Turvetuotannon valumavesien ympärivuotinen käsittely pintavalutuskentillä ja muilla kosteikoilla

Transkriptio

1 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Diplomityö Turvetuotannon valumavesien ympärivuotinen käsittely pintavalutuskentillä ja muilla kosteikoilla Oulussa Tekijä: Sari Kantonen Työn valvoja: Bjørn Kløve professori Työn ohjaaja: Heini Postila diplomi-insinööri

2 OULUN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Osasto Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Tekijä Kantonen, Sari Hannele Tiivistelmä opinnäytetyöstä Laboratorio Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Työn valvoja Kløve B, professori Työn nimi Turvetuotannon valumavesien ympärivuotinen käsittely pintavalutuskentillä ja muilla kosteikoilla Oppiaine Työn laji Aika Sivumäärä Vesi- ja geoympäristötekniikka Diplomityö maaliskuu s., 78 s., 6 liitelehteä Tiivistelmä Turvetuotannon valumavesien käsittelyssä parhaana käyttökelpoisena tekniikkana (BAT) pidetään nykyisin pintavalutuskenttiä ja kemiallista puhdistusta. Leudot talvet ovat lisänneet tarvetta tehokkaammalle ympärivuotiselle vesienkäsittelylle ja yhä useammin talviaikaista valumavesien pumppausta pintavalutuskentälle tai muulle kosteikolle edellytetään myös lupaehdoissa. Pintavalutuskenttien tai muiden kosteikkojen ympärivuotisen käytön toimivuudesta ei ole kuitenkaan olemassa koottua tietoa, ja talviaikaisessa valumavesien käsittelyssä on esiintynyt ongelmia. Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää onko ympärivuotinen pintavalutus toimivaa ja mitkä tekijät toimivuuteen vaikuttavat. Tulosten perusteella voidaan arvioida ympärivuotisen pintavalutuksen kannattavuutta ja ohjeistaa uusien pintavalutuskenttien suunnittelua. Tuloksista hyötyvät sekä turvetuottajat että tuotantoa ohjaavat viranomaistahot. Tutkimuksessa oli mukana 21 ympärivuotisesti käytössä olevaa pintavalutuskenttää tai ojitettua kosteikkoa Pohjois- ja Länsi-Suomesta. Tutkimuskohteiden toimivuutta arvioitiin keskivalumien, lähtevän veden pitoisuuksien, brutto-ominaiskuormituksien sekä pitoisuusreduktioiden perusteella suhteuttamalla saadut tulokset vertailuaineiston keskimääräisiin arvoihin. Lisäksi pintavalutuskenttien ja kosteikkojen eri ominaisuuksien vaikutusta puhdistustuloksiin tutkittiin tilastollisin menetelmin. Tutkimuksessa nousi esille sekä erityisen huonosti toimivia että hyvin toimivia kohteita. Joillakin kohteilla pitoisuusreduktiot olivat parempia kuin pintavalutuskentille yleisesti esitetyt keskimääräiset reduktiot myös talvella. Muutamilla kohteilla pintavalutus kuitenkin lisäsi lähtevän veden pitoisuuksia ja reduktiot olivat siten negatiivisia. Näissä muutamissa tapauksissa ympärivuotinen vesienkäsittely pintavalutuskentällä tai muulla kosteikolla on pikemminkin haitallista. Ympärivuotisen pintavalutuksen toimivuus näyttää kuitenkin olevan tapauskohtaista eikä yksittäisiä toimivuuteen vaikuttavia mitoitustekijöitä tai teknisiä ratkaisuja tullut tutkimuksessa selkeästi esille. Tilastollisen analyysin perusteella lähtevän veden pitoisuudet ja brutto-ominaiskuormitukset korreloivat eniten kohteen sijainnin (pohjois-etelä -akseli) kanssa. Vedenjakoratkaisun sekä lähtevän veden pitoisuuksien ja talven brutto-ominaiskuormitusten välillä on tilastollisen tarkastelun perusteella havaittavissa myös riippuvuutta. Toisaalta, koska tutkimuksessa mukana olleilla Pohjois- Suomen kohteilla on vedenjakoratkaisuna jako-ojat tai -altaat ja yli puolella Länsi-Suomen kohteista jakoputket, ei tuloksista voida päätellä, vaikuttaako veden laatuun ja kuormituksiin vedenjakoratkaisu vai kohteen pohjoinen sijainti. Ongelmien esiintyminen talvella ei tilastollisen tarkastelun perusteella heikennä vedenpuhdistustuloksia eikä kentän ojitus vaikuta puhdistustuloksiin. Kentälle tulevan virtaaman tasaisuudella on suuri merkitys talviaikaisen pintavalutuksen toimivuudelle. Pumppaustekniikkaa on siten kehitettävä virtaaman tasaamiseksi. Teknisten ratkaisujen kustannusten on oltava tasapainossa vedenpuhdistuksessa saavutettavien hyötyjen kanssa. Säilytyspaikka Oulun yliopisto, Tiedekirjasto Tellus Muita tietoja

3 UNIVERSITY OF OULU Teknillinen tiedekunta Department Department of Process and Environmental Engineering Author Kantonen, Sari Hannele Abstract of thesis Laboratory Water Resources and Environmental Engineering Laboratory Supervisor Kløve B, professor Name of the thesis Round-year wetland treatment of runoff from peat production areas Oppiaine Level of studies Date Number of pages Water and Geoenvironmental Engineering Master Thesis March p., 78 p., 6 appendixes Abstract Best available technologies (BAT) in treatment of runoff from peat production areas are treatment wetlands and chemical purification. Warm winters have increased the necessity of efficient roundyear treatment and runoff pumping to wetland in wintertime is frequently required in the production permit. There s no compiled knowledge of performance of round-year wetland treatment and there has been some problems with pumping in wintertime. The purpose of this study is to clarify if the round-year wetland treatment is effective and what are the factors which are affecting to the treatment processes. By these results viability of round-year wetland treatment can be assessed and construction of new wetlands can be instructed. These results are important for peat producers and the authorities which control peat production. This study includes 21 round-year treatment wetlands from Northern and Western Finland. The performance of these study areas was evaluated by comparing mean discharge, concentrations in outgoing water, gross specific loads and concentration reductions to reference data. The effect of wetlands characteristics to water purification results was investigated by statistical methods. Some of the study areas were operating poorly when others worked markedly well. In few cases concentration reductions were better than the average of treatment wetlands also in winter. Instead in some study areas wetland treatment increased concentrations in outgoing water and reductions were negative. In these few cases round-year wetland treatment is rather harmful. The performance of wetlands seemed to be case dependent and there were no design parameters or technical solutions which affected clearly to water purification results. According to statistical analysis concentrations in outgoing water and gross specific loads correlate mostly with site s location on north-south axis. Statistical analysis indicates also that water distribution solution is connected with concentrations in outgoing water and in wintertime with gross specific loads. Because there are only distribution ditches and pools in the study sites of Northern Finland and more than half of the study sites in the the Western Finland have distribution pipes it can t be approved whether the effective variable is the water distribution solution or the location of a wetland. Problems in the wintertime pumping and wetland ditching have no effect on water purification results according to statistical analysis. The water flow to treatment wetland has to be as steady as possible to ensure a good performance of wintertime water treatment. Pumping techniques need to be developed to balance the flow to a wetland. Cost of these technical solutions has to be in balance with benefits of water purification results. Library location University of Oulu, Science Library Tellus Additional information

