Pernunnummen pohjaveden aiheutetut häiriötilat

Transkriptio

1 1 P Pernunnummen pohjaveden aiheutetut häiriötilat Pekka Hänninen, Osmo Äikää, Arto Pullinen ja Juha Majaniemi Geologian tutkimuskeskus Espoon yksikkö

2 2 1. Pernunnummi 3 2. Pohjaveden luonnolliset muutokset PV3:ssa Koepumppaukset Ensimmäinen koepumppaus joulukuussa Toinen koepumppaus toukokuussa Kolmas koepumppaus syyskuussa Uuden koekaivon kairaus Vedenläpäisevyyskoe marraskuussa Johtopäätökset 19

3 3 1. Pernunnummi Pernunnummi on laaja, hyvin vettä läpäisevästä karkeasta lajittuneesta maa-aineksesta koostuva, glasifluviaaninen muodostuma. Pohjaveden päävirtaussuunta on luoteesta kaakkoon. Pernunnummelle perustettiin syksyllä 2004 pohjaveden seuranta-asema pohjavesikaivoon PV3 (kuva 1, ylempi kuva). Kaivoon laitettiin kolmelle tasolle CS547 (Campbell Sci.) anturit mittamaan pohjaveden temporaalisia sähkönjohtavuus- ja lämpötilamuutoksia. PV3:n kohdalla pohjaveden syvyys maan pinnasta on noin 12 metriä. Mittausanturit olivat tasoilla 2/14 (2m ugwl), 7/19 (7 m ugwl) ja 11/23 m (11 m ugwl) pohjaveden/maan pinnasta. Mittaustaajuus oli kerran kuudessa tunnissa ja sitä nostettiin kerraksi tunnissa koepumppausten ajaksi. Kaivossa oli lisäksi paineanturi , ja Joulukuussa 2004 pohjaveden pinta kolmen minuutin välein, keväällä mittaustaajuus oli kuusi ja syksyllä yksi tunti. Pohjavesikaivojen sähkönjohtavuus ja lämpötilamittausten perusteella Pernunnummen pohjavesimuodostumaan tulee etelästä (PV5) resistiivistä ms/m ja lämmintä vettä C sekä pohjoisesta (PV8) sähkönjohtavuudeltaan suurempaa ms/m ja lämpötilaltaan tasaista ja viileää C vettä. Vesimassat sekoittuvat harjuselänteen kohdalla. Kolmiosta PV3 PV7 PV8 mitatut sähkönjohtavuudet vaihtelivat ms/m ja lämpötilat C. PV8:n vesi ei juurikaan eroa keskialueen vesistä, joten on todennäköistä, että pohjoisesta pohjavesisysteemiin tulee huomattavasti enemmän vettä kuin etelästä. Karttaan on merkittyjen kalliopaljastumien lisäksi koealueella tehtiin maatutkaluotaus syksyllä Tulkinta tukee käsitystä siitä, että sekä alueen etelä- että pohjoispuolelta pohjavedet purkautuvat oletetun Pernunnummen pohjavesimuodostuman keskiosaa kohden (kuva 1 alempi kuva).

4 4 Kuva 1. Pernunnummen pohjavesikaivojen sijainti (ylempi kuva) ja maatutkaluotauksessa havaitut maanalaiset kalliot (alempi kuva, tutkaus ja tulkinta Juha Majaniemi). Kolmion PV3-PV7-PV8 sisään jäävät PV4 ja pumppauskaivot. Sähkönjohtavuus ja lämpötilaseuranta oli kaivossa PV3.

5 5 2. Pohjaveden luonnolliset muutokset PV3:ssa Pohjaveden pinnan, lämpötilan ja sähkönjohtavuuden luonnolliset muutokset ovat Pernunnummella vähäisiä. Sinä aikana, kun pohjaveden pintaa seurattiin, se oli korkeimmillaan helmikuussa. Kevään aikana pohjaveden pinta aleni 19 cm (kuva 2). Noin viikko sen jälkeen, kun ilman lämpötila nousi nollan yläpuolelle, pohjaveden pinta alkoi nousta, mutta lumen sulamisesta johtuva pohjaveden pinnan nousu oli kahden viikon aikana vain 4 cm, jonka jälkeen pohjaveden pinta alkoi jälleen laskea. Jos oletetaan, että lumen sulaminen alkoi, kun ilman keskilämpötila ylitti nollan ja vertikaalisesti liikkuvat sulamisvedet saavuttivat pohjaveden viikon kuluessa, saadaan pohjaveden yläpuolisen maa-aineksen keskimääräiseksi vedenläpäisevyysnopeudeksi 2*10-5 m/s. cm above press probe Feb Mar Apr May temperature C GWL T_air Kuva 2. Pernunnummen pohjavesikaivon pinnankorkeuden (vasen y- akseli, sininen viiva) ja tiedonkeruulaitteen sähkökaapin sisätilan ilman lämpötilanvaihtelut (astetta, oikea y-akseli, punainen viiva) keväällä Tulos on viiden pisteen liukuva keskiarvo. Toukokuun pohjaveden nopea hetkellinen lasku johtuu pumppauksesta. Isossa pohjavesimuodostumassa muutokset veden lämpötiloissa ovat vähäisiä (kuva 3). Mittauspisteen ollessa metriä maanpinnan alapuolella, lämpötilamuutosten viive on noin vuosi maan pintaosien lämpötilamuutoksiin verrattuna. Heinäkuussa havaitut pohjaveden

