KAUPUNKIALUEIDEN HYDROLOGIA - VALUNNAN JA AINEHUUHTOUMAN MUODOSTUMINEN RAKENNETUILLA ALUEILLA

Transkriptio

1 Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja 7 Helsinki University of Technology Water Resources Publications 7 Espoo 2003 TKK-VTR-7 KAUPUNKIALUEIDEN HYDROLOGIA - VALUNNAN JA AINEHUUHTOUMAN MUODOSTUMINEN RAKENNETUILLA ALUEILLA osa 1: kirjallisuustutkimus Jyrki Kotola Jyrki Nurminen

2 Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja 7 Helsinki University of Technology Water Resources Publications 7 Espoo 2003 TKK-VTR-7 KAUPUNKIALUEIDEN HYDROLOGIA - VALUNNAN JA AINEHUUHTOUMAN MUODOSTUMINEN RAKENNETUILLA ALUEILLA osa 1: kirjallisuustutkimus Jyrki Kotola Jyrki Nurminen Teknillinen korkeakoulu Rakennus- ja yhdyskuntatekniikan osasto Vesitalouden ja vesirakennuksen laboratorio

3 Teknillinen korkeakoulu Vesitalouden ja vesirakennuksen laboratorio PL TKK Puh. (09) Fax. (09) Sähköposti: Jyrki Kotola, Jyrki Nurminen, Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen laboratorio ISBN (nid.) ISBN X (PDF) ISSN Otamedia Oy Espoo 2003

4 Kotola, J. & Nurminen, J Kaupunkialueiden hydrologia - valunnan ja ainehuuhtouman muodostuminen rakennetuilla alueilla, osa 1: kirjallisuustutkimus. Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja 7, 92 s. ISBN (nid.), ISBN X (PDF), ISSSN Asiasanat: kaupunkihydrologia, sadanta, haihdunta, valunta, hulevesi, veden laatu, ainehuuhtouma Kotisivu: TIIVISTELMÄ Tulevaisuudessa yhä suurempi osa maapallon kasvavasta väestöstä asuu kaupungeissa. Myös Suomessa väestö keskittyy kaupunkeihin, tällä hetkellä yli 80 % suomalaisista asuu taaja-asutusalueilla. Vuosina maamme taaja-asutusalueiden pinta-ala kasvoi yli 40 prosentilla ja asukasmäärä 19 prosentilla. Tämä Kaupunkivedet ja niiden hallinta -projektiin (RYVE) kuuluva kirjallisuustutkimus käsittelee rakennetun ympäristön hydrologiaa. Kirjallisuustutkimus on yhteenveto keskeisistä Suomessa, Pohjoismaissa ja muualla tehdyistä kaupungistuneiden alueiden hydrologiaa käsittelevistä julkaisuista. Keskeisimpiä aiheita ovat rakennettujen alueiden pintavalunnan määrä ja laatu. Lumi, joka Suomen olosuhteissa on merkittävä osa hydrologista kiertoa, kuuluu myös tutkimuksen aihepiiriin. Tutkimuksessa tarkastellaan yleisesti kaupungistumisen vaikutuksia sadantaan ja haihduntaan sekä pohjavesiolosuhteisiin. Teoksessa käsitellään lyhyesti myös rakennettujen alueiden huleveteen liittyviä ongelmia. Kaupunkialueiden valumavesien käsittelytarpeen ja -menetelmien tarkastelu rajattiin tämän kirjallisuustutkimuksen ulkopuolelle. Kaupunkihydrologia on hydrologian osa-alue, joka tutkii hydrologisia prosesseja taajamissa ja kaupungeissa. Laajamittaisen kaupungistumisen on havaittu lisäävän sadantaa. Yleensä kaupunkirakentaminen vähentää haihduntaa. Kaupungeissa haihduntaa pienentäviä tekijöitä ovat rakentamatonta ympäristöä vähäisempi kasvillisuus sekä ja päällystettyjen pintojen suuri määrä. Yleensä valunta lisääntyy kaupunkirakentamisen johdosta. Selvimmin kaupungistuminen näkyy tavallisesti pintavalunnan eli huleveden määrässä, joka kaupunkirakentamisen seurauksena lisääntyy voimakkaasti. Pintakerros- ja pohjavesivalunta sen sijaan yleensä vähenevät kaupungistumisen myötä. Suuri osa kaupunkialueelle satavasta vedestä muodostaa läpäisemättömillä pinnoilla nopeasti hulevettä. Lisääntynyt ja nopeasti muodostuva hulevesi aiheuttaa vastaanottavassa vesistössä ylivirtaaman kasvua ja suuria virtaamavaihteluja lisäten muun muassa tulvia ja eroosiota. Paitsi huleveden määrään ja muodostumisnopeuteen, kaupungistuminen vaikuttaa myös huleveden laatuun. Yleensä kaupungistuminen heikentää pintavesien laatua. Kaupunkialueiden erityispiirteistä ja sijainnista riippuen hulevesien laadussa on suuria eroja. Kaupunkialueilla hulevesien mukana huuhtoutuvat vesistöjä kuormittavat aineet ovat peräisin monenlaisista lähteistä kuten: laskeumasta, liikenteestä, rakentamisesta, teollisuudesta, jätteiden käsittelystä, kasvinsuojelusta ja eläinten jätöksistä. Hulevesien aiheuttamat ainehuuhtoumat vaihtelevat kaupunkialueiden välillä huomattavasti ja huuhtouma voi joissakin tapauksissa olla merkittävä hulevettä vastaanottavan vesiympäristön kuormittaja. Hieman yleistäen voidaan sanoa, että mitä kaupungistuneempi valuma-alue on sitä suurempi on purkuvesistön vastaanottama kuormitus. 3

5 Kotola, J. & Nurminen, J Urban hydrology - runoff and pollution load in urban areas, Part 1: literature study. Helsinki University of Technology Water Resources Publications 7, 92 p. ISBN (printed), ISBN X (PDF), ISSSN Keywords: urban hydrology, precipitation, evaporation, runoff, storm water, stormwater, water quality, pollution load Homepage: ABSTRACT An ever-greater proportion of the World s growing population is living in urban areas. This is true in Finland as well: today more than four out of every five Finns are living in densely populated areas. During the period from the total urbanised area in Finland increased by more than 40 % while the percentage of the population living in such areas rose by 19 %. This literature research is a part of the Urban Waters and Stormwater Management Practices in Finland (RYVE) project and focuses on the quantity, quality, and pollution load of urban runoff water. Topics to be examined include the effects of urbanisation on precipitation and evaporation, groundwater and snow in urban areas, and the effects of stormwater on urban hydrology. Urban stormwater management practices are to be excluded from this study. Urban hydrology is the science of studying water cycle in urban environments. When an undeveloped area is urbanised, its water cycle is affected. Urbanisation has been observed to increase precipitation, decrease evaporation and increase runoff. The most dramatic changes occur in stormwater runoff, which generally increases most significantly due to the extended area of paved and impervious surfaces. Usually urbanisation decreases subsurface and groundwater flow. The increased volume and flow of stormwater discharges can cause problems, such as flooding and erosion, and contamination of receiving waters. Urbanisation affects both the volume and quality of surface runoff. Usually urbanisation decreases the quality of surface runoff. Urban stormwater quality varies widely from one urban area to another. The pollutants that are commonly found in urban stormwater runoff originate from a variety of sources, such as atmospheric deposition, traffic, construction sites, industrial activities, utilisation of chemicals, littering, and animal waste. Urban stormwater causes a pollution load, which may in some case be a significant source of water pollution to the receiving waters. 4

