Lämsänjärven tilan selvitys ja kunnostusmahdollisuuksien kartoitus

Transkriptio

1 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Vesi- ja Ympäristötekniikan laboratorio Diplomityö Lämsänjärven tilan selvitys ja kunnostusmahdollisuuksien kartoitus Oulussa Tekijä: Jussi Härkönen Työn valvoja: Työn ohjaaja: Bjørn Kløve Professori Pekka Rossi Diplomi-insinööri Työn ohjaaja: Pertti Ala-aho Diplomi-insinööri

2 OULUN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Tiivistelmä opinnäytetyöstä Osasto Laboratorio Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Tekijä Työn valvoja Härkönen, Jussi Johannes Kløve, B. Professori Työn nimi Lämsänjärven tilan selvitys ja kunnostusmahdollisuuksien kartoitus Opintosuunta Työn laji Aika Sivumäärä Vesitekniikka Diplomityö Joulukuu s., 16 s., 10 liitelehteä Tiivistelmä Tässä työssä tutkittiin syitä Lämsänjärven vedenpinnan alenemiseen 2000-luvun aikana, sekä selvitettiin eri kunnostusvaihtoehtoja joilla voidaan turvata riittävä vedenkorkeus uimakaudella. Lämsänjärvi on Oulussa taajama-alueella moreeniselänteen painaumassa sijaitseva pieni järvi. Järvi on suosittu uimapaikka, jonka virkistyskäyttöarvoa on lisätty ruoppauksella, missä alkuperältään soistuneet rannat muutettiin hiekka-rannoiksi. Vedenpinnan voimakas vaihtelu on saanut alueen asukkaat ja kaupungin viranomaiset huolestumaan järven tilasta. Syyksi on epäilty järven länsipuolelle 2000-luvun alussa rakennettua pyörätietä. Työssä tutkittiin järven ja sitä ympäröivän pohjaveden vuorovaikutusta havainnoimalla pohjavedenkorkeutta alueelle asennettujen pohjaveden havaintoputkien avulla. Pohjavedenseurannan perusteella järven vedenpinta on kesän ja talven ajan ympäröivää pohjavettä ylempänä, mutta riittävän runsas lumen sulaminen tai syyssateet voivat nostaa järven pohjoispuolella pohjavedentason järven vedenpinnan yläpuolelle. Tämä näkyi myös suotautumismittauksissa joiden tulosten perusteella järven pohjoispuolella vettä virtaa maaperästä järveen ja eteläpuolella järvestä pohjaveteen. Maaperän laatua ja vedenjohtavuutta tutkittiin maaperänäytteillä ja slug-testeillä. Näytteiden perusteella maaperä lähellä maanpintaa on hiekkamoreenia ja syvemmällä silttistä hiekkaa ja hienoa hiekkaa. Slugtestien perusteella maaperän vedenjohtavuudeksi saatiin 3,3*10-6 3,2*10-7 m/s. Kaupungistumisen vaikutusta tutkittiin mittaamalla asutusalueella syntyviä hulevesimääriä jonka perusteella määritettiin mittausalueen pintavaluma. Tulosten perusteella verkosto poistaa lumen sulamisvesiä tehokkaasti ja näin estää pohjavesivaraston täydentymisen, toisaalta kesän aikana syntyvä pintavaluma ei ole pohjaveden muodostumisen kannalta merkittävä. Alueen hydrogeologisten selvitysten perusteella alueesta tehtiin pohjaveden virtausmalli, jolla mallinnettiin järven ja sitä ympäröivän pohjaveden vuorovaikutusta. Virtausmalli tehtiin GMS - ohjelmalla, jossa käytettiin ratkaisukoodina MODFLOW koodia. Virtausmallin avulla tutkittiin myös eri imeytysratkaisujen vaikutusta järven vedenpinnan muutoksiin. Sadannan ja haihdunnan vaikutusta järven vedenpintaan tutkittiin pitkällä aikavälillä sekä tutkimusjaksolla. Tulo- ja lähtöuomattomana järvenä Lämsänjärven vedenpinnan korkeus reagoi voimakkaasti sadannan ja haihdunnan muutoksiin. Alueen hydrogeologiset olosuhteet voimistavat järven vedenkorkeuden vaihtelua kuivan tai runsassateisen jakson aikana. Tutkimuksen perusteella runsassateisena aikana järvi saa vettä suoran sadannan lisäksi pohjavedestä ja pintakerrosvaluntana. Tämä voimistaa vedenpinnan nousua. Kuivana aikana vähäinen sade ei synnytä yhtä paljon pintakerrosvaluntaa, eikä nosta pohjavedenpintaa järven yläpuolelle. Alhaalla pysyvä pohjavedenpinta aiheuttaa suuremman suotautumisen sekä suuremman suotautumisalueen koska myös järven pohjoispuolisella rannalla suotautumissuunta on järvestä pohjaveteen. Tutkimuksen perusteella 2000-luvun alun vähäsateiset vuodet ovat aiheuttaneet useita vuosia kestäneen tilanteen, jossa pohjavesi on pysynyt alhaalla ja järvestä tapahtuva suotautuminen suurena. Vähäsateisten kesien aikana myös haihdunta on poistanut tavallista enemmän vettä. Tilanteen korjaamiseksi Lämsänjärven alueen pohjaveden luonnollista muodostumista tulisi lisätä imeytymistä tehostavilla hulevesiratkaisuilla. Järven vesitaseen keinotekoiseen korjaamiseen optimaalisin alue on järven pohjoispuolella, missä pinnan nostolla olisi mahdollista hidastaa kesän aikaista ulos suotautumista sekä helpottaa luonnollista pohjaveden nousua järven vedenpinnan yläpuolelle. Säilytyspaikka Oulun Yliopisto, Tiedekirjasto Tellus Muita tietoja

3 UNIVERSITY OF OULU Faculty of Technology Department Department of Process and Environmental Engineering Author Härkönen, Jussi Johannes Thesis Abstract Laboratory Water Resources and Environmental Engineering Laboratory Thesis Supervisor Kløve, B. Professor Title of Thesis An assesment of the condition of Lake Lämsänjärvi and overview of restoration possibilities Major Subject Type of Thesis Submission Date Number of Pages Water Engineering Masters Thesis December p., 16 p. 10 appendices Abstract The aim of this thesis was to find out reasons for the water level decline in Lake Lämsänjärvi in the 2000s and to determine options to restore the lake in order to maintain sufficient water level during the swimming season. Lake Lämsänjärvi is a small lake originated on a depression in a moraine ridge situated in the middle of urban residential area in the city of Oulu. It is a popular swimming place and its recreational value has been added by dredging soft sediment shores to sandy beaches. The significant fluctuation of water level in the 2000s has raised concern among the inhabitants of the area and public authority. A general assumption for the reason of the water level decline has been a pedestrian route built in the east side of the lake beginning of the 2000s. In this thesis the lake groundwater interaction was studied by observing the water table in the area with groundwater piezometers. According to the observations lake water level is above the groundwater table in the summer and winter but sufficient amount of melt water or autumn rainfall was able to raise the groundwater table above the lake water level in the north side of the lake. Results from seepage measurements verified this, inseepage area was located in the north side of the lake and outseepage area the south side from the lake. The quality and hydraulic conductivity of the soil was studied by soil samples and by slug-tests. According to the samples soil near the ground surface is sandy moraine and deeper layers were sandy loam and fine sand. According the slug-test the hydraulic conductivity of the soil was calculated to be 3,3*10-6 3,2*10-7 m/s. The impact of the urbanization around the lake was studied by measuring storm water flow in the north side of the lake and calculating the runoff from the area. According to the results the drainage system removes melt water effectively and prevents groundwater recharge but during the summer the surface runoff is not significant considering groundwater. A groundwater model was made based on the hydrogeological studies and used to model the interaction between the lake and groundwater. The modelling was done with GMS- program using the MODFLOWcode. The impacts of different infiltration methods on the lake water level were studied with the model. The effect of long term changes in precipitation and evaporation was also studied. As a lake without input or output stream the water table of lake Lämsänjärvi is sensitive to changes in annual climate. Hydrogeological circumstances in the area intensify the water table fluctuation during dry or rainy period. During rainy period in addition to direct precipitation lake gets inflow from groundwater and subsurface runoff. On dry period neither of these occur because there is not enough rain to generate subsurface runoff and to maintain groundwater table above the lake level. While groundwater table is below the lake water level outseepage occur also on the north bank of the lake. The conclusion from this study is that consecutive dry years beginning of the 2000s cause a condition where the groundwater table has remained below the lake water level. This results as a long lasting a period of constant outseepage all around the lake, while the dry climate enabled high evaporation. In order to avoid above-mentioned situations it s crucial to maintain the high groundwater table on the north side of the lake. This could be achieved by increasing natural infiltration and/or with an artificial infiltration area to raise the groundwater table. Place of Storage University of Oulu, Science Library Tellus Additional Information

4 Alkusanat Tämä työ on tehty Oulun yliopiston vesi- ja ympäristötekniikan laboratoriossa vuoden 2012 maaliskuun ja joulukuun välisenä aikana. Työ tehtiin Oulun kaupungin Yhdyskunta- ja ympäristöpalveluiden katu- ja viherpalvelut -osaston toimeksiantona. Haluan kiittää Tapio Siikaluomaa työn ohjaamisesta sekä Oulun kaupunkia mahdollisuudesta tehdä haastava ja mielenkiintoinen diplomityö. Työn teknisestä toteutuksesta vastasi myös suurelta osin Oulun Teknisen liikelaitokset mittaus- ja geotekniikka osasto, jolle haluan esittää kiitokset yhteistyöstä. Haluan myös kiittää Honkala-Lämsänjärven asukasyhdistystä aktiivisuudesta yhteisten asioiden puolesta sekä avusta ja yhteistyöstä diplomityön aikana. Haluan myös kiittää Maa- ja vesitekniikan tuki r.y:tä työn rahoittamisesta Haluan esittää suuret kiitokset Pekka Rossille ja Pertti Ala-aholle motivoivasta ja innostavasta ohjauksesta. Työn valvomisesta ja tarkastuksesta haluan kiittää myös Bjørn Kløveä. Lisäksi haluan kiittää Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorion henkilökuntaa kaikesta avusta ja neuvoista diplomityön ja opiskeluni aikana. Haluan kiittää ystäviäni, etenkin Jannea ja Villeä mukavasta opiskeluajasta sekä perhettäni tuesta ja kannustuksesta opiskeluvuosien aikana. Suurimmat kiitokseni kuuluvat kuitenkin Jaanalle, kaikesta siitä tuesta ja kannustuksesta jonka ansioista olen tästäkin työstä selvinnyt. Oulussa Jussi Härkönen

5 Liiteluettelo Liite 1. Pohjaveden havaintoputket Lämsänjärvellä vuosina Liite 2. Pohjavedenkorkeuden havainnot Lämsänjärvellä vuosina Liite 3. Lämsänjärven pohjatutkimus Liite 4. Pohjaveden havaintoputket Lämsänjärvellä 2012 Liite 5. Liite 6. Liite 7. Slug-testin laskentatiedot Maaperänäytteiden rakeisuuskäyrät Heijarikairausdiagrammi Liite 8. Lämsänjärven vedenkorkeus, sadanta ja haihdunta, vuosina Liite 9. Liite 10. Suotautumismittausten mittauspöytäkirja Hulevesivirtaaman kalibrointimittaukset

6 Lyhenteet ja merkinnät A Virtauksen poikkileikkaus (m 2 ) A Slug-testissä käytetty empiirinen vakio A l Lieriön pohjan halkaisija (m 2 ) A valuma-alue Valuma-alueen ala (m 2 ) B C t d d s E E 0 GW sisään GW ulos H h 0 hhk HkMr hksi h t I K L L w m a m l P Q Q av Q R Q sisään Slug-testissä käytetty empiirinen vakio Kokonaisvaluntakerroin Pohjavesiputken seulaosan pituus (m) Suotautumismittarin pohjan halkaisija (m) Haihdunta järvestä (mm) Haihdunta astiasta (mm) Järveen tuleva pohjavesi Järvestä poistuva pohjavesi Pohjaveden pintojen korkeusero Vedenpinnan korkeus ajanhetkellä t=0 (m) Hieno hiekka Hiekkamoreeni Hiekkainen siltti Vedenpinnan korkeus ajanhetkellä t Hydraulinen gradientti Maaperän vedenjohtavuus (m/s) Virtausmatka (m) Kaivon seulaosan korkeus (m) Näytepussin massa kokeen alussa (g) Näytepussin massa kokeen lopussa (g) Sadanta (mm) Virtaama (m 3 /s) Laskettu hulevesivirtaama (l/s) Sadetapahtuman aiheuttaman valuma (mm) Uomavirtaus järveen

7 Q ulos Q w r c1 r c2 R e r w sihk sihkmr S y t d t v v seep ρ v S Uomavirtaus ulos järvestä Virtaus kaivoon (m 3 /s) Pohjavesiputken sisäpuolen säde (m) Laskettu säde jos vedenpinta kohoaa havaintoputken siiviläosassa (m) Slug testin efektiivinen vaikutussäde (m) Säde kaivon keskikohdasta häiriintymättömään maakerrokseen (m) Silttinen hiekka Silttinen hiekkamoreeni Ominaisantoisuus Aika (d) Aika (s) Virtausnopeus (m/s) Suotonopeus (cm/d) Veden tiheys 1000 (g/l) Järven tilavuuden muutos V Veden lisäys mittauspussiin (m 3 ) W Astian vedenkorkeuden muutos GMS LPF N2000 NN PCG2 PVP Groundwater Modeling System, pohjaveden virtausmallinnusohjelma Layer Property Flow, maaperän kerrosten hydraulisten ominaisuuksien määrittelyyn käytettävä paketti GMS-ohjelmassa Korkeusjärjestelmä Korkeusjärjestelmä Preconditioned Conjugate-Gradient Method, laskunratkaisupaketti GMSohjelmassa Pohjavesiputki

8 Sisällysluettelo Tiivistelmä Abstract Alkusanat Liiteluettelo Lyhenteet ja merkinnät 1 Johdanto Hydrologinen kierto Pohjavesi Pohjavesivirtaus Järven ja pohjaveden vuorovaikutus Kaupungistumisen vaikutus hydrologiseen kiertoon Maa- ja pohjavesivarastojen ylläpitäminen kaupunkialueella Lämsänjärven tutkimusalue ja aiemmat tutkimukset Lämsänjärven ympäristön pohjavesitutkimus vuosina Maaperätutkimukset Järven kunnostusruoppaus, pohjatutkimukset ja vedenlaatu Veden lisäys ja järven vedenpinnan seuranta kesällä Menetelmät Lämsänjärven vesitase Pohjavedenpinnan ja Lämsänjärven vedenpinnankorkeuden seuranta Ilmastodata Maaperänäytteet ja kallion tason arviointi Suotautumismittaukset Maaperän vedenjohtavuuden määrittäminen slug-testillä Huleveden määrä ja valumakerroin Pohjaveden ja järven vuorovaikutuksen mallinnus... 56

9 4.8.1 Lähtötiedot ja mallinnusalueen hydrogeologiset olosuhteet Konseptuaalinen malli MODFLOW mallin hilaverkko Ajan suhteen muuttumaton virtausmalli ja mallin kalibrointi Tulokset ja tulosten tarkastelu Pohjavedenpinnan ja Lämsänjärven vedenpinnan seuranta Maaperän vedenjohtavuuden määrittäminen slug-testillä Huleveden määrä ja valumakerroin Suotautumismittaukset Järven vesitase tutkimuksen aikana Pohjaveden virtausmalli Johtopäätökset ja suositukset Yhteenveto Lähdeluettelo... 97

10 1 Johdanto Tässä diplomityössä tutkittiin syitä Oulun kaupungissa sijaitsevan Lämsänjärven vedenpinnan voimakkaaseen vaihteluun 2000-luvun aikana sekä selvitettiin edellytyksiä eri kunnostustoimenpiteille, jotta riittävä vedenkorkeus uimakaudella voidaan turvata. Lämsänjärvi on Oulun kaupunkialueen suosituimpia uimapaikkoja. Kirkas ja keväällä nopeasti lämpenevä vesi sekä keskeinen sijainti taajama-asutusalueella tekevät siitä arvokkaan virkistyskäyttökohteen. Sen virkistyskäyttöarvoa on lisätty ruoppauksella, missä soistuneet rannat muutettiin hiekkarannoiksi. Järven rannalla on Oulun kaupungin ylläpitämä valvottu uimaranta. Järven vedenpinnan aleneminen 2000-luvun aikana on saanut alueen asukkaat huolestumaan järven tilasta. Syyksi on epäilty järven länsipuolella olevaa kevyenliikenteen väylää, jonka rakentamisen jälkeen järven vedenpinta on ollut tavallista alempana. Syitä vedenpinnan laskuun ei ole aiemmin tutkittu. Järven pintaa nostettiin kesällä 2011 lisäämällä järveen 3500m 3 vesijohtovettä. Lämsänjärven ja sitä ympäröivän pohjaveden vuorovaikutusta tutkittiin havainnoimalla pohjavedenkorkeutta alueella asennettujen havaintoputkia avulla. Maaperän ja järven välisen virtauksen eli suotautumisen suuntaa, voimakkuutta ja alueellista jakautumista tutkittiin suotautumismittauksin. Mittaukset toistettiin tutkimuksen aikana kaksi kertaa, keväällä lumen sulamisen jälkeen ja loppukesästä suurimman haihdunnan aikaan. Lämsänjärven ympäristön maaperää tutkittiin ottamalla maaperänäytteitä 1, 5 ja 10 metrin syvyydestä. Maaperän vedenjohtavuutta tutkittiin slug-testillä, joka tehtiin pohjavesiputkissa. Kaupungistuminen vaikuttaa hydrologisiin olosuhteisiin aikaistamalla lumen sulamista lisäämällä pintavaluntaa, vähentämällä pohjaveden muodostumista ja pienentämällä haihduntaa. Pohjaveden muodostumisen kannalta tärkein tapahtuma on keväinen lumen sulaminen. Kaupungistumisen vaikutusta pintavaluntaa ja pohjavedenmuodostumiseen tutkittiin mittaamalla Lämsänjärven pohjoispuoliselta alueelta syntyvää hulevesivirtaamaa. Tämän perusteella arvioitiin alueella syntyviä hulevesimääriä sekä rakentamisen vaikutusta pohjaveden muodostumiseen. Syntyvien vesimäärien perusteella arvioitiin huleveden käyttömahdollisuuksia järven vesitasetta korjaavaan imeytysratkaisuun. 10

11 Hydrogeologisten selvitysten perusteella alueesta tehtiin virtausmallinnus. Virtausmallissa tutkittiin alueen pohjaveden virtaussuuntia sekä pohjaveden ja järven vuorovaikutusta. Mallin avulla kokeiltiin myös keinotekoisen imeytysratkaisun vaikutusta Lämsänjärven vedenpintaan sekä ympäröivän alueen pohjavedenpintaan. 11

12 2 Hydrologinen kierto Maapallon vesi on jatkuvassa kiertokulussa meren, ilmakehän ja mantereiden välillä. Ilmakehään haihtunut vesi tiivistyy ja sataa vetenä ja lumena maan pinnalle (Kuva 1). Osa sateesta haihtuu välittömästi takaisin ilmakehään. Haihtumista tapahtuu kasvien pinnoilta, vesistöistä, jään ja lumen pinnalta sekä maaperästä. Maan pinnalla vesi synnyttää pintavaluntaa, joka virtaa puroissa ja joissa päätyen lopulta mereen. Maahan imeytyneestä vedestä syntyy maa- ja pohjavesivalumaa. Maa- ja pohjavedestä tietty osuus palautuu kapilaarivoimien eli maan imuvoiman ja kasvien vaikutuksesta takaisin maan pinnalle. Tämä vesi haihtuu kasvien lehtien kautta takaisin ilmaan. Osa vedestä virtaa pohjavetenä syvemmällä maaperässä, josta se aikanaan purkautuu pintavesistöihin, kuten jokiin, järviin ja lähteisiin. (Korkka-Niemi&Salonen 1999) Kuva 1. Veden kiertokulku. (Korkka-Niemi&Salonen 1999) Kuusiston (1986) mukaan sateet voidaan jakaa 3 perustyyppiin, ilmankohoamisen syyn perusteella; sykloniseen, konvektiiviseen ja orografiseen sateeseen. Sykloninen sade syntyy kylmän ja lämpimän ilmamassan törmätessä. Konvektiiviset sateet syntyvät kuumina kesäpäivinä kun lämmenneen maanpinnan yläpuolella oleva ilmamassa lämpenee, kohoaa nopeasti, tiivistyy ja aiheuttaa sadetta. Konvektiiviset sateet ovat 12

13 rankempia, alueellisesti suppeampia ja lyhytkestoisempia kuin sykloniset sateet. Vaikka Suomen sateista suurin osa on synnyltään syklonisia rintamasateita, kesän sateista merkittävä osa on konvektiivisia sateita. Vuosittainen sademäärä Suomessa vaihtelee mm välillä. Pohjois-Pohjanmaan rannikkoseudulla vuosisadanta on keskimäärin noin 500 mm. Tavallisesti sateisin kuukausi rannikolla on elokuu, jolloin sataa mm, toisaalta myös heinä- ja syyskuu ovat runsassateisia. Vähäsateisinta on puolestaan helmi- tai huhtikuussa, jolloin sataa mm. Vuotuisesta sademäärästä Oulun alueella saadaan lumena n %. (Kersalo & Pirinen 2009). Sademittauksissa käytetyillä sadantamittareilla ei pystytä mittaamaan tarkasti todellista sadantaa. Nykyisin sadantamittauksissa käytetyillä Tretjakovin mittareilla, sadantaarvot ovat sateen laadusta, tuulesta ja mittarin sijainnista riippuen % todellista sadetta pienempiä. Ilmatieteenlaitoksen sademittauksissa Tretjakovin mittari on ollut käytössä vuodesta 1981 lähtien. Sitä aiemmat mittaukset on tehty Wildin sademittarilla. Sademittauksen virhe kasvaa erityisesti talvella, kun sade tulee lumena. Sademittarin aiheuttaman vääristymän vuoksi sadantatuloksia joudutaankin korjaamaan korjauskertoimella. (Kuusisto 1986, 34; Reuna 2007, 153) Haihdunta vaikuttaa olennaisesti pohjaveteen imeytyvään vesimäärään. Haihdunnan suuruus riippuu ennen kaikkea lämpötilasta ja tuulesta. Suomessa kokonaishaihdunta on keskimäärin puolet sadannasta. Vuosittaisesta haihdunnasta yli puolet tapahtuu kolmen kesäkuukauden aikana. Luonnossa vettä haihtuu vapaasta vedenpinnasta, maanpinnalta, kasvien juuri-varsi-lehti systeemin kautta sekä suoraan kasvien pinnoille jääneestä vedestä. Kasvin soluhengityksen seurauksena tapahtuvaa haihduntaa sanotaan transpiraatioksi ja vapaasta vedenpinnasta tapahtuvaa haihduntaa kutsutaan evaporaatioksi. Kesäkaudella sateesta kasvuston pinnoille pidättyneen ja siitä suoraan haihtuneen veden haihduntaa kutsutaan interseptiohaihdunnaksi. Haihdunnan määrään vaikuttaa keskeisesti haihduntaan käytettävissä olevan veden määrä. Veden pinnasta tapahtuvaan haihduntaan vettä on jatkuvasti saatavilla, ja haihduntaa rajoittavat ainoastaan energia ja ilmastotekijät. Maalta tapahtuvassa haihdunnassa haihduntaa rajoittaa saatavilla oleva vesimäärä. Haihdunta hidastuu jos syvemmältä maaperästä ei nouse vettä samassa suhteessa kuin mitä maan pinnalta haihtuu. Näin maan pinnalle syntyy kuiva kerros, joka estää haihtumista tehokkaasti. 13

14 Suomessa luonnontilaisella maa-alueella haihdunnan osuus on noin 40 % vuosittaisesta sateesta. (Vakkilainen 1986, s. 64; Melanen 1986, s. 410; Tornivaara-Ruikka 2006, s. 11) Suomessa haihdunnan mittaukseen käytetään Class-A astiahaihduntamittaria. Se on pyöreä, galvanoidusta teräksestä valmistettu astia, jonka halkaisija on 122 cm ja vesisyvyys 20 cm. Mittari asennetaan maahan 15 cm korkuisen puutelineen päälle. Mitta-astiasta tapahtuva haihdunta lasketaan vähentämällä sadannasta vedenpinnan muutos (1) missä E 0 on haihdunta astiasta P on sadanta W on astian vedenkorkeuden muutos (1) Haihduntamittauksia tehdään Etelä- ja Keski-Suomessa toukokuun alusta syyskuun loppuun. Pohjois-Suomessa mittauskausi on noin kuukautta lyhyempi. Koska astia poikkeaa ympäristöstään värin, lämpötilan ja aerodynamiikan puolesta, joudutaan mitatut tulokset korjaamaan kokeellisesti määritetyllä kertoimella. (Järvinen 2007, 44) Maahan sataneesta vedestä osa pidättyy kasveihin ja osa imeytyy maaperään. Tietty osaa sateesta muodostaa valuntaa. Valunta voidaan jakaa pintavaluntaan, maavesivaluntaan ja pohjavesivaluntaan. Eri valuntakomponenttien osuudet riippuvat alueellisista tekijöistä, kuten maaperän laadusta ja maanpinnan kaltevuudesta sekä sateen voimakkuudesta. Voimakkaalla sateella maaperä ei ehdi imeä kaikkea vettä ja muodostuu pintavaluntaa. Kalliokkoisella alueella, jossa esiintyy korkeuseroja, pintavaluntaa muodostuu huomattavasti enemmän kuin tasaisella alueella, jossa maaperä imee hyvin vettä. Luonnontilaisella alueella pintavaluntaa tapahtuu merkittävästi ainoastaan keväällä lumien sulaessa. Tällä alueella pintavalunta on noin 10 % ja maa- ja pohjavesivalunta noin 50 % sadannasta. (Mälkki 1999) 2.1 Pohjavesi Pohjavedellä tarkoitetaan maaperässä vettä läpäisemättömän kallion tai erittäin tiiviin maakerroksen päällä olevaa vettä, joka täyttää kiinteän maa-aineksen rakoihin jäävään tyhjän tilan. Tätä avointa tilaa sanotaan huokostilavuudeksi. Maaperän kiinteän 14