4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Oulun yliopiston vesi- ja ympäristötekniikan laboratoriolle. Diplomityössä hyödynnetään EU:n Euroopan aluekehitysrahaston osittain rahoittamassa Turvetuotannon valumavesien ympärivuotinen käsittely (TuKos) -projektissa kerättyä aineistoa. Diplomityön tarkoituksena on antaa tietoa turvetuotannon valumavesien ympärivuotisen käsittelyn toimivuudesta ja siihen vaikuttavista tekijöistä. Tulokset palvelevat turvetuottajia ja turvetuotantoa ohjaavia viranomaistahoja sekä antavat suuntaviivoja jatkotutkimukselle. Diplomityön ohjaajana toimi DI Heini Postila ja valvojana professori Bjørn Kløve Oulun yliopiston Vesi- ja ympäristötekniikan laboratoriosta. Haluan kiittää erityisesti Heini Postilaa asiantuntevasta neuvonnasta sekä hyvästä yhteistyöstä ja paneutumisesta diplomityöhöni. Kiitän myös Bjørn Kløveä arvokkaista kommenteista ja ideoista tutkimusprosessissa. Lisäksi kiitän Kirsi Kalliokoskea ELY-keskuksesta, Vapon työntekijöitä, sekä Oulun yliopiston vesi- ja ympäristötekniikan laboratorion henkilökuntaa hyvistä huomioista, avusta ja näkökulmista, jotka ovat olleet hyödyksi diplomityöni kokoamisessa ja hiomisessa. Kiitän Oulun yliopiston vesi- ja ympäristötekniikan laboratoriota saamastani mahdollisuudesta tehdä diplomityö mielenkiintoisesta ja ajankohtaisesta aiheesta. Kiitän myös Maa- ja vesitekniikan tuki ry:tä apurahasta diplomityöni tekoa varten. Lopuksi haluan kiittää perhettäni tuesta ja kannustuksesta, opiskelutovereitani ja ystäviäni terapeuttisista kahvipöytäkeskusteluista sekä joukkuekavereitani virkistävistä hetkistä pelikentillä. Oulussa Sari Kantonen

5 Sisällysluettelo Tiivistelmä opinnäytetyöstä... 2 Abstract of thesis... 3 Alkusanat Johdanto Taustateoria Turvetuotannon vesistövaikutukset ja vesiensuojelu Puhdistuminen pintavalutuskentällä ja siihen vaikuttavia tekijöitä Pintavalutuskentän rakenne Ympärivuotinen vesienkäsittely Turvekentän hydrologiaa Kohteet Sijainti Pohjois Suomen kohteet Hakasuo Hankilanneva Isosuo Itäsuo Korentosuo Pehkeensuo Puutiosuo Savalonevan lisäalue Länsi Suomen kohteet Helmikäiskeidas Hormaneva... 48

6 3.3.3 Kapustaneva Lammisuo Nanhiansuo Peuralinnanneva Ristineva Satamakeidas Savonneva Vittasuo Väärälammensuo Yhteenveto Tutkimusmenetelmät Tutkimuskohteilla suoritettu vedenlaadun ja virtaamien tarkkailu Kuormitusreduktiot Brutto ja netto ominaiskuormitukset Pitoisuusreduktiot Lähtevän veden laatu Tilastolliset menetelmät Tulokset ja tulosten arviointi Kohdekohtaiset tulokset Pohjois ja Länsi Suomen tulokset Pintavalutuskenttien ja kosteikkojen ominaisuudet sekä puhdistusteho Virhelähteet Johtopäätökset ja suositukset Yhteenveto Lähdeluettelo

7 LIITTEET: Liite 1. Kohteiden kartat Liite 2. Kyselylomake Liite 3. Kohteittaiset pitoisuusreduktiot vuosittain ja vuodenajoittain Liite 4. Kohteittaiset lähtevän veden pitoisuuden vuosittain ja vuodenajoittain Liite 5. Näytteiden määrät Liite 6. Tilastollinen tarkastelu

8 8 1 Johdanto Turvetuotanto on alueellisesti merkittävä vesistökuormittaja. Tuotantoalueen käyttöönoton edellytys on asianmukainen ja mahdollisimman tehokkaasti toimiva vesiensuojelujärjestelmä. Turvetuotannon valumavesien puhdistuksessa parhaana käyttökelpoisena tekniikkana (BAT) pidetään nykyisin pintavalutuskenttiä ja kemiallista puhdistusta (Postila 2007, 7). Yhä useammin turvetuotannon lupaehdoissa edellytetään myös talviaikaista valumavesien pumppausta pintavalutuskentälle. Pintavalutuskentillä tai muilla kosteikoilla tapahtuvan ympärivuotisen vesienkäsittelyn toimivuudesta ei ole kuitenkaan olemassa koottua tietoa. Selvitystä tarvitaan siitä millaisissa tilanteissa ja millä tavoin toteutettuna ympärivuotinen pintavalutuskenttien tai kosteikkojen käyttö sekä pumppaus toimivat kustannustehokkaasti ja vesienpuhdistumista selkeästi edistäen. (Postila 2009) Leudot talvet ovat lisänneet tarvetta käsitellä valumavesiä ympärivuotisesti pintavalutuskentillä tai muilla kosteikoilla, mutta äkillisesti vaihtuvissa sääoloissa se ei ole ollut täysin ongelmatonta. Yleisimpiä ongelmia ovat paannejään kertyminen kentälle ja siitä aiheutuva rakenteiden rikkoutuminen sekä häiriöt pumppauksessa. Näiden ongelmien välttämiseksi on etsittävä ongelmien syyt sekä ratkaisut niiden korjaamiseksi. Tämän työn tavoitteena on selvittää, onko ympärivuotinen vesienkäsittely pintavalutuskentillä tai muilla kosteikoilla toimivaa ja mitkä tekijät toimivuuteen vaikuttavat. Tutkimustulosten perusteella voidaan arvioida ympärivuotisen pintavalutuksen kannattavuutta sekä ohjeistaa sen suunnittelua ja toteutusta. Tuloksista hyötyvät sekä turvetuottajat että tuotantoa ohjaavat viranomaistahot. Tutkimustyössä käytetään TuKos-projektin (Turvetuotannon valumavesien ympärivuotinen käsittely) puitteissa kerättyä aineistoa 21:ltä ympärivuotisesti käytössä olevalta tutkimuskohteelta Pohjois- ja Länsi-Suomesta. TuKosprojektissa tutkitaan ojitetuille suoalueille rakennettuja kosteikkoja ja niiden

9 9 toimintaedellytyksiä, sekä niiden kohteiden toimivuutta, joille vesiä johdetaan ympärivuotisesti. Projekti on Euroopan aluekehitysrahaston osittain rahoittama projekti ja sen toteuttajina toimivat Oulun yliopiston Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio sekä Suomen ympäristökeskus. Tietoa ympärivuotisesti toimivista kohteista on kerätty tuotantovastaavien ja -neuvojien sekä ympäristövastaavien kanssa pidetystä palaverista ja kyselyistä, jotka on lähetetty kunkin kohteen tuotantovastaavalle tai muulle kohteen tuntevalle henkilölle. Perustietoja tutkimuskohteista sekä kartat on saatu Vapolta ja Turveruukilta. Vedenlaatu- ja virtaamatietoja on saatu Länsi-Suomen osalta suoraan NabLabsin, joka huolehtii näytteenotosta, aineistoista ja Pohjois-Suomen osalta Pohjois- Pohjanmaan ympäristökeskuksen alueen turvetuotannon käyttö- ja kuormitustarkkailuraporteista ja päästötarkkailuraporteista (PSV Maa ja vesi; Pöyry). Turvelaji- ja maatuneisuusmääritykset on osaksi saatu Turvetuotannon vesistökuormituksen ennakointi ja uudet hallintamenetelmät (TuVeKu) -hankkeen aineistosta.