6 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ... 3 ABSTRACT... 4 SISÄLLYSLUETTELO... 5 TAULUKKOLUETTELO... 6 KUVALUETTELO... 7 LIITELUETTELO... 7 ESIPUHE JOHDANTO SADANTA Sadanta Suomessa Kaupungistumisen vaikutus sadantaan HAIHDUNTA Haihdunnan määritelmiä ja haihdunta Suomessa Haihdunta kaupunkialueella Kaupunki- ja maaseutualueen haihdunnan vertailu VALUNTA Valunnan määritelmä ja valunta Suomessa Pintavalunta ja hulevesi Valunnan määrä Kaupunkirakentamisen vaikutus valunnan määrään Valuntakerroin ja läpäisemättömyyskerroin Hulevesivalunnan määrä Suomessa Huleveden laatu Huleveden laatuun vaikuttavat tekijät Huleveden sisältämät myrkylliset aineet Huleveden laatu maailmanlaajuisesti Huleveden laatu Suomessa ja muissa Pohjoismaissa Hulevesien ja metsä- ja peltoalueiden valumavesien laadullinen vertailu Huleveden laadun vaihtelu Huleveden aiheuttama ainehuuhtouma Alkuhuuhtouma Huleveden vaikutukset ja huleveteen liittyvät ongelmat Huleveden määrälliset vaikutukset Huleveden laadulliset vaikutukset Valuma-alueen kaupungistumisasteen ja virtaveden tilan välinen yhteys LUMI JA POHJAVESI Kaupunkialueen lumiolot Kaupunkirakentamisen vaikutukset pohjavesiin YHTEENVETO LÄHDELUETTELO LIITTEET

7 TAULUKKOLUETTELO Taulukko 1 RYVE:n osahankkeet, osahankkeiden toteuttajat ja raportointi Taulukko 2 Ero vuosisadannassa kaupunki- ja maaseutualueilla (Landsberg 1981) Taulukko 3 Kaupunkivaluma-alueiden perustietoja Taulukko 4 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen tutkimusalueet (Melanen 1982b).. 21 Taulukko 5 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen (Melanen 1982b, Melanen & Laukkanen 1981) sadanta-valuntatapahtumien valuntakertoimet Taulukko 6 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen (Melanen 1982b, Melanen & Laukkanen 1981) sadanta-valuntatapahtumien huipun valuntakertoimet Taulukko 7 Virtavesien kemiallisten komponenttien lähteet (Ferguson 1998) Taulukko 8 Huleveden aineiden lähteet (Malmqvist 1983) Taulukko 9 Huleveden aineiden lähteet (US EPA 1999) Taulukko 10 Yhteenveto eräiden huleveden aineiden merkittävimmistä lähteistä Taulukko 11 Sinkin ja kuparin sitoutumisaste (%) partikkeleihin hulevedessä (perustuu Dempsey et al. 1993) Taulukko 12 Suodattamattomien ja suodatettujen tanskalaisten hulevesinäytteiden ainepitoisuuksia sekä epäpuhtauksien sitoutumisaste kiintoaineeseen (perustuu Kjølholt et al. 1997) Taulukko 13 Kanadalaisessa hulevesitutkimuksessa havaittu toksisuus (perustuu Marsalek et al. 1999) Taulukko 14 Kaupunkialueiden huleveden laatuparametrien keskimääräisiä arvoja (perustuu Duncan 1999) Taulukko 15 Keskimääräisten hulevesipitoisuuksien aritmeettiset keskiarvot erityyppisillä alueilla (Duncan 1999) Taulukko 16 Yhteenveto hulevesien haihtuvien ja osittain haihtuvien yhdisteiden pitoisuuksista Lopesin ja Dionnen (1998) tekemän kirjallisuusselvityksen perusteella Taulukko 17 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen sulan kauden sadantatapahtumien huleveden kokoomanäytteiden pitoisuuksia (Melanen 1981, Melanen 1982b) Taulukko 18 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen sulantakauden huleveden vuorokausikokoomanäytteiden pitoisuuksia (Melanen 1981 ja 1982b, Laiho 1980) Taulukko 19 Samassa pisteessä mitattujen huleveden laatuparametrien vaihtelu Taulukko 20 Hulevesien aiheuttamien vuosihuuhtoumien vaihteluvälit maailmalla tehtyjen tutkimusten mukaan...48 Taulukko 21 Suomalaisia hulevesihuuhtoumia (Melanen 1982b ja Kannala 2001) Taulukko 22 Sulamisvalunnan %-osuus vuotuisesta ainehuuhtoumasta Taulukko 23 Esimerkki alkuhuuhtouma-ilmiöstä (First flush) Kalifornian moottoritiellä (perustuu Stenstrom et al. 2001) Taulukko 24 Hulevesiin liittyviä ongelmia (Chocat et al. 2001) Taulukko 25 Virtavesien kemialliset komponenttien merkitys (Ferguson 1998) Taulukko 26 Yhdysvaltalainen (Schueler 1994) ehdotus kaupunkialueen virtavesien tilan läpäisemättömän pinta-alan mukaisesta luokittelusta Taulukko 27 Lumen ominaisuudet huhtikuussa 1998 Luulajassa (Perustuu Semádeni-Davies 1999) Taulukko 28 Kawartha Heights n valuma-alueen ja osavaluma-alueiden maankäyttö (Buttle & Xu 1988) Taulukko 29 Ontariolaisen Kawartha Heights (CAN) valuma-alueen kevätsulantatapahtumia ennen taaja-asutuksen kehittymistä ja sen jälkeen (Buttle & Xu 1988) Taulukko 30 Ontariolaisen Kawartha Heights n (CAN) valuma-alueen taaja-asutus- ja maaseutuvaltaisten osavaluma-alueiden kevätsulantatapahtumien vertailu (Buttle & Xu 1988) Taulukko 31 Ruotsalaisesta lumesta mitattuja ainepitoisuuksia (mg l -1 )

8 Taulukko 32 Luulajan kaupungin lumipeitteen lika-aineiden liukoisen fraktion keskimääräinen osuus (%) talvella 1995 (Viklander 1999a) Taulukko 33 Kaupunkialueiden sulamisvesien ainepitoisuuksia KUVALUETTELO Kuva 1 Sadanta ja haihdunta kaupungin keskustassa ja ympäröivällä maaseudulla Etelä-Ruotsissa (perustuu Hogland 1986) Kuva 2 Sadanta ja valunta kaupungin keskustassa ja ympäröivällä maaseudulla Etelä-Ruotsissa (perustuu Hogland 1986) Kuva 3 Taulukon 3 kaupunkivaluma-alueiden valuntakertoimet Kuva 4 USA:n kansallisen hulevesitutkimuksen (NURP) 44 pienen valuma-alueen valuntakertoimet (perustuu Schueler 1987 ref. Schueler 1995) Kuva 5 USA:n kansallisen hulevesitutkimuksen (NURP) valuma-alueiden valuntakertoimet (perustuu Urbonas et al ref. Urbonas & Roesner 1993) Kuva 6 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen (Melanen 1982b, Melanen & Laukkanen 1981) sadanta-valuntatapahtumien valuntakertoimet Kuva 7 Tukholman Trekanten-järven kuormituslähteiden suhteelliset osuudet vuosina (Anon 2000) Kuva 8 Sulan kauden sateiden aikainen huleveden laatu Pakilan pientaloalueella (Melanen 1981 & 1982b) ja Siuntionjoen valuma-alueilla (Maasilta ym. 1980) Kuva 9 Sulan kauden sateiden aikainen huleveden laatu Hämeenpuiston keskusta-alueella (Melanen 1981 & 1982b) ja Siuntionjoen valuma-alueilla (Maasilta ym. 1980) Kuva 10 Sulantakauden aikainen huleveden laatu Pakilan pientaloalueella (Laiho 1980, Melanen 1981) ja Siuntionjoen valuma-alueilla (Maasilta ym. 1980) Kuva 11 Sulantakauden aikainen huleveden laatu Hämeenpuiston keskusta-alueella (Laiho 1980, Melanen 1981) ja Siuntionjoen valuma-alueilla (Maasilta ym. 1980) Kuva 12 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen (Melanen 1982b) ja Siuntionjoen valuma-alueiden (Maasilta ym. 1980) suhteelliset vuotuiset ainehuuhtoumat Kuva 13 Suomalaisia, ruotsalaisia ja norjalaisia hulevesien vuotuisia ainehuuhtoumia LIITELUETTELO Liite 1 Huleveden päästölähteiden suhteellinen merkitys (Svensson & Malmqvist 1995, Statens Naturvårdsverket 1983, Randall & Grizzard 1983) Liite 2 Teiden ja kattojen keskimääräisten hulevesipitoisuuksien aritmeettiset keskiarvot (perustuu Duncan 1999) Liite 3 Suomalaisia hulevesipitoisuuksia Liite 4 Hulevesipitoisuuksia Ruotsissa yleensä sekä Lundissa, Linköpingissä ja Växjössä Liite 5 Hulevesipitoisuuksia Tukholmassa Liite 6 Hulevesipitoisuuksia Göteborgissa...85 Liite 7 Norjalaisia hulevesipitoisuuksia Liite 8 Tanskalaisia hulevesipitoisuuksia Liite 9 Helsingin hulevesien AOX- ja VOC-pitoisuuksia Nurmen (2002) tutkimuksen mukaan Liite 10 Huleveden laatu Tanskalaisella asuinalueella ja moottoritiellä (Kjølholt et al. 1997) Liite 11 Yhteenveto hulevesien laadusta Makepeace et al. (1995) tekemän kirjallisuusselvityksen perusteella Liite 12 Ruotsalaisia ja Norjalaisia huleveden vuosihuuhtoumia Liite 13 Kaupunkiteiden hulevesien eräiden ihmistoiminnasta peräisin olevien aineiden lähteet (perustuu Armstrong 1999, Ball et al. 1994, Lygren et al. 1984, Muschack 1990 ref. Sansalone & Buchberger 1997)

