Hannu Marttila VIRTAAMAN SÄÄTÖ JA KIINTOAINEEN KULKEUTUMINEN TURVETUOTANTOALUEEN UOMISSA

Transkriptio

1 Hannu Marttila VIRTAAMAN SÄÄTÖ JA KIINTOAINEEN KULKEUTUMINEN TURVETUOTANTOALUEEN UOMISSA Diplomityö, jonka aiheen Oulun yliopiston Prosessi- ja ympäristötekniikan osaston johtaja on hyväksynyt Työn valvoja ja tarkastaja Professori Bjørn Kløve Toinen tarkastaja FM Tarja Väyrynen

2 2 OULUN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Tiivistelmä opinnäytetyöstä Osasto Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Laboratorio Vesi- ja ympäristötekniikka Tekijä Työn valvoja Marttila Hannu Juhani Kløve Bjørn, Professori Työn nimi Virtaaman säätö ja kiintoaineen kulkeutuminen turvetuotantoalueen uomissa. Oppiaine Työn laji Aika Sivumäärä Vesitekniikka Diplomityö Tammikuu Tiivistelmä Turvetuotannon keskeisin ympäristöongelma on valumavesistä aiheutuvat vesistövaikutukset, mitkä muuttavat alapuoliseen vesistöön valuvan veden määrää ja laatua. Tuotantoalueelta tuleva kuormitus koostuu tuotantokentältä tulevasta kuormituksesta ja uomaeroosiosta. Nykyiset vesiensuojelumenetelmät toimivat hyvin pienten virtaamien aikana. Suurimmat virtaamahuiput aiheuttavat kuitenkin huomattavaa kuormitusta alapuoliseen vesistöön. Virtaamansäätöpadoilla voidaan pienentää virtaamahuippuja pidättämällä ylivalumat yläpuoliseen uomastoon. Virtaamahuippuja pienentämällä varmistetaan muiden vesiensuojelumenetelmien riittävä puhdistuskapasiteetti. Lisäksi kokoojaojaan sijoitettavat padot pienentävät kiintoainekuormitusta tehostamalla laskeutusta ja vähentämällä uomaeroosiota. Samalla vähennetään kiintoaineeseen sitoutuneiden ravinteiden kuormitusta. Tämän tutkimuksen ensisijaisena tarkoituksena oli tutkia virtaamansäätöpatojen toimivuutta turvetuotantoalueen virtaamien säätelyssä ja lisätä käytännön kokemusta patojen käytöstä. Luisansuon turvetuotantoalue jaettiin kahteen lohkoon noin 25 ha lohkoon, joista toinen toimi vertailualueena ja toiselle asennettiin kesän 24 alussa kolme virtaamansäätöpatoa. Kesäkauden 24 aikana tarkkailtiin patojen toimintaa sekä niiden vaikutusta valumavesien virtaamaan ja laatuun, pohjaveden korkeuteen ja kiintoaineen laskeutumiseen. Lisäksi tutkimuksessa kiinnitettiin huomiota turpeen uomaeroosioon johtaviin tekijöihin, turvesedimentin liikkeellelähtöön, laskeutumisnopeuteen, sedimentin ja valumavesien turvepartikkelijakaumiin sekä sedimentin kerrokselliseen koostumukseen. Runsassateinen kesäkausi 24 soveltui hyvin virtaamansäätötutkimukseen. Padot pienensivät patoalueen keskivirtaamaa. Virtaamahuippujen todettiin leikkautuvan % verrattaessa patoalueen tilanteeseen ennen patoja. Virtaamansäätöpatojen ei havaittu nostavan pohjavedenpintaa, jolloin padot eivät hankaloittaneet turpeen kuivamista. Kiintoainepitoisuudet vaihtelivat patoalueella välillä,77 46,53 mg/l ja vertailualueella välillä 1, ,86 mg/l. Laskelmissa todettiin patojen pienentäneen keskimäärin 61 % kiintoainekuormitusta. Kokonaistypen kuormitusta padot vähensivät 45 % ja kokonaisfosforin kuormitusta 47 %. Virtaamansäätöpadot vähensivät tuotantoalueelta tulevaa kuormitusta pienentämällä virtaamanopeutta ja tehostamalla laskeutusta padottamalla. Laboratoriokokeissa sedimentin pintakerroksen havaittiin erodoituvan noin,6 m/s virtausnopeudella. Turpeen kriittiseksi virtausnopeudeksi määritettiin,15 m/s. Partikkelianalysaattoreilla turvesedimentin mediaanipartikkelikooksi saatiin n. 42 µm, jolloin sedimentti on osaksi kohesiivinen. Vesinäytteistä tehdyt partikkelikokojakaumamääritykset osoittivat patojen pienentävän kiintoaineen mediaanipartikkelikokoa ja poistavan valumavesistä suurimmat partikkelit. Tuotantoalueen uomiin laitettuihin sedimenttikeräimiin laskeutui kiintoainetta keskimäärin 43,2 g/m 2 /d. Patojen etupuolelle sijoitettuihin keräimiin laskeutui 5-1 kertaa enemmän kiintoainetta kuin muualle uomastoon sijoitettuihin keräimiin. Patoja suunniteltaessa ja asennettaessa avainasemassa on patojen oikea korko tuotantopintaan nähden, joka saadaan suunnittelemalla pato asennuspaikan vaatimalla tavalla tai kaivamalla kokoojaojaa syvemmäksi. Virtaamansäätöpadon tulvaputki suositellaan ylimitoittamaan ja putkien päät suojaamaan, jotta putkien tukkeutuminen voitaisiin estää. Kustannuksiltaan virtaamansäätö on edullinen vertailtaessa sekä asentamista että käyttökustannuksia muihin vesiensuojeluratkaisuihin. Luisansuon patojen kappalehinta oli 13 ja käyttökustannukset noin 19 /ha/a. Virtaamansäätöpatotutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää turvetuotantoalueiden vesiensuojeluratkaisujen suunnittelussa. Tutkimus lisää tietämystä patojen rakenteesta ja niiden vaikutuksesta kiintoaine ja ravinnekuormitukseen sekä tuotantoalueelta tulevaan valumaan. Koska virtaaman säätö on kohtalaisen uusi ja vähän hyödynnetty vesiensuojelukeino, tutkimustulokset helpottavat tulevaisuudessa virtaamansäätöpatojen käyttöönottoa turvetuotantoalueilla. Eroosiotutkimuksen tuloksien avulla voidaan ymmärtää paremmin turvetuotantoalueella tapahtuvaa kiintoaineen eroosiota ja parantaa sen mallintamista. Säilytyspaikka Muita tietoja