6 6 korkeimmat lämpötilat ovat edellisen vuoden muistoa. Pernunnummella suppamuodostumat, joista pintavedet pääsevät nopeasti pohjavesiin, voivat paikallisesti muuttaa em. aikaviivettä. PV3:ssa pohjaveden lämpötila kasvaa syvemmälle mentäessä. Pohjaveden temporaaliset lämpötilavaihtelut ovat pieniä, alle 0.1 astetta ja lämpötilaero ylimmän ja alimman mitatun tason välillä oli vain 0.16 astetta. Tason 7 m ugwl lämpötila-anturissa on muita tasoja enemmän huojuntaa. Sen sijaan tasoilla 2 m ugwl ja 11 m ugwl nähdään selvä pohjaveden lämpötilan kevätpumppuamisen aiheuttamat lämpötilahäiriöt. Ground water temperature temp. C m ugwl 7m ugwl 2m ugwl Sep 15- Nov 3-Jan 21- Feb 11- Apr 30- May 18- Jul 5- Sep Kuva 3. Pernunummen pohjaveden lämpötilat keväällä Toukouun lopun pumppauksen aiheuttama lämpötilanotkahdus näkyy kaikissa antureissa. PV3:ssa pohjaveden sähkönjohtavuus pieneni syvemmälle mentäessä (kuva 4). Keväällä 2005 sähkönjohtavuuksissa oli lievästi laskeva trendi. Pohjaveden sähkönjohtavuudet vaihtelivat häiriöttömänä aikana alle ±0.1 ms/m : taso -2 m ms/m, taso -7 m ms/m, taso -11 m ms/m. Uuden, läpimitaltaan 15 cm, tutkimuskaivon kairaaminen 22 metrin päähän päätti kevään pohjaveden sähkönjohtavuuden häiriöttömän kauden. 3. Koepumppaukset Pernunnummella tehtiin kolmet koepumppaukset. Ensimmäinen koepumppaus oli joulukuussa 2004, toinen toukokuussa ja kolmas

7 7 syyskuussa Ensimmäinen pumppaus tehtiin halkaisijaltaan 10 cm kaivosta, joka sijaitsee 22 m PV3:sta kaakkoon (kuva 1). Kahta seuraavaa pumppausta varten kairattiin uusi halkaisijaltaan 15 cm kaivo 2,6 metrin päähän ensimmäisen koepumppauskaivon koillispuolelle. Kahdessa ensimmäisessä pumppauksessa poistovesi johdettiin päävirtaussuuntaan nähden 200 m vastavirtaan olevan supan pohjalle, joka on noin 10 m PV3 kaivon maanpintaa alempana. Kolmannessa pumppauksessa poistovesi johdettiin pieneen järveen 220 m alavirtauksen suuntaan. Ground water conductivity ms/m m ugwl 7m ugwl 2m ugwl Feb 19- Feb 26- Feb 5- Mar 12- Mar 19- Mar 26- Mar 2- Apr 9- Apr 16- Apr 23- Apr Kuva 4. Pernunummen pohjaveden sähkönjohtavuuden muutokset häiriöttömällä kaudella keväällä Ensimmäinen koepumppaus joulukuussa 2004 Ensimmäinen koepumppaus aloitettiin klo 14:55 4 metriä pohjaveden pinnan alapuolelta. Pumppaus päättyi klo 10:00. Yöllä pumppauksessa oli kaksi lyhyttä katkosta. Vettä pumpattiin 4 l/s. Pumppaus kesti 67 tuntia, jona aikana pumpattiin yhteensä noin 950 m 3 pohjavettä. Pumppauksen aikana pohjaveden pinta laski tutkimuskaivossa PV3 7.5 cm. Pumpatun veden poistopiste oli noin 180 m PV3:sta päävirtaussuuntaan nähden vastavirtaan ja noin 10 m alempana kuin PV3:n maan pinnan taso. Pohjaveden pinta alkoi laskea heti pumppauksen alettua ja laski seitsemän tunnin aikana 5.6 cm (0.8 cm/h, kuva 5). Pohjaveden pinnan

