Ilmastonmuutos ja patoturvallisuus – vaikutus mitoitustulviin

Tutkimuksessa arvioitiin ilmastonmuutoksen vaikutuksia 34 korkeimman riskiluokan padon mitoitustulviin. Nämä padot on mitoitettu hydrologisin perustein siten, että kerran 5 000–10 000 vuodessa toistuvan tulvan aikana padotusaltaan vedenkorkeus ei ylitä padon turvallista vedenkorkeutta, kun padon juoksutuskapasiteetti ilman voimalaitoksen koneistovirtaamia on käytössä. Tutkimuksessa arvioidaan ilmastonmuutoksen aiheuttamia riskejä patoturvallisuudelle. Tärkein tarkasteltava tekijä on patojen juoksutuskapasiteetin riittävyys. Tutkimuksessa käytettiin Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) Hydrologian yksikössä kehitetyn ja ylläpidettävän Vesistömallijärjestelmän hydrologisia vesistömalleja. Laskennan lähtötietoina olivat kahden viikon mitoitussadanta ja 40 vuoden sadannan sekä lämpötilan havaintoaikasarjat. Mitoitustulva luotiin riittävän harvinaisesta mitoitussadannasta, joka yhdistettiin tulvan muodostumisen kannalta pahimpaan mahdolliseen sää- ja lumitilanteeseen 40 vuoden havaintojaksolla. Ilmastonmuutosjaksolla 2070–99 mitoitussadanta sekä lämpötila- ja sadehavainnot muutettiin ilmastonmuutosskenaarioiden mukaisesti ja mitoitustulvan laskenta toistettiin. Ilmastonmuutoksen vaikutus riippuu tulvan aiheuttajasta. Lumen sulamisen ja vesisateen aiheuttamat mitoitustulvat Pohjois-Suomessa pysyvät keskimäärin ennallaan. Eteläisemmän Suomen pienten vesistöjen kesälle tai syksylle ajoittuvat mitoitustulvat kasvavat mitoitussadannan kasvun takia. Keski-Suomen suurissa järvireittivesistöissä mitoitustulvan kasvun aiheuttavat syksyn ja talven pääosin vetenä tuleva mitoitus- ja kokonaissadannan kasvu, lumen sulannan kasvu sekä talvihaihdunnan vähäisyys. Tekijöiden yhteisvaikutuksena tulvan kokonaisvolyymi kasvaa merkittävästi. Suurimmalla osalla tarkastelluista padoista kasvava mitoitustulva pystytään kuitenkin hallitsemaan nykyisillä rakenteilla. Ylittymisriskin padot, joita on ilmastoskenaariosta riippuen 5–13 kappaletta 34:stä, sijaitsevat Pohjanmaan ja Lounais-Suomen pienissä jokivesistöissä, joilla kesän mitoitussadanta kasvaa voimakkaasti sekä Keski-Suomen järvireittivesistössä, joilla ylittymisriskin aiheuttaa syksyn ja talven kokonaisvesimäärien voimakas lisääntyminen.

Suomen vesivarat ja ilmastonmuutos – vaikutukset ja muutoksiin sopeutuminen. WaterAdapt-projektin loppuraportti