3 UNIVERSITY OF OULU Faculty of technology Department Department of Process and Environmental Engineering 3 Abstract of thesis Laboratory Water Resources and Environmental Engineering Author Marttila Hannu Juhani Name of the thesis Supervisor Kløve Bjørn, professor Peak runoff control and sediment transport in the ditch of the peat harvesting sites. Subject Level of studies Date Number of pages Water Resources Engineering Diploma thesis January Abstract The main environmental problem from peat production is the pollution of downstream watercourse load by suspended solids (SS) and nutrients. Most of the current water protective methods work well in peat production sites when the runoffs are small. However, peak discharges cause a significant amount of SS load into the water system. With the peak runoff control it is possible to store the runoff water into the ditches. Cutting peak flows will also improve the purification capacity of the other wastewater treatments. Furthermore control dams that are located in the ditches reduce SS load caused by erosion of the peat material settled in the ditches. At the same time also the load of the nutrients is reduced. The purpose of the work was to investigate the peak runoff control as a water protection method in peat production sites. Luisansuo peat harvesting site was divided into two areas (25 ha). One research area operates as a comparison area and the other area had three peak runoff control dams during the summer 24. In Luisansuo area the quality and the amount of the runoff water was monitored continously and the hight of the groundwater and the sedimentation in ditches was measured at regular intervals. In addition to in situ peat erosion studies also reseach on sediment critical threshold velocities, the peat particles fall velosity, the particle distribution in the sediment and runoff water and the sediments layers. The rainy summer 24 was favourable for the peak runoff control studies. The dams decreased the average flow. Peak runoffs were cut by % when compared to the situation before the dams. The dams did not affect on the groudwater elevation. Concentration of the SS load varied in the dam area between,77-46,53 mg/l and in the comparison area between 1, ,86 mg/l. The results show 61 % reduction of SS, 45 % reduction of total nitrogen and 45 % reduction of total phosphorus load. In the laboratory experiments, the erosion on the surface of the peat sediment started when flow reached velosity,6 m/s. The critical velosity of the whole sediment layer was,15 m/s. The median sediment particle size was 42 µm, which indicator partly cohesive sediment. The particle analyses of runoff water show that dams remove the largest particles and diminish median particle size of SS load. The average sedimentation of the SS in the sediment collectors was 43,2 g/m 2 /d. In the sediment collectors which were loccated above the dams, the sedimentation was 5-1 times higher than elsewere in the collective ditches. The peak runoff control dams have to be constructed and built so that inclination of the dam is correct in comparison to the peat production site surface. This is possible by correct levelling or by digging the collective ditch deeper. It is recommended to oversize floodpipe and to cover the tips of the pipes with trellis tree or substantial mesh to prevent blocks in the pipes. The peak runoff control is an economic method when are building and operating expenses compared with other wastewater treatments. The cost of the one dam at Luisansuo was 13 and operating expenses were around 19 /ha/a. The results of this the peak runoff control study may be used in the planning of the wastewater treatment to peat production sites. This research increases the knowledge of control structure, their effects on the SS and nutrients load and the amount of runoff water. Because peak runoff control is quite new and still a rarely used water pollution control method, the results make it easier to use the dams at the new peat production sites. With the erosion research results, the erosion in the peat harvesting area ditches may be better undestood and its modelling may be improved. Library location Additional information

4 4 ALKUSANAT Luisansuon turvetuotantoalueen virtaamansäätötutkimus on tehty Oulun yliopiston vesija ympäristötekniikan laboratoriossa yhteistyössä Turveruukki Oy:n kanssa. Rahoittajina toimivat Turveruukki Oy ja vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio. Työn ohjaajana ja tarkastajana toimi Oulun yliopiston professori Bjørn Kløve sekä toisena tarkastajana toimi Turveruukki Oy:stä FM Tarja Väyrynen. Haluan kiittää heitä kaikesta opastuksesta ja tuesta, jota olen saanut työni toteutukseen. Lisäksi haluan esittää kiitokseni sekä vesi- ja ympäristötekniikan laboratorion henkilökunnalle että Turveruukin henkilökunnalle ja Luisansuon turveurakoitsijalle. Haluan lausua kiitokset perheelleni, jolta olen saanut tukea koko opiskelujeni ajan. Erityinen kiitos rakkaalleni Maarelle, joka piristää jokaista päivääni! Lisäksi haluan kiittää kaikkia, jotka ovat tukeneet ja edesauttaneet työni valmistumista Hannu Marttila

5 5 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT 1 JOHDANTO TURVETUOTANNON VESISTÖKUORMITUS JA HYDROLOGISET VAIKUTUKSET Turvetuotantoalueiden hydrologiaa Kiintoainekuormitus Ravinnekuormitus VIRTAAMANSÄÄTÖ Padotuksen suunnitteluperusteet Padotuslaskelmien teoriaa EROOSIO JA KIINTOAINEEN KULKEUTUMINEN Eroosio uomassa ja kiintoaineen kulkeutuminen Sedimentin rakenne Biologinen stabiloituminen ja bioturbaatio Kiintoainekulkeuman laskennallinen määritys Turpeen tiheys Eroosionopeus Laskeutumisnopeus Kiintoaineksen huuhtoutuminen TUTKIMUSMENETELMÄT Tutkimusalueen kuvaus Luisansuon sijainti ja tuotanto Luisansuon geologia ja hydrologia Vesiensuojelujärjestelmä Luisansuon tutkimus Sadanta ja virtaama Vedenlaatu...41

6 Tilastollinen analyysi Turpeen ominaisuuksia Turpeen kriittinen leikkausjännitys Laskeutumisnopeus Pohjasedimentin partikkelikokojakauma Sedimenttikeräimet ja lietesyvyys Pohjavedenpinnan korkeus TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU Sadanta Virtaama Veden laatu Kiintoaine kuormitus ja sähkönjohtavuus Valumaveteen liuenneiden aineiden pitoisuuksien ja huuhtoumien arviointi sähkönjohtavuuden avulla Tuotantoalueelta tuleva kuormitus Tilastollinen analyysi Virtaushuippujen tasaantuminen ja patojen toimivuus Pohjaveden korkeus Turpeen ominaisuuksia Turvepartikkelien kokojakauma Turvepartikkelien kokojakauma vesinäytteissä Sedimenttikeräimet ja lietesyvyys Turpeen laskeutumisnopeus Turpeen kriittinen leikkausjännitys Turvesedimentin kerrostuminen VIRTAAMANSÄÄTÖPATOJEN KUSTANNUSLASKELMA PARANNUSEHDOTUKSET PATORAKENTEISIIN JOHTOPÄÄTÖKSET JA YHTEENVETO...11 LÄHDELUETTELO...17 LIITTEET

7 7 1 JOHDANTO Turve on Suomen suurin eloperäinen luonnonvara. Se tunnetaan kotimaisena energianlähteenä, jonka osuus energian kokonaiskulutuksesta on noin 7 % (Rinttilä ym. 1998). Vuotuinen turvetuotanto on noin 2 25 milj. m 3. Energiantuotannossa turpeen käyttö kasvoi voimakkaasti 198-luvulla ollen vuonna 1997 viisinkertainen verrattuna vuoden 198 kokonaiskäyttöön. (Pirilä 1999) Turvetuotantoon soveltuvaa suoalaa on Suomessa noin 622 ha. Tämä riittäisi vuoden 1992 kulutustasolla noin 4 vuodeksi (Lappalainen 1996). Selinin (1999) arvion mukaan Suomen turvevarojen on laskettu riittävän 35 5 vuodeksi. Tuotantotekniikan kehittyessä pienturvetuotanto lisääntyy ja alle 2 hehtaarin laajuisia soita, joita oli aikaisemmin vaikea hyödyntää, voidaan ottaa tulevaisuudessa tuotantoon. Tavallisesti turvetuotannossa hyödynnetään turvemaita, joiden turpeen syvyys on 2 metriä ja pinta-ala on yli 2 ha. (Selin 1999) Turvetta tuotetaan sekä poltto- että kasvuturpeeksi. Soiden pintakerros, jossa turpeen maatumisaste on vähäinen, käytetään kasvuturpeeksi. Pintakerroksen poiston jälkeen tumma, pitkälle maatunut turve käytetään yleensä energiantuotantoon. (Rinttilä ym. 1998) Turvetuotannon lisääntyessä tuotannon aiheuttamat ympäristöongelmat ovat tulleet näkyvimmin esille. Keskeisin ongelma turvetuotannossa on sen aiheuttamat vesistövaikutukset. Turvetuotannon seurauksena muuttuvat sekä valumavesien määrä että laatu. Turvesoiden hyödyntäminen lisää vesistöjen kiintoaine-, humus- ja ravinnekuormitusta sekä nostaa mm. alumiinin ja raudan pitoisuuksia valumavesissä. Paikallisesti turvetuotantoalue voi olla merkittävä kuormittaja. Sen osuus voi olla jopa kymmeniä prosentteja kokonaiskuormituksesta. (Sallantaus 1983, Komiteanmietintö 1987, Röpelinen 2) Kiintoainetta huuhtoutuu turvetuotantoalueelta vesistöön etenkin valuntahuippujen aikana. Ravinteiden osalta tuotannon on havaittu lisäävän erityisesti epäorgaanisen typen huuhtoutumista. (Sallantaus 1983) Turvetuotantosoiden kuormitus aiheuttaa muutoksia vastaanottavan vesistön veden laatuun ja biologiaan. Ranta-asukkaille ja muille vesistön käyttäjille haitat näkyvät selvimmin kiintoaineen huuhtoutumisena valumavesiin sekä suoveden aiheuttamana

