Abstract

River regimes in Nordic rivers are changing, mainly due to climate change and river regulation. As renewables penetrate the power market, the conventional role of hydropower in energy markets is also changing. These factors are altering river flows in ways that are not fully understood. This thesis addressed these information inadequacies in the ecologically sensitive Nordic region.

To assess the relative effect of regulation practices and climate change, a spatio-temporal study of two adjacent rivers in Northern Europe, the Kemijoki (regulated) and Tornionjoki (pristine), with similar climate and catchment conditions, was performed. Degree of hydrologic alteration on Kemijoki was twice than at Tornionjoki, while regulation and climate change seemed to have similar degrees of effect on flow alteration in the Kemijoki (50% each). This was confirmed by analyzing data from Ounasjoki, a pristine tributary of the Kemijoki.

Short-term changes in Nordic rivers were quantified using discharge datasets from 150 sites with hourly time-step. The results revealed high levels of hydropeaking in Nordic rivers, with increases especially in recent few years. This indicates that expanding for renewable energy, increasing the need for load balancing in the energy market, may increase hydropeaking in Nordic rivers.

A method based on wavelet analysis was developed to characterize variability in hydrologic time series data in different periods. It was found that, in winter, sub-daily variations in some large Regulated Rivers were up to 20 times higher than in Free-Flowing Rivers. For smaller Regulated Rivers with lower levels of regulation, the variation was highest in summer.

We have assessed the impact of intra-day power demand variation on Regulated Rivers flow and potential to comply with instant energy demand, by quantifying the impact of reservoir volume and hydropower capacity constraints using two new metrics, power market impact and system efficiency ratio. The metrics were tested for the Kemijoki, with defined thresholds based on the natural flow regime (Ounasjoki) and hourly energy price in Finland in 2017, to estimate the impact of regulation on hourly flow regime at Taivalkoski station. Annual flow regime impact in 2013, 2014, and 2015 was estimated to be 74%, 84% and 61%, respectively, while monthly impact varied from 27% to 100%.

Tiivistelmä

Pohjoismaisten jokien virtaamat ovat muutoksessa pääasiassa ilmastonmuutoksen ja jokien säännöstelyn takia. Säännöstelyn voimakkuuteen vaikuttaa vesivoiman alati muuttuva rooli energiamarkkinoilla etenkin uusiutuvien energiamuotojen lisääntyvä osuus jolloin tarvitaan enemmän säätövoimaa. Muuttuvien lyhyen ja pitkän aikavälin säännöstelykäytäntöjen vaikutuksista jokien virtaamaolosuhteisiin tarvitaan lisätietoa etenkin ekologialtaan herkistä pohjoisista joista.

Säännöstelykäytäntöjen ja ilmastomuutoksen suhteellisen vaikutuksen arvioimiseksi tehtiin tila-ajallinen tutkimus kahdelle ilmasto- ja valuma-alueolosuhteiltaan samankaltaisella pohjoiseurooppalaiselle joelle, joista Kemijoki edustaa säännösteltyä ja Tornionjoki säännöstelemätöntä jokea. Säännöstellyllä joella havaittiin 100 % korkeampi hydrologinen muutos verrattaessa säännöstelemättömään. Joen säännöstellyllä ja ilmastomuutoksella näyttää olevan samanlainen vaikutus Kemijoen virtaaman muutoksiin (molemmat 50 %). Tulos vahvistettiin analysoimalla tietoja Kemijoen säännöstelemättömän Ounasjoen sivuhaaran aineistolla.

Lyhytaikaisia muutoksia pohjoismaisissa joissa määritettiin kvantitatiivisesti käyttämällä 150 joen laajoja tuntikohtaisia virtaamatietoja. Tulosten mukaan lyhytaikaissäännöstely on näiden jokien tapauksessa korkealla tasolla, ja se on lisääntynyt viimeisen vuosikymmenen aikana. Syynä voi olla uusiutuvien energialähteiden lisääntyminen energiamarkkinoilla, sillä markkinoilla tarvitaan enemmän säätöenergiana toimivaa vesivoimaa tasapainottamaan sähköntuotannon vaihteluita.

Työssä kehitettiin myös wavelet- aikasarja-analyysiin perustuva menetelmä hydrologisen aikasarjatiedon vaihtelevuuden karakterisoimiseksi eri ajanjaksoina. Tulosten mukaan joidenkin säännösteltyjen jokien päivittäiset virtaamavaihtelut olivat etenkin talvisin jopa 20 kertaa suuremmat kuin säännöstelemättömien jokien. Pienemmissä säännöstellyissä joissa muutokset olivat suurimpia kesäaikana.

Päivittäisen energian kysynnän vaihtelun vaikutusta arvioitiin kahdella uudella indeksillä (energiamarkkinavaikutus ja järjestelmän tehokkuussuhde). Indekseja testattiin Kemijoelle määritetyillä kynnysarvoilla, jotka perustuivat säännöstelemättömään Ounasjokeen ja tuntikohtaiseen energian hintaan Suomessa (2017). Vuotuinen vaikutus virtaamaolosuhteisiin Taivalkosken padolla vuosina 2013, 2014 ja 2014 oli 74 %, 84 % ja 61 %, kun taas kuukausittainen vaikutus vaihteli 27 %:sta 100 %:iin.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Ashraf, F. B., Torabi Haghighi, A., Marttila, H., & Kløve, B. (2016). Assessing impacts of climate change and river regulation on flow regimes in cold climate: A study of a pristine and a regulated river in the sub-arctic setting of Northern Europe. Journal of Hydrology, 542, 410–422. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.09.016

2. Ashraf, F. B., Haghighi, A. T., Riml, J., Alfredsen, K., Koskela, J. J., Kløve, B., & Marttila, H. (2018). Changes in short term river flow regulation and hydropeaking in Nordic rivers. Scientific Reports, 8(1). https://doi.org/10.1038/s41598-018-35406-3

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Ashraf, F. B., Haghighi, A. T., Riml, J., Kløve, B., & Marttila, H. (2020). Assessment of sub-daily flow alterations using globally mapped free-flowing rivers and wavelet analysis. Manuscript submitted for publication.

4. Torabi Haghighi, A., Ashraf, F. B., Riml, J., Koskela, J., Kløve, B., & Marttila, H. (2019). A power market-based operation support model for sub-daily hydropower regulation practices. Applied Energy, 255, 113905. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113905

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version