9 ESIPUHE Tämä raportti on osa Kaupunkivedet ja niiden hallinta projektia (RYVE). RYVE on vuosina toteutettu tutkimus- ja kehityshanke, jossa selvitettiin rakennetun ympäristön aiheuttamia hydrologisia muutoksia ja vesistökuormitusta sekä valuma-alueissa tapahtuneita muutoksia. Hankkeella lisätään myös kaupungistumisen hydrologisten vaikutusten vähentämiseen tähtäävää tietoutta. RYVE-hanke kuuluu Ympäristöministeriön rahoittamaan Ympäristöklusterin tutkimusohjelmaan Kestävän yhdyskunnan infrastruktuuri EKO-INFRA. Hankkeen vastuullisena johtajana toimi professori Pertti Vakkilainen Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen laboratoriosta. Suomen ympäristökeskuksen koordinoiman hankkeen toteutusta valvoi seurantaryhmä, johon kuuluivat yhdyskuntainsinööri Karl-Erik Blomgren (Kuntaliitto), yli-insinööri Jorma Kaloinen (Ympäristöministeriö), verkostoinsinööri Mika Rontu (Vesi- ja viemärilaitosyhdistys), kehitysinsinööri Erkki Santala (Suomen ympäristökeskus), toimitusjohtaja Pentti Sipi (Espoon vesi) ja professori Pertti Vakkilainen (Teknillinen korkeakoulu). RYVE jakautuu neljään osahankkeeseen taulukon 1 mukaisesti. Taulukossa on esitetty osahankkeiden toteuttajat ja osahankkeiden raportointi, sillä tarkkuudella kuin tätä kirjoitettaessa oli tiedossa. Osahanke Kaupunkialueiden hydrologia valunnan ja ainekuormituksen muodostuminen rakennetuilla alueilla toteutettiin Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen laboratoriossa. Ympäristöministeriön ja Vesitalouden ja vesirakennuksen laboratorion lisäksi osahanketta rahoitti Maa- ja vesitekniikan tuki ry. Osahanke muodostuu kahdesta osasta: kirjallisuustutkimuksesta ja kokeellisesta tutkimuksesta. Tämä raportti sisältää kirjallisuustutkimuksen ja kokeellisen tutkimuksen osuus on julkaistu teoksessa Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja 8. Kokeellinen tutkimus toteutettiin yhdessä Espoon kaupungin kanssa. Lisäksi, varsinkin kirjallisuustutkimuksen osalta, yhteistyötä tehtiin Suomen ympäristökeskuksen kanssa. Kirjoittajat kiittävät Outi Salmista englanninkielisen tiivistelmän laadinnasta, RYVEhankkeen ohjausryhmää, Johanna Peltolaa lähdemateriaalista ja kaikkia muita, jotka ovat edesauttaneet julkaisun syntymistä. Kaupunkihydrologian alaan kuuluva tutkimus on harvaan asutussa Suomessa ollut melko vähäistä; edellisestä laajasta alan tutkimuksesta (Melanen 1982a) on kulunut yli 20 vuotta. Kaupunkihydrologia tulee seuraavien vuosien aikana olemaan eräs Teknillisen korkeakoulun Vesitalouden ja vesirakennuksen laboratorion päätutkimuskohteista. Laboratorion osalta RYVE-hanketta voidaan pitää eräänlaisena kaupunkihydrologian tutkimuksen lähtölaukauksena. 8

10 Taulukko 1 RYVE:n osahankkeet, osahankkeiden toteuttajat ja raportointi. Osahanke Osahankkeen toteuttaja / osahankkeen raportointi Taajamien aiheuttaman hajakuormituksen arviointi Suomen ympäristökeskus Peltola, Johanna Kaupunkirakentamisen aiheuttama valuma-alueiden ja vesistöjen muuttuminen sekä sen seuraukset Suomessa Helsingin yliopiston luonnonmaantieteen laboratorio Kuusisto, Paula Kaupunkirakentamisen vaikutus pieniin valuma-alueisiin ja vesistöihin Suomessa. Helsingin yliopiston maantieteen laitoksen julkaisuja B sivua. ISBN ISSN Kaupunkialueiden hydrologia valunnan ja ainekuormituksen muodostuminen rakennetuilla alueilla Teknillinen korkeakoulu, vesitalouden ja vesirakennuksen laboratorio Kotola, Jyrki & Nurminen, Jyrki Kaupunkialueiden hydrologia - valunnan ja ainehuuhtouman muodostuminen rakennetuilla alueilla, osa 1: kirjallisuustutkimus. Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja 7 (TKK-VTR-7), 92 s. ISBN (nid.), ISBN X (PDF), ISSN Kotola, Jyrki & Nurminen, Jyrki Kaupunkialueiden hydrologia - valunnan ja ainehuuhtouman muodostuminen rakennetuilla alueilla, osa 2: koealuetutkimus. Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja 8 (TKK-VTR-8), 203 s. ISBN (nid.), ISBN (PDF), ISSN Tiedotuskampanja helsinkiläisille omakotitaloasujille, kiinteistöhuoltoyrityksille ja kiinteistönomistajille vesistöystävällisestä maankuivatuksesta ja rakentamisesta sekä hulevesien hallintamenetelmistä Helsingin luonnonsuojeluyhdistys ry. Luukkonen Katri & Peltola Johanna Huolehdi hulevesistä - edistä vesistöjen ja lähiympäristösi hyvinvointia. Esite. Helsingin luonnonsuojeluyhdistys ry. Raporttien sähköiset versiot ovat saatavilla TKK:n vesitalouden ja vesirakennuksen laboratorion internet-sivuilla osoitteessa 9

