RiverLifeGIS -paikkatietotyökalun soveltuvuus turvemetsätalouden ojaeroosioriskin arviointiin

Transkriptio

1 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Diplomityö RiverLifeGIS -paikkatietotyökalun soveltuvuus turvemetsätalouden ojaeroosioriskin arviointiin Oulussa Tekijä: Tapio Tuukkanen Työn valvoja: Prof. Bjørn Kløve Työn ohjaajat: Prof. Harri Koivusalo DI Hannu Marttila

2 OULUN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Osasto Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Tekijä Tuukkanen Tarmo Ville Tapio Tiivistelmä opinnäytetyöstä Laboratorio Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Työn valvoja Kløve Bjørn, Professori Työn nimi RiverLifeGIS -paikkatietotyökalun soveltuvuus turvemetsätalouden ojaeroosioriskin arviointiin Oppiaine Työn laji Aika Sivumäärä Vesitekniikka Diplomityö Huhtikuu Tiivistelmä Metsätalouden aiheuttama kiintoaine- ja ravinnekuorma on etenkin pienissä latvavesistöissä merkittävä veden laatua heikentävä tekijä. Turvemetsien uudisojitusta ei nykyisellään enää tehdä, mutta ojien kuivatustehokkuuden säilyttämiseksi toteutettavien kunnostusojitusten tarve on suuri. Kunnostusojitusten seurauksena lisääntyvä uomaeroosio kasvattaa merkittävästi metsäalueelta vesistöön kulkeutuvaa kiintoainekuormaa etenkin muutamana ensimmäisenä vuotena kunnostuksen jälkeen. Yhtenä menetelmänä kiintoainekuormituksen vähentämiseksi kunnostusojitusalueen eroosioherkimmät osat voidaan jättää perkaamatta. Työssä tutkittiin RiverLifeGIS -paikkatietotyökalun pohjalle kehitettyä kunnostusojitusten eroosioriskiä ennustavaa mallia. Malli laskee paikkatietoaineistoja hyödyntäen ojitetun metsävaluma-alueen uomien hydrauliikkaa kuvaavia suureita ja johtaa näiden perusteella arvioin ojaston eroosioherkistä osista. Työn tärkeimpänä tavoitteena oli osoittaa mallin tuottaman eroosioriskiarvion tarkkuus ja luotettavuus sekä mallitulokseen keskeisesti vaikuttavat tekijät. Tutkimusongelmaa lähestyttiin vertaamalla mallitulosta kahdelta koevaluma-alueelta kesän 2009 aikana kerättyyn aineistoon ojitusalueilla tapahtuneesta eroosiosta ja siihen vaikuttaneista tekijöistä. Työn teoriaosassa luotiin lyhyt katsaus metsäojituksen hydrologisiin vaikutuksiin ja avouomahydrauliikkaan sekä uomaeroosioprosesseihin ja niiden mallintamiseen. Työssä havaittiin mallituloksen tarkkuuden olevan voimakkaasti riippuvainen käytettävien lähtöaineistojen tarkkuudesta. Lähtöaineistojen virheiden lisäksi myös mallin laskentamenetelmän yksinkertaistukset aiheuttivat paikoin heikkoja korrelaatioita mallituloksen ja koealueilla havaitun eroosion välillä. Tutkimuksen mukaan RiverLifeGIS:n ojaeroosioriskin arviointityökalulla voidaan ennustaa ojitusalueen eroosioherkkiä osia n. 40 %:n ja eroosioriskittömiä osia n. 77 %:n varmuudella. Lähtöaineistojen korjaamisen jälkeen mallin ennustuskyky havaintoaineiston sisällä parani suuren eroosioriskin alueilla n. 52 %:iin ja eroosioriskittömillä alueilla n. 83 %:iin. Malli ennusti suurta eroosioriskiä etenkin suurehkon virtaaman laskuojiin ja pientä eroosioriskiä tiheään kaivettuihin sarkaojiin. Malli ei kyennyt luotettavasti ennustamaan paikallisia pienipiirteisiä vaihteluita ojaeroosioriskissä, ja mallitulokset sisälsivät lähtöaineistojen virheiden korjaamisen jälkeenkin selviä virheitä. Tutkimuksessa kerätyllä mittausaineistolla ei kyetty aukottomasti kuvaamaan koealueilla tapahtunutta eroosiota, joten mallin ennustuskyvyn tarkka arviointi vaatisi yksityiskohtaisempaa vertailuaineistoa kunnostusojituksen jälkeisistä eroosioprosesseista. Työssä tehtyjen tarkastelujen perusteella RiverLifeGIS:n hyödyntäminen kunnostusojitusten suunnittelussa tulisi olla luonteeltaan maastotyötä tukevaa, eikä mallituloksen perusteella voida vielä suoraan tehdä päätöksiä kunnostusojitustoimenpiteiden kohdentamisesta. Mallin käytön edut liittyvät mallin pieniin aineistollisiin vaatimuksiin, tulosten visuaaliseen esittämiseen ja nopean yleiskuvan saamiseen ojitusalueen rakenteesta ja hydraulisista ominaisuuksista. Mallitulokselle voidaan antaa enemmän painoarvoa ojitusalueen eroosioriskittömiksi ennustettujen sarkaojien alueella. Laskuojissa, virtausnopeuksien ja virtaamien kasvaessa eroosioriskiarvion luotettavuus heikkenee huomattavasti. Säilytyspaikka Oulun yliopisto, Tiedekirjasto Tellus Muita tietoja

3 UNIVERSITY OF OULU Faculty of technology Department Department of Process and Environmental Engineering Author Tuukkanen Tarmo Ville Tapio Abstract of thesis Laboratory Water Resources and Environmental Engineering Laboratory Supervisor Kløve Bjørn, Professor Name of the thesis Suitability of RiverLifeGIS -geographical information tool for ditch erosion risk assessment in peatland forestry Subject Level of studies Date Number of pages Water Engineering Diploma thesis April Abstract Sediment and nutrient load caused by peatland forestry is a significant factor that deteriorates the water quality especially in small headwaters. Initial ditching is no longer performed but there is a widespread need of maintenance of old ditches in order to maintain adequate drainage efficiency. Channel erosion caused by ditch network maintenance increases sediment transport from drainage area which is important factor especially during excavation and few years afterwards. One method to reduce sediment load from drainage area is to avoid cleaning of channels where the risk of erosion is the greatest. The model investigated in this thesis is based on RiverLifeGIS (RLGIS) -software and predicts the potential erosion risk in ditch network. This model utilizes geographical information (GI) data to calculate hydraulic factors connected to drainage channels and based on these factors predicts the erosion risk areas within the catchment. The main objective of this study was to test accuracy and reliability of the erosion risk estimation and also to assess factors affecting the results. Research problem was approached by comparing the model results with the data collected from two field study areas during summer The theory part of the thesis deals with the hydrological effects of forest ditching and theory of open channel hydraulics and sediment transport. A short review of other useful channel erosion models is also given. Thesis shows that the accuracy of the erosion risk estimation is highly dependent on the quality of input data. In addition to errors in source data, computational oversimplifications occasionally caused weak correlation between modeled and measured erosion. According to this study, RLGIS ditch erosion tool predicted 40 % of high erosion risk areas and 77 % of riskless areas inside the study areas. After correcting the initial GI data the prediction increased to 52 % in high risk areas and 83 % in riskless areas. The erosion risk was estimated high especially in main ditches with large discharge and low in small field ditches with dense spacing. The RLGIS did not identify small-scale changes of erosion. Some clear errors remained recalculated model results after correcting GI data. Erosion measuring method used in this study wasn t good enough to delineate erosion processes in improvement drainage areas. Exact assessment of RLGIS prediction capability would require more detailed comparison material. This study suggests that RLGIS should only be used to support field investigations when planning the maintenance of forest ditch networks. Further, decisions about operation areas can t be made without field investigations. The benefits of RLGIS are small input data requirements, visual representation and rapid overview of structure and hydraulic characteristics of drainage area. Model results are more significant in the low risk areas of field ditches. The reliability of the model results is decreased substantially in main ditches where flow velocities and discharges are increased. Library location University of Oulu, Science and Technology Library Tellus Additional information

4 ALKUSANAT Diplomityö on tehty Oulun yliopiston Vesi- ja ympäristötekniikan laboratoriossa osana Hajakuormituksen hallinta metsätaloudessa (HAME) -hanketta. Diplomityön tekoa ovat rahoittaneet Maa- ja metsätalousministeriö sekä Maa- ja vesitekniikan tuki ry. Työn ohjauksesta haluan esittää suuret kiitokset tutkija Hannu Marttilalle sekä professori Harri Koivusalolle, jotka ovat omalla panoksellaan edesauttaneet työn valmistumista ja tehneet työn teosta erittäin antoisaa. Diplomityön valvomisesta ja tarkastamisesta haluan kiittää professori Bjørn Kløveä. Kiitokset kuuluvat myös Etelä- Savon Metsäkeskuksen Antti Leinoselle perehdyttämisestä RiverLifeGIS -ohjelman käyttöön sekä avusta työn eri vaiheissa. Kiitän HAME -hankkeen johtajaa professori Leena Finériä sekä hankkeen koko tutkimusryhmää asiantuntevista kommenteista sekä mielenkiinnosta työtä kohtaan. Diplomityöstä käydyt keskustelut hankkeen kokouksissa antoivat uusia ideoita ja uutta näkemystä työn kirjoittamiseen. Erityiskiitokset maastomittauksiin osallistumisesta Ari Laurénille, Raimo Nevalaiselle, Jouko Saarelaiselle, Pasi Pakariselle sekä Kaisa Savolaiselle ja tilastotieteen neuvoista Hanna Heikkiselle. Lopuksi haluan vielä kiittää ystäviäni ja vanhempiani saamastani kannustuksesta opintojen eri vaiheissa. Oulussa Tapio Tuukkanen

5 Sisällysluettelo Tiivistelmä Abstract Alkusanat 1 Johdanto Veden liikkeet ojitetulla metsävaluma-alueella Avouomavirtaus ja virtauksen laskenta Metsäojituksen vaikutus valuma-alueen hydrologiaan Ojituksen yleiset vaikutusperiaatteet suon hydrologiaan Ojituksen vaikutukset yli- ja alivalumiin Kunnostusojituksen hydrologiset vaikutukset Eroosio ja kiintoaineen kulkeutuminen Eroosioprosessit valuma-alueella Partikkelien liikkeellelähtö Sedimentin rakenne Kriittisen tilan arviointi virtausnopeuteen perustuen Kriittisen tilan arviointi leikkausjännitykseen perustuen Seinämäeroosio Eroosiomäärät ja kiintoainekulkeuman laskenta Eroosion mallintaminen Mallien luokitteluperusteita Uomaeroosion arviointiin soveltuvia malleja Aineisto ja menetelmät RiverLifeGIS ojaeroosioriskin arviointityökalu Mallin vaatimat lähtöaineistot RLGIS laskentamenetelmät ja eroosioriskin muodostaminen Tutkimusalueet Isokorpi; Kostonjärven valuma-alue Rauhala; Surnuinjoen valuma-alue Tutkimusalueilta kerätty aineisto ja mittausmenetelmät... 61

6 5.3.1 Uoman dimensiot Maaperän ominaisuudet Eroosio ja sedimentoituminen RLGIS lähtöaineistojen virheet Mallituloksen tilastollinen tarkastelu ja herkkyysanalyysi RLGIS eroosioriskiluokituksen tarkastelu Tutkimusmenetelmän epävarmuustekijät Tulokset ja niiden tarkastelu Maastohavainnot ja mallituloksen visuaalinen arviointi Isokorven tutkimusalue Rauhalan tutkimusalue Mallituloksen tilastollinen tarkastelu Eroosioriskiarvion ja eroosiohavaintojen vertailu ristiintaulukoinnilla Laskennallisten virtausnopeuksien suhde eroosiohavaintoihin Mallituloksen ja uomageometrian väliset korrelaatiot ja regressiot Mallin herkkyysanalyysi Korkeusmallin virheet ja niiden vaikutus RLGIS tulokseen Laskuojan vaaitus Korkeusmallin pikselikoko Maanäytteiden laboratorioanalyysit Eroosioalttiusluokitus Tutkimuksessa käytetyn mittausmenetelmän luotettavuus Mittausmenetelmän kehittäminen Mallin jatkokehitystarpeen arviointi Yhteenveto ja johtopäätökset LÄHDELUETTELO

7 1 Johdanto Suomessa soiksi luokiteltavaa metsätalousmaata on 8,9 milj. ha, josta yli puolet on ojitettu (Metsäntutkimuslaitos 2008). Uudisojitusta ei enää tehdä, mutta ojituksella saavutetun kasvaneen puuntuoton säilyttämiseksi toteutettavien kunnostusojitusten määrä on suuri. Metsien puuntuotannollisen tilan parantamiseksi on vuotuiseksi kunnostusojitusten työmäärätavoitteeksi esitetty ha (Kansallinen Metsäohjelma 2015). Metsätalouden aiheuttama vesistökuormitus voi olla merkittävä veden laatua heikentävä tekijä etenkin pienissä latvavesistöissä (Kenttämies & Mattsson 2006). Metsätalouden toimenpiteiden aiheuttamasta kiintoainekuormasta suurin osa on peräisin kunnostusojitusalueiden uomaeroosiosta. Ojitusalueelta erodoituva kiintoaine aiheuttaa alapuolisen vesistön mataloitumista, liettymistä ja samentumista, jonka lisäksi kiintoaineeseen sitoutunut fosfori lisää muiden metsätaloustoimenpiteiden aiheuttaman ravinnekuormituksen ohella vesistöjen rehevöitymistä. Kunnostusojituksen aiheuttama kiintoainekuorma on merkittävää etenkin kaivuajankohtana sekä sitä seuraavien muutaman vuoden aikana (Ahti ym. 1995a, Joensuu 2002). Metsäojien kunnostuksessa perataan uoman pohjaa ja seinämiä suojaava kasvipeite, jolloin maaperä altistuu veden virtauksen aiheuttamalle eroosiolle. Kunnostusojitukseen voi kuulua myös täydennysojien kaivamista. Tunnistamalla ojitusalueen eroosioherkät osat suunnitteluvaiheessa, voidaan kunnostusojituksen aiheuttamia vesistövaikutuksia vähentää. Eroosioherkät ojaston osat voidaan jättää perkaamatta kokonaan tai niiden alueelle voidaan rakentaa kiintoaineen kulkeutumista vähentäviä vesiensuojelurakenteita. Kunnostusojituksen aiheuttama kiintoainehuuhtouma on riippuvaista ojitusalueen kivennäismaan maalajista ja turvekerroksen ominaisuuksista sekä veden virtauksesta uomassa. Tutkimusten mukaan laskuojan jättäminen kaivamatta osittain tai kokonaan vähentää kiintoainehuuhtouman lisääntymistä kunnostusojituksen jälkeen (Ahti ym. 1995a). Leinonen (2009) on kehittänyt metsäojitusalueiden kunnostusojitusten suunnittelun tueksi RiverLifeGIS (RLGIS) -paikkatietotyökalun pohjalle eroosioriskin arviointimenetelmän, jossa ojituksen eroosioherkät alueet kuvataan vertaamalla uomassa virtaavan veden virtausnopeuksia kiintoainepartikkelien liikkeellelähdön kriittisiin virtausnopeuksiin. RLGIS on tällä hetkellä kunnostusojitusten suunnittelua tukevassa käytössä Metsähallituksessa sekä Etelä-Savon Metsäkeskuksessa. Mallin 7

8 tuottaman eroosioriskiarvion paikkansapitävyyttä ei ole kuitenkaan ennen tämän tutkimuksen valmistumista osoitettu millään tavalla. EU:n vesipolitiikan puitedirektiivin (2000/60/EY) tavoitteiden mukaisesti jäsenvaltioiden on tarvittavin toimenpitein ehkäistävä kaikkien pintavesien tilan huononeminen sekä saavutettava pintavesien hyvä tila vuoteen 2015 mennessä. Metsätalouden osalta vesipolitiikan puitedirektiivin täytäntöönpanoa tukee osaltaan valtioneuvoston periaatepäätöksenä vuonna 2008 hyväksymä Kansallinen metsäohjelma Kansallisen metsäohjelman vesistöjen hyvän tilan saavuttamiseksi vaadittavissa toimenpiteissä on esitetty, että vuoteen 2010 mennessä on käytettävissä paikkatietojärjestelmä, jonka avulla voidaan arvioida metsätaloustoimenpiteistä aiheutuvaa syöpymisriskiä sekä havainnollistaa riskin muodostumiseen vaikuttavat valuma-alueen ominaisuudet. Työssä tutkittavan RLGIS -ojaeroosioriskimallin on ollut tarkoitus tarjota järjestelmä tämän tavoitteen toteuttamiseen. Tutkimuksen ensisijaisena tavoitteena on arvioida koevaluma-alueilta kerätyn aineiston avulla RLGIS:n tarkkuutta, luotettavuutta ja ongelmakohtia sekä analysoida mallin ja mallin käyttämien paikkatietoaineistojen soveltuvuutta kunnostusojitusten eroosioriskiarviointiin. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää mallin käytössä tunnistamalla mallitulokseen keskeisesti vaikuttavat tekijät sekä yleisemmällä tasolla arvioitaessa yksinkertaisten paikkatietopohjaisten hydraulisten mallien soveltuvuutta eroosion mallintamiseen. 8

9 2 Veden liikkeet ojitetulla metsävaluma-alueella 2.1 Avouomavirtaus ja virtauksen laskenta Metsäojissa virtaavan veden liikkeitä voidaan kuvata avouomahydrauliikan periaatteiden ja yhtälöiden avulla. Avouomavirtauksessa erona putkivirtaukseen on virtauksen poikkileikkauksen vapaa pinta, joka on alttiina ilmakehän paineelle (Chow 1959, Chaudhry 2008). Avouomavirtauksen vapaa pinta on rajapinta nesteen ja kaasun välillä siten, että ilmakehän tiheys on huomattavasti pienempi kuin avouomassa virtaavan nesteen (veden) tiheys. Ilmakehän painetta voidaan yleensä pitää vakiona (French 1986). Avouomavirtaus voidaan luokitella ryhmiin joko ajan tai paikan suhteen. Ajan suhteen muuttumattomassa eli pysyvässä/stationäärisessä virtauksessa (steady flow) uoman ominaisuudet ja vesisyvyys uomassa eivät muutu tarkasteluajan sisällä, kun taas ajan suhteen muuttuvassa epästationäärisessä virtauksessa (unsteady flow) vesisyvyys muuttuu ajan suhteen. Paikan suhteen tapahtuvassa luokittelussa avouomavirtaus jaetaan tasaiseen (uniform) ja muuttuvaan/epätasaiseen (non-uniform tai varied flow) virtaukseen riippuen siitä muuttuuko virtauksen vesisyvyys uoman eri osissa. Muuttuva virtaus voidaan jakaa edelleen tasaisesti muuttuvaan (gradually varied flow) ja nopeasti muuttuvaan (rapidly varied flow) virtaukseen siten, että nopeasti muuttuvassa virtauksessa vesisyvyys muuttuu äkillisesti lyhyen matkan sisällä, kun taas tasaisesti muuttuvassa virtauksessa virtauksen ominaisuudet muuttuvat paikan suhteen hitaasti. Avouomavirtauksen tarkastelussa perustilanne on ajansuhteen muuttumaton tasainen virtaus (Chow 1959). Avouomavirtauksen tyyppiä voidaan tarkastella virtauksen hitausvoimien (inertial forces) ja viskoosivoimien suhteen avulla siten, että virtaus luokitellaan joko laminaariseksi, turbulenttiseksi tai edellisten siirtymävaiheeksi. Laminaarisessa virtauksessa viskoosivoimat ovat paljon suurempia kuin hitausvoimat, jolloin ne ovat virtauksessa hallitsevia. Turbulenttisessa (pyörteisessä) virtauksessa vastaavasti hitausvoimat ovat suurempia viskoosivoimiin nähden. Luokittelun perustana käytetään dimensiotonta Reynoldsin lukua, joka määritellään yhtälön (1) avulla (French 1986): missä ul Re (1) Re on Reynoldsin luku 9

10 u on keskimääräinen virtausnopeus [m/s] L on karakteristinen pituus [m] ν on kinemaattinen viskositeetti [m 2 /s] Avouomavirtauksessa yhtälössä (1) esiintyvänä karakteristisena pituutena L voidaan käyttää hydraulista sädettä R, joka on virtauksen poikkipinta-ala A jaettuna märkäpiirillä p (R = A/p) (French 1986). Hydraulisen säteen avulla laskettuna virtaus on laminaarista, kun Re 500 ja turbulenttista, kun Re Siirtymävaiheessa Reynoldsin luvun ollessa 500 Re virtaus voidaan luokitella joko laminaariseksi tai turbulenttiseksi. Reynoldsin luvun raja-arvot eivät ole tarkkoja, sillä arvot vaihtelevat virtausolosuhteiden mukaan (Chow 1959). Avouomassa virtaavan nesteen liike on yleensä seurausta painovoimasta ja paineen jakautuminen nesteessä on hydrostaattista (French 1986). Maan vetovoiman ja virtauksen hitausvoimien välistä suhdetta voidaan kuvata Frouden luvun avulla (Chow 1959). Frouden luku määritellään yhtälöllä (2): u Fr (2) gl missä Fr on Frouden luku g on maan vetovoiman kiihtyvyys [m/s 2 ] Yhtälössä (2) esiintyvänä karakteristisena pituutena L voidaan avouomavirtauksessa käyttää hydraulista syvyyttä D, joka määritellään virtausta vastaan kohtisuoran poikkileikkauspinta-alan A suhteena virtauksen vapaan pinnan leveyteen T (D = A/T). Virtausta kutsutaan verkasvirtaukseksi (subcritical flow), kun Fr < 1 ja kiitovirtaukseksi (supercritical flow), kun Fr > 1. Virtaus on kriittisessä tilassa, kun Fr = 1. Virtauksen tilaa voidaan arvioida häiritsemällä veden pintaa ja tarkastelemalla häiriöaallon etenemistä veden pinnassa. Verkasvirtauksessa häiriöaalto etenee ylävirtaan, mutta kiitovirtauksessa veden virtausnopeus on suurempi kuin häiriöaallon kiihtyvyys, eikä häiriöaaltoa voida näin ollen havaita muuta kuin alavirran puolella (Chow 1959). Uoman poikkileikkauksella on keskeinen vaikutus avouomavirtaukseen. Rakennetuissa kanavissa uoman geometria voi säilyä paikan suhteen lähes muuttumattomana, mutta kaivetuissa uomissa ja etenkin luonnonuomissa poikkileikkauksen geometriassa esiintyy 10

11 yleensä eriasteisia muutoksia (Chow 1959). Metsäojien tapauksessa välittömästi kaivun jälkeen ojat voivat olla geometrialtaan hyvin yhdenmukaisia, mutta epäsäännöllisyys lisääntyy ajan kuluessa eroosioprosessien vaikutuksesta. Uoman geometriaan liittyviä keskeisiä määritelmiä ovat vesisyvyys h, pinnan korkeus vertailutasosta y, poikkileikkauksen leveys vesipinnan tasolla T, virtausta vastaan kohtisuora poikkipintaala A, märkäpiiri p sekä näistä johdetut hydraulinen säde R ja hydraulinen korkeus D. Avouomavirtauksen laskennan kannalta keskeiset uoman poikkileikkauksen muuttujat on esitetty kuvassa 1. T y A h p R D A p A T vertailutaso Kuva 1. Avouoman poikkileikkauksen määrittelyt. Avouomavirtauksessa virtausnopeus ei jakaannu tasaisesti uoman poikkileikkauksen alalle johtuen vapaasta vesipinnasta ja nesteen ja uoman seinämien välisestä kitkasta. Tavanomaisissa uomissa maksimivirtausnopeus esiintyy yleensä uoman keskellä noin 2 8 cm syvyydellä vapaasta vesipinnasta (Chow 1959). Virtausnopeus on kitkasta johtuen pienimmillään lähellä uoman pohjaa ja seinämiä. Virtausnopeusjakaumaan vaikuttavat mm. uoman geometria ja siinä esiintyvät epäsäännöllisyydet sekä uoman karkeus ja mutkaisuus. Avouoman virtauslaskennassa virtausnopeuden epätasainen jakautuminen voidaan tarvittaessa huomioida erilaisten korjauskertoimien avulla. Virtausnopeuden jakautumista trapezoidin muotoisessa uomassa on havainnollistettu kuvassa 2. 11