15 aineksen laatu määrittää sen, kuinka paljon huokostilaa maaperässä on. Veden kyllästämää vyöhykettä sanotaan pohjavesivyöhykkeeksi Varsinaisen pohjavesivyöhykkeen yläpuolella voi olla myös niin sanottuja orsivesivyöhykkeitä, jotka muodostuvat tiiviin maakerroksen päälle. (Mälkki 1986, 101; Mälkki 1999, 32). Pohjavesivyöhykkeessä vesi virtaa muodostumisalueilta kohti purkautumisalueita. Pohjavesivaraston muodot määräytyvät sadannan ja haihdunnan, sekä alueen geologian perusteella. Alueen sadanta, haihdunta, pinnanmuodot, vedenjohtavuus sekä muodostumis- ja purkautumisalueiden korkeusero määrittelevät pohjavedenpinnan kaltevuuden ja pohjavesimuodostuman kerrospaksuuden. Pitkällä aikavälillä pohjavesimuodostuman tulo- ja lähtövirtaama ovat yhtä suuret. Suomen olosuhteissa, pohjaveden pinnan korkeutta säätelee lähinnä sadanta ja haihdunta, mutta myös pintavesistöjen vedenpinnan vaihtelu vaikuttaa läheisiin pohjavedenpintoihin. Yleensä pohjaveden purkautumien on tasaista, ja siksi pohjavedenpinnan korkeuden vaihtelu tapahtuu pohjaveden muodostumisen rytmittämänä. Pohjaveden pinnassa veden ja ilman paine ovat yhtä suuria. Tässä rajapinnassa ja hieman sen yläpuolella vesi täyttää kaiken huokostilavuuden. Yleensä pohjaveden pinta myötäilee maanpinnan muotoja. Näin tapahtuu varsinkin moreenimaassa, missä pohjavedenpinta noudattaa topografiaa. (Korkka-Niemi & Salonen 1996; Mälkki 1999, 48) Sadannalla on luonnollisesti keskeinen rooli pohjaveden muodostumisessa, mutta pohjavesivaraston täydentymisen kannalta on olennaista sateesta pohjaveteen imeytyvän veden osuus. Imeytymisen ja pohjaveden pinnan muutoksen välillä on myös viive, jonka pituus vaihtelee tunnista ja vuorokaudesta useisiin kuukausiin. Viive riippuu mm. maan vesipitoisuudesta, maaperän vedenjohtavuudesta, pohjaveden pinnan korkeudesta sekä pohjavesialtaan muodosta. Kesällä imeytyminen on vähäisempää, koska kasvillisuus peittää maanpinnan ja olosuhteet haihdunnalle ovat otolliset. Tämän takia heinä- ja elokuun runsaat sateet eivät välttämättä saa aikaan suurinta lisäystä pohjavesivarastoon. Näin tapahtuu erityisesti silloin kun kesän lyhytkestoiset kuurosateet jakaantuvat pitkälle aikavälille ja haihdunnalle altista vettä on paljon tarjolla. Moreenimailla sateesta pohjaveteen imeytyvä vesimäärä voi olla Mälkin (1972, 103) mukaan suurimmillaan yli 50 %, mutta yleisemmin luku vaihtelee 10 ja 20 % välillä. (Airaksinen 1978, 51) Normaalissa hydrologisessa kierrossa pohjavesivarastot täydentyvät kaksi kertaa vuodessa. Keväällä lumen sulaessa ja imeytyessä maaperään sekä syksyllä kun lehtien 15

16 tippuminen ja haihdunnan pieneneminen mahdollistaa sadannan suuremman imeytymisen maaperään. Tavallisesti pohjavedenpinnat laskevat kevään sulamishuipun jälkeen tasaisesti koko kesän kunnes syksyn sateet täydentävät pohjavesivarastoa ja nostavat pohjavedenpintoja. Samoin tapahtuu alkutalvesta jolloin veden imeytyminen pohjaveteen loppuu sateen jäädessä lumeksi maan pinnalle. Tällöin pohjavedenpinnankorkeudet kääntyvät laskuun ja laskevat, kunnes keväällä lumen sulamisesta syntyvä vesi imeytyy maaperään ja täydentää pohjavesivarastoja. Pohjavedentasossa voi olla myös pidempiaikaisia muutoksia useiden peräkkäisten kuivien vuosien aikana. Airaksisen (1978, 51) mukaan on melko tavallista että, vähäsateinen kausi aiheuttaa 3-5 vuotta kestävä, jatkuvan pohjavedenpinnan alenemisen. (Korkka-Niemi & Salonen 1996, s.38) 2.2 Pohjavesivirtaus Pohjaveden virtausta kuvataan yleisesti Darcyn lain (2) avulla. (Bear 1979, 61): missä K on vedenjohtavuuskerroin A on virtausalan poikkipinta-ala I on hydraulinen gradientti Q virtaama (2) Hydraulisella gradientilla tarkoitetaan vedenpinnan kaltevuutta (Kuva 2.) ja se lasketaan kaavalla (3) missä H on pohjavedenpintojen korkeusero L on virtausmatka Darcyn laista voidaan laskea veden virtausnopeus jakamalla virtaama Q virtauksen poikkipinta-alalla A. Koska todellinen virtaus ei tapahdu koko poikkipinta-alan läpi, vaan ainoastaan maamateriaalin huokosissa, on todellinen virtausnopeus Darcyn kaavassa laskettua virtausnopeutta suurempi. Arvioitaessa maaperässä tapahtuvaa todellista virtausnopeutta on tunnettava kyseessä olevan maaperän tehokas huokoisuus. 16

17 Jakamalla Darcyn laista laskettu virtausnopeus tehokkaan huokoisuuden arvolla saadaan ns. tehokas virtausnopeus. Darcyn laki on empiirinen eli mittauksiin perustuva kaava, jonka avulla voidaan kokeellisesti määrittää vedenjohtavuuskerroin kullekin maalajille (Taulukko 1.). Vedenjohtavuuskerroin riippuu maalajin raekoosta, raemuodosta, huokoisuudesta ja tehokkaasta huokoisuudesta. Kuva 2. Darcyn lain soveltaminen. Kuvitteellinen putki edustaa tarkasteltavaa virtauksen poikkipinta-alaa A. (Korkka-Niemi & Salonen 1996) 17

18 Taulukko 1. Eri maalajeille tyypillisiä vedenjohtavuuskertoimia. (muokattu Suomen ympäristökeskus 2010) Maalaji Vedenjohtavuus Kokonaishuokoisuus Ominaisantoisuus K [m/s] [%] Sy [%] Sora Karkea sora > Keskikarkea sora Hieno sora Hiekkainen sora Hiekka Karkea hiekka Keskikarkea hiekka Hieno hiekka Siltti Karkea siltti Hieno siltti Savi < Soramoreeni Hiekkamoreeni Silttimoreeni Pohjaveden todellinen virtausnopeus riippuu maaperän vedenjohtavuudesta, pohjaveden pinnan kaltevuudesta ja maaperän huokoisuudesta. Koska edellä mainitut tekijät voivat vaihdella merkittävästi saman pohjavesimuodostuman alueella, on pohjaveden todellisesta virtausnopeudesta tehtävä vain yleistäviä johtopäätöksiä. Hienoimmissa maalajeissa kuten savessa ja savimoreenissa veden virtausnopeus on käytännössä lähes nolla. Siltti- ja hienohiekkalajitteissa tapahtuu jo pientä virtausta. Moreenimaalajeissa virtausnopeus on m/s ja hiekkamaassa m/s. Kun hiekkamaan karkeiden soralajitteiden määrä lisääntyy, kasvaa virtausnopeus (Airaksinen 1978, 72; Mälkki 1999, 38, Suomen Ympäristökeskus 2010) Virtausominaisuudet riippuvat maaperän koostumuksesta. Maaperä voi olla homogeenista, jolloin sen hydraulinen johtavuus on yhtä suuri maaperän jokaisessa kohdassa. Heterogeenisessä maassa vedenjohtavuus vaihtelee eri pisteissä. Jos maaperän vedenjohtavuus vaihtelee tietyssä virtaussuunnassa, maaperää sanotaan anisotrooppiseksi. Jos taas maaperän hydraulinen johtavuus on yhtä suuri kaikissa 18

19 virtaussuunnissa, sen sanotaan olevan isotrooppinen. Suomen olosuhteissa maaperä on usein heterogeenistä ja vedenjohtavuus parempaa vaakasuunnassa kuin pystysuunnassa. Viimeksi mainittu johtuu maaperän syntyyn liittyvästä kerroksellisuudesta. (Freeze & Cherry 1979, 30; Korkka-Niemi&Salonen 1996, 44) Vesi on sitoutunut maaperään kapillaari-, osmoosi- ja adsorptiovoimien avulla ja siksi koko vesimäärä ei poistu painovoiman vaikutuksesta. Ilmiötä kuvataan ominaispidättymisen ja ominaisantoisuuden termeillä. Mitä suurempi osa huokostilavuuden täyttämästä vedestä poistuu painovoimaisesti, sitä suurempi on ominaisantoisuus. Se ilmoitetaan usein prosentteina tilavuudesta. Jos taas suurin osa vedestä pidättyy huokosiin, ominaispidättyminen on suuri. Karkeissa maalajeissa, kuten hiekassa ja sorassa, vesi poistuu suurelta osalta painovoimaisesti. Tiiviissä maalajeissa, kuten savessa, vesi on sitoutunut maaperään tehokkaasti ja vain vähän vettä poistuu painovoimaisesti. Kapillaarisesti pidättynyt vesi on kiinnittynyt maarakeisiin veden pintajännitysvoimien avulla. Kapillaarisesti sitoutuneen veden määrään vaikuttaa maaperän raekoko. Siksi esimerkiksi savimaassa vesi ei poistu maaperästä helposti, vaikka se voi varastoida tilavuuteensa nähden paljon vettä. (Mälkki 1986, 101; Korkka- Niemi & Salonen 1996, 30 33) Kaavassa (3) kuvatun hydraulisen gradientin suuruus vaihtelee vedenjohtavuuden mukaan. Gradienttia voidaan pitää tärkeänä vedenjohtavuuden kuvaajana, joka kertoo väliaineen ominaisuuksista (Mälkki 1999, 41). Mitä huonommin maaperä johtaa vettä sitä suuremman gradientin se mahdollistaa. Mälkin (1999, 39) mukaan alle yhden promillen gradientit viittaavat hyvään tai erinomaiseen vedenjohtavuuteen ja 1-5 promillen ( ) kaltevuudet puolestaan hyvään tai melko hyvään vedenjohtavuuteen. Jos vedenjohtavuus on heikko, voi gradientti olla useita prosentteja. Yhden prosentin (%) gradientti tarkoittaa vedenpinnan alenemista yhdellä metrillä sadan metrin virtausmatkalla. Jos pohjaveden gradientti on yhden promillen ( ), vedenpinta laskee 10 cm sadan metrin virtausmatkalla. (Mälkki 1999, 95). Pohjaveden muodostumisalue kerää sade- ja pintavedet tietyltä alueelta. Pohjaveden muodostumisalueita erottavat pohjaveden jakajat, joiden kohdalla pohjavedet virtaavat eri suuntiin. Pohjaveden pintojen muutoksien myötä, pohjaveden jakaja voi siirtyä eri paikkaan (Airaksinen 1978, 50). Hydrologisessa kierrossa oleva pohjavesi on jatkuvassa liikkeessä. Liike suuntautuu pohjaveden muodostumisalueilta kohti pohjaveden purkautumisalueita. Pohjaveden virtaussuuntia voidaan arvioida tutkimalla 19

20 pohjavedenpintojen korkeuksia maahan porattujen pohjavedenpinnan havaintoputkien avulla. Pohjavesi virtaa putkeen rei itetyn siiviläosan kautta ja vedenpinta asettuu putkessa samalle tasolle ympäröivän pohjavedenpinnan kanssa. Pohjavesiputkista tehtyjen pinnankorkeushavaintojen perusteella pohjavedenpinnan korkeudelle määritetään korkeuskäyrät, jota vastaan kohtisuorasti virtaus tapahtuu. Riittävän havaintoputkiverkoston avulla voidaan hahmotella alueen pohjaveden virtaussuunnat (Kuva 3.). Kuva 3. Pohjaveden pinnankorkeuksien perusteella hahmoteltuja pohjaveden korkeuskäyriä ja veden virtaussuuntia. (Korkka-Niemi & Salonen 1996, 44) Pohjavesiesiintymät voivat olla vettä ympäristöönsä luovuttavia tai vettä ympäristöstään kokoavia. Ympäristöönsä vettä luovuttava esiintymä voi olla esimerkiksi selänne, jolta pohjavesi virtaa kohti alempaa asemaa. Vettä kokoavassa pohjavesiesiintymässä pohjavesi kerääntyy tietyltä alueelta kohti esiintymän keskustaa. Pohjavesimuodostumissa voi olla muodostumisalueiden molempia piirteitä. Vaikka muodostuma olisi vettä ympäristöönsä luovuttava, sen sisällä voi olla paikallisia vettä kokoavia vyöhykkeitä. (Mälkki 1999, 44) 20

21 Pohjaveden purkautumiskohdassa maanpinta ja pohjavedenpinta kohtaavat (Kuva 4.). Purkautumiskohta voi olla pistemäinen alue, johon on muodostunut lähde tai vesi voi tihkua maanpinnalle laajaltakin alueelta. Purkautumispaikat ovat usein kasvillisuuden tai veden peittämiä ja siksi niiden toteaminen saattaa olla hankalaa. Purkautuminen tapahtuu usein suoalueilla tai suoraan vesistöihin. Pohjaveden purkautumisnopeus ja purkautumisnopeuden vaihtelu riippuu pohjavesiesiintymän koosta ja laadusta. Harjuesiintymissä, joiden tilavuus on suuri verrattuna vuosittain muodostuvan pohjaveden määrään, purkautuminen on varsin tasaista ja purkautumisen kausivaihtelut pieniä. Moreeniesiintymissä purkautumisen kausivaihtelut voivat olla suuria. Tämä johtuu esiintymän pienestä tilavuudesta ja huomattavan suurista vuosittaisista tilavuuden muutoksista. Siksi moreenimaiden lähteet voivat kuivua kausina jolloin pohjavettä ei muodostu tai vedenpinta on alhaalla. (Mälkki 1986, 107; Mälkki 1999, 30) Kuva 4. Pohjaveden purkautumisalueilla maanpinta ja pohjavedenpinta kohtaavat. (Korkka-Niemi & Salonen 1996, 44) 2.3 Järven ja pohjaveden vuorovaikutus Vesistöjen ranta-alueilla pohja- ja pintaveden tasot ovat yleensä varsin yhtenäisiä. Pohjavedenpinta myötäilee vesistön korkeuden vaihteluja ja muutosnopeus riippuu ranta-alueen maaperän vedenjohtavuudesta (Mälkki 1986). Dingmanin (2002) mukaan järvi on yleensä aina ympäröivän pohjaveden purkautumisaluetta. Pieniin valumaalueen yläosissa sijaitseviin järviin pohjavesivirtaus suuntautuu paikallisesti pieneltä alueelta, mutta joissakin tilanteissä virtaus voi kääntyä myös järvestä pohjaveteen 21

22 (Freeze & Cherry 1979, 227). Pohjaveden suotautuminen tapahtuu pääasiassa lähellä rantaa, mutta maaperän geologinen vaihtelevuus voi muuttaa merkittävästi tulevan pohjavesivirtauksen alueellista jakautumista (Dingman 2002, 347). Järvessä voi tapahtua myös läpivirtausta, kun toiselta puolelta pohjavesi suotautuu järveen toiselta puolelta vesi suotautuu järvestä pohjaveteen. Edellä mainittu tilanne syntyy jos järvi on osa pohjavesimuodostumaa, jossa pohjavedenpinta on kalteva (Dingman 2002). Laskujoettomissa järvissä se osa vedestä, joka ei poistu haihtumalla, suotautuu ympäröivään maaperään. Suomessa etenkin pitkittäisharjujen alueilla on yleisesti järviä ja lampia joista lasku-uoma puuttuu. Tällaisissa järvissä vedenpinta yhtyy pohjavedenpintaan ja noudattaa sen pinnanvaihteluja. Joissakin paikoissa tiivis maaperä pidättää veden ja järvi voi muodostua ympäröivän pohjavesialueen yläpuolelle. Näissä tapauksissa se osa vedestä joka ei haihdu järvestä, suotautuu hitaasti tiiviin pohjamaan läpi ja valuu tiiviiden altaan reunojen yli purkautuen pohjavesivyöhykkeeseen. (Mälkki 1986) 2.4 Kaupungistumisen vaikutus hydrologiseen kiertoon Valuma-alueiden kaupungistuminen muuttaa merkittävästi hydrologisia olosuhteita. Haihdunta pienenee, koska kasvusto vähenee ja vettä läpäisemättömät pinnat ja kuivatusjärjestelmät johtavat sateena tulevan veden nopeasti pois ja näin haihduntaan jää vähemmän aikaa. Tämä estää myös veden imeytymisen maaperään ja alentaa pohjavedenpintaa. Kanadan Ontariossa tehdyssä tutkimuksessa haihdunnan osuus sadannasta ennen alueen rakentamista oli 40 % mutta alueen rakentamisen jälkeen vain 25 % sadannasta (Control of pollution from urban runoff 1983 ref. Melanen 1986, 410). Myös Etelä-Ruotsissa tehdyssä tutkimuksessa todettiin haihdunnan olevan 30 % pienempää Lundin pikkukaupungin keskusta-alueella kuin läheisellä maaseudulla (Kotola & Nurminen 2003a). Alueen rakentamisen seurauksena pintavalunta kasvaa merkittävästi ja pohjavesivalunta pienenee (Taulukko 2.). Rakentaminen muokkaa myös luonnollisia puronuomia ja vesistöjä. Hulevesijärjestelmien avulla vesien kulkua voidaan muuttaa niiden luonnollisten valuma-aluerajojen yli. (Kotola & Nurminen 2005, 12; Kuusisto et al. 2005, 47) 22

23 Taulukko 2. Läpäisemättömän pinnan vaikutus hydrologisiin osatekijöihin. (Metropolitan Council 2001) Kaupungistumisen myötä sadanta lisääntyy. Yleisesti on havaittu, että kaupungeissa sataa n % enemmän kuin ympäröivällä maaseudulla. Sadeolosuhteita parantavat kaupunkialueella saasteiden aiheuttama ilman kosteuden lisätiivistyminen, rakennusten aiheuttama ilmavirtojen pyörteisyys ja kohonneen lämpötilan aikaan saama lämmön kuljettuminen kaupungin yläpuolella. (Vakkilainen et al. 2005, Kotola & Nurminen 2003a, 16 ) Melasen ja Laukkasen (1981) mukaan tärkein tekijä pintavalunnan kasvulle on läpäisemättömien pintojen osuus valuma-alueella. Luonnontilaisella valuma-alueella voimakkain valunta saavutetaan lumien sulaessa, mutta rakentamisen jälkeen myös syksyn sateet aiheuttavat merkittävän valuntatapahtuman. Päällystettyjen pintojen määrän lisääntyminen kasvattaa pintavaluntaa erityisesti keskikesällä ja vähäsateisina aikoina, jolloin luonnontilaisella alueella ei yleensä pintavaluntaa esiinny lainkaan. Tiiviisti rakennetulla alueella sadetapahtuman aiheuttama pintavaluntapiikki on suurempi ja se syntyy nopeammin kuin väljemmin rakennetulla tai luonnontilaisella alueella. (Kotola & Nurminen 2005, 29) Lumella on merkittävä rooli pohjoisten alueiden hydrologisessa kierrossa. Keväinen sulaminen on koko vuoden merkittävin hydrologinen tapahtuma ja se on tärkein pohjavesivarastojen täydentäjä. Talven aikana kaupunkialueella tapahtuvat ihmisen toiminnot vaikuttavat huomattavasti lumen ominaisuuksiin ja lumikerroksen epätasaiseen jakautumiseen. Sulaminen alkaa ja loppuu kaupungissa aiemmin kuin maaseudulla. Luonnossa sekä lumikausi että sulamiskausi kestävät pidempään kuin kaupungissa. Aikaisempi sulaminen aiheutuu kaupunkialueen lumen epäpuhtauksista jotka alentavat lumen auringonsäteilyn heijastuskykyä, albedoa. Lisäksi rakennukset ja lumesta vapaa maanpinta lisäävät pitkäaaltoista säteilyä, joka nopeuttaa lähellä olevien lumikasojen sulamista. (Bengtsson & Westerström 1992) 23

24 2.5 Maa- ja pohjavesivarastojen ylläpitäminen kaupunkialueella Asutusalueiden hulevesien laatuun on viime vuosikymmeninä kiinnitetty entistä enemmän huomiota. Asutusalueilta ja katujen pinnoilta virtaava hulevesi kerää mukanaan kiintoainetta, ravinteita ja myrkyllisiä aineita, jotka joutuvat hulevesien mukana suoraa vesistöihin. Luonnonmukaisilla hulevesiratkaisuilla pyritään jäljittelemään veden luontaisia virtausolosuhteita, joissa luonnon omat prosessit puhdistavat hulevettä. Hulevesien luonnonmukaiset käsittelymenetelmät voidaan jakaa imeyttämis-, viivyttämis-, johtamis- sekä kosteikkokäsittelyyn. Menetelmät parantavat vesistöihin päätyvän veden laatua, pienentävät virtaamahuippuja sekä lisääntyvän imeyttämisen kautta vähentävät vesistöön päätyvän huleveden määrää. Huleveden imeyttämistä tehostavat ratkaisut ylläpitävät pohjavesivarastoja ja maan kosteustasapainoa. Luonnonmukaisista hulevesien käsittelymenetelmistä johtamis- ja imeyttämismenetelmät vaikuttavat parhaiten maa- ja pohjavesivarastojen ylläpitämiseen. (Ahponen 2005) Johtamismenetelmillä tarkoitetaan hulevesien johtamista katualueilta ja tonteilta kasvillisuuden peittämiä painanteita pitkin vastaanottavaan vesistöön (Kuva 5.). Kun hulevedet ohjataan kulkemaan kasvillisuuden peittämässä painanteessa, saadaan poistettua vedestä epäpuhtauksia sekä lisättyä veden viipymää ja imeytymistä maaperään. Virtausta ja imeytymistä voidaan tehostaa painanteiden tiiviillä kasvillisuudella, uoman poikkileikkauksen epätasaisella muodolla sekä painanteiden väliin rakennettavilla hidastus- ja imeytysaltailla. Kasvillisuus painanteet sopivat erityisesti tonttien kattovesin johtamiseen, teiden varsille putkiojien tilalle ja yhdysväyläksi muiden luonnonmukaisten käsittelymenetelmien välille. Sopivan kasvuston avulla painanteiden maaperä pysyy hyvin vettä läpäisevänä. Maaston luonnollisia, kasvuston peittämiä painanteita, voidaan myös hyödyntää edellä mainittuun tarkoitukseen. (Ferguson 1998 ref. Ahponen 2005) 24

25 Kuva 5. Maanpäällinen imeytysallas (Ahponen 2005) Jos maan pintakerros on huonosti vettä läpäisevää tai maanpäällisille imeytysratkaisuille ei ole tilaa, voidaan imeyttäminen toteuttaa sijoittamalla imeytysrakenne maan alle (Kuva 6.). Rakenteessa maahan tehty kaivanto on täytetty hyvin vettä johtavalla materiaalilla, kuten hiekalla tai soralla. Vesi johdetaan rakenteeseen vettä läpäisevän pinnan tai esimerkiksi hulevesikaivon kautta. Rakenteen imeyttämistehoa voidaan parantaa lisäämällä siihen rei itetty putki parantamaan veden jakautumista maaperään. (Ferguson 1998, ref. Ahponen 2005, 68) Huleveden imeyttämistä voidaan toteuttaa myös käyttämällä suodatinkaivoja. Suodatinkaivoille on useita eri sovelluksia. Se voi olla esimerkiksi pohjaton hulevesikaivo, jonka pohjalla on hiekkaa tai soraa, minkä läpi vesi imeytyy maahan. Suodatinkaivo voi olla myös pohjastaan reiällinen putki, josta vesi imeytyy ympärillä olevaan hiekka- tai soratäytteeseen. Suodatinkerroksen yläreunan tulisi olla vähintään 1,5 m etäisyydellä pohjavedenpinnasta. Menetelmä sopii alueille joissa vedenjohtavuus on huono. (Ahponen 2005) 25