Tutkimuksessa arvioitiin ilmastonmuutoksen vaikutuksia Suomen hydrologiaan, vesivaroihin ja säännöstelykäytäntöihin. Vesistöjen virtaamien ja vedenkorkeuksien muuttumista referenssijaksolta 1971– 2000 jaksoille 2010–39 ja 2040–69 tutkittiin eri ilmastoskenaarioiden pohjalta. Vesistömallijärjestelmän simulointien avulla 15 vesistöalueella. Kymmenellä järvellä arvioitiin ilmastonmuutoksen aiheuttamien hydrologisten muutosten vaikutuksia vesistön eri käyttömuotoihin ja tilaan. Lisäksi tutkimuksessa tarkasteltiin ilmastonmuutoksen vaikutuksia pohjaveteen ja tulviin. Tutkimus toteutettiin Suomen ympäristökeskuksessa (SYKE) osana maa- ja metsätalousministeriön rahoittamaa Suomen vesivarat ja ilmastonmuutos – vaikutukset ja muutoksiin sopeutuminen (WaterAdapt)-hanketta. WaterAdapt -hankkeen tulosten perusteella ilmastonmuutos tulee merkittävästi muuttamaan jokien virtaamien ja järvien vedenkorkeuksien vuodenaikaista vaihtelua. Kevään lumen sulamistulvien suuruus pienenee merkittävästi lauhempien talvien johdosta etenkin Etelä- ja Keski-Suomessa. Kesän vedenkorkeudet alenevat useissa järvissä aikaisemman kevään vuoksi ja loppukesän kuivuus ja alhaiset vedenpinnat muodostuvat joillain järvillä entistä suuremmiksi ongelmiksi. Talven vedenkorkeudet ja virtaamat kasvavat selvästi etenkin Etelä- ja Keski-Suomessa, kun entistä suurempi osa sateesta tulee vetenä ja lunta sulaa talven aikana. Eri ilmastoskenaariot poikkeavat merkittävästi toisistaan, mutta muutoksen suunta on kaikissa ilmastoskenaarioissa samankaltainen. Tulvat pienenevät osassa Suomea lumen määrän vähetessä, mutta erityisesti suurten vesistöjen keskusjärvissä ja laskujoissa sadannan lisääntyminen kasvattaa tulvia suurimmalla osalla ilmastoskenaarioita. Tulokset osoittavat, että nykyiset säännöstelyluvat tulevat monissa järvissä olemaan epätarkoituksenmukaisia ilmaston muuttuessa. Ilmastonmuutokseen sopeutuminen vaatiikin monien järvien säännöstelylupien tai -käytäntöjen muuttamista, jotta säännöstely huomioisi entistä lauhemman talven, aikaisemman kevään ja pidemmän kesän vaikutukset. Jos säännöstelylupia ja -käytäntöjä muutetaan, tulisi uusien säännöstelylupien olla joustavia, jotta ne toimisivat hyvin erilaisissa odotettavissa olevissa olosuhteissa. Vaikutustarkastelujen tulokset osoittivat että valtaosassa vesistöjä säännöstelyä muuttamalla riski ilmastonmuutoksen negatiivisiin vaikutuksiin vähenee ja positiivisiin vaikutuksiin kasvaa verrattuna nykyisen kaltaiseen säännöstelyyn. Säännöstelyn muutos on yksi keino sopeutua ilmastonmuutoksen vaikutuksiin. Muita sopeutumiskeinoja vesivarojen hoitoon liittyen ovat mm. maankäytön ohjaus, tulvapenkereet, tilapäiset suojarakenteet, tulvavakuutus, säännöstelyn aloittaminen, pohjapatojen rakentaminen ja vesihuollon varmistaminen