11 1. JOHDANTO Maapallon väkiluku kasvaa, ja seitsemän miljardin asukkaan rajan on arveltu ylittyvän vuonna 2010 ja kahdeksan miljardin vuoden 2020 tietämissä (Neilson 1997). Tulevaisuudessa yhä suurempi osa väestöstä asuu kaupungeissa. Kaupunkiväestön määrän on arveltu kasvavan kehittyneissä maissa noin 150 miljoonalla ja kehitysmaissa noin 2 miljardilla vuosien aikana (UNCHS 1996 ref. Neilson 1997). Myös Suomen väestö keskittyy kaupunkeihin. Nykyisin yli 80 % suomalaisista asuu taaja-asutusalueilla, kun vuonna 1980 osuus oli 70 %. Vuosina taajaasutusalueiden väestö kasvoi Suomessa 19 % ja taajamien pinta-ala yli 40 %. Viidessätoista vuodessa Suomen taaja-asutusalueiden pinta-ala kasvoi lähes km 2. (Suomen ympäristökeskus 2002) Kaupunkirakentaminen muuttaa veden kiertokulkua ja vaikuttaa veden laatuun. RYVEprojektin osahanke Kaupunkialueiden hydrologia valunnan ja ainekuormituksen muodostuminen rakennetuilla alueilla tutkii rakennetun ympäristön aiheuttamia hydrologisia muutoksia ja vesistökuormitusta. Hydrologia käsittelee veden fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, veden esiintymistä, jakautumista ja kiertoa maapallolla sekä veden yhteyksiä elolliseen ja elottomaan ympäristöön. Eräät alkuperäiseen määritelmään sisältyvät osa-alueet ovat muodostuneet itsenäisiksi tieteenaloiksi. Nykyisin hydrologia käsitetään alkuperäistä määritelmää suppeammin lähinnä veden kiertokulun eri vaiheita ja niiden keskinäisiä yhteyksiä erilaisissa ilmastooloissa ja fysiografisissa oloissa selvittävänä tieteenä. Kiertokulun tärkeimmät osat ja hydrologian perussuureet ovat sadanta, haihdunta ja valunta. Hydrologia voidaan jakaa kolmeen osaan: hydrometeorologiaan, pintavesihydrologiaan ja geohydrologiaan. Hydrometeorologia tutkii ilmakehän vettä, pintavesihydrologia ilmakehän ja maanpinnan välissä olevaa vettä ja geohydrologia maanalaista vettä. Edellä mainittujen kolmen osa-alueen lisäksi hydrologiasta voidaan erottaa useita suuntauksia ja osaalueita sen mukaan mitä hydrologian osaa tutkitaan, ja mitä lähestymistapoja ja menetelmiä käytetään. (Kuusisto 1986a) Kaupunkihydrologia (taajamahydrologia, urbaanihydrologia) on hydrologian osa-alue, joka tutkii hydrologisia prosesseja ihmisen rakentamassa ympäristössä, taajamissa ja kaupungeissa. Jo varhaisimmat kaupunkialueet aiheuttivat muutoksia veden kiertoon, jolloin jouduttiin kiinnittämään huomiota muun muassa tulvasuojeluun ja kuivatukseen (Chocat et al. 2001). Ensimmäiset kaupunkikuivatusrakenteet valmistuivat noin 5000 vuotta sitten Mesopotamiaan (Wolfe 2000 ref. Chocat et al. 2001). Kaupunkihydrologia on kuitenkin melko uusi tieteenala, Yhdysvalloissa sen katsotaan saaneen alkunsa vähän sen jälkeen kun autosta tuli pääasiallinen liikenneväline. Autoistuminen johti suuriin päällystettyihin alueisiin, joiden aiheuttamien kuivatusongelmien ymmärtämiseksi ja ratkaisemiseksi kaupunkihydrologia syntyi. (Lazaro 1990) Niemczynowicz (1991) kuvaa suhtautumista kaupungistumisen aiheuttamiin hydrologisiin muutoksiin jakamalla kaupungistumisen kolmeen vaiheeseen. Ensimmäisessä vaiheessa hydrologisiin ongelmiin ei suhtauduttu kovin vakavasti. Uskottiin, että ongelmat pystytään ratkomaan teknisin keinoin. Kaupungistumisen lisääntyessä hydrologisten ongelmien, joina pidettiin lähinnä veden määrään liittyviä seikkoja, merkitys kasvoi. Kaupungistumisen toisessa vaiheessa veden laatuun liittyvät ongelmat nousivat esille. Kolmannessa vaiheessa hyväksyttiin vesiensuojelun tärkeys ja tuotiin esille uusi näkökulma, jonka mukaan jäte- ja hulevedet voivat olla paitsi rasite myös arvokas voimavara, esimerkiksi kasteluvetenä. 10

12 2. SADANTA 2.1 Sadanta Suomessa (Kuusisto 1986b) Eniten sadetta Suomeen tuovat Atlantilta tulevat syklonit. Kesäkuukausien rankat konvektiiviset sateet synnyttävät kuitenkin vuoden sademaksimin; heinä- ja elokuu ovat runsassateisimmat kuukaudet. Vaikka Suomen sadeolot ovat kohtalaisen tasaiset, kuukausisadantojen vaihteluvälit ovat melko suuret. Helsingin sadeolot ovat merelliset ja sadannan vuodenaikaisvaihtelut vähäisemmät kuin esimerkiksi Sodankylässä, missä mantereisempi ilmasto johtaa suurempiin suhteellisiin vaihteluihin. Etelä- ja Keski-Suomessa sataa yleensä mm vuodessa ja Pohjois-Suomessa yleensä enintään 600 mm (Ilmatieteen laitos 2002b). Vuosisadannasta tulee lumena Lounais-Suomessa alle 30 %, muualla Etelä- ja Keski-Suomessa % ja Pohjois-Suomessa % (Heino ja Hellsten 1983 ref. Kuusisto 1986b). Lumisademäärän absoluuttinen alueellinen vaihtelu on suhteellista vaihtelua pienempi, noin mm. Suurin Suomessa mitattu kuukausisadanta on Laukaalla heinäkuussa 1934 satanut 302 mm ja suurin vuorokausisade Espoon Lahnuksessa mitattu 198 mm (Ilmatieteen laitos 2002a). Sadanta saattaa paikallisten tekijöiden vaikutuksesta muuttua varsin paljon lyhyelläkin matkalla. Suomen olosuhteissa tällaisia paikallisia tekijöitä ovat maanpinnan korkeuserojen, meren, järvien sekä myös taajamien vaikutus. Viitteitä vuosisadannan muutaman prosentin lisäykseen on nähtävissä eräiden Suomen kaupunkien sadehavainnoissa (Heino 1978). 2.2 Kaupungistumisen vaikutus sadantaan (Heino 1978) Sadetapahtuman todennäköisyyden kasvaminen kaupunkialueilla on luonnollista seurausta eri tekijöistä, kuten: lisääntyneen saastumisen mukanaan tuomasta ilmassa tapahtuvasta lisätiivistymisestä, pintojen karkeuden aiheuttamasta lisääntyneestä pyörteisyydestä sekä kohonneesta lämpötilasta johtuvasta lisääntyneestä lämmön kuljettumisesta kaupunkialueiden yläpuolella (Chandler 1965 ref. Heino 1978). Oletettavasti näiden tekijöiden vaikutuksesta monien kaupunkien ja niiden tuulen alapuolisten lähialueiden sademäärät ja sadepäivien lukumäärät ovat lisääntyneet ympäröivään maaseutuun verrattuna. Useissa eri puolilla maailmaa tehdyissä tutkimuksissa on todettu, että kaupungistuminen lisää sadantaa (muun muassa Kratzer 1956, Changnon 1970 ref. Heino 1978). Sademäärien on yleisesti havaittu lisääntyneen noin 10 %, mutta yksittäisissä tutkimuksissa lisäystä on ollut selvästi enemmänkin. Keskimäärin sadanta on 10 % suurempaa kaupungissa kuin sitä ympäröivällä maaseudulla (Bessonov 1969, Temrikova 1962 ref. Kuprianov 1974). Sadannan kasvu on riippuvainen kaupungin erityisominaisuuksista. Bremenin kaupungin keskustassa sadannan havaittiin olleen 16 prosenttia (15 vuoden keskiarvot) suurempi kuin keskustasta 1,5 kilometrin päässä sijaitsevassa satamassa. Vuosijaksolla sadanta oli Moskovassa 11 prosenttia suurempi kuin kaupunkia ympäröivillä paikkakunnilla. Merkittävää sadannan lisääntymistä on havaittu muun muassa Tukholmassa, Hong Kongissa, Münchenissa, Prahassa ja Wienissä. Sadepäivien, etupäässä vähäsateisten päivien, lukumäärä on niin ikään kaupunkialueilla maaseutua suurempi, kesällä ero on 10 % ja talvella 20 %. (Kuprianov 1974) Taulukossa 2 on Landsbergin (1981) kirjallisuudesta kokoamia vuosisadantatietoja kaupungeissa ja niitä ympäröivillä maaseutualueilla eri puolilta maailmaa. Taulukossa esitetyn viiden tutkimuksen mukaan vuosisadanta kaupungissa on keskimäärin kahdeksan prosenttia suurempi kuin ulkopuolisella maaseudulla. 11