26 Kuva 6. Maanalainen imeytysrakenne (Ahponen 2005) Yhdistämällä maanpäällinen imeytysallas ja maanalainen imeytysoja voidaan hyödyntää maanalaisen imeytysrakenteen imeytysteho ja maanpäällisen rakenteen veden puhdistusvaikutus (Kuva 7.). Vesi imeytyy altaasta alapuoliseen hiekalla tai soralla täytettyyn kaivantoon, josta se edelleen imeytyy maaperään. Kaivantoon on hyvä sijoittaa salaojaputki ylivuototilanteita varten. Ylivuodon poisjohtamisen varmistaminen on tärkeää lumen sulamisen aiheuttaman valuntapiikin vuoksi. Edellä mainittu rakenne voidaan rakentaa esimerkiksi kadun varteen ja peräkkäin sijoitetuilla rakenteilla voidaan muodostaa yhtenäinen hulevesien imeyttämislinja, jolla voidaan korvata perinteinen sadevesiviemäröinti. (Köning 1996 ref. Ahponen 2005) Kuva 7. Yhdistetty imeytysallas ja imeytysoja (Ahponen 2005) 26

27 Alueiden luonnonolosuhteiden, kuten pohjaveden, pintavesien virtausreittien ja luonnollisten imeytymis- ja purkautumisalueiden kartoitus olisi tärkeä huomioida jo asuinalueiden suunnittelun alkuvaiheessa. Jotta luonnon-olosuhteet voidaan huomioida ja hyödyntää, tulisi suunnittelun lähtökohtana käyttää valuma-alueen mittakaavaa. Näin eri rakenteet voidaan sijoittaa luonnollisesti valuma-alueen eri osiin. Imeytysrakenteet sopivat hyvin valuma-alueen yläosiin missä imeytymistä luonnollisestikin tapahtuu. Kosteikot ja viivytysaltaat sopivat puolestaan valuma-alueen alaosiin. Rakenteiden suunnittelussa on tärkeää huomioida roudan vaikutus, rakennusten perustusten kuivana pidon turvaaminen, sekä riittävä etäisyys pohjavedenpintaan. Maanalaiset imeytysrakenteet onkin syytä sijoittaa routarajan alapuolelle vähintään metri pohjavedenpinnan yläpuolelle. (Ahponen 2005) 27

28 3 Lämsänjärven tutkimusalue ja aiemmat tutkimukset Lämsänjärvi sijaitsee Oulussa Lämsänjärven kaupunginosassa pien- ja rivitaloalueiden keskellä (Kuva 8.). Järvi on pinta-alaltaan noin 3 hehtaaria (ha) ja keskisyvyydeltään 1,5 metriä (Oulun kaupungin ympäristösuojelulautakunta 1989). Lämsänjärvi on moreeniselänteiden painumaan syntynyt tulo- ja lähtöuomaton järvi, jonka vedenpinnan korkeus on keskimäärin tasossa NN+ 18,50 m. Järven valuma-alue on noin 15 ha ja se saa vetensä sadannasta, pohjavedestä ja pintavalunnasta (Oulun kaupungin rakennusvirasto 1989). Järvestä noin 700 m koilliseen virtaa Oulujoki ja lounaispuolella Kaupunginoja. Lämsänjärven vedenpinta on noin 7,5 m Oulujoen ja noin 10 m Kaupunginojan vedenpintaa ylempänä. Järvi ruopattiin talvella 1989 ja osa sen rannoista muutettiin hiekkarannaksi. Kuva 8. Lämsänjärven tutkimuskohde. Lämsänjärven vedenpinnan madaltuminen 2000-luvun aikana on huolestuttanut alueen asukkaita. Matala vedenkorkeus on vaivannut järveä etenkin uimakaudella jolloin rantaviiva on vetäytynyt useita metrejä normaalia kauemmas. Syyksi on epäilty järven 28

29 länsipuolelle vuonna 2001 rakennettua pyörätietä jonka on uskottu johtavan vedet pois järven länsipäästä. Pyörätien perustus on kokonaispaksuudeltaan 90 cm ja se alimmassa osassa on 50 cm kerroksen hyvin vettä johtavaa okto-eristettä. Eristemateriaalin alapuolella on salaojaputki, joka laskee järven länsipuolella Kastellinmäenkujalla salaojakaivoon. Järven vedenpinnan korkeuden seuranta aloitettiin vuonna Lämsänjärven kaupunginosa ja järven koillispuolella sijaitseva Knuutilankangas on rakennettu pääosin 1980-luvun alkupuolella (Kuva 9.) ja se on valmistunut 1990-luvun alkuun mennessä (Kuva 10.) luvun puolivälissä Lämsänjärven kaakkoispuolelle rakennettiin Poikkimaantie ja samassa yhteydessä järven kaakkoispuolelle Poikkimaantien alittava kevyen liikenteen alikulkutunneli. Alikulkutunnelissa on sadevesipumppaamo, josta pumpataan sadevesikaivoihin kerääntyvä hulevesi järven rannassa olevaan imeytyskenttään. Lämsänjärveä ympäröi vanhaa mäntymetsää kasvava Lämsänjärvenpuisto, jonka keskellä järven ympäri kiertää kevyenliikenteen reitti. Ainoa järven rannalla oleva rakennus on lounaispuolella sijaitseva seurakuntatalo. Oulun kaupunki 2012 Kuva 9. Lämsänjärven alue ilmakuvassa 1980 ennen asuinalueiden rakentamista. 29

30 Oulun kaupunki 2012 Kuva 10. Lämsänjärven alue ilmakuvassa vuonna 1990, kun alue on rakennettu nykyiseen tilaansa. Lämsänjärvi sijaitsee moreeniselänteen päällä (Kuva 11.). Järven ympärillä maanpinta kohoaa muutamia metrejä järven vedenpinnan yläpuolelle. Alueen korkein kohta sijaitsee Knuutilankankaalla noin 400 m järvestä itään. Eteläpuolella maanpinta laskee jyrkemmin kohti alempana virtaava Kaupunginojaa. 3.1 Lämsänjärven ympäristön pohjavesitutkimus vuosina Lämsänjärvellä tehtiin pohjaveden seurantatutkimus vuosina Tutkimuksessa seurattiin manuaalisesti mittaamalla Lämsänjärven sekä 14 järveä ympäröivän pohjavesiputken vedenpintaa keskimäärin kerran kuukaudessa (Kuva 11., Liite 1., Liite 2.). Tutkimuksen tuloksista havaittiin Suomessa tyypillinen pohjaveden korkeuden vaihtelun säännönmukaisuus, jossa pohjavedenpinta nousee keväällä ja syksyllä ja laskee kesällä ja talvella. Seurantajakson alussa Lämsänjärven vedenpinta on noussut yhtäjaksoisesti vuoden 1980 syksystä vuoden 1982 loppuun (tasosta NN+ 18,48 m tasoon NN+ 19,06 m). Kaksi seuraavaa vuotta vedenpinta on pysynyt varsin tasaisena, kunnes vuoden 1983 kesästä, vedenpinta on alkanut laskea. Vedenkorkeuden alenemista on jatkunut vuoden 30

31 1986 syksyyn, jonka jälkeen järven keskivedenpinta on noussut kaksi seuraavaa vuotta. Vuosina vedenpinta on vaihdellut välillä NN+ 18,86 m 19,16 m. Mittausjaksolla järven vedenpinta on ollut ylimmillään tasossa NN+ 19,16 m (Syksy 1987 ja kevät 1988). Kuva 11. Pohjaveden havaintoputket Lämsänjärven ympäristön pohjavesitutkimuksessa vuosina Seurannan aikana pohjavedenkorkeus on ylittänyt järven vedenpinnankorkeuden viisi kertaa. Näin on tapahtunut keväällä peräkkäisinä vuosina , sekä syksyllä Tavallisesti pohjaveden taso on pysynyt järven yläpuolella vain muutamia viikkoja. Poikkeuksena on vuosi 1980, jolloin pohjavedenpinta oli järven pinnantason yläpuolella marraskuulle asti. Tästä on seurannut vuoden 1981 tammikuun alkuun järvessä jatkunut vedenpinnan nousu. Aikoina jolloin pohjavesi on noussut järven pinnan yläpuolelle, on vedenpinnankorkeus noussut myös järvessä. Pohjavedenpintojen kohoaminen järven vedenpinnan yläpuolelle ei kuitenkaan ole toistunut vuosittain. 31

32 Lämsänjärven pohjavedenkorkeuden vuosittainen vaihtelu on ollut 1-2 m ja suurimmillaan vuosittainen vaihtelu on ollut 3,5 m (pohjavesiputki n:o 13). Alueen pohjavedenpinnan korkein kohta on Lämsänjärven pohjoispuolella (pohjavesiputket 2, 12, 11 ja 6) (Kuva 11.). Tällä alueella pohjavedenkorkeus on ylittänyt keväisin järven pinnantason. Tästä kauempana, putkien 7 ja 3a ympäristössä pohjavesi on keskimäärin 1-2 m järven alapuolella. Järven kaakkoispuolella pohjavedenpinta on pohjoispuolta alempana, mutta ajoittain se on noussut järven vedenpinnan yläpuolelle (pohjavesiputki n:o 1). Kaakkoispuolen seurantaputket sijaitsevat hieman kauempana järvestä, joten lähempänä järveä pohjavedenpinta on todennäköisesti ylempänä. Seurantajakson alin pohjavedentaso on mitattu säännönmukaisesti järven eteläpuolelta (pohjavesiputki n: 5). Järven lounaispuolella pohjavedenkorkeuden vuosittainen vaihtelu on ollut 1-2 m. Lounaispuolen seurantaputkissa vedenpinta on noussut hetkellisesti järven pinnan yläpuolelle keväällä 1984 ja syksyllä Maaperätutkimukset Oulun kaupunki on tehnyt Lämsänjärven lähialueella kolme maaperätutkimusta (Kuva 12.). Syvin maaperäkairaus tehtiin Knuutilankankaan vesitornin alustavassa pohjatutkimuksessa (näytepiste III-1983) jossa maaperänäytteet on otettu 2,5, 5 ja 7 metrin syvyydestä. Kaikki näytteet sisältävät pääasiassa silttistä hiekkaa, (Oulun kaupungin rakennusvirasto 1984) Lämsänjärven itäpuolelta otettujen maaperänäytteiden mukaan maan pintakerros on noin 2-3 metrin syvyyteen hiekkaa ja hiekkamoreenia. Järven luoteiskulmalla maaperän koostumus alempana on silttistä hiekkaa, mutta pintakerros on selvästi karkearakeisempaa maata (näytepisteet 122, 123 ja 126). Järven koillispuolella, läheltä järveä otetuissa näytteissä (120, 119 ja 118) pintamaa (0-1 m) on soraista hiekkaa. Syvemmällä maanpinnasta maaperä on hiekkamoreenia. Etäämmällä (näytteet ) maaperä on varsin tasalaatuista hiekkaa ja hiekkamoreenia. Vesitornin kairausta lukuun ottamatta kaikki esitetyt pohjatutkimukset ovat 1-3 m maanpinnasta. (Partanen 1999; Oulun kaupunki 2001). 32

33 Kuva 12. Lämsänjärven alueella tehtyjen pohjatutkimusten maaperänäytteiden näytteenottopaikat. (Partanen 1999a-c; Oulun kaupunki 2001, 1983) 3.3 Järven kunnostusruoppaus, pohjatutkimukset ja vedenlaatu Alkuperäisessä tilassaan Lämsänjärvessä on ollut paksu pohjasedimentti, joka poistettiin ruoppauksessa talvella Ruoppaus toteutettiin kuivattamalla järvi, ja kaivamalla pohjasedimentti mineraalimaahan saakka. Järven vedet tyhjennettiin Kaupunginojaan. Ruoppauksessa järven pohjasta poistettiin kaivinkoneilla m 3 liejua. Luonnontilassaan järven pohjasedimentin paksuus on kasvanut tasaisesti rannoilta kohti järven keskustaa, jossa liejukerroksen paksuus on ollut syvimmillään yli 2,5 m. Ruoppauksessa pohjasedimentti on poistettu kokonaan muualta paitsi järven keskikohdasta, jossa ruoppausta ei tehty tason NN + 15,00 m alapuolelta. Myös järven soistuneita kaakkois- ja luoteisrantoja ei ruopattu. Ruoppaustyön jälkeen pohjois- ja eteläranta muutettiin hiekkapohjaiseksi uimarannaksi (Kuva 13.). (Oulun Kaupungin rakennusvirasto 1989) 33

34 Lämsänjärven alapuolisen maaperän rakennetta on tutkittu ennen ja jälkeen ruoppauksen (Kuva 13.). Tammikuussa 1989 ennen ruoppausta tehdyissä painokairauksissa järven pohjasta otettiin kolmesta kohdasta viisi maaperänäytettä. Painokairauksen ja maaperänäytteiden perusteella järvenpohjassa on kerros savista silttiä ja silttistä hiekkaa ja tämän alapuolella on kova maakerros. Kairauspisteissä 1 ja 3 saven ja siltin muodostaman pintakerroksen paksuus oli cm, mutta järven keskellä lähes 2 m. Järven keskeltä otettiin kolme näytettä ja läheltä rantoja kairatuista pisteistä yksi näyte. Rakeisuuskäyristä (Liite 3.) voidaan havaita, että järven pohjamaa on saven ja siltin sekoitusta pohjoisrannalla ja järven keskellä syvimmässä kohdassa. Etelärannalta otetussa näytteessä maalaji oli silttistä hiekkaa, kuten kaksi ylintä näytettä järven keskellä. Kaikissa kairauspisteissä pintakerroksen alla on erittäin kova maakerros, johon kairaus on pysähtynyt. Kairaukset päättyivät pohjois- ja etelärannalla tasoihin NN+ 16,00 ja NN+ 15,95 m ja järven keskellä tasoon NN+ 13,95 m. Kairauksen lähtötaso oli järven jäänpinnan taso NN+ 18,90 m. Maaperänäytteet otettiin kovan maakerroksen päältä olevasta kerroksesta. (Partanen 1989) Järven pohjan kairaukset uusittiin ruoppauksen jälkeen tammikuussa 1990, järven ollessa vielä vedetön. Tutkimuksessa järven pohjasta otettiin maaperänäytteet kolmesta pisteestä (Kuva 13.) Kairauspisteessä 4 ylimpänä oli 30 cm kerros silttimoreenia, jonka alapuolella 1,7 m kerros savista silttiä. Keskimmäisessä kairauspisteessä (piste 5) päällä oli 30 cm silttimoreenia jonka alapuolella savista silttiä 2,8 m kerros. Ohut, 30 cm vahvuinen silttimoreenikerros jatkui myös kairauspisteessä 6, jossa savinen silttikerros oli 3,4 m paksuinen. (Oulun kaupungin rakennusvirasto 1990) 34

35 Kuva 13. Lämsänjärven pohjatutkimukset sekä Lämsänjärven rannat ruoppauksen jälkeen. Harmaalla värillä on kuvattu hiekkoitettua aluetta. Viivoitettu alue kuvaa vedenpinnan yläpuolelle jäävää ranta-aluetta, jossa hiekan kerrospaksuus on 30 cm. Muualla hiekkakerroksen paksuus on 20 cm. (Oulun kaupungin rakennusvirasto 1990) Järven soistuneita kaakkois- ja luoteisrantoja on tutkittu vanhoissa geoteknillisissä tutkimuksissa. Näistä vuoden 1966 kairauksissa molempien rantojen turvekerroksen paksuudeksi määritettiin noin metri. Soistuman alla noin metrin syvyydessä kairaus päättyi kovaan maakerrokseen. (Oulun kaupungin rakennustoimisto 1966a; Oulun kaupungin rakennustoimisto 1966b) Lämsänjärvi on kärsinyt veden happamuusongelmista ruoppauksen jälkeen. Vuosina kesäkauden ph-arvot ovat olleet välillä 3,6 4,8. Happamuusongelmien ratkaisemiseksi järvi kalkittiin Tämän jälkeen happamuusarvot ovat kohonneet tasolle ph 6,0-6,5. Lämsänjärvi on ravinnepitoisuuksien perusteella tasoltaan lievästi rehevä. Joinakin vuosina, 1990-luvulla kokonaistypen ja ammoniumtypen pitoisuudet ovat kohonneet loppukesästä huomattavan korkeiksi. (Näpänkangas 2001) 35

36 3.4 Veden lisäys ja järven vedenpinnan seuranta kesällä 2011 Lämsänjärven matalaa vedenkorkeutta korjattiin kesällä 2011 pumppaamalla vesijohtovettä järveen. Toimenpide tehtiin ja sen aikana järveen pumpattiin vettä 3500 m 3 (Siikaluoma 2012a) Pumppauksen aikana Lämsänjärven vedenpinnan korkeutta seurattiin Oulun kaupungin ja Honkala-Lämsänjärven asukasyhdistyksen toimesta. Pinnankorkeus mitattiin seurakuntatalon uimarannalle kiveen kiinnitetystä metallitapista, jonka korkeus oli määritetty tasoon NN+ 18,38 m. Vedenpinta nousi pumppauksen aikana 13 cm (Siikaluoma 2012b). Syksyn 2011 aikana järven länsipuolelle asennettiin myös pohjaveden seurantaputki (putki n:o 226). Lämsänjärven ja pohjavesiputken pinnankorkeutta on havainnoitu yhtäjaksoisesti tämän tutkimuksen alkuun saakka Oulun teknisen liikelaitoksen mittaus- ja geotekniikkaosaston toimesta. 36

37 4 Menetelmät 4.1 Lämsänjärven vesitase Järvi on vuorovaikutuksessa kaikkien hydrologisten komponenttien kanssa. Näiden hydrologisten komponenttien avulla voidaan kirjoittaa yksinkertaistettu matemaattinen vesitaseyhtälö (4). Yhtälö huomio kaikki järveen tulevat ja kaikki järvestä lähtevät vedet sekä järven tilavuuden muutoksen. Yhtälö kirjoitetaan yleisesti muotoon (4) missä S on järven tilavuuden muutos P on sadanta järven pinnalle E on haihdunta järvestä Q sisään on uomavirtaus järveen Q ulos on uomavirtaus ulos järvestä GW sisään on järveen tuleva pohjavesi GW ulos on järvestä poistuva pohjavesi Lämsänjärvessä ei ole tulo- tai lähtöuomia ja siksi termit Q sisään ja Q ulos voidaan jättää tarkastelusta pois. Näin yhtälö (4) supistuu muotoon (5) Tunnetun sadannan, haihdunnan sekä järven tilavuuden muutoksen perusteella arvioitiin tutkimusjakson aikaista järven ja pohjaveden vuorovaikutusta. 4.2 Pohjavedenpinnan ja Lämsänjärven vedenpinnankorkeuden seuranta Tutkimusta varten Lämsänjärvelle asennettiin huhtikuun alussa 10 pohjaveden seurantaputkea (Kuva 14., Liite 4.). Pohjaveden seurantaputket asennettiin 40 mm kierrekairalla tehtyyn reikään. Putket ovat sisähalkaisijaltaan 32 mm muoviputkia. Pohjavesiputki koostuu alaosan kaksi metriä pitkästä siiviläosasta ja yläpuolen umpinaisesta osasta, jonka pituus vaihtelee asennuspaikasta riippuen. Siiviläosa on 37

38 muoviputkea, jossa on 0,5 mm leveitä poikittaisia uria noin 8 mm välein. Putkia ei huuhdeltu asennuksen jälkeen. Asennuksen jälkeen putkien päiden korkeus vaaittiin NN-korkeusjärjestelmään. Viisi havaintoputkea (228, 232, 233, 236 ja 237) suojattiin lukittavalla vandaalisuojaputkella. Putkien asennuksesta, korkeuksien vaaituksesta ja manuaalisesta vedenpintojen seurannasta vastasi Oulun teknisen liikelaitoksen mittaus- ja geotekniikkaosasto. (Taskila 2012b) Kuva 14. Tutkimuksessa käytetyt pohjavesiputket, barologgeri, Lämsänjärven pinnankorkeusmittari sekä pinnankorkeuden mittauspiste. Tutkimuksen aikana pohjavedenpintoja ja Lämsänjärven vedenpintaa seurattiin automaattisilla pinnakorkeusmittareilla sekä manuaalisin mittauksin välisenä aikana. Työssä käytettiin Solinst Levelogger Model 3001 pinnankorkeusmittareita. Mittarin päässä oleva paineanturi mittaa kokonaispainetta, joka muodostuu päällä olevan vesipatsaan paineesta sekä ilmanpaineesta. Pinnankorkeusmittarin mittaamasta paineesta vähennettiin ilmanpaineen vaikutus. 38

39 Ilmanpainetta mitattiin alueelle asennetulla Solinst Barologgerilla. Ilmanpaineen vähennyksen jälkeen tuloksena saatiin pinnankorkeusmittarin päällä oleva vesipatsas. Paineenvaihtelu voidaan rinnastaa mittarin yläpuolella olevan vedenpinnan korkeudenmuutoksiin. Manuaalisten pinnankorkeusmittausten ja vaaitusten perusteella vedenpinnankorkeus määritettiin NN-korkeusjärjestelmässä. Pinnankorkeusmittareita käytettiin Lämsänjärvessä sekä neljässä pohjaveden seurantaputkessa. Lämsänjärveen asennettu mittari kiinnitettiin suojakotelossa puutolppaan, joka kiinnitettiin tukevasti järven pohjaan. Tietojen tallennusta varten mittari voitiin nostaa kotelosta, puutolpan pysyessä samassa paikassa. Pohjavesiputkiin asennetut mittarit kiinnitettiin putken yläpäähän ja laskettiin haponkestävän teräsvaijerin varassa noin 30 cm pohjavesiputken pohjan yläpuolelle. Automaattinen pinnankorkeuden mittaus aloitettiin pohjavesiputkissa ja Lämsänjärvessä Pinnankorkeusmittarit ohjelmoitiin tallentamaan pinnankorkeustietoja tunnin välein. Lämsänjärven vedenpintaa ja pohjavedenkorkeutta seurattiin myös manuaalimittauksilla. Ensimmäiset manuaalimittaukset tehtiin heti putkien asentamisen jälkeen. Pohjaveden seurantaa jatkettiin myös syksyllä 2011 asennetussa pohjavesiputkessa 226. Samoin Lämsänjärven vedenpinnan seurantaa jatkettiin seurakuntatalon rannassa olevasta mittauspisteestä. Manuaaliset mittaukset tehtiin kahden viikon välein kaikista pohjavesiputkista sekä Lämsänjärvestä. 4.3 Ilmastodata Työssä käytettiin sadanta-aineistona Ilmatieteenlaitoksen mittausasemilta (Kuva 16.) sekä Lämsänjärvelle asennetulta sademittarilta. Ilmatieteenlaitoksen mittauksia käytettiin vuosittaisten sademäärien arviointiin. Asutusalueelta tapahtuvan valuman mittauksessa tarvittiin alueellisesti tarkempaa sadantatietoa minkä vuoksi työssä käytettiin myös erillistä sademittaria. Ilmantieteenlaitoksen vuorokautiset sadetiedot ovat Oulunsalon lentokentän ja Pellonpään mittausasemalta. Lämsänjärvelle asennettu sademittari tallensi sadetiedot 5 minuutin välein. Työssä käytettiin TruTrack GP-HR TI sademittaria (Kuva 15.). Sademittarissa vesi valuu kartion pohjalla keinukuppiin, joka tietyn vesimäärän täyttyessä kallistuu. Kallistusten perusteella ohjelma laskee sademäärän ja tallentaa sadetiedot millimetreinä dataloggerille. Sademittarin runkoon 39

40 asennettiin myös ilmanpainemittari, jonka tietojen perusteella järven ja pohjaveden pinnankorkeus kompensoitiin pinnankorkeusmittareiden datasta. Kuva 15. Lämsänjärvelle asennettu sademittari. Ilmatieteenlaitoksen päivittäisiä sadantatietoja oli 1970-luvun alusta vuoden 2012 elokuun loppuun. Sadanta-aineisto oli mitattu vuosina Oulunsalon lentokentän mittausasemalla ja tätä myöhemmät sadehavainnot Oulunsalon Pellonpään asemalla. Aineistot sisälsivät korjaamattoman vuorokausisadannan. Sadanta-aineistolle käytettiin Kuusiston (1986, 35) esittämiä Pohjois-Suomeen sovellettuja kuukausikohtaisia korjauskertoimia (Taulukko 3.). Mittareiden eroista johtuen, molemmille mittarityypeille käytettiin omia kertoimia. (Ilmatieteenlaitos 2012) 40

41 Kuva 16. Työssä käytettyjen sadanta- ja haihdunta-aineistojen havaintopaikat. Taulukko 3. Sademittareille määritetyt korjauskertoimet (Kuusisto 1986, 35) 41

