Luonnonmukainen vesirakentaminen maatalousuomissa: menetelmiä ja Ritobäckenin demokohteen esittely

Transkriptio

1 Luonnonmukainen vesirakentaminen maatalousuomissa: menetelmiä ja Ritobäckenin demokohteen esittely Luonnonmukainen peruskuivatus - Opintoretki Uudellemaalle DI Kaisa Västilä

2 Sisältö Miksi luonnonmukaista vesirakentamista maatalousuomiin? Luonnonmukaisen vesirakentamisen menetelmiä maatalousuomiin Luonnonmukaisen peruskuivatuksen demokohde Ritobäcken: 2-tasouoma ja kasvillisuuden vaikutukset virtaukseen ja eroosioon/kasautumiseen Luento perustuu väitöstutkimukseeni, jota ohjaa TkT Juha Järvelä Aalto-yliopistosta (luonnonmukaisen vesirakentamisen tutkimuksesta tarkemmin: ) Luennon valmistelussa on käytetty lähteenä mm. SYKE:n julkaisemaa kirjallisuutta (lähteet lopussa)

3 Miksi luonnonmukaista vesirakentamista maatalousuomiin?

4 Eri maankäyttömuodoilla ja vesirakentamisella on paljon vesistövaikutuksia Kuormituksen kasvu (ravinteet, kiintoaine, haitalliset aineet) Vesistöjen rakenteellinen yksipuolistuminen -> maisemakuva Eliöiden elinympäristöjen ja kulkumahdollisuuksien häviäminen -> monimuotoisuuden väheneminen Virtaama- ja vedenkorkeusolosuhteiden muuttuminen -> eliöiden elinolosuhteet Liiallinen eroosio tai kiintoaineksen kasautuminen, luiskasortumat -> kaikkia näitä vaikutuksia esiintyy yleisesti myös maatalouden peruskuivatusuomissa

5 Kiinnostusta luonnonmukaiseen vesirakentamiseen ovat lisänneet -Tarve vesistövaikutusten hillintään -Tarve kustannustehokkaisiin, pitkäikäisiin ja vähän kunnossapitoa vaativiin vesivarojen käyttöön ja hallintaan liittyviin ratkaisuihin Raskaat tekniset ratkaisut voivat olla kalliita eivätkä välttämättä toimivia. Vesirakentamisessa voidaan hyödyntää luonnon rakenteita ja toimintoja. -> Luonnonmukaisella vesirakentamisella pyritään - säilyttämään tai palauttamaan vesistöjen monimuotoisuus, tai - turvaamaan vesivarojen käyttö ja hallinta siten että vesistövaikutukset ovat mahdollisimman pienet

6 Maatalousuomat ovat tärkeitä paitsi peruskuivatuksen takia, myös ekologisesti Etelä-Suomen puroista luonnontilaisia vain 2%, luonnontilaisia tai luonnontilaisen kaltaisia 2-7% Natura-luontotyyppi: pienet joet ja purot Kalataloudellinen merkitys (mm. taimen ja muut kalat) Vaikuttavat suoraan alapuolisiin vesistöihin (esim. kiintoaineen kulkeutuminen) Moni valtaoja on alunperin ollut luonnontilainen noro/puro Kaivetutkin valtaojat voivat kehittyä luonnontilaisen kaltaisiksi

7 Uomaekosysteemin kannalta tärkeää Monipuoliset elinympäristöt (virtapaikat-suvannot, monipuolinen pohja-aines, syvyysvaihtelu, vaihteleva uomageometria, kasvillisuus, kuollut puuaines) Dynaamisuus (ali-/ylivirtaamat, sedimenttiprosessit) Veden laatu (kiintoaine, ravinteet, torjunta-aineet ym.) Ritobäcken Sipoonkorven kansallispuistossa Ritobäckenin latvoilta

8 Maatalousuomien tyypillisiä ongelmia Elinympäristöjen yksipuolisuus Umpeenkasvu, liettyminen Varjostavan puuston vähäisyys Uomien uudelleen perkaus Luiskien ja pohjan eroosio