12 Kuva 2. Virtausnopeuden jakautuminen trapezoidin muotoisessa avouomassa (Chow 1959). Avouomavirtauksen laskennan perusperiaatteita ovat massan-, energian- ja liikemäärän säilymislait. Yhtälöiden muoto ja ratkaisumenetelmät riippuvat siitä, tarkastellaanko ajan suhteen muuttuvaa vai muuttumatonta tilannetta. Avouomahydrauliikan yhtenä perusyhtälönä voidaan pitää ns. jatkuvuusyhtälöä (massan säilymislaki), joka stationääriselle jatkuvalle virtaukselle voidaan esittää yhtälön (3) avulla (Chow 1959, Hyvärinen & Puupponen 1986): missä Q v (3) 1A1 v2a2 Q on virtaama [m 3 /s] v 1,v 2 on keskimääräinen virtausnopeus poikkileikkauksessa 1 ja 2 [m/s] A 1, A 2 on poikkileikkauksen 1 ja 2 pinta-ala [m 2 ] Avouomavirtauksen energiamuotoja ja energian säilyvyyttä virtauksessa voidaan kuvata Bernoullin yhtälön avulla, joka luo pohjan useille käytännön tarkasteluille (Hyvärinen & Puupponen 1986). Bernoullin yhtälö voidaan esittää kokoonpuristumattomalle ideaalinesteelle yhtälön (4) mukaisesti: missä 2 2 v1 v2 y1 y2 (4) 2g 2g y 1 ja y 2 on pinnan korkeus vertailutasosta poikkileikkauksessa 1 ja 2 [m] Yhtälössä (4) esiintyvää termiä v 2 /2g kutsutaan virtauksen nopeuskorkeudeksi [m] (velocity head). Yhtälön (4) käyttäminen edellyttää, että laskenta tehdään ideaalinesteelle. Ideaalinesteen oletetaan olevan täysin kitkatonta, joten nesteessä ei ole sisäistä leikkausjännitystä, eikä nesteen ja uoman seinämien välillä ole kitkaa (Hyvärinen & Puupponen 1986). Kitkaisella nesteellä virtausnopeuden jakautuminen uoman poikkileikkauksessa on epätasaista (vrt. kuva 2). Tästä johtuen keskimääräinen 12

13 nopeuskorkeus (v 2 2 /2g) m ei ole sama kuin nopeuskorkeus v m / 2g laskettuna keskimääräisellä virtausnopeudella v m (Chaudhry 2008). Kitkaiselle nesteelle Bernoullin yhtälö voidaan kirjoittaa yhtälön (5) mukaisesti (Hyvärinen & Puupponen 1986): missä 2 2 v1 v2 y1 y2 h f (5) 2g 2g α on nopeuden epätasaisesta jakautumisesta johtuva korjauskerroin h f on kitkahäviö poikkileikkausten 1 ja 2 välillä Yhtälössä (5) esitettyjen Bernoullin yhtälön termien merkitystä stationäärisessä, muuttuvassa virtauksessa on havainnollistettu kuvassa 3. Kuva 3. Muuttuvan virtauksen energia (muokattu Chow 1959, Hosia1980 ja Hyvärinen & Puupponen 1986). Kuvassa 3 esitetyistä termeistä S B kuvaa uoman pohjan kaltevuutta, S W veden pinnan kaltevuutta ja S E energiaviivan kaltevuutta. Tasaisen virtauksen tilanteessa kuvasta 3 poiketen S B = S W = S E. Virtausvastuksen h f laskennassa käytettävät laskukaavat on johdettu tasaiselle virtaukselle. Paikan suhteen muuttuvassa virtauksessa määrätyn pituiselle tarkastelujaksolle laskettu virtausvastus arvioidaan yhtä suureksi kuin virtausvastus vastaavan pituisessa tasaisessa virtausjaksossa, jossa virtausnopeus v ja hydraulinen säde R ovat samat kuin epätasaisen virtausjakson vastaavat keskimääräiset arvot. Virtausvastuksen laskentaa voidaan tarkentaa huomioimalla uoman poikkileikkausprofiilissa esiintyvät muutokset nopeuskorkeuksien erotuksesta riippuvan lisähäviötermin avulla (Hosia 1980). Tasaisesti muuttuvan (gradually varied) virtauksen tapauksessa virtauslaskennassa ja energiahäviöiden tarkasteluissa voidaan hyödyntää tasaiselle virtaukselle johdettuja yhtälöitä siten, että tarkasteltava uomaosuus jaetaan 13

14 ensin lyhyisiin jaksoihin, joissa virtauksen voidaan katsoa olevan tasaista. (Hyvärinen & Puupponen 1986). Avouomavirtauksessa veden massan virtauksen suuntainen komponentti kiihdyttää virtausnopeutta kaltevilla tasoilla ja hidastaa negatiivisilla kaltevuuksilla. Virtausta vastustaa uoman pohjan/seinämien ja uomassa virtaavan nesteen välinen leikkausjännitys. Virtausta aiheuttavien ja vastustavien voimien suhteellisista suuruuksista riippuu se, kiihtyykö vai hidastuuko virtausnopeus (Chaudhry 2008). Jatkuvuusyhtälön (3) mukaisesti virtausnopeus vaikuttaa poikkileikkauksen vesisyvyyteen. Pitkissä uomissa, joissa uoman poikkileikkausprofiili ja kaltevuus eivät muutu paikan suhteen, virtausnopeus kiihtyy kunnes vastakkaissuuntaiset voimat ovat yhtä suuria. Tässä tilanteessa virtausnopeus ja vesisyvyys pysyvät paikan suhteen muuttumattomina ja saavutetaan tasainen virtaustilanne (Chaudhry 2008). Avouomissa tasaista virtausta esiintyy todellisuudessa kuitenkin erittäin harvoin. Luonnonuomissa virtaus voidaan olettaa tasaiseksi tilanteissa, joissa uoma ei tulvi ja on geometrialtaan säännöllinen. Tasaisen virtaustilanteen oletuksesta johtuen laskentatulokset ovat vain likimääräisiä, vaikkakin useita käytännön sovelluksissa varten tyydyttäviä (Chow 1959). Tasaisen virtauksen laskennassa parhaiten tunnetut ja laajimmin käytetyt virtausyhtälöt ovat Chézyn ja Manningin kaavat (Chow 1959). Tasaiselle virtaukselle Chézyn kaava voidaan kirjoittaa yhtälön (6) mukaisesti: v C RS B (6) missä C on virtausvastusta kuvaava kerroin S B on uoman pohjan kaltevuus Chézyn kaavan yleisessä muodossa ja muuttuvan virtauksen tapauksessa yhtälössä (6) esiintyvä uoman pohjan kaltevuus S B korvataan energiaviivan kaltevuudella S E (ks. kuva 3). Chézyn kaavan johdossa on oletettu, että virtausta vastustava voima on verrannollinen virtausnopeuden neliöön, ja että virtausvastus vaikuttaa veden koskettaman seinämäpinnan suuruisella alalla. Chézyn kaavan toinen oletus on tasaisen virtauksen periaate, jonka mukaan virtausta aiheuttavan painovoiman komponentin ja virtausta vastustavien voimien tulee olla yhtä suuria (Chow 1959). Chézyn

15 esittämän yhtälön kertoimen C kokeellisesti johdetun tarkennuksen esitti myöhemmin Robert Manning, joka määritteli kertoimen C yhtälön (7) mukaisesti (Hosia 1980): missä C R (7) n n on Manningin karkeuskerroin Sijoittamalla yhtälön (7) mukainen kerroin C yhtälöön (6) saadaan ns. Manningin kaava (8): missä 2 3 v 1 R S (8) n v on keskimääräinen virtausnopeus [m/s] R on hydraulinen säde [m] S on uoman kaltevuus Manningin kaava on yksinkertaisuutensa ja käytännön sovellusten kannalta riittävän tarkkuutensa vuoksi kaikkein laajimmin käytetty tasaisen avouomavirtauksen kaava (Chow 1959). Hosian (1980) mukaan Manningin kaavan avulla saadaan etenkin kasvittomissa ja syöpymättömissä uomissa riittävän tarkkoja tuloksia. Kokeellisesti määritettynä yhtälönä Manningin kaava (8) ei ole teoreettisesti perusteltu, jonka lisäksi sen yhtenä heikkoutena on dimensiottomuus. Manningin kaavan soveltamisessa suurin ongelma on täsmällisen menetelmän puuttuessa karkeuskertoimen n tarkka määrittäminen (Chow 1959). Karkeuskertoimeen vaikuttaa uoman ominaisuuksien lisäksi myös virtauksen ominaisuudet, jotka molemmat voivat vaihdella hyvin paljon tarkasteltavan uoman eri osissa. Karkeuskertoimeen vaikuttavat tekijät ovat osaltaan myös riippuvaisia toisistaan. Chown (1959) mukaan sekä luonnonuomissa, että kaivetuissa uomissa karkeuskertoimen n arvoon vaikuttavia tekijöitä ovat mm. uoman pohjan ja seinämien maalajin raekoko, kasvillisuus, uoman poikkileikkauksen epäsäännöllisyydet, uoman linjaus (mutkaisuus), uoman pohjan liettyminen ja syöpyminen, uomassa olevat esteet sekä vallitseva virtaustilanne (virtaama ja veden syvyys) ja virtauksen mukanaan kuljettama suspendoitunut aines. Virtaama ja vesisyvyys vaikuttavat karkeuskertoimeen yleispiirteisesti siten, että pienillä vesisyvyyksillä suhteellinen uoman karkeuskerroin 15

16 kasvaa ja vaihtelut karkeuskertoimessa ovat suurempia (Hyvärinen & Puupponen 1986). Vesisyvyyden vaikutus karkeuskertoimen arvoon tulee merkittävämmäksi karkearakeisilla uomilla sekä kasvipeitteisissä uomissa (Chow 1959). Hosian (1980) mukaan myös kaivetun uoman iällä on vaikutusta vastuskertoimen arvoon siten, että uoman vanhetessa virtausvastus kasvaa. Heti kaivun jälkeisinä vuosina uoma vanhenee hydraulisesti nopeasti, mutta myöhemmin vastuskertoimen nousu on hidasta. Perustarkasteluissa Manningin karkeuskerroin määritetään esimerkiksi vertaamalla tarkasteltavan uoman ominaisuuksia erilaisille uomatyypeille taulukoituihin tyypillisiin arvoihin (esim. Chow 1959). Karkeuskerrointa voidaan myös arvioida vertaamalla tarkasteltavaa uomaa valokuviksi koottuihin aineistoihin, joissa erilaisille uomatyypeille on esitetty lyhyet kuvaukset uoman tilasta sekä kokeellisesti määritetyt karkeuskertoimet (esim. Chow 1959, Barnes 1967, Hosia 1980). Cowanin (1956) esittämässä menetelmässä Manningin karkeuskerroin arvioidaan keskeisten karkeuteen vaikuttavien osatekijöiden avulla käyttäen yhtälöä (9) (ks. Chow 1959): missä n ( n m (9) 0 n1 n2 n3 n4) 5 n 0 kuvaa uomamateriaalia n 1 kuvaa uoman epätasaisuutta n 2 kuvaa uoman poikkileikkauksessa esiintyviä muutoksia n 3 kuvaa uomassa olevien esteiden vaikutusta n 4 kuvaa kasvillisuuden vaikutusta m 5 kuvaa uoman mutkaisuutta Cowan (1956) on esittänyt yhtälössä (9) esiintyville karkeuskertoimen osatekijöille sopivia arvoja perustuen n pientä ja keskisuurta uomaa käsittävään tutkimukseen (Chow 1959). Cowanin menetelmä ei huomioi virtaaman ja veden korkeuden vaikutusta karkeuskertoimeen, eikä myöskään pohjakulkeuman tai suspensiona kulkevan kiintoaineen vaikutusta (Chow 1959). Chown (1959) mukaan yleissääntönä Manningin kertoimen määrityksessä voidaan pitää sitä, että turbulenttisuutta ja virtauksen hidastumista aiheuttavat ominaisuudet kasvattavat karkeuskertoimen arvoa, ja virtauksen turbulenttisuutta heikentävät ominaisuudet vastaavasti pienentävät karkeuskerrointa. 16

17 Manningin karkeuskerroin voidaan määrittää myös erilaisten empiiristen yhtälöiden avulla, joista muutamia on koottu taulukkoon 1. Yhtälöissä esiintyvien raekokojen d alaindeksit kuvaavat seulotun materiaalin raekokojakaumaa siten, että esimerkiksi merkintä d 90 tarkoittaa partikkelikokoa, jota pienempiä raekokoja maamateriaalista on 90 %. Taulukko 1. Manningin karkeuskertoimen määritykseen soveltuvia yhtälöitä. Viite Yhtälö Aineisto Strickler 1923* Meyer-Peter & Müller 1948** n 0,047d n 0,038d 1/ / 6 90 Laboratoriokouru, jossa sivut ja pohja päällystetty hiekalla (d [mm]) Sekalajitteisia pohjia, merkittävä osa karkeita rakeita (d [m]) Limerinos /3 0,1129R n Karkeita epäpysyviä uomia (d, R [m]) log( R / d ) 84 Jarrett 1984 n 0,032S * viitattu Simons & Senturk (1992) ** viitattu French (1987) 0,38 R 0,16 Jyrkkiä lohkareisia vuoristopuroja (0,002 < S > 0,052 ja 0,15 m < R > 2,13 m) Tasaisen virtauksen laskentaan yleisesti sovellettavien Chezyn- ja Manningin kaavojen lisäksi on olemassa erilaisia teoreettisia virtausyhtälöitä, jotka perustuvat virtausnopeuden jakautumiseen uoman poikkileikkauksessa (Chow 1959). Ajan suhteen muuttuvassa virtauslaskennassa käytettävät yhtälöt ja menetelmät ovat huomattavasti monimutkaisempia kuin tasaisen ja hitaasti muuttuvan virtauksen laskennassa. Epästationääristä virtausta kuvataan osittaisdifferentiaaliyhtälöiden avulla, sillä riippuvat muuttujat (vesisyvyys ja virtausnopeus) ovat useamman kuin yhden riippumattoman muuttujan (aika ja paikka) funktioita. Hyvin yksinkertaistettuja tapauksia lukuun ottamatta yhtälöiden ratkaisussa käytetään erilaisia numeerisia menetelmiä (Chaundhry 2008). Ajan suhteen muuttuvan virtauksen laskenta pohjautuu massan-, liikemäärän ja energian säilymislakeihin. Virtauslaskennassa voidaan hyödyntää jatkuvuusyhtälöstä ja liikemääräyhtälöstä johdettuja ns. Saint Venantin yhtälöitä (Chaundhry 2008). Epästationääristä, tasaisesti muuttuvaa virtaustilannetta kuvaavien matemaattisten hydraulisten mallien toiminta perustuu yleensä Saint Venantin yhtälöiden ratkaisuun (French 1987). 17

18 2.2 Metsäojituksen vaikutus valuma-alueen hydrologiaan Ojituksen yleiset vaikutusperiaatteet suon hydrologiaan Osa luonnontilaisista suotyypeistä tukee luonnostaan puun kasvua, mutta usein soilla oleva liiallinen vesi heikentää sitä. Metsäojituksen tärkeimpänä tavoitteena on tämän vuoksi muuttaa maaperän vesipitoisuutta siten, että puuston juuristolle taataan sopivat happiolosuhteet. Pohjaveden pinnan alentaminen ojittamalla mahdollistaa aerobisen mikrobitoiminnan turvekerroksen syvemmissä osissa, kuin vastaavalla luonnontilaisella suolla (Paavilainen & Päivänen 1995). Kuivatuksen kohteena ovat yleensä metsätyypit, joissa pohjaveden pinta on luonnostaan korkealla (Lundin 1994). Paavilaisen ja Päiväsen (1995) mukaan turpeen ja soiden metsätaloudellista hyödyntämistä ajatellen kuivatus on usein perusedellytys. Metsäojituksen positiivisten vaikutusten lisäksi suometsien ojitukseen liittyy useita ympäristöongelmia, joita voivat olla mm. tulviminen, eroosio ja veden laadun heikkeneminen sekä ekosysteemien tuhoutuminen (esim. Holden ym. 2004). Ojitetun tai ojittamattoman turvemetsän hydrologiaa voidaan kuvata hydrologisten perussuureiden avulla käyttäen vesitaseyhtälöä (10): missä P R ET S (10) P on sadanta [mm] R on valunta [mm] ET on evapotranspiraatio [mm] ΔS on vesivaraston muutos [mm] Vesitaseyhtälön (10) suureet kuvaavat vesimääriä [m 3 ] pinta-alayksikköä [m 2 ] kohden siten, että yhtälö on sidottu tiettyyn ajanjaksoon (esim. d, kk, a). Metsäalueella bruttosadannasta vain osa saavuttaa maan pinnan joko läpisadantana tai runkovaluntana. Osa sadannasta pidättyy kasvien pinnalle (interseptio) ja haihtuu takaisin ilmaan. Valunta kuvaa tavallisesti alueen purkupisteestä tai muusta tarkastelupisteestä purkautuvaa vesimäärää pisteen yläpuolista valuma-alueen pinta-alayksikköä kohden. Evapotranspiraatio kuvaa sekä maan pinnalta tapahtuvaa haihduntaa (evaporaatio) että kasvien pinnalta tapahtuvaa haihduntaa (transpiraatio) (Paavilainen & Päivänen 1995). Suoalueelta muodostuva valunta ja sen vaihtelut riippuvat sekä meteorologisista 18

19 tekijöistä että valuma-alueen paikallisista ominaisuuksista, eli aluetekijöistä. Meteorologisilla tekijöillä, kuten vetenä ja lumena tulevalla sadannalla, lämpötilalla, säteilyllä ja tuulella on yleensä suhteellisesti enemmän vaikutusta valunnan muodostumiseen kuin aluetekijöillä (Seuna 1990). Suotyypistä riippuen (vrt. minerotrofinen- ja ombrotrofinen suo) suon hydrologia voi olla vuorovaikutuksessa suota ympäröivien alueiden hydrologisten prosessien kanssa (Paavilainen & Päivänen 1995). Ojitus vaikuttaa suoalueen hydrologiaan keskeisesti lähinnä kahdella tavalla. Ojitus alentaa pohjaveden pinnan tasoa ja nopeuttaa valunnan kerääntymistä valuma-alueen hydraulisten ominaisuuksien muuttumisen vuoksi (Seuna 1986, 1990). Valunnan nopeuteen vaikuttavia ojaverkon ominaisuuksia ovat mm. ojituksen sijainti valumaalueella, ojituksen suunta, ojien kunto ja ojitustiheys (Starr & Päivänen 1981). Ojituksen aiheuttama pohjaveden pinnan alenema kasvattaa turpeen vedelle tarjoamaa varastotilaa, vähentää suon pinnasta tapahtuvan haihduntaa ja muuttaa suon lämpöominaisuuksia (esim. Seuna 1986). Esimerkiksi Latjan ja Kurimon (1988) tutkimuksissa ojituksen ei havaittu merkittävästi muuttavan maaperän lämpötilaa, mutta siitä huolimatta routa tunkeutui ojitetulla alueella syvemmälle maaperään, ja roudan sulaminen kesti keväällä pidempään. Suon pohjaveden pinnantasoon vaikuttavat ojituksen lisäksi keskeisesti mm. kasvillisuus (etenkin puusto), paikallinen hydrogeologia, sadanta ja turpeen laatu (Bay 1968). Ojitustiheys vaikuttaa pohjaveden pinnan tasoon siten, että sarkaleveyden pienentyessä pohjaveden pinnan etäisyys maanpinnasta kasvaa (esim. Päivänen 1974, Hillman 1988). Ojituksen aiheuttaman turpeen vesivaraston tyhjenemisen ja evaporaation pienenemisen välittömänä vaikutuksena on valunnan lisääntyminen (Seuna 1988, Lundin 1994). Suon vesipinnan aleneminen, ja siten myös vesivaraston tyhjeneminen ovat voimakkaasti riippuvaista turpeen maatuneisuudesta. Esimerkiksi Päiväsen (1973) mukaan hyvin maatuneesta turpeesta poistuva vesimäärä on n. 1/3 heikosti maatuneen turpeen vastaavasta arvosta. Vesivaraston tyhjenemisestä aiheutuva valunnan määrä voi vaihdella lisäksi huomattavasti mm. turvekerroksen paksuuden, suon vetisyyden ja kuivatussyvyyden mukaan (Seuna 1986). Seunan (1986) mukaan vesivaraston tyhjenemisvalunnalla on merkitystä erityisesti parina ensimmäisenä vuotena ojituksen jälkeen, mutta pohjaveden pinnan alenemisen aiheuttama evaporaation pieneneminen on luonteeltaan pysyvämpää. Kasvien pinnalta tapahtuva haihdunta pienenee ojituksen 19

20 jälkeen suon alkuperäisen kasvillisuuden osittain tuhoutuessa, mutta haihdunta lisääntyy myöhemmin uuden kasvillisuuden sopeuduttua ojitetun suon olosuhteisiin ja puuston elpymisen myötä (Seuna 1986, Ahti & Hökkä 2006). Haihdunnan kasvamisen lisäksi puuston kehittyminen vaikuttaa suon hydrologiaan lisäämällä interseptiota, pienentämällä läpisadantaa sekä vaikuttamalla lumen kertymiseen, sulamisoloihin, maanpinnan valaistukseen ja lämpötilaan (Seuna 1990). Tavallisesti metsäojituksen on esitetty lisäävän vuosivaluntaa (esim. Mustonen & Seuna 1971, Seuna 1981, 1982, 1988, Holden ym. 2006), mutta ojituksen vaikutuksen on havaittu myös olevan tilanteesta riippuen joko vuosivaluntaa lisäävä tai pienentävä (esim. Moklyak ym. 1975, Lundin 1988). Ojitusalueella, jossa ojituksen ja laskuojina toimivien luonnonuomien väliin oli jätetty kaivukatkoja, vuosivalunnassa ei havaittu lainkaan muutosta (Seuna 1988). Seunan (1986) mukaan ojituksen aiheuttamaksi tyypilliseksi vuosivalunnan kasvuksi voidaan ojituksen jälkeisinä vuosina Suomen oloissa arvioida 0,3 0,6 % ojitusprosenttia kohden. Vuosivalunnan kasvu on suurempaa ensimmäisinä vuosina ojituksen jälkeen palautuen alkuperäiselle tasolle tai sen alle vuodessa ojituksesta (Seuna 1990). Jos puusto on jo ojitusvaiheessa runsas, ojituksen valuntaa lisäävä vaikutus jää jo ensimmäisinä vuosina pieneksi ja valunta palautuu alkuperäiselle tasolleen tai sen alle nopeammin (Seuna 1986) Ojituksen vaikutukset yli- ja alivalumiin Tulvimista pidetään yhtenä haitallisimmista ojituksen aiheuttamista hydrologisista muutoksista ympäristön kannalta (Paavilainen & Päivänen 1995). Tulviminen riippuu metsäojituksen lisäksi monista muistakin tekijöistä, joita ovat mm. valuma-alueen koko, järvisyys, maankäyttö, puuston määrä ja kasvu, maaperä ja lumen vesipitoisuus (Kaitera 1939, Mustonen 1965, ks. Paavilainen & Päivänen 1995). Seuna (1983b) on tutkinut aluetekijöiden vaikutusta pienten valuma-alueiden ylivalumiin regressiomallien avulla, jolloin parhaiksi ylivalumien selittäjiksi ovat osoittautuneet maaperätekijät, alueen sijainti ja korkeusasema sekä puusto. Metsäojituksen vaikutuksia ylivalumiin tarkastelevista tutkimuksista voidaan usein erottaa lumen sulannasta aiheutuva kevätylivaluma sekä kesän ja syksyn rankkasateista aiheutuvat ylivalumat. Seunan (1990) mukaan luonnontilaisella (ojittamattomalla) suolla on tavanomaiseen 20