13 Taulukko 2 Ero vuosisadannassa kaupunki- ja maaseutualueilla (Landsberg 1981). sadanta (mm) sijainti vuosien kaupunki maaseutu ero lähde määrä (%) Moskova, Venäjä Bogolopow 1928 Urbana, Illinois, USA Changnon 1962 München, Saksa Kratzer 1956 Chicago, Illinois, USA St. Louis, Missouri, USA Changnon Changnon

14 3. HAIHDUNTA 3.1 Haihdunnan määritelmiä ja haihdunta Suomessa Haihdunnalla ymmärretään nestemäisessä tai kiinteässä olomuodossa olevan veden muuttumista vesihöyryksi. Vesimolekyylejä poistuu jatkuvasti veden pinnasta ja toisia palaa takaisin. Siirtyvien vesimäärien erotus on nettohaihdunta. Haihtumiselle on olemassa kaksi ehtoa: haihduttavan veden pinnan täytyy saada jostain lämpöenergiaa pitääkseen yllä tietyn haihduntatehon, ja toisaalta täytyy olla olemassa jokin ilmaa sekoittava tekijä joka siirtää haihtuneen vesihöyryn pinnan läheisyydestä. (Vakkilainen 1986) Haihtumista tapahtuu luonnossa erityyppisiltä pinnoilta erilaisissa olosuhteissa. Näiden erottamiseksi toisistaan on otettu käyttöön muun muassa seuraavat käsitteet. Evaporaatio on haihdunta maan, veden tai lumen pinnasta. Transpiraatio on kasvin elintoimintoihin liittyvä haihdunta, jolloin haihtuva vesi kulkee juuri-varsi-lehti-systeemin lävitse. Interseptiohaihdunta on kasvien pinnoille pidättyneen veden haihdunta. Evapotranspiraatio on maa-alueilta tapahtuva kokonaishaihdunta. Fysikaalisessa mielessä haihdunta on samanlaista pinnasta riippumatta. Käytettävissä olevassa energiassa, ilmastotekijöissä, pintojen karkeudessa ja veden saannissa olevat erot aiheuttavat kuitenkin sen, että erilaisilta pinnoilta haihtuu erisuuruisia vesimääriä. (Vakkilainen 1986) Etelä-Suomessa vuosisadannasta haihtuu keskimäärin noin 60 %, Pohjois-Suomessa lähes 50 % ja vuosihaihdunnasta yli puolet tapahtuu kolmen kesäkuukauden aikana (Vakkilainen 1986). Keskimääräinen vuosihaihdunta on suurinta Etelä-Suomessa, reilut 400 mm, ja pienintä käsivarren Lapissa, noin 100 mm (Kuusisto 1982). Lumen pinnasta tapahtuva haihdunta on vähäistä. Kaiteran ja Teräsvirran (1972) tutkimuksessa lumen pinnasta talven aikana tapahtunut haihdunta jäi Otaniemessä ja Sodankylässä pienemmäksi kuin 20 mm. 3.2 Haihdunta kaupunkialueella Yleensä haihdunta kaupunkialueilta on suhteellisen vähäistä, koska välitön valunta tapahtuu melko nopeasti sen jälkeen kun sadepisarat ovat osuneet maan pintaan. Niiden muutaman minuutin aikana, jotka satanut vesi virtaa päällystetyillä pinnoilla, haihduntaa ei juuri ehdi tapahtua. Sateen aikana ilma on lähes kyllästynyttä, mikä myös vähentää haihduntaa. (Hogland 1986) Kanadan Ontariossa tehdyssä selvityksessä (Control of pollution from urban runoff 1983 ref. Melanen 1986) tarkasteltiin kaupungistumisen vaikutusta hydrologisiin komponentteihin. Haihdunnan osuus sadannasta oli ennen alueen rakentamista 40 prosenttia ja rakentamisen jälkeen enää 25 prosenttia. Toisaalta kaupunki voi myös lisätä haihduntaa. Laajat kaupunkialueet saavat aikaan ilman lämpötilan nousua; Euroopan ja Pohjois-Amerikan teollisuuskaupungeissa on havaittu 4 6 C lämpötilaeroja kaupungin keskustan ja reunaosien välillä (Manual on data collection 1986 ref. Melanen 1986). Jos vettä on riittävästi, haihdunta kaupungin keskustassa on korkeamman lämpötilan johdosta suurempaa. Eräiden Neuvostoliiton kaupunkien haihdunta laskettiin 5 20 % ympäröivien alueiden haihduntaa suuremmaksi. (Melanen 1986) Ferguson ja Suckling (1990) tutkivat Georgiassa (USA) sijaitsevalla kaupungistuvalla valuma-alueella 30 vuodessa tapahtuneita hydrologisia muutoksia. Kaupungistumisen todettiin sateisina vuosina lisänneen ja vähäsateisina vuosina vähentäneen vuosivaluntaa. Kuivien vuosien vähentyneen valunnan Ferguson ja Suckling päättelivät johtuneen lisääntyneestä haihdunnasta. Oke (1979 ref. Ferguson & Suckling 190) havaitsi pienen, paikallisen kasvillisuusalueen evapotranspiraation lisääntyvän ympäröivien pintojen lämpenemisen vaikutuksesta. Sateen jälkeen vesi jää pinnan epätasaisuuksiin. Painanteisiin lätäköiksi jäävää vettä nimitetään painannesäilynnäksi. Pinnalle jäävän veden määrä riippuu päällystetyn alueen iästä ja päällystemateriaalista. Painanteisiin jäävän vesikerroksen paksuus on yleensä 0,5 1,5 mm (Hogland 1986). Läpäisemättömän pinnan epätasaisuuksiin jäänyt vesi haihtuu sa- 13

15 teen päätyttyä. Yhdysvalloissa painannesäilynnän arvoina on käytetty läpäisemättömillä alueilla 1,6 mm (1/16 tuumaa) ja läpäisevillä alueilla 6,4 mm (1/4 tuumaa) (ASCE 1970 ref. Aron 1982). Kasvien elintoimintoihin liittyvä haihdunta (transpiraatio) aiheuttaa myös kaupunkialueilla veden vapautumista ilmakehään. Osa satavasta vedestä tarttuu kasvillisuuteen ja ei siten koskaan putoa maahan asti. Tätä osaa sataneesta vedestä kutsutaan interseptiohäviöksi. Kaupungistumisen edetessä puita ja muuta kasvillisuutta poistetaan, jolloin transpiraatio vähenee ja maahan satavan veden määrä kasvaa. Toisaalta kaupungistuminen lisää erilaisten rakennusten ja rakenteiden määrä ja laajasti katsoen myös katoille ja muihin rakenteisiin jäävä sadevesi voidaan ajatella osaksi interseptiota. (Hogland 1986) Interseptiota tutkittaessa (Bucht et al ref. Hogland 1986) havaittiin, että interseption määrä saattoi olla jopa 40 % kasvukauden aikaisesta sateesta. Tämä tarkoittaa sitä, että kaupungistumisella voi olla huomattava vaikutus maan pinnalle satavan veden määrään. Yleensä vaikeasti mitattavissa olevaan interseption määrään kaupungistumisen aiheuttaman muutoksen voimakkuus riippuu kuitenkin rakennustöitä edeltäneestä kasvillisuudesta ja uusien rakennusten muodoista (Hogland 1986). 3.3 Kaupunki- ja maaseutualueen haihdunnan vertailu Hoglandin (1986) tutkimuksessa verrattiin kaupungin keskusta-alueen ja kaupungin ulkopuolisen maaseutualueen vesitaseita Etelä-Ruotsissa. Tutkimuskohteina olivat Lundin pikkukaupungin keskusta-alue ja sen välittömässä läheisyydessä sijaitseva vertailualue, Värpingen maatalousalue. Tutkimusjakso oli vuoden pituinen. Sadannan vuosikeskiarvo alueella on noin 600 mm. Tutkimusjakson sadanta oli keskusta-alueella 662 mm ja vertailualueella hieman pienempi, 650 mm. Keskustan maaseutua suurempi sademäärä saattoi olla kaupunkialueen vaikutusta, mutta pitää ottaa huomioon, että maanpinta on keskusta-alueen pohjoisosassa noin 70 metriä korkeammalla kuin maanviljelysalueella Värpingessä. Ja toisaalta sademäärien ero on sen verran pieni, että se mahtuu sademittarin virhemarginaaliin. Maaseutualueella sateesta haihtuu suurempi osa kuin kaupunkialueella, missä läpäisemättömiltä pinnoilta vesi valuu nopeasti pois ja haihdunta siten on vähäistä. Maaseutualueella haihdunta on suurimmaksi osaksi viljelykasveista tapahtuvaa transpiraatiota. Vuoden pituisella tutkimusjaksolla haihdunnaksi Lundin keskusta-alueella laskettiin 284 mm ja sen läheisyydessä sijaitsevalla vertailualueella 426 mm. Sadanta oli kaupunkialueella 2 % suurempi kuin vertailualueella. Haihdunta oli keskustassa puolestaan yli 30 % pienempi kuin vertailualueena käytetyllä maaseudulla. Tilannetta on havainnollistettu kuvassa 1. Sadanta ja haihdunta ajanjaksolla toukokuu huhtikuu 1979 (mm) Sadanta Haihdunta Lundin keskusta Ympäröivä maaseutu Kuva 1 Sadanta ja haihdunta kaupungin keskustassa ja ympäröivällä maaseudulla Etelä- Ruotsissa (perustuu Hogland 1986). 14