42 Haihdunta-aineistona käytettiin Suomen ympäristökeskuksen Ruukin mittausaseman tuloksia, jotka ladattiin Ympäristöhallinnon Hertta -järjestelmästä. Mittausasemaa ylläpitää Pohjois-Pohjanmaan ELY-keskus. Sadanta- ja haihduntatieto käytettiin järven vesitaseen määrittämiseen. Vedenpinnan korkeuden muutoksen sekä sadannan ja haihdunnan avulla, voitiin laskea pohjaveden virtaus järveen tai ulos järvestä. Sade- ja haihduntatietojen avulla tutkittiin myös sään pitkäaikaista vaihtelua, joka on voinut vaikuttaa järven vedenpinnan muutoksiin. 4.4 Maaperänäytteet ja kallion tason arviointi Tutkimusta varten Lämsänjärven ympäristöstä otettiin 11 maaperänäytettä (Kuva 17.). Näytteet otettiin pohjaveden seurantaputkien asennuksen yhteydessä heijarikairan ikkunanäytteenottimella. Kairaukset ja maaperänäytteiden analysointi tehtiin Teknisen liikelaitoksen Mittaus- ja geotekniikka yksikön toimesta. (Taskila 2012b) Kuva 17. Tutkimuksessa otettujen maaperänäytteiden näytteenottosyvyydet, näytteenottopaikat sekä kairauspisteet missä kallionpinnatasoa arvioitiin. 42

43 Pohjaveden havaintoputkien asennuksen ja maaperänäytteenoton yhteydessä (Kuva 18.) kallion pinnan korkeutta arvioitiin heijarikairauksella. Heijarikairaukset tehtiin Lämsänjärven itä- ja länsipuolella, pisteissä 234 ja 229. Kairausten yhteydessä kalliovarmistusta ei tehty, joten heijarikairauksen tulos on suuntaa-antava. Kuva 18. Lämsänjärven tutkimuksessa käytetty Geomachine 50 GT kairauskone. Maaperänäytteiden rakeisuuskäyrät on esitetty liitteissä 6 kuvissa 1-5. Myös järven itäja länsipuolelle tehtyjen heijarikairauksen kairausdiagrammit on esitetty liitteissä 7 kuvissa 1 ja 2. Maalajimääritysten perusteella alueen maaperä on pinnalta karkearakeisempaa hiekkamoreenia. Syvemmällä siltin ja hienorakeisen hiekan sekoitusta (Taulukko 4). Näytepisteessä 237 ja 229 hiekkamoreeni sisälsi enemmän karkeampaa materiaalia kuin pisteen 228 hiekkamoreeni. 43

44 Taulukko 4. Lämsänjärven maaperänäytteiden maalajiluokitukset (Taskila 2012c). 4.5 Suotautumismittaukset Kevään ja kesän aikana järven ja pohjaveden vuorovaikutusta tutkittiin suotautumismittauksin. Mittauksessa selvitettiin järven pohjan läpi suotautuvan veden virtaussuunta ja suotautumisnopeus. Mittauksia tehtiin kahtena ajankohtana, keväällä pian jään sulamisen jälkeen sekä kesällä Työssä käytettiin Leen (1977) kehittämää mittalaitteistoa. Suotautumismittarissa terästynnyristä leikattuun lieriöön on kiinnitetty yhdysletkun avulla muovipussi, joka on osittain täytetty tunnetulla määrällä vettä. Aluksi mittarin lieriöosa painetaan tiiviisti järven pohjaan ilman mittapussia. Näin virtaustilanne ehtii tasoittua asennuksen yhteydessä häirityssä pohjasedimentissä. Lee (1977) suosittelee, että mittalaitteisto saisi olla pohjassa useita päiviä ennen varsinaisia mittauksia, mutta Rosenberryn (2008) mukaan hiekkaisessa pohjasedimentissä mittauksia tehtäessä tunti on riittävä aika ennen mittapussin kiinnittämistä. Mittari täytyy sijoittaa niin, että yhdysputken pää on korkeimmassa kohdassa ja että lieriön reunan uppoaa sedimenttiin vähintään useita senttimetrejä. Mittapussin esitäytetään, punnitaan ja kiinnitetään varovasti mittariin. Mittapussissa on kuulahana, joka aukaistaan vasta kun pussi on kiinnitetty veden alla olevaan mittariin (Kuva 19.). Riittävän ajan kuluttua pussi irrotetaan ja punnitaan. Virtaussuunnasta riippuen pussi täyttyy tai tyhjenee. (Rosenberry 2008) 44

45 Kuva 19. Lämsänjärven pohjaan asennettu suotautumismittari johon on kiinnitetty mittauspussi. Tässä tutkimuksessa käytetyn mittalaitteiston on koonnut Ala-aho (2010), minimoiden Rosenberryn (2008) esittämät tavallisimmat mittauksen virhelähteet. Laitteistossa 208 l terästynnyri on katkaistu cm korkuiseksi. Halkaisijaltaan 57 cm tynnyrilieriöön on yhdistetty halkaisijaltaan 19 mm oleva polttoaineletku, joka on liitetty tynnyriin messinkisellä letkukaralla. Polttoaineletkun toiseen päähän on kiinnitetty messinkinen kynsiliitin. Molemmat liitokset on varmistettu letkukiristimellä. Mittauslaitteiston irrotettava osa koostui 4 litran ohutseinäisestä näytepussista, kuulahanasta, kynsiliittimestä ja letkukarasta. Ennen varsinaisia mittauksia kaikkien suotautumismittareiden tiiviys tarkistettiin Ala-ahon (2010, 42) esittämien vaiheiden mukaan. Ensimmäisessä suotautumismittauksessa suotautumismittarit asennettiin mahdollisimman tasaisesti ympäri järveä (Kuva 20.). Työssä käytettiin kuutta mittaria, jotka asennettiin ensin ilman mittauspussia. Mittauspisteiden koordinaatit tallennettiin GPS laitteella ja mittarin asennussyvyys sekä etäisyys rannasta mitattiin. Muutaman tunnin kuluttua mittareihin asennettiin mittapussit paikoilleen. Ennen kuin pussi kiinnitettiin, se esitäytettiin ja pussista poistettiin ylimääräinen ilma upottamalla pussi veteen suuaukko ylöspäin. Painelemalla pussia ilmakupla nousivat avonaisen hanan 45

46 kautta pois. Kun ilmakuplat oli poistettu, kuulahana suljettiin veden alla ja pussi nostettiin rannalle, kuivattiin pyyhkeellä ja punnittiin. Tämän jälkeen pussi kiinnitettiin mittariin ja kiinnitysaika merkittiin ylös. Työssä käytetty vaaka ilmoitti painon gramman tarkkuudella. Kuva 20. Suotautumiskokeiden mittauspisteet keväällä ja kesällä Mittaukset toistettiin kolme kertaa. Ensimmäisessä mittauksessa mittapussit olivat paikoillaan 2-3 tunnin. Ensimmäisen mittauksen suotautumisnopeuden ja suunnan perusteella arvioitiin sopiva esitäyttöaste yön yli kestävälle mittaukselle. Pussien irrotus ja kiinnitys pyrittiin tekemään mahdollisimman varovasti, niin että mittarin ympärillä olevaa järvenpohjaa häirittäisiin mahdollisimman vähän. Aamulla mittapussit punnittiin uudelleen. Tämän jälkeen mittapussit jätettiin vielä 2-3 tunniksi paikoilleen, jonka jälkeen punnitus tehtiin vielä kolmannen kerran. Jokaisen mittauksen alku- ja loppuaika merkittiin ylös. Pohjaveden ja järviveden suotautumista mitattiin uudestaan heinäkuun lopulla ( ). Heinäkuun mittauksissa mittarien paikkoja vaihdettiin siten, että kaikki mittarit sijoitettiin alueelle missä mittarit satiin asennettua riittävän tiiviisti. Tästä syystä 46

47 mittarit asennettiin järven hiekkapohjaisille itä- ja pohjoisrannoille (Kuva 20.). Mittauspäivä ajoittui vilkkaimman uimakauden aikaan ja tämän vuoksi mittaus aloitettiin vasta myöhään illalla. Mittauksissa kirjattiin kaksi tulosta. Ensimmäinen mittaus tehtiin illalla noin kello 21:00 ja 00:00 välillä. Punnituksen perusteella ja sopiva esitäyttöaste arvioitiin ja mittapussit jätettiin kiinni mittareihin yön ajaksi. Aamulla mittaustulos kirjattiin ylös. Ensimmäisen mittauspäivä iltana sää oli tyyni mutta virheitä mittauksiin saattoi tulla uimareiden aiheuttamien häiriöiden vuoksi. Suotautumisnopeuden laskemiseksi mittarin pohjan halkaisija mitattiin ja pinta-ala laskettiin ympyrän pinta-alan kaavalla (6). Tässä työssä käytetyn mittarin pohjan halkaisija oli 0,57 metriä. (6) missä d s on suotautumismittarin pohjan halkaisija (m) A l on lieriön pohjan halkaisija (m 2 ) Mittauspussin alku- ja loppupainon perusteella laskettiin vedenlisäys litroina (7) ρ (7) missä V on veden lisäys (m 3 ) m l on näytepussin massa kokeen lopussa (g) m a on näytepussin massa kokeen alussa (g) ρ v on veden tiheys 1000 (g/l) Suotonopeus cm/d laskettiin tunnetun mittausajan (ajan yksikkönä vuorokausi) ja kaavan (8) avulla. ( ) (8) missä v seep on suotonopeus (cm/d) t d on aika (d) 47

48 Mittaustuloksista laskettiin myös vuo (9) eli veden suotautumisnopeus pintaalayksikköä kohde. Tässä tutkimuksessa vuon yksikkönä käytettiin kuutiota vuorokaudessa yhden neliömetrin alalta m 3 /d/m 2 ( ) (9) Arvioitaessa järveen tulevaa ja järvestä lähtevää pohjavesivirtausta on tunnettava pohjasedimentin vedenjohtavuus ja ympäröivän alueen pohjavedenkorkeus. Yleisten virtaussääntöjen mukaan homogeenisessä maaperässä pohjaveden pinnan täytyy olla korkeammalla järven vedenpintaa, jotta pohjavesi suotautuu järveen. Pohjaveden havaintoputkien pinnankorkeuksien ja järven vedenpinnan perusteella voidaan suotautumismäärää arvioida gradientin (3) ja Darcyn lain (2) avulla. Lee (1977) on osoittanut myös, että suotautumisnopeus laskee eksponentiaalisesti rannasta poispäin mentäessä. Käyttämällä useita suotautumismittareita saadaan tietoa suotautumisen alueellisesta jakautumisesta. Yhdistämällä tulokset vesitasetarkasteluun sekä tietoon ympäröivän alueen pohjavedenpinnantasoista, maaperän vedenjohtavuudesta ja järven pohjasedimentin laadusta voidaan järven suotautumisalueet ja -määrät tunnistaa luotettavasti. Eri menetelmien yhdistäminen lisää myös varmuutta saatujen tulosten luotettavuudesta. 4.6 Maaperän vedenjohtavuuden määrittäminen slug-testillä Slug-testissä pohjavesiputkesta poistetaan äkillisesti pieni vesimäärä ja maaperän hydraulinen johtavuus määritetään pohjavedenpinnan kohoamisnopeuden perusteella (Kuva 21.). Hyvin vettä johtavassa maaperässä, vedenpinta palautuu nopeammin kuin huonosti vettä johtavassa maaperässä. Koska kokeessa poistettava vesimäärä on pieni, kuvaa tulos ainoastaan pohjavesiputken lähialueen vedenjohtavuutta (Bouwer & Rice 1976) Tässä työssä käytetyn vedenjohtavuuden mittausmenetelmän ovat kehittäneet Bouwer ja Rice (1976) kokonaan tai osittain akviferin läpäisevälle pohjavesiputkelle vapaassa akviferissa. 48

49 Veden virtaama kaivoon voidaan laske muuntamalla Thiemin yhtälö (Kruseman et al. 1990, 57) muotoon: (10) missä Q w on virtaus kaivoon (m 3 /s) K on maaperän hydraulinen vedenjohtavuus (m/s) L w on kaivon seulaosan korkeus (m) R e on Slug testin efektiivinen vaikutussäde (m) r w on säde kaivon keskikohdasta häiriintymättömään maakerrokseen (m) h 0 on vedenpinnan korkeus ajanhetkellä t=0 (m) Yhtälö perustuu seuraaville olettamuksille: (1) vedenpinnan alenema putken ympärillä on merkityksetön, (2) kapillaarisen maakerroksen virtaus voidaan jättää huomioimatta, (3) virtausvastus siivilän läpi on merkityksetön, (4) akviferi on homogeeninen ja isotrooppinen. (Bouwer & Rice 1976) Kuva 21. Osittain akviferin läpäisevä pohjavesiputki josta poistettu vettä h 0 (Muokattu Kruseman et al.1990, 245). 49

50 Koska putkessa tapahtuva hydraulisen korkeuden muutosnopeus on suoraan verrannollinen virtaamaan (Q) putken seinämän läpi ja kääntäen verrannollinen havaintoputken sisäpuolen poikkipinta-alaan (πr 2 c) voidaan muutosnopeutta kuvata kaavalla (11) (Bouwer & Rice 1976): (11) Yhdistämällä kaavat 1 ja 2 sekä integroimalla tulos ja ratkaisemalla se K:n suhteen saadaan kaava (12) (12) missä h t on vedenpinnan korkeus ajanhetkellä t r c1 on pohjavesiputken sisäpuolen säde (m) d on pohjavesiputken seulaosan pituus (m) Jos kokeen aikana vedenpinta kohoaa putken siiviläosassa, tulee tämä ottaa huomioon säteessä. Edellä mainitussa tapauksessa lasketaan uusi arvo säteelle (r c2 ) kaavalla jossa huomioidaan putken lähellä olevan häiriintyneen maakerroksen paksuus ja huokoisuus, jotka tässä tapauksessa ovat 0,0016 m ja 0.3 ( ) (13) missä r c1 on pohjavesiputken sisäpuolen säde (m) n on putken lähellä olevan häiriintyneen maaperän huokoisuus Bouwer ja Rice (1976) määrittivät R e arvot empiirisesti, vastuskenttä analogian avulla. Tuloksena saatiin laskukaava (14) akviferin osittain läpäisevälle kaivolle. 50

51 [ [ ] ] (14) Vedenpinnan muutos sijoitettiin kuvaajaan, jossa aika (t) on vaaka-akselilla ja vedenpinnan korkeuden muutos (h) pystyakselilla logaritmisella asteikolla. Näin saadaan suora jolta valitaan satunnaiset t ja h t arvot, jotka tuntemalla voidaan ratkaista kaavasta (12) (1/t)ln(h 0 /h t ). Pohjavesiputken siiviläosan pituuden (d) ja hydraulisen säteen (r w ) avulla voidaan ratkaista vakiot A ja B (Kuva 22.). Sijoittamalla tunnetut arvot kaavaan saadaan ratkaistua ln(r e /r w ). Sijoittamalla saatu arvo kaavaan (12) Voidaan ratkaista maaperän hydraulinen vedenjohtavuus (K) Lämsänjärvellä slug-testissä pohjavesiputkista poistettiin pieni vesimäärä (n. 0,2 l) bailer-näytteenottimella. Pohjavesiputkissa 228, 232, 233 ja 237 pinnankorkeuden muutos tallennettiin Levelogger-pinnankorkeusmittarilla, joka asetettiin tallentamaan pinnankorkeustietoja 15 sekunnin välein. Putkissa 229, 226 ja 231 vedenpinnan muutos tallennettiin vesikellolla ja sekundaattorilla. Koska manuaalisissa mittauksissa pinnankorkeuden mittaria ei ollut valmiiksi pohjavesiputkessa, vedenpinnan korkeusero välittömästi vedenpoiston jälkeen jouduttiin arvioimaan kuvaajasta. Arvioinnissa kuvaajan suoraa jatkettiin y-akselille ja leikkauskohta tulkittiin vedenpinnan alenemaksi h o. 51

52 Kuva 22. Empiiristen vakioiden A ja B arvot saadaan d/r w avulla (Kruseman et al.1990, 245.). 4.7 Huleveden määrä ja valumakerroin Alueen rakentamisen aiheuttamaa pintavalunnan lisääntymistä tutkittiin mittaamalla hulevesivirtausta. Lisääntynyt pintavalunta vähentää pohjaveteen imeytyvän veden osuutta ja laskee pohjavedenpintaa. Hulevesimittauksen perusteella arvioitiin myös huleveden riittävyyttä järven vesitasetta korjaavaan imeyttämisratkaisuun. Hulevesivirtaama laskettiin mittaamalla vedenpinnan korkeutta hulevesikaivossa ja veden virtausnopeutta kaivosta lähtevän putken suulla (Kuva 23.). Virtaaman ja vedenpinnankorkeuden välinen yhteys määritettiin manuaalimittauksella, jossa virtausnopeus mitattiin siivikolla ja kaivon lähtöputken suun vesisyvyys mittanauhalla. Manuaalimittaukset toistettiin useilla vesisyvyyksillä. Virtaama laskettiin kaavalla (15) missä Q on virtaama (m 3 /s) v on virtausnopeus (m/s) A on virtauksen poikkileikkaus (m 2 ) (15) 52

53 Virtauksen poikkileikkaus jaettiin kolmeen osaan. Kunkin osan alan ja virtausnopeuden perusteella laskettiin osavirtaama, joiden summana saatiin kokonaisvirtaama. Virtausnopeus mitattiin käyttäen 6 sekunnin keskiarvoa. Mittauksessa käytettiin MiniAir20 -minisiivikkoa. Manuaalisesti tehtyjen kalibrointimittausten tulokset merkittiin kuvaajaan, jossa vesisyvyys on x-akselilla ja virtaama y-akselilla. Mittauspisteet muodostavat purkautumiskäyrän, jonka yhtälöstä voidaan ratkaista tiettyä syvyyttä vastaava virtaama. Laskuissa käytettiin syvyyden suurimpana arvona 300 millimetriä, koska se oli putken halkaisija, eikä vedenpinta voinut siksi nousta tätä korkeammalle Kesän ajaksi hulevesikaivoon asennettiin pinnankorkeusmittari, joka tallensi vedenpinnankorkeuden 5 minuutin välein. Mittarina käytettiin TruTrackin valmistamaa WT-HR pinnankorkeusmittaria, jossa valmistajan ilmoittama mittaustarkkuus on ± 1 mm ja toimintalämpötila -30 C C (TruTrack 2012). Automaattisesti tallennettujen pinnankorkeustietojen perusteella laskettiin jatkuva aikasarja hulevesivirtaamaan. Kesän aikana vesisyvyys mitattiin mittanauhalla jokaisen käyntikerran yhteydessä ja tulosta verrattiin tallennettuihin pinnankorkeustietoihin. 53

54 Kuva 23. Hulevesikaivo ja lähtöputken virtaaman osapoikkileikkaukset. Kun tunnetaan hulevesivirtaama ja sen aiheuttaneen sateen määrä voidaan alueelle laskea valumakerroin (16) (Melanen & Laukkanen 1981, 15) missä (16) C t on kokonaisvaluntakerroin P on sadetapahtuman kokonaismäärä (mm) Q R on sadetapahtuman aiheuttaman virtaaman kokonaismäärä (mm) Lämsänjärven ympäristön asutusalueilta hulevedet ohjataan viemäriverkoston kautta kolmeen eri suuntaan (Kuva 24.) Kuvassa esitettyjen alueiden rakennuskanta on kaavoitukseltaan, pien- ja rivitaloaluetta joiden pintavaluntaa vaikuttavat olosuhteet vastaavat toisiaan. Mittaamalla määritetyn valuman perusteella hulevesiverkoston kautta poistuvia vesimääriä arvioitiin myös toisille valuma-alueille. Alueen pinta-ala kerrottiin mittauksessa määritetyllä valumalla. Karttatarkastelun perusteella arvioitiin hulevesiverkostojen valuma-alueiksi A 1 12 ha, A 2 7 ha ja alueella A 3 10 ha. Valumaalueiden rajat arvioitiin hulevesiverkoston virtaussuuntien perusteella. 54

55 Valuma laskettiin valuma-alueen alan ja valunnan perusteella. Valuma-alueelta syntynyt valuma Q R (mm) laskettiin kaavalla (17). Valuntakerroin laskettiin kaavalla (16). ( ) (17) missä Q av on laskettu hulevesivirtaama (l/s) t mittausjakso (s) A valuma-alue on valuma-alueen ala (m 2 ) A 1 A 2 A 3 Kuva 24. Hulevesiverkoston valuma-alueet. Alueen A 1 pintavalumaa mitattiin hulevesiputkesta. Valuma-alueiden hulevedet virtaavat nuolilla osoitettujen pisteiden kautta. Hulevesikaivon pinnankorkeusmittarin toimintahäiriöt aiheuttivat mittaukseen katkoksia ja siksi valuma laskettiin viidelle mittausjaksolle. Sadanta-arvoina käytettiin sademittarin tietoja jaksoissa 2-4. Koska sademittaria ei ollut asennettu vielä ensimmäisen mittausjakson ( ) ajaksi, on ensimmäisen jakson sadetietoina käytetty korjaamattomia vuorokausisadanta tietoja ilmatieteenlaitoksen Oulunsalon Pellonpään sadeasemalta. 55

56 Kevään ja kesän aikana mitattiin myös Lämsänjärven länsipuolelta Kastellinmäenkujalle hulevesikaivoon laskevan pyörätien salaojan virtaama (Kuva 24.). Pyörätien perustuksia kuivattava salaoja laskee Kastellinmäenkujalla hulevesikaivoon. Salaojan virtaama mitattiin hulevesikaivosta salaojan purkupisteestä, mitta-astian täyttymisnopeuden avulla. Mittauksia tehtiin toukokuun aikana jolloin salaojaputkessa tapahtui virtaamaa. Tämän jälkeen putki pysyi kuivana koko tutkimuksen ajan. 4.8 Pohjaveden ja järven vuorovaikutuksen mallinnus Mallinnus koostuu vaiheittaisesta prosessista, joka alkaa tarvittavien lähtötietojen keräämisellä ja tulkinnalla. Mallissa tarvittavia tietoja ovat mm. maanpinnan ja kallionpinnan taso, maaperän vedenjohtavuus K, sadanta ja haihdunta, alueen ojien ja pintavesistöjen sijainti, vedenkorkeus ja pohjan taso, vedenottamot, pohjaveden havaintoputkien paikat ja vedenpinnankorkeudet. Lähtötietoja tulkitsemalla lasketaan tai arvioidaan maaperän varastokerroin ja veden imeytyminen maaperään. Mallinnusongelmasta riippuen tietoja voidaan täydentää uusilla kenttäkokeilla. Malliin tarvittava lähtötieto valitaan mallinnusongelman perusteella ja lähtöaineiston tarkkuus tulisi vastata tavoiteltua tarkkuutta myös itse mallinnuksen lopputuloksessa. (Spitz & Moreno 1996, 18; Seppälä & Tuominen 2005, 15) Mallinnuksen seuraavassa vaiheessa selvitetään alueen hydrogeologiset ominaisuudet mahdollisimman tarkkaan. Tässä työvaiheessa pyritään muodostamaan selkeä kuva mallinnettavan alueen olennaisista fysikaalisista prosesseista. Työvaiheessa tulkitaan kerättyä lähtöaineistoa ja soveltamalla sitä yleisesti tunnettuihin lainalaisuuksiin tehdään johtopäätöksiä alueen olosuhteista. Näin saadaan kuva esimerkiksi siitä millä alueella sijaitsee pohjavedenjakaja, miten maanperä on kerrostunut tai miten vedenjohtavuus vaihtelee alueen eri osissa. Tämän työvaiheen keskeinen tavoite on määrittää selkeästi mallinnusongelma jotta voidaan valita malli joka vastaa riittävällä tarkkuudella asetettuun kysymykseen. (Spitz & Moreno 1996, 18) 56

57 Seuraavassa vaiheessa alueesta tehdään konseptuaalinen malli, joka on yksinkertaistettu kuvaus todellisesta tilanteesta. Konseptuaalinen malli koostetaan mallinnusohjelmaan niin että se voidaan ratkaista myöhemmin numeerisessa mallissa. Tähän malliin määritellään kaikki ratkaisussa tarvittavat muuttujat ja reunaehdot. (Spitz & Moreno 1996, 18) Konseptuaalisen mallin tiedot syötetään numeeriseen malliin. Ongelmasta riippuen numeeriselle mallille valitaan sopiva ratkaisukoodi. Numeerisessa mallissa mallinnusalue jaetaan laskentaverkkoon, jossa jokaisen solun ominaisuus määräytyy konseptuaalisen mallin mukaan. (Spitz & Moreno 1996, 21) Numeerinen malli kalibroidaan eli muokataan niin että se vastaa mahdollisimman hyvin sitä luonnollista systeemiä mitä se kuvaa. Kalibroinnissa mallin laskemia arvoja verrataan luonnossa havaittuihin arvoihin. Näitä ovat esimerkiksi, pohjaveden pinnankorkeus, pohjaveden gradientti tai järven vedenpinnankorkeus. (Seppälä & Tuominen 2005, 29) Ennen kuin mallia voidaan hyödyntää esimerkiksi ennusteajoihin, sen herkkyyttä tutkitaan herkkyystarkastelulla ja sen toimivuus varmistetaan validoinnilla. Validoinnissa mallilla tehdään ennusteajo, tilanteesta josta on olemassa mitattua aineistoa, mutta mitä ei ole käytetty kalibroinnissa. Näin mallin ennustamaa tulosta voidaan verrata todellisuudessa tapahtuneeseen tilanteeseen. Herkkyystarkastelussa tutkitaan miten mallin tulos reagoi laskentaparametrien arvojen muutokseen. Näin selvitetään mitkä laskentaparametrit vaikuttavat voimakkaimmin mallin tulokseen. (Seppälä & Tuominen 2005) Mallin tuloksia arvioitaessa on muistettava, että se on yksinkertaistettu kuvaus pohjavesisysteemissä tapahtuvista prosesseista, sisältäen, mallin tarkkuudesta riippumatta, yksinkertaistuksia mallinnettavasta ongelmasta. Malli on pohjavesiongelman ratkaisussa käytettävä apuväline, ei itse ratkaisu. Sen tarkkuus ei riipu niinkään numeerisen laskentaprosessin edistyksellisyydestä, pitkästä laskentaajasta tai suuresta laskentakapasiteetista, vaan lähtöaineiston laadusta ja mallin fysiikan toimivuudesta. (Spitz & Moreno 1996, 18; Seppälä & Tuominen 2005, 14) Tässä työssä pohjaveden virtausmallilla kuvattiin pohjavedenvirtausta huokoisessa väliaineessa. Virtausmallin avulla tutkittiin pohjaveden virtauskuvaa, pohjaveden ja järven vuorovaikutusta sekä veden keinotekoista lisäämistä alueen pohjaveteen tai 57