8 8 laskeminen aiheutti paikallisen paineminimin, joka sai koko pohjavesikerroksen vesimassan liikkeelle. Kolme tuntia pumppauksen aloittamisesta, jolloin pohjaveden pinta oli laskenut 4 cm, alkoi veden sähkönjohtavuus nousta tasolla 11 m ugwl. Myös tasolla 7 m ugwl veden sähkönjohtavuus alkoi kohota. Pohjaveden sähkönjohtavuus kasvoi tasolla 7 m ugwl vain 0.04 ms/m, kun se 11 m syvyydellä oli 0.23 ms/m. Kasvu tasolla 7 m ugwl oli niin loiva, että sen alkukohtaa on vaikea määrittää, ja niin vähäinen, että ilman usein toistettavaa mittausta kasvua ei voisi todentaa. Ylimmässä mittauspisteessä ei pumppaus alkuvaiheessa vaikuta veden sähkönjohtavuuteen. Ground water conductivity ms/m m ugwl 7m ugwl 2m ugwl gwl Kuva 5. Joulukuun pumppauksen vaikutus pohjaveden pintaan (oikea y-akseli) ja sähkönjohtavuuteen (vasen y-akseli) PV3 havaintokaivossa, noin 20 metriä pumppauskohdasta. Pumppauksen pysähtyessä pohjaveden pinta nousi ja sen jatkuessa laski nopeasti. Molemmat katkokset näkyivät myös hetkellisinä sähkönjohtavuusminimeinä tasolla 11 m ugwl, mutta niiden vaikutusta ei havaittu muilla tasoilla. Toisin kuin sähkönjohtavuudessa, pumppauksen vaikutus näkyi kaikissa mittauspisteissä lämpötilan nousuna (kuva 6). Nousu oli suurin 11 m syvyydellä ja sielläkin vain 0.06 astetta. Tulos tarkoittaisi, että syvemmältä työntyy vettä ylempiin kerroksiin, mikä on näennäisessä ristiriidassa sähkönjohtavuusmuutosten kanssa. Kuitenkin, jos vesi massatasapainon saavuttamiseksi on sekä vertikaalisessa että horisontaalisessa liikkeessä, ylempänä oleva vesi etenee lämpimänpien maakerrosten kautta ioneja luovuttamatta, veden lämpeneminen ja sähkönjohtavuuden kasvu on mahdollista.

9 9 Ground water temperature 2004 temp. C m ugwl 7m ugwl 2m ugwl Kuva 6. Joulukuun koepumppauksen vaikutus pohjavesikerrosten lämpötilaan. Pumppauksen loputtua pohjavesi nousi alkuperäiselle tasolleen 17 h:ssa ja jatkoi nousuaan vielä ainakin viisi vuorokautta, jolloin pohjaveden pinnan seuranta lopetettiin (kuva 5). Pumppauksen loputtua klo 10, pohjaveden sähkönjohtavuus palautui heti seuraavassa mittauksessa, klo 11, alkuperäiselle tasolleen. Pumppauksen aiheuttama veden liike pysähtyi välittömästi. Veden poistokohtaan syntyi paikallinen painemaksimi, jonka tasapainottuminen aiheutti pohjaveteen uuden häiriötilan. Tasoilla 7 ja 11 m ugwl pohjaveden sähkönjohtavuus lähti uudestaan nousuun 19 tuntia pumppauksen lopettamisesta (86 tuntia sen aloittamisesta) ja saavutti kummallakin tasolla suurimmat arvonsa 63 h pumppauksen lopettamisesta. Tällöin sähkönjohtavuus oli noussut 11 m tasolla 0.45 ms/m ja 7 m tasolla 0.51 ms/m, kun muutokset pumppauksen aikana olivat 0.23 ms/m ja 0.04 ms/m. Ylimmällä tasolla veden sähkönjohtavuus oli alkanut laskea pumppauksen puolivälissä ja se jatkoi laskuaan pumppauksen päätyttyä. Vaikka pumppausteho oli kasvanut Ylävirtauksen suuntaan poistettu vesi aiheutti pohjaveden häiriötilan 86 tuntia pumppauksen alettua. Jotta poistovesi palasi takaisin PV3:een, veden kulkeutumisnopeus olisi 5.8 * 10 exp(-4) m/s. Koska pohjaveden kaltevuus on todennäköisesti alle 1%, vesi etenisi horisontaalisuunnassa sadasosan laskennallisesta vedenkulkunopeudesta, jolloin aineksen

