Research Methods Used in Water Resources Planning

Abstract

The purpose of this thesis was to study research methods commonly used in water resources planning. The thesis includes a literature survey of these methods, and an experimental section dealing with flood frequency analysis.

The section of the thesis dealing with time series analysis introduces the components of time series and methods used in their evaluation. The generation of time series is also examined. The section dealing with storage design places more emphasis on the design of the alluvial basin and stochastic storage theory. An example of stream flow generation and storage design based on the monthly stream flows of the Vantaa River is also presented. The section examining water system regulation provides an overview of simulation, runoff models and stream flow forecasting, as well as linear and dynamic optimization. The section dealing with dynamic optimization outlines different approximation methods and compares these using a four-basin system example.

Flood frequency analysis was carried out in three small catchment areas: Kesselinpuro, Latosuonoja and Huhtisuonoja. About 40% of the Huhtisuonoja catchment was drained during the period under review. Based on the observations, stream flows that can occur once every 20, 50 and 100 years were calculated for all three catchment areas. The stream flows were calculated using four different probability distributions -normal distribution, Gumbel distribution, Pearson type ill distribution and two-parameter gamma distribution so that the effect of the distribution could be studied. The observed data were then divided into series of different lengths, as the aim was to evaluate the impact of the length of the time series and that of specific observations made during the period in question. The effect of the plotting position parameter a was also calculated. As can be seen from the conclusions, the distribution and the observed time series can have a significant impact on the results. The results for Huhtisuonoja demonstrate that stream flows increase directly after drainage, but the impact of drainage decreases over time.

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia vesistösuunnittelussa yleisesti käytössä olevia tutkimusmenetelmiä. Menetelmistä on tehty kirjallisuusselvitys, Ja kokeellisessa osiossa on tutkittu toistuvuusanalyysia.

Aikasarja-analyysissa on esitetty aikasarjan komponentit ja niiden arvioimisessa käytetyt menetelmät. Myös aikasarjan generointi on käyty läpi. Varastoaltaan mitoituksessa on tutustuttu tarkemmin tulva-altaan mitoittamiseen sekä stokastiseen varastoteoriaan. Lisäksi on esitetty esimerkki virtaamien generoinnista ja varastoaltaan mitoituksesta Vantaanjoen kuukasivirtaamiin perustuen. Vesistöjen säännöstelyssä on esitelty simulointi, valuntamallit ja virtaaman ennustaminen sekä optimointi, jossa on käyty läpi lineaarinen ja dynaaminen optimointi. Dynaamisessa optimoinnissa on vielä tutkittu neljää approksimaatiomenetelmää. Approksimaatiomenetelmiä on vielä verrattu keskenään käyttämällä esimerkkinä neljän altaan systeemiä.

Toistuvuusanalyysi tehtiin kolmelle pienelle valuma-alueelle, Kesselinpurolle, Latosuonojalle sekä Huhtisuonojalle, joista Huhtisuonojaa metsäojitettiin noin 40 % havaintoaikana. Havaintojen perusteella kullekin valuma-alueelle laskettiin keskimäärin kerran 20 vuodessa, 50 vuodessa ja 100 vuodessa esiintyvät ylivirtaamat neljällä eri jakaumalla, sillä haluttiin nähdä, miten jakauman valinta vaikuttaa tuloksiin. Käytetyt jakaumat olivat normaalijakauma, Gumbelin jakauma, Pearsonin III-tyypin jakauma ja kaksiparametrinen gammajakauma. Alueiden havaintosarjat jaettiin vielä eripituisiin jaksoihin, silla haluttiin tutkia miten aikasarjan pituus ja sen sisaltiimat havainnot vaikuttavat tuloksiin. Lisäksi tutkittiin miten tuloksiin vaikuttaa toistuvuuksien todennäköisyyksien laskennassa käytetty parametri a. Tuloksista nähdään, että käytetyllä jakaumalla voi olla huomattava merkitys, samoin sillä miltä aikajaksolta havaintoaineistoa tutkitaan. Huhtisuonojan tuloksista nähdään, että ojituksella on selkeä merkitys heti ojituksen jälkeen, mutta sen merkitys pienenee ajan kuluessa.