Ilmastonmuutos ja virtaamien muuttuminen Kemi-, Kymi- ja Lieksanjoen alueilla

Ilmastonmuutoksen myötä Suomessa lämpötila keskimäärin nousee ja sademäärä kasvaa. Vuoden keskilämpötilan on ennustettu nousevan jaksoon 2020–2049 mennessä noin 1,5–2 asteella ja sademäärän kasvavan 5–7 % verrattuna vertailujaksoon 1981–2010. Pääsääntöisesti lämpötilat nousevat ja sateet lisääntyvät eniten talvella. Vielä jakson 2020–2049 aikana eri kasvihuonekaasuskenaarioiden (RCP-skenaariot) tuottamat muutokset eivät poikkea toisistaan kovinkaan paljoa. Vuosisadan edetessä skenaarioitten väliset erot käyvät yhä selvemmiksi. Ilmastonmuutos vaikuttaa myös virtaamiin; tulevia muutoksia arvioitiin SYKEn Vesistömallijärjestelmän hydrologista mallia käyttäen. Mallinnetut muutokset keskivirtaamassa Kemijoella, Kymijoella ja Lieksanjoella eli Kemijoki Oy:n toimialueella ovat melko pieniä: jaksolla 2020–2049 keskivirtaamat kasvavat 2–7 %, jaksolla 2040–2069 4–11 % ja jaksolla 2070–2099 4–19 %. Vuosisadan lopulla erot eri RCP-skenaarioiden välillä sen sijaan muodostuvat varsin suuriksi, koska suurimpia kasvihuonekaasupäästöjä vastaava skenaario ennakoi sadannan kasvavan voimakkaasti. Eri vuodenaikojen virtaamat muuttuvat enemmän kuin koko vuoden keskiarvot. Talven ja kevään virtaamat kasvavat kaikissa tarkastelluissa vesistöissä. Vastaavasti kesän virtaamat pienenevät, kun kevään virtaamahuiput aikaistuvat. Syksyn virtaamien muutoksen suunta taas vaihtelee vesistöalueittain. Vaikka keskilämpötilat ilmastonmuutoksen edetessä kohoavatkin, kylmiä sääjaksoja koetaan edelleen ajoittain. Sääolot vaihtelevat suuresti vuodesta toiseen tulevaisuudessakin. Talvella lämpötilojen vaihteluitten ennustetaan pitkällä tähtäimellä tasaantuvan, jolloin kovimmat pakkaset leudontuisivat enemmän kuin mitä keskilämpötila kohoaa. Kesällä lämpötilan vaihteluissa ei ole odotettavissa suurta muutosta. Tulvien suuruus määräytyy lumen kertymisen, lämpötilan ja sademäärän mukaan, joten myös tulvien esiintyminen ja voimakkuus muuttuvat ilmastonmuutoksen seurauksena. Kemijoella tulvat pysyvät keskimääräisillä skenaarioilla ennallaan tai pienenevät hieman, mutta märimmillä skenaarioilla tulvat voivat lähitulevaisuudessa myös kasvaa. Lieksanjoella tulvat pienenevät, mutta Kymijoella ne kasvavat etenkin talvitulvien yleistyessä. Eri ilmastoskenaariot tuottavat varsin erilaisia arvioita tulvien muuttumisesta, mikä kuvastaa ilmastonmuutokseen liittyvää epävarmuutta. Epävarmuutta liittyy myös mm. työssä käytetyn SYKEn Vesistömallijärjestelmän laskelmiin

Effects of climate change and flow regulation on the flow characteristics of a low-relief river within southern boreal climate area

We investigated how hydro-climatological changes would affect fluvial forces and inundated area during a typical high-flow situation (MHQ, mean high discharge), and how adaptive regulation could attenuate the climate change impacts in a low-relief river of the Southern Boreal climate area. We used hydrologically modeled data as input for 2D hydraulic modeling. Our results show that, even though the MHQ will increase in the future (2050–2079), the erosional power of the flow will decrease on the study area. This can be attributed to the change of timing in floods from spring to autumn and winter, when the sea levels during flood peaks is higher, causing backwater effect. Even though the mean depth will not increase notably (from 1.14 m to 1.25 m) during MHQ, compared to the control period (1985–2014), the inundated area will expand by 15% due to the flat terrain. The increase in flooding may be restrained by adaptive regulations: strategies favoring ecologically sustainable and recreationally desirable lake water levels were modeled. The demands of environment, society, and hydropower are not necessarily contradictory in terms of climate change adaptation, and regulation could provide an adaptive practice in the areas of increased flooding

River ice cover influence on sediment transportation at present and under projected hydroclimatic conditions

A large number of rivers are frozen annually and the river ice cover has an influence on the geomorphological processes. These processes in cohesive sediment rivers are not fully understood. Therefore, this paper demonstrates the impact of river ice cover on sediment transport, i.e. turbidity, suspended sediment loads and erosion potential, compared with a river with ice-free flow conditions. The present sediment transportation conditions during the annual cycle are analysed, and the implications of climate change on wintertime geomorphological processes are estimated. A one-dimensional hydrodynamic model has been applied to the Kokemäenjoki River in SW Finland. The shear stress forces directed to the river bed are simulated with present and projected hydro-climatic conditions. The results of shear stress simulations indicate that a thermally formed smooth ice cover diminishes river bed erosion, compared with an ice-free river with similar discharges. Based on long-term field data, the river ice cover reduces turbidity statistically significantly. Furthermore, suspended sediment concentrations measured in ice-free and ice-covered river water reveal a diminishing effect of ice cover on riverine sediment load. The hydrodynamic simulations suggest that the influence of rippled ice cover on shear stress is varying. Climate change is projected to increase the winter discharges by 27–77 % on average by 2070–2099. Thus, the increasing winter discharges and possible diminishing ice cover periods both increase the erosion potential of the river bed. Hence, the wintertime sediment load of the river is expected to become larger in the future

