Flow simulation in a ditch network of a drained peatland forest catchment in Eastern Finland
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2014-01-27
Department
Major/Subject
Vesi- ja ympäristötekniikka
Mcode
R3005
Degree programme
Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
63 + 3
Series
Abstract
The suspended solid (SS) load of drained peatland forest sites after ditch network maintenance causes one of the largest strains on the water system by forestry. Understanding the hydraulic processes in newly maintained ditch networks is necessary for quantifying SS load generation and transport in source areas. In this thesis, a hydraulic unsteady flow model that would meet the needs of flow simulation in a drainage network on a forested peatland site, was built. The algorithm proposed by Zhu et al. (2011) was applied to simulate flow in a network of channels. In the iterative procedure flow in the channels of the network was solved separately using the Saint-Venant equations and the flow depths at the junction-points were corrected using the characteristic method. The algorithm was programmed using the numeric computing environment MATLAB by MathWorks. According to the hydraulic conditions produced by the model, erosion risk within the network was evaluated. The model was applied to a newly maintained ditch network on a drained peatland catchment Koivupuro (5.2 ha) in Eastern Finland. The ditch network consisted of 15 branches, altogether 1.6 km in length, and 8 junctions. Flow simulation in the small ditches of Koivupuro with mostly very low flow rate (0.0005–0.025 m3/s) introduced its challenges. The magnitude of flow resistance depended highly on the flow conditions. Evidently no one single Manning’s coefficient could be applied for the full range of flow conditions or even for the whole network as differences in discharge were large even within the network. The variability of flow resistance introduced an inevitable challenge to flow computation over a longer time period in a network of such small scale. The assessment of absolute erosion risk was uncertain because of the variability of flow resistance and the uncertainties related to the onsite water depth measurements. However, spatial differences in erosion risk could be derived. Based on bed shear stress evaluation the highest relative erosion risk was found in the southern end of the first and second ditch, close to the outlet of the catchment. Along these reaches flow was relatively high and the bed slope steep. In accordance with previous studies on drained peatlands, the results suggested only highest peak flows have a role in SS generation and transport in the Koivupuro ditch network.Metsätalouden merkittävimpänä vesistöjen kuormittajana pidetään ojitettujen soiden kiintoainekuormaa, joka on erityisen suuri kunnostusojituksen jälkeisinä vuosina. Kiin-toaineen muodostumisen ja kulkeutumisen arviointi vaatii metsäojien hydraulisten prosessien ymmärrystä. Tässä työssä pyrittiin rakentamaan hydraulinen malli, joka soveltuisi metsäojaverkoston virtaaman mallinnukseen. Mallin perustana käytettiin Zhu ym. (2011) raportoimaa iteratiivista algoritmia, jossa virtaama verkoston uomissa ratkaistaan Saint-Venantin yhtälöiden avulla ja risteyskohtien vedensyvyys säädetään oikeaksi karakterististen yhtälöiden perusteella. Mallin rakentamiseen käytettiin Mathworksin nu-meerista MATLAB-laskentaohjelmistoa. Mallin simuloimien virtaamaolosuhteiden pe-rusteella pyrittiin arvioimaan eroosioriskiä uomaverkostossa. Rakennettua virtaamamallia sovellettiin vuonna 2011 kunnostettuun ojaverkostoon Koivupurolla (5.2 ha), Sotkamossa. Ojaverkosto muodostui 15 haarasta, joiden yhteispituus oli 1.6 km, ja 8 risteyskohdasta. Virtaamamallinnus näin pienissä uomissa, joissa virtaama pysyi hyvin alhaisena (0.0005–0.025 m3/s), oli haastavaa, sillä virtausvastus vaihteli selvästi virtausolosuhteiden mukaan. Samaa vastuskerrointa ei tämän perusteella pitäisi käyttää eri virtaamaolosuhteille saatikka koko ojaverkostolle, sillä yläjuoksulla virtaama oli huomattavasti pienempi kuin alajuoksulla. Työ osoitti, että pidemmän ajanjakson mallinnus vastaavassa ojaverkostossa on vaihtelevan virtausvastuksen takia haastavaa. Absoluuttisen eroosioriskin määrittäminen Koivupuron ojaverkostossa oli epävarmaa, koska virtausvastuksen oletettiin vaihtelevan ja ojissa tehtyihin vedensyvyysmittauksiin liittyi epävarmuutta. Tarkastelemalla leikkausjännitystä pystyttiin kuitenkin paikantamaan verkoston eroosioalttiimmat kohdat. Suurin eroosioriski oli lähellä koealueen purkautumiskohtaa. Riskialttiit ojaosuudet kuljettivat suhteessa suurta virtaamaa ja olivat kaltevuudeltaan suuria. Kuten aiemmissa ojitetuille turvemaille kohdistuvissa tutkimuksissa, tulokset viittaavat siihen, että vain suurimmilla ylivaluntapiikeillä on kiintoainekuormituksen kannalta merkittävä rooli.Description
Supervisor
Koivusalo, HarriThesis advisor
Stenberg, LeenaYounis, Bassam
Keywords
hydraulic modelling, hydraulinen mallinnus, erosion, peatland, ditch maintenance, eroosio, turvemaa, kunnostusojitus