9 Valuma-alue vaikuttaa olennaisesti ojan tai puron veden laatuun Valuma-alueen maankäyttö ja viljelytekniset ratkaisut säätelevät vesistöihin tulevaa kuormitusta Vesistökuormitusta voidaan vähentää - pitämällä huolta maaperän rakenteesta, humuspitoisuudesta ja biologisesta toiminnasta (viljelykierto, eloperäisten lannoitteiden käyttö, pellon hyvä vesitalous) - alentamalla kasvukauden ulkopuolista kuormitusta (alus- ja kerääjäkasvit, peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys, lannoituksen huolellinen suunnittelu) - sitomalla pelloilta huuhtoutuneita ravinteita ja kiintoainetta suojakaistoihin, kosteikoihin ja laskeutusaltaisiin

10 Luonnonmukaisen vesirakentamisen menetelmiä maatalousuomiin

11 Luonnonmukaisessa vesirakentamisessa huomioitavia tekijöitä Uomien linjaus -> suoristamisen välttäminen, mutkittelu Poikkileikkaus -> syvyys- ja leveysvaihtelu Sopiva luiskakaltevuus riippuu maaperästä Kasvillisuus luiskissa ja pientareilla; liiallista kasvillisuutta tulee/voidaan aika ajoin poistaa Kivet, kuollut puuaines ja monipuolinen pohjamateriaali Tiettyjen elinympäristöjen (esim. kutualueiden) palauttaminen

12 Veden laadun parantaminen: kosteikot, laskeutusaltaat ja suojakaistat Rantamo-Seitteli Kosteikoiden suunnittelusta: Puustinen ym Hovi

13 Uudelleenperkauksesta ekologisempiin kuivatustilaa ylläpitäviin ratkaisuihin Kun luonnontilainen uoma (A) perataan ja levennetään (B), se tyypillisesti liettyy ja umpeenkasvaa ajan kuluessa (C) -> vedenjohtokykyä voidaan uudelleenperkaamisen sijaan parantaa kaivamalla uoman reunaan tulvatasanne (D) tai kaivamalla uusi alivesiuoma umpeenkasvaneeseen pohjaan, jolloin muodostuu kaksitasouoma (Kuva: Näreaho ym. 2006)

14 Luonnonmukaisten kaksitasouomien konsepti (Näreaho ym. 2006) Pienilläkin virtaamilla vesisyvyys ja virtausnopeus pysyvät kohtalaisina; tulvatasanne tarjoaa paljon kapasiteettia suurilla virtaamilla Monimuotoisemmat elinympäristöt ja mahdollisesti parempi vedenlaatu kuin perinteisessä puolisuunnikkaan muotoisessa uomassa; tulvatasanneyhteys Vähemmän kasautumista pääuomaan: uomat voivat pysyä kunnossa vähemmällä ylläpidolla

15 Luonnonmukaiset eroosiosuojaukset Menetelmien kuvauksia: Jormola ym Rantojen suojaus kivillä, pohjakynnykset Ruohomaisen kasvillisuuden kylväminen Oksakate, pajumatto ym. Puuntaimien istutus Risunki Pajupistokkaat

16 Elinympäristöjen palauttaminen: kalataloudelliset kunnostukset pienissä puroissa Uudenmaan ELY:n ja SYKE:n kunnostukset mm. Longinojalla (Sarvilinna ym. 2012) Kiveäminen, soraistus, syvänteiden kaivaminen, mutkittelun lisääminen ja pohjakynnykset (Näreaho ym. 2006)

17 Tärkeitä maatalousuomien suunnittelussa huomioitavaa tekijöitä Vedenjohtokyky - virtausvastus (Manningin n / kitkahäviökerroin f) -> vedenkorkeus, virtausnopeus Alivedenkorkeudet -> eliöiden elinolosuhteet Sedimenttiprosessit ja valuma-alueelta tuleva kiintoainekuorma -> uomien morfologinen kehitys, veden laatu (Ravinteiden pidättyminen/vapautuminen)

18 Luonnonmukaisen peruskuivatuksen demokohde Ritobäcken: 2-tasouoma ja kasvillisuuden vaikutukset virtaukseen ja eroosioon/kasautumiseen