10 10 vedenkulkunopeuden olisi oltava 0.06 m/s, mikä on mahdotonta. Koska sähkönjohtavuuden nousua ei myöskään näy ylimmässä kerroksessa, pitäisi poistoveden painua suoraan vettä poikkeuksellisen hyvin johtavaan kerrokseen. Joulukuun pumppauksella ja poistovedellä häiriintynyt pohjavesisysteemi vakioitui noin kaksi viikkoa pumppauksen päätyttyä (kuva 6). Alempien pohjavesikerrosten sähkönjohtavuudet olivat vielä kuukauden tämän jälkeen aloitusarvojaan suuremmat. Vuoden 2004 lopussa satanut lumi suli seuraavan vuoden alussa vallinneiden suojasäiden aikana (kuva 6), mikä lopulta laimensi pohjaveden ionipitoisuuden kaikilla tasoilla joulukuun alkua pienemmäksi. Ground water conductivity ms/m m ugwl 7m ugwl 2m ugwl T_air Jan 20-Jan 3-Feb Kuva 7. Pernunnummen joulukuun 04 koepumppauksen aiheuttaman häiriötilan vakiintuminen tammikuussa Toinen koepumppaus toukokuussa 2005 Toinen koepumppaus aloitettiin klo 21:45 uudesta, läpimitaltaan 15 cm pohjavesikaivosta. Aluksi pohjavettä pumpattiin 10 minuutin ajan 20 l/s yhteensä noin 12 m 3. Pumppauksen imukohta oli noin 19 m maan- ja 7 metriä pohjaveden pinnan alapuolella. Veden poistokohta oli sama kuin edellisessä pumppauksessa. Seuraavana päivänä klo 10:55 koepumppausta jatkettiin samalla teholla. Pumppaus kesti 22 tuntia, jolloin yhteensä pohjavettä pumpattiin 1600 m 3. PV3

11 11 kaivossa sähkönjohtavuus ja lämpötila rekisteröitiin tunnin ja paine kuuden tunnin välein. Kymmenen minuutin ensimmäinen koepumppaus laski pohjaveden pintaa 4 cm (havainto klo 22) kaivossa PV3 (kuva 8). Pumppauksen ei havaittu vaikuttaneen pohjaveden lämpötilaan tai sähköjohtavuuteen. Kun pumppausta jatkettiin, pohjaveden pinta aleni kaivossa PV3 27 cm (1.2 cm/h). Tunnin kuluttua pumppauksen aloittamisesta pohjaveden sähkönjohtavuus alkoi nousta tasoilla 7 ja 11 m ugwl ms/m May 25-May 27-May 29-May 31-May 11m ugwl 7m ugwl 2m ugwl GWL Kuva 8. Toukokuun koepumppauksen vaikutus PV3 kaivon pohjaveden pinnan (oikea y-akseli, pohjavesi cm:ä paineanturin yläpuolella) korkeuteen ja sähkönjohtavuuteen. Pumppauksen aikana veden sähkönjohtavuus nousi tasolla 11 m ugwl 0.16 ms/m, mutta 7 m tasolla juuri ja juuri havaittavasti. Ylimmällä havaintotasolla pohjaveden sähkönjohtavuudessa tai lämpötilassa ei pumppauksen aikana tapahtunut sähkönjohtavuusmuutoksia. Joulukuun pumppaukseen verrattuna pumppausteho oli viisin- ja pumpatun veden kokonaismäärä 1.7 kertainen, mutta pumppauksen kesto vain 33% aiemmasta. Toisen koepumppaukseen aikana sähkönjohtavuuden muutos oli 70% ensimmäisestä, mutta 22 h pumppauksen aloittamisesta muutos sähkönjohtavuudessa ensimmäisellä koepumppauskerralla oli 0.14 ms/m. Tulosten perusteella pumppausteholla ei ole suoraa vaikutusta häiriön suuruuteen, vaan häiriön suuruus riippuu pumppauksen kestosta.

