Ohijuoksutus

Ohijuoksutus olisi tarpeeton toimenpide, jos patorakenteet kestäisivät määrättömästi veden aiheuttamaa painetta ja jos padon takana oleva varastoallas vetäisi määräämättömästi vettä. Käytännössä jokaisessa vesirakenteessa on rajoituksensa, jonka takia on varauduttava veden kertymisen vaihteluihin. Tärkein syy on kuitenkin vesirakenteiden mitoitus. Rakenteet pyritään mitoittamaan mahdollisimman edullisiksi, jotta vedenhallinnasta saatava hyöty olisi suurempi. Esimerkiksi jokivoimalaitoksessa voi olla hankalaa toteuttaa suuri patoallas, joten silloin tyydytään tilavuudeltaan pienempään ratkaisuun. Tällainen allas riittää hyvin suurimman osan aikaa, mutta säännöllisesti tulee tilanteita, jossa vedenpinta ylittäisi padon reunan. On lähes aina edullisempaa rakentaa matalampi pato tai pienempi varastoallas ja käyttää ohijuoksutusta poikkeustilanteiden hallinnassa.[5][4]

Seuduilla, jossa esiintyy lumisia talvia, alkaa säiden pysyvästi lämmettyä jokakeväinen massiivinen lumen sulaminen. Silloin vapautuu monen kuukauden sadanta virtaavaksi vedeksi, joka hakeutuu nopeasti jokiin ja aiheuttaa niiden alajuoksuilla tulvia. Monsuunialueilla sadekausi tuottaa suuren vesimäärän, jonka hallinta voi osoittautua yhtä ylivoimaiseksi ilman ohijuoksutusta. Säännöllisten vuodenaikojen muutoksien lisäksi ohijuoksutusta voivat vaatia äkilliset sääilmiöt. Tavallinen trooppinen myrsky voi sataa voimakkaasti ja aiheuttaa viikkoja kestävän tulvan. Yhdessä vuosittaisten säännöllisten muutoksien kanssa voivat sääilmiöistä johtuvat muutokset kertautua suuriksi muutoksiksi, jotka ovat harvinaisia mutta patojärjestelmille tuhoisia. Keskiarvosta poikkeavat muutokset tulee huomioida vesirakenteita suunniteltaessa. Uusi näkökulma patoturvallisuuteen on syntynyt ilmastonmuutoksesta, joka muuttaa luonnossa vedenkiertokulkua pysyvästi.[5][4]

Edellisiin turvallisuusnäkökohtiin tulee lisätä joitakin hyötynäkökohtiakin, sillä ohijuoksutus voi olla tarpeen muistakin syistä. Vähäsateisena vuodenaikana voidaan vettä joutua keräämään padon taakse varastoon, mutta silloin voi joki sen alajuoksulla kuivua tai joen ekologia voi kärsiä vedenvähyydestä liikaa. Tämän estämiseksi joudutaan osa varastoitavaksi halutusta vedestä päästämään virtaamaan joen uomaan. Samantapainen syy löytyy kalateiden tarpeesta. Jotta vaelluskalat voisivat edetä joessa padon ohitse, tarvitsevat kalat vettä uimiseen ja sen lisäksi padon kiertävä erityinen ohituskanava eli kalatie. Tällainen ohijuoksutus tarvitsee muutaman kuutiometrin vettä sekunnissa.[6]

Talvella voi jokeen jäädä virtaavia avantoja, joissa vesi jäähtyy kovalla pakkasella jäätymispisteen alapuolelle. Tällöin syntyy virtaavaan veteen suppojäätä, joka on aluksi vain vedessä kelluvia jääkiteitä. Nämä kiteet kuitenkin jäätyvät kiinni toisiinsa sekä joen pohjaan, siltojen tai voimaloiden rakenteisiin. Pakkasjaksolla on tarpeen luoda jokeen olosuhteet, jotka estävät supon muodostumisen. Tässä auttaa joen pintaan muodostuva ehjä jääkansi, joka eristää veden pakkaselta. Jääkannen muodostumista voi nopeuttaa säätelemällä aktiivisesti ohijuoksutusta niin, että joen virtaamat rauhoittuvat ja vedenpinnan korkeus vakautetaan.[7]