21 metsävaluma-alueeseen nähden kevätylivalumia kasvattava ja kesäylivalumia pienentävä vaikutus. Ylivalumien osalta metsäojituksen aiheuttamat hydrologiset vaikutukset ovat tutkimustulosten perusteella usein ristiriitaisia. Suometsän ojituksesta voi seurata kevätylivalumien kasvua (esim. Mustonen & Seuna 1971, Seuna 1981) tai pienentymistä (esim. Heikurainen ym. 1978, Heikurainen 1980), ja ojituksen vaikutuksen kevätylivalumiin on havaittu myös joissakin tapauksissa olevan merkityksetöntä (Seuna 1988, Prévost ym. 1998). Kevätylivalumien tavoin myös kesäylivalumat ovat eräissä tutkimuksissa kasvaneet (Mustonen & Seuna 1971, Seuna 1981, 1983b, Ahti 1980), pienentyneet (Heikurainen ym. 1978, Heikurainen 1980, Lundin 1994) tai säilyneet muuttumattomina (Prévost ym. 1998). Ylivalumista saatujen tutkimustulosten keskinäistä vertailua vaikeuttavat erot tutkimusten alkamisajankohdissa suhteessa ojitukseen, tutkimusten ajallisen keston erot sekä alueelliset erot mm. ojitushetkellä vallitsevassa puustossa ja ojituksen yhteydessä toteutetuissa hakkuissa. Starrin ja Päiväsen (1981) mukaan ojitus ilmeisesti lisää mahdollisuutta virtaamien suurenemiseen, mutta todelliset muutokset ovat oleellisesti riippuvaisia mm. sadetapahtuman tai lumen sulannan luonteesta, ojitusintensiteetistä ja puustosta. Mustosen ja Seunan (1971) mukaan ojitusalueen sijainti vaikuttaa koko vesistöalueelta havaittavaan ylivirtaamaan siten, että vesistöalueen alaosalla toteutettu ojitus saattaa alentaa koko alueen virtaamahuippua, kun taas vesistöalueen yläjuoksulla sijaitsevan ojitusalueen voidaan olettaa lisäävän koko alueen virtaamahuippua. Ojituksen on todettu pienentävän pieniä ylivalumia, mutta vastaavasti kasvattavan suuria ylivalumia (esim. Seuna 1990). Lundinin (1994) mukaan pienemmät sademäärät varastoituvat kasvaneeseen kyllästymättömään pintakerrokseen, mutta merkittävät vesimäärät ylittävät maaperän varastointikyvyn ja johtavat kasvaneisiin virtaamiin. Ilman kunnostusojitusta ylivalumat palautuvat pitkällä aikavälillä puuston kasvamisesta ja lisääntyvästä evapotranspiraatiosta johtuen alkuperäiselle tasolleen tai sen alle (esim. Seuna 1981, Starr & Päivänen 1981, Seuna 1986,1990). Toisaalta pitkällä aikavälillä pohjaveden pinnan aleneminen saa aikaan turvekerroksen painumista (tiivistymistä) ja maatumisasteen kasvua (vedenjohtavuuden pieneneminen), jonka vuoksi ojituksen jälkeen kasvanut turpeen tarjoama vesivarasto voi hävitä, ja äkillisten tulvien riski ojitusalueella kasvaa (Holden 2004). Verryn (1988) mukaan avouomilla toteutetun 21

22 kuivatuksen kosteikkoalueilla aiheuttama merkittävä tulvahuippujen kasvu alkaa, kun yli 30 % koko valuma-alueesta on kuivatettu. Metsäojituksen vaikutus alivalumiin on tutkimusten mukaan yksiselitteisempi kuin vaikutus ylivalumiin. Tutkimuksissa metsäojituksen on havaittu kasvattavan kesä- ja/tai talvikauden alivaluntoja (Mustonen & Seuna 1971, Heikurainen ym. 1978, Ahti 1980, Seuna 1981,1988, Lundin 1988, 1994, Prévost ym. 1998). Erityisen tehokkaasti ojitus lisää alivalumia silloin, kun ojan pohja ulottuu turvekerroksen läpi vettä hyvin läpäisevään kivennäismaahan. Muiden valumasuureiden tapaan alivalumien on esitetty pienenevän ojituksen iän myötä (esim. Seuna 1981) Kunnostusojituksen hydrologiset vaikutukset Ajan kuluessa ojitus menettää hitaasti kuivatustehokkuuttaan johtuen mm. turpeen painumisesta, eroosiosta ja liettymisestä, kasvillisuuden lisääntymisestä ojassa, ojastoon karisseista lehdistä, hakkuutähteistä sekä hakkuun ja puutavaran kuljetuksen aiheuttamista vahingoista. Ojituksen vanhenemisen myötä pohjaveden pinnan taso tulee enenevässä määrin riippuvaiseksi interseptiosta ja puuston veden otosta (Päivänen & Ahti 1988). Ojituksen kunnon heikentyminen voi heikentää myös puun kasvua, joten vanhojen ojien puhdistaminen/perkaaminen tai täydennysojien kaivaminen voi tulla tarpeelliseksi. Kunnostusojituksen on arvioitu vaikuttavan suon hydrologiaan samansuuntaisesti, mutta ei niin voimakkaasti kuin uudisojituksen (Ahti ym. 1995b). Ojanperkauksen voidaan olettaa suurentavan erityisesti kuivan kauden alivalumia ja koko vuodelle laskettua valuntaa, mutta vaikutusta ylivalumiin ei sen sijaan pitäisi teoriassa juurikaan olla. Täydennysojituksen voidaan ajatella vaikuttavan alivalumiin ja vuosivalumiin samoin kuin ojien perkauksen, jonka lisäksi ojatiheyden kasvusta voidaan ajatella seuraavan myös ylivalumien suurentumista (Ahti ym. 1995b). Vaikka uudisojituksen hydrologisia vaikutuksia on kattavasti tutkittu, ei kunnostusojituksen aiheuttamia hydrologisia vaikutuksia täysin tunneta (Koivusalo ym. 2008). Päiväsen ja Ahdin (1988) tutkimusten mukaan uudisojituksen vaikutus pohjaveden pinnan tasoon on keskimäärin hieman voimakkaampi kuin kunnostusojituksen, vaikkakin tutkimuksissa mukana olleiden koealueiden välillä esiintyi merkittävää vaihtelua. Päiväsen ja Sarkkolan (2000) mukaan harvennushakkuulla ja 22

23 kunnostusojituksella on vain vähäistä vaikutusta pohjaveden pinnankorkeuteen. Suometsäalueilla kunnostusojituksen on esitetty alentavan pohjaveden pintaa alueilla, joissa ohuen turvekerroksen alapuolella on mineraalimaata, mutta paksuturpeisilla alueilla kunnostusojituksella ei sen sijaan ole havaittavaa vaikutusta pohjaveden pinnan tasoon (Koivusalo ym. 2008). Ojien perkaamisen on esitetty laskevan märän kauden pohjaveden pinnan tasoa n. 4 cm, täydennysojituksen aiheuttaman laskun ollessa 6 cm (Ahti & Päivänen 1997). Kunnostusojitus toteutetaan usein metsähakkuun yhteydessä, jotta evapotranspiraation heikkenemisen aiheuttaman pohjaveden pinnan kohoamisen vaikutus pienentyy. Hydrologisilta vaikutuksiltaan hakkuu on todennäköisesti kunnostusojitukseen nähden hallitseva tekijä (esim. Lundin 1994). Päiväsen ja Sarkkolan (2000) mukaan harvennushakkuulla on vain pieni ekologisesti merkityksetön vaikutus pohjaveden pinnankorkeuden kasvuun, joten harvennushakkuun yhteydessä toteutetun kunnostusojituksen tarpeellisuus tulee arvioida huolellisesti. Esimerkiksi Lauhanen ja Ahti (2001) ovat tutkineet kunnostusojituksen vaikutuksia rämemänniköiden kasvuun ja todenneet kasvun lisäyksen perusteella kunnostusojituksen tarpeen olevan aiemmin arveltua pienempi. 23

24 3 Eroosio ja kiintoaineen kulkeutuminen 3.1 Eroosioprosessit valuma-alueella Luonnonuomissa eroosio-, kuljetus- ja sedimentoitumisprosesseihin liittyvät yksittäiset mekanismit ja periaatteet ovat hyvin määriteltyjä, mutta kokonaiskuvan analyyttinen muodostaminen on erittäin hankalaa. Tämä johtuu paljolti siitä, että luonnonuomissa veden ja kiintoaineen liikkeitä tarkastellaan uomassa, joka myös itse on ajan- ja paikan suhteen muuttuva (Knighton 1998). Luonnossa eroosiota aiheuttavat lähinnä veden, tuulen ja jään voimat (esim. Knighton 1998). Veden aiheuttama eroosio voidaan jakaa maan pinnan pintaeroosioon (sheet erosion) ja valuma-alueen uomien uomaeroosioon (channel erosion) (Seuna & Vehviläinen 1986). Veden aiheuttamista eroosioprosesseista voidaan erottaa lisäksi pintavalunnan synnyttämien maan pinnan pienten vesinorojen aiheuttama eroosio (rill erosion) sekä ns. rotkoeroosio (gully erosion), joka kuvaa pienten uomien ja vesireittien levenemisen ja syvenemisen aiheuttamaa rotkoutumista. Yleisellä tasolla eroosio- ja sedimentoitumisprosessi voidaan jakaa kiintoaineen irtoamiseen (detachment), liikkeellelähtöön (entrainment), kuljetukseen (transport), kerrostumiseen (deposition) ja kerrostuneen sedimentin tiivistymiseen (consolidation) (Vanoni 1975). Valunnan muodostumiseen ja siten myös vesieroosioon ja kiintoaineen kuljetukseen vaikuttavia peruselementtejä ovat ilmasto, valuma-alueen korkokuva, maaperä, kasvillisuus ja maankäyttö (Jansson 1982). Ilmastotekijöistä eroosioon vaikuttavat joko suoraan tai välillisesti lähinnä lämpötila ja sadanta. Lämpötilalla ei ole Suomen olosuhteissa juurikaan suoraa merkitystä eroosioon, mutta sen välilliset vaikutukset sateen olomuotoon, haihduntaan, valuntaan, kasvillisuuteen ja routaan voivat olla eroosion kannalta merkittäviä (Peltonen 1996). Valuma-alueen aluetekijöistä topografia vaikuttaa eroosioon valunnan muodostumisen kautta. Lisäksi kaltevilla rinteillä maan vetovoiman eroosiovaikutus kasvaa. Maaperätekijät vaikuttavat ennen kaikkea eroosioherkkyyteen, jonka lisäksi maaperän vedenläpäisevyys vaikuttaa valunnan muodostumiseen (Peltonen 1996). Kasvillisuus suojaa maaperää vesieroosiolta mekaanisesti, pienentää uomissa veden virtausnopeutta, ja transpiraation kasvattamisen kautta pienentää pintavalunnan määrää ja näin vähentää eroosioriskiä. Lisääntynyt valunta ja etenkin ylivalumien kasvu (vrt. kpl. 2.2) tarkoittaa käytännössä lisääntyvää vesieroosioriskiä. 24

25 Pintaeroosiota aiheuttavat pääasiassa sadepisarat ja pintavalunta. Sadepisarat aiheuttavat maahan iskeytyessään maapartikkelien välisten sidosten rikkoutumista sekä maapartikkelien irtoamista ja liikkumista (Knighton 1998). Sadepisarat toimivat pääasiassa maapartikkelien irrottajina, jonka jälkeen pintavalunta ja veden synnyttämät norot toimivat partikkelien kuljettajina. Sadepisaroiden kuljettava vaikutus on usein merkityksetöntä pintavaluntaan verrattuna, vaikkakin kaltevilla tasoilla sadepisarat aiheuttavat nettokulkeumaa alarinteen puolelle (Knighton 1998). Suoran eroosiovaikutuksen lisäksi sadepisarat aiheuttavat etenkin paljon hienoainesta sisältävillä hiekkamailla maaperän konsolidoitumista pienten maahiukkasten huuhtoutuessa maahuokosiin. Maan pintakerroksen konsolidoituminen johtaa ohuen, heikosti vettä läpäisevän kerroksen muodostumiseen, jolloin maaperän infiltraatiokapasiteetti heikkenee ja sateen synnyttämä pintavalunta kasvaa (Knighton 1998). Metsäalueilla korkeat lehtipuut voivat voimistaa sadepisaroiden erodoivaa vaikutusta pisarakoon kasvaessa lehdillä, mutta toisaalta metsäisillä alueilla aluskasvillisuus ja karikekerros suojaavat mineraalimaata sadepisaroiden suoralta vaikutukselta (Knighton 1998). Ojitetulla metsävaluma-alueella pintaeroosion voidaan ajatella olevan etenkin kunnostusojituksen jälkeisessä tilanteessa vähäistä verrattuna uomaeroosioon. Metsähakkuiden ja maanmuokkausten yhteydessä pintavalunnan aiheuttama eroosio ja kiintoaineen kulkeutuminen voi kuitenkin olla merkittävämpää. Veden virratessa uomassa veden potentiaalienergia muuttuu kineettiseksi energiaksi, josta osa kuluu kiintoaineen irrottamiseen ja kuljettamiseen. Avouomassa kiintoaine kulkeutuu joko pohjakulkeumana tai suspensiona. Pohjakulkeumassa partikkelit etenevät uomassa joko pohjaa pitkin vierimällä, liukumalla tai saltaationa (Bogardi 1974). Suspensiona kulkeutuvasta kiintoaineesta voidaan erottaa ns. läpikulkeuma-aines (wash load), jossa hienojakoinen sedimentti kulkeutuu koko tarkastelujakson (joki, oja tms.) läpi välillä laskeutumatta (Vehviläinen 1981). Kiintoaineen kulkeutumismuodot ovat vuorovaikutuksessa keskenään, sillä osa suspensiona kulkevasta materiaalista laskeutuu jatkuvasti takaisin uoman pohjalle ja osa pohjasedimentistä nousee veden pyörteiden mukana osaksi suspensiota (Vehviläinen 1981). Kiintoaineen kulkeutumismekanismi uomassa riippuu sekä virtauksen että sedimentin ominaisuuksista. 25

26 Pienissä uomissa pohjakulkeuman esiintyminen voi olla luonteeltaan kausittaista, sillä matalien virtaamien aikana veden energia on usein riittämätöntä pohjakulkeuman synnyttämiseen. Suurten virtaamien ja ylivalumien aikana liikkeelle lähteneet partikkelit pysähtyvät uoman pohjalle virtauksen heiketessä, ja sedimentin kulkeutuminen jatkuu vasta seuraavan tulvahuipun aikana (Bogardi 1974). Kausittaisuudesta ja pitkistä sedimentoitumisjaksoista johtuen karkeiden rakeiden viipyminen valuma-alueen uomastossa voi kestää hyvin pitkiä aikoja (Knighton 1998). Suspensiona kulkeutuvan aineksen liike on yleensä tasapainoisempaa kuin pohjakulkeuma-aineksen, ja muutokset liittyvät suoremmin virtaustilan muutoksiin (Bogardi 1974). Pohjakulkeumasta poiketen suspensiona kulkeutuvat partikkelit liikkuvat uomassa nopeudella, joka on lähes sama kuin uomassa virtaavan veden nopeus. Maapartikkelien liikettä aiheuttavan voiman pienentyessä partikkelit alkavat laskeutua uoman pohjalle suurimmasta raekoosta pienimpään, ja vastaavasti liikettä aiheuttavan voiman kasvaessa entistä suuremmat partikkelikoot voivat lähteä mukaan kuljetukseen (Bogardi 1974). 3.2 Partikkelien liikkeellelähtö Sedimentin rakenne Sedimentin rakenteella ja ominaisuuksilla on keskeinen rooli eroosio- ja kulkeutumisprosesseissa. Yksittäisen partikkelin ominaisuudet ovat tärkeitä sedimentin kulkeutumisen teoreettisissa tarkasteluissa, mutta käytännössä on usein jopa tärkeämpää ottaa huomioon erikokoisten partikkelien muodostaman sedimentin ominaisuudet kokonaisuutena. Sedimentin ominaisuuksista erityisen tärkeä on partikkelien raekokojakauma (rakeisuuskäyrä), joka kuvaa eri raekokojen/raekokoluokkien massaosuudet koko sedimentistä (Bogardi 1974). Robertsin ym. (1998) tutkimusten mukaan partikkelien eroosioherkkyys on voimakkaasti riippuvainen partikkelikoosta, jonka lisäksi hienommilla partikkeleilla myös sedimentin tilavuuspainolla on tärkeä merkitys. Tilavuuspainon kasvaessa eroosionopeus laskee voimakkaasti (esim. Jepsen ym. 1997, Roberts ym. 1998). Yleensä sedimentin tilavuuspaino kasvaa syvyyden ja ajan funktiona, mutta veden varastoituminen voi myös joissakin tilanteissa paikallisesti alentaa tilavuuspainoa (Jepsen ym. 1997). Sedimentin eroosioherkkyys riippuu sedimentin tilavuuspainon ja partikkelikokojakauman lisäksi mm. mineralogiasta, 26

27 orgaanisen aineen pitoisuudesta sekä sedimentissä olevien kaasukuplien määrästä ja koosta (Jepsen ym. 1997). Uoman pohjasedimentin yläpuolella avouomassa virtaava vesi kohdistaa partikkeleihin voimia, jotka pyrkivät irrottamaan ja liikuttamaan partikkeleita. Karkeammilla rakeilla, kuten hiekalla ja soralla, liikettä vastustava voima on pääasiassa seurausta partikkelin massasta. Hienommilla sedimenteillä, jotka sisältävät huomattavan määrän silttiä ja/tai savea, partikkelien väliset fysikaaliskemialliset voimat eli ns. koheesiovoimat ovat liikettä vastustavana voimana hallitsevampia kuin yksittäisen partikkelin massa (Vanoni 1975). Karkeat rakeet liikkuvat yksittäisinä partikkeleina, kun taas koheesiomailla partikkelit liikkuvat usein useiden partikkelien ryhminä. Hienojakoisten sedimenttien koheesio on monimutkainen ilmiö, ja se vaihtelee mm. partikkelien mineraalikoostumuksen ja ympäristöolosuhteiden mukaan (Vanoni 1975). Robertsin ym. (1998) mukaan halkaisijaltaan alle 0,04 mm kvartsipartikkelit käyttäytyvät täysin kohesiivisesti, eli niiden konsolidoituminen on hidasta ja partikkelit lähtevät liikkeelle useiden partikkelien ryminä. Partikkelikoot 0,04 0,4 mm käyttäytyvät osin kohesiivisesti ja yli 4 mm rakeilla koheesiota ei enää esiinny. Suspensiokulkeumassa kohesiiviset hienorakeiset partikkelit (yksittäiset tai rykelmänä irronneet partikkelit) voivat törmätessään sitoutua toisiinsa ja muodostaa useista partikkeleista koostuvia erisuuruisia flokkeja. McAnallyn ja Mehtan (2000) mukaan partikkelien välisillä koheesiovoimilla ja flokkautumisprosessilla on tärkeä merkitys kohesiivisten sedimenttien eroosiossa, kuljetuksessa ja kerrostumisessa. Flokkien muodostuminen riippuu mm. sedimentin raekoosta ja mineraalikoostumuksesta, sedimenttikonsentraatiosta, nesteen ominaisuuksista ja virtaustilasta. Yksittäiset suspensiossa olevat erittäin hienot partikkelit voivat olla niin pieniä, että ne eivät laskeudu uoman pohjalle ilman, että ne liittyvät yhteen yhdeksi suuremmaksi flokiksi (McAnally & Mehta 2000). Mineraalisten kohesiivisten ja koheesiottomien partikkelien lisäksi eroosion kannalta oman ryhmänsä muodostavat orgaaniset sedimentit. Orgaanisen turveperäisen kiintoaineen tilavuuspaino on pienimmillään vain muutamia prosentteja mineraaliaineksen tilavuuspainosta, joten se liettää alapuolista vesistöä paljon tehokkaammin kuin epäorgaaninen aines (Sallantaus 1983, ks. Sallantaus 1986). Tämän lisäksi orgaaninen aines kuluttaa hajotessaan vesistön happivaroja (Sallantaus 1986). 27

28 Suomessa turvemetsäojituksissa turpeen eroosiolla ja kulkeutumisella voi olla etenkin vesiensuojelullisesti tärkeä merkitys. Turpeen eroosioherkkyys riippuu mm. turvelajista, turpeen maatuneisuudesta, vesipitoisuudesta sekä tiiveydestä (Marttila & Kløve 2008) Kriittisen tilan arviointi virtausnopeuteen perustuen Veden virratessa uomassa hydrodynaamiset voimat kohdistuvat pohjan ja seinämien maapartikkeleihin märkäpiirin alalla. Virtauksen voimakkuuden kasvaessa myös hydrodynaamiset voimat kasvavat, ja lopulta saavutetaan tilanne, jossa partikkelit eivät enää kykene vastustamaan hydrodynaamisia voimia. Tässä niin sanotussa kriittisessä tilassa partikkelit irtoavat ja alkavat lopulta liikkua virtauksen mukana (Graf 1984). Partikkelien liikkeellelähtö on ilmiönä luonteeltaan sattumanvaraista, joten tarkan kriittisen tilan määrittäminen on mahdotonta. Partikkelien liikkeellelähdön kriittisen tilan määritelmät kuvaavat todennäköisimpiä olosuhteita, joissa liike alkaa (Bogardi 1974). Käytännön tarkasteluissa kriittistä tilaa kuvataan hyvin usein kriittisen virtausnopeuden tai -leikkausjännityksen avulla, mutta vastaavalla tavalla kriittinen tila voidaan ilmaista myös esimerkiksi pohjan kaltevuuden tai virtauksen syvyyden rajaarvona (Bogardi 1974). Sedimentin liikkeellelähdön kriittistä tilaa kontrolloivat pohjamateriaalin ja hydraulisten tekijöiden lisäksi myös esim. uoman pohjan rakenteet ja laajemmat muodot, uoman geometria sekä uoman karkeus (Bogardi 1974). Tarkastellaan avouoman virtaustilannetta, jossa tasainen ja löyhä uoman pohja koostuu koheesiottomista tasarakeisista partikkeleista. Oletetaan lisäksi, että uoman poikkileikkaus pysyy tarkasteluvälillä muuttumattomana ja nesteen virtaus ja uoman pohja ovat steady-state tilassa. Nyt yksittäisen partikkelin liikkeellelähtöä voidaan kuvata partikkeliin vaikuttavien voimien avulla käyttäen yhtälöä (11) (Graf 1984): F F t tan (11) n Yhtälössä (11) kulma φ on ns. lepokulma, joka on suurin pinnan kaltevuus, jossa irtomaa pysyy paikallaan sortumatta tai vierimättä. Termi F t [N] kuvaa lepokulman kanssa yhdensuuntaisesti partikkeliin vaikuttavia voimia ja termi F n [N] kuvaa lepokulmaan nähden kohtisuoraan vaikuttavien voimien suuruutta (Graf 1984). 28

29 Kuvattaessa partikkelin liikkeellelähtöä avouomassa, voimat F t ja F n voidaan esittää käyttäen veden virtauksen aiheuttamaa partikkelia eteenpäin siirtävää voimaa F D [N] (drag force), virtauksesta aiheutuvaa nostevoimaa F L [N] (lift force) sekä uoman pohjassa olevan partikkelin painoa W = mg [N] (submerged weight). Nyt yhtälön (11) periaatteen mukaisesti saadaan partikkelien liikkeellelähtöä kuvaava yhtälö muotoon (12) (Graf 1984): W sin F W cos F D tan (12) L Yhtälössä (12) kulma α kuvaa uoman pohjan kaltevuutta, jossa partikkelin liikkeellelähtöä tarkastellaan. Uoman pohjassa lepäävään partikkeliin kohdistuvia voimia on havainnollistettu kuvassa 4. u F L Wsinα F αα Wcosα D α W Kuva 4. Koheesiottomassa uoman pohjassa lepäävään partikkeliin vaikuttavat voimat (muokattu Graf 1984). Virtauksen aiheuttama partikkelia ylöspäin nostava voima F L aiheutuu lähinnä kahdesta tekijästä. Uomassa partikkelin pohjalla ja pinnalla oleva virtausnopeuksien ero aiheuttaa painegradientin, joka pyrkii liikuttamaan partikkelia ylöspäin. Lisäksi paikalliset pyörrevirtaukset voivat aiheuttaa partikkelia nostavia voimia (Knighton 1998). Partikkelia nostavat voimat heikkenevät nopeasti etäisyyden kasvaessa uoman pohjasta (Knighton 1998). Veden virtauksen aiheuttamat nostevoimat ja partikkeliin pohjan suuntaisesti kohdistuvat voimat ovat yksi selitys partikkelien liikkumiseen saltaationa (Knighton 1998). Voimat F D [N] ja F L [N] voidaan esittää tavallisesti yhtälöiden (13) ja (14) avulla (Graf 1984): 29