16 4. VALUNTA 4.1 Valunnan määritelmä ja valunta Suomessa (Hyvärinen 1986) Vesitaseyhtälön mukaan valunta on se sadannan osuus, joka jää jäljelle kun sadannasta vähennetään haihdunta ja vesivaraston muutos. Valunnan yksityiskohtainen selvittäminen on vaikeaa, koska valunnan muodostuminen on monimutkainen, ajallisesti ja paikallisesti vaihteleva prosessi. Valunta voidaan jakaa kolmeen osaan: pintavaluntaan, pintakerrosvaluntaan ja pohjavesivaluntaan. Vuosivalunta maa-alueilta on Etelä-Suomessa mm ja Lapissa yleisesti mm. Suomen oloissa vuosivalunta voidaan jakaa neljään osaan: kevät-, kesä-, syys- ja talvivalunta. Lumen sulamisesta ja sulantakauden sadannasta aiheutuva kevätvalunta on Etelä-Suomessa % ja Pohjois-Suomessa % vuosivalunnasta. Lumen sulannasta elokuun loppuun ajoittuva kesävalunta on yleensä vähäistä (10 40 mm). Syyskuun alusta pysyvän lumipeitteen tuloon mennessä syntyvä syysvalunta on Etelä-Suomessa keskimäärin mm. Pysyvän lumipeitteen aikainen talvivalunta on melko vähäistä, keskimäärin alle 50 mm. Valunnan suuruus riippuu ilmastotekijöistä (mm. sademäärä, sateen intensiteetti), alueellisista tekijöistä (mm. topografia, kasvillisuus) ja ihmisen toiminnoista. Valuntaan vaikuttavia ihmisen toimintoja ovat muun muassa kuivatus ja kastelu, metsien hakkuut ja kaupunkirakentaminen. 4.2 Pintavalunta ja hulevesi Hulevedelle on useita hieman erilaisia määritelmiä. Suomessa 70- ja 80-lukujen taitteessa tehdyn Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen yhteydessä hulevesi määriteltiin seuraavasti: "Hulevesillä tarkoitetaan yhdyskuntien taajama-alueilta viemäreihin tai suoraan vesistöihin pintavaluntana joutuvia sade- ja sulamisvesiä" (Melanen 1982b). Tämän määritelmän mukaan hulevettä esiintyy vain taajamissa tai muilla rakennetuilla alueilla. Vesiensuojelun sanakirjan (Maastik & Mustonen 1988) mukaan hulevesi on englanniksi rainwater tai stormwater. Yhdysvaltalainen vesialan sanakirja Water Words Dictionary (Horton 2000) määrittelee hulevesivalunnan (stormwater runoff) myrskyn aiheuttamaksi vedeksi ja siihen liittyväksi aineeksi, joka valuu virtavesiin, järviin tai viemäreihin. Määritelmässä ei oteta kantaa siihen, syntyykö hulevesi rakennetulla vai muuntyyppisellä alueella. Swietlikin (1999) määritelmän mukaan hulevesivalunta syntyy vesisateesta, lumisateesta ja lumen sulamisesta sekä kaupunki-, maatalous- että metsätalousalueilla. - Hulevesillä tarkoitetaan yhdyskuntien taajama-alueilta viemäreihin tai suoraan vesistöihin pintavaluntana joutuvia sade- ja sulamisvesiä (Melanen 1982b). - Hulevesillä tarkoitetaan rakennettuja tai läpäisemättömiä pintoja pitkin viemäriin ja ojiin valuvia sade- ja sulamisvesiä (Kotro 2001). - Hulevesi: en: rainwater, stormwater; sv: dagvatten (Maastik & Mustonen 1988) - Stormwater Runoff - The water and associated material draining into streams, lakes, or sewers as the result of a storm (Horton 2000). - Stormwater runoff results from precipitation events, including rainfall, snowfall and snowmelt, and includes urban, industrial, agricultural and silvicultural stormwater (Swietlik 1999). - Water flowing over the land during and immediately following a rainstorm is called stormwater runoff (US EPA 1991). Tässä teoksessa hulevedellä tarkoitetaan kaupunkialueiden ja muiden rakennettujen alueiden pintavaluntavettä. 15

17 4.3 Valunnan määrä Kaupunkirakentamisen vaikutus valunnan määrään Kaupunkirakentaminen lisää yleensä valuntaa. Valunnan kolmen komponentin (pintavalunta, pintakerrosvalunta ja pohjavesivalunta) osalta kaupungistumisen vaikutukset näkyvät selvimmin pintavalunnassa. Alueen kaupungistuessa päällystettyjen ja vettä läpäisemättömien pintojen osuus kasvaa, kun kasvillisuusalueita korvataan läpäisemättömillä pinnoilla. Lisääntynyt läpäisemätön pinta-ala yhdessä valuntaa kiihdyttävien teknisten rakenteiden, kuten ojien ja sadevesiviemäreiden, kanssa lisää pintavaluntaa ja nopeuttaa pintavaluntaveden virtausta. Valunnan kaksi muuta komponenttia (pintakerrosvalunta ja pohjavesivalunta) pienenevät kaupungistumisen seurauksena, kun läpäisemättömän pinta-alan kasvu vähentää veden imeytymistä maaperään. Valuma-alueen kaupungistumisen vaikutuksia valuntaan on tutkittu muun muassa USA:ssa ja Ruotsissa. USA:n Illinois:ssa (US EPA 1990) valunnan todettiin kasvaneen 25 % alueen kaupungistumisen seurauksena. Ferguson ja Suckling (1990) tutkivat Georgialaisen (USA), kaupungistuvalla valuma-alueella virtaavan joen ali- ja ylivirtaamissa sekä alueen vuosivalunnassa 30 vuoden jaksolla tapahtuneita muutoksia. Kaupungistumisen todettiin sateisina vuosina lisänneen ja vähäsateisina vuosina vähentäneen sekä vuosivaluntaa että alivirtaamaa. Ylivirtaaman todettiin lähes kaikissa tapauksissa kasvaneen. Kasvanut ylivirtaama ja pienentynyt alivirtaama selitettiin lisääntyneellä läpäisemättömien pintojen määrällä. Vähäsateisten vuosien pienentyneen kokonaisvalunnan katsottiin aiheutuneen lisääntyneestä haihdunnasta (kappale 4.5.) Hoglandin (1986) tutkimuksessa verrattiin kaupungin keskusta-alueen ja kaupungin ulkopuolisen maaseutualueen vesitaseita Etelä-Ruotsissa. Maaseutualueella valunnan osuus oli 32 % ja kaupunkialueella 55 % vuoden mittaisen jakson sadannasta (kuva 2). Kaupunkialueella noin 75 % valunnasta oli pintavaluntaa. Sadanta ja valunta ajanjaksolla toukokuu huhtikuu 1979 (mm) Sadanta Valunta Lundin keskusta Ympäröivä maaseutu Kuva 2 Sadanta ja valunta kaupungin keskustassa ja ympäröivällä maaseudulla Etelä- Ruotsissa (perustuu Hogland 1986). Luonnontilaisilla ja maatalousvaltaisilla valuma-alueilla syntyy vain vähän pintavaluntaa. Pintavalunta lisääntyy kaupungistumisen myötä aina oleellisesti. Rakennetuilla ja päällystetyillä alueilla pintavalunnan määrä ja virtaamahuiput ovat suurempia, joten sade- ja sulamisvedet muodostavat pintavaluntaa nopeammin ja pintavalunnan ajalliset vaihtelut ovat suurempia kuin luonnontilaisilla alueilla. Ontariossa, Kanadassa, tutkittiin kaupungistumisen vaikutusta hydrologisiin komponentteihin. Pintavalunnan osuus ennen alueen ra- 16