8 8 ruskeana sävynä (Röpelinen 2). Turvetuotantoalueilta tulevia valumavesiä vastaanottavissa vesistöissä on havaittu bakteeriplaktontiheyksien ja pinnoilla kasvavan levästön biomassan kasvua, eläinplanktonlajiston yksipuolistumista, muutoksia kasviplaktonlajistossa sekä pohjaeläimistössä. Kalastoon turvetuotannon aiheuttamat vesistömuutokset vaikuttavat ravinnon hankinnan ja lisääntymisen kautta joko suoraan tai välillisesti. Kiintoaineen sedimentoituminen pohjaan vähentää pohjaeläimistön määrää ja haittaa kalojen kutemista. Kiintoaine hankaloittaa kalastusta likaamalla pyydykset ja muuttamalla pyyntipaikkojen luonnetta. (Marja-Aho & Koskinen 1989, Laine & Heikkinen 1991) Turvetuotantoalueilla on käytössä useita vesiensuojelumenetelmiä, joilla pyritään vähentämään vesistöihin kohdistuvaa kuormitusta. Tavallisimpia menetelmiä tuotantoalueen valumavesien puhdistuksessa ovat laskeutusaltaat, pintavalutuskentät ja sarkaojapidättimet sekä päistepidättimet. (Ihme 1994, Röpelinen 2) Vesiensuojelumenetelminä on tutkittu myös kemiallista veden puhdistusta, kasvillisuusaltaiden käyttöä, maaperäimeytystä, turvesuodatusta sekä haihdutusta. Lisäksi vesistökuormitusta pyritään vähentämään pienillä ojakaltevuuksilla, hyvillä työtavoilla ja tuotantomenetelmien kehittämisellä. (Selin ym. 1994, Turveruukki 1994, Röpelinen 2) Ympäristölainsäädännön kiristyessä vesiensuojelutekniikoita on parannettava entisestään. Valtioneuvoston periaatepäätöksen mukaan turvetuotannon päästöjä vesiin tulee rajoittaa vähentämällä kuivatus- ja valumavesien määrää ja parantamalla kiintoaineen tehokasta talteenottoa kaikilla turvetuotannossa olevilla ja siihen valmistuvilla alueilla. Tavoitteena on vähentää turvetuotannosta pintavesiin joutuvaa typpi- ja fosforikuormitusta 3 % vuoden 1993 arvoidusta tasosta vuoteen 25 mennessä. (Ympäristöministeriö 23) Useimmat nykyisistä vesiensuojelumenetelmistä toimivat hyvin pienten valuntojen aikana. Turvetuotannon vesistökuormituksen keskeisin ongelma on kiintoainekuormitus suurien valumahuippujen aikana. Yhden valuntahuipun aikana kiintoaineksen kuljetus voi olla niin suurta, että se vastaa huomattavaa osaa koko vuoden kuormituksesta. Sallantaus (1983) on esittänyt virtaamahuippujen pienentämistä sarkaojiin tai kokoojaojiin sijoitettavien patojen avulla, jolloin pidätetään ylivalumat yläpuoliseen

9 9 ojastoon. Kløve (1994, 1997) on tutkinut virtaamansäätöpatojen toimivuutta turvetuotantoalueella, saaden hyviä tuloksia. Myös Halkola (1996) on diplomityössään tutkinut huippuvirtaamien pienentämistä turvetuotantoalueella pidätyspatojen avulla. Tutkimustuloksia ja tietoa patojen toimivuudesta ei ole ollut kuitenkaan tarpeeksi, minkä vuoksi tämä tutkimus käynnistettiin. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia Luisansuon turvetuotantoalueelle sijoitettujen virtaamansäätöpatojen toimintaa sekä niiden vaikutusta valumavesien virtaamaan ja laatuun. Päämääränä oli saada tarkempaa tutkimustietoa patojen vaikutuksesta tarkkailemalla valumavesien virtaamaa ja laatua, pohjaveden korkeutta ja kiintoaineen laskeutumista. Tutkimuksessa kiinnitettiin huomiota turpeen uomaeroosioon johtaviin tekijöihin, turvesedimentin liikkeellelähtöön, laskeutumisnopeuteen, sedimentin ja valumavesien turvepartikkelijakaumaan sekä sedimentinkerrokselliseen koostumukseen. Tässä työssä esitetään tulokset kesäkauden 24 mittauksista. Analysointiin on käytetty myös Heikkisen (23) kesäkaudella 23 mittaamia tietoja ja saatuja tuloksia on verrattu kesäkauteen TURVETUOTANNON VESISTÖKUORMITUS JA HYDROLOGISET VAIKUTUKSET 2.1 Turvetuotantoalueiden hydrologiaa Suon pinnan kuivatus ja pohjaveden alentaminen ojituksella ovat turvetuotannon perusedellytyksiä. Niiden tarkoituksena on johtaa sade- ja sulamisvedet pois tuotantoalueelta mahdollisimman tehokkaasti, jotta tuotantokenttien kantavuus pysyisi riittävänä ja turpeen kuivuminen olisi nopeaa. Suurin osa turvetuotantoon otetuista soista on jo aikaisemmin ojitettu, mutta tuotantoa varten niissä on tehtävä samat toimenpiteet kuin ojittamattomissa soissa. Kunnostusvaihe (esikuivatus ja peruskuivatus) turvetuotannossa kestää 3-6 vuotta ja varsinainen tuotantovaihe yleensä 15 2 vuotta (Selin 1999). Turvetuotantoa edeltävässä kunnostusvaiheessa kokonaisvalunta ja alivalumat lisääntyvät suon vesivaraston tyhjentyessä ja haihdunnan vähentyessä. Turvetuotannon edistyessä suo kuluu ja tiivistyy, minkä seurauksena pintavaluma lisääntyy ja suuret

10 1 ylivalumat ovat mahdollisia. (Sallantaus 1983) Vaikka turpeessa oleva varastotilavuus kasvaa kuivatuksen myötä, on varastotilavuus riittävä tasaamaan ainoastaan pieniä valumahuippuja. Tämän vuoksi turvetuotantoalueilla ojitus lisää kevään ja kesäajan suuria ylivalumia, mutta tasaa pieniä ylivalumia. Hetkellinen ylivaluma voi olla jopa 1 l/s/km 2. (Seuna 1986a) Valuma-alueen koon kasvaessa hetkellinen valumahuippu pienenee. Talvella lähes kaikesta vetenä tulleesta sadannasta tai sulaneesta lumesta muodostuu nopeasti valuntaa. Tämä johtuu haihdunnan vähäisyydestä, maaperän roudasta ja syyssateiden täyttämistä vesivarastoista. Pienimmillään valunta on lopputalvesta ennen sulannan alkamista. (Sallantaus 1983) Turvetuotantoalueilla kevätvalunta seuraa lumen sulannan alkamista, sillä vesi ei varastoidu tiiviiseen ja routaiseen kenttään. Valumahuipun suuruuteen ja ajankohtaan vaikuttaa merkittävästi kevään säätila. Tuotantoalueilla kevätvalunta ajoittuu yleensä luonnontilaista aikaisemmaksi. Lumi sulaa tuotantoalueella nopeammin, koska kentän pinta on tumma eivätkä puut varjosta lumen sulamista. (Rönkkömäki 1994, Ihme 1994) Veden kulkeutumisreitit muuttuvat ojituksen jälkeen. Luonnontilaisella suolla sadevesi kulkee suon pintaosassa, jossa hydraulinen johtavuus on suuri. Kun haihdunta on pienempi kuin sadanta ja suo on kostea, valuu sadevesi nopeasti pois aiheuttaen suuria valuntahuippuja. Tällaiset olosuhteet ovat luonnontilaisella suolla etenkin keväisin ja syksyisin. Ojitus ja pohjavedenpinnan aleneminen lisäävät sateen imeytymistä turpeeseen, jolloin pintavalunta ja valuntahuiput vähenevät. Pintavalunta saattaa kuitenkin lisääntyä kentän mataloitumisen myötä. Vanhoilla mataloituneilla kentillä turve on yleensä tiiviimpää ja maatuneempaa, jolloin turpeen hydraulinen johtavuus ja tehokas huokostilavuus pienenevät. Ohut turvekerros ja pieni huokoisuus vähentävät veden varastointikykyä ja lisäävät siten pintavaluntaa. (Kløve 2) 2.2 Kiintoainekuormitus Turvetuotantoalueelta huuhtoutuu kiintoainetta alapuoliseen vesistöön runsaammin kuin luonnontilaisilta soilta. Kiintoaineen huuhtoutumista pidetäänkin turvetuotannon keskeisimpänä ympäristöhaittana. Kiintoainekuormitus johtuu pääasiassa uoman

