The effects of short-term regulation on habitat conditions of brown trout, Salmo trutta in the lowermost part of River Kalajoki and possibilities for mitigation

Abstract. The lowermost 45 kms of River Kalajoki in northern Finland experiences fluctuations in flow rate due to hydropeaking practise of Hamari hydropower plant (Hamari HPP). This has decreased good ecological status in the lower part of Kalajoki and affecting fish habitat condition. The main objective of this study is to investigate the effect of hydropeaking of hydropower power plants on fish habitat through field measurements and modeling, and suggest possible mitigation measures. The study specifically aims to (1) evaluate the level of current hydropeaking practice on lower part of Kalajoki, (2) investigate with 1D HEC-RAS model the extent to which hydropeaking practice affect the fluctuations in water surface elevation (WSE) downstream of the Hamari HPP, (3) investigate the impact of current hydropeaking regulatory practice on the morphological structure of two rapids on the Kalajoki namely; Juurikoski (located just below the Hamari HPP in Ylivieska) and Hihnalankoski (located about 32 km below Hamari HPP in Tynkä), and (4) investigate the with 2D fish habitat modeling. The effect of hydropeaking practice on the quality and quantity of fish habitat and possibilities for mitigation. In general, it was found that significant hydropeaking induced WSE fluctuations could impact all the way to the mouth of the Kalaojoki depending on the magnitude of discharges from the Hamari HPP. The state of hydropeaking below Hamari HPP was found to be ‘high impact’ and therefore needs improvement in the ecohydraulic state of the river. The current hydropeaking practise had a more negative effect on the quantity and quality of brown trout habitat at Juurikoski than Hihnalankoski partly due to the nearness of Juurikoski to the Hamari HPP and also partly due to its poor river construction compared to Hihnalankoski. This study explored the morphological restoration of Juurikoski with Hihnalankoski river structure and found a significant increase in fish habitat quantity in terms of weighted usable area (WUA) in excess of 200 % for all brown trout class. However, the morphological restoration alone cannot ensure total eradication of hydropeaking effects. Therefore an addition, appropriate operational measures regarding minimum flow adjustment, downramping rate, an adjustment in maximum allowable peak flows should be considered to help mitigate other unavoidable impacts such as stranding and flushing away of larvae, eggs and redds.Tiivistelmä. Pohjois-Pohjanmaan eteläosassa sijaitsevan Kalajoen alimman 45 km matkalla virtaama vaihtelee Hamarin voimalaitoksella harjoitettavan lyhytaikaissäännöstelyn vuoksi. Tämä vaikeuttaa hyvän ekologisen tilan saavuttamista Kalajoen alaosalla. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää mallintamisen avulla nykykäytännön mukaisen lyhytaikaissäännöstelyn ja mahdollisen uoman kunnostuksen vaikutuksia kalojen elinympäristön määrään ja laatuun. Tutkimuksen osatavoitteet olivat 1) arvioida nykyisen lyhytaikaissäännöstelykäytännön intensiteettiä Kalajoen alaosalla, 2) tutkia 1D HEC-RAS-mallilla, kuinka eri virtaamatilanteissa harjoitettu lyhytaikaissäännöstely vaikuttaa virtaaman ja vedenpinnan vaihteluihin eri etäisyyksillä voimalaitoksesta, 3) tutkia nykyisen lyhytaikaissäännöstelykäytännön vaikutuksia kahden kosken (Juurikoski välittömästi voimalaitoksen alapuolella ja Hihnalankoski noin 32 km voimalaitoksen alapuolella) virtaama- ja syvyysvaihteluun sekä 4) tutkia 2D-habitaattimallilla lyhytaikaissäänöstelyn ja mahdollisten kunnostustoimenpiteiden vaikutuksia taimenen elinympäristön määrään ja laatuun. Hamarin voimalaitoksen nykyinen lyhytaikaissäännöstely luokiteltiin luokkaan suuri vaikutus (high impact), minkä perusteella sitä olisi syytä lieventää. Tutkimuksessa havaittiin, että erityisesti korkealla virtaamalla lyhytaikaisäännöstelyn vaikutus ulottui aina Kalajokisuulle asti. Kun keskimääräinen tulovirtaama oli pieni tai keskimääräinen, lyhytaikaisäännöstelyn merkittävän vaikutuksen alue oli selvästi lyhyempi. Lyhytaikaisäännöstelyn vaikutus taimenen elinympäristön määrään ja laatuun oli huomattavasti suurempi Juurikoskessa kuin Hihnalankoskessa. Tähän vaikutti ennen kaikkea etäisyys voimalaitokseen, mutta myös Juurikosken morfologinen rakenne. Tulosten perusteella taimenen elinympäristön määrä ja laatu Juurikoskessa paranisi, jos sen rakenne muutettaisiin samalaiseksi kuin Hihnalankoskessa. Kuitenkaan pelkällä rakenteen muuttamisella ei voitaisi poistaa lyhyaikaissäännöstelyn haittavaikutuksia kuten kalojen kuivilleen jäämistä, sopivan elinympäristön siirtymistä lyhytaikaisäännöstelyn rytmissä sekä poikasten ja mätimunien huuhtoutumista. Tästä syystä kunnostustoimien lisäksi olisi lyhytaikaissäännöstelyä lievennettävä. Mahdollisia lieventämistoimia ovat mm. minivirtaaman nostaminen, maksimivirtaaman laskeminen ja juoksutusmuutoksien tekeminen mahdollisimman pienin portai