Nurmi, P., Heinonen, T., Jylhänlehto, M., Kilpinen, J. & Nyberg, R. 2008. Helsingin kaupungin hulevesistrategia. Helsingin kaupungin rakennusvirasto, katu- ja puistoosasto. Kopio-Niini Oy. 13 s. (Helsingin kaupungin rakennusviraston julkaisut 2008:9 / Katu- ja puisto-osasto). ISBN: 978-952-223-306-6. Park, H. & Johnson, T. J. 1998. Hydrodynamic modeling in solving combined sewer problems: A case study. Water Research. Vol. 32:6. S 1948-1956. ISSN 0043-1354 98 Ranta-Pere, T. 2009. Helsingin viemäriverkoston tulvahallinta. Diplomityö. Teknillinen korkeakoulu. Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta. Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan koulutusohjelma. Espoo. 89 s. Riihinen, H. 2010. Projektipäällikkö. FCG Finnish Consulting Group Oy. Kirjallinen tiedoksianto. 5.10.2010. Riihinen, H. 2011. Projektipäällikkö. FCG Finnish Consulting Group Oy. Kirjallinen tiedoksianto. 12.4.2011 RIL 124-1. 2003. Vesihuolto I. Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL r.y. Vammalan kirjapaino Oy. Helsinki. 314 s. ISBN 951-758-431-8. RIL 124-2. 2004. Vesihuolto II. Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL r.y. Vammalan kirjapaino Oy. Helsinki. 684 s. ISBN 951-758-438-5. RIL 237-1. 2010. Vesihuoltoverkkojen suunnittelu. Perusteet ja toiminnallisuus. Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL r.y. Saarijärven Offset Oy. Helsinki. 177s. ISBN 978-951-758-526-2. RIL 237-2. 2010. Vesihuoltoverkkojen suunnittelu. Mitoitus ja suunnittelu. Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL r.y. Saarijärven Offset Oy. Helsinki. 162s. ISBN 978-951758-521-7. Rossman, L.A. 2006. Storm Water Management Model Quality Assurance Report: Dynamic Wave Flow Routing. Cincinnati, Ohio. U.S. Environmental protection agency. EPA/600/R-06/097. 115 s. Rossman, L.A. 2010. Storm Water Management Model, User’s Manual, Version 5.0. Cincinnati, Ohio. U.S. Environmental protection Agency. EPA/600/R-05/040. 285 s. Sala, A. 2005. Viemäritulvariskien hallinta. Teknillinen korkeakoulu. Rakennus- ja yhdyskuntatekniikan osasto. Vesihuoltotekniikan laboratorio. Espoo. 96 s. SFS-EN 752-4. 1997. Drain and sewer systems outside buildings – Part 4: Hydraulic design and environmental considerations. Brussels, Belgium. European Standard. European Committee for Standadization CEN. 21 s. 99 Silander, J. 2008 Rankkasateet ja hulevesien hallinnan suunnittelu. Vesitalous 3/2008. S. 20-24. Schmitt, T.G., Thomas, T. & Ettrich, N. 2004. Analysis and modeling of flooding in urban drainage systems. Journal of Hydrology, Vol. 299. S. 300-311. ISNN 0022-1694. Smith, M. B. 1993. A GIS-based distributed parameter hydrologic model for urban areas. Hydrological Processes. Vol. 7:1. S. 45-61. ISNN 336-106. Smith, M. B. 2006. Comment on ‘Analysis and modeling of flooding in urban drainage systems’ Journal of Hydrology. Vol. 317. S. 355-363. ISNN 355-363. SWMM 5.0 Blog. 2011. Explicit Iteration Hydraulic Computation and Implicit Time Step Hydraulic Computations in SWMM 5. [verkkodokumentti, viitattu 6.4.2011.] Saatavissa: http://swmm5.blogspot.com/2010/07/explicit-iteration-hydraulic.html Valkeapää, V., Nyman, T. & Vaittinen, M. 2008. Helsingin kaupungin tulvastrategia. Helsingin kaupunki, Kaupunkisuunnitteluvirasto. 35 s. [verkkodokumentti, viitattu 25.1.2011.] Saatavissa: http://www.hel.fi/wps/wcm/connect/d637b4004f58c8e581d1c7ddf57f027f/tulvastrategi a1_1_2009.pdf?MOD=AJPERES Vesihuoltolaki 119/2001 1§ ja 9 §. Helsinki. [verkkodokumentti, viitattu 21.1.2011]. Saatavissa: http://www.finlex.fi/fi/laki/kokoelma/2001/20010015.pdf Vesi- ja viemärilaitosyhdistys. 