12 12 Pohjaveden lämpötilat olivat luonnollisessa lämpenemisvaiheessa koepumppauksen aikana. Kaikilla tasoilla havaittiin pumppauksen aiheuttama pieni (0.03 ºC) negatiivinen lämpötilahäiriö (kuva 9), joka alkoi noin vuorokausi pumppauksen aloittamisesta. Joulukuun pumppauksen aikana, jolloin pohjaveden lämpötilat olivat luonnollisessa laskussa, lämpötilat nousivat 0.06 ºC. Ground water temperature temp. C m ugwl 7m ugwl 11m ugwl May 23-May 27-May 31-May 4-Jun Kuva 9. Toisen koepumppauksen, , aiheuttama lämpötilahäiriö PV3:ssa. Toisen koepumppauksen aikana pohjaveden pinta oli alenemassa 0.2 cm/vrk. Kun tämä luonnollinen kevättrendi poistetaan, pohjaveden pinta nousi pumppauksen loputtua vuorokaudessa lähtötasoaan korkeammalle (kuva 10). Pohjaveden pinnan palautuessa sähkönjohtavuudet laskivat kaikilla tasoilla. Muutos oli suurin 2 m pohjaveden pinnan alapuolella, jossa veden sähkönjohtavuus laski 0.54 ms/m. Tason 2 m ugwl sähkönjohtavuus ei ollut palautunut alkuperäiselle tasolleen vielä 1.5 kk kuluttua pumppauksen päättymisestä (kuva 11). Tasoilla 7 ja 11 m ugwl sähkönjohtavuudet saavuttavat maksiminsa 86 tuntia pumppauksen päätyttyä, kun aikaviive ensimmäisessä koepumppauksessa oli 63 h. Alkuperäisen sähkönjohtavuustasoon nähden sähkönjohtavuudet nousivat joulukuussa 0.49 ja toukokuussa 0.59 ms/m.

13 13 GWL GWL cm above probe May May May-05 GWL GWL-trend Kuva 10. Pohjaveden pinnan havaittu muutos ja muutos, kun pohjaveden luonnollisen laskun aiheuttama trendi on poistettu keväällä ms/m May 1-Jun 15-Jun 29-Jun 13-Jul 7m ugwl 2m ugwl 11m ugwl Kuva 11. Toisen koepumppauksen aiheuttaman pohjaveden sähkönjohtavuuksien vakioituminen pumppauksen päätyttyä

14 14 Joulukuun pumppauksessa pohjaveden pinnan aleneminen oli vain yksi kolmasosa toukokuun pumppauksen aiheuttamaan vedenpinnan alenemiseen nähden. Joulukuun pumppauskokeen jälkeen sähkönjohtavuudet alemmissa kerroksissa vakioituivat noin kahdessa viikossa, kun toukokuun pumppauksen jälkeen sähkönjohtavuuksien vakioituinen kesti kuukauden. Pumppausteho ja pumpatun vesimäärän kasvattaminen eivät vaikuttaneet pohjaveden sähkönjohtavuushäiriön suuruuteen, vaan häiriön suuruus riippui ajasta, jonka vesi on liikkeellä pyrkiessään korvaamaan paikallista paineminimiä. Sen sijaan suurempi paineminimi ja poistettu vesimäärä vaikuttivat pumppauksen päättymisen jälkeisen häiriön voimakkuuteen ja kestoon. Kyse on pohjaveden poikkeuksellisesta liikkeestä, joka johtuu paikallisesta paineepätasapainosta imu- ja pumppauskohdan välillä. 3.3 Kolmas koepumppaus syyskuussa 2005 Kolmas koepumppaus aloitettiin klo 18:00. Pumppausteho oli 15 l/s. Pumppaus päättyi klo 18:00. Kymmenen päivän aikana pumppauksessa oli yksi katkos. Pumpattu pohjaveden kokonaismäärä oli noin m 3. Pumppauksen imukohta oli noin 19 m maan- ja 7 metriä pohjaveden pinnan alapuolella. Pumpatun veden poistokohta oli 220 m pohjaveden päävirtaussuunnassa olevaan järveen. Veden sähkönjohtavuus, lämpötila ja paine rekisteröitiin tunnin sekä ilmanpainemuutokset kuuden tunnin välein. Tunti koepumppauksen aloittamisesta alkoi pohjaveden pinta laskea noin 1 cm/h. 32 tunnissa pohjavesi oli laskenut 33 cm, jonka jälkeen sen lasku hidastui (kuva 12). Seuraavan 8.5 vrk aikana pohjavesi laski noin 1.5 cm/vrk. Kokonaisuudessaan pohjavesi aleni kaivossa PV3 46 cm. Kuusi tuntia pumppauksen päätyttyä pohjaveden pinta oli noussut 27 cm (lähes 5 cm/h). Tämän jälkeen pohjaveden pinnan nousu hidastui ja vielä kymmenen päivää pumppauksen päätyttyä pohjaveden pinta oli 9 cm lähtötilannetta alempana. Kaksi tuntia pumppauksen alkamisen jälkeen pohjaveden sähkönjohtavuus alkoi nousta tasoilla 7 ja 11 m ugwl. Kahdeksan tuntia myöhemmin myös tason 2 m ugwl pohjaveden sähkönjohtavuus alkoi muuttua. Sen sähkönjohtavuus alkoi tasaisesti laskea. Pumppauksen aikana veden sähkönjohtavuus nousi sekä tasolla 11 m ugwl että 7 m ugwl 0.30 ms/m eikä nousu tasaantunut ennen pumppauksen pysäyttämistä. Sen sijaan tasolla 2 m ugwl sähkönjohtavuus laski 1.12