30 F D 2 2 ub CDk1d (13) 2 missä F L 2 2 ub CLk2d (14) 2 C D ja C L ovat voimiin F D ja F L liittyviä kertoimia k 1 ja k 2 ovat partikkelin muodosta johtuvia kertoimia d on partikkelin halkaisija [m] ρ on nesteen tiheys [kg/m 3 ] u b on nesteen virtausnopeus uoman pohjalla [m/s] Uoman pohjassa olevan partikkelin painosta johtuva alaspäin suuntautuva voima W [N] voidaan esittää yhtälön (15) avulla (Graf 1984): missä 3 W k 3 s gd (15) k 3 on partikkelin muotokerroin ρ s on kiintoainepartikkelin tiheys [kg/m 3 ] Sijoittamalla yhtälöt (13), (14) ja (15) yhtälöön (12) saadaan yhtälö (16): u 2 b, c s 1 gd 2k3 tan cos sin C k C k tan D 1 L 2 (16) Yhtälössä (16) virtausnopeus u b vastaa nyt kriittistä uoman pohjan virtausnopeutta (merkitty u b,c ), jossa partikkelin liike alkaa. Yhtälön (16) oikea puoli on riippuvainen partikkelien ominaisuuksista, virtauksen dynamiikasta, uoman pohjan kaltevuudesta sekä lepokulmasta. Yhtälön (16) monimutkaisuudesta johtuen sitä ei ole todennettu kokeellisissa tutkimuksissa. Yhtälön kuvaaman suhteen merkitys kokeellisessa tutkimuksessa on käytännössä vähäinen myös siksi, että uoman pohjan virtausnopeudelle ei ole hyvää määritelmää ja nopeuden mittaaminen tarkasti on erittäin hankalaa (Graf 1984). Kirjallisuudessa on esitetty suuri määrä erilaisia havaintoaineistoista johdettuja yhtälöitä ja diagrammeja kriittisen keskimääräisen virtausnopeuden ja kriittisen pohjan virtausnopeuden määrittämiseksi (Bogardi 1974). Kaavoissa esiintyy kokeellisesti 30

31 määritettyjen vakioiden lisäksi usein muuttujina partikkelikoko sekä partikkelin ja nesteen ominaispainot. Partikkelien liikkeellelähdön kriittisen tilan arvioimiseksi on olemassa myös erilaisia kokeellisesti määritettyjä taulukoituja virtausnopeuden rajaarvoja. Partikkelin liikkeellelähdön kriittisen tilan tarkastelussa keskimääräisen virtausnopeuden käyttö on pohjan virtausnopeuteen nähden huomattavasti yksinkertaisempaa, koska keskimääräinen nopeus on helpommin kokeellisesti määritettävissä. Bogardin (1974) mukaan pohjan virtausnopeuden mittaamiseen ei ole olemassa suoraa menetelmää, ja myöskään sen johtaminen virtausnopeusprofiilista ei ole täysin yksiselitteistä. Hjulström (1935) on laatinut kuvaajan, jossa on esitetty tasarakeisen ja löyhän materiaalin eroosioon, kuljetukseen ja laskeutumiseen vaadittavat keskimääräiset virtausnopeudet (Graf 1984). Hjulströmin diagrammi on esitetty kuvassa 5. Kuva 5. Hjulströmin (1935) diagrammi (muokattu Graf 1984). Kuvasta 5 havaitaan hienon hiekan olevan kaikkein eroosioherkintä, ja tätä pienempiin ja suurempiin raekokoihin siirryttäessä partikkelien liikkeellelähtöön vaaditaan suurempia virtausnopeuksia. Hjulströmin diagrammi havainnollistaa hyvin eroosio- ja sedimentoitumisprosessia ilmiönä. Partikkelin liikkeellelähtöön ja eroosion alkamiseen tarvittava virtausnopeus on etenkin pienillä partikkeleilla huomattavasti suurempi kuin nopeus, jolla partikkeli pysyy liikkeessä tai laskeutuu takaisin uoman pohjalle. 31

32 Avouomassa virtaavan veden virtausnopeudelle määritettyjä kriittisiä arvoja voidaan hyödyntää erodoituvien uomien suunnittelussa. Laskennallista, mallinnettua tai kokeellisesti määritettyä virtausnopeutta voidaan verrata tarkasteltavan tilanteen olosuhteita vastaavaan virtausnopeuden kriittiseen arvoon ja saada näin tietoa uoman eroosioherkkyydestä vallitsevassa virtaustilanteessa. Yleisesti ottaen vanhat uomat sietävät huomattavasti korkeampia virtausnopeuksia kuin uudet, koska etenkin hienorakeisissa kolloidisissa kerrostumissa vanhat uoman pohjat ovat yleensä paremmin stabiloituneita (Chow 1959). Kriittisiä keskimääräisiä virtausnopeuksia erilaisille maalajeille on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. Erilaisille maalajeille esitettyjä kriittisiä virtausnopeuden arvoja (Maankuivatuksen suunnittelu 1986). Maalaji v cr [m/s] Siltti 0,3 Liejusavi 0,3 Hieno hiekkamaa 0,35 Konsolidoitumaton savimaa 0,4 Maatunut turve 0,4 Karkea hiekkamaa 0,45 Hieno soramaa 0,6 Raaka turvemaa 0,7 Karkea soramaa 0,8 Konsolidoitunut lihava savimaa 1,15 Tiivis moreenimaa 1,2 Kivikko 1,5 Fortier ja Scobey (1926) ovat esittäneet kriittisiä virtausnopeuden arvoja suorille, pienikaltevuuksisille ikääntyneille uomille (ks. French 1985). Fortierin ja Scobeyn (1926) taulukoimista kriittisistä virtausnopeuden arvoista havaitaan, että partikkelien liikkeellelähtöön vaadittava keskimääräinen virtausnopeus on suurempi olosuhteissa, joissa uomassa virtaavaan veteen on suspendoituneena kolloidista hienoainesta. Syvissä uomissa kriittinen keskimääräinen virtausnopeus on suurempi kuin muilta ominaisuuksiltaan samanlaisessa matalassa uomassa (esim. Vanoni 1975). Chown (1959) mukaan tämä johtuu todennäköisesti siitä, että partikkelien huuhtoutumisen aiheuttaa pääasiassa pohjan virtausnopeus, joka samalla keskimääräisellä virtausnopeudella on suurempi matalassa uomassa. Keskimääräinen virtausnopeus ei siis kykene yksin ilmaisemaan veden uoman pohjaan kohdistamaa eroosiota alullepanevaa voimaa, ja siten tarkassa kriittisen tilan määrittämisessä myös veden syvyys tulisi huomioida (Vanoni 1975). Kriittisen tilan kuvaaminen leikkausjännityksen 32

33 avulla on teoreettisesti sopivampi tapa kuin keskimääräisen kriittisen virtausnopeuden käyttäminen (Vanoni 1975) Kriittisen tilan arviointi leikkausjännitykseen perustuen Uoman märällä poikkileikkauksella partikkeleihin kohdistuvaa veden virtauksesta aiheutuvaa voimaa voidaan kuvata virtausnopeuden sijasta myös partikkeleihin kohdistuvan leikkausjännityksen (shear stress, shear force, tractive force) avulla (Chow 1959, Vanoni 1975, Graf 1984). Tasaisessa virtauksessa leikkausvoima ajatellaan yhtälön (17) mukaisesti samansuuruiseksi kuin veden massan pohjaan kohdistaman voiman pohjan suuntainen komponentti (Chow 1959): F ALS (17) missä F τ on veden uoman pohjaan kohdistama leikkausvoima [N] γ = ρg on veden ominaispaino [N/m 3 ] A on uoman veden täyttämän osan poikkipinta-ala [m 2 ] L on tarkastelujakson pituus [m] S on uoman pohjan kaltevuus Leikkausjännitys τ 0 esitetään tavallisesti keskimääräisenä arvona uoman märän poikkileikkauksen suhteen, ja se saadaan jakamalla yhtälö (17) märkäpiirillä p ja tarkastelujakson pituudella L: ALS A 0 S RS (18) pl p missä τ 0 on keskimääräinen leikkausjännitys märällä poikkileikkauksella [N/m 2 ] R on hydraulinen säde [m] Yleinen leikkausjännityksen yhtälö (18) ei käytännössä kuvaa yksittäiseen partikkeliin kohdistuvaa voimaa, vaan voima kohdistuu tiettyyn alaan uoman kehällä (French 1987). Yhtälön (18) soveltamisessa tulee huomioida, että leikkausjännitys ei ole yleensä tasaisesti jakautunut uoman märkäpiirille (Chow 1959). Esimerkiksi trapezoidin muotoisissa uomissa leikkausjännitys jakautuu uoman pohjan ja seinämien kesken siten, että pohjalla maksimi leikkausjännityksen voidaan olettaa vastaavan likimain arvoa τ 0 ja 33

34 seinämillä 0,76τ 0 (Chow 1959, French 1987). Yhtälön (18) mukaista leikkausjännityksen esitystapaa on käytetty yleisesti kriittisten olosuhteiden määrittämiseen partikkelien liikkeellelähdön ja paikallaan pysymisen välillä (Bogardi 1974). Leveissä avouomissa hydraulinen säde R on likimain sama kuin vesisyvyys uomassa, jolloin yhtälö (18) voidaan esittää myös käyttäen yhtälöä (19) (Chow 1959): hs 0 (19) missä h on vesisyvyys [m] Uoman pohjaan kohdistuvaa leikkausjännitystä voidaan suoraan hyödyntää eroosiotarkasteluissa vertaamalla laskettuja tiettyä virtaustilannetta vastaavia leikkausjännityksen arvoja taulukoituihin kriittisiin leikkausjännityksen arvoihin. Kriittisten virtausnopeuksien tapaan kriittisiä leikkausjännityksen arvoja on kokeellisesti määritetty kuvaamaan erityyppisten uomien ja uomamateriaalien eroosioon vaadittavia olosuhteita. Kriittisen leikkausjännityksen arvot koheesiottomille sedimenteille on suurimmaksi osaksi määritetty vesikouruissa tehtyjen havaintojen perusteella (Vanoni 1975). Uoman seinämällä partikkelin irtoamisen vaatima kriittinen leikkausjännitys poikkeaa uoman pohjan partikkeleihin kohdistuvasta kriittisestä arvosta sen vuoksi, että etenkin jyrkissä luiskissa leikkausvoiman lisäksi suhteellisen suuri partikkeliin kohdistuva painovoiman komponentti pyrkii irrottamaan ja liikuttamaan partikkelia (Vanoni 1975). Valmiiksi taulukoitujen kriittisten arvojen lisäksi on olemassa useita kriittisen leikkausjännityksen arvioimiseksi kokeellisesti johdettuja yhtälöitä. Klassisen teorian mukaan partikkelien liikkeellelähtöön liittyvä kriittinen leikkausjännitys tietylle partikkelikoolle ja ominaispainolle on vakio (Bogardi 1974). Tämä voidaan esittää yhtälön (20) avulla: K( d (20) c s ) missä τ c on kriittinen leikkausjännitys [N/m 2 ] K on vakio γ s on sedimentin ominaispaino [N/m 3 ] γ on nesteen ominaispaino [N/m 3 ] d on partikkelin halkaisija [m] Shields (1936) on esittänyt yleisesti hyväksytyn menetelmän partikkelien liikkeellelähdön kriittisen tilan kuvaamiseksi (Vanoni 1975, Graf 1984). Shields on 34

35 tutkinut kriittistä leikkausjännitystä huomioiden sedimenttipartikkelien halkaisijan ja ominaispainon sekä virtaavan veden ominaispainon ja viskositeetin (Bogardi 1974). Shieldsin (1936) mukaan dimensioton kriittinen leikkausjännitys on riippuvainen virtaavan nesteen kitkanopeuden avulla lasketusta Reynoldsin luvusta. Virtauksen turbulenttisuutta kuvaava kitkanopeus u * voidaan esittää yhtälöllä (21) (Graf 1984): 0 u * (21) missä u * on kitkanopeus [m/s] τ 0 = γrs on leikkausjännitys [N/m 2 ] ρ on virtaavan nesteen tiheys [kg/m 3 ] Shieldsin käyttämä Reynoldsin luku Re * saadaan sijoittamalla kitkanopeus u * partikkelin Reynoldsin luvun yhtälöön (Re p = ud/ѵ) keskimääräisen virtausnopeuden u paikalle (22): missä u d Re (22) u * on kitkanopeus [m/s] d on partikkelin halkaisija [m] ν on veden kinemaattinen viskositeetti [m 2 /s] Shieldsin (1936) mukaan tasarakeisen ja pinnaltaan tasaisen uoman pohjan tapauksessa dimensioton kriittinen leikkausjännitys voidaan esittää Reynoldsin luvun Re * funktiona yhtälöllä (23) (Graf 1984): ( ) d s u d f c * (23) Sijoittamalla yhtälön (23) vasemman puolen kriittisen leikkausjännityksen τ c paikalle kitkanopeuden kaavasta (21) ratkaistu leikkausjännitys (τ = u 2 * ρ) päästään samaan muotoon yhtälön (16) vasemman puolen kanssa siten, että kriittisen pohjan virtausnopeuden tilalla on kriittinen kitkanopeus. Yhtälön (23) vuorosuhde on esitetty kokeellisiin mittaustuloksiin perustuen Shieldsin diagrammissa (kuva 6). 35

36 Kuva 6. Shieldsin diagrammi (muokattu Vehviläinen 1981). Shieldsin diagrammista (kuva 6) voidaan arvioida partikkelien liikkeellelähtöön vaadittavia kriittisiä olosuhteita. Diagrammista voidaan erottaa kolme toisistaan poikkeavaa osaa, jotka selittyvät uoman pohjan välittömään läheisyyteen oletettavan ohuen laminaarisen virtauskerroksen avulla (rajakerrosteoriasta ks. esim. Chow 1959). Reynoldsin luvun Re *, partikkelikoon d ja pohjan laminaarisen virtauskerroksen paksuuden δ välillä on suhde Re * =11,6d/δ (Graf 1984). Grafin (1984) mukaan pienillä Reynoldsin luvun arvoilla (Re * < 2) voidaan partikkelikoon ajatella olevan pohjan laminaarisen virtauskerroksen paksuutta pienempi, jolloin uoman pohjaan kohdistuva voima on viskoosivoimien aiheuttamaa ja turbulenttisuus ei vaikuta pohjaan. Suurilla Reynoldsin luvun arvoilla pohjan partikkelikoko on vastaavasti laminaarisen virtauskerroksen paksuutta suurempi, jolloin pohjan karkeus aiheuttaa laminaarisen kerroksen häiriintymistä (turbulenttisuutta). Erittäin suurilla Re * arvoilla (Re * > 400) dimensioton leikkausjännitys on riippumaton Reynoldsin luvusta ja sen arvo voidaan olettaa kuvan 6 mukaisesti olevan n. 0,06. Partikkelikoon ollessa likimain laminaarisen virtauskerroksen paksuuden suuruinen on virtaus pohjalla laminaarisen ja turbulenttisen virtauksen muutostilassa. Dimensioton leikkausjännitys saa minimiarvonsa n. 0,03 Re * :n ollessa likimain 10. Tätä pienemmillä leikkausjännityksen arvoilla eroosiota ei pitäisi koskaan esiintyä (Graf 1984). Partikkelien liikkeellelähdön kriittistä tilaa voidaan tarkastella myös virtaustehon (stream power) avulla. Virtausteho Ω koko tarkasteltavalle uomajaksolle saadaan yhtälöstä (24) (Bagnold 1966): 36

37 gqs (24) missä Ω on virtausteho uomajakson pituutta kohden [W/m] S on energiaviivan kaltevuus Q = va on tarkastelujakson virtaama [m 3 /s] Virtausteho voidaan myös ilmoittaa uoman pohjan pinta-alan suhteen (unit stream power) jakamalla yhtälö (24) uoman pohjan leveydellä (Bagnold 1966). Näin saadun virtaustehon ω ja yhtälön (19) mukaisen keskimääräisen leikkausjännityksen τ välille saadaan leveässä suorakaiteen muotoisessa uomassa yhtälön (25) mukainen riippuvuus: gqs gvhws gvhs hsv v (25) w w missä ω on virtausteho uoman pohjan pinta-alan suhteen [W/m 2 ] v on keskimääräinen virtausnopeus [m/s] h on vesisyvyys [m] w on uoman pohjan leveys [m] 3.3 Seinämäeroosio Uoman seinämien eroosiota aiheuttavat etenkin uomassa virtaavan veden seinämään kohdistamat voimat sekä partikkeleihin kohdistuva painovoima. Yleisesti seinämäeroosion määrä on riippuvaista mm. virtauksen ominaisuuksista, seinämien rakenteesta ja materiaaliominaisuuksista, seinämien kasvillisuudesta sekä uoman geometriasta (Knighton 1998). Veden virtauksesta johtuva seinämän alaosan eroosio jyrkentää seinämiä, mikä puolestaan lisää painovoimaeroosion mahdollisuutta. Uomissa, joissa seinämän alaosa on ei-kohesiivista ja seinämän yläosa kohesiivista maata, voi muodostua tilanne, jossa uomassa virtaavan veden hydrauliset voimat kuluttavat ainoastaan seinämän alaosaa. Seinämän yläosan koheesiomaa muodostaa vähitellen tyhjän päällä lepäävän lipan, joka romahtaa uoman pohjalle kriittisen tilan ylityttyä (Thorne & Tovey 1981). Seinämäeroosiota voivat aiheuttaa joko suoraan tai välillisesti myös useat muut prosessit, jotka eivät ole riippuvaisia virtauksen voimakkuudesta uomassa. 37

38 Pohjaveden pinnan yläpuolisessa kyllästymättömässä kerroksessa vallitsee negatiivinen huokospaine (matrikpotentiaali), joka on tärkeä tekijä luiskan stabiiliuden ja koossapysymisen kannalta (Rinaldi & Casagli 1999). Sadanta ja haihdunta vaikuttavat maaperän vesipitoisuuteen ja pohjaveden pinnan korkeuteen, ja näin edelleen uoman seinämien vakauteen (Rinaldi & Casagli 1999). Pitkään jatkunut sadanta nostaa pohjaveden pintaa, jolloin negatiivinen huokospaine pienenee. Huokospaineen pieneneminen alentaa luiskien leikkauslujuutta ja siten eroosioriski kasvaa (esim. Simon ym. 2000). Matrikpotentiaalin vaihtelut riippuvat useista tekijöistä, kuten ilmastoolosuhteista, kasvillisuudesta, pohjaveden pinnan tasosta ja maamateriaalin vedenläpäisykyvystä. Sateen imeytyminen maaperään vaikuttaa eroosioherkkyyteen negatiivisen huokospaineen pienentymisen lisäksi myös lisäämällä kiviaineksen tilavuuspainoa. Kuivina kausina negatiivinen huokospaine kasvaa lisääntyneen haihdunnan seurauksena (Rinaldi & Casagli 1999). Kyllästyneessä maaperässä vesi ja sen liikkeet synnyttävät maahuokosissa paineen, joka kohdistuu maapartikkeleihin. Maaperän vesipitoisuuden lisääntymisen ja huokosveden paineen liiallisen kasvun seurauksena uoman seinämien leikkauslujuus laskee (Simon ym. 2000). Huokosvedenpaineen vaikutus eroosioherkkyyteen riippuu usein virtaamatilanteesta. Luiskien heikkenemistä on havaittu etenkin tulvavirtaamahuippujen laskiessa nopeasti, jolloin uomassa virtaavan vesimäärän seinämiin kohdistama paine ei enää kompensoi kasvanutta huokosveden painetta (Simon ym. 2000). Avouomiin suotautuu/tihkuu ympäröiviltä alueilta vettä pohjavesivalunnan ja pintakerrosvalunnan seurauksena. Seinämän läpi uomaan tihkuva vesi aiheuttaa partikkelien irtoamista ja kulkeutumista pois seinämästä (seepage erosion), mikäli seinämän leikkauslujuus ylittyy (Chu-Agor ym. 2008). Pohjaveden tihkuaminen uomaan voi aiheuttaa uomassa virtaavan veden tavoin seinämän altasyöpymistä (undercutting), jolloin syöpyneen kohdan yläpuolinen luiskan osa jää vähitellen ilman tukea ja lopulta sortuu (Fox ym. 2007). Luiskien maalajilla/maalajeilla sekä maaperän kerrosrakenteella ja kerrosjärjestyksellä on tärkeä merkitys suotovirtausten esiintymiseen ja ominaisuuksiin sekä edelleen seinämän syöpymiseen (Wilson ym. 2007, Fox ym. 2007). Seinämän kaltevuudella, hydraulisella gradientilla ja suotautumisen suuntavektorilla seinämään nähden on myös merkitystä suotautumisen aiheuttamaan seinämäeroosioon (Budhu & Gobin 1996). Pohjaveden tihkuaminen seinämien kautta uomaan voi edistää seinämäeroosiota heikentämällä 38

39 seinämämateriaalia koossapitäviä koheesiovoimia kuljettamalla hienoainespartikkeleita pois seinämästä (Knighton 1998). Veden liikkeistä maaperässä johtuvat luiskien eroosioherkkyyteen vaikuttavat ja eroosiota aiheuttavat mekanismit esiintyvät usein rinnakkain, joten yksittäisen tekijän osuutta seinämäeroosioon on vaikea erotella (Chu-Agor ym. 2008). Edellä esitettyjen lisäksi maaperän toistuva kostuminen ja kuivuminen sekä jääilmiöt löyhentävät seinämiä ja lisäävät niiden eroosioherkkyyttä (Knighton 1998). Vettyminen ja kuivuminen aiheuttavat maaperän turpoamista ja kutistumista, kun taas routa voi altistaa uoman luiskia eroosiolle suurentamalla maaperässä jo olevia halkeamia sekä irrottamalla ja löyhentämällä yhteenliittyneitä maapartikkeleita (Knighton 1998). Routa voi toimia itsenäisenä eroosiota aiheuttavana tekijänä tai edesauttaa virtauksen hydrodynaamisten voimien aiheuttamaa eroosiota (Lawler 1986). Yleisesti ottaen turv la routakerroksen paksuus ei ole niin suuri kuin mineraalimailla. Ojitetulla suolla routakerros on paksumpi ja routa säilyy maassa pidempään kuin ojittamattomalla suolla (Heikurainen 1980). Uoman seinämästä irronnut tai romahtanut materiaali voi kulkeutua virran mukana välittömästi pois sortumapaikalta tai kerrostua luiskan alaosaan. Luiskan alaosassa oleva maamateriaali stabiloi luiskaa ja suojaa sen alaosaa väliaikaisesti eroosiolta. Sedimentin ominaisuuksista riippuen kerrostunut materiaali irtoaa ja kulkeutuu alajuoksulle seuraavan riittävän voimakkaan virtauksen aikana (esim. Knighton 1998). 3.4 Eroosiomäärät ja kiintoainekulkeuman laskenta Sedimentin kuljetusta tarkasteltaessa voidaan usein erottaa kaksi eroosiomäärää rajoittavaa tekijää. Eroosiota hallitsee joko virtauksen kuljetuskapasiteetti tai eroosiolle alttiin sedimentin määrä (Knighton 1998). Uomasta erodoituvasta materiaalista osa on niin pienirakeista, että hyvinkin pienet virtaamat voivat kuljettaa partikkeleita suspensiona. Tällöin tarjolla olevan sedimentin määrä rajoittaa eroosiota pikemmin kuin veden kuljetuskapasiteetti. Myös lähinnä uoman seinämistä ja valuma-alueen pintaeroosiosta lähtöisin olevan läpikulkeuma-aineksen (wash load) määrä arvioidaan ensisijaisesti hienojakoisen sedimenttivaraston perusteella. Uoman pohjan ja seinämien partikkelikoon kasvaessa eroosiota säätelevänä tekijänä toimii enenevässä määrin 39