58 järveen. Virtausmalli rakennettiin Aquaveo yhtiön GMS (Groundwater Modeling System) ohjelmalla, jonka ratkaisukoodina käytettiin MODFLOW-koodia. Malli tehtiin ajan suhteen muuttumattomana (steady state) mallinnuksena Lähtötiedot ja mallinnusalueen hydrogeologiset olosuhteet Mallinnuksessa tarvittavat lähtötiedot koottiin Ilmatieteen laitoksen, ELY-keskuksen ja Oulun kaupungin tuottamien tietojen pohjalta. Näistä lähteistä saatiin tietoa maaperästä (ks. kappale 3.2), järven pohjan koostumuksesta (3.3) sekä sadannasta ja haihdunnasta (4.3). Tietoa alueen hydrogeologisista olosuhteista täydennettiin uusilla maaperänäytteillä (4.4), kalliontason arvioinnilla ja pohjavedenkorkeuden seurannalla (4.2). Alueen maaperän vedenjohtavuutta tutkittiin pohjaveden havaintoputkissa tehdyllä slug-testillä (4.6). Lämsänjärven alueen korkeussuhteiden ja pintavesistöjen korkeustason perusteella tehtiin oletus, että Lämsänjärven alueella muodostuva pohjavesi purkautuu pohjoisessa Oulujokeen ja etelässä Kaupunginojaan (Kuva 25.). Tähän viittaa myös muutamat lyhyet karttaan merkityt ojat, jotka laskevat Oulujokeen ja Kaupunginojaan mallinnusalueen laidoilla. Lämsänjärvestä kaakkoon, maanpinta nousee ja on ylimmillään Knuutilankankaan alueella, josta se eteenpäin mentäessä alkaa laskea. Tällä alueella oletettiin pohjavesi virtauksen jakautuvan länteen, kohti Lämsänjärveä ja itään. Järven länsipuolella Svaaninsuon kaupungiosan alueella on paikallinen maanpinnan kohouma jonka alueella oletettiin myös olevan pohjavedenjakaja. Pohjaveden gradienttien, slug-testien ja järven pohjasta otettujen näytteiden perusteella maaperä tulkittiin huonosti vettä johtavaksi järven alla ja heti sen eteläpuolella, missä pohjavedenpinta laski 2 metriä 70 metrin matkalla. Maaperätutkimusten perusteella mallinnusalueen pintamaa oletettiin syvempiä kerroksia paremmin vettä johtavaksi. Järven koillis- ja länsipuolella missä pintakerrosten maanäytteet olivat soraista hiekkaa ja hiekkaa, vedenjohtavuus on todennäköisesti vielä muuta pintakerrosta parempi. Alueen maaperä on yleisesti heterogeenistä, eikä maanäytteiden perusteella voitu havaita selkeitä kerrostumia. Mallinnusalueen maaperän kerrospaksuus arvioitiin heijarikairausten tulosten perusteella. Nämä kairauspisteet olivat mallinnusalueen keskiosista eikä alueen laidoilta ollut saatavissa tietoja kallion sijainnista. Mallinnuksessa käytettyä imeytymismäärää 58

59 asutus- ja puistoalueille arvioitiin kirjallisuudessa esitettyjen arvojen perusteella (Taulukko 2.) Konseptuaalinen malli Konseptuaalinen malli koostettiin GMS:n Conseptual Model Approach menetelmällä. Menetelmässä mallinnusalueen ominaisuudet luodaan karttatasolla piirtotyökaluja käyttäen. Tässä työvaiheessa määritellään kaikki mallinnusajossa tarvittavat muuttujat, kuten maaperäkerrosten määrä, vedenjohtavuudet sekä mallinnusalueen rajat. Kun konseptuaaliseen malliin on syötetty kaikki tarvittavat tiedot, malli voidaan suoraan muuttaa laskentaruudukoksi. Konseptuaalisen mallin menetelmässä laskennassa käytettävät suureet määritellään omille tasoilleen. Tasojen sisältämät hydrologiset ominaisuudet määritellään mallinnusalueella pisteinä, viivoina ja monikulmioiden rajaamina alueina. Konseptuaalisessa mallissa määriteltiin tasot pohjaveden muodostumiselle, pohjavedenpinnoille, järvelle, maaperän vedenjohtavuudelle ja kaivoille. Myös jokaisen tason vaikutussyvyys määriteltiin malliin. Esimerkiksi pintamaan vedenjohtavuus määritettiin omalle tasolle, jonka arvot syötettiin laskentaverkon ylimpään kerrokseen. Konseptuaalisessa mallissa ensimmäisenä määriteltiin mallinnusalueen rajat (Kuva 25.) ja rajojen reunaehdot. Mallinnusalue rajattiin edellä esitetyin perustein Lämsänjärven koillispuolella Oulujokeen ja lounaispuolella Kaupunginojaan. Näille rajoille reunaehdoksi määrättiin vakiovedenpinnankorkeus. Pinnankorkeutena käytettiin Oulujoen ja Kaupunginojan todellisia vedenpinnankorkeuksia. Reunaehdon mukaan pohjavesivirtaus voi tapahtua näillä alueilla rajan läpi, mutta vedenpinnankorkeus ei muutu. Kaupunginojan vedenpinnankorkeus asetettiin tasoon NN+ 8,45 m mallinnusalueen etelänurkassa ja tasoon NN +7,70 m alueen länsikulmassa. Alueen itäkulmassa Oulujoen vedenpinta asetettiin tasoon NN+ 10,998 m ja pohjoisnurkassa tasoon NN+ 10,993 m Mallinnusalueen rajat lounas-koillinen suunnassa Kaupunginojasta Oulujokeen määriteltiin pohjavedenjakajaksi, jonka läpi ei tapahdu pohjavesivirtausta. Eteläisempi raja asetettiin kulkemaan Kaupunginojasta Knuutilankankaan korkeimman kohdan yli Oulujokeen. Pohjoisempi raja asetettiin kulkemaan Kaupunginojasta Svaaninsuon asutusalueen yli Oulujokeen. 59

60 Kuva 25. Lämsänjärven mallinnusalueen rajat, jossa oranssilla viivalla on kuvattu vakiovedenpinnan korkeuden raja ja mustalla mallinnusalueen raja jonka läpi virtausta ei tapahdu. Vuosittaisen sademäärän jakautuminen haihdunnan, pintavalunnan ja pohjavesivalunnan kesken arvioitiin asutusalueille ja puistoalueille (Taulukko 2.). Tämän tuloksena sateesta maaperään tapahtuva imeytyminen (Recharge) määriteltiin asutusalueille ja puistoalueille. Asuinalueiden (Kuva 26.) rajat määriteltiin karttatarkastelun perusteella. Mallia yksinkertaistettiin jättämällä huomioimatta alueen ojien kautta tapahtuva pintavalunta. Tästä syystä Kaupunginojaan laskevia ojia ei lisätty malliin. Käyttämällä pienempää imeytymismäärää rakennetuilla alueilla, huomioitiin hulevesiverkoston vaikutus pohjaveden muodostumiseen. Järven alueella imeytymisarvo asetettiin nollaksi, koska järveen tuleva sadanta ja haihdunta määriteltiin erikseen. 60

61 Kuva 26. Mallissa käytettiin rakennetuille alueille eri imeytymisarvoa kuin puistoalueille. Kuvassa on esitetty rakennetun imeytymisalueen raja. Monikulmioiden ulkopuolinen ala määriteltiin puistoalueeksi jossa imeytymisen osuus sateesta on suurempi Maaperänäytteiden perusteella vedenjohtavuus määriteltiin konseptuaalisen mallin ylimmässä kerroksessa paremmin vettä johtavaksi. Alempia maakerroksia varten luotiin taso johon määriteltiin heikosti vettä johtava alue järven alle. Lämsänjärvi lisättiin mallinnusalueelle omalle tasolleen monikulmion rajaamana alueena. Konseptuaalisessa mallissa järvelle määritettiin sadanta, haihdunta, pohjasedimentin vedenjohtokyky (lake leakance), sekä pohjan muoto. Lähtötietoihin lisättiin myös lähtövedenpinta sekä korkein ja matalin mahdollinen vedenpinnankorkeus. Veden pidätyskyky määritettiin vakioksi koko järven alueella ja se laskettiin jakamalla sedimentin vedenjohtavuuskerroin K (m/d) kerrospaksuudella (m). Järven pohjan geometria määritettiin ArcGIS -paikkatieto-ohjelman avulla vanhoista Lämsänjärven kartoista. Järven pinta-ala ja tilavuus huomioidaan automaattisesti pohjan geometrian perusteella. (Aquaveo 2011, 2) 61

62 Lämsänjärven länsipuolelle, Poikkimaantien alittavaan kevyenliikenteen alikulkuun lisättiin pumppaamo, josta kaivoon kerääntyvä vesi pumpataan järven vieressä olevaan imeytyskenttään. Tätä varten konseptuaaliseen malliin luotin taso määrittelemään kaivoa ja imeytyskenttää. Malliin sijoitettiin alikulkutunnelin kohdalle kaivo, josta poistettiin vettä. Poistettu vesimäärä palautettiin imeytyskentän kohdalle sijoitettuun kaivoon, jonka pumppausmäärä merkittiin samansuuruisena, mutta positiivisena. Molemmissa kaivoissa vedenpoisto ja lisäys, toteutettiin koko maaperäkerroksen syvyydelle. Konseptuaalisessa mallissa määriteltiin myös taso pohjavedenkorkeuden havaintopisteille. Pisteet sijoitettiin Lämsänjärven havaintoputkien koordinaattipisteisiin. Jokaiselle pisteelle määriteltiin mallinnuksessa tavoiteltava vedenpinnankorkeus sekä vedenpinnankorkeuden vaihteluväli MODFLOW mallin hilaverkko Tässä työssä käytetty virtausmallin ratkaisukoodi MODFLOW perustuu differenssimenetelmään, jossa tutkimusalue jaetaan säännölliseen suorakulmaiseen hilapisteverkkoon (Seppälä & Tuominen 2005). Laskentaverkkoa varten, luotiin alueen ympärille rajaus, jolle määritettiin koko ja korkeustason nollapiste. Tämän jälkeen luotiin laskentaverkko, johon määriteltiin solujen määrä x, y, z-suunnassa. Hilaverkosta luotiin MODFLOW-mallinnus, jonka laskennassa huomioitava aktiivinen laskenta-alue määritettiin konseptuaalisessa mallissa rajatun mallinnusalueen perusteella (Kuva 25.). Näin laskennassa huomioitiin vain mallinnusalueen sisäpuolella olevat solut. Työssä käytettyyn MODFLOW malliin määritettiin mallin versio, mallinnustyyppi, sekä laskentapaketit (Taulukko 5.). Taulukko 5. MODFLOW-malliin määritetyt laskentapaketit. 62

63 Käytettävät lisäpaketit valittiin konseptuaalisessa mallissa alueelle luotujen ominaisuuksien perusteella. Järvipaketissa ohjelma laskee järven vedenpinnan korkeuden huomioimalla koko alueen vesitaseen. Vesitaseeseen vaikuttavat järven ja pohjaveden pintojen korkeuserot, maa-alueella tapahtuva imeytymisen sekä esimerkiksi laskenta-alueen kaivojen aiheuttamat muutokset. (Aquaveo 2011, 2) Hilaverkkoon interpoloitiin inverse distance weighted- menetelmällä maanpinnankorkeus pistejoukosta, joka sisälsi maanpinnan korkeuskoordinaatin ja jokaisen korkeuspisteen sijaintikoordinaatit (Kuva 27.). Kuva 27. Mallinnuksen laskentaverkko. Laskentaverkossa käytettiin x-y-suunnassa kaikkialla tasakokoista hilaikkoa, jossa yhden ruudun koko oli i =17,8 m, j = 27,9 m. Kallion pinnankorkeus interpoloitiin samalla menetelmällä pistejoukosta, jossa jokaisen pisteen korkeuskoordinaatiksi asetettiin taso NN+6,00 m. Hilaverkkoon interpoloitiin myös laskennan lähtövedenpinnan korkeus. Koska käytetty malli oli ajan suhteen muuttumaton, voitiin lähtövedenpinnan korkeutena käyttää esimerkiksi maanpinnan korkeutta. Mallinnuksen laskentaverkko määriteltiin vaakatasossa nelikerroksiseksi (Kuva 27.). Kerrokset rajattiin maan pinnan ja kallion väliin siten, että ylin kerros oli 20 % koko maakerroksesta, toinen kerros 15 %, kolmas 20 % ja neljäs kerros 35 % koko maakerroksen paksuudesta. Kun laskentaverkko oli valmis, tuotiin konseptuaalisessa mallissa määritetyt arvot kerralla laskentaverkkoon. Laskentaverkossa järveä edustavat solut on määritelty ei- 63

64 aktiivisiksi. Näin mahdollistuu järven ja alempien kerrosten vuorovaikutus sekä sivuttainen sisään virtaus järveen. Mallin laskema pohjavesivirtaus järveen on pohjan vedenjohtokyvyn ja maaperän vedenjohtavuuden funktio Ajan suhteen muuttumaton virtausmalli ja mallin kalibrointi Lämsänjärven vedenpintaa ja sitä ympäröivää pohjavedenpintaa mallinnettiin ajansuhteen muuttumattomalla steady-state mallinnuksella. Mallia laadittaessa tuli huomioida että se on keskimääräinen kuvaus alueen virtaustilanteesta. Siksi laskentaan syötettyjen muuttujien suuruutta piti arvioida vuositasolla. Mallin kalibrointiarvoina käytettiin pohjaveden havaintoputkille laskettuja keskimääräisiä pinnankorkeuksia (Taulukko 6.). Mallia kalibroitaessa pyrittiin muuttamaan ensisijaisesti niitä ominaisuuksia joiden lähtötiedot olivat epävarmimmat. Näitä olivat etenkin maaperän vedenjohtavuus, vedenjohtavuuden jakautuminen eri alueilla sekä järven pohjan vedenjohtokyky (lake leakance) Taulukko 6. Kalibroinnissa käytettyjen havaintopisteiden vedenpinnankorkeudet. Havaintopiste Pohjavedenpinta (m) Mallia kalibroitaessa seurattiin pohjavedenpintoja sekä järven vedenpintaa. Malli pyrittiin pitämään mahdollisimman yksinkertaisena. Maaperän vedenjohtavuus jaettiin pintakerroksen vedenjohtavuuteen ja kolmen alemman kerroksen vedenjohtavuuteen. Vedenjohtavuus määriteltiin vakioksi kaikkialla saman kerroksen alueella, koska maaperänäytteet ja slug-testien tulokset eivät osoittaneet selkeitä eroja maaperän rakenteessa. Poikkeus tehtiin vain järven alapuolisen maa-alueen kohdalla, jossa kerrokseen 3 määriteltiin heikosti vettä johtava 64

65 Koska Lämsänjärven pohja on erittäin tiivis, ulos suotautuva vesi vuotaa pääasiassa laitojen yli. Mallinnuksessa järvipaketti ei osannut huomioida laitojen yli tapahtuvaa virtausta jos järven pohjan vedenvirtausvastuksen määritteli liian suureksi. Tällöin malli laski järven pinnankorkeuden hyvin korkeaksi, vaikka todellisuudessa vesi virtaisi järven reunojen yli. Tilanne korjattiin asettamalla järven pohjan vedenpidätyskyky (lake leakance) niin että vedenjohtokyky oli kohtuullinen (0,001). Tämän jälkeen järven alapuoliset maakerrokset 2-3, määriteltiin ympäröivää maaperä huonommin vettä johtavaksi (k = 5,7*10-7 m/s). Muualla ylimmän kerroksen vedenjohtavuudeksi määriteltiin 2,3*10-5 m/s ja alempien kerrosten (kerrokset 2-4) 1,2*10-5 m/s. Alueiden imeytymismäärät arvioitiin sadannan ja Taulukon 2 mukaan. Sadannaksi järveen määritettiin 511 mm ja tämän perusteella arvioitiin myös maa-alueilla imeytyvää vesimäärää. Sadanta-arvo arvioitiin Ilmatieteenlaitoksen sademittausten perusteella edustamaan normaalia hieman vähäsateisempaa vuotta. Taulukon 2 mukaan, luonnontilassa pohjaveteen imeytyy 25 % ja kaupunkialueella 15 %. Näiden osuuksien perusteella arvioitiin imeytymismäärät jotka olivat kalibroinnin jälkeen puistoalueilla 131 mm ja asutusalueilla 95 mm. Järven vuotuiseksi sadannaksi asetettiin 510 mm, ja haihdunnaksi 310 mm. Tämä arvot vastaavat vähäsateisen vuoden arvoja. 65

66 Korkeus merenpinnasta [m] 5 Tulokset ja tulosten tarkastelu 5.1 Pohjavedenpinnan ja Lämsänjärven vedenpinnan seuranta Pohjavedenpinnat nousivat keväällä seurannan alussa voimakkaasti (1-2 m), laskivat kesän ja lähtivät uudestaan nousuun syksyllä (Kuva 28.). Pohjavedenpinnat olivat korkeimmillaan järven pohjoispuolella toukokuun puolivälissä ja eteläpuolella noin kaksi viikkoa myöhemmin. Järven itäpuolelle sijoitetuissa havaintoputkissa vedenpintojen nousu tapahtui hitaammin, jatkuen heinäkuun alkuun saakka / / / / / / / /2012 Lämsänjärvi Loggeri Lämsänjärvi Manuaali 235 Manuaali PVP232 Loggeri PVP233 Loggeri 230 Manuaali 236 Manuaali 234 Manuaali 231 Manuaali PVP237 Loggeri 229 Manuaali PVP228 Loggeri 226 Manuaali Suotautumismittaus Suotautumismittaus Kuva 28. Pohjavedenpinnankorkeuden seuranta Lämsänjärvellä Pohjavesi nousi järven tason yläpuolelle pohjoispuolella putkien 233, 232 ja 235 alueella. Muualla pohjavedenpinta pysyi selvästi järven vedenpintaa alempana. Kaikissa 66

67 havaintoputkissa vedenpinnankorkeus kohosi ensimmäisen kuukauden aikana yli metrin. Järven vedenpinta nousi toukokuun 22. päivään asti, jolloin se oli tasossa NN+ 18,78 m. Tämän jälkeen pinta alkoi laskea. Kesän aikana sattuneet voimakkaat sadetapahtumat (49 mm ja 39 mm) nostivat järven pintaa hetkellisesti, mutta tasainen laskusuunta jatkui syyskuun alkupuolelle saakka. Vedenpinta oli pinnankorkeusmittarilla mitattuna alimmillaan tasossa NN+ 18,54 m 11. päivä syyskuuta. Tämän jälkeen vedenpinta kääntyi nousuun ja oli manuaalimittauksessa 15. marraskuuta tasossa NN+ 18,70 m. Pohjavedenpintojen vaihtelussa voidaan erottaa kolme aluetta joissa pohjavedenpinnan korkeus on muuttunut samassa rytmissä. Yhden aluekokonaisuuden muodostavat järven pohjois- ja koillispuolella olevat putket 230, 232, 233 ja 235. Näissä putkissa pohjaveden pinnanmuutokset tapahtuivat samanaikaisesti ja pinnantaso oli muita alueita ylempänä. Tällä alueella pohjavedenpinnoissa tapahtui voimakkaampaa korkeuden vaihtelua, kuin muilla alueilla. Vedenpintojen korkeudenvaihtelu aiheutui todennäköisesti kesän aikana sattuneista sadetapahtumista (etenkin ja 7.8) jotka voidaan havaita myös järven vedenpinnan nopeana nousuna. Koska pohjavesi on tällä alueella lähempänä maan pintaa, sateesta maaperään imeytynyt vesi saavuttaa pohjaveden pinnan nopeammin. Näissä havaintoputkissa vedenpinnat laskivat toukokuun puolenvälin jälkeen syyskuun toiselle viikolle asti. Havaintoputkissa syyskuun 9. päivän jälkeen alkanut pohjaveden pintojen nousu on tapahtunut samaan aikaan kun järven vedenpinta on kääntynyt nousuun. Pohjavedenpinnan muutokset ovat vaihdelleet samassa rytmissä myös järven lounaispuolella putkissa 226, 229 ja 228 sekä länsipuolella putkessa 231 ja eteläpuolella havaintoputkessa 237. Havaintopisteissä pohjavedenpinta pysyi yli metrin alempana kuin järven vedenpinta sekä selkeästi alempana koillispuolen pohjavedenpintaa. Näissä pohjavesiputkissa keväistä pinnannousua jatkui pohjoispuolta pidempään. Pohjavedenpinnat nousivat kesäkuun alkuun, jonka jälkeen laskivat varsin tasaisesti koko kesän, aina lokakuun alkuun saakka. Järven pohjoispuoleen verrattuna näissä vedenpinnan ylin ja alin taso saavutettiin keskimäärin kaksi viikkoa myöhemmin. Koko alueen alimmat pohjavedentasot mitattiin havaintoputkissa 226 ja 228. Näiden havaintoputkien välisessä havaintoputkessa 229 vedenpinta oli selkeästi korkeammalla. Mittausjakson aikana tapahtunut voimakas sade (7.8.) näkyi näiden havaintoputkien vedenpinnankorkeudessa pienenä pinnan nousuna. Eteläpuolen pidemmällä viiveellä 67

68 tapahtuva pinnannousu johtuu todennäköisesti pohjaveden alemmasta tasosta jolloin maahan imeytynyt vesi virtaa pidemmän matkan ennen kuin saavuttaa pohjavedenpinnan. Lämsänjärven pohjavedenpinnan seurannassa havaittiin järven itäpuolisen alueen (havaintoputket 234 ja 236) poikkeaminen kahdesta edellä mainitusta alueesta. Itäpuoliselle alueelle sijoitetuissa havaintoputkissa pohjavedenpinta jatkoi nousuaan loivasti heinäkuun alkupuolelle saakka. Näissäkin havaintoputkissa vedenpinnat nousivat voimakkaasti kesäkuun alkuun asti, mutta siinä missä muilla alueilla pohjavedenkorkeus alkoi laskea, näissä havaintoputkissa vedenpinta nousi tasaisesti vielä kuukauden ajan. Tämän jälkeen vedenpinnat kääntyivät loivaan laskuun, joka loppui lokakuun alussa. Elokuun alussa sattuneiden sateiden vaikutuksesta vedenpinnat nousivat hetkellisesti kuun puolivälissä. Näissä putkissa pohjavedentaso oli kesän ajan noin metrin alempana kuin järven vedenpinta. Huomion arvoista on myös kesän aikana tapahtunut vedenpinnan korkeuserojen tasoittuminen järven pohjoispuolisiin havaintoputkiin verrattuna. Toukokuun alussa vedenpintojen korkeusero oli yli kaksi metriä, mutta syyskuun alkuun mennessä vain kymmeniä senttimetrejä. Pohjavesiputken 226 pidemmän seurantajakson perusteella pohjaveden korkeus on nousu vuodentakaiseen verrattuna 40 cm. Syksyllä pohjavedenpinta on ollut tasossa NN+ 15,86 m mutta vuotta myöhemmin se on tasossa NN+ 16,26 m. Myös Lämsänjärven vedenpinta on noussut huomattavasti edellisestä kesästä. Kesäkuun lopulla 2011 vedenpinnankorkeus on tasossa NN+ 18,28 m, mutta samaan aikaan seuraavana vuonna 35 cm ylempänä. Lämsänjärven alueella havaintoputkien vedenpintojen ylimmän ja alimman havaitun korkeustason ero oli suuri (1-2 m). Airaksisen (1978, 51) mukaan vuotuinen pohjaveden pinnan vaihtelu Suomessa on yleensä luokkaa 0,1-1,0 m vuodessa. Seurannan havaintojen perusteella pohjavedenpinnan taso vaihtelee alueella tavallista voimakkaammin. Lopputalven alinta korkeustasoa ei tutkimuksen alussa pystytty havainnoimaan, koska vedenpinnat olivat jo nousussa kun havaintoputket asennettiin. Pohjavedenpinnan korkeuden voimakkaat muutokset viittaavat tiiviiseen maaperään, jonka huokostilavuus täyttyy helposti. Tähän viittaa myös järven ja pohjavesiputkien välinen jyrkkä gradientti. Keväällä lumen sulaminen loppui toukokuun alussa, mutta pohjavedenpinnat nousivat vielä tämän jälkeenkin. Osittain tämä voi selittyä sateen imeytymisellä valmiiksi kylläiseen maaperään. 68