11 11 pohjalle laskeutuneen turpeen eroosiosta, joka alkaa virtaaman kasvaessa riittävän suureksi (Kløve 1998). Yksittäiset suuret valunnat voivat aiheuttaa erittäin suuren kuormituksen. Lisäksi kiintoainekuormitusta aiheuttavat kuivatusten edellyttämät kaivutyöt, ojien puhdistaminen ja syventäminen, pintavalunta ja tuotantoalueen työkoneet (Selin ym. 1985). Turvetuotantosoiden valumavesien kiintoainepitoisuudet vaihtelevat välillä,5-71 mgl -1. Hetkellisesti kiintoainepitoisuudet voivat kuitenkin nousta satoihin milligrammoihin litraa kohti. Luonnontilaisen suon valumavedet sisältävät kiintoainetta niukasti, vain 1 1 mgl -1. (Leiviskä 1993) Vesistöihin tuleva kiintoaine koostuu sekä orgaanisesta että epäorgaanisesta aineksesta. Raskas epäorgaaninen kiintoaine laskeutuu nopeasti veden virtauksen pienentyessä. Orgaaninen kiintoaine laskeutuu hitaammin ja muodostaa löyhän tilaa vievän kerroksen. Turvetuotannon valumavesistä suurin osa kiintoaineesta on orgaanista kiintoainetta. (Sallantaus 1983, Laurikainen 22) Orgaaninen kiintoaines on lisäksi biologisesti aktiivista ja kuluttaa hajotessaan vesistön happivaroja. 2.3 Ravinnekuormitus Luonnontilaisilta soilta huuhtoutuneen fosforin määrä on hyvin vähäistä,2,9 mgl -1. Turvetuotantoalueella tulevat pitoisuudet ovat hieman suurempia ja vaihtelevat välillä,2,3 mgl -1 (Leiviskä 1993). Kesä- ja syysylivalumien aikana kokonaisfosforipitoisuudet saattavat olla ajoittain suuria, jos kiintoaineen huuhtoutuminen on runsasta. Suurimmat liuenneen fosforin pitoisuudet on yleensä tavattu kesä- ja talvialivalumakausina ja alhaisimmat kevättulvien aikana. (Sallantaus 1983) Turvetuotantoalueiden valumavesien sisältämä fosfori on joko sitoutuneena kiintoainekseen tai liukoisena fosfaattina. Fosforipitoisuus on suurimmillaan veden ollessa peräisin turpeen kyllästyneestä kerroksesta. Tämä johtuu mahdollisesti kyllästyneen kerroksen suuresta humuspitoisuudesta ja liukoisen fosforin pidättymisestä humuksessa olevaan rautaan (Kløve 2). Pohjansuolla tehdyissä tutkimuksissa havaittiin pohjaveden sisältävän enemmän fosforia kuin suolta lähtevä vesi. Tämä viittaa fosforin pidättymiseen ojissa (Kløve 1997). Fosfori sitoutuu ojissa uoman

12 12 sedimentissä oleviin partikkeleihin ja pidättyy leviin. Sedimentin huuhtoutuessa kulkeutuu samalla fosforia kiintoaineeseen sitoutuneena. Fosforia sitoutuukin pienten valuminen aikana ja huuhtoutuu veden virtaaman kasvaessa. Veden happipitoisuuden laskiessa kiintoaineeseen sitoutunut fosfori voi liueta takaisin veteen. Epäorgaanisen typen huuhtoumat luonnontilaisilta soilta ovat yleensä pieniä (Sallantaus 1986). Turvetuotantoalueiden valumavesien epäorgaanisen typen kuormitukset ovat täten aiheutuneet turvetuotannosta (Laurikainen 22). Kasvanut epäorgaanisen typen kuormitus on pääasiassa ammoniumtyppeä ja johtuu ojituksesta (Komiteamietintö 1988). Suovalumavesien orgaanisen aineen typpipitoisuus noudattaa turpeen typpipitoisuutta siten, että karuilla soilla typpeä on vähän ja rehevillä paljon (Laurikainen 22). Kokonaistypen huuhtoumat turv ta ovat verrattain suuria, koska turve ja humus sisältävät runsaasti typpeä. Typpihuuhtoumat lisääntyvät, koska tuotantoalueiden kuivatuksen seurauksena turpeen hajoaminen voimistuu ja typpeä sitova kasvillisuus puuttuu. Typpeä poistuu mikrobiologisten prosessien kautta (bakteerien aineenvaihdunta). Typen poistossa ammoniumin on muututtava ensin nitraattitypeksi. Tämä tapahtuu hapellisissa olosuhteissa ns. nitrifikaatiossa. Nitraatin muodostuksen jälkeen typen poisto vaatii denitrifikaatiota, jossa nitraatti muuttuu molekylaariseksi typeksi (N 2 O) ja N 2 :ksi. Jos olosuhteet ovat denitrifikaatiolle otolliset, ei N 2 O typpeä havaita juurikaan vaan lähes kaikki typpi vapautuu ilmaan N 2 -typpenä. Tapahtumaketjua kuvataan seuraavasti: NH + 4 NO3 NO2 NO N 2O N 2 Tavallisesti nitrifikaatiota rajoittaa hapen (happea kuluu) ja denitrifikaatiota orgaanisen aineen saatavuus. Lämpötila kontrolloi molempia prosessinopeuksia. ph:n laskiessa alle kuuden nitrifikaatio maaperässä on kohtalaisen hidasta. Se lakkaa melkein kokonaan, jos ph laskee alle viiden. Nitrifikaatio onkin mahdollista vain heikosti happamien soiden pintaturpeessa. (Sallantaus 1983) Sedimentoituneet turvehiukkaset ja humusaineet hajoavat hitaasti ja toimivat näin osaltaan typpiravinnevarastona. Ne saattavat myös edistää typen poistumista toimimalla

13 13 bakteerien ja levien kasvualustana (Heikkinen & Visuri 199, Kløve 2). Lietteellä on suuri kontaktipinta-ala, jossa bakteeritoiminta muuttaa osan liuenneesta typestä typpikaasuksi ilmaan. Se sitoo luultavasti myös merkittävän osan fosfaattifosforista. Turvetuotantoalueiden uomastoissa seisova vesi saattaa vaikuttaa typen poistumiseen. Uomissa tapahtuu prosesseja, jotka muuttavat nitraattityppeä orgaaniseen muotoon. Vesitilavuuden kasvaessa uomissa suurempi osa typestä muuttuu vähemmän haitalliseen muotoon. Epäorgaanista ammoniumtyppeä pidetään haitallisempana kuin orgaanista typpeä mm. happea kuluttavan ominaisuuden vuoksi (Kløve 2). Lisäksi orgaanisesta typestä vain pieni osa on välittömästi perustuotannolle käyttökelpoista (Salonen ym. 1992). Kløven (1997) tutkimuksissa havaittiin, että turvetuotantoalueelta tuleva typpikuormitus voitiin selittää hydrologisilla tekijöillä, sekä osittain uomastossa tapahtuneilla puhdistusprosesseilla. Kun virtaama oli pieni ja valumavesi oli peräisin kyllästyneestä kerroksesta, mitattiin pienempiä kokonaistyppipitoisuuksia kuin sateiden aikaan. Suurimmillaan kokonaistyppipitoisuus oli suurten sateiden jälkeen, kun sade imeytyi kenttään ja huuhtoi nitraattia vedellä kyllästämättömästä kerroksesta. Suurten virtaamien aikana kokonaistypestä ainoastaan 25 % oli orgaanista typpeä, kun pienempien virtaamien aikana epäorgaanisen ja orgaanisen typen suhde oli 5:5 %. 3 VIRTAAMANSÄÄTÖ Nykyiset vesiensuojeluratkaisut turvetuotantoalueella toimivat hyvin, kun virtaamat ovat pieniä ja tasaisia. Ongelmia alkaa kuitenkin syntyä suurten virtaushuippujen aikana. Virtaamansäädön periaatteena onkin tasata suurimpia virtaamahuippuja ja pienentää veden virtausnopeutta ojissa (Kløve 2). Virtausnopeuden tulisi olla pienempi kuin sedimentin kriittinen liikkeellelähtönopeus, jolloin kiintoainetta ei suspentoidu uomaston pohjalta. Virtaaman säädössä viivytetään virtaamahuippujen aikana tulevia valumavesiä padottamalla. Siten mahdollistetaan kiintoaineen ja siihen sitoutuneiden yhdisteiden laskeutuminen uomastoon ja muiden vesiensuojelurakenteiden (laskeutusallas, pintavalutuskenttä) riittävä puhdistuskapasiteetti. Virtaaman säätö pienentää myös kentän pinnalta huuhtoutuvaa kiintoainekuormaa, koska viipymän moninkertaistuttua ojissa myös kelluva turve ehtii