15 15 ms/m ja sähkönjohtavuuden lasku tasoittui ennen pumppauksen päättymistä (kuva 13). GWL cm above probe Aug 8-Sep 18-Sep 28-Sep 8-Oct GWL Kuva 12. Syyskuun 2005 kymmenen vuorokauden pumppauksen vaikutus pohjaveden pinnan tasoon. Pumppauksessa oli lyhyt katkos Water EC ms/m Aug 8-Sep 18-Sep 28-Sep 8-Oct 11m ugwl 7m ugwl 2m ugwl Kuva 13. Syksyn 2005 kymmenen päivän pumppauksen vaikutus pohjavesikerrosten sähkönjohtavuuteen.

16 16 Pumppauksen kesto oli kolminkertainen ensimmäiseen koepumppaukseen nähden. Syyskuun pumppauksen aikana tasolla 11 m ugwl sähkönjohtavuusmuutos oli 30% suurempi ja tasolla 7 m kahdeksan kertaa niin suuri kuin ensimmäisessä koepumppauksessa. Vastaavasti syyskuussa 64 h pumppauksen jälkeen muutos syyskuussa oli tasolla 11 m ugwl 0.17 ms/m ja tasolla 7 m ugwl 0.08 ms/m. Kolmannessa koepumppauksessa tasolla 2m ugwl ollut vesi reagoi ensimmäistä kertaa nopeasti ja voimakkaasti pumppaukseen. Pohjaveden lämpötilat olivat syksyllä luonnollisessa viilenemisvaiheessa koepumppauksen aikana. Tasolta 2 m ugwl saatu lämpötilatieto on kadonnut tiedonkäsittelyn aikana. Tasoilla 7 ja 11 m ugwl havaittiin pumppauksen aiheuttama pieni (0.03 ºC) positiivinen lämpötilahäiriö (kuva 14), joka alkoi vain kaksi tuntia pumppauksen aloittamisesta. Sekä ensimmäisen että kolmannen koepumppauksen aikana pohjaveden lämpötila oli laskussa ja pumppauksen aiheuttama lämpötilahäiriö oli positiivinen, kun toisen koepumppauksen aikana tilanne oli päinvastainen. Kymmenen tuntia pumppauksen päättymisestä, pohjaveden pinnan vakioiduttua neljä tuntia aikaisemmin, sähkönjohtavuudet laskivat kaikilla tasoilla minimiinsä. Viisi vuorokautta pumppauksen päättymisen jälkeen tasojen 7 ja 11 m ugwl sähkönjohtavuudet saavuttivat maksiminsa. Pumppauksen päättymisestä sähkönjohtavuuden maksimiin aikaviive oli lähes 40% pidempi kuin toisella koepumppauskerralla. Alkuperäisen sähkönjohtavuustasoon nähden sähkönjohtavuudet nousivat joulukuussa 0.49, toukokuussa 0.59 ms/m ja syyskuussa 0.54 ms/m. Aiheutettu häiriö oli havaittavissa vielä joulukuun alussa Uuden koekaivon kairaus PV5 viereen kairattiin uusi halkaisijaltaan 15 cm kaivo huhtikuun 26. vuonna 2005 ensimmäisen koepumppauskaivon viereen eli noin 22 m PV3:sta. Uuden kaivon syvyydeksi oli sovittu 30 m. Puolen päivän aikoihin kairaus oli edennyt 24 m. Kairauksen aikana PV3:n antureiden mittaustiheys oli kerran tunnissa. Kello 15 pohjaveden sähkönjohtavuudet alkoivat kohota 11 ja 7 m pohjaveden pinnan alapuolella ja saavuttivat paikallisen huippuarvonsa kello 20, jolloin molemmissa kerroksissa sähkönjohtavuus oli noussut 0.3 ms/m (kuva 15). Ylimmän anturin tasolla ei pohjaveden sähkönjohtavuudessa näkynyt minkäänlaista muutosta. Minkään pohjavesikerroksen lämpötiloissa ei havaittu kairauksen aiheuttamaa muutosta.