40 virtauksen kuljetuskapasiteetti ja virtauksen kyky irrottaa partikkeleita mukaan kuljetukseen (Knighton 1998). Kuljetuskapasiteetilla tarkoitetaan partikkelikoosta ja virtauksen hydraulisista ominaisuuksista riippuvaa virtauksen kykyä kuljettaa sedimenttiä mukanaan. Virtauksen kuljetuskapasiteetin täyttyessä eroosiota ei enää tapahdu, vaikka uoman pohjan ja seinämien partikkeleihin kohdistuva kriittinen leikkausjännitys ylittyisikin (Olsen 2006). Sedimenttikuorman määrä ei suspensiokulkeumassa ole ajansuhteen suoraan riippuvainen virtaamasta ja virtaamahuipuista. Vaihtelevuus tarjolla olevan erodoituvan sedimentin määrässä voi aiheuttaa virtaamahuippujen aikana ns. hystereesi-ilmiön, jossa sedimenttikulkeuman huippu ei ole samanaikainen virtaamahuipun kanssa (Knighton 1998). Tyypillisessä tilanteessa sedimenttiaalto kulkee virtaama-aallon edellä ja suurin suspendoitunut sedimenttimäärä esiintyy samalla virtaamalla suurempana virtaamahuipun nousun, kuin laskun aikana (Knighton 1998). Williams (1989) on esittänyt viisi yleisesti esiintyvää tyyppiä tulvatapahtuman nousevan ja laskevan vaiheen sedimenttikonsentraation ja virtaaman suhteelle, sekä pohtinut syitä tapahtumatyypeille. Eroosiolle alttiin sedimentin määrää voi rajoittaa uoman pohjaan syntyvän karkeista rakeista koostuvan suojakerroksen (armour layer) muodostuminen. Pohjaa suojaava kerros syntyy sekalajitteisessa maalajissa hienompien partikkelien huuhtouduttua pois karkeiden rakeiden välistä, jolloin suuremmat, eroosiolle ei niin alttiit partikkelit jäävät uoman pohjan päällyskerrokseen ja estävät niiden alla olevien hienompien raekokojen erodoitumisen (esim. Sutherland 1987, Dietrich ym. 1989). Suojakerroksen muodostumisen vuoksi erodoituvan sedimentin määrä on pienempi kuin mitä virtauksen kuljetuskapasiteettiin perustuvat yhtälöt ennustavat (Knighton 1998). Pohjakulkeuman, suspensiokulkeuman ja edellisistä muodostuvan kokonaiskulkeuman määrittämiseksi on esitetty lukuisia yhtälöitä. Sedimenttikulkeuman kaavat pyrkivät ilmaisemaan suurimman mahdollisen sedimenttimäärän, jonka tietty virtaama voi kuljettaa huomioiden sedimentin ja virtaavan nesteen ominaisuudet (Graf 1984, Knighton 1998). Sedimenttikulkeuma ilmoitetaan yksikössä m 3 /s/m, joka vastaa sedimentin virtaamaa (m 3 /s) uoman leveysyksikköä kohden (Liu 2001). Lukuisten pohjakulkeumafunktioiden joukosta voidaan erottaa kolme pohjimmiltaan samankaltaista ryhmää (Graf 1984). DuBous -tyypin yhtälöt tarkastelevat kriittisen 40

41 leikkausjännityksen ylittymistä, Schoklitsch -tyypin yhtälöt kriittisten virtaamien ylittymistä ja Einstein -tyypin yhtälöt perustuvat virtauksen turbulenttisuudesta aiheutuvan partikkeleita nostavan voiman (lift force) tilastolliseen tarkasteluun (Graf 1984). Knighton (1998) on erottanut pohjakulkeumafunktioista omaksi ryhmäkseen myös laskennallisen virtaustehon (stream power) ylittymiseen perustuvat menetelmät. Suspensiokulkeuma-aineksella on partikkelikoosta riippuva taipumus laskeutua uoman pohjalle tietyllä laskeutumisnopeudella, jonka vastapainona toimii virtauksen turbulenttisuuden aiheuttama vastakkaissuuntainen partikkeleja nostava voima (Graf 1984). Suspensiokulkeumana kulkeutuvan materiaalin määrä vaihtelee vesisyvyyden mukaan siten, että suurin konsentraatio on lähellä uoman pohjaa (Richardson ym. 2001). Suspensiokulkeuman määrittäminen voi perustua esimerkiksi tähän sedimenttikonsentraation ja virtausnopeuden jakautumiseen uomassa (Graf 1984). Sedimentin kokonaiskulkeuma voidaan laskea joko yhdistämällä erikseen lasketut pohjakulkeuman ja suspensiokulkeuman arvot, tai käyttämällä suoraan kokonaiskulkeuman laskemiseen määritettyjä yhtälöitä (Graf 1984). Kokonaiskulkeumayhtälöt on johdettu siten, että kulkeutuva sedimentti kuuluu osaksi pohjan raekokojakaumaa, eikä huuhtoutuma-ainesta näin oteta huomioon (Graf 1984). Monet sedimentin kulkeumafunktiot sisältävät kokeellisesti määritettäviä, tiettyihin olosuhteisiin liittyviä kertoimia, ja näin niiden yleinen sovellettavuus on rajoittunutta (Knighton 1998). Suurin osa sedimentin kulkeutumisyhtälöistä on luonteeltaan empiirisiä tai puoliempiirisiä. Tämän vuoksi yhtälöiden soveltamisessa tulisi pysytellä samanlaisissa hydraulisissa olosuhteissa ja sedimenttimateriaaleissa, kuin mitä alun perin yhtälöiden kehittämiseen on käytetty (Graf 1984). 41

42 4 Eroosion mallintaminen 4.1 Mallien luokitteluperusteita Eroosion ja sedimentin kulkeutumisen mallintamiseen on olemassa lukuisia erilaisiin käyttötarkoituksiin soveltuvia malleja, jotka poikkeavat toisistaan mm. monimutkaisuutensa, huomioonotettavien prosessien ja mallin kalibroinnin ja käytön vaatimien lähtötietojen mukaan (Merritt ym. 2003). Eroosiomalleista suurin osa kuvaa ainoastaan pintaeroosiota, mutta useissa malleissa myös uomaeroosio on otettu huomioon (Merritt ym. 2003). Mallit voidaan jakaa empiirisiin, konseptuaalisiin ja fysikaalisperustaisiin (prosessipohjaisiin) malleihin sen mukaan, miten fysikaalinen eroosioprosessi on mallissa kuvattu (Wheater ym. 1993). Eroosiomallien jaottelu ei ole tiukkarajaista, sillä mallit voivat sisältää osia useammasta eri ryhmästä. Erityyppisillä malleilla on olemassa omat käyttötarkoituksensa ja tiettyä mallityyppiä ei voida pitää kaikissa tilanteissa muita malleja parempana (Merritt ym. 2003). Tilanteeseen sopivin mallin rakenne valitaan huomioiden mallitulokselle asetetut vaatimukset sekä mallin käytön edellytykset ja rajoitukset. Pääsääntöisesti mallin monimutkaisuuden kasvaessa myös mallin käytön edellyttämät datavaatimukset kasvavat huomattavasti (Aksoy & Kavvas 2005). Empiiriset mallit perustuvat ensisijaisesti havaintojen analysointiin ja ilmiön luonnehtimiseen havaintoaineiston avulla (Wheater ym. 1993). Empiiristen mallien etuna verrattuna konseptuaalisiin ja fysikaalisperustaisiin malleihin on pienemmät laskennalliset ja aineistolliset vaatimukset (Merritt ym. 2003). Empiirisiä malleja on kritisoitu siitä, että mallit käyttävät epärealistisia oletuksia valuma-aluesysteemin fysiikasta ja lisäksi ne eivät ota huomioon valuma-alueiden ominaisuuksien heterogeenisyyttä ja systeemien luontaisia epälineaarisuuksia (Wheater ym. 1993). Empiiriset eroosiomallit eivät ota yleensä huomioon sadanta-valunta prosessia (Merrit ym. 2003). Prosserin ym. (2001) mukaan erityisesti alueellisella tasolla sedimentin kulkeutuminen ja viipymisaika jäävät malleissa huonosti ymmärretyiksi, joten sedimentin kulkeutumisen ennustaminen perustuu näissä tilanteissa usein empiirisiin menetelmiin (Merritt ym. 2003). Havaintoaineistojen pohjalta laadittujen empiiristen mallien käyttö rajoittuu niihin olosuhteisiin, joissa malli on alun perin kehitetty (Aksoy & Kavvas 2005). 42

43 Konseptuaaliset mallit perustuvat valuma-alueen kuvaamiseen sarjana varastoja ja varastojen välisiä virtoja (Merritt ym. 2003). Konseptuaaliset mallit sisältävät valumaalueprosessien yleisiä kuvauksia ilman tarkoin määritettyjä yksityiskohtia prosessien välisistä vuorovaikutuksista, joten yksityiskohtaista tietoa valuma-alueesta ei vaadita lähtöaineistona (Sorooshian 1991). Konseptuaalisissa malleissa prosessit pyritään kuvaamaan vastaten olemassa olevaa käsitystä todellisuudesta, mutta karkea kuvaustapa on ennemmin käsitteellinen kuin fysikaalinen (Koistinen 2006). Konseptuaaliset mallit sisältävät rakenteellisia ominaispiirteitä, jotka tekevät mallin identifiointi- ja parametrien estimointimenetelmien soveltamisesta vaikeaa (Sorooshian 1991). Konseptuaalisiin malleihin parametrien arvot saadaan tyypillisesti kalibroimalla mitattua dataa vastaan (esim. virtaama- ja konsentraatiomittaukset), jolloin useissa tilanteissa parhaiten sopivia parametrien yhdistelmiä voi olla olemassa useita (Merritt ym. 2001). Fysikaalisperustaiset mallit perustuvat veden virtausta ja sedimentin liikkeitä kuvaavien fysiikan perusyhtälöiden ratkaisuun. Tämän tyyppisissä malleissa normaalisti käytettäviä yhtälöitä ovat virtauksen massan- ja liikemäärän säilymisyhtälöt sekä massan säilymisyhtälö sedimentille (Bennett 1974, ks. Merritt ym. 2003). Teoriassa fysikaalisperustaisissa malleissa käytettävät parametrit ovat mitattavissa olevia, mutta käytännössä parametrien suuri määrä ja tärkeiden ominaisuuksien heterogeenisuus johtavat usein siihen, että parametrit joudutaan kalibroimaan mittausaineistosta (Wheater ym. 1993). Tällaisissa tilanteissa fysikaalisperustaisissa malleissa syntyy usein konseptuaalisten mallien tavoin ongelma mallin identifioinnissa ja parametrien estimoinnissa (Wheater ym. 1993). Fysikaalisperustaisissa malleissa yksittäisiä prosesseja kuvaavien matemaattisten lausekkeiden johtaminen on riippuvaista lukuisista oletuksista, jotka eivät välttämättä ole relevantteja monissa todellisissa tilanteissa (Dunin 1975, ks. Merritt ym. 2003). Virheiden kasaantumista tulee kontrolloida prosessipohjaisissa malleissa, joissa yhdestä laskentaelementistä saatavaa tulosta käytetään seuraavan elementin syöttötietona (Merritt ym. 2003). Eroosiomallit voidaan jakaa parametrien ja prosessien alueellisen tarkastelutavan mukaan joko hajautettuihin malleihin (distributed model) tai ns. pistemalleihin (lumped model). Tavanomaisesti pistemalleissa parametrien syöttö ja laskenta käsitellään yhdessä osassa koko mallinnusalueella, kun taas hajautetuissa malleissa alue jaetaan laskentayksiköihin, joissa peruslaskenta tapahtuu (Merritt ym. 2003). Hajautetut mallit 43

44 sopivat tilanteisiin, joissa oleellista on tarkasteltavan ilmiön alueellinen jakautuminen (vrt. ojituksen eroosioherkät alueet), kun taas pistemalleja voidaan käyttää tilanteisiin, joissa laskentatieto valuma-alueen purkupisteestä on riittävä (vrt. ojitusalueelta purkautuva kiintoainekuorma). Pistemallit käyttävät yksittäisiä syöttöparametrien arvoja ilman alueellista vaihtelevuutta ja tuloksena saadaan myös yhdet arvot kuvaamaan koko aluetta (Aksoy & Kavva 2005). Hajautetut mallit vaativat mallinnettavalle alueelle paikan suhteen hajautettuja parametrien arvoja ja tarjoavat myös mallitulokset ottaen huomioon ilmiön spatiaalisen vaihtelevuuden (Aksoy & Kavva 2005). Laskennan alueellisen toteutustavan lisäksi mallit voivat poiketa toisistaan myös mallinnettavan ilmiön ajallisen keston suhteen. Tapahtumakohtaisia malleja (eventbased models) käytetään kuvaamaan yksittäistä sadanta-valunta tapahtumaa, kun taas jatkuvissa malleissa (continuous models) simulointi tapahtuu useille peräkkäisille tapahtumille palauttamatta mallia välillä alkutilaansa (Aksoy & Kavva 2005). Ajan suhteen muuttuvien dynaamisten mallien lisäksi on olemassa myös stationäärisiä malleja, joissa muutoksia ei tarkastella lainkaan ajan suhteen. Mallit voidaan jaotella myös esimerkiksi stokastisiin ja deterministisiin malleihin sen mukaan otetaanko parametrien satunnainen vaihtelu mallissa huomioon. Stokastinen malli sisältää sattumanvaraisuutta, kun taas deterministisessä mallissa mallitulokset määräytyvät yksiselitteisesti syötetietojen perusteella (Koistinen 2006). 4.2 Uomaeroosion arviointiin soveltuvia malleja Haan ym. (1994) mukaan uomaeroosiota kuvaavissa dynaamisissa malleissa tulee ottaa huomioon useita tekijöitä, joita ovat mm. virtausreittien määrittäminen, sedimenttikuorman laskenta, muutokset uoman syvyydessä ja leveydessä sekä muutokset uoman kaarevuudessa (Merritt ym. 2003). Uomaeroosion kuvaaminen yksinkertaistuu huomattavasti, mikäli mallissa ei oteta huomioon muutoksia uoman muodossa ja karkeudessa, ja niiden vaikutuksia virtaukseen (Merritt ym. 2003). Eroosiomallit sisältävät usein ensimmäiseksi ajettavana malliosana hydrologisen valuma-alueen vesitasetta kuvaavan mallin, jonka tulostietoja voidaan käyttää varsinaisen eroosiomallin lähtötietoina (Aksoy & Kavvas 2005). Sedimentin kulkeutumista uomaverkostossa ja pintavalunnan aiheuttamaa kuljetusta maan pinnalla kuvataan eroosiomalleissa usein virtauksen kuljetuskapasiteetin avulla (Merritt ym. 44

45 2003). Fysikaalisperustaiset mallit sisältävät aina jonkin kiintoaineen kulkeutumisyhtälön, yleensä joko pohjakulkeumaa tai kokonaiskulkeumaa kuvaavan yhtälön (Aksoy & Kavvas 2005). Useissa malleissa sopivin kiintoainekulkeumaa kuvaava yhtälö voidaan määrittää ennen mallin ajoa vapaasti. Erodoituvien uomien virtauksen mallintamisessa haasteena on yleisesti se, että uoman seinämien karkeus muuttuu ajan suhteen sedimentin liikkeiden ja uoman pohjan rakenteen muuttuessa (French 1986). Kattavissa valuma-aluetason eroosiomalleissa tarkastellaan alueen hydrologiaan vaikuttavia tekijöitä, virtauksen hydrauliikkaa sekä kiintoaineen kulkeutumisprosesseja. Partikkelien irtoamisen, kulkeutumisen ja sedimentoitumisen tarkasteluissa voidaan huomioida sekä maan pinnalla, että uomissa tapahtuvat prosessit. Useissa malleissa uomat ja uomaeroosio huomioidaan ainoastaan osana alueelta poistuvan kokonaiskulkeuman tarkastelua ja uomat toimivat pikemminkin sedimentin kuljettajina kuin sedimenttilähteinä. Uomaeroosion huomioivia prosessipohjaisia, hajautettuja eroosiomalleja ovat esimerkiksi WEPP (Laflen ym. 1991, Flanagan & Livingston 1995) ja EUROSEM (Morgan ym. 1998). Eroosiota ja sedimentin kulkeutumista erityisesti jokisysteemeissä tarkastelevia malleja on olemassa myös useita. Veden virtausta ja eroosioprosesseja avouomissa kuvaavia hydraulisia malleja ovat esim. HEC-RAS (Brunner 2008) ja MIKE-11 (DHI Water & Environment 2003). WEPP (Watershed Erosion Prediction Project) -mallissa virtauksen maapartikkeleihin kohdistama leikkausjännitys lasketaan regressioyhtälöiden avulla, jotka kuvaavat paikan suhteen muuttuvaa virtaustilannetta (Ascough ym. 1995). WEPP malli huomioi partikkelien irtoamisen, kuljetuksen ja laskeutumisen virtauksen kerääntyessä pienempiin uomiin, mutta suurissa uomissa ja eroosiorotkoissa tapahtuvia eroosioprosesseja ei mallissa erikseen huomioida (Ascough ym. 1995). Uomaeroosion laskennassa mukana ovat tarkastelujaksoon ylävirran puolelta tuleva sedimenttikuorma, uoman sivusta maa-alueilta tuleva kuorma ja uomassa virtaavan veden kyky irrottaa uoman pohjamateriaalia mukaan kuljetukseen. WEPP -mallin laskennassa uomaeroosiota ja partikkelien liikkeellelähtöä uoman pohjasta tapahtuu tilanteissa, joissa virtauksen uomaan kohdistama leikkausjännitys ylittää leikkausjännityksen kriittisen arvon ja joissa virtauksen kuljettama sedimenttikuorma on pienempi kuin virtauksen kuljetuskapasiteetti (Ascough ym. 1995). 45

46 EUROSEM (European Soil Erosion Model) -mallilla voidaan kuvata sedimentin kulkeutumista valuma-alueen rinteillä ja uomissa yksittäisen tulvatapahtuman aikana (Morgan ym. 1998). Mallilla kuvataan tulvatapahtuman sisällä esiintyvä sedimentin huippuvirtaama, kun esimerkiksi WEPP mallissa ennustetaan ainoastaan tulvatapahtuman synnyttämää kokonaiskuormaa ja käytetään tasaisen virtaustilan oletusta. EUROSEM -mallissa uomaeroosiota kontrolloi virtausteho (unit stream power) sekä maamateriaalin mediaanipartikkelikoko (Morgan ym. 1998). Sekä WEPP, että EUROSEM malleissa uomaeroosio otetaan huomioon ainoastaan yhtenä osana valuma-alueen eroosioprosesseja, eikä malleja ole suunniteltu käytettäväksi ainoastaan uomaeroosion arviointiin. Mallien ominaisuuksista ja niiden laadinnan lähtökohdista johtuen mallit eivät ole suoraan sovellettavissa metsäojituksen eroosioriskiarviointeihin. Metsäojitusten eroosioriskiarviointia ajatellen tulee huomioida metsäojien pieni koko sekä uomaverkon monimutkaisuus risteävine uomineen. Nämä metsäojitusten ominaisuudet voivat olla ongelmallisia yleisten suuremman mittakaavan mallien soveltamisessa. HEC-RAS (U.S. Army Corps of Engineers River Analysis System) ohjelmistolla voidaan tarkastella 1-dimensionaalista stationääristä tai epästationääristä virtausta, sedimentin kulkeutumista sekä veden laadun muutoksia (Brunner 2008). Stationäärisen vähittäin muuttuvan virtauksen (steady gradually varied flow) laskentakomponentti on tarkoitettu veden pinnan profiilin laskemiseen ja sitä voidaan soveltaa uomaverkostoon, uomien risteymäkohtiin tai yksittäiselle uomaosuudelle. Laskenta perustuu 1- dimensionaalisen energiayhtälön ratkaisuun ja siinä voidaan huomioida uoman karkeuden (Manningin kaavasta) sekä supistumien ja laajentumien aiheuttamat energiahäviöt (Brunner 2008). Mallilla voidaan laskea myös äkillisesti muuttuvaa virtausta ja tarkastella erilaisten rakenteiden (sillat, padot, tierummut jne.) vaikutusta virtaukseen. Ajan suhteen muuttumattoman virtauksen laskentatyökalu on suunniteltu ensisijaisesti tulvatilanteiden mallintamiseen (Brunner 2008). Epästationäärisen tilanteen laskentaa voidaan hyödyntää samankaltaisiin tilanteisiin kuin mallin stationäärisen virtauksen komponenttia, jonka lisäksi sillä voidaan kuvata esim. patojen murtumista, tulvapengerten rikkoutumista ja veden tulvimista uomasta (Brunner 2008). HEC-RAS -mallin sedimentin kulkeutumista tarkastelevalla komponentilla voidaan mallintaa 1-dimensionaalisesti pohjan syöpymistä, sedimentin kulkeutumista ja laskeutumista epästabiilissa uomassa joko yksittäisen tulvatapahtuman aikana tai muutamien vuosien ajanjaksolla (Brunner 2008). Sedimentin kulkeutumisessa 46

47 huomioidaan uomamateriaalin raekokojakauma ja uoman pohjaan karkeista rakeista koostuvan suojaavan kerroksen (armoring layer) muodostuminen. HEC-RAS mallin rakentamisessa tarkasteltavat uomat ja uomaverkoston rakenne syötetään geometriatietoineen ohjelmalle käsin (Brunner 2008). MIKE 11 on kaupallinen ohjelmistopaketti, joka on suunniteltu virtauksen, veden laadun ja sedimentin kulkeutumisen simuloimiseen jokisuistoissa, joissa, kastelu- ja kuivatussysteemeissä sekä muissa vastaavissa uomissa (DHI Water & Environment 2003). MIKE 11 on dynaaminen, 1-dimensionaalinen hajautettu malli ja se sisältää HEC-RAS -mallin tavoin Windows -pohjaisen graafisen käyttöliittymän. MIKE 11 mallin peruselementtinä on hydrodynaaminen malli MIKE 11 HD, joka perustuu Saint Venantin yhtälöiden ratkaisuun (DHI 2003). Hydrodynaamisen moduulin lisäksi MIKE 11 malliin on integroitu useita lisämoduuleita, joiden joukossa on mm. kohesiivisten- ja karkearakeisten kiintoaineiden kuljetusta kuvaavat moduulit (DHI Water & Environment 2003). HEC-RAS mallin tavoin MIKE 11 mallissa tarkasteltava uoma tai uomaverkosto rakennetaan malliin laskennan pohjaksi manuaalisesti ja solmupisteiden geometriatiedot syötetään tiedostoon uomaprofiileiden ja pituuskaltevuuksien määrittämistä varten (DHI Water & Environment 2003). Kiintoaineen kulkeutumista voidaan mallissa simuloida ajan- ja paikan suhteen perustuen hydrodynaamisella malliosalla etukäteen laskettuihin tuloksiin ilman takaisinkytkentää sedimentin kuljetuksen ja hydrodynamiikan välillä. Uoman morfologiassa tapahtuvat muutokset huomioivassa vaihtoehtoisessa laskentatavassa eroosion ja sedimentoitumisen aiheuttamat muutokset uoman karkeudessa ja uoman geometriassa ovat kytköksissä myös mallin hydrodynaamiseen laskentaan (DHI Water & Environment 2003). MIKE 11 malli vaatii lähtötietonaan joko purkautumiskäyrän tai virtaama-aika hydrografin, uoman karkeuden sekä mm. uoman geometriatiedot, pituudet ja vesivarastojen sijaintitiedot. Sekä HEC-RAS että MIKE 11 mallien suora soveltaminen voi olla hankalaa metsäojituksen eroosioprosessien tarkasteluun, johtuen mallien vaatimasta suuresta lähtöaineistomäärästä sekä metsäojituksen monimutkaisesta rakenteesta. Lukuisten ojien ja niiden geometriatietojen syöttäminen malleihin on työlästä ja esimerkiksi HEC- RAS mallissa risteävien uomien lukumäärä on rajoitettu ainoastaan viiteen kappaleeseen (Brunner & Bonner 1994). 47

48 Lappalainen (2008) on kehittänyt fysikaalisperustaisen mallin kiintoainekulkeuman laskemiseksi kunnostusojitetuilta metsäalueilta. Mallilla voidaan ennustaa uoman pohjan muutoksia ojaverkostossa ja laskeutusaltaissa sekä veden kiintoainepitoisuutta. Mallissa partikkelien liikkeellelähtö määritetään kriittisen leikkausjännityksen avulla ja kiintoainekulkeumaa arvioidaan van Rijnin (1987) kehittämillä kiintoaineen kulkeutumisyhtälöillä käyttäen massatasapainoyhtälöä uoman geometrian muutosten laskemiseksi (Lappalainen 2008). Mallilla on saavutettu suuruusluokaltaan oikeita tuloksia kunnostusojituksen jälkeisten kahden ensimmäisen vuoden simulointijaksolla (Lappalainen 2008). Mallissa kuvataan ainoastaan kitkamaalajista koostuvan uoman pohjan eroosiota ja kiintoaineen kulkeutumista olettaen, että oja on kaivettu turvekerroksen alapuoliseen kivennäismaahan asti. Malli ei huomioi seinämäeroosiota, turpeen ja koheesiomaiden eroosiota, eikä pohjan raekokojakaumassa ajan suhteen tapahtuvia muutoksia (Lappalainen 2008). Marttila & Kløve (2008) ovat kehittäneet turvetuotantoalueelle eroosioprosesseja kuvaavan mallin, jolla voidaan kuvata turvesedimentin eroosiota, kuljetusta ja laskeutumista turvetuotantoalueen uomissa. Malli laskee turvesedimentin eroosionopeuksia kriittisten leikkausjännitysten ylittymisen avulla ja sedimentoitumisnopeuksia perustuen partikkelien laskeutumisnopeuteen ja kriittisten leikkausjännitysten alittumiseen. Mallia on testattu yhdellä turvetuotantoalueella ja sen on osoitettu ennustavan hyvin tuotantoalueen purkupisteessä mitattua päivittäistä suspendoitunutta sedimenttimäärää suurimpien tulvahuippujen aikana (Marttila & Kløve 2008). Varsinaisten sedimentin kulkeutumista kuvaavien eroosiomallien lisäksi eroosion tarkastelussa voidaan joissakin tapauksissa soveltaa yksinkertaisia hydraulisia malleja ja kriittiseen virtausnopeuteen tai kriittiseen leikkausjännitykseen perustuvia menetelmiä. Uomaominaisuuksista (geometria, karkeus, kaltevuus jne.), virtaamasta ja virtaavan nesteen ominaisuuksista riippuvia laskettuja virtausnopeuden ja leikkausjännityksen arvoja ja vastaavia kokeellisesti määritettyjä kriittisiä arvoja vertailevia menetelmiä voidaan käyttää esimerkiksi mitoitettaessa keinotekoisia erodoituvia uomia. Tienvarsiojien stabiiliustarkasteluissa, mitoituksessa ja sopivien verhousmateriaalien valinnassa tämän tyyppisiä malleja ja laskentaohjelmia on käytetty ainakin Yhdysvalloissa (Stallings 1999). Yksinkertaistetut menetelmät ottavat huomioon 48