10 10 2 Taustateoria 2.1 Turvetuotannon vesistövaikutukset ja vesiensuojelu Turvetuotanto aiheuttaa vesistöpäästöjä, jotka ovat seurausta suon ojittamisesta ja kuivattamisesta. Alapuoliseen vesistöön aiheutuva kuormitus sisältää ravinteita (fosforia ja typpeä), rautaa, liuennutta orgaanista ainesta (humus) sekä kiintoainetta. Suomen ympäristökeskuksen vuoden 2004 tilastojen mukaan turvetuotannon osuus Suomen vesistöjen fosforikuormituksesta oli 0,2 % ja typpikuormituksesta 0,3 %. Alueellisesti ajateltuna turvetuotannon aiheuttama vesistökuormitus voi kuitenkin olla merkittävä. Vaikutus korostuu alueilla, joilla turvetuotantoalueiden osuus valuma-alueen pinta-alasta on suuri, jotka sijaitsevat vesistöjen latvoilla tai joilla muiden toimintojen, kuten maa- ja metsätalouden, aiheuttama taustakuormitus on jo ennestään suuri. Usein turvetuotantoalueet ovatkin sijoittuneet seuduille, joilla on voimakasta metsätaloutta. (Väyrynen ym. 2008, 28; Pirkanmaan ympäristökeskus 2009, 79.) Taulukossa 1 on vertailtu valumaveden laatua turvetuotantosoilla ja luonnontilaisilla soilla. Taulukko 1. Valumaveden laatu turvetuotantosoilla ja luonnontilaisilla soilla (Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus 2005a). Vedenlaatumuuttuja Turvetuotantosuo Luonnontilainen suo Kiintoaine (mg/l) 1, ,2-10,4 COD Mn (mg/l) 5,4-136,0 15,3-86,0 Kok.N (mg/l) 0,5-5,6 0,3-0,9 NO 3 -N (mg/l) 0-1,0 0,001-0,1 NH 4 -N (mg/l) 0,04-4,2 0,02-0,1 Kok.P (µg/l) PO 4 -P (µg/l) Kok.Fe (mg/l) 0,8-20,4 1,4-4,5 Turvetuotannosta aiheutuvia vesistövaikutuksia ovat kiintoaineen kertyminen rannoille ja suvantoihin, liettyminen rannoilla ja jokiuomassa, eliöstön elinolojen muutos, kalojen kutupaikkojen liettyminen, ravinnekuormitus sekä siitä johtuva rehevöityminen. Suomen sisäjärvillä fosfori on minimiravinne, joka sää-

11 11 telee rehevöitymistä. Rehevöitymisen seurauksia ovat kasviplanktonin ja vesikasvien lisääntyminen, kalaston rakenteen muutos, sinileväkukinnot ja verkkojen limoittuminen. Vaikutukset voivat olla hetkellisiä, mutta toisaalta myös pitkällä aikavälillä lisääntyviä. Kun orgaanista ainesta kertyy vesistön pohjalle riittävästi, voi seurauksena olla hapettomuutta ja ravinteiden vapautumista. (Pirkanmaan ympäristökeskus 2009, 79.) Turpeen tuotantomäärät eivät suoraan korreloi aiheutuvien vesistövaikutusten kanssa vaan oleellisempia tekijöitä ovat sääolosuhteet, käytössä olevat vesiensuojelumenetelmät, tuotantopinta-ala ja alueen sijainti (Väyrynen ym. 2008, 19). Kuormitus vaihtelee vuosittain, vuodenajoittain ja alueittain. Se voi olla huomattavaa suurten virtaamien, tulvien ja rankkasateiden aikana. Myös talvella huuhtoutuu ravinteita ja kiintoainetta. Veden ja turpeen laatu, valunta, järvien viipymä ja jokien virtaama vaikuttavat siihen millainen vaikutus tuotantoalueella on ja kuinka kauas se ulottuu. Suurivirtaamisissa joissa vaikutukset pienenevät nopeammin, mutta kuormitus saattaa näkyä kaukana alapuolisissa vesistöissä. Vaikka ravinnepitoisuudet laimenevat suurissa vesimäärissä, humus ja kiintoaine, johon ravinteet ovat sitoutuneena, pidättyvät vesistöjen pohjaan. Tämä voi aiheuttaa myöhemmin happikatoa alusvedessä, mistä voi seurata ravinteiden vapautumista pohjasedimentistä. (Pirkanmaan ympäristökeskus 2009, 79.) Turvetuotannon vesiensuojelussa parhaana käyttökelpoisena tekniikkana (BAT) pidetään nykyisin yhä useammin pintavalutuskenttiä (kuva 1) ja kemiallista puhdistusta, eikä perustason käsittelymenetelmiä kuten laskeutusaltaita ja sarkaojarakenteita yksinään pidetä riittävinä (Postila 2007, 7-8). Pintavalutuskentästä voidaan puhua vain silloin, kun kyseessä on ohjeiden mukaan mitoitettu luonnontilainen kenttä. Muussa tapauksessa tulisi käyttää käsitteitä kosteikko tai kasvillisuuskenttä. (Turveteollisuusliitto 2007.) Pintavalutuskentän mitoituskriteerit on esitetty taulukossa 2.

12 12 Kuva 1. Pintavalutuskenttä (Turveteollisuusliitto 2009b). Taulukko 2. Pintavalutuskentän tärkeimmät mitoitustekijät (Savolainen ym. 1996a, 41). Mitoitustekijä Suositusarvo Hydraulinen kuormitus (m 3 ha -1 d -1 ) < 340 Pintavalutuskentän pinta-ala/valuma-alueen pinta-ala (%) > 3,8 Käyttöaste (%) 100 Pituus/leveys 0,5-1 Oikovirtauksia ei Kentän kaltevuus (%) 1 Turvepaksuus (m) > 0,5 Mineraalimaakontakti ei Turvelaji (pintaosassa) sara-rahka Turpeen maatuneisuus H1 - H3* Laskeutusallas kentän yläpuolella on *) H1=täysin maatumaton, H2=melkein maatumaton, H3=hyvin heikosti maatunut, H4=heikosti maatunut, H5=jonkin verran maatunut, H6=kohtalaisesti maatunut, H7=vahvanlaisesti maatunut, H8=vahvasti maatunut, H9=melkein maatunut, H10=täysin maatunut (Von Post in asteikko) Osa tutkimuskohteiden kentistä on rakennettu ojitetuille suoaluille, joten ne eivät jo sinällään täytä pintavalutuskentän luonnontilaisuuden kriteeriä. Tämä onkin nykyisin hyvin tavallinen tilanne, sillä Valtioneuvoston periaatepäätöksen Vesiensuojelun suuntaviivat vuoteen 2015 sekä turveteollisuuden ympä-

13 13 ristöperiaatteiden mukaisesti turvetuotantoa pyritään ohjaamaan jo ojitetuille, ei-luonnontilaisille alueille. (Turveteollisuusliitto 2009a; Ympäristöministeriö 2007, 16.) Tässä työssä käytetään ojitettu kosteikko -nimitystä niistä pintavalutusperiaatteella toimivista kentistä, jotka on perustettu ojitetuille suoalueille. Muista kentistä käytetään nimitystä pintavalutuskenttä, vaikka ne eivät kaikilta osin täyttäisikään taulukossa 2 esitettyjä pintavalutuskentän mitoitustekijöitä. 2.2 Puhdistuminen pintavalutuskentällä ja siihen vaikuttavia tekijöitä Pintavalutusperiaatteella toimivalla kentällä vesi virtaa turpeen pintakerroksessa ja puhdistuu fysikaalisissa, kemiallisissa ja biologisissa prosesseissa (Väyrynen ym. 2008, 38). Nämä prosessit ovat sekä riippuvaisia toisistaan että vallitsevista olosuhteista (Heikkinen ym. 1994, 11). Lämpötilalla on suuri merkitys prosessien toimivuuteen ja valumaveden puhdistumiseen. Lämpimänä vuodenaikana ravinteita sitoutuu tehokkaammin mikrobeihin happipitoisessa pintakerroksessa (Heikkinen ym. 1994, 11). Talvella biologiset prosessit, kuten denitrifikaatio, pidättyminen turpeen mikrobeihin ja pidättyminen kasvillisuuteen, eivät toimi tai toimivat varsin heikosti ja myös kemiallinen pidättyminen turpeeseen heikkenee jäätymisen vuoksi (Heikkinen ym. 1994, 67; Ihme 1994, 118; Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus 2004). Lisäksi etenkin paikallisilla sateilla on muodostuvan valuman kautta suuri vaikutus puhdistustulokseen (Ihme 1994, 117). Fosforipitoisuuksien on havaittu usein olevan koholla pienivirtaamaisina aikoina, kun taas typen ja kiintoaineen pitoisuudet nousevat virtaaman kasvaessa (PSV Maa ja vesi ). Määräävimpiä pintavalutuskentän toimivuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat hydraulinen kuormitus, kentän koko, käyttöaste, kaltevuus ja turvepaksuus, turpeen laji ja maatuneisuus sekä kentällä mahdollisesti esiintyvät oikovirtaukset ja valumavesien mahdollinen kontakti alapuolisen mineraalimaan kanssa (Ihme 1994, 116). Kentälle kohdistuva hydraulinen kuormitus on keskeinen puhdistustulokseen vaikuttava tekijä. Se vaikuttaa veden viipymään, virtausnopeuteen ja vedenpinnan korkeuteen kentällä sekä kenttään kohdistuvan kuormi-

