How to Build a Dam: Muinaiset egyptiläiset rakensivat ensimmäisen padon noin vuonna 2800 eKr. Patoja rakennetaan veden virtauksen estämiseksi, jolloin padon taakse syntyy säiliö, jota voidaan käyttää tulvien hallintaan sekä kasteluun, kunnalliseen vesihuoltoon ja muuhun ihmisen toimintaan. Kaliforniassa hiljattain tapahtuneen padon rikkoutumisesta kertovan uutisen innoittamana tässä blogissa tarkastellaan, miten patoja on historiallisesti rakennettu viimeisen sadan vuoden aikana ja mitä parannuksia patojen rakentamisessa tarvitaan tulevaisuudessa.
Miten pato rakennetaan
Padon rakentaminen on monimutkainen, monivaiheinen prosessi, joka vaatii valtavia määriä työvoimaa, raaka-aineita ja investointeja. Tässä ovat painovoimapadon – yleisimmän rakennettavan patotyypin – rakentamisen perusvaiheet. Painovoimapadot ovat saaneet nimensä siksi, että niitä pitää maassa painovoima – ne painavat paljon, ja ne valmistetaan yleensä betonista tai kivestä.
- Insinöörien on poistettava vesi joesta, johon pato on tarkoitus rakentaa. Tämä tehdään ohjaamalla joki tunneliin, joka kiertää aiotun rakennusalueen. Tällaiset tunnelit voidaan vuorata betonilla, ja ne kaivetaan yleensä porauksen ja räjähteiden yhdistelmällä.
- Padon rakentaminen on aloitettava silloin, kun joen vedenkorkeus on alhainen. Rakennusvyöhykkeen yläjuoksulle rakennetaan pieni pato, jota kutsutaan kassapadoksi, joka auttaa ohjaamaan vettä ohjaustunneliin. Kassapato voidaan rakentaa myös alajuoksulle, mutta yleisenä tavoitteena on pitää rakennusvyöhyke kuivana, jotta pääpato voidaan rakentaa. Kassapadon läpi tunkeutuvan veden poistamiseen voidaan käyttää pumppuja.
- Jokiuomasta poistetaan irtonaista kalliota, ja on rakennettava sokkeli. Sokkeli on padon betoniperustus, joka upottaa padon jokiuoman/laakson seinämiin ja pohjaan. Näin estetään veden vuotaminen padon reunoilta.
- Nyt on aika rakentaa pato haluttuun korkeuteen. Padon kovera kaareva alapinta auttaa patoa vaimentamaan veden jatkuvaa painetta, jota sen on kestettävä. Itse padon pintoihin käytetään vahvistettua terästä ja rakennetaan kotelo. Kotelo täytetään betonilla, jotta se olisi erittäin vahva ja kimmoisa veden virtausta vastaan.
Mitä vikaa padoissa on nykyään?
Patojen rakennussuunnitelmamme ja -menetelmämme ovat olleet luotettavia jo vuosikymmeniä – mikä on mennyt niin pieleen viime vuosina, että haluamme harkita asiaa uudelleen? Yksinkertainen vastaus on ilmastonmuutos. Padot, jotka rakennettiin 50 tai 60 vuotta sitten, suunniteltiin olettaen, että ilmasto olisi aina vakaa. Nykypäivän näkökulmasta voimme kuitenkin nähdä, että näin ei yksinkertaisesti ole.
Hydrologiset syklit ovat herkkiä pienillekin ilmastomuutoksille. Patoja suunniteltaessa otetaan yleensä huomioon historialliset tiedot, mutta ei ymmärretä, miten veden kiertokulku saattaa muuttua tulevaisuudessa.
Esimerkiksi Muelan vesivoimalaitos valmistui hiljattain Lesothoon, maahan, jolla uskottiin olevan huomattavat vesivoimavarat. Padon valmistumisen jälkeen Lesotholla ei ole ollut ongelmia kotimaisen energiantarpeensa tyydyttämisessä. Maa on kuitenkin altis luonnonkatastrofeille ja aavikoitumiselle, ja se on erittäin altis ilmastonmuutokselle. Tutkijat ennustavat, että lämpötilan nousu ja sademäärän väheneminen tulevina vuosina aiheuttavat vuoteen 2019 mennessä vesistörasituksen, joka pahenee vuoteen 2060 mennessä, jolloin Lesothon pato menettää huomattavasti tehoaan ja uhkaa sen energiaturvallisuutta.
Kaliforniassa puolestaan äärimmäisen kuivuuden ja ylenpalttisen sademäärän vuorotteleva vaihteluväli on tuonut esiin patojen joustamattoman suunnittelun kyseisellä alueella. Ennätykselliset sademäärät ovat johtaneet ennätyksellisiin tulviin, jotka ovat uhanneet niiden ihmisten henkeä, jotka asuvat sellaisten patojen läheisyydessä, joissa on riittämättömät ylivuotopadot. Joitakin patoja parannetaan, kuten 340 jalkaa korkeaa Folsomin patoa, jossa armeijan insinöörit lisäävät pääylivuotoputken kapasiteettia 40 prosenttia, mutta muita vastaavia rakenteita laiminlyödään. Tämä voi johtaa katastrofaalisiin tulviin, jotka vaikuttaisivat kielteisesti asukkaisiin ja ympäristöön.
Tulevaisuuden padot
Tulevaisuuden patoja suunniteltaessa on ratkaisevan tärkeää ymmärtää ja ottaa huomioon muuttuva ilmasto. Tiedämme nyt, ettemme voi ennustaa vedenkorkeuksia ja tarvittavaa padotuskapasiteettia historiallisten tietojen perusteella. Tiedämme, että ilmastonmuutos on todellisuutta, jossa elämme, ja että vaikka joissakin paikoissa tulvista voi tulla alttiimpia tulville kuin aiemmin ajateltiin, toisilla alueilla on vesistressiä, eivätkä ne välttämättä pysty hyödyntämään patojen rakentamisesta saatavia hyötyjä millään kohtuullisella aikavälillä.
Historiallisten tietojen käyttäminen ei riitä padon kaltaista hanketta suunniteltaessa. Insinöörien ei pitäisi ottaa huomioon vain yhtä tulevaisuutta vaan useita mahdollisia tulevaisuuksia, kun he työskentelevät paikallisen infrastruktuurin kannalta niin kriittisen hankkeen parissa.
Vesivoiman rakennuttaja Islannissa tilasi hiljattain tutkimuksen, jossa selvitetään, miten sen pitäisi kehittää jäätikön ruokkimaa sähköntuotantolaitosta. Tutkimus katsottiin tarpeelliseksi, koska jäätiköiden sulaminen näyttää lisääntyvän ja veden virtauksen odotetaan kasvavan tulevina vuosikymmeninä. Tutkimuksessa päädyttiin siihen, että pato olisi ”yliasennettava” eli rakennettava siten, että se pystyy käsittelemään nykyistä suurempaa virtaamaa. Tämäntyyppistä ajattelutapaa olisi sovellettava kaikkialla maailmassa sellaisten patojen rakentamiseksi, jotka palvelevat meitä turvallisesti ja tuottavasti tulevina epävarmoina aikoina.