18 kentamista oli 10 % sadannasta ja rakentamisen jälkeen hulevesiverkkoon johdetun valunnan osuus puolestaan 43 % (Control of pollution from urban runoff 1983 ref. Melanen 1986). Urbonas & Benik n (1995) mukaan pintavalunnan kasvu on tuntuvinta hyvin pienten ja usein toistuvien sateiden yhteydessä. Denverissä (USA) havaittiin, että keskimäärin kerran vuodessa sattuvan sateen aiheuttama virtaamahuippu oli kaupunkialueella 1,8 3,0 -kertainen ja keskimäärin kerran kahdessa vuodessa sattuvan sateen yhteydessä kertainen rakentamattomaan alueeseen verrattuna (Urbonas & Benik 1995) Valuntakerroin ja läpäisemättömyyskerroin Valuntakerroin kuvaa sitä, kuinka suuri osuus sadetapahtuman sadannasta tai sulantatapahtuman sulannasta muodostaa välitöntä valuntaa. Välitön valunta muodostuu pian sateen tai sulannan aiheuttamasta pinta- ja pintakerrosvalunnasta, siis siitä sadannan ja sulannan osasta joka ei pidäty interseption, painannesäilynnän eikä imeynnän muodossa. Valuntakerroin on sateen tai sulannan synnyttämän välittömän valunnan määrän (mm) ja tapahtuman sadannan+sulannan (mm) osamäärä. Läpäisemättömyyskerroin kuvaa alueen päällystettyjen eli vettä läpäisemättömien pintojen osuutta. Läpäisemättömyyskerroin on siis valuma-alueen päällystettyjen pintojen alan ja valuma-alueen pinta-alan suhde. Taulukkoon 3 on koottu erillisviemäröityjen kaupunkivaluma-alueiden perustietoja. Kuvassa 3 on esitetty taulukon 3 valuma-alueiden valuntakertoimet. Valuntakerroin vaihtelee alueen sisällä huomattavasti, esimerkiksi Meraten valuma-alueella valuntakerroin vaihtelee välillä 0,01 0,84. Keskimäärin valuntakertoimen vaihteluväli alueen sisällä oli noin 0,3. Vaihtelu johtuu muun muassa hydrometeorologisista tekijöistä. Kuvissa 4 ja 5 on esitetty USA:n kansallisen hulevesitutkimuksen (National Urban Runoff Project, NURP) tutkimusalueiden valuntakertoimia. NURP-tutkimus toteutettiin eri puolilla Yhdysvaltoja sijaitsevien kaupunkivaluma-alueiden avulla (US EPA 1999). Valuntakerroin on sitä suurempi, mitä suurempi osa valuma-alueesta on päällystetty vettä läpäisemättömillä materiaaleilla. Alueen keskimääräinen valuntakerroin on yleensä pienempi kuin läpäisemättömyyskerroin. Esimerkiksi kahdeksalla Italialaisilla kaupunkivaluma-alueella valuntakerroin oli vain muutamassa tapauksessa 150 sadantatapahtumasta yli läpäisemättömyyskertoimen (Becciu & Paoletti 1997). Taulukon 3 alueiden valuntakertoimien keskiarvo on noin 0,3 ja läpäisemättömyyskertoimien 0,45. Yhdysvaltojen kansallisen hulevesitutkimuksen valuntakertoimet ovat kuvien 4 ja 5 perusteella jonkin verran kuvan 2 valuntakertoimia suurempia, varsinkin suurilla läpäisemättömyyskertoimilla. 17

19 Taulukko 3 Kaupunkivaluma-alueiden perustietoja. pinta- sadanta-valuntatapahtumien läpäise- mättö lähde ala myys- lkm sademäärä valunta- valuma-alue (ha) kerroin (mm) kerroin Vika NOR 1 9,9 0, ,2 14,2 0,54 0,87 Luzzi ITA 2 1,9 0, ,4 22,6 0,46 0,81 Malvaccaro ITA 2 8,1 0, ,1 23,8 0,31 0,69 Fossolo ITA 2 40,7 0,75 9 2,8 87,4 0,04 0,39 Parco d Orleans ITA 2 14,3 0, ,4 30,9 0,18 0,34 Hämeenpuisto, Tampere 3 13,2 0, ,2 14,5 0,07 0,84 FIN Cascina Sala ITA 2 11,4 0, ,6 53,6 0,17 0,73 Kajaanin keskusta 3 18,5 0, ,3 22,1 0,04 0,72 FIN Linköping 3 SWE 4 3,5 0, ,7 11,7 0,19 0,50 Linköping 1 SWE , ,8 12,1 0,20 0,46 St.Marks Road GBR 1 7,3 0, ,4 13,6 0,21 0,35 Oppsal, Oslo NOR 4,6 32,8 0,43 9 1,5 14,7 0,15 0,33 Mulinu Becciu ITA 2 13,3 0,44 6 1,0 8,6 0,24 0,36 Merate ITA 2 21,9 0, ,4 62,8 0,01 0,84 Nekala, Tampere 3 14,3 0, ,3 31,3 0,02 0,57 FIN Clifton Grove GBR 1 10,6 0, ,0 6,7 0,13 0,23 Porsoberg SWE 1 13,0 0,40 7 1,4 11,0 0,12 0,21 Kontula, Helsinki 3 22,9 0, ,3 17,9 0,02 0,46 FIN East York CAN 1 155,8 0, ,5 24,3 0,21 0,48 Casal Palocco ITA 2 28,2 0, ,4 50,4 0,17 0,54 Bergsjön, Göteborg , ,1 15,1 0,18 0,36 SWE Herttoniemi, Helsinki 3 15,1 0, ,4 26,7 0,02 0,32 FIN Miljakovac YUG 1 25,5 0,35 8 2,6 19,5 0,13 0,25 Linköping 2 SWE 4 18,5 0, ,7 11,7 0,16 0,29 Malvern CAN 1 23,3 0, ,0 37,6 0,22 0,41 Livry Gargan FRA 1 253,5 0, ,5 28,9 0,06 0,28 Munkerisparken 1 6,4 0,32 8 2,6 14,5 0,28 0,36 DEN Kaukovainio, Oulu 3 40,5 0, ,5 13,0 0,04 0,20 FIN Pakila, Helsinki FIN 3 20,2 0, ,3 43,7 0,01 0,25 Floda Göteborg, SWE 4 1,8 0, ,2 8,5 0,05 0,10 18

20 Taulukko 3 jatkuu pinta- sadanta-valuntatapahtumien läpäise- mättö lähde ala myys- lkm sademäärä valunta- valuma-alue (ha) kerroin (mm) kerroin Sample Road USA 1 23,0 0,19 6 6,5 57,2 0,12 0,24 Miskolc HUN 1 25,2 0,16 6 4,3 26,0 0,15 0,41 Pompano Beach 1 16,5 0,06 6 7,0 33,3 0,04 0,18 USA Uimahalli, Vaasa 5 20,1 3 7,4 11,2 0,26 0,39 FIN Vankila, Vaasa FIN 5 10,5 5 2,3 11,2 0,15 0,22 Faros, Vaasa FIN 5 13,0 5 2,3 11,2 0,21 0,30 Lähteet: 1 Maksimovic & Radojkovic 1986 ref. Becciu & Paoletti Calomino & Paoletti 1994 ref. Becciu & Paoletti Melanen & Laukkanen Arnell Kannala Selthun Valuntakerroin Läpäisemättömyyskerroin Kuva 3 Taulukon 3 kaupunkivaluma-alueiden valuntakertoimet. 19