14 14 tuksen suuruuteen. Hydrauliseen kuormitukseen puolestaan vaikuttavat yläpuolisen tuotantoalueen valuma sekä kentän koko. Puhdistustulokset heikkenevät valuman kasvaessa ja ovat heikoimmillaan tulvakausina. (Ihme 1994, , 130.) Hydraulinen kuormitus voidaan laskea yhtälön (1) avulla (Postila 2007, 15). (1) missä H on hydraulinen kuormitus (m 3 /d/ha), MQ on keskivirtaama (m 3 /d) ja A pvk on pintavalutuskentän pinta-ala (ha). Veden viipymän on oltava riittävä, jotta puhdistusmekanismit ehtivät toimia ja ravinteiden pidättymistä turpeeseen voi tapahtua (Heikkinen ym. 1994, 11). Kesän pienten virtaamien aikana viipymä on pisimmillään ja puhdistuminen on tehokasta, kun tulvakausina tilanne on päinvastainen (Heikkinen ym. 1994, 66). Kentän ollessa suuri valumaveden määrään nähden, pääsee vesi pitkäkestoiseen kontaktiin maaperän ja kasvillisuuden kanssa, mikä mahdollistaa liukoisten ainesten tehokkaan pidättymisen. Pienillä kentillä riskinä on oikovirtausuomien syntyminen, kun kentälle tuleva vesimäärä on suuri. (Vikman ym. 2009) Kentän pinta-alan tulisi suositusten mukaan olla 3,8 % valuma-alueen pinta-alasta. Viipymään vaikuttaa myös kentän kaltevuus, jonka suositusarvona käytetään yhtä prosenttia. (Savolainen ym. 1996a, ) Liian tasaisella kentällä vesi voi myös kerääntyä altaiksi, jolloin veden peittämä kenttä voi muuttua hapettomaksi. Hapettomuus heikentää typen ja fosforin pidättymistä. (Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus 2004.) Pinta-alaltaan samankokoisista kentistä paremmaksi on osoittautunut veden kulkusuunnassa pitkänomainen kenttä kuin leveä. Suurempi etäisyys veden sisään- ja ulosvirtauspisteiden välillä pidentää viipymää kentällä. (Vikman ym ) Suosituksena on annettu, että kentän pituuden suhde leveyteen tulisi olla 0,5-1 (Savolainen ym. 1996a, 42).

15 15 Kentälle johdettujen ravinteiden kokonaismäärän ollessa liian suuri puhdistustulos heikkenee (Heikkinen ym. 1994, 11 12). Ajan kuluessa myös turpeen ravinteiden pidätyskyky heikkenee ja keskimäärin kentän käyttöiäksi on arvioitu vuotta (Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus 2004). Kentän turve voi vähitellen kyllästyä fosfaattifosforilla, ja fosforikuormitus vaikuttaa siten kentän käyttöikään. Typen pidättymisellä ei ole vastaavaa vaikutusta, sillä denitrifikaation ansiosta turve ei kyllästy kemiallisesti typellä. (Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus 2004.) Toisaalta kentälle tulevan veden pitoisuudet voivat olla myös ajoittain pieniä, luonnontilaisen suoveden tasolla. Tällöin on ymmärrettävä, että reduktiovaatimusten saavuttaminen on vaikeaa, kun käytössä ovat luonnolliset puhdistusmenetelmät, esimerkiksi tässä tapauksessa pintavalutuskenttä. (Ihme 1994, 117; Picken 2009.) Taulukossa 3 on esitetty eri vedenlaatumuuttujien keskimääräisiä poistumia prosentteina käytettäessä pintavalutuskenttää turvetuotantoalueen valumavesien puhdistuksessa. Taulukko 3. Vedenlaatumuuttujien poistuma-% pintavalutuskentällä. Turvetuotannon vesiensuojeluohjeisto (Savolainen ym. 1996a) Turveteollisuusliitto 2009b Kiintoaine Kokonaistyppi Nitraattityppi Ammoniumtyppi Kokonaisfosfori Fosfaattifosfori Rauta COD Vesi virtaa kentällä pääasiassa turpeen ylimmän 20 cm:n ja korkeintaan 50 cm:n syvyydessä. Suurelta osin ravinteiden pidättyminen tapahtuu ylimmässä 15 cm:n turvekerroksessa. Veden täysin peittämillä alueilla kenttä voi tulla pintaosistaankin hapettomaksi, jolloin typen ja fosforin pidättymiseen johtavat prosessit voivat heikentyä. On tärkeää, että kentän turpeen paksuus on riittävä, eikä vesi pääse kosketuksiin alapuolisen mineraalimaan kanssa. Muutoin ken-

16 16 tältä voi päästä huuhtoutumaan rautaa, fosforia ja muita mineraalimaahan pidättyneitä aineita. Turpeen alumiini- ja rautapitoisuus edistää fosfaattifosforin kemiallista pidättymistä turpeeseen. (Heikkinen ym. 1994, 65; Pohjois- Pohjanmaan ympäristökeskus 2004.) Vaikka turpeeseen verrattuna kasvillisuuden merkitys ravinteiden pidättäjänä on pieni, on kasvillisuudella välillisesti tärkeä tehtävä kentän toiminnassa. Kasvillisuus kuljettaa happea syvempiin turvekerroksiin ja tehostaa näin ravinteiden poistumiin johtavia prosesseja. Lisäksi kasvillisuus hidastaa veden virtausta, ja tehostaa näin kiintoaineen laskeutumista sekä suodattaa vedestä kiintoainetta. (Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus 2004.) Kasvillisuus parantaa myös veden tasaista leviämistä kentälle, eikä kasvillisuutta saa vahingoittaa, jottei oikovirtausuomia syntyisi (Heikkinen ym. 1994, 66). Tämä tukee kentän käyttöasteen parantamista, missä olisi pyrittävä 100 %:iin, jotta puhdistuminen olisi tehokasta (Savolainen ym. 1996a, 41). Toisaalta pintavalutuskentille jätettävä puusto voi vedenpinnan noustessa kuolla, ja siten vapauttaa huomattavan määrän ravinteita hajotessaan. Puusto kannattaakin poistaa, mikäli puustokuolemien riski on todennäköinen, ja jos poisto on mahdollista ilman maaperän vaurioitumista. (Vikman ym ) 2.3 Pintavalutuskentän rakenne Olennainen osa pintavalutuskentän rakennetta on kentän yläpuolella oleva laskeutus- tai pumppausallas. Tuotantoalueen vedet johdetaan aluksi altaaseen, josta se pumpataan tai johdetaan gravitaatiolla pintavalutuskentälle. Altaan ansiosta kentälle kohdistuva kiintoainekuormitus pienenee. Kiintoaine tukkii kentällä turvekerroksen huokosia ja vähentää veden ja turpeen välistä kontaktia huonontaen siten puhdistustulosta. Kuivuessaan kiintoaine voi myös muodostaa turpeen pinnalle vettäläpäisemättömän kuoren. Kiintoaineen poistaminen kentältä on mahdotonta, mutta altaasta säännöllinen poisto onnistuu. Kentän yläpuolelle sijoitettu laskeutusallas voi siten pidentää kentän käyttöikää. (Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus 2004; Turveteollisuusliitto 2009b.)

