Tulvariskien hallinta vesivoimalaitoksissa Ranskassa

Veden turvallinen vapauttaminen padoilta tulvien tai rankkasateiden aikana on kriittinen operatiivinen haaste. Aiemmat suuntaukset osoittavat äärimmäisten päivittäisten sateiden lisääntyneen Etelä-Ranskassa, mikä voi johtaa äärimmäisiin tulviin. Tämän suuntauksen odotetaan jatkuvan tulevaisuudessa. Lumen ja jäätikön sulamisen odotetaan myös vaikuttavan patojen sisäänvirtaukseen ja ulosvirtaukseen pitkällä aikavälillä. Jäätikön massahäviö osoittaa jo tasaista kiihtyvyyttä Alppien yli.

Vesivoimaloiden tulvanhallinnan haasteena on ehkäistä tai minimoida patojen ylikuormituksen vaikutukset alajuoksun yhteisöihin, omaisuuteen, maatalouteen ja ekosysteemeihin sekä suojella patoja toimintahäiriöiltä ja muilta vahingoilta. Jokaiseen vesivoimapatoon liittyy erilaisia riskitasoja, ja PKW-järjestelmien toimivuus on arvioitava kussakin tapauksessa erikseen.

PKW-järjestelmä kehitettiin vastauksena EDF:n päivitettyihin hydrologisiin tutkimuksiin, jotka osoittivat, että vesivoimapatoihin vaikuttavat äärimmäiset tulvat olivat yleistymässä ja voimistumassa. PKW:t auttavat mukauttamaan patokapasiteettia ilmastonmuutoksen vaikutuksiin, kuten lisääntyneeseen sademäärään ja tulviin. PKW-järjestelmien tavoitteena on lisätä veden (yli)virtauksen pinta-alaa. Tämä lisää padon tyhjennyskapasiteettia muuttamatta säiliön enimmäistasoa. Tällaisen teknologian ensisijainen hyöty on vesivoimavarojen suojaaminen vaurioilta ja samalla toimintakustannusten alentaminen vaihtoehtoisiin porttijärjestelmiin verrattuna. Muita hyötyjä ovat muun muassa tuotantoketjun loppupään vaikutusten vähentäminen rankkasateiden aikana sekä energian toimitusvarmuuden varmistaminen tällaisten tapahtumien aikana vähentämällä toimintahäiriöitä.

Ranskan Auvergne-Rhône-Alpesin alueella Ardèchen departementissa sijaitseva Chassezacin laakso määriteltiin korkeaksi potentiaaliseksi vesistöalueeksi 1950-luvulla. Tämän seurauksena kehitettiin viisi vesivoimapatoa ja neljä vesivoimalaitosta, jotka kaikki rakennettiin vuosina 1961-1970. Toisen padon, Malarcen padon, korkeus on 28,4 m, pituus 111 m ja pidätyskapasiteetti 2,3 hm³ (eli 2,3 miljoonaa m³). Se otettiin käyttöön vuonna 1968 ja sen teho on 16 MW.

Malarcen padon PKW:tä tilattiin lisäämään sen maksimipurkauskapasiteettia noin 600 m³/s yhteensä 4600 m³/s. Kun patoveden taso ylittää imusäiliöiden tason, vesi virtaa automaattisesti PKW:n yli poistosäiliöihin, jotka kulkevat suoraan vuotokanavaan ja alavirtaan. Tämä teknologia mahdollistaa patojen sopeuttamisen ilmastonmuutoksen aiheuttamiin kasvaviin tulvariskeihin. Malarcen padon PKW auttaa vähentämään patoinfrastruktuurille ja tuotantoketjun loppupään yhteisöille aiheutuvien kalliiden vahinkojen riskiä.

Patovuodon hallintaan on useita teknisiä vaihtoehtoja. Labyrinttiläpivientejä voidaan asentaa vain tietyntyyppisiin patoihin, ja ne on yleensä asennettava patojen varhaisimmassa suunnitteluvaiheessa. Monissa nykyisissä padoissa on käytössä aidattuja järjestelmiä virtauksen hallintaa varten. Aidatut järjestelmät voivat kuitenkin epäonnistua liiallisen tulvimisen aiheuttaman kylläisyyden tapauksessa. PKW:t ovat usein tehokkain vaihtoehto tulvariskien hallintaan nykyisillä padoilla. PKW: llä ei ole enimmäiskapasiteettia, vaan ne tarjoavat sen sijaan vapaan virtauksen vuodon. PKW: t voivat siten hallita paljon suurempia virtaustasoja ja tarjota turvallisemman ratkaisun kuin aidatut järjestelmät, joilla on minimaalinen toimintahäiriöiden riski ja helpottaa kelluvien roskien evakuointia. Päinvastoin kuin muut virtauksenhallintatekniikat, PKW: t välttävät myös inhimillisiä virheitä, koska ne eivät vaadi ihmiskäyttäjiä. Tämä on hyödyllistä hätätilanteissa, mukaan lukien äkkitulvat ja maanvyörymät, joiden aikana työntekijät eivät pääse työmaalle.

PKW-teknologian tärkeimmät eurooppalaiset toimijat ovat Ranska, Sveitsi ja Belgia. EDF ei patentoinut PKW-järjestelmää. Sen sijaan se on tehnyt yhteistyötä jakaakseen PKW-teknologiaa ja näkemyksiä muiden kansainvälisen vesivoimayhteisön toimijoiden kanssa. Useat kehittäjät eri puolilla maailmaa (esimerkiksi Algeriassa, Yhdysvalloissa ja Etelä-Afrikassa) ovat asentamassa PKW-laitteita, mikä on osoitus innovatiivisen teknologian kansainvälisestä tunnustamisesta. Vuonna 2015 EDF sai ilmastonmuutosta koskevan Yhdistyneiden kansakuntien puitesopimuksen Climate Solutions -palkinnon ilmastonmuutokseen sopeutumisesta.