14 14 vettymään ja laskeutumaan ojan pohjalle. Kløven (2) mukaan virtaamansäädön puhdistustehokkuus on kiintoaineen osalta 9 %, fosforin osalta 2 5 % ja typen osalta 13 5 %. Todellinen typen poistuma on todennäköisesti vielä suurempi, sillä epäorgaanista typpeä poistuu myös denitrifikaatiossa ja sitoutumalla biologisesti kasveihin ja leviin. Poistuma edellyttää veden viipymistä riittävän pitkään uomastossa. Veden pinnan nosto pienentää hapellista turvekerrosta, joka todennäköisesti vähentää typen mineraalisaatiota ja lisää denitrifikaatiota. (Kløve 2) 3.1 Padotuksen suunnitteluperusteet Virtaamansäätöpatojen sijoituksessa lähdetään ajatuksesta hyödyntää uomaston koko pinta-ala padottamiseen ja laskeuttamiseen. Näin saadaan paras mahdollinen puhdistustulos. Padotus ei saa kuitenkaan olla niin voimakasta, että vesi tulvisi tuotantokentälle. Käytännössä tämä voidaan toteuttaa sijoittamalla turvetuotantoalueelle valuntaa padottava rakenne, jonka padotuskyky riippuu vedenpinnan korkeudesta. Tällöin voidaan tasata sekä pieniä että suuria valumia. Padot sijoitetaan joko sarka- tai kokoojaojiin tai laskeutusaltaiden yhteyteen. Padon mitoitukseen vaikuttaa mm. yläpuolisen valuma-alueen koko ja vesien varastotilavuus. (Kløve 1994, 1997, 2) Kuva 1. Luisansuolla käytettyjen virtaamansäätöpatojen rakennekuva (Turveruukki 23). Virtaamansäätöpadoissa on kolme putkea päällekkäin (kuva 1 ja 14). Niiden halkaisija riippuu valuma-alueen koosta ja ojaston varastotilavuudesta. Putket kallistetaan tulovirtaamaa vastaan, jolloin estetään kelluvan turpeen kulkeutuminen putkeen. Uusilla tuotantoalueilla pintaturve on hyvin vettä läpäisevää ja ojat syviä. Tällöin suuri osa

15 15 sateesta pidättyy väliaikaisesti turpeeseen ja valuntahuiput ovat pieniä. Suurimmat valumat näillä alueilla ovat lumen sulamisen aikaan. Uusille alueille tulvaputki mitoitetaan valunnalle 3 l/s/km 2. Vanhoilla alueilla turpeen veden varastointikyky on pienempi ja siksi suuret valunnat ovat kesälläkin mahdollisia. Mitoitusvaluntana käytetään kuitenkin samaa kuin uusilla alueilla. (Kløve 1994, 1997, 2) Virtaamansäätöpatojen mitoitusta varten täytyy mitata ojasyvyys. Syvyydellä tarkoitetaan etäisyyttä ojan yläreunasta vesipintaan. Se on vaihteluväli, jonka vesipinnan sallitaan vaihtelevan. Syvyys saa olla korkeintaan sama kuin pienin ojasyvyys, jolloin estetään veden nousu tuotantokentälle. Patojen sijainti suunnitellaan tuotantoalueelle siten, että vesi nousee valitun ojakorkeuden verran padon taakse koko valuma-alueella. Patoja on rakennettava useita, jos tuotantoalue on kalteva. (Kløve 1994, 1997, 2) Valitaan tehoisa sadanta tai maksimivalunta Mitataan uomasyvyys ja uomaston varastotilavuus Valitaan padon rakenne (1-3 putkea) ja lukumäärä Tarkkaillaan, ettei uomavirtaus aiheuta eroosiota Testataan rakenteiden toimivuus havaituilla virtaamilla Kuva 2. Periaate virtaamansäätöpadon rakenteen mitoittamiseen. (Kløve 1997, 2) Virtaamansäätöpadon putket valitaan ja sijoitetaan siten, että viipymä on riittävä mutta vesi ei nouse tuotantokentälle. Patorakennelman kaksi alinta putkea toimivat tavanomaisissa valuntatilanteissa. Ylin putki toimii tulvaputkena, joka mitoitetaan siten, että maksimivuorokausivalunta läpäisee putken. Maksimivalunta voi esiintyä keväällä lumen sulamisen yhteydessä, kesällä rankkasateiden aikana tai ulkopuolisten vesien tulviessa kentälle. Kuvassa 2 on esitetty, miten virtaamansäätöpadon rakenne valitaan. Mitoitus aloitetaan arvioimalla alueella esiintyvä maksimivalunta, minkä jälkeen

16 16 mitataan uomasyvyys ja uomaston varastotilavuus. Laskelmien perusteella päätetään patojen rakenne ja niiden lukumäärä. Seuraavaksi voidaan laskea patojen aiheuttama veden viipyminen. Lisäksi tulee tarkastella, ettei uoman virtausnopeus aiheuta eroosiota uomassa. Lopuksi patojen toimivuus testataan aikaisemmin asennusalueella havaituilla virtaamilla. Virtaamansäätöpatoja käytettäessä on tärkeää estää ulkopuolisten vesien tulviminen kentälle. Mikäli on vaarana niiden aiheuttama tulviminen, on ulkopuolisten vesien osuus huomioitava mitoituslaskelmissa. (Kløve 1994, 1997, 2) Ylimmän putken menopää asennetaan noin 2 cm kentän pinnan alapuolelle ja alimman putken tulopää asennetaan alimman sallitun vedenpinnan alapuolelle. Vanhoilla alueilla, joilla ojasyvyydet ovat pieniä ja kuivatuksen on oltava tehokas, asennetaan alin putki ojan pohjalle. Keskimmäinen putki asennetaan useimmissa tapauksissa ylimmän ja alimman putken puoleen väliin. Virtaamansäätöpadon yläpuolisen altaan tulee olla riittävän tilava, jotta alin putki ei joutuisi lietteeseen ja pato pysyisi auki. Virtaamansäätöpato sopii parhaiten laskeutusaltaan yhteyteen. Kokoojaojaan sijoitettaessa padon etupuolelle on tarvittaessa tehtävä syvennys laskeutuvalle kiintoaineelle. (Kløve 2) Turvetuotantoalueiden olosuhteet asettavat patorakenteelle erityisvaatimuksia. Suunnittelussa täytyy ottaa huomioon, että tuotantoalueet ovat suurimman osan vuodesta miehittämättömiä. Padon tulee olla toimiva ja itsesäätöinen rakenne, joka vaimentaa ja tarpeen vaatiessa lisää virtaamaa suurten valumien aikana (Halkola 1996). Varastoitaessa valumavesiä turvetuotantoalueelle tulee ottaa huomioon veden vaikutus turvetuotantoon. Turpeen tehokkaan tuotannon kannalta on tärkeää saada tuotantokenttä mahdollisimman nopeasti kuivaksi ja kantavaksi. Rankkasateiden jälkeen kentän kuivuminen kestää 2-3 vuorokautta, kunnes saavutetaan riittävä kantavuus tuotantokalustolle. Tämän saavuttamiseksi turpeen pintakerroksen vesipitoisuuden tulee alentua puoleen siitä määrästä, jonka turve voi pidättää. (Putula 1993)