17 17 Tuotantoalueen ja pintavalutuskentän välinen korkeusero on usein pieni, minkä vuoksi pumppaus veden siirtämiseksi kentälle on välttämätöntä. Pintavalutuskentän sijainti voi myös muutoin olla hankala, jolloin sinne ei pystytä hallitusti ohjaamaan vettä gravitaation avulla. Pumppaamo kohottaa kustannuksia, mutta tuo mukanaan myös etuja. Pumppaamon avulla voidaan säätää virtaamaa, ja pienentää laskeutusaltaita. Lisäksi pintavalutuskenttä voidaan sijoittaa tuotantoalueen läheisyyteen, jolloin myös sen toiminnan ja kuormitusten tarkkailu helpottuu. (Savolainen ym. 1996b, 63.) Pumppua säädellään pumppaamoaltaan vedenpinnan korkeuden avulla, jolloin pumppu käynnistyy automaattisesti vedenpinnan noustessa määrätylle tasolle ja sammuu vedenpinnan laskiessa asetetulle alarajalle. Kentälle johdettavan veden syöttö tulisi olla mahdollisimman tasaista, joten käynnistys- ja pysähtymisrajat tulee asettaa mahdollisimman lähelle toisiaan. Vaihteluväli ei saa kuitenkaan alittaa cm:ä, jottei pumpun toimintaan aiheudu ongelmia. (Savolainen ym. 1996b, 55.) Pumppaamon toiminnan kannalta pitkät pumppauskierrot ovat kuitenkin parempia. Tällöin pumppu sekä sitä pyörittävä dieselmoottori tai dieselaggregaatti voivat käydä pidempään lämpiminä, moottori rasittuu vähemmän ja on pitkäikäisempi. Myös sähköpumpulla moottori rasittuu vähemmän ja sähkönkulutus pienenee. (Kallio & Erkkilä 2007, 42.) Pumppaus voidaan toteuttaa joko dynaamisilla tai syrjäytyspumpuilla. Tyypillisiä turvetuotantoalueen kuivatusvesien pumppauksessa käytettäviä pumpputyyppejä ovat penger-, keskipako- ja painepumput. Dynaamiset pengerpumput ovat aksiaalisia potkuripumppuja, jotka pumppaavat suoraan putkeen paineellisena. Akselipumpun pumppaamo tarvitsee asennustelineen vedenpinnan yläpuolelle. Dynaamisia pumppuja ovat myös radiaaliset keskipakopumput ja niiden eri muunnelmat. Keskipako- ja painepumput voivat olla uppopumpputyyppisiä ja ne voidaan asentaa uppoliittimellä ja johdeputkilla suoraan putkenpäähän, josta se voidaan nostaa yksinkertaisesti nostosilmukasta huoltoa varten. (Kallio & Erkkilä 2007, 7, 15, 20.)

18 18 Pumppaamon hankintakustannukset riippuvat valitusta energialähteestä, pumppaamon mitoituksesta, käytettävästä pumppaustekniikasta sekä pumppaamorakenteista. Kustannukset ovat tapauskohtaisia, sillä olosuhteet määrittävät pumppaamon mitoituksen ja tekniset vaatimukset. Sähköpumppaamossa hankintahintaa voi kasvattaa huomattavasti sähkölinjan rakentaminen. Sähkölinjan läheisyys määrittääkin usein sen, onko diesel- vai sähköpumppaamo edullisempi ratkaisu. Asiaa on tarkasteltava myös suhteessa oletettuun tuotantoajan pituuteen. (Kallio & Erkkilä 2007, 48.) Ekologisesta näkökulmasta katsottuna on myös pohdittava vedenpuhdistuksessa saavutettavan hyödyn suhdetta pumppauksen aiheuttamaan energiankulutukseen ja energian tuottamisesta aiheutuvan ympäristöhaittaan. Energian tuotannosta aiheutuva haitta on kuitenkin todennäköisesti pienempi kuin ravinnekuorman aiheuttama haitta paikalliselle vesistölle. Pienikin kuormituksen lisäys voi olla paikallisen vesistön eliöstön kannalta hyvin kriittinen. Vedenjako kentälle voidaan toteuttaa jako-ojalla, -altaalla tai -putkistolla. Jakoojaan voidaan kaivaa kampaojia, jotta vesi leviäisi laajemmalle alueelle tasaisemmin. Jakoputkistossa vesi voidaan jakaa kentälle reikäputkien (kuva 2) kautta. Rei itetyt putket on kuitenkin tarkistettava säännöllisesti ja puhdistettava mikäli rei ät ovat tukkiutuneet lietteestä. (Turveteollisuusliitto 2009b; Ihme 1994, 121.) Kun vesi pumpataan putkiston kautta kosteikolle, vedenjako voidaan toteuttaa siten, että se on kaltevuuksien ja korkeuserojen kannalta edullisinta, niin että vesi jakautuisi tasaisesti kosteikolle. Pintavalutuskentältä ja kosteikolta lähtevän veden laatua ja kuormitusta voidaan seurata keräilyojan ja mittapadon avulla (Turveteollisuusliitto 2009b). Pintavalutuskentältä lähtevän veden tarkkailun lisäksi olisi hyvä tarkkailla myös kosteikolle tulevan veden määrää ja laatua. Tällöin saadaan parempi kuva kentän toimivuudesta.

19 19 Kuva 2. Reikäputki (Kuva: Sari Kantonen). 2.4 Ympärivuotinen vesienkäsittely Turvetuotanto on keskittynyt pääosin Pohjanmaalle sekä osin Pohjois-Karjalaan (kuva 3). Potentiaaliset turvevarat sijoittuvat Pohjois-Suomeen, erityisesti Lappiin (kuva 4). Ilmasto-olot vaihtelevat alueittain ja lisäksi ilmastonmuutos aiheuttaa omat haasteensa turvetuotannon vesienkäsittelylle. Ilmastonmuutoksen merkittävin vaikutus Suomen sisävesien hydrologisiin oloihin näyttäisi olevan sen aiheuttama muutos valunnan, virtaamien ja vedenkorkeuksien vuodenaikaiseen rytmiin. Talviaikainen valunta kasvaa merkittävästi, kun talvikausi lyhenee ja sen aikana esiintyy sulamisjaksoja sekä vesisateita. Toisaalta myös lumien sulamisesta johtuvien kevättulvien ennakoidaan pienenevän ainakin Etelä- ja Keski-Suomessa. Lisäksi näillä alueilla ennustetaan järvihaihdunnan lisääntyvän, jolloin kesävalunta tulisi pienenemään. Ilmastonmuutos voi tuoda mukanaan ääri-ilmiöitä, kuivia kesiä ja äkillisiä rankkasadetulvia. Ilmastonmuutosskenaarioiden mukaan syysvalunnan ennustetaan lisääntyvän lähes kaikkialla. Koska myös talvivalunta kasvaa, voidaan odottaa myöhäissyksyn ja talven suurten virtaamien lisääntymistä ja tulvia. (Pirkanmaan ympäristökeskus 2009, 25.) Todennäköisimmin näin tulee tapahtumaan ainakin Keski- ja Ete-

20 20 lä-suomessa. Mikäli nämä tuotannon ulkopuolisena aikana esiintyvien rankkasateiden synnyttämät valumavedet juoksutetaan vesiensuojelurakenteiden ohi, kasvaa vesistökuormitus merkittävästi. Alapuolisessa vesistössä saatetaan havaita rankkasateiden seurauksena hapan ja rautapitoinen pulssi, joka on erittäin vahingollinen eliöstölle. Kyseiset tilanteet vaikuttavat siihen, että turvetuotannon vesienkäsittelyssä tarvittaneen tulevaisuudessa ympärivuotisia käsittelymenetelmiä, jotka ovat perusvesienkäsittelyä, kuten sarkaojarakenteet ja laskutusaltaat, tehokkaampia. (Pirkanmaan ympäristökeskus 2009, ) Kuva 3. Turvetuotantoalueet ja turvemaiden sijainti (Geologian tutkimuskeskus 2010).