Can there be water scarcity with abundance of water? : Analyzing water stress during a severe drought in Finland

Severe droughts can affect water security even in countries with ample water resources. In addition, droughts are estimated to become more frequent in several regions due to changing climate. Drought affects many socio-economic sectors (e.g., agriculture, water supply, and industry), as it did in 2018 in Finland. Understanding the basin-wide picture is crucial in drought management planning. To identify vulnerable and water stressed areas in Finland, a water use-to-availability analysis was executed with a reference drought. Water stress was analyzed with the Water Depletion Index WDI. The analysis was executed using national water permits and databases. To represent a severe but realistic drought event, we modelled discharges and runoffs from the worst drought of the last century in Finland (1939–1942). The potential for performing similar analyses in data scarce contexts was also tested using estimates from global models as a screening tool. The results show that the South and Southwest of Finland would have problems with water availability during a severe drought. The most vulnerable areas would benefit from drought mitigation measures and management plans. These measures could be incorporated into the EU River Basin Management Plans

Controls on inorganic nitrogen leaching from Finnish catchments assessed using a sensitivity and uncertainty analysis of the INCA -N model

The semi-distributed, dynamic INCA-N model was used to simulate the behaviour of dissolved inorganic nitrogen (DIN) in two Finnish research catchments. Parameter sensitivity and model structural uncertainty were analysed using generalized sensitivity analysis. The Mustajoki catchment is a forested upstream catchment, while the Savijoki catchment represents intensively cultivated lowlands. In general, there were more influential parameters in Savijoki than Mustajoki. Model results were sensitive to N-transformation rates, vegetation dynamics, and soil and river hydrology. Values of the sensitive parameters were based on long-term measurements covering both warm and cold years. The highest measured DIN concentrations fell between minimum and maximum values estimated during the uncertainty analysis. The lowest measured concentrations fell outside these bounds, suggesting that some retention processes may be missing from the current model structure. The lowest concentrations occurred mainly during low flow periods; so effects on total loads were small

Severe drought in Finland : Modeling effects on water resources and assessing climate change impacts

Severe droughts cause substantial damage to different socio-economic sectors, and even Finland, which has abundant water resources, is not immune to their impacts. To assess the implications of a severe drought in Finland, we carried out a national scale drought impact analysis. Firstly, we simulated water levels and discharges during the severe drought of 1939–1942 (the reference drought) in present-day Finland with a hydrological model. Secondly, we estimated how climate change would alter droughts. Thirdly, we assessed the impact of drought on key water use sectors, with a focus on hydropower and water supply. The results indicate that the long-lasting reference drought caused the discharges to decrease at most by 80% compared to the average annual minimum discharges. The water levels generally fell to the lowest levels in the largest lakes in Central and South-Eastern Finland. Climate change scenarios project on average a small decrease in the lowest water levels during droughts. Severe drought would have a significant impact on water-related sectors, reducing water supply and hydropower production. In this way drought is a risk multiplier for the water–energy–food security nexus. We suggest that the resilience to droughts could be improved with region-specific drought management plans and by including droughts in existing regional preparedness exercises

Kustannusarviointi ilmastonmuutokseen liittyvästä toimimattomuudesta (KUITTI)