49 ainoastaan eroosion alkamisen ja uoman koossapysymisen todennäköisyyden, eivät sedimentin kulkeutumista ja laskeutumista ja näistä seuraavia muutoksia. Luotettavan mallinnuksen edellytyksenä on aina se, että mallin käyttäjä tuntee mallin ja mallinnettavan ilmiön kunnolla. Mallin luotettavuutta vähentäviä tekijöitä ovat mm. epätarkka tai systemaattisia virheitä sisältävä lähtödata sekä mallin liian suuret yksinkertaistukset, jolloin malli ei enää kuvaa todellisuutta tai mallin käyttäjän haluamaa ilmiötä (Jormola ym. 2003). Merritt ym. (2003) mukaan eroosiomallit voivat kärsiä esimerkiksi yliparametrisoinnista, epärealistisista lähtödatavaatimuksista, mallin oletusten ja parametrien sopimattomuudesta paikallisiin olosuhteisiin sekä puutteellisesta mallin testauksesta ja mallilla saatavien tulosten dokumentoinnista (Merritt ym. 2003). Yleinen virhe mallintamisessa on liian monimutkaisen mallin käyttö yksinkertaisen ongelman ratkaisuun, jolloin huonojen lähtötietojen takia ei välttämättä mallinneta lainkaan sitä ilmiötä, jota alun perin oli tarkoitus. 49

50 5 Aineisto ja menetelmät 5.1 RiverLifeGIS ojaeroosioriskin arviointityökalu RiverLifeGIS (RLGIS) on paikkatietotyökalu, joka kuuluu osaksi RiverLifeDSS - päätöksenteon tukijärjestelmää (Lauri & Virtanen 2002). RLGIS on kehitetty alun perin vuosina toteutetussa RiverLife -projektissa, jonka jälkeen sen kehitystyötä on jatkettu useissa eri yhteyksissä (Ulvi ym. 2007). RiverLifeGIS hyödyntää karttapohjaista käyttöliittymää, jolla voidaan käsitellä vektori- ja rasterimuotoisia paikkatietoaineistoja sekä tuottaa tietoa mm. valuma-alueen hydrologiasta, maankäytöstä ja veden laadusta. RiverLifeGIS voidaan vapaasti ladata Internetistä omalle työasemalle, jonka jälkeen paikkatietotyökalu toimii itsenäisenä sovelluksena. RiverLifeGIS -ohjelmisto ja sen käyttäjäopas ovat saatavilla Watersketch -projektin Internet-sivuilta ( RLGIS:n käyttömahdollisuuksia vesiensuojelun työkaluna ovat esitelleet esim. Rintala ym. (2006) ja Alahuhta ym. (2007). Leinonen (2009) on kehittänyt RLGIS -työkalun pohjalle uomaeroosioriskin arviointiin tarkoitetun sovelluksen, jossa valuma-alueen uomille voidaan johtaa paikkatietoaineistoja hyödyntäen kuvaus eroosioalttiudesta. Mallin ohjelmoinnista ja sovittamisesta RiverLifeGIS -paikkatietotyökaluun on vastannut Hannu Lauri Suomen Ympäristövaikutusten Arviointikeskus Oy:stä. Tästä eteenpäin puhuttaessa RLGIS - mallista, tarkoitetaan ainoastaan uomaeroosioriskin arviointiin tarkoitettua RiverLifeGIS -paikkatietotyökalun ominaisuutta. Leinonen (2009) on esittänyt opinnäytetyössään laajasti RLGIS -mallin laskentaperiaatteita sekä tulosten hyödyntämismahdollisuuksia kunnostusojitusten näkökulmasta. RLGIS:n uomaeroosioriskin arviointiin kehitetty malli on deterministinen, alueellisesti hajautettu hydraulinen malli. Mallitulosta voidaan hyödyntää joko tarkastelemalla erikseen erilaisia uomaverkkoon sidottuja mallin laskemia muuttujia tai suoraan niistä johdettua eroosioriskiarviota. Eroosioriskiarvio perustuu laskennalliseen virtausnopeuteen uomassa ja tarkastelupisteen yläpuolisen valuma-alueen pinta-alaan, joten RLGIS ei varsinaisesti ota huomioon kiintoaineen kulkeutumis- ja sedimentoitumisprosesseja. Eroosioalttiuden muodostamisessa perustana ovat eri 50

51 maalajeille esitetyt kriittiset virtausnopeudet, joiden ylittyessä eroosiota alkaa teoreettisesti tapahtua (Leinonen 2009). RLGIS:n uomaeroosioriskin arviointityökalu on suunniteltu erityisesti palvelemaan kunnostusojitusten suunnittelua siten, että mallilla ennustettavien eroosioalttiiden ojaston osien perkaamista voidaan välttää. RLGIS mallin ajamiseksi käyttäjän tulee luoda mallin vaatimat lähtöaineistot tarkoitukseen sopivalla paikkatieto-ohjelmalla. Leinonen (2009) on laatinut ESRI:n ArcGIS ModelBuilder -sovelluksen avulla lähtöaineistojen muokkaamista ja yhdistämistä helpottavan mallin, johon on yhdistetty ArcGIS:n Topo to Raster -interpolointimenetelmän avulla suoritettava korkeusmallin luominen Maanmittauslaitoksen vektorimuotoisesta korkeuskäyräaineistosta Mallin vaatimat lähtöaineistot RLGIS -malli tarvitsee lähtöaineistoksi TIF 16-bit tai TIF float muotoisen korkeusmallin (10 x 10 m rasteri) sekä vektorimuotoiset (ESRI-shapefile) oja- ja jokiviivat, järvien rantaviivat sekä valuma-alueen reunaviivan (Lauri 2008). Uomia kuvaavilla viivoilla sekä vesialueilla tulee olla määritettynä tyyppi ja syvyys attribuutit, jotka määrittävät RLGIS laskentavaiheessa käytettävät uoman dimensiot sekä korkeusmallin kaiverrussyvyyden. Lähtöaineistot leikataan valuma-alueen reunaviivan avulla (Lauri 2008). Leinosen (2009) laatiman geoprosessointityökalun avulla toteutettuna lähtöaineistoissa otetaan vesiviivoina huomioon jokien ja ojien lisäksi myös pääteiden tienvarsiojat sekä pelto- ja puutarha-alueiden reunoille oletetut ojat. Yli 5 m leveät virtavedet (joet) luetaan kuuluviksi järvien kanssa samaan vesialueita kuvaavaan tasoon. Lähtöaineistojen attribuuttitauluihin tyyppi - ja syvyys -sarakkeiden arvot luodaan automaattisesti Maanmittauslaitoksen Maastotietokannan karttakohteiden luokitteluun perustuen. Valuma-aluerajausta lukuun ottamatta kaikki RLGIS laskennassa tarvittavat paikkatietoaineistot mukaan lukien korkeusmallin muodostamisen pohjana käytettävät korkeuskäyrät saadaan irrotettua Maanmittauslaitoksen vektorimuotoisesta Maastotietokannasta. RLGIS:n tarvitsema korkeusmalli luodaan Leinosen (2009) esittämässä toimintamallissa ArcGIS -ohjelmistoon kuuluvan Topo to Raster -funktion avulla. 51

52 Korkeusmalli perustuu Australian kansallisessa yliopistossa kehitettyyn ANUDEM - ohjelmaan (ArcGIS Desktop Help 9.3). ANUDEM (Australian National University DEM) -ohjelman kehityksessä on erityisesti pyritty luomaan hydrologisesti mahdollisimman todenmukainen korkeusmalli. Korkeusmallin luonnissa keskeisenä elementtinä on ns. drainage enforcement -algoritmi, jonka avulla interpoloitavasta korkeusmallista poistetaan aineistoon selvästi kuulumattomat (määrittelemättömät) kuopat ja painanteet (Hutchinson 1989, 2009). Topo to Raster -funktiolla pyritään luomaan ANUDEM -ohjelman periaatteita noudattaen yhtenäinen virtausverkko, jossa valuma-alueen uomat ja harjanteet saadaan kuvattua tarkasti. Korkeusmallin interpolointi korkeuskäyristä etenee iteratiivisesti karkeammasta hilakoosta tiheämpään siten, että ensin luodaan virtauksen pääreitit ja edetään kohti käyttäjän määrittämää hilakokoa ja yksittäisille soluille interpoloitavia korkeusarvoja (ArcGIS Desktop Help 9.3). RLGIS laskentaa varten interpoloitavan korkeusmallin hilakooksi asetetaan oletusarvoisesti 10 m (Leinonen 2009) RLGIS laskentamenetelmät ja eroosioriskin muodostaminen RLGIS laskennan lähtötilanteessa mallin ajamista varten tulee määrittää käytettävä korkeusmalli, veden virtausreittejä kuvaavat viivat (ojat), vesialueet (järvet) sekä valuma-alueen raja. Lähtöaineistot syötetään ohjelmaan laskentadialogin kautta, jossa käyttäjä voi samalla muuttaa laskennassa käytettäviä oletusarvoja (Lauri 2008). RLGIS -mallilla kuvataan tasapainotilan mukaista, paikan suhteen muuttuvaa virtaustilannetta. Tasapainotilan oletuksen mukaisesti uomaverkostoon tuleva ja sieltä lähtevä vesimäärä on sama, ja virtausnopeus ja vesisyvyys pysyvät ajan suhteen muuttumattomina. Malli vaatii lähtötietona keskiylivaluman MHq [l/s/km 2 ] arvon, joka jaetaan tasaisesti koko valuma-alueen pinta-alalle. RLGIS -mallin ajamiseen tarvittavat parametrit on mallissa asetettu oletusarvoiksi, mutta käyttäjä voi myös muuttaa niitä tarvittaessa. RLGIS laskennan ensimmäisessä vaiheessa ArcGIS:ssä muodostettuun korkeusmalliin kaiverretaan veden virtausreittejä sekä vesialueita kuvaavat tasot (stream burning). Kaiverrussyvyys määräytyy oletuksena geoprosessointivaiheessa attribuuttitauluun lisätyn syvyys -sarakkeen arvojen perusteella, mutta vaihtoehtoisesti voidaan käyttää myös käyttäjän määrittämää kiinteää kaiverrussyvyyden arvoa. Korkeusmallin kaiverruksessa uomien ja vesialueiden alle jäävien korkeusmallin pikseleiden arvoa 52

53 alennetaan ja pyritään näin saamaan laskettava virtausverkko paremmin yhteneväksi uomaviivaston kanssa (Lauri 2008). Kaiverrusmenetelmistä tarkemmin on raportoinut esim. Saunders (1999) ja korkeusmallin muokkaamisen vaikutuksista myöhempiin analyyseihin esim. Callow ym. (2007). Korkeusmallin modifioinnin jälkeen ohjelma laskee veden virtausreitit siten, että purkupisteeksi asetetaan valuma-alueen reunan alin piste tai käyttäjän erikseen määrittämä purkupiste (Lauri 2008). Virtaussuunnat määritetään kaiverretun korkeusmallin mukaan siten, että yksittäisestä pikselistä virtaussuunta asetetaan kohti alinta ympärillä olevaa pikseliä. Kyseistä virtaussuuntien määritysmenetelmästä käytetään myös nimitystä D8 -algoritmi (O Callaghan & Mark 1984). RLGIS laskennan tapauksissa, joissa kaikki tarkasteltavaa pikseliä ympäröivät arvot ovat suurempia tai alimpia arvoja on useita, virtaussuuntaa haetaan kauemmista pikseleistä kunnes yksittäinen alempi arvo löytyy (Leinonen 2009). Virtaussuuntien määritysmenetelmällä saadaan muodostettua yhtenäinen virtausverkko, jossa kaikki valuma-alueen vedet kerääntyvät samaan pisteeseen. Korkeusmallin kaivertamisesta johtuen virtaussuunnat uomissa noudattavat todennäköisimmin uomamaskin alta alennettujen solujen kulkureittejä. Virtaussuuntien määrittämisen yhteydessä RLGIS laskee kaikille valuma-alueen pikseleille virtausvektoreiden kerääntymistä kuvaavan arvon, joka ilmoittaa kuinka monesta yläpuolisesta pikselistä vesi tarkastelukohtaan virtaa. Tarkastelupisteen yläpuolisten pikseleiden lukumäärän ja pikselikoon (esim. 10 x 10 m gridillä 100 m 2 ) tulona saadaan laskettua yläpuolisen valuma-alueen pinta-ala. Virtaama lasketaan edelleen yläpuolisen valuma-alueen pinta-alan ja lähtöarvona syötetyn mitoittavan keskiylivaluman tulona. Esimerkiksi oletusarvona käytettävä valuma 100 l/s/km 2 aiheuttaa 30 ha valuma-alueelta virtaaman 30 l/s. RLGIS:ssä kaltevuudet lasketaan valuma-alueelle muodostetun virtaussuunta-aineiston mukaisesti tarkastelupisteen ja virtaussuunnassa seuraavan pisteen korkeusarvojen ja pikseleiden keskipisteiden etäisyyden avulla. Kaltevuuden laskennassa oletetaan, että vesi ei voi virrata ylämäkeen. Tämän vuoksi virtaussuunnassa esiintyvät nousut ohitetaan asettamalla pikseleiden kaltevuusarvot nolliksi. Kaltevuuksien laskennassa käytetään alkuperäistä kaivertamatonta korkeusmallia, jotta vältytään uomiin ja 53

54 vesialueisiin rajoittuvien pikseleiden poikkeavan suurilta kaltevuusarvoilta (Leinonen 2009). Virtausnopeudet lasketaan RLGIS:ssä käyttäen tasaisen virtauksen perusyhtälöitä. Virtausnopeus oletetaan olevan tasaisesti jakautunut uoman poikkileikkauksen pintaalalle, jolloin virtausnopeus voidaan laskea yhtälön (26) avulla: Q v (26) A missä v on keskimääräinen virtausnopeus [m/s] Q on virtaama [m 3 /s] A on uoman poikkileikkauksen pinta-ala [m 2 ] Virtausnopeuteen vaikuttavat paikalliset tekijät otetaan laskennassa huomioon käyttäen Manningin kaavaa (8). Virtausnopeuden laskennassa käytettävä uoman poikkileikkausprofiili on esitetty kuvassa 7. Luiskan kaltevuuden oletusarvona on 1/0,7, sarkaojien pohjan leveytenä 0,25 m ja suurempien valtaojien pohjan leveytenä 0,50 m. Käyttäjä voi ennen mallin ajoa muuttaa pohjan leveyttä ja luiskan kaltevuutta vapaasti. 1/0,7 0,25 m/0,50 m Kuva 7. RLGIS laskennassa käytettävä uoman poikkileikkausprofiili. Vesisyvyys uomassa voi nousta kuvan 7 mukaisessa poikkileikkauksessa vapaasti, mutta tulvimistilannetta ei voi laskennallisesti syntyä. Virtausnopeuden laskennassa etsitään iteroimalla vesisyvyyden arvoa, jolla yhtälöiden (8) ja (26) mukaan lasketut virtausnopeudet ovat samat. Laskennassa tarvittava virtaama ja pohjan kaltevuus saadaan aiemmista RLGIS laskentavaiheista ja Manningin karkeuskertoimen arvot luetaan sarkaojille ja suurille valtaojille käyttäjän asettamista arvoista. Määrätystä 54

55 poikkileikkausprofiilista johtuen uoman vesisyvyys jää ainoaksi yhtälöihin (8) ja (26) vaikuttavaksi muuttujaksi. Näin ollen malli laskee vesisyvyyttä asteittain kasvattamalla virtausnopeuksia yhtälöiden (8) ja (26) avulla ja tulostaa tarkastelupisteen virtausnopeudeksi ja vesisyvyydeksi arvot, joilla virtausnopeus on yhtälöstä riippumatta sama. RLGIS laskennan tuloksen esittämistä varten lähtötiedoissa määritetty vektorimuotoinen uomaverkosto jaetaan 10 metrin segmentteihin. Ojasegmenteille tulostetaan laskennassa saadut muuttujat rasteriaineistojen lähimmistä laskentasoluista. Tulostiedostossa esitetään virtausnopeus, vesisyvyys, kaltevuus, yläpuolisen valumaalueen pinta-ala, virtaussuunta sekä eroosioriskiluokka. Tulosten visualisointi ja luokittelu voidaan suorittaa sopivan paikkatieto-ohjelman avulla. Tarkasteluyksikön eroosioalttiusluokka muodostetaan lasketun virtausnopeuden ja yläpuolisen valumaalueen pinta-alan avulla taulukon 3 mukaisesti. Taulukko 3. Eroosioalttiuden muodostaminen valuma-alueen pinta-alan ja virtausnopeuden perusteella (muokattu Leinonen 2009). Alttiuden suuruus Virtausnopeus [cm/s] Valuma-alue [ha] Ei eroosioalttiutta < 20 ei huomioida ei huomioida < 1 Kohtalainen alttius > > 40 Suuri alttius > > Tutkimusalueet Tutkimusalueiden valinnassa tavoitteena oli löytää ojitusalueita, joissa eroosiota esiintyy vaihtelevasti. Mallituloksen eroosioalttiusluokkien vertailu ojitusalueella tapahtuneeseen eroosioon edellyttää, että alueella on selkeästi havaittavissa erodoituneita ojia sekä ojia, joissa eroosiota ei ole tapahtunut. Tutkimusalueita valittaessa kiinnitettiin huomiota muun muassa ojaverkon rakenteeseen, kunnostusojituksen ajankohtaan, maanpinnan topografiaan ja alueen maaperätietoihin. Ojitusalueen ominaisuuksien lisäksi tutkimusalueiden valinnassa hyödynnettiin mallilla 55

56 tuotettua eroosioriskiarvioita. Valintakriteerinä pidettiin tutkimusalueelle ajetussa mallituloksessa sitä, että mallinnettavalla alueella esiintyi riittävästi vaihtelua käytettävien eroosioalttiusluokkien välillä. Tutkimusalueiden valintakriteereistä johtuen valitut alueet ovat oletusarvoisesti eroosioherkkiä, eivätkä ne välttämättä edusta tyypillistä mallin loppukäyttäjän RLGIS:llä kuvaamaa valuma-aluetta Isokorpi; Kostonjärven valuma-alue Isokorven tutkimusalue sijaitsee Taivalkoskella, Kostonjärven lähivaluma-alueen länsireunalla n. 4 kilometrin päässä Kostonjärvestä. Kostonjärvi kuuluu Iijoen päävesistöalueeseen ja sen vesistöaluetunnus on Isokorven ojitusalueelta vedet laskevat Kostonjärveen Vantunlamminojaa pitkin. Ojitusalue on laajuudeltaan n. 80 ha ja sarkaleveytenä ojituksessa on käytetty pääasiassa n. 30 ja 50 metriä (Maanmittauslaitos, Maastotietokanta 2007). Ojia alueelle on kaivettu n. 13 km. Isokorven alueella uudisojitus on tehty vuonna 1962 ja osa alueen ojista on myöhemmin kunnostusojitettu vuonna Kunnostusojituksen yhteydessä 1993 on ojien perkauksen lisäksi tehty myös täydennysojitusta. Alue on metsälannoitettu vuonna Isokorven alueen uudisojitus ja kunnostusojitus on toteutettu kaivinkoneella (Työmaakohtainen toimenpidesuunnitelma 1993, Parviainen 2009, haastattelu). Tutkimusalueella on rinnakkain sekä perattuja että perkaamattomia, umpeenkasvaneita ojia. Karttakuva tutkimusalueesta on esitetty kuvassa 8. 56

57 Kuva 8. Isokorven tutkimusalue (Peruskartta, Maanmittauslaitos 2007, Yleiskartta, Maanmittauslaitos 2009, Korkeusvyöhykekartta Maanmittauslaitos, valumaaluerajaus Oiva ympäristö ja paikkatietopalvelu). Isokorven alueella metsätyyppi ja maaperän rakenne ovat vaihtelevia. Tässä työssä tehtyjen määritysten mukaan turvekerroksen paksuus alueella on keskimäärin 40 cm vaihteluvälin ollessa cm. Turvekerroksen alapuolinen kivennäismaa on alueella pääosin hiekkamoreenia (HkMr) ja silttistä hiekkamoreenia (sihkmr). Valtaosa alueen peratuista ojista ulottuu turvekerroksen alapuoliseen kivennäismaahan asti. Isokorven tutkimusalue ja sen lähialueet ovat topografialtaan vaihtelevia. Tutkimusalueella maanpinnan korkeudet vaihtelevat n. 270 metristä 300 metriin meren pinnan yläpuolella (Maanmittauslaitos, Maastotietokanta 2007). Tutkimusalue sijaitsee Siiranvaaran (345 m mpy) kaakkoisrinteellä, ja merkittävä osa ojista on kaivettu lähes pääkaltevuuden suuntaisesti. RLGIS laskennan yhteydessä muodostetun korkeusmallin mukaisesti Isokorven alueella ojakaltevuuksien keskiarvo on n. 3,1 % ja maksimiarvo 10,9 %. Tutkimusaluetta lähinnä oleva Ilmatieteenlaitoksen ylläpitämä säähavaintoasema sijaitsee n. 22 km päässä Taivalkosken kirkonkylällä. Havaintoasemalla vuosina mitatun aineiston perusteella vuotuinen sadanta on alueella ollut keskimäärin 695 mm ja vuoden keskilämpötila 0,2 C. Havaintojaksolla keskimäärin suurimmat kuukausittaiset lumen syvyydet 79 cm on mitattu maaliskuussa (Drebs ym. 2002). Pysyvän lumen tulo ajoittuu alueella keskimäärin marraskuun alkuun ja pysyvä lumi säilyy toukokuun puoliväliin saakka (Ilmatieteen laitos 2006). 57

58 Kostonjärven lounaispuolella, järven purkupisteessä olevan jatkuvan virtaamamittauksen perusteella kunnostusojituksen jälkeen vuosina keskiylivirtaama on ollut n. 30 m 3 /s, joten koko 1229 km 2 valuma-alueelle tästä jaettu keskiylivaluma on 24.4 l/s/km 2 (OIVA ympäristö- ja paikkatietopalvelu ). Vuosien aikajaksolla keskiylivirtaama on ollut 42,7 m 3 /s, josta johdettuna keskiylivaluma on 34,7 l/s/km 2 (Ekholm 2007). Kaiteran (1949) nomogrammilla määritetty keskiylivaluma Kostonjärven valuma-alueelle on n. 45 l/s/km 2 (ks. Hyvärinen & Puupponen 1986). Suomen Ympäristökeskuksen pienten valuma-alueiden hydrologiseen tutkimusverkkoon kuuluvalla Kuusamon Vääräjoen 19,3 km 2 järvettömällä valuma-alueella virtaamaa on mitattu vuodesta 1958 vuoteen lähtien. Keskiylivalumaksi tälle alueelle saadaan aikasarjalle piirretystä kuvaajasta arvioituna likimain 180 l/s/km 2 (OIVA ympäristö- ja paikkatietopalvelu ). Vääräjoen valuma-alueella ojituksen osuus on 2 % ja turvemaan osuus 34 % valumaalueen pinta-alasta (Saukkonen & Kortelainen 1995). Kostonjärven valuma-alueelle ajetun RLGIS mallituloksen mukaan suurimmissa valtaojissa valuma-alueen pinta-alat ovat n. 1,5-15 km Rauhala; Surnuinjoen valuma-alue Rauhalan tutkimusalue sijaitsee noin 11 km päässä Pieksämäen keskustasta pohjoiseen. Alue on osa Surnuinjoen valuma-aluetta, jonka SYKE:n 3. jakovaiheen valumaaluetunnus on Tutkimusalueen ojat purkavat vetensä n. 1 km päässä lännessä sijaitsevaan Kirkko-Surnuin järveen, josta vedet laskevat edelleen Surnuinjokea pitkin Pieksäjärveen. Uudisojitus Rauhalan tutkimusalueella on tehty vuonna 1963 ja kunnostusojitus vuonna Kunnostusojituksessa vuonna 2006 alueen ojaverkkoa ja veden virtausreittejä on muutettu kaivukatkojen ja ojien yhdistämisen avulla, jonka lisäksi Suonenjoentien alittavien tierumpujen eteen on rakennettu laskeutusaltaat. Karttakuva tutkimusalueesta on esitetty kuvassa 9. 58