69 5.2 Maaperän vedenjohtavuuden määrittäminen slug-testillä Slug-testin perusteella alueen maaperän vedenjohtavuuskertoimet vaihtelivat välillä 3,2* ,3*10-6 m/s (Taulukko 7). Slug-testeissä suurimmat vedenjohtavuudet mitattiin järven itäpäässä olevista pohjavesiputkista, joista 233 on järven itäpäässä pohjoisrannanpuolella ja 237 etelärannanpuolella lähellä Poikkimaantietä. Näissä putkissa noin 20 cm laskenut vedenpinta palautui muutamissa minuuteissa. Putken 233 siiviläosa oli tasossa NN+ 19,10 17,10 m. Tältä syvyydeltä ei otettu maaperänäytettä, mutta aiemmissa tutkimuksissa läheisistä kairauspisteistä maalajiksi on määritetty hiekkamoreeni, jolle kirjallisuudessa ilmoitettu vedenjohtavuuskerroin on m/s (Taulukko 1.). Havaintoputkessa 237 siiviläosan syvyydeltä ei otettu maanäytettä, mutta noin metri sen yläpuolella maanäyte oli hiekkamoreenia ja noin metri putken pohjan alapuolella hienoa hiekkaa. Hienon hiekan vedenjohtavuuskerroin on luokkaa m/s Taulukko 7. Slug-testin avulla lasketut vedenjohtavuudet eri pohjavesiputkille, maalaji siiviläosan korkeudella ja maalajille kirjallisuudessa ilmoitettu vedenjohtavuuskerroin (Suomen ympäristökeskus 2010; Freeze & Cherry 1979, 29). Pohjavesiputki n:o Vedenjohtavuus K [m/s] K [m/vrk] Maalaji siivilän kohdalla * hhk * sihk * hkmr * sihk * hkmr * hkmr, sihk * hkmr Maalajille ilmoitettu vedenjohtavuus K [m/s] 1* *10-6 1* *10-7 1* *10-8 1* *10-7 1* *10-8 1* *10-8 1* *10-8 Pienimmät vedenjohtavuusarvot saatiin järven etelärannalta pohjavesiputkesta 228 ja pohjoisrannalta putkesta 232. Putkesta 228 siiviläosan syvyydellä maaperä on hienoa hiekkaa. Tässä paikassa pohjaveden gradientti on huomattavan suuri. Havaintoputki on noin 70 m etäisyydellä järven rannasta ja sen vedenpinta on 2-3 m järven vedenpinnan alapuolella. Voimakas gradientti viittaa heikkoon vedenjohtavuuteen. Pohjoispuolella 69

70 oleva havaintoputken 232 läheisyydessä maaperä on pinnalla hiekkamoreenia ja syvemmällä siiviläosa tasossa silttistä hiekkaa. Järven länsipuolella pohjavesiputkissa 226, 231 ja 229 vedenjohtavuuskertoimeksi mitattiin samaa suuruusluokkaa oleva tulos (6* ,6*10-6 m/s). Maaperänäytteiden perusteella havaintoputken siiviläosan tasossa maaperä on hiekkamoreenia (226 ja 229) ja silttistä hiekkaa (231). Slug-testien tulokset edustavat maaperän vedenjohtavuutta putken välittömässä läheisyydessä. Maaperän heterogeenisyydestä johtuen vedenjohtavuus voi vaihdella merkittävästi pohjavesimuodostuman eri osissa. Menetelmällä laskettu vedenjohtavuuskertoimen tarkkuus on kehittäjiensä mukaan 10 25%. Menetelmässä oletetaan putkea ympäröivä maaperä homogeeniseksi ja isotrooppiseksi. Tuloksiin vaikuttaa myös laskennassa käytettyjen parametrien tarkkuus. Tässä työssä virhettä lisäsi laskuissa käytetty termi r w, jonka arvoa oli vaikea arvioida tarkasti. Se kuvaa sädettä, jonka ulkopuolella maaperä on häiriintymätön. Tällä parametrilla määritellään alue pohjavesiputken ympärillä, jonka rakenne on muuttunut putken asennuksen yhteydessä ja on sen vuoksi paremmin vettä johtavaa (Bouwer & Rice 1976). Jos termin suuruutta kasvatetaan, kasvaa myös laskettu vedenjohtavuuskerroin. Myös laskentayhtälöön määritetty vedenpinnan ja kallionpinnan korkeusero D arvioitiin lähimmistä heijarikairauksista, jotka todennäköisesti osuivat kallioon. Tosin tämän termin vaikutus itse lopputulokseen on vähäinen. Laskuissa käytetyt parametrit on esitetty liitteessä Huleveden määrä ja valumakerroin Lasketut valuma-arvot (Kuva 29.) ovat ensimmäisten mittausjaksojen aikana suurempia kuin alueen sademäärä. Tämä johtuu lumen sulamisen aiheuttamasta valunnasta. Kotolan ja Nurmisen (2003, 75) esittämät tulokset rakennuskannaltaan samantyyppisen rivi- ja omakotitaloalueen kuukausivalunnasta vastaavat tässä työssä mitattuja arvoja. Tulosten perusteella hulevesiverkoston kautta poistuu sulamiskauden aikana tuhansia litroja vettä (Taulukko 8.). Tutkimusjakson aikana lumet olivat sulaneet ennen toukokuun puolta väliä. Kolmannen mittausjakson aikana valuma jäi sadantaa pienemmäksi mutta jakson kokonaisvalunta kerroin oli silti varsin suuri verrattuna kahteen jälkimmäiseen sulan kauden aikana mitattuun tulokseen. Kotolan ja 70

71 Nurmisen (2003, 75) Etelä-Suomessa mittaamien kuukausivaluntojen valuntakerroin pientaloalueelle oli kesäkuussa 0,1. Tässä työssä laskettu, kolmannen mittausjakson valumakerroin 0,62 on siis huomattavasti suurempi. Tulos voi johtua tutkimusalueen pohjoisemmasta sijainnista ja lumen sulamisen myöhäisemmästä ajankohdasta sekä sulamisen jälkeisestä maaperän kosteudesta, jonka seurauksena hulevesiverkostoon suotautuu vettä verkoston vuotokohdista. Myös jakson runsas sadanta johtaa suurempaan valuntaan. Osa valunnasta voi olla myös peräisin teiden ja rakennusten salaojista jotka on liitetty hulevesiverkostoon. (mm) Sadanta [mm] Valunta [mm] Kuva 29. Sadanta ja valuma mittausjaksolla valuma-alueelta A 1. Jaksojen 4 ja 5 aikana valumaa syntyy huomattavasti vähemmän kuin kolmella ensimmäisellä jaksolla. Etenkin jaksolla 4, missä sadanta on yhtä suurta kuin jaksolla 3, valuntakerroin pienenee huomattavasti. Tulokset ovat kuitenkin samaa suuruusluokkaa kuin Kotolan ja Nurmisen (2003b) tutkimuksessa, missä he määrittivät pientaloalueen valumakertoimen heinäkuulle 0,16 ja elokuulle 0,11. 71

72 Taulukko 8. Valuma-alueelta A 1 määritetty valuma, verkoston kautta poistunut vesimäärä ja mittausjaksoille laskettu valumakerroin. Tulosten perusteella hulevesiverkoston kautta poistuva vesimäärä on suurin keväällä. Sulamiskauden jälkeen verkoston kautta poistuva vesimäärä vähenee huomattavasti. Kaksi ensimmäistä mittausjaksoa käsittävät lähes koko lumensulamisjakson lukuun ottamatta vajaan neljän päivän mittauskatkosta. Mittauskatkon aikana lumen sulaminen oli voimakkaimmillaan ja vuorokausivalunta keskimäärin 3,2 mm. Näin ollen tuloksista puuttuu arviolta noin 10 mm valuma. Laskemalla yhteen kahden ensimmäisen jakson mittaustulos, ja huomioimalla mittauskatkon aikana syntynyt valuma, voidaan sulamiskauden valumaksi arvioida noin 70 mm. Suomen ympäristökeskuksen tekemien lumimittausten perusteella, Lämsänjärveä lähimmässä mittauspisteessä Siikajoen Länkelässä oli valumamittauksen alkamisen aikana ( ) lumipeite, jonka paksuus vastasi 108 mm vesipatsasta (Suomen ympäristökeskus 2012). Koska Lämsänjärven alueella lumet olivat sulaneet ennen toukokuun puolta väliä, voidaan arvioida että mittausjakson aikainen valuma muodostui noin 100 mm vesimäärästä joka on vapautunut lumen sulamisen myötä sekä noin 50 mm sadannasta. Kahden ensimmäisen mittausjakson aikana hulevesiverkoston pois kuljettama valuma on pohjaveden täydentymisen kannalta merkittävä. Voidaankin sanoa että hulevesiverkoston vaikutus pohjavesivarastoihin on suuri, koska se muuttaa voimakkaasti pohjaveden muodostumisen kannalta tärkeintä tapahtumaa. Kesällä sen vaikutus pohjaveteen on pienempi, koska myös luonnontilassa kasvusto pidättää ja haihduttaa sateen tehokkaasti eikä pohjavesivarasto täydenny. Määritettyjen valuntaarvojen perusteella laskettiin valunta myös alueille A 2 ja A 3. 72

73 Q (l/s) Taulukko 9. Valuma-alueelle A 1 mitatun valuman perusteella laskettu hulevesivirtaama valuma-alueelle A 2 ja A 3. Valuma-alue A 1 Valuma-alue A 2 Valuma-alue A 3 Laskettu vesimäärä Laskettu vesimäärä Mittausjakso Valunta Mitattu vesimäärä [mm] mittausjaksolle [m 3 ] mittausjaksolle [m 3 ] mittausjaksolle [m 3 ] Kalibrointimittauksien tuloksena saatiin suora (Kuva 30.), jonka yhtälö oli Q=0,00928*h - 6,2914. Mittauksien pöytäkirja on esitetty liitteessä y = x h (mm) Kalibrointimittaus Virheellisenä hylätty mittaus Linear (Kalibrointimittaus) Kuva 30. Kalibrointimittausten perusteella määritetty virtaussyvyyttä h vastaava virtaama Q ja mittaustuloksiin sovitettu suoranyhtälö. Yhtälössä x on vesisyvyys h ja y- arvo vastaa virtaamaa Q (l/s). Virheitä mittaustuloksiin on voinut aiheutua virtaaman kalibrointimittauksista, valumaalan pinta-alan määrittämisestä ja pinnankorkeusmittarin liikkumisesta. 73

74 Pinnankorkeusmittarin mahdollinen liikkuminen tarkistettiin mittaamalla virtaussyvyys manuaalisesti, tästä huolimatta on mittari voinut heilahtaa hetkellisesti eri asentoon. Kalibrointimittauksissa siivikkomittaus piti suorittaa maan pinnalta niin että virtausta ei häiritä. Tämä vaikeutti siivikon laskemista juuri oikeaan kohtaan. Kalibrointimittausten tulokset vaikuttavat määritettyyn suoranyhtälöön jonka perusteella kaikki virtaamaarvot laskettiin. Suoranyhtälön käytössä huomioitiin sen myös sen antamat negatiiviset virtaustulokset. Tämä huomioitiin laskuissa asettamalla virtaus nollaksi jos tuloksena oli negatiivinen arvo. Pyörätien salaojasta (Kuva 24.) tutkimuksen aikana mitattu vesimäärä (Taulukko 10.) ei riitä vaikuttamaan järven länsipuolen pohjavedenpintaan tai itse Lämsänjärven vedenpintaan. Mikäli pyörätien alueella pohjavedenpinta olisi rakenteita kuivattavan tienperustuksen yläpuolella, se havaittaisiin voimakkaana virtauksena salaojaputkessa. Tutkimuksen aikana järven länsipuolen pohjavedenpinta oli huomattavasti pyörätien perustusten alapuolella ja siksi pyörätien rakenteet eivät vaikuta alueen pohjavesivirtaukseen. Taulukko 10. Kastellinmäenkujan hulevesikaivosta mitattu salaojan virtaama. 5.4 Suotautumismittaukset Kevään mittausten perusteella pohjavesi virtasi järveen neljässä mittauspisteessä (Kuva 32.). Kahden mittarin tulos hylättiin koska tarpeeksi hyvää kontaktia sedimenttiin ei saatu. Suotautumisnopeudessa on selkeä ero pohjois- ja etelärannan välillä. Kolmen mittauksen (Kuva 31.) perusteella laskettiin keskimääräinen suotautumisnopeus jokaiselle mittauspisteelle. Mittauspöytäkirja on esitetty liitteessä 9. Pohjaveden virtaus järveen oli voimakkainta mittauspisteissä 1 ja 2 (Kuva 31.). Ensimmäisen mittauspisteen keskimääräinen suotautuminen on 0,271 cm/vrk. Mittauksista ensimmäisen ja viimeisen tulos on varsin yhtäläinen, mutta toisessa 74

75 Suotautumisnopeus [cm/vrk] mittauksessa tulos on huomattavasti alhaisempi. Toisessa mittauspisteessä keskimääräiseksi suotautumiseksi laskettiin +0,252 cm/vrk. Tässä pisteessä kolmen mittauksen tulokset olivat varsin samanlaiset (Kuva 31.). Kolmannessa pisteessä kolme mittausta antoi positiivisen suotautumisnopeuden. Näistä laskettu keskimääräinen suotautumisnopeus on 0,129 cm/vrk. Neljännessä mittauspisteessä mittarin tiivis asennus ei onnistunut ja siksi mittaustulosta ei voi pitää kovin luotettavana. Asennuspaikassa pohjasedimentti oli löysää ja liikkui selvästi jalkojen alla mittapussia kiinnitettäessä. Tulos voimakkaasta sisään virtauksesta tulkittiin mittaajan jalan alla liikkuneen sedimentin aiheuttamaksi. Viides mittauspiste sijoitettiin järven etelärannalle hiekkapohjaan. Tässä pisteessä keskimääräinen suotautumisnopeus on 0,066 cm/vrk pohjavedestä järveen päin Suotautumismittari Kuva 31. Suotautumisnopeudet kevään mittausten perusteella. Kevään mittauksien kuudes mittauspiste sijaitsi järven itälaidalla. Tässä paikassa tiiviin pohjakerroksen päällä oli cm löysempää sedimenttiä ja kasvien juuria. Paikalta saadut mittaustulokset olivat varsin epäyhtenäisiä. Ensimmäisessä mittauksessa tulokseksi saatiin -0,021 cm/vrk ulosvirtaus, toisen mittauksen tuloksen perusteella virtaussuunta oli päinvastainen 0,141 cm/vrk ja kolmannessa mittauksessa taas negatiivinen -0,522 cm/vrk. Edellä mainitut tulokset poikkesivat siinä määrin toisistaan, että mittaustulos hylättiin. 75

76 Kuva 32. Suotautumismittausten tulokset sekä järven ja pohjaveden pinnankorkeus toukokuun mittauksesta ( ). Suotautumisnopeus laskettiin kolmen eri mittauksen keskiarvona. Kun suotautumiskoe toistettiin heinäkuun lopulla järven vedenpinta ja pohjavedenpinnat olivat laskussa. Pohjavedentaso järven pohjoispuolella oli huomattavasti alempana kuin kevään mittauksissa. Järven eteläpuolella pohjavedenpinnat olivat lähes samalla tasolla (Kuva 28.). Järven vedenpinta oli noin 7 cm alempana. Mittauksien tuloksena pohjoisrannalla havaittiin pohjaveden suotautumista järveen ja etelärannalla järviveden suotautumista pohjaveteen (Kuva 34., Kuva 33.). Mittauspisteessä 1 suotautumisnopeudeksi saatiin 0,217 cm/vrk. Mittauspisteessä 2 ensimmäisen mittauksen suotautumisnopeudeksi saatiin 0,363 cm/vrk. Toinen mittaus hylättiin virheellisenä, koska mittarin paikan merkiksi asennettu oksa oli kaatunut mittauspussin päälle. Kolmannessa pisteessä suotautumisnopeudeksi mitattiin 0,268 cm/vrk. Järven etelärannalla pisteissä 5 suotautumisnopeus oli ensimmäisessä mittauksessa -0,331 cm/vrk. Mittauspiste 6 sijaitsi keskellä seurakuntatalon uimarantaa ja tässä pisteessä vedessä leikkivät lapset häiritsivät mittausta. Mittaustuloksina saatiin 76

77 Suotautumisnopeus [cm/vrk] positiivinen ja negatiivinen suotautuminen ja tulos hylättiin virheellisenä. Mittauspisteessä 4 järvestä pohjaveteen virtaavan veden suotautumisnopeudeksi mitattiin -0,175 cm/vrk Suotautumismittari Kuva 33. Suotautumisnopeudet heinäkuussa. Harmaalla merkitty tulos hylättiin oksan kaaduttua mittauspussin päälle. Kuva 34. Suotautumismittausten tulokset, sekä järven ja pohjaveden pinnankorkeus mittaushetkellä heinäkuussa ( ). Suotautumisnopeudet laskettiin kahden mittaukset keskiarvona. 77

78 Pohjaveden suotautumistuloksien luotettavuutta arvioitaessa, selkeimmiksi virhelähteiksi tunnistettiin suotautumismittarille epäsopiva sijoituspaikka ja tuulen aiheuttama aallokko ja siitä seurannut mittauspussien liikkuminen. Tämä ongelma korostui etenkin kevään mittauksessa, jolloin tuuli oli navakkaa. Tietyissä kohdissa, tulosten keruun yhteydessä huomattiin, että pussi oli virtauksen vaikutuksesta taittunut ja näin virtaus mittarin ja pussin välillä on voinut estyä. Myös heinäkuun mittauksessa toisen päivän aamuna tuulen nopeus voimistui ja on voinut vaikuttaa tuloksiin. Myös Lämsänjärven suosio kesäisenä uimapaikkana ja tästä aiheutunut mittauksien kannalta häiriöherkkä ympäristö lisäsivät virheiden mahdollisuutta. Tätä ongelmaa ei kevään mittauksessa ollut, mutta heinäkuun lopulla uimareita liikkui vedessä mittausten aikana. Systemaattista virhettä mittaustuloksiin aiheutuu myös itse mittarista. Mittarin virtausta vastustavien osien vuoksi tällä menetelmällä mitatut suotautumisnopeudet ovat todellisia suotautumisarvoja pienempiä. Noudattamalla Rosenberry (2008) esittämiä ohjeita mittausvirheiden minimoimiseksi, korjauskertoimena voidaan käyttää 1 1,1, mutta ohjeista poiketen tässä työssä ei käytetty tuulisuojaa mittauspussien ympärillä. Tuloksien perusteella ei voida myöskään tunnistaa virhettä, joka aiheutuu mittauspussien liian aikaisesta kiinnittämisestä. Lämsänjärven suotautumismittausten tulokset olivat osittain mittalaitteen tarkkuusalueen alarajalla. Useiden tutkimusten perusteella suotautumisnopeudet 0,01 ja 0,08 cm/vrk välillä ovat liian pieniä tarkan mittaustuloksen saavuttamiseksi (Rosenberry 2008). Kevään suotautumismittauksissa pohjavedenpinta oli järven vedenpintaa korkeammalla havaintoputkissa 232, 233 ja 235 (Kuva 28.). Tällä alueella gradientti oli järveen päin. Järven eteläpuolella pohjavedenpinta oli selvästi järveä alempana. Pohjoispuolella mitattu suotautuminen pohjavedestä järveen on sen vuoksi looginen. Koska mittalaitteessa on virtausta vastustavia osia, on todellinen suotautuminen mitattua voimakkaampaa. Arvioitaessa suotautumisnopeuden voimakkuutta suhteessa etäisyyteen rannasta voidaan mittarien 2 ja 3 tuloksista nähdä että 11,4 m etäisyydellä olleesta mittarista 3 mitattiin jokaisella kerralla pienempi tulos kuin mittarista 2, joka oli 3,5 m lähempänä vesirajaa. Mittari 1 sijaitsi 15 m päässä vesirajasta, mutta sillä mitattiin kaksi suurinta tulosta. Tähän vaikuttaa todennäköisesti mittarin lähellä rannassa oleva imeytyskenttä, johon Poikkimaantien alittavan alikulkutunnelin 78

79 hulevedet pumpataan. Tämän mittarin paikka poikkeaa myös siinä, että rantaviiva kaartuu mittarin kohdalla ja on pidemmältä matkalta lähempänä mittauspistettä. Järven etelärannalla mitattu suotautumisnopeus on mittarin tarkkuuden alarajalla. Alueella pohjaveden gradientti on järvestä poispäin eikä tulos vastaa alueen pohjavedengradientteja. Mitattu suotautumisnopeus on kuitenkin varsin heikko ja sen suunta voi selittyä sillä että aivan rannan tuntumassa oleva maaperä on sulamisen jälkeen täysin kyllästynyt vedellä ja siksi myös järveen päin tapahtuu heikkoa virtausta. Heinäkuun mittauksissa pohjoisrannan mittarit olivat lähes samoissa kohdissa kuin kevään mittauksessa. Mitattu suotautumissuunta pohjoispuolella ei noudattanut pohjavedengradientteja. Mittarin 1 positiivinen tulos voi johtua imeytyskentän vaikutuksella, mutta mittauspisteissä 2 ja 3 järveen suuntautuva pohjavesivirtausta ei pitäisi tapahtua mittaushetkellä vallinneen gradientin perusteella. Pohjoispuolella sijaitseva havaintoputki 232 on 110 m päässä rantaviivasta ja havaintoputki 233 noin 75 m päässä järven rannasta ja näissä putkissa vedenpinta oli cm järven vedenpinnan alapuolella. Positiivinen suotautumistulos voi johtua heterogeenisestä maaperästä missä vesi virtaa pohjavedenpinnan yläpuolisessa osittain kyllästyneessä kerroksessa. Mälkin (1999, 33) mukaan on tavallista, että imeytyvä vesi voi kerrostua hetkellisesti jos huonommin vettä johtavan maaperäkerroksen läpivirtauskapasiteetti ylittyy. Sademittarin havaintojen perusteella välisenä aikana satoi yhteensä 49 mm. Mikäli järven pohjoisrannan alueella on maaperän pintakerroksen alla huonommin vettä johtava kerros, voi veden imeytyminen hidastua siinä määrin, että se kerrostuu ja alkaa virtaaman myös sivuttaissuunnassa. Maaperässä tapahtuvan veden virtausnopeuden perusteella edellä mainitun sateen vaikutus on voinut näkyä juuri suotautumismittausten aikaan. Järven etelärannalla pohjaveden suotautumissuunta oli järvestä pohjaveteen. Molemmat mittarit olivat lähes samalla etäisyydellä rantaviivasta. Järven eteläpuolella pohjaveden korkeusero järven vedenpintaan oli huomattavasti suurempi. Siinä missä pohjoispuolella pohjavesi oli noin 0,8-0,4 m alempana oli se eteläpuolella 2,13 1,6 m järven vedenpinnan alapuolella. Voimakas pohjavedenpinnan kaltevuus viittaa yleensä huonoon vedenjohtavuuteen. Suotautumistuloksia arvioitaessa on syytä kiinnittää huomiota järven pohjasedimentin vedenjohtavuuden vaikutukseen. Lämsänjärven pohjasta otetuissa maaperänäytteissä 79

80 havaittiin että ylin pohjakerros muodostuu savisesta siltistä ja silttisestä heikasta, jonka kerrospaksuus kasvaa rannoilta keskelle. Savinen silttikerros johtaa erittäin huonosti vettä ja toimii tehokkaasti vettä salpaavana kerroksena. Silttinen hiekka johtaa paremmin vettä ja tämä voi mahdollistaa paremman suotautumisen etelärannalla. Koska savisen silttikerroksen paksuus kasvaa kohti järven syvintä kohtaa voidaan olettaa että, järven ja pohjaveden suotautuminen tapahtuu voimakkaimmin niissä osissa rantaa jossa savikerrosta ei ole tai se on ohut. 5.5 Järven vesitase tutkimuksen aikana Tutkimusjaksolla järven vedenpinta nousi jakson alusta toukokuun loppupuolelle (23.5.). Tämän jälkeen järven vedenpinta laski syyskuun alkuun (3.9.). Järven vedenpinta nousi hetkellisesti sateiden yhteydessä, mutta nousu oli hyvin lyhytaikainen. Tarkastelemalla järven vesitasetta mittausjakson aikana voidaan tehdä suunta-antavia arvioita pohjaveden ja järven vuorovaikutuksesta. Vesitasetarkastelussa valittiin tarkastelujaksoiksi sekä Ensimmäisellä jaksolla pohjavedenpinnat olivat järven vedenpinnantason yläpuolella järven pohjoispuolella. Tämän jakson aikana järven vedenpinta nousi 110 mm, tasosta NN+ 18,67 m tasoon NN+ 18,78 m. Saman jakson aikana sadanta Ilmatieteenlaitoksen mittausasemalla oli yhteensä 66 mm ja haihdunta 30 mm. Koska astiahaihduntamittarin haihduntaolosuhteet poikkeavat järven haihdunnasta, on järvestä tapahtuva haihdunta mitattua hieman pienempää. Ratkaisemalla vesitaseen kaavasta (5) pohjaveden komponentti voidaan suotautumismäärä laskea. (18) Huomioimalla vedenpinnankorkeuden muutoksessa sadanta ja haihdunta voidaan todeta että noin 7 cm vedenpinnanmuutoksesta täytyy aiheutua pohjaveden suotautumisesta. Järven pinta-ala vaihtelee vedenpinnan korkeustasosta riippuen. Käyttämällä keskimääräistä pinta-alaa m 2 voidaan laskea muutos kuutioina. Jakamalla vesimäärä mittausjakson pituudella (22 vrk) saadaan laskettua pohjaveden suotautuminen kuutioina vuorokaudessa. 80