19 3-vuotisen maastotutkimuksen tavoitteet Identifioida valuma-aluetasolla tärkeimmät kiintoaineen lähteet ja prosessit luonnonmukaisessa peruskuivatusuomassa Selvittää tulvatasannekasvillisuuden ominaisuuksien vaikutus virtausvastukseen ja uomaeroosioon/- sedimentaatioon 3 vuoden aikana -> parametreja vastaavien uomien suunnitteluun ja ehdotuksia tarvittavista uomien ylläpitotoimenpiteistä

20 Ritobäcken: luonnonmukainen maatalouden peruskuivatusuoma Sipoossa Valuma-alue 10 km 2 : 13% viljelyalueita, loppu pääosin metsiä ja soita Laskee Sipoonkorven kansallispuiston kautta Byabäckeniin ja edelleen Sipoonjokeen Maaperä savista, uoma-aineksesta savea n % Uudenmaan ELY (Harri Aulaskari) suunnittelutti tulvatasanteen keskivedenkorkeuteen, suunnittelu: Ympäristötekniikan insinööritoimisto Jami Aho (lisätietoa: Särkelä ym. 2011) Korkeus (m) Tulvatasanne Pääuoma Keskivedenkorkeus Etäisyys luiskasta (m) Kesä 2009 Kevät 2010 Kaisa Västilä Vesitekniikka kaisa.vastila@aalto.fi

21 Tulvatasanteen kaivu talvella 2010 Uudenmaan ELY-keskuksen Ritobäckenin kunnostuksesta tekemä esittelyvideo : &lan=fi

22 Veden sameus ja kiintoainepitoisuus kaivun aikana Kaivu nosti veden kiintoainepitoisuutta huomattavasti, mutta kaivun aikainen kiintoainekuorma oli vain n. 2% vuotuisesta kiintoainekuormasta Lisäksi hieman eroosiota paljaalta tulvatasanteelta kevättulvalla c, Särkelä ym. 2011

23 Kasvillisuuden vaikutuksia sedimenttiprosesseihin tutkitaan tulvatasanteelle perustetuilla koealoilla, joilla on erityyppistä kasvillisuutta Luonnollisesti kehittyvä kasvillisuus Laidunnurmiseos (englannin raiheinä, niittynurmikka, punanata, timotei) Koripaju (pistokkaista) Kasviton vertailualue

24 Pajupistokkaat (koripaju, Salix viminalis) 1,2 m Kesä 2011 Kevät cm

25 Menetelmät: jatkuvatoiminen sameuden ja vedenkorkeuden seuranta 2 mittausasemalla 200 m pitkällä uomajaksolla -> saadaan selville uomaeroosio/-sedimentaatio asemien välillä Alapuolinen mittausasema Sameus- ja paineanturi Kiintoainepioisuus (mg/l) Sameus (NTU) (Västilä & Järvelä 2011c, Särkelä ym. 2011) Virtaamamittaus Kaisa Västilä Vesitekniikka kaisa.vastila@aalto.fi

26 Uomageometrian, virtausvastuksen ja kasvillisuuden ominaisuuksien seuranta kasvikoealoilla 2-3 vuoden ajan Virtausvastuksen määritys vedenpinnan kaltevuudesta Uoman poikkileikkauksen mittaaminen Kasvillisuuden rakenteen ja massan ym. määritys Määritetyt kasviominaisuudet loppukesällä 2010 eri koealoilla, mm. kuivamassa Kaisa Västilä Vesitekniikka (Västilä & Järvelä 2011b)

27 2010, kevät, kasvillisuutta ei ollut vielä kylvetty Tasannekasvillisuuden korkeuden kehitys Kesä 2010 Syksy 2010, 22 cm Kevät 2011, 11 cm Syksy 2011, 57 cm Joulukuu 2011 Kevät 2012, 30 cm Kasveja ei ole voitu niittää mittausinfrastruktuurin takia!