17 17 Water T m ugwl C m ugwl Aug 8-Sep 18-Sep 28-Sep 8-Oct Kuva 14. Kolmannen koepumppauksen syyskuussa 2005 aiheuttama lämpötilahäiriö PV3:ssa. Ground water conductivity ms/m Apr 25-Apr 28-Apr 1-May 4-May 11m ugwl 7m ugwl 2m ugwl Kuva 15. Uuden pohjavesikaivon porauksen aiheuttama sähkönjohtavuusmuutos PV3 pohjaveden seurantapisteissä. Pohjaveden häiriintyminen tapahtui kaivon kairauksen loppuvaiheessa. Varsinainen kairaus ei näytä vaikuttavan millään tavoin pohjaveden sähkönjohtavuuteen. Kairauksen lopussa kairanreiän alaosaan aiheutetaan vedellä painepulssi. Pulssin tarkoituksena on puhdistaa

18 18 veden liikettä hidastavat hienoainespartikkelit pohjavesikaivon läheisyydestä. Paine vaikuttaa koko lähialueen vesimassaan, mikä aiheuttaa muutoksen sähkönjohtavuudessa. Pohjaveden sähkönjohtavuus nousi viidessä tunnissa em. 0.3 ms/m, jonka jälkeen se alkoi laskea. Vuorokausi paikallisen maksimin jälkeen pohjaveden sähkönjohtavuus oli pienimillään ja sähkönjohtavuuden tasoittuminen alkuperäiseen arvoon kesti 3 viikkoa. Muodoltaan häiriö on saman kaltainen pumppausten aiheuttamien häiriöiden kanssa, mutta siitä puuttuu pumppauksen loppumisen jälkeinen maksimi. 5. Vedenläpäisevyyskoe marraskuussa 2005 Koska lämpötila- ja sähkönjohtavuusanturit osoittautuivat erittäin herkiksi ja luotettaviksi kokeiltiin, voidaanko veden lämpötilaa ja sähkönjohtavuutta mittaamalla selvittää kahden kaivon välinen in-situ vedenjohtavuus. Ajatuksena oli aiheuttaa veteen sähkönjohtavuus- ja lämpötilahäiriö ja mitata toisesta kaivosta, milloin häiriö havaitaan siellä. Koekaivoiksi valittiin PV6 ja 15cm:n kaivo (isokaivo), joiden välinmatka maan pinnalla on 2.6 m. Häiriö aiheutettiin syöttämällä lämmitettyä (+20ºC), sähkönjohtavuudeltaan poikkeavaa vettä PV6:een tasolle 4 m ugwl. Lämpötilamittaus tapahtui isokaivosta tasoilta 1, 2, 3, 4, 5 ja 6 m ugwl sekä sähkönjohtavuuden mittaus tasolta 6 m ugwl. Kokeessa käytetty syöttövesi otettiin PV2:sta, jonka veden sähkönjohtavuus oli tasainen ( ms/m) koko vesipaksuudeltaan. PV6 ja isokaivossa pohjaveden sähkönjohtavuus kasvoi syvemmälle mentäessä ja vaihteli ms/m. Vastaavasti pohjaveden lämpötilat kaivoissa olivat ºC. Isokaivon veden lämpötila ja sähkönjohtavuus rekisteröitiin 15 sekunnin välein alkaen klo 14:53:45 seuraavaan päivään klo 14:38:45 saakka. Kokeen ensimmäisessä vaiheessa PV6:n tasolle 4 m ugwl lisättiin 40 sekunnissa 50 l lämmintä (> +20ºC) vettä klo 15:12:30 15:13:10. Seuraavana päivänä koe uusittiin klo 12:15:00 12:15:40. Koko seurannan suurimmat positiiviset poikkeamat alkutilanteesta isokaivon veden lämpötiloissa tasoilla 1, 2, 3 ja 4 m ugwl olivat alle 0.01ºC. Voidaan todeta, että veden lämpenemistä ei näillä tasoilla havaittu. Sen sijaan tasoilla 5 ja 6 m ugwl lämpötilat nousivat 0.03ºC. Lämpötila-antureiden resoluutio on jo niin lähellä mitattuja eroja, että lämpötilan nousun tarkan alkamisajankohdan määrittäminen on huojunnan vuoksi hankalaa. Tasoittamalla mittaustulokset viiden pisteen liukuvalla keskiarvolla (kuva 16), havaitaan lämpenemisen alkaneen tasolla 6 m ugwl viimeistään 1545 s ja tasolla 5 m ugwl dt=2280 s lämpimän veden syötön alkamisen jälkeen. Vastaavasti

19 19 pohjaveden sähkönjohtavuus alkoi nousta 1950 s veden syötön alkuhetkeen nähden. Lämpötila- ja sähkönjohtavuushäiriön aikaviiveiden perusteella maa-aineksen vedenjohtavuus tasolla metriä maanpinnan alapuolella on * 10-3 m/s. Koska kyseessä on horisontaali liike, tämä tarkoittaisi veden lähes esteetöntä kulkua PV6:sta isokaivoon. Koska isokaivon teossa hienoaineksen huuhteluun käytetty painepiikki näkyi hyvin vielä 22 metrin päässä, on mahdollista, että laskettu vedenkulkunopeus on todellinen, joskaan ei luonnollinen. Water dt in 'isokaivo' dt 5 m ugwl dt 6 m ugwl dec 6 m ugwl dt C dec ms/m seconds Kuva 16. PV6:een tasolle 4 m ugwl syötetyn lämpimän veden vaikutus viereisen kaivon lämpötilaan ja aikaviive syötön alkuhetkestä. Kaivojen välinen etäisyys maan pinnalla on 2,65 m. 6. Johtopäätökset Pohjaveden lämpötila ja sähkönjohtavuus ovat helposti mitattavia ja sisällöltään informatiivisia suureita. Itse ohjelmoitavia tiedonkeruulaitteita käyttäen voidaan mittaukset toistaa määrävälein lainkaan häiritsemättä pohjaveden tilaa. Usein toistuvat mittaukset