59 Kuva 9. Rauhalan tutkimusalue (Peruskartta, Maanmittauslaitos 2007, Yleiskartta, Maanmittauslaitos 2009, Korkeusvyöhykekartta Maanmittauslaitos, valuma-alue OIVA ympäristö- ja paikkatietopalvelu). Rauhalan ojitusalue on suuruudeltaan n. 50 ha ja sarkaleveydet vaihteleva n. 65 m 80 m välillä. Maanpinnankorkeudet tutkimusalueella vaihtelevat 122,5 m ja 132,5 m välillä merenpinnasta (Maanmittauslaitos, Maastotietokanta 2007). Korkeuskäyristä interpoloidun korkeusmallin ja edelleen RLGis:ssä 10 m ojasegmenteille osoitettujen kaltevuuksien keskiarvoksi tutkimusalueella saadaan n. 0,9 %, maksimikaltevuuden ollessa yksittäisessä pisteessä 6,8 %. Isokorven tutkimusalueeseen verrattuna maanpinnan korkeusvaihtelut ovat huomattavasti pienempiä, vaikkakin muutamissa kohdissa myös Rauhalassa pituuskaltevuudet ovat suuria. Tutkimusalueella sarkaojat on kaivettu pääasiassa korkeuskäyrien suuntaa mukaillen, jolloin suurimmat kaltevuudet muodostuvat alueen keskiosan laskuojiin. Suurin osa tutkimusalueesta on yhtenäisen moreenimuodostuman alueella (Geologian tutkimuskeskus (GTK), Maaperäkartta 1:20 000, 2008). Tutkimusalueen lounaisosassa n. 2,5 ha alue on luokiteltu karkeaksi hiedaksi ja kaakossa n. 2 ha alue rahkaturpeeksi. Geologian tutkimuskeskuksen maaperäaineisto Rauhalan alueelle on esitetty kuvassa

60 Kuva 10. Rauhalan tutkimusojitusalueen 1: maaperäaineisto ( Geologian tutkimuskeskus 2007, pohjakarttana Peruskartta, Maanmittauslaitos 2007). Tässä tutkimuksessa tehtyjen määritysten perusteella alueen turvekerroksen paksuus vaihtelee 0 ja 110 cm välillä keskiarvon ollessa 29,5 cm ja keskihajonnan 28,4 cm. Mittauspisteitä, joissa mitattu turvekerroksen paksuus oli alle 20 cm (mukaan lukien karikekerros), oli havaintoaineistosta 39 %. Turvekerroksen alapuolinen kivennäismaa Rauhalan alueella on hiekkamoreenia tai silttistä hiekkamoreenia (Si 30 %). Alueen ojat ovat, samoin kuin Isokorven tutkimusalueella, kaivettu lähes poikkeuksetta kivennäismaahan asti. Tutkimusaluetta lähimmällä Rautalammen Rastun sääasemalla kerättyjen tietojen mukaan keskimääräinen vuosisadanta alueella on 647 mm ja vuoden keskilämpötila 2,8 C. Havaintojaksolla lumisyvyys on maaliskuun puolivälissä ollut keskimäärin 50 cm (Drebs ym. 2002). Rautalammen sääasema sijaitsee tutkimusalueelta n. 40 km päässä luoteessa. Tutkimusaluetta lähin haihdunta-asema on Mikkelin Maalaiskunnassa (61 40N, 27 13E). Vuosina haihdunta on toukokuusta alusta syyskuun loppuun tehdyissä mittauksissa ollut keskimäärin 412 mm (Järvinen 2007). Kaiteran (1949) nomogrammista määritettynä Surnuinjoen 3. jakovaiheen valumaalueen (41 km 2, järvisyys n. 6 %) keskiylivalunnaksi saadaan n. 100 l/s/km 2 (ks. Hyvärinen & Puupponen 1986). RLGIS tuloksen perusteella Surnuinjoen valumaalueella yksittäisissä valtaojissa suurimmat valuma-alueet ovat pinta-alaltaan 60

61 suuruusluokkaa 1,5-3 km 2. Vertailukohtana voidaan käyttää Suomen Ympäristökeskuksen pieniltä valuma-alueilta keräämään tarkkaan virtaamamittaukseen perustuvaa valuma-aineistoa. Mikkelin Juonistonojan 12,96 km 2 järvettömän valumaalueen vuosilta mitatun aikasarjan perusteella keskiylivalumaksi saadaan n. 138 l/s/km 2 (OIVA -ympäristö- ja paikkatietopalvelu ). Juonistonojan ja Rauhalan tutkimusalueen välinen etäisyys on n. 50 km. Alueiden vuosisadannat ja keskilämpötilat ovat koko Suomen alueelle laadittujen vyöhykekarttojen perusteella samaa suuruusluokkaa (Drebs ym. 2002). 5.3 Tutkimusalueilta kerätty aineisto ja mittausmenetelmät Aineiston keräämisen tavoitteena oli kuvata paikkaan sidotusti ojitusalueilla tapahtunutta eroosiota ja kiintoaineen kulkeutumista sekä kerätä tietoa eroosioon vaikuttavista tekijöistä. Tutkimusalueilta kerätyn kvantitatiivisen ja kvalitatiivisen aineiston perusteella saatua arviota tapahtuneesta eroosiosta verrattiin mallin tuottamiin laskennallisiin eroosioalttiutta kuvaaviin valuma-alueen ominaisuuksiin. Maastossa havaitun ja mitatun aineiston ja laskennallisen mallituloksen vertailun perusoletuksena on ollut se, että ojitusalueella mittaushetkellä havaitut erodoituneet kohdat ovat eroosion kannalta olleet riskialttiita. Vastaavasti sedimentoitumiskohdat ja lähes kaivun jälkeisessä tilassa säilyneet ojaston osat eivät ole eroosioherkkiä. Toisin sanoen eroosioriskiä on ollut kunnostusojituksen jälkeen vain niissä kohdissa, joissa riski on ennen tutkimushetkeä realisoitunut. Isokorven ja Rauhalan tutkimusalueilla maastomittaukset suoritettiin ennalta laaditun mittaussuunnitelman mukaisesti kesän 2009 aikana. Taivalkoskelta aineisto kerättiin ja ja Pieksämäeltä 21.8 ja 3.9. Maastoinventoinneissa mitattavien muuttujien valinnassa käytettiin apuna Silverin ja Joensuun (2005) ojien kunnostusojituksen jälkeisen kunnon kartoittamisessa käyttämää menetelmää. Vastaavantyyppisiä muuttujia on Suomessa oja/puro -mittakaavassa mitattu myös mm. Iijoen valuma-alueella toteutetuissa puroinventoinneissa (Hyvönen ym. 2005) sekä Etelä-Savon Metsäkeskuksen alueella ojitusalueiden vesiensuojelun toimivuutta arvioivissa maastokartoituksissa (Leinonen 2006). 61

62 Isokorven ja Rauhalan tutkimusalueilta mitatut ja havainnoidut muuttujat on esitetty taulukossa 4. Rauhalan alueella kaikki ja Isokorven alueelta n. puolet mittauspisteistä on taulukossa 4 esitettyjen tarkastelujen lisäksi valokuvattu. Maastoinventointilomakkeelle kirjattiin vapaamuotoisesti myös muita havaintoja, joita olivat esimerkiksi uomaprofiilin epäsymmetrisyys, paikalliset patoavat elementit, vedenjakajat, perkaamattomat ojat jne. Taulukko 4. Tutkimusalueilta kerätty aineisto. Tarkasteltava muuttuja Mittausmenetelmä koordinaatit Garmin colorado-300 gps uoman leveys päältä [cm] rullamitta uoman leveys puolivälistä [cm] rullamitta uoman leveys pohjalta [cm] rullamitta uoman syvyys [cm] rullamitta lietesyvyys [cm] pistokaira vesisyvyys [cm] rullamitta virtausnopeus [m/s] (vain Isokorpi) siivikko virtaussuunta havainnointi/kartat turpeen paksuus [cm] pistokaira/rassi turpeen maatuneisuus [van Post] van Postin menetelmä maalajite pohja havainnointi/laboratorio maalajite reuna havainnointi/laboratorio kasvipeitteisyys pohja [%] havainnointi kasvipeitteisyys luiskat [%] havainnointi kasvilajit havainnointi pohjan syöpyminen/kasaantuminen luokittelu luiskan syöpyminen luokittelu Mittaussuunnitelman mukaiset tiedot kerättiin Isokorven tutkimusalueelta 112 mittauspisteestä ja Rauhalan alueelta 66 pisteestä. Näiden lisäksi Isokorven maastomittausten yhteydessä suoritettiin uoman dimensiomittauksen hajontamittaus (ks. kpl. 5.6) ja Rauhalassa vaaittiin laskuojan pituuskaltevuus n. 800 m matkalta. Mittaukset pyrittiin suorittamaan tutkimusalueilla siten, että tietyn ominaisuuden mittaajaa ei mittauspisteiden välillä vaihdettu. Näin pyrittiin eri kohdista ojastoa kerätyn aineiston keskinäisen vertailukelpoisuuden parantamiseen ja mitattavan suureen tulkinnanvaraisuudesta aiheutuvan virheen minimoimiseen. Kuvassa 11 on esitetty mittauspisteiden sijoittuminen tutkimusalueille. 62

63 a) b) Kuva 11. Mittauspisteiden sijoittuminen a) Isokorven ja b) Rauhalan tutkimusalueella (pohjakarttana Peruskartta, Maanmittauslaitos 2007). Maastomittaukset toteutettiin laskuojien osalta käyttäen n. 30 metrin välein toistuvaa systemaattista otantaa. Sarkaojissa mittauspisteet valittiin satunnaisemmin ja mittaustiheys oli hieman pienempi. Sarkaojien ja laskuojien risteyskohtiin jätettiin sarkaojassa n. 20 m välimatka johtuen RLGIS -mallituloksessa havaitusta systemaattisesta virheestä. Virheestä johtuen malli poimii risteystä lähimmän sarkaojan ojasegmentin tiedot tulostiedostoon virheellisesti laskuojan kohdalta. Aineiston alueellisen kattavuuden parantamiseksi muutamissa sarkaojissa mittauspisteiden väliä kasvatettiin n metriin. Tutkimusalueilla maastomittaukset keskitettiin ojiin, joissa veden havaittiin virranneen kunnostusojituksen jälkeisessä virtaustilanteessa. Perkaamattomat ja umpeen kasvaneet ojat merkittiin kartoille, mutta varsinaista mittausdataa niistä kerättiin vain yksittäisistä pisteistä Uoman dimensiot Uoman poikkileikkausprofiilin ja siinä esiintyvien muutosten määrittämiseksi tarkastelupisteissä mitattiin ojan syvyys sekä leveydet pohjalta, puolivälistä ja pinnalta. Rauhalan tutkimusalueella uoman poikkileikkauksen määrittämiseen otettiin mukaan lisäksi kaivinkoneen telan aiheuttama painuma ojan molemmilta sivuilta. Uoman syvyysmittaus toteutettiin asettamalla ojan poikki maan pinnan tasoa kuvaava taipumaton rima. Uoman pohjan leveydellä tarkoitetaan pohjan vaakasuoran osan leveyttä, jota kaivinkoneella vastakaivetussa ojassa vastaa ojakauhan kynsien leveys. Sedimentoitumiskohdissa pohjan leveys mitattiin sedimenttikerroksen päältä. Havainnekuva uoman dimensiomittauksesta on esitetty kuvassa

64 a) b) Kuva 12. Havainnekuva uoman dimensioiden mittauksesta (kuva a Antti Leinonen, muokattu). Uoman poikkileikkauksesta saatavaa tietoa käytettiin kuvaamaan tapahtunutta eroosiota. Samaan aikaan kaivettujen ojien keskinäisessä vertailussa oletuksena oli, että kaivunjälkeiset uoman mitat ovat ojaston eri osissa olleet likimain samat. Poikkileikkauspinta-alan kasvu suhteessa saman alueen muihin ojiin oletettiin olevan seurausta uoman syöpymisestä. Tutkittavilla valuma-alueiden osilla lähtökohtaisesti huomattavasti muita ojia suuremmiksi kaivettuja kokooja- tai valtaojia ei ollut, joten dimensioita vertailtiin keskenään tasavertaisina. Uoman kunnostusojituksen jälkeisen poikkileikkausprofiilin tarkan arvioimisen vaikeudesta johtuen aineiston käsittelyvaiheessa pitäydyttiin pääasiassa dimensioiden keskinäisessä vertailussa. Laskennallisessa tarkastelussa ojan poikkileikkauksen pinta-ala määritettiin mittausaineistosta käyttäen yhtälöä (27). Käytettävä uomaprofiili muodostui kahdesta puolisuunnikkaasta. Muotokauhalla kaivetun ojan luiskat ovat muodoltaan hieman pyöreät, mutta tästä aiheutuvan pinta-alan aliarvion ei katsottu mittaustarkkuudesta johtuen olevan merkittävä. missä Lpo Lpv h Lpv Lp h A oja (27) L po on ojan pohjan leveys [m] L pv on ojan puolivälin leveys [m] L p on ojan päällyleves [m] h on ojan syvyys [m] 64

65 5.3.2 Maaperän ominaisuudet Maaperän ominaisuuksia tarkasteltiin mittauspisteissä eroosiota selittävinä tekijöinä. Tarkastelun kohteena olivat uoman pohjan ja seinämien maalajitteet, turvekerroksen paksuus ja maatuneisuus sekä kasvipeitteisyys. Ojan pohjan maalajitteella tarkoitetaan tässä yhteydessä pohjalla olevaa pinninmaista maakerrosta, jolloin tarkasteltava maalajite voi kuvata joko kaivusyvyydessä yleisesti vallitsevaa maalajia, mittauspaikalla lajittunutta tai paikalle sedimentoitunutta kiintoainesta tai orgaanista ainesta. Seinämän maalajite kuvaa mittauskohdan vallitsevaa, turvekerroksen alapuolella olevaa maalajia. Maalajitteita ei arvioitu paksuturpeisilla alueilla, joissa ojaa ei ollut kaivettu kivennäismaahan asti. Ojan pohjalle laskeutuneen aineksen sekä ojan pohjan ja seinämien maalajitteita arvioitiin maastossa karkeasti geoteknisen maalajiluokituksen (Korhonen ym. 1974) pää- ja alalajitteiden mukaisesti siten, että mittauspisteistä määritettiin vallitsevin ja toiseksi vallitsevin maalajite. Tämän lisäksi selkeistä maalajin muutoskohdista ja muutoin tutkittavan ilmiön kannalta mielenkiintoisista kohdista otettiin maanäytteitä, jotka analysoitiin myöhemmin laboratoriossa. Kivennäismaasta otetuista maanäytteistä analysoitiin laboratoriossa raekokojakaumat. Raekokojakaumien selvittämiseksi suoritettiin pesuseulotuille näytteille (d 0,063 mm) kuivaseulonnat käyttäen seulasarjaa 0,063 mm, 0,125 mm, 0,250 mm, 0,50 mm, 1,0 m, 2,0 mm, 4,0 mm, 8,0 mm, 16 mm, 32 mm ja 64 mm. Näytteen sisältämän hienoaineksen raekokojakauma (d < 0,063 mm) analysoitiin areometrikokeella niissä tapauksissa, joissa hienoainespitoisuus näytteessä ylitti 10 prosenttia. Tarkemmin kuivaseulonnan, pesuseulonnan ja areometrikokeen menetelmät on esitetty esimerkiksi teoksessa Rantamäki ym. (1984). Rakeisuuskäyristä määritettiin maanäytteiden eri raekokojen suhteellisia massaosuuksia koko näytteestä (d 10, d 50 ja d 90 ) sekä laskettiin lajittuneisuutta kuvaava tunnusluku lj d / d Erittäin hyvin lajittuneilla maaaineksilla lj < 1,20, hyvin lajittuneilla lj = 1,20 1,49, kohtalaisesti lajittuneilla lj = 1,50 2,50 ja huonosti lajittuneilla lj > 2,50 (Trask 1932, Petäjä-Ronkainen ym. 1995). Turvekerroksen paksuus arvioitiin pistokairan avulla muutaman metrin päästä ojan sivusta siten, että välittömästi ojan viereen kasatut kaivumaat eivät vääristäneet 65

66 mittausta. Turpeen maatuneisuusaste määritettiin käyttäen von Postin menetelmää (Hobbs 1986). Maanpinnan kasvillisuutta tarkasteltiin mittauspisteissä ojan pohjan ja luiskien osalta. Kasvipeitteisyyden määrä arvioitiin silmämääräisesti mittauskohdan lähiympäristöstä kasvien peittämän pohjan tai seinämän osan prosenttiosuutena koko alasta. Kasvi- ja sammallajien esiintyminen pyrittiin määrittämään pääpiirteisesti käyttäen luokitusta sarat, tupasvilla, ruohot, heinät, rahkasammal, karhunsammal, varvut ja pensaat Eroosio ja sedimentoituminen Maastoinventoinneissa tarkasteltiin mittauspisteissä tapahtunutta ojan pohjan ja luiskien eroosiota. Eroosiotulkinnassa kiinnitettiin huomiota syöpymisen aiheuttamiin uoman poikkileikkauksen muutoksiin, ojaluiskien sortumiin, kasvipeitteisyyteen sekä uoman pohjan kivennäismaan raekokoon ja lajittumiseen. Esimerkiksi tavanomaista syvempää ja leveämpää ojakohtaa ei tulkittu syöpyneeksi, mikäli pohja oli kasvien peitossa tai kivennäismaasta ei selkeästi ollut huuhtoutunut pois hienompia raekokoja. Eroosion lisäksi havainnoitiin mittauskohtaan ylempää tulleen kiintoaineen laskeutumista. Mittauspisteiden luokittelulla pyrittiin arvioimaan karkeasti missä osissa uomaverkkoa tapahtuu kiintoaineen irtoamista, kuljetusta ja laskeutumista. Kiintoaineen ja orgaanisen aineen sedimentoitumiskohdissa liestymän paksuus mitattiin painamalla pistokaira sedimenttikerroksen läpi ojan tiiviiseen pohjamaahan asti. Eroosion ja sedimentoitumisen kuvaamiseen käytettiin yksinkertaista sanallista luokitusta. Arvio tehtiin erikseen sekä ojan pohjalle, että luiskille. Tarvittaessa inventointilomakkeille kirjattiin luokituksen tueksi myös muita selventäviä havaintoja. Eroosion ja sedimentoitumisen arvioinnissa käytetty luokitus on esitetty taulukossa 5. Taulukko 5. Ojan pohjan ja luiskien eroosiotulkinnassa käytetty luokitus. Ojan pohjan ominaisuudet Ojan luiskien ominaisuudet ei syöpynyt (0) ei syöpynyt (0) syöpynyt (1) syöpynyt (1) syöpynyt voimakkaasti (3) romahtanut (2) kasaantunut (4) 66

67 Erityyppisistä ojista tehtyjä eroosiotulkintoja on havainnollistettu kuvien avulla. Kuvien yhteydessä on esitetty myös muita mittauspisteistä tehtyjä määrityksiä. Kuvissa esitetyt ojat sijaitsevat Rauhalan tutkimusalueella. Kuva 13. Havainnekuva Rauhalan tutkimusalueelta. Eroosio pohja/luiskat 0/2, kasvipeitteisyys pohja/luiskat 10/90 %, L p 205 cm, L pv 140 cm, L po 40 cm, h oja 84 cm, h turve 0, vesisyvyys 0, sedimenttikerroksen paksuus 0, maalaji pohja HkMr, maalaji seinämä HkMr. Kuva 14. Havainnekuva Rauhalan tutkimusalueelta. Eroosio pohja/luiskat 4/2, kasvipeitteisyys pohja/luiskat 0/90 %, L p 200 cm, L pv 160 cm, L po 70 cm, h oja 70 cm, h turve 40, vesisyvyys 0, sedimenttikerroksen paksuus 40, maalaji pohja khk, maalaji seinämä HkMr. 67

68 Kuva 15. Havainnekuva Rauhalan tutkimusalueelta. Eroosio pohja/luiskat 3/1,2, kasvipeitteisyys pohja/luiskat 0/50 %, L p 200 cm, L pv 185 cm, L po 115 cm, h oja 124 cm, h turve 10, vesisyvyys 0, sedimenttikerroksen paksuus 0, maalaji pohja Hk/Sr, maalaji seinämä Hk/Si RLGIS lähtöaineistojen virheet Maastomittausten yhteydessä tarkastettiin RLGIS analyysin lähtöaineistona käytettävän Maanmittauslaitoksen Maastotietokannan mukaisen ojaverkon paikkansapitävyys tutkimusalueiden osalta. Kunnostusojitusvaiheessa ojaverkkoon tehdyt kaivukatkot ja uudisojat dokumentoitiin, mikäli niitä ei ollut päivitetty lähtöaineistoon. Isokorven ja Rauhalan tutkimusalueilla havaitut ojaverkon virheet korjattiin manuaalisesti mallin digitaalisiin lähtöaineistoihin. RLGIS:n muodostaman virtausverkon arvioimiseksi mittauspisteissä havainnoitiin veden virtaussuunnat sekä maan pinnan muotojen synnyttämät vedenjakajat ja painanteet. Mallinnuksen pohjana käytettävän korkeusmallin tarkkuuden ja virheiden arvioimiseksi Rauhalan tutkimusalueella vaaittiin yksi laskuoja n. 800 m matkalta. Vaaittua laskuojan pituusprofiilia verrattiin digitaalisesta korkeusmallista johdettuihin RLGIS uomasegmenttien kaltevuuksiin. Vaaitus suoritettiin laskuojassa jonovaaituksena 20 m välein siten, että ojan pohjan ja maan pinnan pituusprofiilit vaaittiin rinnakkain. 5.4 Mallituloksen tilastollinen tarkastelu ja herkkyysanalyysi RLGIS -mallin tuottaman eroosioriskiarvion ja maastossa tehtyjen eroosiohavaintojen välistä riippuvuutta testattiin ristiintaulukoinnin avulla. Kontingenssitauluissa mallituloksen eroosioriskiarvion kolmeportaista luokitusta (taul. 3) verrattiin maastossa 68

69 tehtyyn uoman pohjan eroosioluokitukseen (taul. 5) siten, että mittausaineisto yhdistettiin käsittämään ainoastaan kaksi luokkaa. Maastossa sedimentoitumiskohdiksi ja ei-erodoituneiksi kohdiksi tulkitut mittauspisteet yhdistettiin luokaksi 0, ja erodoituneet ja voimakkaasti erodoituneet kohdat yhdistettiin luokaksi 1. Maastohavainnoinnin tulkinnanvaraisuudesta ja mallituloksen käsitteiden kohtalainenja suuri eroosioriski epämääräisyydestä johtuen havaintoaineistoa ei yritetty jakaa keinotekoisesti vastaamaan suoraan eroosioriskiluokkia. Ristiintaulukointia varten Isokorven ja Rauhalan tutkimusalueilta kerätyt aineistot yhdistettiin ja analyysi suoritettiin erikseen sekä korjaamattomalla, että korjatulla virtausverkolla saaduille mallituloksille. Kontingenssitauluihin koottujen luokittelevien muuttujien kombinaatioiden frekvenssien avulla pyritään selvittämään, ovatko rivi- ja sarakeluokittelijat riippumattomia (Ranta ym. 1997). Mitattuja numeerisia muuttujia verrattiin RLGIS -mallitulosten muuttujiin käyttäen regressioanalyysia ja korrelaatiokertoimien määritystä. Muuttujien välille määritettyjen Pearsonin korrelaatiokertoimien avulla kuvattiin lineaarisen riippuvuuden voimakkuutta ja suuntaa. Regressioanalyysissa pyrittiin ilmaisemaan yhden selittävän muuttujan regressiomallin avulla RLGIS -tuloksen (selittävä muuttuja) ja mitattujen uoman dimensioiden (vastemuuttuja) välisen riippuvuuden olemassaolon ja voimakkuuden lisäksi riippuvuuden muotoa. Riippuvuuksia havainnollistettiin hajontakuvioiden avulla. RLGIS -mallin laskemien virtausnopeuksien jakautumista havaittuihin uoman pohjan eroosioluokkiin tutkittiin ei-parametrisen Mann Whitney U-testin avulla. Testin avulla selvitettiin poikkeavatko mallin laskemien virtausnopeuksien arvot havaittujen eroosioluokkien välillä. Mann-Whitney U-testissä vertailtavien otosten muuttujat (virtausnopeudet) asetetaan suuruusjärjestykseen, korvataan arvot järjestysluvuilla, ja tarkastellaan eri otoksista peräisin olevien muuttujien sijoittumista (järjestyslukuja) toisiinsa nähden (Ranta ym. 1997). Testillä havaitaan erityisesti jakaumien sijainnissa olevat erot. Mann-Whitney U-testin käytössä on oletettu, että vertailtavien otosten sisällä virtausnopeudet ovat toisistaan riippumattomia. RLGIS mallin herkkyyttä laskennan lähtöarvoihin testattiin virtausnopeuden kertymäfunktioiden avulla. Malli ajettiin tutkimuksessa mukana olleille valuma-alueille useita kertoja siten, että vain tarkasteltavan parametrin arvoa poikkeutettiin oletusarvostaan. Kertymäfunktioiden piirtämiseksi käytettiin RLGIS tulosta koko 69