28 Vedenkorkeus nousee kasvillisuuden kehityksen mukana Joulukuun 2011 huippuvirtaamat Syksy 2011 Kevät 2012 Kevät 2010 Vedenkorkeus 200 m päässä nousi 35 cm:llä suurimmilla virtaamilla 1,5 vuoden aikana kasvillisuuden kehittymisen takia -> tärkeää huomioida kasvillisuuden virtausvastus jo suunnitteluvaiheessa

29 Hydrauliset parametrit (Manningin n ja virtausnopeus) eri vuodenaikoina v a) Vedenkorkeus (m) Kevät Kesä Syksy Tulvatasanteen korkeus yläasemalla b) Vedenkorkeus (m) Kevät Kesä Syksy Tulvatasanteen korkeus yläasemalla Vesi nousee tasanteelle alaasemalla Manningin n (s/m 1/3 ) Keskinopeus (m/s) (Västilä & Järvelä 2011b) Virtausvastus (Manningin n) ja virtausnopeus riippuivat voimakkaasti kasvillisuuden korkeudesta ja vedenkorkeudesta. Virtausvastus oli vielä suurempi v kasvillisuuden ollessa korkeampaa. Jatkossa kehitämme yksinkertaisia tapoja arvioida kasvillisuuden virtausvastusta kasvillisuuden ominaisuuksien (mm. kasvillisuuden peittämä poikkipinta-ala suhteessa vesipinta-alaan) avulla. missä u=virtausnopeus, R=hydraulinen säde ja S=vedenpinnan kaltevuus

30 Uomaeroosio ja kasautuminen Ei juurikaan suspendoituneen aineksen nettoeroosiota kasvillisuuden kehittymisen jälkeen 200 m pituisella tutkimusalueella, edes kevättulvilla Ei merkittävää uomaeroosiota myöskään yläpuolisessa 2-tasouomassa suurin osa kiintoaineesta peräisin valuma-alueelta (pelloilta) Kiintoainetta kasautui tulvatasanteelle suurilla sameuksilla Negatiivinen nettoeroosio tarkoittaa, että uomaan kasautui kiintoainesta Net erosion (g/s), incoming SSC (mg/l) Nettoeroosio erosion Incoming Kiintoainepitoisuus SSC Discharge Virtaama Day Päivä Discharge (m 3 /s) (Västilä & Järvelä, lähetetty arvioitavaksi)

31 Havaintoja kaksitasoisten poikkileikkausten toimivuudesta: kaivu ja tulviminen Tulvatasanteen kaivussa pohjaan ei koskettu -> Kaivun aikainen kiintoainekuorma oli hyvin pieni, vain 2 % vuoden kokonaiskuormasta - pohjan säilyminen ennallaan Kaivun jälkeen kasvittomalta tasanteelta n. 3 mm eroosiota -> eroosiosuojaus voi olla tarpeen herkällä maaperällä Veden tulviminen uomasta pelloille väheni, koska uoman poikkileikkauspinta-ala kasvoi -> satotappiot vähenevät, toisaalta peltoala hieman väheni - vähentää ravinteiden mobilisoitumista pellolta?

32 Havaintoja kaksitasoisten poikkileikkausten toimivuudesta: kiintoaine Kasvillisuuden kehittymisen jälkeen ei nettoeroosiota suspendoituneen aineksen osalta; tulvatasanteelle on kasautunut kiintoainesta Tasanteelle kasautui hienoakin kiintoainesta -> alensi veden kiintoainepitoisuutta ja sameutta sadantatapahtumien aikana - myös partikkelifosforipitoisuus todennäk. aleni - kasautuvan aineksen määrä riippuu aineksen koosta ja ominaisuuksista -> ollaan parhaillaan tekemässä analyysejä kiintoaineen ja maaperän rakeisuuskäyrästä ja ominaisuuksista

33 Havaintoja kaksitasoisten poikkileikkausten toimivuudesta: uoman ylläpito Uomien uudelleenperkaustarve vähenee, kun tasanne tarjoaa riittävästi poikkipinta-alaa -> mahdolliset kustannussäästöt, ekologiset hyödyt Vedenjohtokyky pysyi hyvänä pääuomassa -> ei kasautumista pääuomaan -> vaikutukset esim. kutusoraikoiden puhtaana pysymiseen?