2009. Vesihuoltolaitosten tunnuslukujärjestelmän raportti 2008. (Vesi- ja viemärilaitosyhdistyksen monistesarja Nro 27.) ISBN 978-9525000-69-6 Vikman, H. & Arosilta, A. (toim.) 2006. Vesihuollon erityistilanteet ja niihin varautuminen. Vammalan Kirjapaino Oy. Helsinki. Maa- ja metsätalousministeriö. Huoltovarmuuskeskus. Suomen ympäristökeskus. 118 s. (Ympäristöopas 128.) ISBN 952-112175-0 (painettu). ISBN 952-11-2176-6 (sähköinen). Weston, R. F. 2000. Quality Assurance Project Plan – Modeling Study of PCB Contamination in the Housatonic River. U.S. Army Corps of Engineers and U.S. Environmental Protection Agency. 100 Ympäristöministeriö 2007. D1 Suomen Rakentamismääräyskokoelma. Kiinteistöjen vesi- ja viemärilaitteistot Määräykset ja ohjeet 2007. Helsinki. Asunto- ja rakennusosasto. (Suomen rakentamismääräyskokoelma). 64 s. [verkkodokumentti, viitattu 24.1.2011]. Saatavissa: http://www.finlex.fi/data/normit/28208-D1_2007.pdf Zoppou, C. 1999. Review of Storm Water Models. Integrated Water Managemant Group. Christian Laboratory. CSIRO Land and Water, Canberra ACT Australia. 57 s. (Technical Report 52/99). ISBN 0-643-06075-8 101 LIITTEET Liite 1 Jatkuvuuden huomiointi SWMM:n laskennassa (Rossman 2006) ................... 102 Liite 2 Helsingin ydinkeskustan maaperäkartta (Helsingin kaupunki, Geotekninen osasto 2011) .................................................................................................................. 106 Liite 3 Kalibrointitulokset sateettomalta ajalta ............................................................ 107 Liite 4 Kalibrointitulokset 8.8.2010 olleesta sadetapahtumasta................................... 108 Liite 5 Kalibrointitulokset 9.11.2010 olleesta sadetapahtumasta................................. 109 102 Liite 1 Jatkuvuuden huomiointi SWMM:n laskennassa (Rossman 2006) Mallinnettaessa putkiverkostoa jatkuvuus on huomioitava sekä putkissa että solmukohdissa. SWMM:ssä oletetaan veden pinnan pysyvän samalla tasolla solmukohdan ja siihen liittyvien putkien välillä. Hydraulisen korkeuden H muutos solmukohdassa ajan suhteen voidaan esittää kaavalla: Q H t Asolmu AS , (14) missä Asolmu on solmukohdan pinta-ala, pinnan ala ja AS on solmukohtaan liittyvien putkien veden Q on nettovirtaama solmukohdassa eli siihen tuleva virtaama vähennet- tynä siitä lähtevällä virtaamalla. Yhtälöt 4, 6 ja 14 ratkaistaan SWMM:ssä yhdistämällä ne differenssikaavojen joukoksi. Se laskee samanaikaisesti virtaaman jokaisessa putkessa ja vedenkorkeuden jokaisessa solmukohdassa ajan t + t funtiona tunnetuilla ajan t arvoilla. Putkille ratkaistaan virtaama kaavalla: Qt Qt Q gravity Qinertial 1 Q friction Qlosses t , (15) jossa Qt on virtaama ajanhetkellä t ja yksittäiset Q -tekijät on nimetty kuvaamiensa voimien mukaan ja ne saadaan seuraavista yhtälöistä: Qgravity gA ( H 1 H 2 ) t / L, Qinertial 2V ( A At ) V 2 ( A2 Q friction gn 2 V t k 2R 4/3 , K i Vi t Qlosses i 2L , A1 ) t / L, 103 joissa: A = putkessa kulkevan virtaaman keskimääräinen poikkileikkausala, H 1 = vedenkorkeus putken yläpäässä H 2 =vedenkorkeus putken alapäässä L = putken pituus, V = putkessa kulkevan virtaaman keskimääräinen nopeus, A1 =virtaaman poikkileikkauspinta-ala putken yläpäässä A2 =virtaaman poikkileikkauspinta-ala putken alapäässä. k = arvo 1 R = putken keskimääräinen hydraulinen säde, Vi = paikallinen virtausnopeus putken pisteessä i, K i = paikallishäviökerroin putken pisteessä i, SWMM5 laskee A , R ja V arvot käyttäen putken kummankin pään korkeuksia, josta vastaavat virtaaman syvyyden arvot y1 ja y2 voidaan johtaa. Keskimääräinen vedensyvyys putkessa y on laskettu näiden arvojen keskiarvona ja sitä käytetään putken poikkileikkauksen geometriassa