17 Padotuslaskelmien teoriaa Padotusputkien kautta purkautuvalle virtaamalle saadaan johdettua purkautumiskaava Bernoullin yhtälön ja jatkuvuusyhtälön avulla. Kun painekorkeutta ei ole ja virtaukseen vaikuttavat paikallishäviöt johtuvat äkillisestä supistumasta veden virratessa putkeen sekä äkillisestä laajentumasta veden virratessa padotusputkesta ulos, seuraa laajennetusta Bernoullin yhtälöstä, että padon ylä- ja alapuolisten vedenkorkeuksien eroksi saadaan. 2 2 v L v h1 h2 = ( ξ s + ξ u ) + f (1) 2g d 2g missä h on asemakorkeus ξ on paikallisvastuskerroin v on virtausnopeus g on putoamiskiihtyvyys f on virtausvastuskerroin L on putken pituus d on putken halkaisija Nopeudelle saadaan yhtälö: v = 2g( h1 h2 ) L ξ s + ξu + f d (2) Kitkakertoimet voidaan yhdistää yhdeksi kokonaishäviökertoimeksi, K: 2g( h h2 ) v = (3) K 1

18 18 Virtaama saadaan kertomalla nopeus putken poikkipinta-alalla, A: 2g( h h2 ) Q = A (4) K 1 Heikkinen (23) määritti Luisansuolla käytetyille virtaamansäätöpadoille kokonaishäviökertoimeksi 2,5. Putkesta purkautuva veden määrä saadaan purkautumiskaavan avulla laskettua eri vedenkorkeuksilla. Mitä suurempi veden paine-ero, eli mitä korkeammalla vesi padon yläpuolella on, sitä suuremman virtaaman putki läpäisee. Purkautumiskäyrä voidaan piirtää eri vedenkorkeuden arvoilla lasketuista virtaaman arvoista. 4 EROOSIO JA KIINTOAINEEN KULKEUTUMINEN Eroosio on luonnossa vaikuttavien prosessien aiheuttamaa maa- ja kallioperän kulumista. Se määritellään aineksen irtautumiseksi maa- ja kallioperästä veden, tuulen, jään tai painovoiman kuljetettavaksi (Seuna ym. 1986a). Erodoituvuuteen vaikuttavat ilmasto, aluetekijät ja ihmistoiminta. Aluetekijöillä tarkoitetaan valuma-alueen topografiaa, maaperää, kallioperää, kasvillisuutta ja maankäyttöä, alueen muotoa ja kokoa sekä uomastoa (Hyvärinen 1986). Nämä tekijät ohjaavat alueella vaikuttavia prosesseja ja ominaisuuksia, jotka kytkeytyvät toisiinsa muodostaen monimutkaisen syy-yhteysverkon. Tämän takia eri tekijöiden merkitystä erodoivana tekijänä on vaikea erottaa toisistaan. (Peltonen 1996) Vesieroosio jaetaan tavallisesti pintaeroosioon ja uomaeroosioon (Järvelä 1995). Suomen olosuhteissa merkittävin erodoiva tekijä on pintavalunta. Vesisade erodoi maaperää tehokkaimmin, kun sade on jatkunut niin pitkään, että pintavalunta alkaa. Sateen aiheuttamaan eroosioon vaikuttavat sademäärän, sateen intensiteetin ja haihdunnan lisäksi sadealueen liikesuunta ja nopeus (Peltonen 1996). Pisaraeroosio kohdistuu ainoastaan maan pintaan, eikä se kuljeta partikkeleita kauas. Se irroittaa helposti erodoituvan materiaalin pintavalunnan kuljetettavaksi (Järvelä 1995). Pisaran iskelmä tiivistää maata ja sen kuljettamat partikkelit tukkivat maaperän huokosia.

19 19 Syntyvä kuori vähentää infiltraatiokapasiteettia ja lisää siten pintavaluntaa (Morgan 1996). Tuuli lisää sadepisaroiden erodoivaa vaikutusta. Sen merkitys korostuu, kun maaperä on kuiva ja kasvillisuus harvaa. (Jansson 1982) Rankkasateen aiheuttama äkkiä kasvanut virtaama vähenee yleensä nopeasti ja eroosiohuippu jää siten lyhytaikaiseksi. Pienillä valuma-alueilla aineksen kuljetus voi kuitenkin olla niin suurta, että se vastaa huomattavaa osaa koko vuoden kuljetusmäärästä. Tikkasen (199) mukaan yhden sadekuuron aikana heinäkuussa kulkeutunut ainemäärä vastasi yhden kuukauden ainekulkeumaa normaalina kuukautena. Vaihtelu vuotuisissa sademäärissä aiheuttaa vaihteluja myös vuosittaisissa kiintoainekulkeumissa. Yhdysvalloissa havaittiin yhden päivän kiintoainekuorman osuudeksi 4 % koko vuoden kiintoainekuormasta. Lisäksi kyseinen kuorma oli suurempi kuin kolmen aikaisemman vuoden yhteenlaskettu kiintoainekuorma (Vanoni 1975). Virtaaman kasvaessa veden kiintoainepitoisuus saavuttaa huippunsa ennen virtaamahuippua. Uoman pohjalle keräytynyt aines lähtee liikkeelle virtaaman noustessa ensimmäisen virtaamahuipun aikana. Seuraavien virtaamahuippujen aikana kiintoainepitoisuudet pysyvät alhaisempina, sillä kuljetettavaa ainesta ei enää ole saatavilla, vaikka virtaama kasvaisikin. (Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus 24) Lumi poikkeaa luonteeltaan vesisateesta. Se voi muodostaa paksuja kerroksia ennen sulamistaan ja pieni osa lumesta haihtuu suoraan sublimaationa (kts. Peltonen 1996). Lumipeite säätelee myös eroosioaineksen partikkelikokoa. Sulamisen alkuvaiheen sulavesien suodattuessa lumen läpi karkeampi materiaali pidättyy lumipeitteeseen ja lähtee liikkeelle vasta lumien sulaessa lopullisesti (Salo 1993). Kevään lämpimimpinä päivinä lumipeitteen vedentuotto voi Suomessa olla noin 2 mm/vrk. Rankka vesisade yhdessä sulannan kanssa voi johtaa yli 3 mm:n vuorokautiseen vedentuottoon. (Kuusisto 1986) Alueilla, joilla lumen sulaminen on hidasta ja sademäärät pieniä, eroosio on vähäistä (Brandt 199). Suomen ilmastossa lämpötilan ja sen vaihteluiden merkitys erodoituvuuteen ei ole kovin suuri. Maaperän pintaosa on roudassa suuren osan vuodesta ja hyvin suojattuna eroosiota vastaan. Suora lämpötilan vaikutus näkyy maankamaran rapautumisena. Välillisesti lämpötilan vaikutukset eroosioon ovat suurempia. Se vaikuttaa sateen