21 Kuva 4 USA:n kansallisen hulevesitutkimuksen (NURP) 44 pienen valuma-alueen valuntakertoimet (perustuu Schueler 1987 ref. Schueler 1995). Kuva 5 USA:n kansallisen hulevesitutkimuksen (NURP) valuma-alueiden valuntakertoimet (perustuu Urbonas et al ref. Urbonas & Roesner 1993). 20

22 4.3.3 Hulevesivalunnan määrä Suomessa Suomessa kaupunkihydrologiaa on tutkittu laajimmin vuosina valtakunnallisen hulevesitutkimuksen yhteydessä (Melanen 1982a). Tutkimus suoritettiin seitsemällä kaupunkialueella, neljässä eri puolella Suomea sijaitsevassa kaupungissa. Tutkimusalueet pyrittiin valitsemaan siten, että ne edustaisivat mahdollisimman hyvin erilaisia maankäyttötyyppejä, toimintoja ja ilmastollisia olosuhteita. Tutkimusalueiden ominaisuuksia on esitetty taulukossa 4. Alueista vähiten kaupungistunut oli Pakilan pientaloalue (lähiö) Helsingissä, jossa päällystettyjen (läpäisemättömien) pintojen osuus oli 29 % valuma-alueesta. Kaupungistunein oli Tampereen Hämeenpuiston asunto- ja liikekorttelialue, jossa päällystettyjä pintoja oli 67 % valuma-alueesta. Päällystetyt pinnat käsittivät kaikki valuma-alueella olevat katetut pinnat riippumatta siitä, olivatko ne suoraan viemäriverkkoon yhdistettyjä. Kaikilla seitsemällä tutkimusalueella oli erillisviemäröinti. Taulukko 4 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen tutkimusalueet (Melanen 1982b). Paikka- Alue Maankäyttö- Valuma- Asukas- Päällystettyjen kunta tyyppi alueen tiheys pintojen osuus pinta-ala (as ha -1 ) pinta-alasta (ha) (%)* Helsinki Herttoniemi liikennealue 14,7 0 ** 35 (23) 22, (38) Helsinki Pakila pientaloalue 20, (23) Tampere Nekala teollisuusalue 14,2-40 (31) Tampere Kajaani Helsinki Kontula asuntokerrostaloalue Hämeenpuisto Kajaanin keskusta keskusta-alue 13, (67) keskusta-alue 18, (57) Oulu Kaukovainio asuinkerrostaloalue 40, (23) * suluissa oleva luku osoittaa suoraan hulevesiverkkoon yhdistettyjen päällystettyjen pintojen osuuden ** liikennemäärä ajoneuvoa vuorokaudessa Sulan kauden aikana sadantaa mitattiin kullakin tutkimusalueella jatkuvatoimisesti, pakkas- ja sulantakauden aikana sadannan mittausta ei tehty. Tutkimusalueiden hulevesivirtaama mitattiin sadevesiviemärin purkukohdassa sijaitsevasta kaivosta. Helsingin Herttoniemessä virtaamamittarina oli kolmiomittapato, muilla alueilla käytettiin putkiventureita. Sadanta- ja hulevesivaluntamittausten perusteella laskettiin sadantavaluntatapahtumien valuntakertoimet. Tapahtuman valuntakerroin määriteltiin sadantavaluntatapahtuman synnyttämän välittömän valunnan määrän (mm) ja tapahtuman sademäärän (mm) osamääränä. Huipun valuntakerroin määriteltiin valunnan virtaamahuipun (mm h -1 ) ja siihen liittyvän sateen viiden minuutin sadehuipun (mm h -1 ) osamääränä. Tau- 21

23 lukkoon 5 on koottu Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen sadanta-valuntatapahtumien valuntakertoimet ja taulukkoon 6 sadanta-valuntatapahtumien huipun valuntakertoimet. Taulukko 5 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen (Melanen 1982b, Melanen & Laukkanen 1981) sadanta-valuntatapahtumien valuntakertoimet. Alue Sadanta-valuntatapahtuman 0,35 4,06 26,7 0,010 0,71 5,99 0,020 0,132 0,322 Kontula 0,25 3,26 17,9 0,010 0,77 8,01 0,017 0,182 0,458 Pakila 0,25 3,70 43,7 0,004 0,49 5,80 0,011 0,098 0,251 Nekala 0,25 3,54 31,3 0,010 0,97 11,1 0,021 0,209 0,573 0,20 2,16 14,5 0,020 1,10 10,1 0,068 0,392 0,842 Kajaani 0,30 2,74 22,1 0,020 1,15 10,9 0,035 0,329 0,716 sademäärä (mm) välitön valunta (mm) valuntakerroin pienin keskiarvo suurin pienin keskiarvo suurin pienin keskiarvo suurin Herttoniemi Hämeenpuisto Kaukovainio 0,50 3,47 13,0 0,020 0,49 2,28 0,035 0,125 0,200 22

24 Taulukko 6 Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen (Melanen 1982b, Melanen & Laukkanen 1981) sadanta-valuntatapahtumien huipun valuntakertoimet. Alue Sadanta-valuntatapahtuman viiden minuutin sadehuippu (mm h -1 ) pieniarvo keski- suurin 0,85 8,48 39,1 0,02 0,80 5,49 0,010 0,083 0,212 Kontula 0,98 8,10 34,8 0,03 1,16 6,02 0,007 0,117 0,336 Pakila 0,76 6,40 45,8 0,02 0,51 3,07 0,010 0,074 0,168 Nekala 0,45 7,08 34,8 0,03 1,25 7,67 0,011 0,139 0,563 0,60 6,06 37,2 0,08 2,24 19,40 0,044 0,288 0,788 Kajaani 1,07 4,87 21,6 0,10 1,19 6,34 0,017 0,254 0,520 virtaamahuippu huipun valuntakerroin (mm h -1 ) pieniarvo keski- suurin pienin keskiarvo suurin Herttoniemi Hämeenpuisto Kaukovainio 1,10 6,79 36,4 0,04 0,36 1,98 0,009 0,066 0,137 Kuvassa 6 on esitetty Valtakunnallisen hulevesitutkimuksen tutkimusalueiden valuntakertoimet. Kaikilla alueilla valuntakerroin vaihteli voimakkaasti. Tutkimuksessa todettiin, että alueen päällystettyjen pintojen osuus määrää selvästi sadanta-valuntatapahtuman valuntakertoimen suuruuden. Kaikilla tutkimusalueilla valuntakerroin oli yleensä pienempi kuin päällystettyjen pintojen osuus eli läpäisemättömyyskerroin. Useimmissa sadantatapahtumissa valuntakerroin oli jopa pienempi kuin suoraan sadevesiviemäriverkostoon yhteydessä olevien päällystettyjen pintojen osuus. Kannala (2001) tutki Vaasan keskustan hulevesiä kolmella valuma-alueella. Tutkimuksen tavoitteena oli hulevesien aiheuttaman kuormituksen vähentäminen. Valuma-alueiden pinta-alat ja teoreettisesti maankäyttömuotojen perusteella määritetyt valuntakertoimet olivat: 20 ha ja 0,46; 10,5 ha ja 0,48 sekä 13 ha ja 0,52. Viiden sadetapahtuman yhteydessä mitattujen sadantojen ja hulevesivaluntojen perusteella lasketut valuntakertoimet olivat vastaavasti 0,26 0,39; 0,15 0,22 ja 0,21 0,30. Mittauksiin perustuvat valuntakertoimet olivat selvästi teoreettisesti määritettyjä valuntakertoimia pienemmät: keskimääräinen mitattu valuntakerroin oli 0,27 ja teoreettinen 0,48. 23