Keväällä 2024 kuului outoja huhuja, että Välijoen alaosanveden korkeus olisi yli 20 cm korkeammalla kuin Evijärvi. Tutkijaluontoni heräsi selvittämään asiaa ja ohessa siitä. ELY oli selvittänyt, että Välijoen alaosan mittauspisteessä eli ennen Nahkaniemeä ja Jokisuuta mittauspisteen anturi oli noussut n. 18 cm ja anturin suojaputki oli hiekkaa täynnä. Tämä mittauspiste on ei ole ELY:n virallinen mittauspiste, mutta sitä tullaan seuraamaan nyt tarkemmin. Onneksi lähikuukausien datat pystyttiin korjaamaan ja ohessa selvitys tuloksista.

Järven vedenkorkeuden mittauksista
Välijoen alaosan ja järven korkeuserot
Järven pinnan vaikutus korkeuksien eroon
Korjattu ero järven korkeuden mukaan
Virtausten simulointia
Yhteenveto

Järven vedenkorkeuden mittauksista

Järvien ja jokien vedenkorkeuden mittauksissa on useita virhelähteitä. Suurissa vesissä havaittavat vuorovedet, kuun ylimenot ja ilmanpaineiden erot eivät ole normaalein laittein mitattavissa järvissä. Sen sijaan kovien tuulten aiheuttamat vedenkorkeuden muutokset ovat silmämääräisesti havaittavissa, ja ne voivat olla useita senttimetrejä. Esimerkiksi Päijänteellä tai Saimaalla tuuli saattaa vaikuttaa vedenkorkeuteen yli viiden senttimetrin verran. Tämä ilmiö korostuu erityisesti matalissa pienemmissä järvissä, joissa tuulen siirtämä pintavirran vesimäärä ei ehdi palautua kokonaan pohjavirran mukana. On yleisesti todettu, että järvissä läpivirtauksista johtuvat korkeuserot häviävät mittausvirheisiin, jotka ovat antureilla alle 25 mm. Aihetta käsitellään alempana tarkemmin.

Vedenkorkeuden muutosten mallintaminen virtausmäärän funktiona on laskennallisesti haasteellista, sillä siihen vaikuttavat kanavan muodon lisäksi pohjan epätasaisuudet ja kasvillisuus. Alempana esitetään tuloksia yli 150 vuotta käytetystä yleisestä mallista.

Välijoen alaosan ja järven korkeuserot

ELY-keskuksen johtava vesitalousasiantuntija Katja Haukilehto lähetti pyynnöstäni Välijoen mittausaseman vedenkorkeuden datat. Oheisessa kuvaajassa on esitetty Joensuun Kaarenhaaran mittausaseman ja Välijoen alaosan mittausaseman vuorokausikeskiarvot alkaen 14.10.2020 N60-korkeusjärjestelmän mukaan sekä Hanhikosken voimalaitoksen virtaamat (m³/s).

Mitatut virtaamat ja vedenkorkeudet ajan funktiona on tulostettu suoraan kuvaajaksi.

Mittaustuloksia analysoidaan tarkemmin alla, missä on havaittavissa, että Nahkaniemen suistoalueen vuosittainen sykli alkaa aina elokuun alun niitoista. Seuraavassa kuvassa esitetään virtaamat sekä Välijoen ja järven korkeuserojen kuvaaja.

Kuvaajaan on lisätty mitatun datan lisäksi punaisella merkitty lineaarinen korkeusero, joka on laskettu käyttämällä Excel 365 taulukkolaskennan ekstrapolointifunktiota.

Havaitsemme, että Välijoen alaosan korkeus on keskimäärin noin 4 cm korkeammalla kuin järven pinta, ja ero näyttää kasvavan. Jokisuun suistoalue (Nahkaniemi) muodostaa virtaussuuntaisesti kasvavan virtuaalisen pohjapadon, joka on tämän eron aiheuttaja.

Järven pinnan vaikutus korkeuksien eroon

Järven ja Välijoen korkeuksien ero eri järven korkeuksilla.

Seuraavaksi selvitetään, onko järven korkeudella vaikutusta vedenkorkeuksien eroihin. Järjestämme järven korkeusdatan kasvavaan järjestykseen ja luomme kuvion eroista.

Järven ja Välijoen korkeuksien ero on esitetty järven korkeuden funktiona. Excel 365 tuottama regressiosuora, punainen viiva, joka on laskettu yhtälöllä y=4.4142x+268.15, osoittaa selityskertoimen (R²) olevan 0.0354. Tämä viittaa siihen, että korrelaatio on heikko.

Vaikka saatu korrelaatiofunktio ei ole tarkka 1344 datapisteelle, koska siihen vaikuttavat tuulen suunnat, kaislojen niitot, vuodenajat ja muut muuttujat, sitä käytetään korjaamaan seuraavassa kuviossa järven pinnan korkeuden vaikutusta eroon.

Korjattu ero järven korkeuden mukaan

Järven korkeuden vaikutus erotukseen eliminoidaan. Näin saadaan aikaan korjattu eli modifioitu kuvaaja, josta järven korkeudet on poistettu muuttujana.

