Lumen ja jään hyödyntäminen veden varastointiin Suomen olosuhteissa

Abstract

Ilmastonmuutoksen seurauksena Suomessa esiintyvien kuivuusjaksojen ennakoidaan voimistuvan erityisesti kasvukauden alussa, mikä lisää maatalouden kasteluveden tarvetta etenkin Etelä- ja Lounais-Suomessa. Samanaikaisesti suuri osa vuotuisesta sadannasta kertyy kasvukauden ulkopuolella. Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan kryösfäärin, erityisesti lumen ja jään, hyödyntämistä kasteluveden varastoinnissa osana kuivuusriskien hallintaa Suomen olosuhteissa. Työn tavoitteena on koota kirjallisuuteen perustuva teoriapohja lumen ja jään varastointiin käytetyistä menetelmistä, arvioida menetelmien soveltamisen reunaehtoja Suomessa sekä tuottaa laskentaesimerkkejä, joiden avulla voidaan arvioida menetelmien teknistä ja taloudellista toimivuutta. Tutkimus on toteutettu kirjallisuuskatsauksena, jonka pohjalta laskettiin kunkin lumen ja jään varastointimenetelmästä lasketaan mitoitus- ja kustannuslaskelmat. Työssä keskitytään lumen varastointiin, keinotekoisiin jäätiköihin sekä lumiaitoihin, joita tarkastellaan kasteluveden varastoinnin näkökulmasta. Lumen varastoinnin osalta analysoidaan lumen kertymistä, keruumenetelmiä ja varastointirakenteita sekä lumen sulamisen hallintaa eristysratkaisuilla. Laskentaesimerkkien perusteella osoitetaan, että jo ohuilla eristekerroksilla voidaan merkittävästi hidastaa lumen sulamista ja ajoittaa sulamisvesien vapautuminen keväästä keskikesään. Näin ollen lumen varastointi mahdollistaa kasteluveden tuottamisen ilman mittavia maanrakennustoimenpiteitä. Pellolta kerättävän luonnonlumen todetaan olevan kustannuksiltaan erittäin edullinen kasteluveden lähde, mikäli paikalliset olosuhteet mahdollistavat toimenpiteen käyttämisen. Keinotekoisten jäätiköiden osalta tarkastellaan erityisesti jäästupa-rakenteita ja perustamisen mahdollisuuksia eteläisen Suomen talviolosuhteissa. Laskennallisten tarkastelujen perusteella todetaan, että talvien pakkastuntien määrä mahdollistaa jään muodostamisen, mutta merkittäviksi reunaehdoiksi nousevat pumppauksen energiankulutus, sekä putkistojen jäätymisriskit. Lumiaitojen osalta osoitetaan, että tuuliolosuhteiden ja lumen kulkeuman perusteella on mahdollista kerätä merkittäviä lumimääriä passiivisesti erityisesti avoimilla peltovaltaisilla alueilla. Menetelmällä on suuri lumenkeruupotentiaali, mutta edellyttää huolellista suunnittelua ja runsaslumisia talvia. Johtopäätöksenä todetaan, että lumen varastointi on Suomen olosuhteissa teknisesti ja taloudellisesti varteenotettava keino kasteluveden varastointiin erityisesti kuivuudelle alttiilla alueilla. Menetelmillä on selkeästi määrittyvät käyttöedellytykset ja soveltuvat käyttökohteet. Menetelmien avulla voidaan hyödyntää kasvukauden ulkopuolella kertynyttä vettä ilman suuria infrastruktuuri-investointeja. Opinnäytetyö toimii keskustelun avaajana lumen ja jään laajemmalle hyödyntämiselle vesienhallinnassa sekä pohjana jatkotutkimuksille ja käytännön pilottikokeille.

As a result of climate change, drought periods occurring in Finland are expected to intensify, particularly at the beginning of the growing season. This increases the need for irrigation water in agriculture, especially in southern and south-western Finland. At the same time, a large share of the annual precipitation accumulates outside the growing season. This thesis examines the utilisation of the cryosphere—specifically snow and ice—as a means of storing irrigation water to support drought risk management under Finnish environmental conditions.

The aim of the study is to compile a literature-based theoretical framework on methods used for snow and ice storage, to assess the boundary conditions for their implementation in Finland, and to produce calculation examples for evaluating the technical and economic feasibility of these methods. The research is conducted as a literature review, supplemented with dimensioning, and cost calculations. The work focuses on snow storage, artificial glaciers, and snow fences, which are examined from the perspective of irrigation water storage.

With respect to snow storage, snow accumulation, collection methods, storage structures, and the control of snowmelt using insulation solutions are analysed. Based on the calculation examples, it is demonstrated that even relatively thin insulation layers can significantly slow down snowmelt and allow meltwater release to be regulated from spring to mid-summer. Consequently, snow storage enables the provision of irrigation water without extensive earthworks. Natural snow collected from fields is found to be a highly cost-effective source of irrigation water, provided that local conditions allow its utilisation.

Regarding artificial glaciers, particular attention is given to ice stupa structures and their feasibility under winter conditions in southern Finland. Based on the calculations, it is concluded that the number of freezing hours during winter is sufficient to enable ice formation; however, significant constraints arise from the energy consumption of pumping and the risk of freezing in pipelines.

In the case of snow fences, it is shown that, based on wind conditions and snow transport, substantial amounts of snow can be collected passively, especially in open, field-dominated areas. The method has a high potential for snow accumulation but requires careful planning and winters with abundant snowfall.

In conclusion, snow storage is found to be a technically and economically feasible method for irrigation water storage under Finnish conditions, particularly in areas susceptible to drought. The methods have clearly defined prerequisites and suitable application contexts. By utilising these methods, water accumulated outside the growing season can be harnessed without major infrastructure investments. This thesis is an opening for broader utilisation of the cryosphere in water management and as a basis for further research and practical pilot projects.