Virtaavalla vedellä on suuri eroosiovaikutus joen uoman maaperään ja myös vesitien rakenteisiin. Koska ohijuoksutus suoritetaan kohteissa, jossa yläveden ja alaveden pinnoilla on suuri korkeusero, saa alasvirtaava vesi runsaasti liike-energiaa. Eroosion vaikutukset ovat tällaisessa tilanteessa nopeita, ja siksi ohijuoksutuksen järjestämiseen on kiinnitettävä erityistä huomiota. Erilaisissa ratkaisuissa hyödynnetään ympäristön olosuhteita eri tavoilla. Ratkaisut jakautuvat kahteen luokkaan sen mukaan, onko ohijuoksutus passiivista vai aktiivisesti säädeltävää. Passiivisessa ohijuoksutuksessa vesi päästetään tulvimaan padonreunan ylitse, tai veden annetaan virrata ohijuoksutustunneliin. Aktiivinen ohijuoksutus käynnistetään ja sitä säädellä päästämällä vesi avatun sulkuportin kautta. Virtaavan veden eroosio huomioidaan erilaisilla ratkaisuilla. Vesi voidaan johtaa vuorattuun kanavaan, päästää putoamaan syvään veteen, johtaa se kallioiseen koskeen, tai veden liike-energia voidaan kuolettaa muulla tavalla.[4][3]

Veden aktiiviseen ohijuoksuttamisessa yleinen ratkaisu on ylisyöksypato, jossa padon reuna on tarkoitettu liikaveden ylivuotamiseen (engl. overflow spillway [8]). Joissakin patorakennelmissä ohijuoksutus toteutetaan patoaltaan rinnalla tai sivussa kulkevassa sivukanavassa (engl. side channel spillway[8][9]). Vesi voidaan juoksuttaa kauempana patojärven rannasta sijaitsevan tornin tulva-aukosta sisään ja johtaa se tulvakuilua [10] pitkin maan alla altaan ulkopuolelle (engl. shaft spillway, glory hole spillway[8]). Kontroloiduinta ohijuoksutusta tarvitaan myös silloin, kun aiotaan ennakoida tulevia tulvia. Patoon on siksi voitu rakentaa tulvaportit, jossa ohijuoksutusluukkuja voidaan avata ja sulkea tarpeen mukaan[11]. Patoaltaaseen voidaan myös rakentaa torni (engl. outlet tower[8]), jonka rungossa on veden alla eri korkeuksilla avattavia tulvaportteja. Niistä voidaan johtaa vettä ulos patoaltaasta ilman, että itse patorakennelmaan tarvitsee tehdä aukkoja. Jatkuvaan ohijuoksutukseen voidaan rakentaa pysyvä ohijuoksutusaukko, josta purkautuu alapuoliseen vesistöön vettä (engl. compensation water [8]). Tämä voidaan tehdä esimerkiksi joen pitämiseksi elävänä tai luomalla kaloille mahdollisuus nousta virtaavaa kalatietä pitkin patoaltaaseen.[12][13]

Ohijuoksutuksessa voimalaitoksen tuotosta menetetty energia ${\displaystyle \displaystyle P_{ohi}}$ (watteina) voidaan karkeasti arvioida seuraavanlaisella laskukaavalla:

${\displaystyle P_{ohi}={\frac {9,81}{1000}}\cdot (Q_{kok}-Q_{rak})\cdot 0,9\cdot h,}$

missä ${\displaystyle Q_{kok}}$ tarkoittaa joen koko virtaama, ${\displaystyle Q_{rak}}$ rakennevirtaama eli se virtaama, joka mahtuu voimalaitoksen tuotannosta läpi, sekä hyötysuhde 0,9.[14]

• Hakulinen, Juha: Pienvesivoimalan uusinta (PDF) diplomityö. 2013. Lappeenranta: Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto.

• Appurtenant Structures for Dams (Spillways and Outlet Works) Design Standard (PDF) Reclamation. 8.2014. U.S. Department of the Interior Bureu of Reclamation. (englanniksi)