KUITTI-projektissa arvioitiin ilmastonmuutosriskien suoria ja välillisiä kustannuksia Suomelle, ennakoivan ja reaktiivisen sopeutumisen väliset erot huomioiden. Lisäksi tarkasteltiin ilmastonmuutoksen ja sopeutumisen taloudellisten vaikutusten arvioimiseen tarvittavan tiedon saatavuutta Suomessa sekä tuotettiin katsaus innovaatiotarpeista ja vaihtoehdoista, jotka palvelevat ilmastonmuutokseen sopeutumista. Merkittävimpien ilmastonmuutosvaikutusten tarkastelun perusteella valittiin jatkoanalyysejä varten toimialayhdistelmät, jotka olivat: rakennettu ympäristö erityisesti tulvariskien osalta, sähkönjakeluverkkojen häiriöt sekä erilaiset vaikutukset maa- ja metsätalouden tuotoksiin. Yhdistettyjen ilmasto- ja sosioekonomisten skenaarioiden SSP1-RCP2.6 ja SSP3-RCP4.5 perusteella arvioitiin tulevaisuuden taloudellisia riskitasoja valituille toimialoille sektorimalleilla vuodesta 2020 vuoteen 2070. Mallilaskelmien tulokset syötettiin kansalliseen makrotaloudelliseen malliin, jossa on alueellisia laajennuksia makrotaloudellisten vaikutusten arvioimiseksi. Lisäksi tehtiin kevyt tarkastelu matkailun, tieliikenteen, vesihuollosta sekä terveydenhuollon osalta. Ilmastonmuutoksen vaikutuksia Suomen kansainväliseen kilpailuasemaan analysoitiin globaalilla makrotaloudellisella mallilla. Lopuksi käytiin läpi mahdollisia merkittäviä vaihtoehtoja taloudellisesti kannattaville sopeutumisratkaisuille.Tämä julkaisu on toteutettu osana valtioneuvoston selvitys- ja tutkimussuunnitelman toimeenpanoa.(tietokayttoon.fi) Julkaisun sisällöstä vastaavat tiedon tuottajat, eikä tekstisisältö välttämättä edusta valtioneuvoston näkemystä

Kustannusarviointi ilmastonmuutokseen liittyvästä toimimattomuudesta (KUITTI)

KUITTI-projektissa arvioitiin ilmastonmuutosriskien suoria ja välillisiä kustannuksia Suomelle, ennakoivan ja reaktiivisen sopeutumisen väliset erot huomioiden. Lisäksi tarkasteltiin ilmastonmuutoksen ja sopeutumisen taloudellisten vaikutusten arvioimiseen tarvittavan tiedon saatavuutta Suomessa sekä tuotettiin katsaus innovaatiotarpeista ja vaihtoehdoista, jotka palvelevat ilmastonmuutokseen sopeutumista. Merkittävimpien ilmastonmuutosvaikutusten tarkastelun perusteella valittiin jatkoanalyysejä varten toimialayhdistelmät, jotka olivat: rakennettu ympäristö erityisesti tulvariskien osalta, sähkönjakeluverkkojen häiriöt sekä erilaiset vaikutukset maa- ja metsätalouden tuotoksiin. Yhdistettyjen ilmasto- ja sosioekonomisten skenaarioiden SSP1-RCP2.6 ja SSP3-RCP4.5 perusteella arvioitiin tulevaisuuden taloudellisia riskitasoja valituille toimialoille sektorimalleilla vuodesta 2020 vuoteen 2070. Mallilaskelmien tulokset syötettiin kansalliseen makrotaloudelliseen malliin, jossa on alueellisia laajennuksia makrotaloudellisten vaikutusten arvioimiseksi. Lisäksi tehtiin kevyt tarkastelu matkailun, tieliikenteen, vesihuollosta sekä terveydenhuollon osalta. Ilmastonmuutoksen vaikutuksia Suomen kansainväliseen kilpailuasemaan analysoitiin globaalilla makrotaloudellisella mallilla. Lopuksi käytiin läpi mahdollisia merkittäviä vaihtoehtoja taloudellisesti kannattaville sopeutumisratkaisuille.Tämä julkaisu on toteutettu osana valtioneuvoston selvitys- ja tutkimussuunnitelman toimeenpanoa.(tietokayttoon.fi) Julkaisun sisällöstä vastaavat tiedon tuottajat, eikä tekstisisältö välttämättä edusta valtioneuvoston näkemystä