Suuret tulvat - arvioimisen menetelmät ja ilmastonmuutoksen vaikutukset

In the literature survey that makes up the first part of this master's thesis different methods to estimate the magnitude of extreme floods and the effects of climate change on extreme floods were reviewed. In the experimental part of this thesis two different methods for estimating extreme floods were evaluated. The methods are frequency distributions and model calculations based on precipitation. Three different frequency distributions, Gumbel, Pearson type III and log-Pearson type III, were fitted to eight discharge data samples from different parts of Finland. The distributions were compared using least squares method, chi-square test, Kolmogorov-Smirnov test and by comparing the largest observed event with the event of the same return period given by the distributions. Based on these tests it wasn't possible to assess which distribution fitted the data best. The Gumbel distribution yielded the largest estimates for discharges with long return periods for all expect one data set. The skew coefficients of Pearson type III and log-Pearson type III distributions calculated from the data sets were often small and even negative. This is probably due to the special conditions in Finland, which include the significant role of snowmelt in flooding and the large amounts of lakes. Negative skew coefficients existed especially with log-Pearson type III distribution. Negative skew coefficient means that the distribution has an upper bound, which can lead to underestimation of the events with long return period. For this reason the use of log-Pearson type III distribution as such cannot be recommended in Finland. Model calculations based on precipitation were also conducted on five dams to estimate the magnitude of an extreme flood suited for the design of high-risk dams or with return period of 5000-10000 years. In the method used, an extreme design precipitation was combined with 40 years of actual weather and the worst possible timing for the design precipitation was searched. The effects of climate change by 2070-2099 on the design floods were also evaluated with this method. The design floods derived with this method were at least large enough to be used as design values for high-risk dams although the exact return period of the floods cannot be defined. The effect of climate change depends on the primary cause of the flood. It appears that, if the design flood in 2070-2099 is a spring flood caused mainly by snowmelt, the design floods will remain the same or decrease. On most of the dams examined the timing of the design flood in 2070-2099 was during summer or autumn and the design floods increased compared to present situation, at some sites the increase was considerably large.Tämän diplomityön ensimmäisen osan kirjallisuusselvityksessä käytiin läpi eri menetelmiä tulvien ja ylivirtaamien suuruuden arvioimiseen ja ilmastonmuutoksen mahdollisia vaikutuksia tulviin. Työn kokeellisessa osiossa tarkasteltiin kahta eri menetelmää suurten tulvien arvioimiseen. Menetelmät olivat todennäköisyysjakaumien sovittaminen havaintoaineistoon ja sadantaan perustuvien mallilaskelmien käyttö. Kolme eri todennäköisyysjakaumaa, Gumbelin, Pearsonin tyypin III ja log-Pearsonin tyypin ITI jakauma, sovitettiin kahdeksaan ylivirtaama-aineistoon eri puolilta Suomea. Jakaumien vertailuun käytettiin pienimmän neliösumman menetelmää, chi2-testiä, Kolmogorov-Smirnovin testiä ja jakauman ennustamien ylivirtaamien sopimista suurimpaan havaittuun ylivirtaamaan. Testien perusteella ei voitu arvioida yksikäsitteisesti parhaiten havaintoihin sopivaa jakaumaa. Gumbelin jakauma antoi kaikissa paitsi yhdessä kohteessa suurimpia ylivirtaamaestimaatteja suurilla toistumisajoilla. Pearsonin tyypin III ja log-Pearsonin tyypin III jakaumien vinouskertoimet olivat kahta kohdetta lukuun ottamatta varsin pieniä, jopa negatiivisia. Tämä johtuu ilmeisesti Suomen erityisolosuhteista, kuten lumen merkittävästä roolista tulvien aikaansaajana ja järvien suuresta määrästä. Negatiivisia vinouskertoimia esiintyi etenkin log-Pearsonin tyypin III jakaumassa. Negatiiviset vinouskertoimet tarkoittavat, että jakaumalla on yläraja ja tämä voi johtaa suurilla toistumisajoilla liian pieniin ylivirtaamaestimaatteihin. Log-Pearsonin tyypin III jakauman käyttöä ei tämän vuoksi voida sellaisenaan suositella Suomessa. Sadantaan perustuvissa mallilaskelmissa pyrittiin arvioimaan suuren tulvan, joka soveltuu korkean riskiluokan patojen mitoitukseen eli on toistumisajaltaan 5 000-10 000 vuotta, suuruutta viidellä eri kohteella. Menetelmässä yhdistettiin harvinainen mitoitussadanta 40 vuoden ilmasto-olosuhteisiin ja etsittiin sadannalle tarkasteltavan padon kannalta kriittisin ajankohta. Samalla menetelmällä pyrittiin lisäksi arvioimaan ilmastonmuutoksen vaikutuksia mitoitustulvien suuruuteen jaksolle 2070-2099 mennessä. Tulokseksi saatiin, että käytetyllä menetelmällä saadut tulvat ovat ainakin riittävän suuria korkean riskiluokan patojen mitoittamiseen, vaikka tulvien tarkkaa toistumisaikaa ei voidakaan määrittää. Ilmastonmuutoksen vaikutus mitoitustulvaan riippuu tulvan aiheuttavasta tekijästä. Kohteissa, joissa mitoitustulvat aiheutuvat myös ilmastonmuutoksen jälkeen pääosin lumen sulamisesta keväällä, vaikuttaa siltä, että mitoitustulvat eivät juuri muutu tai pienenevät hieman. Useimmilla kohteilla mitoitustulvat ajoittuivat jaksolla 2070-2099 kesään tai syksyyn ja mitoitustulvat kasvoivat nykytilanteeseen verrattuna, joillain kohteilla varsin merkittävästi