Koska PKW on pieni osa koko patoa, sillä ei ole nimenomaista vaikutusta, joka olisi sidosryhmien ja kansalaisjärjestöjen nähtävissä tai jota ne kritisoisivat. Sidosryhmien osallistuminen ei näin ollen ole rutiininomaisesti tärkeä osa PKW-laitosta. Kuten kaikissa suurissa maa- ja vesirakennushankkeissa, kaikissa rakennustyömailla on kuitenkin noudatettava tiukkoja ympäristövaikutusten arviointimenettelyjä, ja niille on saatava valtion hyväksyntä. Näihin vaikutustenarviointimenettelyihin ja hyväksyntöihin, esimerkiksi CODERSTin kautta, sisältyy kansalaisjärjestöjen ja sidosryhmien kuulemisia.

PKW on toteutettu useissa vesivoimalaitoksissa maailmanlaajuisesti. Tätä laajaa leviämistä helpotti EDF:n päätös olla patentoimatta tätä teknologiaa. Alkuperäisten kehittäjien, jotka jakoivat teknologian sidosryhmien kanssa koko vesivoimayhteisössä, yhteistyöhön perustuva lähestymistapa on yksi teknologian tärkeimmistä menestystekijöistä. PKW on edullinen ja helposti asennettava ratkaisu verrattuna muihin ylivuotojen hallintatekniikoihin, kuten aidattuihin järjestelmiin. Lisäksi PKW-teknologia on luotettavaa ja häiriönsietokykyistä, koska ei ole tarvetta miehitetyille toiminnoille tai laajamittaiselle huollolle. Lisäksi se, että ensimmäisen PKW:n rakensi EDF, joka on tunnettu vesivoima-alalla arvostettu yritys, auttoi saamaan muut patojen omistajat asentamaan PKW:t.

PKW-alueisiin liittyviä haasteita ovat tiettyjen patoalueiden soveltuvuus ja saavutettavuus erityisesti vuoristoalueilla. Lisäksi vesivoimainfrastruktuurin pitkä käyttöikä ja tuotesyklien kesto merkitsevät sitä, että uusien ideoiden ja teknologisten ratkaisujen leviäminen vie tällä alalla aikaa. Patoalueilla rakentaminen tapahtuu yleensä vain kesäkuukausina, mikä asettaa lisärajoitteita mäntyankeroisten asentamiselle.

PKW:n kustannukset riippuvat olemassa olevasta patorakenteesta, sijainnista ja myös veden virtauksen laajuudesta. Patorakenteen saavutettavuus ja siihen liittyvät laitetarpeet vaikuttavat myös kustannuksiin. Padosta riippuen voi olla enemmän tai vähemmän kallista asentaa muutoksia, kuten PKW. PKW: n asennus voi maksaa 200 000 - muutaman miljoonan euron välillä. Joka tapauksessa PKW voi olla kustannustehokas ja muodostaa suhteellisen pienen osan padon kokonaiskustannuksista. Esimerkkeinä PKW-asennuksesta mainitaan rutiininomaisesti, että ne kattavat jopa 30 prosenttia kokonaiskustannuksista. Vaikka nykyistä aidattua järjestelmätekniikkaa on käytettävä manuaalisesti ja se vaatii kallista säännöllistä huoltoa, PKW: t eivät vaadi käyttöhenkilöstöä ja huoltoa tarvitaan vain vähän tai ei lainkaan.

Ranskassa ei ole PKW:tä koskevaa oikeudellista velvoitetta, eikä alan lainsäädäntöä odoteta. Tekniikan asentaminen on patojen omistajien tehtävä. Vesivoimalaitosten tulvanhallinnan parantaminen on kuitenkin tulvariskien arvioinnista ja hallinnasta annetun direktiivin 2007/60/EY joidenkin periaatteiden mukaista.

EDF kehitti ensimmäisen PKW:n vuosina 2003–2005 Gouloursin padolla (Pyrenées-vuoristossa). PKW:n käyttöönottoaika vaihtelee tapauskohtaisesti. Pienet hankkeet voivat kestää muutaman kuukauden, kun taas suuremmat hankkeet voivat kestää muutaman vuoden. Molemmissa tapauksissa rajoitukset johtuvat patorakentamisen kausiluonteisuudesta. Hyväksymisajat ovat melko pitkiä, ja niihin sisältyy esiselvitys, yksityiskohtainen suunnittelu, tarjouskilpailut, ympäristötutkimukset ja viranomaisten hyväksyntä.

Näiden investointien elinkaarta on vaikea kommentoida, koska PKW-teknologia on suhteellisen uutta eikä käyttöiän loppua ole vielä saavutettu. On odotettavissa, että tällaisilla betonirakenteilla, kuten PKW:illä, olisi sama käyttöikä kuin vesivoimapadoilla tai muilla suurilla maa- ja vesirakennushankkeilla (eli 50–100 vuotta).

Francois Lemperiere
Initial innovator of the PKW system
E-mail: forms92@wanadoo.fr 
Tel.: +33 145344289

Ahmed Ouamane
Initial innovator of the PKW system
University of Biskra, Algeria
E-mail: a.ouamane@univ-biskra.dz 

Frederic Laugier
Dam Safety Engineer
Electricité de France (EDF)
E-mail: frederic.laugier@edf.fr  
Tel.: +33 479606245