21 21 Kuva 4. Suomen potentiaaliset turvevarat ja soveltuvan alan osuus koko suoalasta (Geologian tutkimuskeskus 2010). Pintavalutuskentän lisäksi turvetuotannon lupaehdoissa edellytetään enenevissä määrin talviaikaista pumppausta kentille. Vuonna 2008 ympärivuotisen pintavalutuksen osuus koko Suomen turvetuotantoalueilla oli 30 % (kuva 5). Pohjois-Suomessa ympärivuotisen pintavalutuksen osuus oli 28 % ja Länsi- Suomessa jopa 45 %. (Vahti, 2010.) Tutkittua tietoa ympärivuotisesta pumppauksesta tai sen hyödyistä vesien puhdistuksessa ei kuitenkaan ole juuri saatavilla (Kallio & Erkkilä 2007, 15). Nykyisen tutkimustiedon perusteella voidaan kuitenkin todeta, että talviaikainen pintavalutus puhdistanee vesiä yleensä pa-

22 22 remmin kuin esimerkiksi pelkät sarkaojarakenteet ja laskeutusaltaat. Tämä päätelmä perustuu seuraavan kahden raportin tietoihin. Määtän (2009) opinnäytetyössä Turvetuotannon kuivatusvesien ympärivuotinen pumppaus pintavalutuskentälle ilmenee, että pintavalutuskentällisiltä soilta lähtevät pitoisuudet ja osittain kuormituksetkin ovat talviaikana etenkin typen ja kiintoaineen osalta pienempiä kuin soilla, joilla on käytössä vain laskutusaltaat. Myös Pekkalan (2009) raportista "Turvetuotantoalueiden vesistökuormituksen arviointi YVAhankkeissa ja ympäristölupahakemuksissa käy ilmi samanlaisia tuloksia. Raportissa esitettyjen tulosten perusteella Etelä- ja Pohjois-Suomessa tuotantovaiheen soilla talven lähtevän veden keskimääräiset pitoisuudet ovat pienempiä fosforin, typen ja kiintoaineen osalta pintavalutuskentällisillä soilla kuin soilla, joilla on käytössä vain laskeutusaltaat. Tilanne on sama myös keväällä ja syksyllä. Kuormitusten suhteen ero ei ole yhtä selkeä, ja kuormitukset saattavat olla osittain samaa suuruusluokkaa talvella sekä pintavalutuskentällisillä että laskeutusaltaallisilla soilla. Kuva 5. Vuoden 2008 kuntoonpanovaiheessa, tuotantokunnossa ja tuotannossa olevan koko Suomen turvetuotantoalan vesiensuojelurakenteiden osuudet (Vahti, 2010).

23 23 Talviaikaisessa pintavalutuksessa on esiintynyt ongelmia (Turveteollisuusliitto 2007). Oikovalumat voivat routa-aikaan olla merkittäviä, kun kenttien pinnat ovat paannejään peittämät (Savolainen 2008). Paannejäätä muodostuu talvisin kentän pinnalla eristeenä olevan lumen sulaessa. Paannejää voi myös syövyttää kentän pintaa ja hidastaa maaperän sulamista keväällä, jolloin kentän käyttöönotto keväällä viivästyy (Väkevä & Kankaanhuhta 2000; Pohjois-Suomen ympäristölupavirasto 2008a, 4). Toisaalta ympärivuotisen pumppauksen ansiosta tuotannon aloittaminen aikaistuisi, sillä kevättulvat jäänevät pienemmiksi ja kenttä on nopeammin kuiva. Jäätymisongelmat ovat ilmeisiä, mutta talviaikaisen vesien puhdistuksen lisäksi talviaikainen käyttö saattaa vaikuttaa myös kesäaikaiseen puhdistustehoon (Kallio & Erkkilä 2007, 15). Koska biologiset puhdistusprosessit toimivat talvisin hyvin hitaasti, tulisi viipymän silloin olla pidempi kuin kesällä. Viipymän pidentyessä veden ja turpeen välinen kontaktiaika pitenee ja puhdistusprosesseilla on tarpeeksi aikaa toimia. Liian lyhyt viipymä huonontaa puhdistustulosta. (Davis 1994, 25.) Viipymän pidentäminen on mahdollista, jos kentälle kohdistuvaa hydraulista kuormitusta vähennetään tai kentän kokoa kasvatetaan. On myös otettava huomioon, että talvisin kentän koko pienenee osittaisen jäätymisen vuoksi. (Karjalainen & Ronkanen 2005, 19.) Hydraulinen kuormitus on suurimmillaan keväällä lumien sulaessa. Suuret virtaamat laimentavat liuenneiden epäpuhtauksien pitoisuuksia lisäten kuitenkin kiintoaineen liettymistä sedimentistä. Tutkimusten mukaan haitalliset vaikutukset puhdistusprosessiin ovat suurimmillaan, kun olosuhteet ovat suhteellisen kuivat ennen sadetta. Lisäksi pitoisuudet ovat suurimmillaan sateen alussa. (Davis 1994, 25.) Talvikäytössä olevien vesiensuojelurakenteiden ja laitteistojen täytyy toimia vaativissa olosuhteissa ja suunnittelussa on huomioitava olosuhteiden vaatimat erityistarpeet. Pumppaamo on lämpöeristettävä siten, ettei routa riko rakenteita, ja polttomoottoripumppaamoissa on oltava kylmäkäynnistyslaitteet. Kovimmilla pakkasilla voidaan rajoittaa pumpun käynnistymistä ulkolämpötilaa mittaavalla rajakytkimellä. (Savolainen ym. 1996a, 53, 55; Kallio & Erkkilä 2007,

24 24 15.) Toisaalta silloin pumppu voi olla pitkäänkin pumppaamatta, jolloin vedenpinta alapuolisessa ojassa laskee ja päälle kertyneet jäät romahtavat pohjaan. Jatkossa pumpattava vesi jäätyy alapuolisessa ojassa olevan jääkerroksen päälle ja aiheuttaa ongelmia. (Muistio ) Veden pumppaaminen talvella kentälle voi aiheuttaa putkiston jäätymisiä. Kentällä käytetään usein reikäputkia, joiden tyhjentymistä voidaan edistää asettamalla alapuolelta rei itetyt putket puiden päälle. Pumppausaltaasta ja jakoojista tai -altaasta joudutaan usein poistamaan jäätä mekaanisesti. Putkien lähtöpää altaasta tulisi olla ainakin puolitoistametriä vedenpinnan alapuolella, jotta jääkansi ei talvella aiheuttaisi ongelmia. Kentällä muodostuva paannejää voi myös rikkoa ja painaa penkereitä, jolloin ne on syytä korjata oikovirtausten estämiseksi. (Muistio ; Kyselylomakevastaukset kevät 2010.) Talviaikainen käyttö vaikuttaa pumpun tyypin valintaan, ja pumpun toimivuus voi olla tapauskohtaista. Pengerpumpun ongelmana on ollut veden palaaminen paineella pumppauskaivoon pumppauksen loputtua, kun jäämäärä jakoaltaassa on kasvanut suureksi. Tällöin pumpun toimintaa ohjaavan anturin käynnistysväli on säädettävä riittävän pitkäksi, jottei pumppu käynnisty uudelleen kaivoon palaavan veden vuoksi. Toinen mahdollisuus olisi käyttää viivettä anturin mittauksessa. Ongelma on vältetty käytettäessä putkeen pumppaavaa takaiskuventtiilillä varustettua painepumppua. (Muistio ) Pumppukaivojen jäätymisen estämiseksi on vanhoissa kaivoissa käytetty lunta, pressuja ja pahveja pumppukaivon päällä. Uudet kaivot ovat useimmiten lasikuitua ja eristetty uretaanilla routarajan alapuolelle, jolloin ne eivät jäädy, eikä muita toimenpiteitä sulassapitämiseen tarvita. Eristeitä ei tule käyttää, kun kaivo on käytössä vain kesäisin. Eriste vaikeuttaa kaivossa olevan veden sulamista keväällä, jolloin pumppaus tulisi aloittaa. (Muistio ; Kyselylomakevastaukset kevät 2010.)