81 Mittausjakson aikana järveen pohjavedestä virrannut vesimäärä on keskimäärin 100 m 3 vuorokaudessa. Koska suotautuminen vaihtelee ajallisesti ja paikallisesti voi se jossain osissa olla myös järvestä pohjaveteen. Pohjaveden korkeuden perusteella suotautuminen on tapahtunut pääasiassa järven pohjoispuolelta, missä vedenpinta on järveä ylempänä. Kesän aikana järven vedenpinta laski 20 cm, tasosta NN+ 18,78 m tasoon NN+ 18,58 m toukokuun 24. päivän ja syyskuun 3. päivän välillä. Saman jakson aikana satoi Oulunsalon mittausasemalla 230 mm. Haihdunta Ruukin haihduntamittausasemalla oli 200 mm. Mittausjaksolle toukokuun lopusta syyskuun loppuun järven suotautumiselle saatu arvo on -67 m 3 /vrk. Kesän aikana pohjavedenpinta on laskenut enemmän kuin järven pinta. Siksi pohjaveden gradientti on kasvanut tarkastelujakson loppua kohti. Näin ollen järvestä poistuvan veden suotautumisnopeus on todennäköisesti kasvanut läpi kesän. Kesän aikana gradientit kasvoivat eniten järven pohjoispuolella pohjavesiputkissa 233 ja 232. Keväällä pohjavedenpinta oli järven tasolla tai vähän sen yläpuolella mutta syyskuun alussa (3.9.) noin metrin järveä alempana. Suurimmat gradientit vallitsivat kuitenkin järven eteläpuolella ja länsipäässä, pohjavesiputkissa 226, 229 ja 228. Gradientti on suurin havaintoputkessa 228, joka on noin 35 metrin päässä rannasta ja jonka vedenpinta on yli 2 metriä alempana. Etelä- ja länsipuolella järveä gradientit eivät kuitenkaan muuttuneet kesän aikana merkittävästi. Korkeusero kasvoi järven ja pohjaveden välillä noin 30 cm. Syyskuun alussa pohjavedenpinta laski jyrkästi myös putken 230 ja järven välillä, missä pohjavedenpinta laskee metrin 20 metrin matkalla. Tässä havaintopisteessä pohjaveden ja järven korkeusero oli cm. Vesitasetarkastelun perusteella keväällä järveen tuleva pohjaveden suotautuminen on selvästi suurempaa kuin suotautuminen järvestä pohjaveteen. Pohjaveden suotautumista 81

82 järveen tapahtuu järven pohjoispuolelta. Järven etelä- ja länsipuolisilla alueilla pohjaveden virtaus on todennäköisesti järvestä poispäin, mutta jyrkät gradientit viittaavat maaperän heikompaan vedenjohtavuuteen. Pohjaveden seurantatutkimus vuosina antaa mahdollisuuden verrata järven vedenpinnan pitkäaikaista vaihtelua. Liitteessä 8 on esitetty kuvaaja järven vedenpinnanvaihtelusta sekä kuukausittaisesta sadannasta ja haihdunnasta. Seurantajakson alussa järven vedenpinta on noussut 0,58 m yhtäjaksoisesti vuoden 1980 syksystä vuoden 1982 tammikuulle. Tässä valossa Lämsänjärven 50 cm vedenpinnan nousu kesäkuusta 2011 toukokuulle 2012 ei ole poikkeuksellinen. Syy vuoden 1980 matalaan vedenpinnan korkeuteen voi olla edeltäneiden vuosien hydrologisissa olosuhteissa. Vuosina 1977, 1978 ja 1979 sadanta on ollut varsin vähäistä ja haihdunta runsasta. Mittausjakson aikana voidaan havaita myös pohjaveden pintojen alenemista. 5.6 Pohjaveden virtausmalli Virtausmallin kalibroinnin tuloksena saatiin järven lähellä olevat pohjavedenpinnat noudattamaan hyvin pintoja. Kauempana lasketut vedenpinnat eivät täysin vastanneet mitattuja arvoja (Kuva 35.). Taulukko 11. Havaitut pohjaveden pinnat, sekä virtausmallin laskemat pohjavedenpinnat havaintopisteissä. Putki n:o Havaittu [m] Laskettu [m] Korkeudet ilmoitettu tasossa NN Virtausmallissa Lämsänjärven alueen korkein pohjavedenpinta on järven pohjoispuolella. Tällä alueella pohjaveden virtaus jakaantuu eri suuntiin. Järven pohjan alapuolisen maaperän heikko vedenjohtavuus aiheuttaa virtauksen jakautumisen järven 82

83 pohjois- ja eteläpuolelta. Mallin laskemaksi järven vedenpinnankorkeudeksi saatiin NN m. Mallin laskemaksi suotautumisnopeudeksi saatiin 15,3 m 3 /d. Malliin lisätty imeytyskenttä aiheuttaa järven itäpuolelle paikallisen pohjavedenkummun. Tässä paikassa vesi virtaa myös takaisin kohti alikulun kaivoa. Mallinnuksen perusteella Lämsänjärven alueen pohjavedenpinnan korkein kohta on järven itäpäässä imeytyskentän alue. Mallinnusalueen keskelle muodostuu pohjaveden korkein alue, josta pohjavesivirtaus jakaantuu kohtisuorasti purkautumisalueita kohti. Kuva 35. Pohjavedenkorkeus ja virtaussuunnat mallinnusalueella. Mallin kalibroinnin jälkeen mallinnuksella kokeiltiin kolmea eri vaihtoehtoa, joissa järven alueelle lisätään vettä. Tällä selvitettiin, millä alueella imeytetty vesimäärä vaikuttaa tehokkaimmin järven ja pohjavedenpintaan. Kolmessa vaihtoehdossa kokeiltiin imeytyskaivoja järven etelä- ja pohjoispuolelle, sekä suoraa vedenpumppausta järveen (Kuva 38.). Veden imeytysmääräksi määriteltiin 5 m 3 /vrk kaikissa skenaarioissa. 83

84 Kun vettä lisättiin järven pohjoispuolelle, nousi järven vedenpinta 26 cm (Kuva 36.). Veden pumppaus pohjoispuolelle ei muuttanut järven suotautumismäärää vaan ulosvirtaus pysyi samana (15,3 m 3 /vrk). Veden lisääminen järven eteläpuolella vaikutti vähemmän järven vedenpintaan (Kuva 37.). Imeyttämällä vettä 5 m 3 /vrk järven eteläpuolelle järven vedenpinta nousi 18 cm ja ulosvirtaus säilyi samana. Järven eteläpuolella pohjavedenpinta laskee jyrkästi eikä imeytetty vesimäärä muuta pohjaveden pintoja yhtä voimakkaasti kuin pumppaamalla vesi järven pohjoispuolelle. Kuva 36. Imeytyskaivo järven pohjoispuolella. 84

85 Kuva 37. Järven ja pohjavedenpinta kun imeytyskaivo on sijoitettu järven eteläpuolella. Kuva 38. Vedenlisäys suoraan järveen. 85

86 Järven ja pohjaveden reagointia kokeiltiin myös suoralla vedenlisäyksellä järveen. Lisäämällä malliin järven tulovirtaamaksi 5 m 3 /vrk vedenpinta nousi 35 cm tasoon NN+18,96 m. Veden lisäys suoraan järveen nosti järven vedenpintaa eniten. Samalla vuorokauden aikainen ulosvirtaus pohjaveteen kasvoi tulovirtauksen verran. Ennen vedenlisäystä keskimääräinen ulosvirtaus pohjaveteen oli 15,3 m 3 /vrk, mutta kun järveen lisättiin tulovirtaus, kasvoi ulosvirtaus arvoon 20,3 m 3 /vrk. Pumppausvaihtoehtojen vertailussa ei huomioitu maaperän infiltraatiokykyä. Todellisessa tilanteessa imeyttäminen voidaan joutua tekemään laajemmalla alueella jos maaperä infiltraatiokyky ylittyy. Myös vuodenajoista aiheutuvien pohjaveden korkeuserojen vaikutus jää tässä mallissa huomioimatta. Malli keskiarvoistaa vedenpinnat vaikka todellisuudessa pumppauksen vaikutus eri tilanteessa on erilainen. Mallinnuksen perusteella maaperään imeytettävälle vedelle, paras alue on järven pohjoispuoli. 86

87 6 Johtopäätökset ja suositukset Lämsänjärvi on syntynyt moreeniselänteiden painaumaan, johon vesi pidättyy paksun savisen silttikerroksen ansioista. Järven hydrogeologiassa on orsivesimäisiä piirteitä jotka selittyvät heikon vedenjohtavuuden sedimentillä. Kerroksen paksuus on suurimmillaan 2-3 metriä järven keskiosissa, mutta se ohenee rantoihin päin ja on rannan tuntumassa muutamia kymmeniä senttimetrejä. Saven ja siltin sekaisen maalajin vedenjohtavuus on heikko (K =1* *10-10 m/s) ja paksuimmissa kohdissa se on käytännössä vettä läpäisemätön. Järven pohjasedimentin vedenpidätyskyky voidaan tunnistaa ympäröivän alueen pohjavedenpintojen perusteella. Järven itä- etelä-, ja länsipuolella pohjavedenpinta pysyi seurantajakson aikana selvästi järven vedenpinnan alapuolella. Järven itä- ja eteläpuolella, järven rannan välittömässä läheisyydessä olevissa havaintoputkissa (230 ja 228) pohjavesi laskee jyrkästi, mutta kauempana gradientti on huomattavasti pienempi. Järven pohjoispuolella pohjavedenpinta voi kohota järven pinnantason yläpuolelle. Tämä tapahtuu pääasiassa keväällä ja syksyllä, kun riittävän suuri sulaminen tai sadanta nostaa pohjavedenpinnan järven vedenpintaa korkeammalle. Kesällä ja talvella myös pohjoispuolen pohjaveden korkeus on järven pinnan tason alapuolella. Alueen pohjavedenpintojen perusteella keväällä järveen suotautuu vettä pohjoispuolelta mutta muilla alueilla suotautumissuunta on järvestä pohjaveteen. Pohjoispuolella tilanne muuttuu sulamiskauden jälkeen pohjavedenpinnan laskiessa järven vedenpinnantason alapuolelle. Järven länsipuolella pohjavedenpinta on selvästi pyörätien rakenteiden alapuolella. Pyörätietä lähimpänä olevassa havaintoputkessa (226) pohjavedenkorkeus oli mittausjaksolla ylimmillään tasossa NN+ 16,69 m, joka on noin 1,4 metriä pyörätien perustusten alapuolella. Jos pohjaveden pinta olisi perustusten tasolla tai sen yläpuolella, näkyisi tämä virtauksena alla olevassa salaojaputkessa. Myös kevään ja kesän aikana tehdyt virtaamamittaukset (ks. kappale 5.3) osoittivat, että pyörätie ei vaikuta järven länsipuolisen alueen pohjavedenpintaan. Pohjoisrannalta virtasi maaperästä vettä järveen, kun pohjavedenpinta oli keväällä korkealla. Järveen suotautuu vettä myös pintakerrosvaluntana runsaiden sateiden ja lumen sulamisen vaikutuksesta. Tämä havaittiin kevään suotautumismittauksissa järven 87

88 etelärannalla sekä loppukesästä järven pohjoisrannalla. Molempien mittauksien aikana pohjavedenpinta oli kyseisen rannan puolella järven pinnan tason alapuolella. Keväällä mitattu heikko suotautuminen järveen, tulkittiin lumen sulamisen synnyttämäksi pintakerrosvalunnaksi. Heinäkuussa pohjoisrannalla maaperästä järveen suuntautunut suotautuminen oli todennäköisesti syntynyt noin 10 vuorokautta aiemmin sattuneesta sadannasta jolloin satoi peräkkäisinä päivinä yhteensä 50 mm. Tutkimuksen perusteella havaittiin että Lämsänjärvi voi saada vetensä sadannan lisäksi pohjoispuolelta pohjavesivaluntana sekä pintakerrosvaluntana lumen sulamisen tai voimakkaiden sateiden synnyttämänä. Pohjavedestä tapahtuva virtaus edellyttää korkeaa pohjavedenpintaa. Huolimatta tutkimusjaksoa edeltäneen vuoden runsaasta sadannasta (750 mm) sekä tutkimusta edeltäneen kesän ja talven runsaasta sadannasta (500mm vuoden 2012 alusta elokuun loppuun), nousi pohjavedenpinta järven yläpuolelle vain pohjoispuolella järveä. Muualla pohjavesi oli 1-2 m alempana. Tämä viittaa siihen että järveen tuleva pohjavesivirtaus muodostuu vain järven pohjoispuolella, riittävän runsassateisen talven tai syksyn jälkeen. Sulamiskauden päätyttyä laskee pohjoispuolen pohjavedenpinta 2-3 viikossa järven vedenpinnantason alapuolelle. Pohjavedenpinta voi vähäsateisina jaksoina pysyä järven vedenpinnan alapuolella useina vuosina peräkkäin. Tämän voi huomata Lämsänjärvellä vuosina tehdystä pohjaveden seurannasta (Liite 2). Kuivan jakson aikana virtausta pohjavedestä järveen ei synny. Siksi järven vesimäärä täydentyy vain pintakerrosvalunnasta ja suorasta sadannasta. Pintakerrosvaluntaa edellyttää riittävän suurta vesimäärää ja voi siksi syntyä vain lumen sulamisesta tai voimakkaista sateista. Siksi vähäsateisena aikana myös tämän tekijän vaikutus järven vesimäärään pienenee. Aikoina jolloin Lämsänjärven vedenpinta on ympäröivää pohjavettä ylempänä, järvi voidaan ajatella altaaksi jonka reunojen yli vesi imeytyy maaperään, mutta johon tulee vettä ainoastaan suoraan järven pinnalle sataen. Kuivana ja lämpimänä kesänä haihdunta voi myös olla merkittävästi suurempaa kuin sadanta. Näin on käynyt esimerkiksi vuonna 2006 jolloin kesän sadanta oli kesä-, heinä- ja elokuun aikana 40 mm ja haihdunta samalla jaksolla 320 mm. Edellä mainitussa tilanteessa haihdunta on poistanut Lämsänjärvestä lähes 20 % vesimäärästä. Matalassa ja loivarantaisessa Lämsänjärvessä edellä mainittu tilavuuden muutos näkyy voimakkaana rantaviivan siirtymisenä. 88

89 Nostamalla Lämsänjärven ympäristön pohjavedenpintaa voidaan hidastaa järvestä tapahtuvaa suotautumista. Jos pohjaveden tasoa nostetaan järven veden pinnan yläpuolelle, voidaan lisätä järveen suuntautuvaa pohjaveden virtausta. Tähän parhaat edellytykset on järven pohjoispuolella, missä pohjavesi on muuta aluetta ylempänä. Muilla alueilla pohjavedentason nosto ja virtaussuunnan kääntäminen vaatisi suurempia vesimääriä. Kuitenkin alueilla missä pohjavesi on järven vedenpinnan alapuolella, pohjaveden muodostumisen lisääminen pienentäisi järven ja pohjaveden välistä vedenpinnan kaltevuutta ja näin hidastaisi veden suotautumista järvestä maaperään. Pohjavettä voidaan lisätä imeyttämällä vettä keinotekoisesti tai parantamalla alueelle sataneen veden luonnollista imeytymistä, joka on nyt osittain estynyt asutuksen ja hulevesiverkoston vuoksi. Tutkimuksessa havaittiin että hulevesiverkosto poistaa tehokkaasti vettä sulamiskaudella, joka on pohjavesivaraston täydentymisen kannalta tärkein hydrologinen tapahtuma. Kesällä asutusalueilta hulevesiverkoston kautta poistuva vesimäärä on huomattavasti pienempi sulamiskauteen verrattuna. Lämsänjärven asutusalueilta syntyvä pintavalunta on mahdollista imeyttää syntypaikallaan tai se voidaan ohjata hulevesiverkostoa muutamalla sopivaan imeytyspaikkaan. Näissä menetelmissä on kuitenkin syytä tutkia eri toteutusvaihtoehtojen kustannuksia suhteessa saavutettavaan hyötyyn. Pohjavedenpinnan nosto ei myöskään saa haitata alueella olevia rakennuksia ja muuta infrastruktuuria. Arvioitaessa hulevesien imeyttämisratkaisuista syntyvää hyötyä Lämsänjärvelle, on huomioitava myös luonnollisilla käsittelymenetelmillä saatavaa muu hyöty. Sade ja sulamispiikkien aikana verkostosta virtaava hulevesi kuormittaa purkuvesistöjä niin haitta-ainepitoisuuksien kuin nopeasti syntyvän virtaamapiikin vaikutuksesta. Syntypaikallaan maaperään imeytettävä vesi vähentää verkoston kuormitusta ja purkautuu puhtaana pohjavetenä vastaanottavaan vesistöön. Lämsänjärvellä hulevesien imeyttämiselle potentiaalisin alue sijaitsee järven uolella Knuutilankankaalla (Kuva 39.). Alueen hulevesiverkosto sijaitsee Lämsänjärveä korkeammalla ja tältä alueelta vedet olisi johdettavissa painovoimaisesti lähemmäs järveä. Knuutilankankaalla on entuudestaan huleveden imeytyskenttä mutta sen vaikutusta Lämsänjärveen olisi mahdollista tehostaa imeyttämällä vedet lähempänä 89

90 järveä. Tässä työssä alueen kevätvalunnaksi arvioitiin noin 6000 m 3, huhtikuun puolivälistä toukokuun puoliväliin. Arvio perustui työssä mitattuun valumaan asutusalueelta (ks. kappale 5.3) sekä hulevesiverkoston noin 10 ha valuma-alaan. Knuutilankankaan alueelta kerättävän huleveden imeyttämiselle on useita perusteluja. Alueen sijainti mahdollistaa veden ohjaamisen putkiston avulla ilman pumppaamista. Verkoston valuma-alalta syntyvä vesimäärä on riittävän suuri pohjavedenpinnan nostoon. Imeytysratkaisun olisi teknisen yksinkertaisuutensa ja sillä saatavan vesimäärän vuoksi varsin kustannustehokas. Kuva 39. Knuutilankankaan hulevesiverkoston virtaussuunnat ja katkoviivalla osoitettu mahdollinen huleveden imeytyspaikka. Pohjaveden muodostumista on mahdollista lisätä käyttämällä veden imeytymistä tehostavia huleveden käsittelyratkaisuja (ks. kappale 2.6). Näille menetelmille potentiaalinen alue on etenkin Lämsänjärven koulun tontti, missä rakennuksen katolta ja rakennusta ympäröiviltä piha- ja parkkialueilta vedet voidaan imeyttää maaperään hulevesiverkostoon johtamisen sijasta. Juuri koulun ja Lämsänjärven välisellä alueella pohjaveden pinta nousee järven vedenpinnan yläpuolella (ks. Kuva 30). 90

91 Lämsänjärven pohjoispuolella hulevesiverkoston muutoksilla olisi myös mahdollista nostaa pohjavedenpintaa (Kuva 40.). Tällä alueella hulevesiverkostot laskevat järvestä poispäin, eikä siellä siksi ole mahdollisuutta ohjata hulevesiä painovoimaisesti lähelle järveä. Järven pohjoispuolisen alueen pohjavedenkorkeus on ratkaisevassa asemassa järveen tapahtuvassa pohjaveden suotautumisessa. Mikäli tällä alueella pintaa saadaan nostettua, se mahdollistaisi keväällä pidempään jatkuvan pohjaveden suotautumisen järveen. Tähän käytettäviä menetelmiä voivat olla hulevesikaivojen muuttaminen vettä läpäiseviksi poistamalla pohja ja lisäämällä kerros hyvin vettä johtavaa materiaalia niin että vesi pääsee imeytymään maaperään. Kuva 40. Lämsänjärven pohjoispuolen hulevesiverkoston virtaussuunnat. Punaisella on rajattu keskeisimpiä alueita missä imeyttämisellä on suurin vaikutus järven vedenpintaan. Imeytymistä on myös mahdollista lisätä ohjaamalla hulevedet imeyttämiseen tarkoitetuissa avo-ojissa. Rakenteessa ojan pohjassa on kerros hyvin vettä johtavaa materiaalia sekä salaojaputki. Painanteen pintakerros ja luiskat ovat kasvipeitteiset. Koska Lämsänjärven alueelle on jo rakennettu hulevesiverkosto, imeytysojien 91

92 rakentaminen voisi olla kustannustehokkainta verkoston korjaamisen tai uusimisen yhteydessä. Tehostetun pohjaveden muodostumisen lisäksi järven vesitasetta voidaan korjata keinotekoisella pohjavedenpinnan nostolla. Se voidaan toteuttaa pumppaamalla vettä järven lähelle, missä se imeytetään maaperään. Tässä ratkaisussa vedenlähteenä voisi käyttää valuma-alueella A 1 syntyvää hulevettä (ks. kappale 4.7) tai esimerkiksi järven eteläpuolella olevaa pohjavesipostia. Menetelmän etuina on mahdollisuus kohdistaa imeyttäminen optimaaliseen paikkaan niin että pienimmällä mahdollisella vesimäärällä pohjaveden virtaussuunta voidaan kääntää järveen päin. Tämän tutkimuksen perusteella paras alue veden imeyttämiselle on järven pohjoispuolinen puisto, jonka alueella pohjavedenpinta on ylimpänä. Tulevaa alhaista vedenpinnantasoa on kuitenkin osattava ennakoida. Jos edellisen syksyn ja talven sademäärät ovat normaalia vähäisemmät, pumppausta kannattaa tehdä kevään ja alkukesän aikana niin, että järven pohjoispuolen pohjavedenpinta on lähellä järven vedenpinnantasoa. Kun tällä alueella pohjavedenpinta on ylempänä järveä, rajoittuu suotautuminen vain etelän puoleisille rannoille. Näin voidaan estää ja hidastaa tilanteen syntyminen joka johtaa vähäsateisena kesänä loppukesällä järven matalaan vedenkorkeuteen. Mikäli järven pintaa nostetaan pumppaamalla vettä suoraan järveen, vaadittava vesimäärä voi olla suurempi. Tällöin osa lisätystä vedestä poistuu haihtumalla eikä suotautumisnopeuteen voida vaikuttaa. Vedenpumppaus suoraan järveen asettaa myös enemmän vaatimuksia vedenlaadulle ja voi siksi olla kustannusten kannalta huonompi vaihtoehto. Jos vedenkorkeutta täytyy nostaa välittömästi, se lienee kuitenkin ainoa vaihtoehto. Syy, miksi Lämsänjärven pinta on ollut matalalla juuri 2000-luvulla, löytyy ilmastollisesta vaihtelusta. Vuosina 2001, 2002 ja 2003 sadanta on ollut normaalia vähäisempää. Näinä vuosina sademäärät olivat normaalia pienemmät; mm, mm ja mm, ja peräkkäin toistuvien kuivien vuosien aikana pohjavedenpinta ehtii todennäköisesti laskea niin paljon, että sen palautuminen voi kestää useamman vuoden. Kuivan jakson aikana järvi ei todennäköisesti vastaanota vettä pohjavedestä ja siksi sen vedenpinta riippuu vain sateesta ja haihdunnasta. Edellä 92

93 mainitussa tilanteessa pohjaveden imeytysratkaisuilla voidaan vähentää kuivan kauden aiheuttamia haittoja. Järven vedenpinnan taso riippuu vuosittaisesta sadannasta ja haihdunnasta. Järven ympäristön pohjaveden seurantaa on siksi syytä jatkaa, jotta voidaan tunnistaa tilanteet jolloin vedenpumppaus on tarpeen. Tutkimuksen aikainen kesä on osoittanut, että järven vedenpinta kuitenkin palautuu kuivempien jaksojen jälkeen. On kuitenkin selvää että myös tulevaisuudessa syntyy tilanteita jolloin peräkkäiset vähäsateiset vuodet laskevat vedenpintaa niin, että se haittaa virkistyskäyttöä. 93