Välijoen korkeudessa havaitaan selvää kausaalisuutta, eli vuodenaikojen vaikutusta, joka ilmenee riippumatta järven pinnan korkeudesta. Välijoen alaosan pinta (sinisellä merkitty) voi eri päivinä vaihdella maksimissaan -4 cm ja +9 cm välillä. Punaisella merkityn keskiarvon suurin ero minimin ja maksimin välillä on 8 cm. Hanhikosken läpivirtausmäärää muutetaan vain vähäisesti vuorokausien välillä. Välijoen alaosan pinta on matalimmillaan yleensä vuodenvaihteen aikaan.

Välijoen korkeudessa on havaittavissa selkeä kausaalisuus eli vuodenaikojen vaikutus, joka ilmenee riippumatta järven korkeudesta. Elokuun alussa on yleensä tehty niittoja, minkä vuoksi valitsin sen Välijoen vuodenkierron aloituspisteeksi. Lisäksi käytin Excel 365:ssä 60 päivän liukuvaa keskiarvoa, mikä vähentää merkittävästi tuulten ja muiden päiväkohtaisten muuttujien vaikutusta. Elokuun alussa 2023 alkoi voimakas sadekausi, ja lounaistuulet toivat järveen runsaasti suoraan vettä. Esimerkiksi Foreca Uutiset, Julkaistu 16.8.2023: ”Runsaita sateita ja salamointia: Sademäärät jopa 30–50 millimetriä – ”Keskiviikkona illalla ja yöllä räväkät ukkoskuurot mahdollisia etelässä ja idässä. Ja voimakas tuuli lounaasta.”

Niin sanottua kevätkuoppaa ei näy kuviossa, sillä se on suodatettu pois analyysista. Veneillessä Nahkaniemen suistoalueella voi tuntua, että sedimentti ja liete ovat tukkineet alueen, mutta tätä ei juurikaan havaita ylemmissä kuvaajissa. Tämä johtuu siitä, että liete jatkaa kulkuaan, kunnes veden virtausnopeus laskee alle kriittisen pisteen, jolloin liete saostuu. Tämä paikka sijaitsee yhä kauempana järveen päin, ja vain näennäisen pohjapadon virtaussuunnan leveys kasvaa.

Virtausten simulointia

Manningin yhtälö [1] on laajasti käytetty avointen kanavien suunnittelussa jo yli sata vuotta. Simuloimme joen virtausta luomalla kuvitteellisen kanavan järven läpi, jolla on leveys 100 m, syvyys 1m, pituus 8 km, Hanhikosken maksimi juoksutusmäärän 40 m3/s ja keskiarvona käytetään 17,8 m3/s, saamme veden pinnan kaltevuuden eli eron 8km matkalle 0.1 cm. Laskennan käytännön soveltamiseen löytyy www-sivu [2]. Ohessa taulukko simuloinnista eri arvoilla.

Manningin yhtälön avulla simulointia joen virtauksesta järven läpi ja sitten kapeammalla kanavalla simuloidaan Nahkaniemen pohjapadon kokoa.

Järvelle käytetään Manningin kanavan materiaalia simuloiva vakio [3] n=0,018 ja kasveja kasvavaan Nahkaniemen virtuaaliseen pohjapatoon korkeampaa arvoa n=0,05 taulukoiden mukaan. Kun ero oli 3 cm joskus yli 5 vuotta sitten, pohjapadon leveys oli mallin mukaan 370 m.

Evijärven pinnan keskimääräinen laskukaltevuus on kovasti alle senttimetri järven eri päiden välillä. Jokisuun suistoaluetta (Nahkaniemi), Kniivilän- ja Inanlahti ovat poikkeuksia, sillä ne ovat hydrologisesti periaatteessa kapean kanavan tai pohjapadon takana. Varsinaisissa pohjapadoissa alaveden vaikutus on vähäinen yläveteen [4]. Nahkaniemen matalassa pohjapadossa sen vaikutus ei pääse vielä määrääväksi.

Aikoinaan Hanhikosken voimalaitoksen alakanavan suunnittelussa on varmasti pyritty pieneen laskukaltevuuteen, jotta putouskorkeus ja siten voimalaitoksen teho olisi mahdollisimman suuri. Nahkaniemen tulppaa sekä pohjapatoa ei ollut vielä tuolloin. Nahkaniemellä on sitten tehty ELY:n toimesta ruoppauksia 1990-luvulla.

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Manning_formula
[2] https://eng.auburn.edu/~xzf0001/Handbook/Channels.html
[3] https://www.fsl.orst.edu/geowater/FX3/help/8_Hydraulic_Reference/Mannings_n_Tables.htm
[4] Yleinen Vesitekniikka, RIL 141, Suomen Rakennusinsinöörien Liitto, 1982, s. 178.

Viemäriputkien laskukaltevuus on n. 1,5 cm metrillä, ja ojien vastaavat kaltevuudet ovat hydrodynaamisesti aivan eri mittakaavassa kuin leveiden järvien ja syvien kanavien tilanteet.

Yhteenveto

Vesikasvien niitto elokuun alussa on selvästi tärkeä osa vuodenkiertoa. Nahkaniemen Jokisuun suiston pohjapadon kasvu on tapahtunut muutamassa vuosikymmenessä. Tämä padon aiheuttama virtausvastus nostaa vedenpintaa noin 4 cm Välijoen alaosassa.

Kahden mittauspisteen avulla havaitsemme, että matalan Evijärven reunoilla vedenpinta voi voimakkaiden ja eri suuntaisten tuulten aikana vaihdella jopa noin 10 cm!

Loput yhteenvedot tekstistä jätän lukijan harkintaan.