25 25 Pumppauksessa tulisi pyrkiä mahdollisimman tasaiseen vedentuloon kentälle. Tällöin vesi ei ehtisi jäätyä kentän pinnalle. Kysymykseen voisi tulla säädettävillä siivillä varustettu pumppu, joka pumppaisi vettä jatkuvasti, mutta pieniä määriä. Pumppaamon olisi silloin oltava sähkökäyttöinen, mikä taas ei ole mahdollista kaikilla kohteilla. Toinen vaihtoehto olisi kahden eritehoisen pumpun asentaminen kaivoon. Pienempi pumppu pumppaa pitkään, ja se voitaisiin määrittää pumppaamaan ensin. Vedenpinnankorkeuden noustessa pumppausaltaassa liian korkealle otettaisiin käyttöön myös suurempi pumppu. Menovirtaama olisi järjestelyllä tasaisempi, mutta vaatisi myös sähkön ja olisi tavanomaista ratkaisua kalliimpi. Kustannuksista voitaisiin kuitenkin säästää, kun ojien ja altaiden jään kertyminen voitaisiin estää eikä niiden avaamiseen kuluisi resursseja. Tasaisemmalla virtaamalla voitaisiin mahdollisesti välttyä myös penkereiden rikkoontumiselta. (Muistio ) Mikäli sähkön käyttö ei pumppaamolla ole mahdollista, joudutaan turvautumaan dieselpumppaamoon tai dieselaggregaattipumppaamoon. Tällöin pumppaus ei kuitenkaan voi olla kovin tasaista, sillä pumpun toiminnalle ei ole hyväksi tiheät käynnistysvälit ja pienet pumppausmäärät. Polttoainekustannukset voivat nousta suuriksi ja kustannuksia aiheutuu myös vara-aggregaatista, huolloista ja aggregaattien uusimisesta. Tällöin on syytä miettiä onko kustannustehokkaampaa vetää pumppaamolle sähkölinja. (Muistio ) Lumen tulon ja sulamisen ajoittuminen vaikuttaa myös suuresti kentällä esiintyviin ongelmiin. Mikäli lunta ei sada suojaksi ennen pakkasia, ehtii kenttä jäätyä. Jos taas lumi sulaa kesken talven, jäätyy kenttä, kun pakkaset alkavat uudelleen. (Muistio ) Ilmastonmuutoksen myötä lisääntyvät epävakaat talvet voivat tulevaisuudessa lisätä ongelmia pintavalutuskentillä. 2.5 Turvekentän hydrologiaa Pintavalutuskentän toiminta perustuu puhdistettavan veden ja turpeen väliseen kontaktiin. Tämän kontaktin tulee toimia myös jäätyneessä maassa, jotta talviaikainen veden puhdistuminen pintavalutuskentällä olisi mahdollista. Yleisesti

26 26 ajatellaan, että maa menettää jäätyessään imeytymiskyvyn kokonaan. Lemmelä (1937) osoitti tutkimuksissaan, että vaikka maa on routaantunut, sen imeytymiskyky on huomattava. Infiltraatio saavuttaa vakioarvon sekä sulassa että routaantuneessa maassa, mutta saavutettu nopeus on routaantuneessa maassa pienempi (kuva 6). Kokeessa käytetyn veden lämpötila oli 0,0 C ja maalajina hieno hiekka. (Lemmelä 1937, 6.) Kuva 6. Roudan vaikutus infiltraatiokapasiteettiin hienossa hiekassa Lemmelän (1973) tutkimuksen mukaan. On kuitenkin huomioitava, että turve orgaanisena maalajina poikkeaa mineraalimaalajeista merkittävästi, ja siten turpeen hydrauliset ominaisuudet ovat erilaiset. Turpeessa hydrauliset ominaisuudet vaihtelevat suhteessa maatumisasteeseen, eliölajien koostumukseen sekä epäorgaanisen aineksen pitoisuuteen. Verrattuna kivennäismaakerrostumiin turpeen kokoonpuristuvuus on huomattava, mikä aiheuttaa merkittäviä hydrologisia muutoksia, joita ei vielä kovin hyvin tunneta. (Andersen 2003, 9.) Infiltraatio jäätyneeseen tai sulaan maahan on hydrologian kannalta kriittistä, sillä se vaikuttaa veden dynamiikkaan maassa sekä valunnan syntyyn. Infiltraation matemaattinen määrittäminen on kuitenkin hyvin hankalaa, sillä maa-

27 27 aines on usein hyvin heterogeenistä ja infiltraation aikana maamatriisissa tapahtuu muutoksia sekä sen vesisisällössä että hydraulisissa ominaisuuksissa. Mallintaminen vaikeutuu edelleen jäätymis- ja sulamistilanteissa sekä kun kyseessä on orgaaninen maa-aines, kuten turve. Kaiken kaikkiaan voidaan sanoa, että maan hydrauliset ominaisuudet vaihtelevat nopeasti infiltraation kuluessa ja sen edetessä syvemmälle riippuen siitä (1) onko maa jäätynyt vai sula, (2) onko maa kyllästynyt vai kyllästymätön, (3) onko kyseessä orgaaninen vai kivennäismaalaji ja (4) tarkastellaanko ylempiä vai alempia maakerroksia. Lisäksi huokosten kokojakauma, hystereesi-ilmiö sulamis-jäätymissyklissä sekä suljettujen huokosten määrä vaikeuttavat infiltraation määrittämistä. (Zhang et al ) Turpeen huokoisuus voi olla jopa yli 90 %, kun esimerkiksi hiekalla se on noin 40 % (kuva 7) (Westman 1991, 10). Turve voi sisältää myös hyvin suuria huokosia ja verrattain paljon suljettuja huokosia. Huokoisuus pienenee turpeen maatuneisuusasteen kasvaessa ja samalla se luonnollisesti vaikuttaa myös turpeen irtotiheyden kasvuun. (Andersen 2003, 9.) Quintonin et al. (2008) tutkimuksessa on osoitettu, että turpeen aktiivinen huokosluku on sitä pienempi mitä syvemmälle turpeen pinnasta mennään (kuva 8). Kuva 7. Kolmen kivennäismaalajin ja kahden turvelajin kokonaishuokoisuuden vaihtelu sekä huokoskokojakaumat (Westman 1991, 10).

28 28 Kuva 8. Tehokas huokoisuus Scotty Creekin ja Granger Creekin turvekentiltä Kanadassa otetuista näytteistä arvioituna näytteiden binaarikuvista (Quinton et al. 2008). Vedenpidätyskäyrä (pf-käyrä) kuvaa maan vedenpidätysominaisuuksia eli maan kykyä varastoida ja vapauttaa vettä. pf-käyrä esittää maan vesipitoisuuden ja maaveteen kohdistuvan paineen välistä yhteyttä. Kyllästyskosteutta vastaavalla vesipitoisuudella maaveteen kohdistuva paine on sama kuin ilmanpaine, ja kyllästyskosteutta pienemmillä vesipitoisuuksilla paine on pienempi kuin ilmanpaine. Ilmanpainetta pienempää painetta kutsutaan imuksi. Mitä pienemmistä huokosista on kyse, sitä suurempi imu tarvitaan kapillaarivoimien voittamiseksi ja veden saamiseksi pois huokostilasta. (Koivusalo & Kokkonen 2005.) Turpeen maatuneisuusaste vaikuttaa huokoskokojakaumaan, jolla on merkittävä rooli vedenpidätyskyvyn kannalta. Maatuneisuusasteen kasvaessa pienten huokosten määrä kasvaa. Täysin kyllästyneessä tilassa alhaisen maatuneisuusasteen turpeella vesisisältö on suurempi kuin korkean maatuneisuusasteen turpeella. Sama pätee osittain kyllästyneessä tilassa, kun pf-luku on alle kaksi, mutta pf-arvoilla 3 4 vesisisältö on suurempi puolestaan korkean maatuneisuusasteen turpeella (kuva 9). Tämä johtuu siitä, että hyvin maatuneella turpeella sekä pienten huokosten, että pienten partikkelien määrä on suurempi, jolloin vedellä on suurempi adsorptio pinta-ala. (Andersen 2003, 10.) Hyvä vedenpidätyskyky pidentää veden viivettä pintavalutuskentällä.