20 2 olomuotoon, haihduntaan ja osaltaan kasvillisuuden esiintymiseen ja kasvukauden pituuteen. (Peltonen 1996) Routa voi vähentää infiltraatiokykyä ja voi estää veden imeytymisen pohjavedeksi. Selvimmin tämä on havaittavissa keväällä lumien sulaessa, jolloin sulavedet joskus virtaavat maaperän pintaosassa. Tällöin sulavedet pystyvät erodoimaan maaperän sulana olevaa yläosaa. Jos maan pintakerros on sulanut, saattaa sade aiheuttaa kevätvalunnan aikana voimakasta eroosiota (Jansson 1992). Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa havaittiin, että lumensulannan aiheuttama osuus eroosiosta oli 1/3 1/2 kesäaikaisesta eroosiosta (Vanoni 1975). Roudalla on vaikutus maaperän aggregaattien muodostumiseen. Huokostilaan muodostuva jää yhdistää partikkeleja ja lisää aggregaattien koheesiota. Samalla kuitenkin aggregaattien väliset yhdyssiteet heikkenevät. Usein toistuva maaperän jäätyminen ja sulaminen pilkkoo aggregaattien välisiä sidoksia ja löyhyttää maaperän rakennetta (Peltonen 1996). Vanonin (1975) mukaan jatkuva jäätymis-sulamissykli edesauttaa suurien kiintoainekuormien syntymistä kevätvalunnan aikana. Kasvillisuus vaikuttaa kahta kautta. Sen maanpäällinen osa vaimentaa tehokkaasti sadepisaroiden iskujen energiaa ja uomassa virtauksen aiheuttaman leikkausvoiman vaikutusta maa-ainekseen. Kasvillisuus pienentää myös virtausnopeutta. Juuristo sitoo hienot maapartikkelit matoksi, joka vastustaa tehokkaasti eroosiovoimia. (Seuna ym. 1986b) Erodoituvuus eli eroosioherkkyys tarkoittaa maan kykyä vastustaa eroosiota aiheuttavia voimia. Maalajien erodoituvuus vaihtelee paljon. Siihen vaikuttavia tekijöitä ovat partikkelikoko, niiden väliset elektrokemialliset sidokset, infiltraatiokapasiteetti ja maannosprofiiili. (Peltonen 1996) Maalajeista herkimpiä huuhtoutumiselle ovat silttiset lajikkeet, joissa on keskimäärin 9-35 % savea (Evans 199). Alueista eroosioherkimpiä ovat maaperät, joissa irtonaisen pintakerroksen alapuolella on tiivis vettä läpäisemätön kerros kuten siltti tai savi (kts. Kløve 1994). Hyvin savinen maaperä (savea yli 35 %) on tiivis. Se muodostuu toisissaan tiukasti kiinni olevista kolloideista, jotka eivät erodoitu herkästi. Suurin osa savesta erodoituukin isoina aggregaatteina. (Walling 199)

21 21 Kalsium, alumiini ja rauta voivat toimia maapartikkelien välisinä sideaineina. Ne ovat kuitenkin liukoisia, joten niiden sitova vaikutus vähenee maan vettyessä (Peltonen 1996). Myös orgaaniset yhdisteet ovat tärkeitä sideaineita. Trimblen (199) mukaan ne ovat välttämättömiä aggregaattien muodostumiselle ja niiden koossa pysymiselle. Orgaanisten yhdisteiden osuuden jäädessä alle 3,5 % ovat aggregaatit epästabiileja ja maaperä helposti erodoituvaa (Evans 199). Maaperän biologinen aktiivisuus vaikuttaa sekä kemiallisiin että fysikaalisiin ominaisuuksiin mm. aggregaattien kestävyyteen. Biofysikaaliset muutokset vaativat tapahtuakseen pitkiä aikajaksoja (Trimble 199). Turvetuotantoalueilla kiintoainetta erodoituu tuotantopinnasta pintavalunnan ja sadannan yhteisvaikutuksesta. Sadepisaroiden iskuista irronnut turve on alttiina pintavalunnalle, jos alla oleva turvekerros on vettä huonosti läpäisevää. Tämä pitää usein paikkansa tuotannon edetessä turvealueella vanhempiin ja tiiviimpiin turvekerroksiin. Kløven (1994) mukaan eroosio on suurimmillaan turvetuotantoalueilla kesän rankkasateiden aikaan. Tällöin turve on kuivaa, kevyttä ja osittain vettä hylkivää, jolloin erityisesti pintakerroksen irtonainen turve on alttiina valunnalle. Sallantaus (1983) totesi kiintoaineen kuormitushuippujen olevan turvetuotantoalueella ennen valuntahuippua kesä- ja syyssateiden sekä lumensulannan aikana. Turvetuotantoalueella tehdyissä sadetuskokeissa huomattiin kiintoaineksen konsentraation olevan suurimmillaan heti pintavalunnan alkaessa. Pintavalunnan ja eroosion aikaan saamiseksi vaadittiin kuitenkin suhteellisen suuri sade ja intensiteetti (vähintään,5 mm/min). (Kløve 1998) Kuva 3. Eroosioarpia Luisansuolla rankkasateen (32 mm) jälkeen.

22 22 Sateen muuttuessa pintavalunnaksi syntyy kentälle noroja eli ns. eroosioarpia (kuva 3), mikä voi aiheuttaa erittäin suuria kiintoainekuormia (kts. Kløve 1994). Pienemmät norot yhtyvät ja muodostavat suurempia noroja. Ne vievät mukanaan suuria määriä kiintoainetta tuotantopinnasta uomiin. Sateen jatkuessa pitoisuus vähenee, sillä norojen vesikerrokset vaimentavat sateen erodoivaa vaikutusta ja noroista on jo huuhtoutunut helpoimmin liikkeelle lähtevä turve (Kløve 2). Ihmistoiminnasta aiheutuva eroosio turvetuotantoalueella on pääasiallisesti työkoneiden aiheuttamaa ojatörmien luhistumista. Lisäksi koneet pöllyttävät turvetta ojiin. Välillisesti tuleva vaikutus on huomattavasti suurempi; muokkaamalla tuotantopintaa ja poistamalla suojaava kasvillisuus altistetaan turvetuotantoalue suoraan luonnonvoimille ilman suojaa. Poronhoitoalueilla turvetuotantoalueilla on usein porotokkia, jotka tulevat tuuliselle aukealle pakoon hyttysiä ja mäkäriä. Hyppiessään ojien yli (kuva 4a), ne romauttavat penkereitä ojastoon (kuva 4b). (a) (b) Kuva 4. Porojen aiheuttamaa eroosiota Luisansuon turvetuotantoalueella (a). Kokoojaoja porotokan ylimenon jälkeen (b). 4.1 Eroosio uomassa ja kiintoaineen kulkeutuminen Uomat toimivat valuma-alueen muita eroosiotekijöitä yhdistävänä tekijänä. Uomiin keskittynyt vesi kuljettaa erodoitunutta materiaalia. Uomaston tiheydellä on siten suuri vaikutus tarkasteltaessa kiintoaineen kulkeutumista. (Peltonen 1996) Turvetuotantoalueella uomaeroosio on merkittävämmässä roolissa kuin pintaeroosio, etenkin rankkasateiden yhteydessä (Kløve 1994).

23 23 Kiintoainetta päätyy uomiin maaperässä tapahtuvan eroosion ja fluviaalisen kuljetuksen kautta, ilmalaskeumana ja epäorgaanisena sadantana. Lisäksi liuenneen orgaanisen materiaalin adsorptio orgaanisille ja epäorgaanisille pinnoille synnyttää uutta kiintoainetta. Liuennutta orgaanista ainesta uomiin tulee sekä valuma-alueen maaperästä että uoman sisäisistä prosesseista. (Brandt 199, Ward ym. 199) Uomaeroosion suuruus riippuu ennen kaikkea veden virtausnopeudesta, syvyydestä ja uoman eroosioherkkyydestä eli erodoituvuudesta (Seuna ym. 1986). Virtaava vesi aiheuttaa uoman pohjaan ja seinämiin leikkausjännityksen. Virratessaan veden kitkavoimat yrittävät vetää mukaansa pinnat, joilla se virtaa. Virtausnopeuden kasvaessa leikkausjännitys kasvaa. Tavallisesti oletetaan, että tiettyä leikkausjännitystä vastaa aina sama kiintoainepitoisuus. Leikkausjännityksen kasvaessa tapahtuu uomassa eroosiota. Kun leikkausjännitys pienenee, kiintoainetta puolestaan laskeutuu uoman pohjalle. Tätä oletusta käytetään hyväksi arvioitaessa sedimentin kulkeutumista. Tietyn virtaaman kykyä kuljettaa kiintoainetta sanotaan virtaaman kuljetuskapasiteetiksi (Kløve 1994). Veden virratessa sen energia on kineettistä, jolloin virtausnopeuden kaksinkertaistuessa energia nelinkertaistuu ja kuljetuskapasiteetti 64-kertaistuu (Zachar 1982). Virtaaman täytyy saavuttaa tietty nopeus, ns. kriittinen nopeus, ennen kuin aines lähtee kuljetukseen. Kirjallisuudessa puhutaan usein kriittisestä leikkausjännityksestä. Leikkausjännitys riippuu virtausnopeudesta ja vesisyvyydestä. (Julien 1998, Graf 1984, Vanoni 1975) Aineksen irtoaminen pohjalta aiheutuu partikkeliin kohdistuvien voimien erosta. Partikkelin yläosaan kohdistuvan voiman ollessa suurempi kuin alaosaan kohdistuva on seurauksena partikkelin liikkeellelähtö. Helpoimmin kuljetukseen lähtevä aines on partikkelikooltaan lähellä hienoa hiekkaa. Eroosioherkkyys vähenee tätä pienempiin ja suurempiin partikkelikokoihin siirryttäessä (Sundberg 1967). Maanpinnalla ja sedimentissä olevilla pienemmillä partikkeleilla ja niitä sisältävillä maalajeilla, kuten savella, ovat kohesiiviset ominaisuudet tärkeimpiä lujuuden aiheuttajia. Koheesiovoimat johtuvat molekyylitason fysikaaliskemiallisista vetovoimista (van der Wallsin voimat, Coulombin repulsiovoima, jne.) (Black ym. 22). Konsolidoituneen saven erodoitumiseen tarvittava energia on samaa suuruusluokkaa soran kanssa (Salo ym. 1985). Roberts ym. (1998) havaitsi tutkimuksissaan, että partikkeleilla d < 4 µm sedimentti käyttäytyy kohesiivisesti; ne lujittuvat hitaasti