94 7 Yhteenveto Oulun kaupungissa, asutusalueiden keskellä olevan Lämsänjärven vedenpinnan alenemisen syitä selvitettiin tutkimalla järven ja sitä ympäröivän pohjaveden vuorovaikutusta. Työssä tutkittiin myös millä kunnostusmenetelmillä voidaan estää virkistyskäytölle haitallinen vedenpinnan aleneminen uimakaudella. Lämsänjärvi on taajama-asutusalueella sijaitseva matala, tulo- ja lähtöuomaton järvi, joka on syntynyt moreeniselänteiden painaumaan paksun savisen silttikerroksen päälle. Järvi ruopattiin 1990-luvun alussa ja samalla sen soistuneet pohjois- ja eteläranta muutettiin hiekkarannoiksi. Järven vedenpinnan aleneminen on saanut alueen asukkaat huolestumaan järven tilasta. Vedenpinnan alenemisen syyksi on yleisesti epäilty järven länsipuolelle rakennettua pyörätietä, jonka rakentamisen jälkeen vedenpinta on laskenut. Työssä havainnoitiin järveä ympäröivän pohjaveden vaihtelua alueelle asennettujen pohjaveden havaintoputkien avulla. Järven ja pohjaveden välisen virtauksen suuntaa ja alueellista jakautumista tutkittiin työn aikana kaksi kertaa tehdyillä suotautumismittauksilla. Järven ympäristön asuinalueiden vaikutusta pohjaveden pinnankorkeuteen tutkittiin mittaamalla hulevesiverkosta virtaamaa ja määrittämällä alueelta syntynyt valuma. Lasketun valuman perusteella arvioitiin hulevesiverkoston kautta poistuneen veden merkitystä alueen pohjavesien täydentymiselle sekä huleveden riittävyyttä järven vesitasetta korjaavaan imeytysratkaisuun. Alueen maaperää tutkittiin pohjaveden havaintoputkien asennuksen yhteydessä otetuilla maaperänäytteillä sekä määrittämällä maaperän vedenjohtavuuskerroin pohjaveden havaintoputkissa slug-testin avulla. Alueen hydrogeologisista olosuhteista koostettiin virtausmalli GMS mallinnusohjelmalla. Virtausmallissa mallinnettiin järven ja pohjaveden vuorovaikutusta sekä testattiin eri imeytysvaihtoehtojen toimivuutta. Pohjavedenpintojen perusteella Lämsänjärven tiivis pohjasedimentti pidättää veden maanpinnalla josta se imeytyy hitaasti maaperään. Sen vedenpinta on pääasiassa ympäröivän pohjaveden yläpuolella. Järven rantojen lähellä pohjavedenpinta laskee erittäin jyrkästi, mutta etäämmällä pohjaveden gradientti ei ole yhtä jyrkkä. Runsas lumen sulaminen tai pitkäaikainen runsas sadanta voi nostaa pohjavedenpinnan järven vedenpinnan yläpuolelle järven pohjoispuolella. Tutkimusjaksoa edeltäneen talven ja kevään runsaista sateista huolimatta pohjavedenpinta oli selvästi järven vedenpinnan alapuolella itä-, etelä- ja länsipuolella järveä. Sulamiskauden jälkeen myös 94

95 pohjoispuolisen alueen pohjavedenpinta laski järven vedenpinnan alapuolelle. Lämsänjärven länsipuolella olevan pyörätien alueella pohjavedenpinta oli noin 2 m järven vedenpinnan alapuolella ja noin 1,4 m pyörätien perustusten alapuolella. Tämän perusteella pyörätie ei vaikuta järven länsipuolisen alueen pohjavedenpintaan eikä järven vedenpintaan. Järven ja pohjaveden vuorovaikutusta tutkittiin suotautumismittauksilla. Mittaukset tehtiin pohjaveden ollessa korkeimmillaan heti sulamiskauden jälkeen toukokuun puolivälissä. Mittaukset toistettiin heinäkuun lopussa, kun pohjavedenpinta oli järven vedenpintaa alempana joka puolella järveä. Suotautumismittauksissa käytettiin kuutta suotautumismittaria jotka asennettiin järven pohjasedimenttiin rannan tuntumassa. Mittausten perusteella keväällä pohjavedestä virtasi järveen vettä pohjoisrannalta, missä pohjavesi oli järven vedenpintaa ylempänä. Etelärannalla, missä pohjavesi oli selkeästi järven vedenpinnan alapuolella, mitattiin myös heikko järveen päin suuntautuva virtaus. Tämä tulkittiin sulamisen aiheuttamaksi pintakerrosvalumaksi. Heinäkuun mittauksissa pohjavesi oli järven ympäristössä järven pinnantason alapuolella. Siitä huolimatta pohjoisrannalla mitattiin pohjavedestä järveen suuntautuva virtaus. Suotautuminen oli todennäköisesti syntynyt noin 10 vrk aiemmin sattuneesta runsaasta sateesta (noin 50 mm) joka on aiheuttanut pintakerrosvaluntaa. Heinäkuunmittauksessa suotautumissuunta järven etelärannalla oli järvestä pohjaveteen. Järven ympäristön geologista rakennetta ja maaperän vedenjohtavuutta tutkittiin maaperänäytteillä ja slugtestillä. Maaperänäytteitä otettiin pohjaveden havaintoputkien kairauksien yhteydessä 1, 5 ja 10 metrin syvyydestä. Näytteiden perusteella maan ylin kerros on hiekkamoreeni ja alemmat kerrokset silttistä hiekkaa ja hienoa hiekkaa. Pohjavesiputkissa tehtyjen slugtestien mukaan maaperän vedenjohtavuus vaihtelee välillä 3,2* ,3*10-7 m/s. Yleisesti alueen maaperä oli heterogeenistä eikä siitä voitu tunnistaa selkeitä kerroksia. Hulevesiverkoston kautta poistuvaa vesimäärää mitattiin järven pohjoispuolisen asuinalueen hulevesiverkostosta. Mittauksen perusteella laskettiin asutusalueella muodostuva pintavalunta viidelle eri jaksolle. Mittauksen mukaan sulamiskaudella ( ) 12 ha alueelta 100 mm vesipatsasta vastaavasta lumikerroksesta sekä mittausjakson aikana sataneesta 50 mm sadannasta muodostui 70 mm valunta. Mittausalueella tämä vastaa noin 8000 m 3. Kolmannella mittausjaksolla ( ) valuntakerroin oli 0,62 kertoimen suuruutta selittää todennäköisesti sulamisen jälkeen 95

96 kylläinen maaperä, jonka kosteus poistuu rakennusten kuivatusjärjestelmistä hulevesiverkostoon. Heinä- ja elokuun aikana valunta oli pienempää ja noin 10 % sateesta muodostui pintavalunnaksi (valuntakerroin noin 0,1). Hulevesimittauksia tehtiin myös Lämsänjärven länsipuolen pyörätien alla olevasta salaojaputkesta. Kevään aikana virtaamaa mitattiin kolme kertaa, jonka jälkeen virtaus loppui. Näiden tulosten perusteella voidaan arvioida, että salaojaputken kautta purkautui koko tarkastelujakson aikana vettä enimmillään noin 150 ja 200 m 3. Se on huomattavasti vähemmän kuin esimerkiksi hulevesiverkostojen kautta purkautuva vesimäärä. Edellä mainittu vesimäärä ei riitä vaikuttamaan järven länsipuoliseen pohjavedenpintaan. Alueesta koostetulla virtausmallilla mallinnettiin pohjaveden virtaussuuntia, järven ja pohjaveden vuorovaikutusta sekä tutkittiin eri kunnostusvaihtoehtojen toimivuutta. Malli kalibroitiin pohjavedenpintojen korkeuksien perusteella, jonka jälkeen sillä kokeiltiin kolmea eri variaatiota miten imeyttäminen vaikuttaisi järven ja sitä ympäröivän pohjaveden pintaan. Järven vedenpinnan nostamiseksi mallilla tutkittiin kolmea vaihtoehtoa, joista ensimmäinen oli veden imeyttäminen järven pohjoispuolelle, toisessa imeytys toteutettiin järven eteläpuolelle ja kolmannessa vedenlisäys suoraan järveen. Näistä parhaan tuloksen antoi veden imeyttäminen järven pohjoispuolelle. Työn perusteella järvi saa vettä suoran sadannan lisäksi pohjavedestä ja pintakerrosvaluntana. Järven vedenpinnan voimakas vaihtelu johtuu alueen hydrogeologian vaikutuksesta. Runsaan sadannan aikana järven vedenpinta nousee voimakkaasti koska se saa vettä sadannasta, pintakerrosvaluntana sekä pohjavesivaluntana. Kuivalla jaksolla vedenpinta laskee voimakkaasti, koska pohjaveden laskiessa pohjavesivalunta järveen loppuu ja järvestä pohjaveteen suotautuvan veden määrä kasvaa. Samoin loppuu pintakerrosvalunta, koska vähäinen sadanta ei aikaan saa merkittävästi pintakerrosvaluntaa. Kuivan jakson runsaampi haihdunta lisää myös entisestään veden poistumista järvestä. Järven vesitaseen parantamiseksi on mahdollista lisätä alueen luonnollista imeytymistä tai nostaa pohjavedenpintaa keinotekoisesti. Luonnollista imeytymistä voidaan lisätä hulevesien käsittelyratkaisuilla jotka mahdollistavat sadeveden imeytymisen maaperään. Keinotekoisella pohjavedenpinnan nostolla voidaan vaikuttaa järven ja pohjaveden vuorovaikutukseen keskitetymmin. Keinotekoisten tai luonnollisten kunnostusratkaisun kohdentaminen järven pohjoispuoliselle alueelle vaikuttaa voimakkaimmin järven ja pohjaveden vuorovaikutukseen. 96

97 Lähdeluettelo Ahponen H., Luonnonmukaisten hulevedenkäsittelymenetelmien ja aluesuunnittelun keinoin kohti parempaa taajamahydrologiaa., Teoksessa: Vakkilainen P., Kotola J. & Nurminen J. Rakennetun ympäristön valumavedet ja niiden hallinta. Ympäristöministeriö, Helsinki. s Suomen Ympäristö 776. ISBN Airaksinen J.U Maa- ja pohjavesihydrologia, Pohjoinen, Oulu. 248 s. ISBN Aquaveo MODFLOW - LAK Package, GMS 8.2 Tutorial, [verkkodokumentti], [viitattu ], saatavissa PDF-tiedostona: aquaveo.com/MODFLOW-LAKPackage.pdf Ala-aho P Vesitase ja vuorovaikutus pinta- ja pohjaveden välillä Rokuan harjualueella Ahveroisen suppajärvessä, Oulun yliopisto. Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio. Diplomityö. 104 s. Bear J Hydraulics of groundwater. Israel, McGraw-Hill Inc. McGraw-Hill Series in Water Resources and Environmental Engineering. 567 s. ISBN Bengtsson L., Westerstrom G Urban Snowmelt and Runoff in Northern Sweden, Hydrological Sciences Journal-Journal Des Sciences Hydrologiques, 37, (3), s ISSN Bouwer H. & Rice R.C A slug test for determining hydraulic conductivity of unconfined aquifers with completely or partial penetrating wells. Water Resources Research, 12, (3), s Dingman S. L., 2008 Physical Hydrology, 2. painos. Long Grove, IL, Waveland press. 646 s. ISBN Freeze R. & Cherry J Groundwater. Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice-Hall Inc. 604 s. ISBN Hertta-tietokanta [Verkkodokumentti]. [Viitattu ]. Saatavissa 97

98 Ilmatieteenlaitos Ilmatieteenlaitoksen havaintoasemat [verkkodokumentti]. [viitattu ]. Saatavissa: Järvinen J Haihdunta Evaporation., Teoksessa: Korhonen J. (toim.). Hydrologinen vuosikirja Helsinki, Suomen ympäristökeskus. s Suomen Ympäristö ISBN Kamula A VS: Oulun kaupungin korkeusjärjestelmästä. [yksityinen sähköpostiviesti], Vastaanottaja: Jussi Härkönen. Lähetetty klo (GMT +0300) Kotola J. & Nurminen J 2003a. Kaupunkialueiden hydrologia Valunnan ja ainehuuhtouman muodostuminen rakennetuilla alueilla. Osa 1 kirjallisuustutkimus. Espoo s. Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja 7. ISBN Kotola J. & Nurminen J 2003b. Kaupunkialueiden hydrologia Valunnan ja ainehuuhtouman muodostuminen rakennetuilla alueilla. Osa 2 koealuetutkimus. Espoo s. Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja 8. ISBN Kotola J. & Nurminen J Kaupunkirakentamisen hydrologiset vaikutukset. Teoksessa: Vakkilainen P., Kotola J. & Nurminen J. Rakennetun ympäristön valumavedet ja niiden hallinta. Ympäristöministeriö, Helsinki. s Suomen Ympäristö 776. ISBN Korkka-Niemi K. & Salonen V-P Maanalaiset vedet -pohjavesigeologian perusteet. Vammala, Turun yliopiston täydennyskoulutuskeskus. 181s. Turun yliopiston täydennyskoulutuskeskuksen julkaisuja A:50, ISBN Kruseman G.P., Ridder N.A.d. & Verweij J.M Analysis and evaluation of pumping test data, 2. painos. (completely rev.). edn, International Institute for Land Reclamation and Improvement publication 47, Wageningen, The Netherlands. 377 s. ISBN Kuusisto E Sadanta. Teoksessa: Mustonen S.(toim.). Sovellettu hydrologia. Helsinki, Vesiyhdistys r.y, s

99 Kuusisto P., Ruth O., Tikkanen M Valuma-alueiden kaupungistuminen ja sen vesistövaikutukset. Teoksessa: Vakkilainen P., Kotola J. & Nurminen J. Rakennetun ympäristön valumavedet ja niiden hallinta. Ympäristöministeriö, Helsinki. s Suomen Ympäristö 776. ISBN Maanmittauslaitos Laserkeilausaineisto [verkkodokumentti]. Saatavissa: Melanen, M Kaupungistuminen. Teoksessa: Mustonen S.(toim.). Sovellettu hydrologia. Helsinki, Vesiyhdistys r.y, s Metropolitan Council Minnesota Urban small sites BMP manual Stormwater best management practices for cold climates [verkkodokumentti]. Minneapolis: Metropolitan Council. [viitattu ]. Saatavissa PDF-tiedostona: Mälkki E Pohjavesi. Teoksessa: Mustonen S.(toim.). Sovellettu hydrologia. Helsinki, Vesiyhdistys r.y, s Mälkki E Pohjavesi ja pohjaveden ympäristö, Helsinki. 304 s. ISBN Rosenberry D.O., LaBaugh J.W. & Randall J.H Use of monitoring wells, portable piezometers and seepage meters to quantify flow between surface water and ground water. Teoksessa: Rosenberry D. O. & LaBaugh J. W. (toim.). Field techniques for estimating water fluxes between surface water and ground water. Reston, Virginia, U.S. Geological Survey. s U.S. Geological Survey Techniques and Methods 4- D2. ISBN Reuna M Sadanta ja lumen vesiarvo Precipitaition and water equivalent of snow. Teoksessa: Korhonen J. (toim.). Hydrologinen vuosikirja Helsinki, Suomen ympäristökeskus. s Suomen Ympäristö ISBN Seppälä M. & Tuominen S Pohjaveden virtauksen mallintaminen. Suomen ympäristökeskus, ympäristöopas 121. Vammala, Vammalan kirjapaino Oy. 62 s. ISBN

100 Siikaluoma T. 2012a. VL:VS:Honkala-Lämsänjärvi asukasyhdistyksen vedenpinnan seurantatiedot. [yksityinen sähköpostiviesti]. Vastaanottaja: Jussi Härkönen. Lähetetty klo 10:19 (GMT+0300) Siikaluoma T. 2012b. VS:Honkala-Lämsänjärvi asukasyhdistyksen vedenpinnan seurantatiedot. [yksityinen sähköpostiviesti]. Vastaanottaja: Jussi Härkönen. Lähetetty klo 14:50 (GMT+0300) Spitz K. & Moreno J A Practical Guide to Groundwater and Solute Transport Modeling. New York, NY, John Wiley & Sons, Inc. 461 s. ISBN Suomen ympäristökeskus, (2010) Pohjavesimallinnuksessa tarvittavat lähtötiedot. [verkkodokumentti]. Julkaistu [viitattu ]. Saatavissa: Suomen ympäristökeskus Hydrologinen kuukausitiedote huhtikuu [verkkodokumentti]. Julkaistu [viitattu ] Saatavissa: Taskila M. 2012a. VS:Lämsänjärven pohjavesiputkien tiedot. [yksityinen sähköpostiviesti]. Vastaanottaja: Jussi Härkönen. Lähetetty klo (GMT +0300) Taskila M. 2012b. VS:Lämsänjärven tutkimusmenetelmät. [yksityinen sähköpostiviesti]. Vastaanottaja: Jussi Härkönen. Lähetetty klo 07:33 (GMT +0200) Taskila M. 2012c. VS:Lämsänjärven aineisto. [yksityinen sähköpostiviesti]. Vastaanottaja: Jussi Härkönen. Lähetetty klo 06:46 (GMT +0300) Tornivaara-Ruikka R. 2006, Hulevesien käsittely maankäytön suunnittelussa. Helsinki. 38 s. Uudenmaan ympäristökeskuksen raportteja Uudenmaan ympäristökeskus. ISBN TruTrack, WT-HR Water Height Data Loggeri [verkkodokumentti]. Julkaistu [viitattu ]. Saatavissa: Lee D. R A device for measuring seepage flux in lakes and estuaries. Limnology and oceanography, 22, (1),

101 Näpänkangas J. 2001, Oulun lähialueen järvien tila, Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus, Oulu. Alueelliset ympäristöjulkaisut. 66 s. ISBN Vakkilainen P. 1986, Haihdunta. Teoksessa Mustonen S.(toim.). Sovellettu hydrologia. Helsinki, Vesiyhdistys r.y, s Julkaisemattomat lähteet Oulun kaupungin rakennustoimisto. 1966a. Geoteknillinen tutkimus 1010 Oulun kaupungin rakennustoimisto. 1966a. Geoteknillinen tutkimus 1012 Oulun kaupungin rakennusvirasto Lämsänjärven ympäristön pohjavesitutkimus alkaen Piirustus n:o R-560/1. Kunnallistekninen suunnitteluosasto. Oulun kaupungin rakennusvirasto Lämsänjärven kunnostus Oulun kaupungissa Työselitys. Oulun kaupungin rakennusvirasto Alustava pohjatutkimus - Vesitornin suunnittelu VE2. Knuutilankangas. Piirustus n:o III Kunnallisteknillinen suunnitteluosasto Oulun kaupungin rakennusvirasto Lämsänjärven kunnostus Suunnitelmakartta. Piirustus n:o I Kunnallisteknillinen suunnitteluosasto Oulun kaupungin tekninen keskus Pohjatutkimus Lämsänjärvenpuiston polut. Piirustus n:o I Katu- ja viherpalvelut. Partanen, E Pohjatutkimus Lämsänjärvi. Piirustus n:o V Oulun kaupungin rakennusvirasto. Kunnallisteknillinen suunnitteluosasto. Partanen, E. 1999a. Pohjatutkimus Lämsänjärven polku, Lämsänjärven puisto. Piirustus n:o I Oulun kaupungin tekninen keskus. Katu- ja viherpalvelut. Partanen, E. 1999b. Pohjatutkimus Lämsänjärven polku, Lämsänjärven puisto. Piirustus n:o I Oulun kaupungin tekninen keskus. Katu- ja viherpalvelut. Partanen, E. 1999c. Pohjatutkimus Lämsänjärven polku, Lämsänjärven puisto. Piirustus n:o I Oulun kaupungin tekninen keskus. Katu- ja viherpalvelut. 101

102 Liite 1. Pohjaveden havaintoputket Lämsänjärvellä vuosina Taulukko 1. Pohjaveden havaintoputket Lämsänjärven ympäristön pohjavesitutkimuksessa vuosina

103 Kuva 1. Pohjavesitutkimus Lämsänjärvellä Järven pohjoispuolen pohjavesi-havainnot Liite 2. (1/2) Pohjavedenkorkeuden havainnot Lämsänjärvellä vuosina

104 Kuva 2. Pohjavesitutkimus Lämsänjärvellä Järven eteläpuolen pohjavesi-havainnot Liite 2 (2/2) Pohjavedenkorkeuden havainnot Lämsänjärvellä vuosina

105 Liite 3. Lämsänjärven pohjatutkimus (Partanen 1989) Kuva 1. Lämsänjärven pohjatutkimuksen maaperänäytteet. Näyte n:o 1 järven etelärannalta pisteestä 1. Näytteet n:o 2 ja 3 järven keskeltä pisteestä 2. Kairaus tehtiin jään päältä tasosta NN m. Kuva 2. Näytteet n:o 4 järven keskeltä pisteestä 2. Näyte n:o 5 järven pohjoisrannalta pisteestä 3. Kairaus tehtiin jään päältä tasosta NN m.

106 Mittauspiste Materiaali Ulkohalkaisija Sisähalkaisija Yläpään Siiviläosa Jatko Pituus Z Liite 4 Pohjaveden havaintoputket Lämsänjärvellä 2012 Alapään Z Maan pinnan Mittari X Y 226 PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 3.0 m 5.0 m Mittauspiste järvessä olevassa kivessä PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 4.0 m 6.0 m x PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 3.0 m 5.0 m PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 1.0 m 3.0 m PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 4.0 m 6.0 m PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 2.0 m 4.0 m x PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 2.0 m 4.0 m x PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 4.0 m 6.0 m PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 2.0 m 4.0 m PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 3.5 m 5.5 m PEH 40 mm 32 mm 2.0 m 3.0 m 5.0 m x Z on metriä merenpinnasta NN-korkeusjärjestelmässä koordinaatisto ETRS-TM35FIN Kuva 1. Lämsänjärvelle asennetut pohjavesiputket ja järven mittauspiste. Putken yläpäänkorkeustaso on määritetty muoviputken päähän. (Taskila 2012a)

107 Slug testi vesipatsaan korkeusero [m] aika [min] (M) 226(M) 231(M) Kuva 1. Vedenpinnan palautumisnopeus slug-testissä. Punaisella pisteellä kuvattu laskuissa käytetyt ht:n ja t:n arvot. Liite 5.(1/2) Slug-testin laskentatiedot 1:00 0:58 0:56 0:54 0:52 0:50 0:48 0:46 0:44 0:42 0:40 0:38 0:36 0:34 0:32 0:30 0:28 0:26 0:24 0:22 0:20 0:18 0:16 0:14 0:12 0:10 0:08 0:06 0:04 0:02 0:00

108 Liite 5. (2/2) Slug-testin laskentatiedot Taulukko 1. Slug testissä käytetyt arvot PVP d [m] r w [m] r c2 [m] D [m] (M) (M) (M) b Putken Yläpää NN Putken Alapää Z NN Vedenpinta NN h 0 [m] Taulukko 2. Slug testissä käytetyt arvot ja lasketut vedenjohtavuusarvot (1/t)*ln(h 0 /h t ) PVP t [s] h t d/r B ln(r K [m/s] [s -1 w A e /r w ) K [m/d] ] E E E E (M) E (M) E (M) E

109 Liite 6.(1/3) Maaperänäytteiden rakeisuuskäyrät Kuva 1. Lämsänjärven eteläpuolelta, näytepisteestä 228 otettujen maaperänäytteiden rakeisuuskäyrät. Näyte 1 m syvyydestä (Hiekka moreeni) on kuvattu mustalla viivalla, Punaisella katkoviivalla kuvattu näyte (hieno Hiekka) on 5 m syvyydestä. 10 m syvyydestä otettu näyte on kuvattu vihreällä viivalla. Tässä pisteessä maalajiluokaksi saatiin silttinen hiekka. Kuva 2. Lämsänjärven eteläpuolelta, näytepisteestä 229 otettujen maaperänäytteiden rakeisuuskäyrät. Musta viiva on 5 m syvyydestä otetun näytteen rakeisuuskäyrä. Näytteen maalajiluokka on hiekkamoreeni. Punaisella katkoviivalla kuvattu näyte on 10 m syvyydestä ja sen maalajiluokka on hieno hiekka.

110 Liite 6.(2/3) Maaperänäytteiden rakeisuuskäyrät Kuva 3. Maaperänäytteiden rakeisuuskäyrät pisteessä 231, Lämsänjärven luoteispuolella. Mustalla viivalla kuvatun näytteen näytteenottosyvyys on 5 m ja maalajiluokka silttinen hiekka. Punaisella katkoviivalla kuvattu 10 m syvyydestä otettu näyte määriteltiin silttihiekkamoreeniksi. Kuva 4. Lämsänjärven pohjoispuolelta pisteestä 234, otettiin vain yksi maaperänäyte. Tämä 10 m syvyydestä otettu näyte määritettiin hiekkaiseksi siltiksi.

111 Liite 6.(3/3) Maaperänäytteiden rakeisuuskäyrät Kuva 5. Maaperänäytteiden rakeisuuskäyrät pisteestä 237. Järven kaakkoispuolelta otetuista maaperänäytteistä 1 m syvyydestä otettu näyte määritettiin hiekkamoreeniksi (musta viiva). 5 m ja 10 m syvyydestä otetut näytteet ovat koostumukseltaan lähes samanlaiset. Punainen katkoviiva kuvaa 5 m syvyydestä otettua näytettä, joka määritettiin hienoksi hiekaksi. Vihreä viiva kuvaa 10 m syvyydestä otettua näytettä jonka maalajiluokitus on silttinen hiekka.

112 Liite 7. (1/2) Heijarikairausdiagrammi Kuva 1. Heijarikairauskella arvioitu kallionpinta pisteessä 229. Kairaus päättyi tasoon NN+3,91 m. Pisteessä ei tehty kalliovarmennusta.

113 Liite 7. (2/2) Heijarikairausdiagrammi Kuva 2. Heijarikairauksella arvioitu kallionpinta pisteessä 234. Kairaus päättyi tasoon NN+5,99 m. Pisteessä ei tehty kallion varmennusta.

114 Kuva 1. Lämsänjärven vedenpinta, sadanta ja haihdunta Liite 8. Lämsänjärven vedenkorkeus, sadanta ja haihdunta, vuosina

115 Kuva 1. Suotautumismittausten mittaustaulukko Liite 9.(1/2) Suotautumismittausten mittauspöytäkirja

116 Kuva 2. Suotautumismittausten mittaustaulukko Liite 9.(2/2) Suotautumismittausten mittauspöytäkirja