29 29 Kuva 9. Vedenpidätyskäyrät alhaisen maatuneisuusasteen turpeelle (irtotiheys 0,09 g /m -3 ), korkean maatuneisuusasteen turpeelle (irtotiheys 0,36 g/m -3 ), hiekkaiselle maalle (2,5 % savea ja 0,5 % silttiä) sekä hiesulle (24,4 % savea ja 11,5 % silttiä). (Andersen 2003, 10) Turvekerrostumien vedenjohtavuus on yleensä pintaosaa lukuun ottamatta pieni (Geologian tutkimuskeskus, 2005). Quintonin et al. (2008) tutkimusten perusteella turpeen hydraulinen johtavuus on riippuvainen huokosten hydraulisesta säteestä. Siten myös saman maatuneisuusasteen ja tiiviyden omaavilla turpeilla osoittautui olevan yhtä suuret hydrauliset johtavuudet. Orgaanisen maan kyllästyneeseen hydrauliseen johtavuuteen, K s, vaikuttaa maatuneisuusasteen lisäksi erityisesti syvyys maassa (kuva 10) (Wright et al. 2008; Zhang et al. 2010).

30 30 Kuva 10. Saturoitunut hydraulinen johtavuus syvyyden funktiona Scotty Creekin turvekentällä Kanadassa käyttäen erilaisia kenttä- ja laboratoriomenetelmiä. Käyrä kuvaa parhaan sovituksen mukaista funktiota. (Wright et al ) Pohjoisilla turv la pinnanalainen jäänmuodostus on tärkeä prosessi, joka kontrolloi lämmönsiirtoa, pohjaveden virtausta ja biologista aktiivisuutta (Mc- Kenzie et al. 2006). Maan jäätyminen ja sulaminen riippuu sekä maan fysikaalisista ominaisuuksista että kosteuspitoisuudesta. Näiden ominaisuuksien kombinaatiota voidaan kuvata maan jäätymisfunktioilla. (Smerdon & Mendoza 2009.) Jäätymispiste on maassa hieman alhaisempi, kuin puhtaalla jäällä, sillä huokosvesi sisältää suoloja. Maahan jää myös alijäähtynyttä vettä, joka ei jäädy. Tämä vesi koostuu molekyyleistä, jotka ovat tarttuneet maarakeiden pinnalle sekä vedestä, jonka jäätymispiste on suolojen takia alentunut hyvin merkittävästi. (McKenzie et al ) Jopa yli puolet suomassassa olevasta vedestä voi olla sulana maan lämpötilan ollessa -10 C (Leiviskä 1989, 20). Tutkimusten mukaan jäänmuodostus alkaa suurissa huokosissa ennen pienten huokosten jäätymistä (Smerdon & Mendoza 2009). Turpeen jäätymiseen ja sulamiseen liittyy hystereesi-ilmiö, jonka Smerdon & Mendoza (2009) esittävät tutkimusten perusteella johtuvan suhteellisen suurten vedellä täyttyneiden huokosten kombinaatiosta maamatriisissa sekä veden ja jään erilaisista termisistä ominaisuuksista. Tämän vuoksi maan sulaminen tapahtuu pidemmällä lämpötilavälillä kuin sen

31 31 jäätyminen. (Smerdon & Mendoza 2009.) Hystereesi-ilmiö kuvaa jotakin tapahtumaa vastustavaa voimaa, eli tässä tapauksessa hystereesi hidastaa sulamista. Yleisesti hyväksyttyä selitystä hystereesi-ilmiölle ei ole löydetty, mutta luonteenomaista ilmiölle on, että samalla pf-arvolla maan kuivuessa sen vesipitoisuus on suurempi kuin maan kostuessa. Hystereesi-ilmiön vuoksi materiaali ei samoissa ympäristön olosuhteissa saavuta täsmälleen samaa tasapainokosteuden arvoa kostuessaan kuin kuivuessaan. (Holmberg 2010, 23.) Tärkein maan routaantumiseen vaikuttava tekijä on lämpötila. Kun ilman lämpötila on alle 0 C, alkaa roudan muodostuminen, ja se jatkuu siihen saakka kunnes pakkassumma ei enää kasva. Lumi estää tehokkaasti roudan etenemistä ja lumipeitteen paksuus ennen routaantumista vaikuttaakin ratkaisevasti roudansyvyyteen. Mikäli lumi sataa sulaan maahan, voi routakerros jäädä matalaksi. Lumen ollessa kevyttä, myös sen eristysvaikutus on suurempi. Ilmastoolosuhteiden lisäksi maan kosteus vaikuttaa roudan etenemiseen. Maaperän vesipitoisuus ja maalajin karkearakeisuus lisäävät lämmönjohtavuutta ja siten edistävät roudan etenemistä. Maan lämpökapasiteetti sitä vastoin vaikuttaa roudan etenemiseen päinvastaisesti kuin lämmönjohtavuus. Maan lämpökapasiteetin kasvaessa maan jäähtyminen hidastuu. Lämpökapasiteetti riippuu maalajista ja sen vesipitoisuudesta. Turpeen kosteuspitoisuuden laskiessa lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus pienenevät huomattavasti. Turpeen lämpökapasiteetti on suuresta vesipitoisuudesta johtuen yli kaksi kertaa suurempi ja lämmönjohtavuus yli kolme kertaa pienempi kuin hiekan, jonka kosteuspitoisuus on 20 %. Toisin sanoen routa etenee hitaammin turpeessa kuin hiekassa, kun kosteuspitoisuudet ovat molemmilla maalajeilla samat. Kun maa on lumeton ja lämpöolot samanlaiset muodostuu routaa kaksi kertaa paksummalti karkeisiin kivennäismaalajeihin kuin turpeeseen. (Leiviskä 1989, ) Kujalan et al. (2007) tutkimuksissa selvitettiin turpeen fysikaalisia ominaisuuksia sekä palsan muodostusta. Turpeen jäätymisessä ja palsan muodostumisessa merkittävä tekijä on turpeen lämmönjohtokyky, kuten myös edellä on todettu. Tutkimuksessa käytettiin jäätyneitä palsanäytteitä. Sulatettaessa palsanäytettä

32 32 todettiin sulamisen tapahtuvan pääosin lämpötilavälillä -0,8 0 C. Tällöin nestemäinen vesisisältö nousi 50,5 %:iin. Loppu jäästä suli välillä 0 1,1 C. Turpeen lämmönjohtavuuden havaittiin tutkimuksissa riippuvan vahvasti sen vesisisällöstä ja lämpötilasta. Lämmönjohtavuuden ja vesisisällön välinen suhde osoittautui lähes lineaariseksi (kuva 11). Kuva 11. Kujalan et al. (2007) tutkimuksessa saadut lämmönjohtavuudet ja tilavuusvesipitoisuudet turvenäytteissä palsan eri syvyyksissä. McKenzien et al. (2006) tutkimuksessa tarkkailtiin turvemaan lämpötilaprofiilin muutoksia tutkimuskohteella (kuva 12). Tulokset osoittivat, että turpeen pinnalla vallitseva lämpötila kontrolloi muutoksia merkittävästi. Pintaosan lämpötilaprofiili noudattaa hyvin läheisesti ilman lämpötilaa, mutta turpeen alaosassa, neljän metrin syvyydessä, lämpötila säilyy lähes vakiona. Roudan eteneminen turpeessa lakkaa pian sen jälkeen, kun pakkassumma ei enää kasva. Roudan sulaminen alkaa vasta lumipeitteen hävittyä, ja se etenee pääasiassa pinnalta alaspäin ulkolämpötilan vaikutuksesta. Pohjavedestä vapautuva lämpöenergia sulattaa routaa myös alhaalta ylöspäin. Lämpötilan lisäksi roudan sulamiseen vaikuttavat mm. maankosteus, maalajin lämmönjohtavuus ja ominaislämpö, kasvipeite ja topografia. (Leiviskä 1989, 25.)