University of Oulu

Kyrönjoen yläosan tulvapengerrysalueiden käytön optimointi kesä- ja syystulvatilanteissa

Saved in:
Author: Lippo, Jenni1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Process and Environmental Engineering, Environmental Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 7.8 MB)
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201504021223
Language: Finnish
Published: Oulu : J. Lippo, 2013
Publish Date: 2015-04-10
Physical Description: 118 p.
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Klöve, Björn
Reviewer: Klöve, Björn
Yli-Mannila, Sari
Description:

Tiivistelmä

Tämän työn tarkoituksena on tutkia Kyrönjoen yläosan tulvapengerrysalueiden käytön optimointia kesä- ja syystulvatilanteissa siten, että tulvavahinkokustannukset jäisivät tulvavaara-alueella mahdollisimman pieniksi. Kesä- ja syystulvien aikana maanviljelyskäytössä olevilla tulvapengerrysalueilla voi syntyä satovahinkokustannuksia, mikäli alueille joudutaan johtamaan Kyrönjoesta vettä. Tutkimuksen tavoitteena on myös selvittää, voitaisiinko veden johtamista tulvapengerrysalueille viivästyttää nykyisestä käytännöstä ja mahdollisesti löytää uusi suositus vedenpinnankorkeudelle, jonka ylittyessä veden johtaminen tulvapengerrysalueille kannattaa aloittaa kesä- ja syystulvien aikana. Nykyään tulvapengerrysalueiden tulvaluukut tulee avata, kun vedenkorkeus ylittää Kyrönjoen Nikkolan sillan mitta-asteikolla arvon N43 +40,00 m.

Tutkimus alkaa Kyrönjoen pohjan kaikuluotauksella sekä joen virtausmallin ja tulvavaarakarttojen luomisella eri tulvatilanteille. Vesistöalueen kolmelle tärkeimmälle tulvapengerrysalueelle (Rintala, Tieksi ja Halkosaari) tehdään kustannusfunktiot, jotka kertovat satovahinkokustannusten muutoksesta vedenkorkeuden suhteen. Lisäksi tehdään rakennus- ja irtaimistovahinkojen muutoksesta vedenkorkeuden suhteen kertova kustannusfunktio tulvapengerrysalueiden ulkopuolisille asutusalueille. Lopullisissa kustannusfunktioissa asutusalueen vahinkokustannukset ja vedenkorkeus Nikkolan sillan kohdalla sidotaan joen tulvavirtaamaan ja pengerrysalueiden vedenkorkeus ja satovahinkokustannukset yhdistetään alueiden tulvaluukkujen keskimääräisiin virtaamiin tietyllä juoksutusajalla. Näiden kustannusfunktioiden avulla saadaan aikaan epälineaarinen optimointiongelma, jolle asetetaan myös ongelmaa kuvaavat rajoiteyhtälöt.

Optimointiongelma ratkaistaan erisuuruisilla joen tulvavirtaamilla ja ratkaisuksi saadaan suositukset joen tulvavirtaaman jakamisesta pengerrysalueiden tulvaluukkujen ja Kyrönjoen kesken. Laskelmissa tutkitaan myös pengerrysalueiden sadonkorjuuasteen vaikutusta laskentatuloksiin. Kustannusfunktiot luotiin epätarkkuuksien minimoimiseksi Matlab-ohjelmassa kuutiollisten splinien interpolaation suorittavalla spline-algoritmilla. Epälineaarisen optimointiongelman ratkaisemiseen käytettiin Matlabin fmincon-algoritmia, joka perustuu SQP-menetelmään (Sequential quadratic programming) eli toistetun kvadraattisen optimoinnin menetelmään.

Työn tuloksena saatiin aikaan tutkimusmenetelmä, jolla voidaan tutkia optimaalista tapaa johtaa vettä Kyrönjoesta tulvapengerrysalueille erilaisissa kesä- ja syystulvatilanteissa. Tutkimusmenetelmää käytettäessä voidaan huomioida pengerrysalueiden sadonkorjuuaste, joka saattaa vähentää pengerrysalueilla syntyviä kustannuksia. Menetelmän heikkoutena on se, että tutkimusta suoritettaessa pengerrysalueiden tulvaluukkujen käyttöaika on arvioitava etukäteen. Tämän työn esimerkkilaskelmassa tulvaluukkujen käyttöajaksi arvioitiin kaksi vuorokautta. Toisin sanoen tulvaluukkujen erisuuruisilla keskimääräisillä virtaamilla syntyvät satovahinkokustannukset perustuivat kahden vuorokauden mittaisiin tulvajuoksutuksiin. Tutkimusmenetelmän avulla voidaan myös tarkastella yleisesti erilaisissa tulvatilanteissa syntyviä kustannuksia.

see all

Optimization of the use of Kyrönjoki flood plain areas during summer and autumn floods

Abstract

Purpose of this thesis is to examine the optimization of the use of river Kyrönjoki flood plain areas during summer and autumn floods to minimize the flood damage costs on the flood area. During summer and autumn floods the conveyance of the water from river Kyrönjoki to the flood plain areas surrounded by banks may cause some crop damage costs, because the flood plains are in agricultural use. Another objective of this study is to find out, if it is profitable to delay the conveyance of water to the flood plain areas compared to the current practice, and possibly to find a new maximum limit for water height in river Kyrönjoki after which the water should be conveyed to the flood plain areas. Nowadays the flood gates of the flood plain areas must be opened, when the water height of river Kyrönjoki at the measurement point of bridge Nikkola exceeds value N43 +40,00 m.

The study begins with the echo-sounding of the Kyrönjoki river bed and with the creation of flow model and flood maps for different flood situations. Cost functions between crop damage costs and water height are made for the three most important flood plain areas, Rintala, Tieksi and Halkosaari. Also cost function between the buildings and movables damage costs and the river water height at the bridge Nikkola is made. In the final cost functions the damage costs of the residential areas and the water height at the bridge Nikkola is bound with the river flood discharge in the same place. Also the water heights and the crop damage costs in the flood plain areas are bound to the average discharges of the flood gates during the certain opening time of the gates. A problem of nonlinear programming is constructed with the help of the cost functions and the constraints describing the problem.

The created nonlinear programming problem is solved by setting different values for the river flood discharge. Recommendations for the division of the river flood discharge between the flood gates and the river are achieved as a solution for each of the flood situations. Also the impact of the harvest degree to the calculation results is examined. The cost functions were created in Matlab using the spline-algorithm, with cubic interpolation, to minimize the error. Solutions to the nonlinear programming problems were calculated in Matlab using the fmincon-algorithm, which is based on sequential quadratic programming.

As a result of this thesis a research method was achieved. The method can be used to study the optimal practice to convey water from the river Kyrönjoki to the flood plain areas during different kind of summer and autumn flood scenarios. A weakness of the method is that the opening time of the flood gates must be assessed beforehand. In the example calculation of this thesis, the opening time of the flood gates was determined to be two days. This means that the crop damage costs caused by different average discharges of the flood gates were based on a two days lasting conveyance of water to the flood plains. The damage costs of different flood situations can also be generally studied with the created research method.

see all

Subjects:
Copyright information: © Jenni Lippo, 2013. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.