20 20 parantavat tulosten suhteellista tarkkuutta, jolloin pienetkin häiriöt pohjaveden sähkönjohtavuudessa (<0.01 ms/m) ja lämpötilassa (<0.01 ºC) on havaittavissa. Näiden suureiden absoluuttisten arvojen vertaaminen vaatii antureiden huolellisen kalibroinnin ennen ja jälkeen mittausjakson. Pernunnummen pohjavesi on lämpötilaltaan ja sähkönjohtavuudeltaan kerroksellista. Tämä johtuu siitä, että pää-pohjavesimuodostumaan yhtyy etelä- ja pohjoispuolelta sivuvirtaamat, joiden veden lämpötilat ja sähkönjohtavuudet poikkeavat toisistaan merkittävästi. Tämä rakenne voidaan havaita eri tasoilla tapahtuvalla seurannalla tai huolellisella lämpötila ja sähkönjohtavuusmittauksilla, jotka tehdään pohjaveden pinnasta alaspäin. Kun anturit lasketaan pohjavesikaivon pohjalle, aiheutetaan häiriötila, jonka jälkeen em. havaintoa ei enää voida todentaa. Suuren pohjavesimuodostuman lämpötila- ja sähkönjohtavuudet ovat luonnostaan hyvin tasaisia ympäri vuoden. Koska kesän aiheuttama lämpötilamaksimi siirtyy noin kuukauden metriä kohden, Pernunnummen pohjaveden lämpötiloilla on noin vuoden viive maan pinnan lämpötilamuutoksiin nähden. Kun pohjavesimuodostumaan aiheutetaan paikallinen paineminimi tai maksimi pohjavesimuodostuman rakenne häiriintyy yli 200 metrin säteellä. Pohjavesikerros pyrkii korjaamaan paine-epätasapainon ja tämä veden korjausliike saa koko vesimassan niin vertikaali- kuin lateraalisuuntaiseen liikkeeseen. Häiriön siirtyminen paikasta toiseen on nopeaa, koska kyseessä on hydraulinen muutos, mikä ei ole suoraan riippuvainen maa-aineksen laskennallisesta vedenkulkunopeudesta. Paine-epätasapainolla aiheutetun häiriön suuruus ei riipu siitä voimakkuudesta, jolla paine-ero saadaan aikaan (pumppausteho), vaan häiriön kestosta ja kokonaisvolyymista. Pohjaveden häiriötilanteen palautuminen on hidasta. Tämän selvityksen mukaan pumppauksella aiheutettua lämpötila- ja sähkönjohtavuushäiriökoetta ei voi uusia kuukauteen pumppauksen loputtua. Kun mitataan pieniä muutoksia pohjaveden lämpötilassa ja sähkönjohtavuudessa jo antureiden liikuttamisen aiheuttaman häiriön tasoittuminen kestää useita vuorokausia. Vaikkakin häiriö etenee vesimassassa nopeasti, voidaan sen palautumisnopeutta käyttää pohjavesikerroksen in-situ vedenkulkunopeuden määrittämiseen. Syöttämällä ylipaineella sähkönjohtavuudeltaan ja lämpötilaltaan poikkeavaa vettä syötettyyn vesimäärään nähden pieneen tilaan (esim. 1/10), voidaan olettaa veden leviävän pistemäisestä lähteestä pallomaisesti ympäröivään tilavuuteen.

21 21 Häiriön säde on helposti laskettavissa ja sen aiheuttama paineepätasapaino on vapaassa pinnassa vähäinen. Tällöin häiriön palautuminen alkuperäiseen tilaan eli veden korvautuminen ympäröivällä vedellä on vedenkulkunopeuden funktio. Koska lämpötila varastoituu kiviainekseen ja koska on mahdollista, että myös osa ympäristöään ionipitoisemman veden ioneista varastoituu kiviainesten pinnalle, koe kannattaa suorittaa lämmitetyllä, sähköisesti resistiivisellä vedellä. Koe on suunniteltava ja suoritettava huolellisesti, sillä koetta ei voi toistaa saman viikon aikana.