24 24 ajan kuluessa ja eroosio tapahtuu paloina. Pienet hiukkaset vaativat kuljetukseen lähteäkseen suuren virtausnopeuden, mutta ne pysyvät pitkään kuljetuksessa vaikka virtausnopeus vähenisikin. Huomioitavaa onkin, että kiintoaineen lähdettyä liikkeelle virtausnopeuden täytyy hidastua kymmenenteen osaan ennen kuin se laskeutuu uudelleen pohjaan (Vanoni 1975). Turpeen kriittisestä liikkeellelähtönopeudesta on muutamia tutkimustuloksia. Kløven (2) tekemissä uomaeroosiokokeissa kiintoainetta ei suspentoitunut uomasta alle,4 m/s virtausnopeuksilla. Aho & Kantolan (1985) mukaan virtausnopeus,15 m/s riittää sedimentoituneen turpeen irrottamiseen (taulukko 1). Laboratoriouomakokeissaan Heikkinen (23) määritti turpeen kriittiseksi virtausnopeudeksi,8 m/s. Tähän tulokseen tuo virhettä silmämääräisesti tehty havainnointi. Taulukko 1. Eri materiaalien suurin sallittu virtausnopeus, jolloin ei tapahdu eroosiota. (Kauranne 1979, Aho & Kantola 1985). Materiaali nopeus (m/s) Sedimentoitunut turve,15 Hieta, liejusavi,3 Hieno hiekka,35 Maatunut turve, konsolisoitunut savi,4 Karkea hiekka,45 Maatumaton turve,7 Karkea sora,8 Konsolisoitunut lihava savi 1,15 Tiivis moreeni 1,2 Kivikko 1,5 Kiintoaine kulkeutuu vesistössä joko suspentoituneena veteen tai pohjaa pitkin liukumalla (kuva 5). Omaksi ryhmäkseen erotetaan vielä usein vierimällä tai hyppäyksin tapahtuva partikkelin liike (saltaatio) (Seuna ym. 1986). Kaikkein hienoimmat partikkelit virtauksessa ovat kevyempiä kuin uoman pohjasta otetuista näytteistä löydetään (Vanoni 1975). Nämä partikkelit saattavat kulkea koko uomaston matkan laskeutumatta välillä pohjaan. Kiintoaineen kulkeutumisprosessit eivät ole toisistaan riippumattomia, sillä yhdessä uoman poikkileikkauksessa suspensiona oleva materiaali saattaa toisessa poikkileikkauksessa liikkua pohjakulkeumana tai kasaantua

25 25 pidemmäksi aikaa uoman pohjalle (Seuna ym. 1986). Niiden välillä on jatkuva vuorovaikutus. Kun osa suspentoituneesta kiintoaineesta laskeutuu takaisin pohjalle, osa sedimentistä nousee takaisin suspensioksi. Pohja-aineksen osuus on yleensä vähäinen n. 1 % kiintoaineen kokonaiskulkeumasta. Sen luonteelle on tyypillistä, ettei se ole kovin tasaista vaan enemmänkin sysäyksittäin tapahtuvaa liikettä. (Vehviläinen 1981) Kuva 5. Kiintoaineen kulkeutumistavat vesistössä (Rubin 21) Kløven (1994) mukaan kiintoaineen kulkeutumista selittävä teoria ei ole sellaisenaan sopiva tapauksiin, joissa suurin osa kiintoaineesta on peräisin maa-alueiden eroosiosta. Tällöin uomassa ei vallitse riippuvuutta kulkeutuvan kiintoaineen ja leikkausvoiman välillä. Turvetuotantoalueilla pienten virtaamien aikaisen kiintoainepitoisuuden vaihtelun syynä on sade eikä virtaama, tällöin sateen rankkuus vaikuttaa enemmän eroosioon kuin virtaama. 4.2 Sedimentin rakenne Sedimentin pintaosan koostumus riippuu pohjaan laskeutuneiden partikkelien ja flokkien rakenteesta. Niiden takaisin suspentoituminen riippuu ensisijaisesti virtaamasta. Krone (1999) on kuvannut sedimentin koostumuksen niiden muotoutumistavan mukaan. Suspentoituneet yksittäiset mineraalipartikkelit ja orgaaniset partikkelit törmäävät muodostaen nolla-luokan flokin. Muodostuneet flokit ovat vahvimpia, tiheimpiä ja kestävät suurta virtauksen aiheuttamaa leikkausjännitystä. Nolla-luokan flokit voivat yhdistyä muodostaen ensimmäisen-luokan flokkeja. Nämä flokit ovat heikompia kuin nolla-luokan flokit, johtuen niiden sisältämistä suurista

26 26 huokosista ja pienemmästä kosketuspinnasta. Ensimmäisen -luokan flokit voivat yhdistyä keskenään muodostaen vielä heikomman ja vähemmän tiheän toisen -luokan flokin ja niin edelleen. Kun ensimmäistä -luokkaa olevat flokit laskeutuvat ja jäävät pohjalle, on pohjan vahvuus ja tiheys seuraavaa luokkaa vastaavan flokin tasoa. (Krone 1999) Pohjasedimentin rakenne vaihtelee sedimentin syvyyden mukaan siten, että sedimentin lujuus kasvaa syvemmälle mentäessä. Huokoset romahtavat painon aiheuttamasta ylikuormituksesta ja suurimmat niistä romahtavat ensimmäisenä lisäten kontaktipintaa ja kasvattaen pohjan lujuutta painokuormituksen lisääntyessä. Flokkien uudelleen muodostuminen loppuu ja sedimentti saavuttaa suurimman lujuuden, kun sedimentin tiheys lähenee nolla luokan flokkitiheyttä. (Krone 1999) Empiirisin kokein on todettu kriittisen leikkausjännityksen kasvavan partikkelien laskeutumisen loppumisen ja eroosion alkamisen välisen ajan kasvaessa (Zreik ym. 1998). Tutkimuksissaan Lau ym. (21) on todistanut pohjarakenteen eri kerrosten lujuuden vaihtelevan syvyyden mukaan. Parchure ja Mehta (1985) ovat kehittäneet kolmikerroksellisen mallin sedimentin lujuuden muuttumisesta syvyyden mukaan (kuva 6). Kerrokset ovat jaettu leikkausjännityksen siedon mukaan. Ylin kerros erodoituu helpommin kuin alemmat kerrokset. Kuva 6. Kolmikerroksellinen malli sedimentin lujuuden muuttumisesta syvyyden mukaan siten, että sedimentin lujuus kasvaa syvemmälle mentäessä (Parchure & Mehta 1985).