34 Muita tulvatasanteellisen uoman etuja Monimuotoisempi elinympäristö Tulvatasanne voi muodostaa ekologisen käytävän Tulvatasannekasvillisuuden valitseminen siten että sitä voidaan käyttää esim. rehuna tai pajutöihin

35 Muita havaintoja ja avoimia kysymyksiä? Vaikutukset liukoisiin ravinteisiin - kasvillisuus mahdollisesti pidättää ravinteita, mutta toisaalta se voi mobilisoida maaperässä olevaa fosforia - veden alle jäävä ruohomainen kasvillisuutta tulee niittää ja kerätä pois säännöllisesti Hienon kiintoaineksen prosesseja ei tunneta kunnolla eikä osata ennustaa -> saven prosessit olennaisia sameuden ja partikkelifosforin kannalta; valtaosa Etelä-Suomen maatalousalueista savikoilla? Tulvatasanteen vaikutus pääuoman eroosioon/kasautumiseen? Sedimenttiprosessien huomiointi uomien suunnittelussa, jottei aiheudu liiallista uomien eroosiota/liettymistä

36 Johtopäätökset Useat erityyppiset koekohteet osoittavat, että luonnomukaisen vesirakentamisen menetelmiä voidaan soveltaa maatalousuomissa Ritobäckenillä ei tulvimista eikä suspensioaineksen nettoeroosiota kasvillisuuden kehityksen jälkeen kiintoainetta kasautunut tulvatasanteelle Luonnonmukaiset maatalousuomat voivat sekä parantaa peltojen kuivatustilaa että vähentää maankuivatuksen vesistövaikutuksia Kasvillisuuden ja muiden luonnonmukaisten elementtien vaikutus virtausvastukseen ja vedenkorkeuksiin voidaan arvioida uoman suunnitteluvaiheessa Sedimenttien ja maaperän ominaisuuksien huomioiminen uomien suunnittelussa parantaa uomien kunnossapysymistä

37 Lähteitä ja lisälukemista Jormola, J., Harjula, H. & Sarvilinna, A. (toim.) 2003 Luonnomukainen vesirakentaminen Uusia näkökulmia vesistösuunnitteluun. Suomen Ympäristö 631. Näreaho, T., Jormola, J., Laitinen, L. & Sarvilinna, A Maatalousalueiden perattujen purojen luonnonmukainen kunnossapito. Suomen Ympäristö 52/2006. Pajula, H. & Järvenpää, L Maankuivatuksen ja kastelun suunnittelu - Työryhmän mietintö. Suomen ympäristökeskuksen raportteja 23/2007, 187 s., Suomen ympäristökeskus. Purokunnostusopas Purot elävää maaseutua. Puustinen, M., Koskiaho, J., Jormola, J., Järvenpää, L., Karhunen, A., Mikkola-Roos, M., Pitkänen, J., Riihimäki, J., Svensberg, M. & Vikberg, P Maatalouden monivaikutteisten kosteikkojen suunnittelu ja mitoitus. Suomen ympäristö 21/2007. Sarvilinna, A., Hjerppe, T., Arola, M., Hämäläinen, L. & Jormola, J Kaupunkupuron kunnostaminen. Ympäristöopas Suomen ympäristökeskus. Särkelä, A., Aulaskari, H. & Västilä, K Luonnonmukaisen kuivatushankkeen vesistövaikutukset ja uomassa tapahtuvat muutokset. Loppuraportti. Västilä, K., Jalonen, J. & Järvelä, J Sedimenttiprosessien vaikutukset luonnonmukaisten uomien suunnitteluun. Vesitalous 2011(4): Västilä, K. & Järvelä, J. 2011b Cohesive sediment dynamics in a vegetated two-stage drainage channel: the first year after floodplain excavation. Proceedings of River, Coastal and Estuarine Morphodynamics 2011 conference, 6-9 Sep 2011,Beijing. Västilä, K. & Järvelä, J. 2011c Environmentally preferable two-stage drainage channels: considerations for cohesive sediments and conveyance. Intl. J. River Basin Management. DOI: / Västilä, K. & Järvelä, J. Lähetetty arvioitavaksi, Suspended sediment transport in an agricultural two-stage channel. 8th Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics, RCEM 2013, 9-13 June, 2013, Santander. Toimitan julkaisujani pyynnöstä sähköpostitse!

38 Kiitos! Tutkimusta ovat tukeneet Suomen Akatemia, Maa- ja vesitekniikan tuki ry, Maa- ja metsätalousministeriö, Oskar Öflundin säätiö, Emil Aaltosen säätiö ja VALUE-tutkijakoulu. Kaisa Västilä Vesitekniikka Aalto-yliopisto