Pyörrelampien suunnittelu ja mitoitus

Vesiensuojelurakenteita on kehitetty suojaamaan vesistöjä maa- ja metsätalouden, turvetuotannon, teollisuuden ja monen muun vesistökuormittajan haittavaikutuksilta. Nykyratkaisuista laskeutusaltaita on tähän asti käytetty vesiensuojeluketjun alkupäässä kiintoaineen kerääjinä. Toimiakseen ne kuitenkin vaativat paljon tilaa ja alhaiset virtausnopeudet. Tässä työssä tutkittiin uutta innovaatiota, pyörrelampea, joka voisi olla vaihtoehtoinen ratkaisu laskeutusaltaalle. Tarkastelussa perehdyttiin pyörrelampien toimintaan, tehokkuuteen ja mitoitukseen vaikuttaviin tekijöihin. Tavoitteena oli tutkia rakenteiden toimintaa ja pidätystehoa erisuuruisilla virtaamilla. Erikseen tarkasteltiin vielä erillisen virranohjaimen tarpeellisuutta ja vaikutusta pyörrelammen toimintaan. Tehoa pyrittiin tarkastelemaan tutkimalla erilaisten partikkelien pidättymistä pyörrelampiin. Lisäksi arvioitiin rakenteisiin kohdistuvan resuspensioriskin suuruutta. Mitoituksen suhteen tavoitteena oli tehdä havaintoja rakenteiden sopivasta koosta ja virtausolosuhteista suunnittelun tueksi. Tutkimus perustui kahteen hieman erilaiseen pyörrelampeen, jotka rakennetaan kevään 2014 aikana Limingan Nipsinginojalle. Pyörrelampien piirrosten pohjalta suoritettiin mallinnusta COMSOL Multiphysics -ohjelmistolla. Mallinnuksessa luotiin virtausprofiilit eri pyörrelampiratkaisuille, ja tutkittiin partikkelien kulkeutumista malleissa. Partikkelimallinnukseen tarvittavien taustatietojen saamiseksi Nipsinginojalta otettiin maaperä- ja sedimenttinäytteitä. Mallinnusten perusteella arvioitiin erilaisten rakenteiden tehokkuutta virtaamien ja partikkelityyppien vaihdellessa. Molemmat pyörrelammet antoivat mallinnuksissa rohkaisevia tuloksia kiintoaineen pidättämisen suhteen. Rakenteisiin saatiin pidättymään merkittäviä määriä etenkin karkeampia hiekka- ja silttipartikkeleita, mutta jonkin verran myös kevyempiä orgaanisia partikkeleita. Parhaimmillaan pidätysteho nousi useisiin kymmeniin prosentteihin. Tulokset olivat hyviä etenkin, kun huomioidaan mallinnettujen rakenteiden suhteellisesti erittäin pieni pinta-ala valuma-alueen kokoon nähden. Tulosten perusteella tehokkaimmin toimii pyörrelampi, jossa ei ole erillistä virranohjainta. Toimivuus vaatii kuitenkin virtauksen osittaisen ohjautumisen lampeen. Myös virranohjaimellinen rakenne antoi positiivisia tuloksia. Yleisesti voidaan sanoa, että rakenteet toimivat tehokkaimmin normaalivirtaamalla. Ylivirtaamilla vesi pyörrelammissa virtasi partikkelien laskeutumisen kannalta liian lujaa, ja alivirtaamilla virtaus oli liian heikko kuljettamaan partikkeleita lampiin. Epävarmuutta tuloksiin tuo suurista lammen sisäisistä virtausnopeuksista aiheutuva resuspensioriski, jonka olemassaoloa arvioitiin leikkausjännitysten avulla. Resuspensioriski on merkittävin suurimmilla ylivirtaamilla, mutta huomattava myös normaalivirtaamilla. Tulokset pätevät molempiin pyörrelampiratkaisuihin, vaikkakin mallissa ilman virranohjainta riskit näyttäisivät olevan suurempia. Toisaalta mallinnuksessa ei huomioitu kasvillisuuden vaikutuksia, mitkä osaltaan hillitsevät resuspensiota. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että pyörrelampi on potentiaalinen ratkaisu tulevaisuuden vesiensuojelurakenteiden joukkoon. Tästä työstä saatuja tuloksia voidaan käyttää lähtökohtana pyörrelampien jatkokehittelylle ja mitoitukselle. Tutkimustulosten vahvistamiseksi tarvitaan kuitenkin käytännön kokemuksia pyörrelampien toiminnasta.There are many structures invented for water pollution control for agriculture, forestry, peat extraction and industry. A sedimentation basin is typical solution for controlling the solid matter loads. Basins locate typically at the beginning of the water protection chain and for effective water protection the sedimentation basins needs large areas and low flow velocity for inflowing water. This thesis concentrates on the vortex traps that are the new alternative structures for controlling the solid matter loads. The main targets of this study were to study functionality, efficiency and dimensioning factors of the vortex trap. The vortex trap’s functionality and solids capturing ability were tested by using different inflowing discharge rates and with deflector. The efficiency target was searched by determining the vortex trap’s solids capturing rates with different discharges. Also the analysis for risks of resuspension was included. The third part, dimensioning, focuses on to find basic instructions for suitable dimensions and flowing conditions to support dimensioning and planning. This study included two different vortex trap structures located in the town of Liminka, and will be built to the river Nipsinginoja during the spring 2014. The main research method was the modelling with COMSOL Multiphysics software. The simulation produced the water velocity profiles for different vortex trap structures and discharges. Also the movements of solid particles in the structures were observed with Particle tracing function. The particle research was supported by field measurements in the Nipsinginoja. The results of the simulation present the vortex trap’s efficiency rates with different particle types and discharging conditions. The both two vortex trap solutions captured solids with significant efficiency. Especially simulations results for coarser sand and silt particles were good and the capturing rate of solids was dozens of percent. The traps captured also organic matter. The results were very good despite the fact that the surface areas related to catchment areas were minor. The best results were given by vortex trap which doesn’t include the deflector and the flow was naturally directed inside the trap. However, also the model with deflector worked well and it is useful solution if the flow passes the trap along the river channel. The normal discharges were the most favorable flowing conditions for capturing the solids. The flood discharges created high flow velocities for particle sedimentation and the low discharges did not have enough the stream power to direct the water flow into the vortex traps. It is important to realize that high flow velocities inside the both vortex traps increase resuspension risks. These risks were estimated with analyzing the shear stress values inside the traps. Based on the analysis it is clear that these risks are highest with flood discharges. Even with normal discharges the risks are notable at some parts of traps. The modelling didn’t included the effect of vegetation which should resist the resuspension. The main conclusion is that vortex traps are highly potential structures for water solid matter load controlling. The results of this study could be used as a base for dimensioning and further development of vortex traps. Also the practical information about the function of traps is needed to confirm the studying results