määritettäessä A ja R arvoja. Keskimääräinen nopeus saadaan jakamalla uusin virtaaman arvo A arvolla. Ohjelmaa rajoittaa virtausnopeuden maksimiarvo 15,24 m/s, jotta kaavan 15 termi Qfriction ei voi kasvaa rajattomasti. Solmukohdassa oleva vedenkorkeus ratkaistaan kaavalla: Ht t Ht Vol ( Astore AS ) t , (16) t missä Vol on aika-askeleen aikana solmupisteen läpi kulkenut virtaama. Tämä lasketaan seuraavasti: 104 Vol 0,5 ( Q) t ( Q) t t t (17) Saint Venantin -yhtälöt ovat epälineaarisia osittaisdifferentiaaliyhtälöitä, joissa esiintyy derivaattoja useamman kuin yhden riippumattoman muuttujan suhteen. Tämän vuoksi ne ratkaistaan käyttäen numeerisia menetelmiä. SWMM5 laskee solmukohtien syvyydet ja putkien virtaamat edellisten iteraatioiden avulla, käyttäen kahdesta neljään iteraatiokierrosta. Ratkaisu voi olla epävakaa, joten laskennassa käytetään relaksointikerrointa tasoittamaan tuloksen jyrkkiä heilahteluja. (SWMM 5.0 Blog 2011) Laskenta etenee seuraavasti: 1. Ensimmäiseksi arvioidaan virtaama jokaisessa putkessa ajanhetkellä t + t yhtälöllä 15 käyttäen pinnankorkeuksia, pinta-aloja ja nopeuksia ajanhetkellä t. Tämän jälkeen sama tehdään pinnankorkeuksille yhtälöllä 16 käyttäen juuri laskettuja virtaamia. Merkitään näitä ratkaisuja Qlast ja Hlast. 2. Ratkaistaan yhtälö 15 taas uudelleen käyttäen vedenpinnan korkeuksia, pintaaloja ja nopeuksia, joita käytettiin Qlast ja Hlast ratkaisussa. Relaksointikerrointa käytetään yhdistämään uusi virtaama arvio Qnew aikaisempaan arvioon Qlast kaavan Qnew=(1- )Qlast Qnew mukaisesti jolloin saadaan päivitetty Qnew arvo. SWMM 5 käyttää relaksointikertoimena arvoa 0,5. 3. Yhtälöllä 16 ratkaistaan pinnankorkeus taas uudelleen käyttämällä saatua Qnew arvoa. Kuten virtaamankin kanssa tämä uusi pinnankorkeuden arvo Hnew päivitetään relaksointikertoimen ja Hlast arvon avulla kaavalla Hnew=(1- )Hlast Hnew. 4. Jos Hnew on riittävän lähellä Hlast arvoa prosessi pysähtyy ratkaisunaan ajanhetken t+ t arvoina saadut Qnew ja Hnew arvot. Muuten arvot Hlast ja Qlast korvataan Hnew ja Qnew arvoilla ja laskentaa jatkuu uudelleen kohdasta 2. Ohjelma Ohjelma sallii 1,5 mm poikkeaman solmukohtien vedenkorkeuksissa ja rajoittaa laskukertojen määrän neljään. Putkien täyttyessä vedellä, solmukohtaan yhdistyvien putkien vedenpinnan ala on nolla eikä kaavaa 14 voida soveltaa. Tällöin SWMM käyttää vaihtoehtoista solmukohdan jatkuvuuden edellytystä, eli solmukohdasta lähtevän vesimäärän tulee olla sama kuin solmuun tulevan vesimäärän, Q = 0. Tämä yhtälö ei kuitenkaan sisällä kuin virtaaman, 105 joten se ei riitä yksinään päivittämään solmukohdan korkeutta. Koska virtaama ja pinnankorkeuden päivittämisen yhtälöitä ei ratkaista samanaikaisesti, ei ole varmuutta että solmukohta pysyy paineellisena kun virtaaman ratkaisu on saavutettu. Virtaaman jatkuvuuden toteuttamiseksi voidaan yhtälö esittää häiriöyhtälönä: Q H H Q missä 0, (18) H on solmukohdan pinnankorkeuden säätö, joka toteutetaan virtaaman jatku- vuuden saavuttamiseksi. Ratkaisemalla yhtälö H suhteen saadaan: Q H Q/ H , (19) missä jakaja saadaan yhtälön 15 termien avulla seuraavasti: Q H 1 gA t / L . Q friction Qlosses (20) Joka kerta kun yhtälöä 19 sovelletaan paineellisen solmukohdan pinnankorkeuden määrittämisessä, yhtälö 15 määrittää uuden solmusta putkiin lähtevän virtaamamäärän. Tämä jatkuu kunnes jokin lähestymiskriteeri täyttyy. 106 Liite 2 Helsingin ydinkeskustan maaperäkartta (Helsingin kaupunki, Geotekninen osasto 2011) 107 Liite 3 Kalibrointitulokset sateettomalta ajalta 108 Liite 4 Kalibrointitulokset 8.8.2010 olleesta sadetapahtumasta 109 Liite 5 Kalibrointitulokset 9.11.2010 olleesta sadetapahtumasta
© Copyright 2024