70 tutkimusalueen laajuudelta, eikä ainoastaan mitatuista pisteistä. Menetelmässä tulostiedoston ojasegmenttien virtausnopeudet muodostavat satunnaiskokeiden perusjoukot, joiden sisällä yksittäiset virtausnopeudet ovat satunnaismuuttujan X arvoja x. Edelleen kertymäfunktion F(x) arvo pisteessä x on todennäköisyys sille, että satunnaismuuttujan X arvo on korkeintaan x (F(x) = P(X x)). Kertymäfunktioiden laadinnassa virtausnopeus oletettiin jatkuvaksi muuttujaksi, koska käytännössä vain RLGIS tulostiedoston tulostustarkkuus rajaa virtausnopeuden mahdolliset arvot. Mallin herkkyyden tarkastelussa otettiin huomioon parametrit, joiden arvoihin mallin loppukäyttäjä voi vaikuttaa. 5.5 RLGIS eroosioriskiluokituksen tarkastelu Virtausnopeuden ja valuma-alueen pinta-alan avulla RLGIS:ssä määritettävää eroosioalttiutta verrattiin laskennallisiin leikkausjännityksen ja virtaustehon arvoihin hypoteettisissa virtaustilanteissa. Menetelmällä pyrittiin arvioimaan valuma-alueen pinta-alan käytön perusteltavuutta eroosioalttiuden muodostamisessa. Tarkastelussa verrattiin oletetuista RLGIS laskentatilanteista saatuja eroosioalttiusluokkia vastaavissa virtaustilanteissa (v, Q, S, h ja n) esiintyviin yhtälöillä (18) ja (24) saatuihin arvoihin. Analyysi toteutettiin siten, että valituista virtausnopeus-valuma-alueen pinta-ala - pareista laskettiin käänteisesti RLGIS mallissa tarvittavat kaltevuudet, vesisyvyydet ja virtaamat, jotka vaadittaisiin kyseisten parien muodostumiseen. Näin saatuja muuttujia käytettiin lähtöarvoina muihin analyysissa mukana olleisiin yhtälöihin. Uomaprofiilina käytettiin laskennassa kuvan 7 mukaista poikkileikkausta ja pohjan leveyttä 0,25 m. Uoman vesisyvyys määräytyi RLGIS laskentamenetelmällä saatavan vesisyvyyden arvon mukaan. Hypoteettisista virtausolosuhteista johtuen tuloksista poistettiin kiitovirtaustilanteet, joissa Frouden -luku ylitti arvon 1 (Fr > 1). Analyysissa tarkasteltavat virtaustilanteet muodostuivat virtausnopeusvälille 0,05 m/s 1 m/s ja yläpuolisen valuma-alueen pinta-aloille 3 ha 45 ha. 5.6 Tutkimusmenetelmän epävarmuustekijät Maastotutkimuksissa suoritettujen uoman dimensiomittausten epätarkkuutta arvioitiin Taivalkosken Isokorven tutkimusalueella tehdyn hajontamittauksen avulla. Koejärjestely toteutettiin siten, että silmämääräisesti mahdollisimman yhtenäisestä 70

71 ojasta mitattiin poikkileikkausprofiilin dimensiot mittanauhalla 0,5 m välein viidestätoista pisteestä. Tarkoituksena oli havainnollistaa maaston pienipiirteisyyttä ja mittauskohdan valinnan vaikutusta mitattuihin uoman dimensioihin. Varsinaisessa koko tutkimusalueen käsittävässä aineistonkeruussa mittauspisteiden tarkka sijainti muodostui osittain sattumanvaraisesti, sillä suunniteltua 30 m mittausväliä ei mitattu tarkasti. Mallituloksen ja tutkimusalueilta kerätyn mittausaineiston keskinäisen vertailun perusoletuksena oli, että eroosiota voidaan kuvata uoman poikkileikkausprofiilissa havaittujen paikallisten muutosten avulla. Dimensiomittauksen soveltuvuutta eroosiotarkasteluun arvioitiin vertaamalla mitattuja uomaprofiileita maastossa tehtyihin luokitteluihin havaitusta eroosiosta. Aineiston sisäisellä analysoinnilla arvioitiin uoman dimensioiden ja eroosioprosessien välistä riippuvuutta suhteessa uoman koossa esiintyvään satunnaisvaihteluun. 71

72 6 Tulokset ja niiden tarkastelu Työssä RLGIS -mallitulosta on tarkasteltu käyttäen lähtöaineistona sekä alkuperäistä Maanmittauslaitoksen Maastotietokannassa kuvattua ojaverkostoa, että maastohavaintojen mukaan korjattua ojaverkostoa. Virtausverkon korjaaminen on otettu mukaan mallituloksen arviointiin lähinnä vertailukohdaksi. Veden virtausreittien selkeiden virheiden korjaamisen jälkeen voidaan arvioida paremmin sitä, minkälaisiin tuloksiin virtausnopeuteen perustuvalla eroosioriskiarviolla tällä hetkellä voidaan parhaimmillaan päästä. 6.1 Maastohavainnot ja mallituloksen visuaalinen arviointi Isokorven tutkimusalue Isokorven tutkimusalueella ojaverkon rakenne poikkesi useissa kohdissa MML:n Maastotietokannassa esitetystä ojaverkosta. Kartalta puuttuvien ojien lisäksi alueella oli kunnostusojituksen yhteydessä jätetty osa sarkaojista perkaamatta, mikä osaltaan vaikutti veden jakaantumiseen alueella. Veden virtausreiteissä maastomittausten yhteydessä havaitut virheet korjattiin manuaalisesti mallin käyttämään lähtöaineistoon. Isokorven tutkimusalue sijaitsee aivan Kostonjärven valuma-alueen reunalla, joten tutkimusalueen yläpuolelle ei käytännössä jäänyt uomia, joiden yhdenmukaisuutta kartalla esitettyjen kanssa ei voitu todentaa. Tutkimusalueen alapuolisen ojaverkon rakenteessa esiintyvien virheiden ei katsota vaikuttavan havaintoalueella tehtyihin mittauksiin ja RLGIS mallitulokseen. Maastotietokannan ojaverkko ja havaitut virheet veden virtausreiteissä on esitetty kuvassa

73 a) b) Kuva 16. Isokorven tutkimusalueella havaitut ojaverkon virheet: a) Maanmittauslaitoksen Maastotietokannan (2007) mukainen ojaverkko ja b) korjattu ojaverkko (Pohjakartta Maanmittauslaitos). Kuvan 16 mukaisesti Isokorven alueelta lähtöaineistosta kokonaan puuttuvia ojia löydettiin 3 kpl, jonka lisäksi veden virtausreittejä korjattiin useissa ojaristeyksissä. Veden virtausreitit korjattiin keinotekoisesti siten, että ojien risteyskohdista on poistettu n. 20 m ojapätkä. Keinotekoisten katkojen avulla RLGIS mallin arvioimat veden virtausreitit alueella saatiin vastaamaan maastossa havaittua tilannetta. Kuvassa 16 esitetyt ojien risteyskohtien katkot eivät siis tarkoita sitä, että ojia ei olisi todellisuudessa kaivettu yhteen. Mallin arvioima veden kulkureitti risteyskohdissa voi olla virheellinen joko korkeusmallissa esiintyvän virheen vuoksi tai siksi, että risteävien ojien pohjat eivät luonnossa ole samalla korkeudella. Erot risteävien ojien pohjan tasossa voivat olla kaivinkoneen kuljettajan kaivuvaiheessa tahallisesti tai tahattomasti tekemiä. Kaivun jälkeinen veden virtausreitti ojien risteyskohdassa voi valikoitua 73

74 monista pienistä tekijöistä johtuen, jonka jälkeen veden virtauksen aiheuttama eroosio voi entisestään lisätä pohjien tasoeroa. Ojaverkon virheiden korjaaminen koko kolmannen jakovaiheen valuma-alueen laajuiseen lähtöaineistoon on mallin käyttöä ajatellen epärealistista. Pienten kunnostusojitusalueiden sisällä ojaverkon korjaaminen on maastokäyntien avulla mahdollista, mutta tarkastelualueen yläpuolisen ojaverkon virheiden selvittäminen on erittäin työlästä. Veden virtausreittien keinotekoinen muuttaminen kunnostusojituksen suunnittelussa ojaosuuksia poistamalla voi johtaa harhatulkintoihin kunnostusojituksen vaikutusten ennakoinnissa. Perattaessa vain osa kunnostusalueen ojista, ojien syvyydet ja virtausvastukset toisiinsa nähden voivat muuttua toimenpidettä edeltävästä tilanteesta. Tästä seuraa edelleen se, että mallilla kuvattu virtaustilanne ja eroosioriskiarvio eivät enää vastaa toteutunutta tilannetta. Mallin käyttöä voitaisiin ohjata virhetulkintojen välttämiseksi siten, että suunnitellun virtaustilanteen (vrt. kunnostusojitussuunnitelma) mukainen ojaverkko rakennettaisiin lähtöaineistoksi tapauskohtaisesti ja mallitulos ajettaisiin tällä virtausverkolla. Mikäli mallituloksen ohjaamana halutaan edelleen tehdä muutoksia veden jakautumisessa ojaverkossa esim. kaivukatkojen avulla, tulee malli ajaa uudelleen käyttäen lopullista toteutusta vastaavaa virtausverkkoa. RLGIS mallin tuottamaa aineistoa ja maastossa tehtyjä havaintoja tapahtuneesta eroosiosta verrattiin visuaalisesti toisiinsa overlay -analyysin avulla. Maastossa tehdyistä eroosio- ja sedimentoitumisluokituksista otettiin huomioon ainoastaan ojan pohjan osalta tehdyt havainnot. Yksinkertaistus tehtiin sen vuoksi, että ojaluiskissa tapahtuneet muutokset, kuten sortuminen, olivat monin paikoin selkeästi veden virtausnopeudesta riippumattomien ilmiöiden aiheuttamia. Isokorven tutkimusalueen RLGIS eroosioriskiarvio korjaamattomalla ja korjatulla virtausverkolla ajettuna sekä pohjan syöpymisestä tehdyt maastohavainnot on esitetty kuvassa 17. Eroosioalttiutta ei katsota olevan uomaston osissa, joissa on tapahtunut sedimentoitumista. 74

75 a) b) Kuva 17. RLGIS eroosioriskiarvio Isokorven tutkimusalueelle a) korjaamattomalla ja b) korjatulla virtausverkolla esitettynä (Pohjakartta Maanmittauslaitos). Kuvasta 17a havaitaan, että mallitulos ja eroosiohavainto vastaavat toisiaan satunnaisesti. Mallin arvioimilla suuren eroosioalttiuden alueilla on tehty sekä eroosio, että ei-eroosiohavaintoja. Parhaiten mallitulos vastaa havaintoaineistoa muutamissa eroosioriskittömissä sarkaojissa, sekä alueen eteläosan syöpyneessä laskuojassa. Maastohavainnoissa on monin paikoin nopeaa vaihtelua eroosio- ja ei-eroosioluokkien välillä, kun taas mallituloksen eroosioarviot ovat alueellisempia. Mallituloksessa suuren- ja kohtalaisen eroosioriskin alueilla esiintyy yksittäisiä 10 m tulosyksiköitä, joissa eroosioriskiarvio muuttuu äkillisesti. Nämä yksittäiset poikkeamat mallituloksessa johtuvat pääasiassa korkeusmallin nollakaltevuuksista ja edelleen laskennan nollavirtausnopeuksista. Virtausverkon korjaamisen jälkeen (kuva 17b) mallitulos pääasiassa paranee suhteessa tehtyihin havaintoihin. RLGIS:ssä havaittu systemaattinen virhe käy ilmi eroosioalttiiksi arvioituihin laskuojiin yhtyvissä 75

76 sarkaojissa, joissa risteystä lähimmän tai lähimpien laskentayksiköiden tulos on poimittu laskuojasta. Kuvan 17 mukaisesti tutkimusalueen länsipuolella olevassa kaakkoon virtaavassa ojassa on tapahtunut voimakasta eroosiota, jota malli ei ole kyennyt ennustamaan virtausverkon korjaamisesta huolimatta. Mallin lähtötietona käytettävä SYKE:n 3. jakovaiheen valuma-alueen raja näytti maastokartan avulla tehdyn tulkinnan mukaan sijoittuvan tällä alueella hieman virheellisesti, joten havaittua mallituloksen virhettä pyrittiin korjaamaan valuma-alueen koon kasvattamisella. Tällä menetelmällä pienelle osalle ojaa malli saatiin laskemaan kohtalainen eroosioriski, mutta syöpyneen ojan yläosaa ei saatu tunnistettua. Valuma-aluerajauksen muuttamisella havaittiin kuitenkin olevan vaikutusta valuma-alueen reunaosien eroosioriskiarvioon. Ojitusalueella havaittuja eroosioprosesseja voidaan luonnehtia mallitulokseen nähden erittäin pienipiirteisiksi. Esimerkiksi ojien poikkileikkauksessa tapahtuneet muutokset ja havaittu eroosio saattoivat vaihdella maastossa hyvin lyhyen matkan sisällä. Maastossa tehtyjen havaintojen ja mallituloksen tarkastelun perusteella voidaan sanoa, ettei RLGIS laskentamenetelmällä saada esille nopeita ja paikallisia muutoksia. Esimerkiksi moreenimaassa esiintyvät eroosioprosessiin vaikuttavat paikalliset vaihtelut raekokojakaumassa jäävät laskentamenetelmässä huomioimatta. Ojaluiskien osalta oli Isokorven alueella monin paikoin havaittavissa uomassa virtaavan veden nopeudesta riippumattomien prosessien aiheuttamaa eroosiota, joista erityisen merkittäväksi arvioitiin ojaan sivusta tulevan pohjavesi- ja pintakerrosvalunnan vaikutus (seepage erosion). Isokorven alueelle mallin laskemia virtausnopeuksia verrattiin myös suoraan eroosiohavaintoihin, jolloin mallituloksen varsinaisen eroosioriskiarvion sisältämä valuma-alueen pinta-alan vaikutus tulokseen jää huomioimatta. Laskennalliset virtausnopeudet ja uoman pohjasta tehdyt eroosiohavainnot on esitetty kuvassa 18. Virtausnopeudet on luokiteltu värikoodein siten, että luokkarajat vastaavat eroosioalttiuden muodostamisessa käytettäviä virtausnopeusluokkia. 76

77 a) b) Kuva 18. Laskennalliset virtausnopeudet Isokorven tutkimusalueella a) korjatulla ja b) korjaamattomalla virtausverkolla esitettynä (Pohjakartta Maanmittauslaitos). Kuvia 17 ja 18 vertaamalla voidaan havaita valuma-aluepainotuksen (taul. 3) vaikutus eroosioalttiuden muodostumiseen. Virtausnopeudet ojissa vaihtelevat paikallisemmin kuin muodostettu eroosioalttius. Suurehkoja 45 cm/s 69 cm/s virtausnopeuksia esiintyy myös eroosioriskittömissä sarkaojissa. Suuret yli 69 cm/s virtausnopeudet sijoittuvat pääasiassa samoihin kohtiin ojaverkkoa kuin suuret eroosioalttiudet. Virtausnopeuksien suuruudet ja niissä esiintyvät muutokset eivät kuvassa 18 esitetyllä luokittelulla suoraan vastaa tapahtunutta eroosiota. Isokorven alueella valumaaluepainotuksen käyttö eroosioalttiuden muodostamisessa näyttäisi tuottavan hieman paremman tuloksen kuin pelkkä virtausnopeus. Valuma-alueen pinta-alan ja kaltevuuden mukaan teemoitettu mallitulos on esitetty kuvassa 19. Valuma-alueen pinta-alan luokkarajoina on käytetty eroosioalttiustarkastelussa käytettäviä pinta-aloja. 77

78 a) b) Kuva 19. Isokorven alueelle mallin laskemat a) valuma-alueen pinta-alat sekä b) kaltevuusprosentit korjatulla virtausverkolla esitettynä (Pohjakartta Maanmittauslaitos). Valuma-alueen pinta-alan teemakartasta (kuva 19a) voidaan nähdä mallin arvioimat veden keskeiset virtausreitit alueella. Laskettujen pinta-alojen tarkkuuteen vaikuttavat mm. ojaverkon, korkeusmallin ja 3. jakovaiheen valuma-aluerajan oikeellisuus. Huomattavaa on myös se, ettei valunnan jakautuminen ojastoon noudata välttämättä maanpinnan topografiaa. Kuva 19b havainnollistaa maanpinnan erittäin suuria kaltevuuksia Isokorven alueella. Kaltevuuksien ja eroosiohavaintojen välille ei kuvan 19b avulla löydetä voimakasta yhteyttä. Isokorven ojitus ei suurten kaltevuuksien vuoksi vastaa kunnostusojituksen ja täydennysojituksen suosituksia perattavista ojista. 78

79 6.1.2 Rauhalan tutkimusalue Rauhalan tutkimusalueella kunnostusojituksen yhteydessä vuonna 2006 tehdyt muutokset ojaverkkoon on esitetty kuvassa 20. Ojien kaivukatkot on toteutettu täyttämällä oja kaivinkoneella siten, ettei vesi pääse virtaaman kyseisten kohtien läpi. Kaivukatkoilla vesi on ohjattu haluttuja reittejä pitkin alueen purkupisteisiin. a) b) Kuva 20. Rauhalan tutkimusalueella havaitut ojaverkon virheet: a) Maanmittauslaitoksen Maastotietokannan (2007) mukainen ojaverkko ja b) korjattu ojaverkko (Pohjakartta Maanmittauslaitos). Virtausverkon muutoksista suurin vaikutus RLGIS tulokseen on alueen lounaisosassa olevalla kaivukatkolla, joka muuttaa päälaskuojan virtausreittiä huomattavasti alkuperäiseen tilanteeseen verrattuna. Alueen pohjoisosaan tehdyillä muutoksilla on saatu pienennettyä hieman pohjoispuolen laskuojan valuma-aluetta. Tutkimusalue sijaitsee Isokorven alueen tavoin SYKE:n 3. jakovaiheen valuma-alueen reunalla, joten mallitulokseen vaikuttavat virtausverkon virheet on saatu pääosin korjattua. Mallin muodostamat eroosioriskiarviot Rauhalan tutkimusalueelle on esitetty korjatulla ja korjaamattomalla ojaverkolla kuvassa 21. Mallitulokset on laskettu käyttäen RLGIS:n oletuslähtöarvoja. 79

80 a) b) Kuva 21. RLGIS eroosioriskiarvio Rauhalan tutkimusalueelle a) korjaamattomalla ja b) korjatulla virtausverkolla esitettynä (Pohjakartta Maanmittauslaitos). Kuvan 21 mukainen eroosioalttiuden jakautuminen ojitusalueella noudattaa mallille ominaisia piirteitä. Pienemmän valuma-alueen omaavat sarkaojat ovat pääsääntöisesti eroosioriskitöntä aluetta ja kohtalainen- ja suuri eroosioriski muodostuvat laskuojiin. Kuvia 21a ja 21b vertaamalla havaitaan laskuojan virtausreittiin tehdyn muutoksen vaikutus RLGIS -mallitulokseen. Suuri eroosioalttius noudattaa virtaaman kasvaessa suoraan veden virtausreittiä. Maastossa havaitun virtaustilanteen mukaisella, korjatulla ojaverkon rakenteella, mallitulos vastaa todellisuutta laskuojan alaosassa selvästi huonommin kuin alkuperäisellä virheellisellä virtausverkolla. Muut Rauhalan tutkimusalueella virtausverkkoon tehdyt korjaukset eivät merkittävästi muuta mallitulosta. Rauhalan ojitusalue on rakenteeltaan huomattavasti yksinkertaisempi kuin Isokorven tutkimusalue. Mittaukset on keskitetty kahteen yhtenäiseen laskuojaan, joten mittauspisteiden väliset erot eroosio-, ei-eroosio- ja sedimentoitumiskohtien välillä olivat helpommin havaittavissa. Ojaluiskista tehtyjen havaintojen vertailua ei kuitenkaan voida Rauhalan alueella tehdä, sillä kaikissa mittauspisteissä luiskat arvioitiin sortuneiksi. Sortumien syntyyn arvioitiin maastossa vaikuttaneen suurelta osin kaivuvaiheessa käytetyn raskaan telakaivinkoneen paino. Kaivinkoneen telojen 80

81 aiheuttamat painumat ojan reunoilla olivat monin paikoin selvästi erotettavissa uoman poikkileikkausprofiilista. Virtausnopeuden mukaan teemoitettu RLGIS mallitulos on esitetty Rauhalan tutkimusalueelle kuvassa 22. Virtausnopeuksien luokkarajat vastaavat eroosioalttiuden muodostamisessa käytettyjä nopeusrajoja. a) b) Kuva 22. Laskennalliset virtausnopeudet Rauhalan tutkimusalueella a) korjatulla ja b) korjaamattomalla virtausverkolla esitettynä (Pohjakartta Maanmittauslaitos). Kuvan 22 mukaisesti virtausnopeudet sarkaojissa ovat pieniä virtausverkon korjaamisesta riippumatta. Korkeusmallin painanteista johtuen sarkaojissa esiintyy paljon laskennallisia virtausnopeuksia 0 cm/s. Mallissa vedet ohjataan painanteiden yli määritettyä päälaskusuuntaa noudattaen siten, että ylämäessä virtausnopeuden arvot tulevat nolliksi. Maastossa tehtyjen havaintojen perusteella useat sarkaojat olivat alueella niin pienikaltevuuksisia, että niiden virtaussuuntaa oli erittäin vaikea silmävaraisesti arvioida. Rauhalassa tehtyjen mittausten aikana ojissa ei virrannut lainkaan vettä, joten virtaussuuntia ja vesimäärien jakautumista ojien välillä ei voitu arvioida. Suuren eroosioalttiuden alueet ja yli 69 cm/s virtausnopeudet esiintyvät Isokorven mallituloksen tavoin suurelta osin samoissa kohdissa. Muutokset 81

82 virtausnopeusluokkien ja eroosioalttiuden välillä tulevat esille kohtalaisen eroosioalttiuden alueilla ja virtasnopeuksilla 45 cm/s 69 cm/s. Rauhalan alueelle mallin laskemat valuma-alueen pinta-alat ja kaltevuudet on esitetty kuvassa 23. Valuma-alueen pinta-alan luokat vastaavat eroosioalttiuden muodostamisessa käytettäviä rajoja, mutta kaltevuusluokat on valittu ainoastaan havainnollisuutta silmälläpitäen. a) b) Kuva 23. Rauhalan alueelle mallin laskemat a) valuma-alueen pinta-alat sekä b) kaltevuusprosentit korjatulla virtausverkolla esitettynä (Pohjakartta Maanmittauslaitos). Kuvan 23a mukaan havaintopisteiden yläpuoliset valuma-alueen pinta-alat ovat Rauhalassa pienempiä kuin Isokorven alueella. Yli 20 ha valuma-alueita on ainoastaan päälaskuojassa. Kaltevuuksia ei Rauhalan ja Isokorven alueella voida suoraan verrata, sillä Rauhalan alueella esiintyvistä huomattavasti pienemmistä kaltevuuksista johtuen luokkarajat ovat alueiden välillä erilaiset. Samallakin korkeuskäyrävälillä kaltevuudessa (kuva 23b) esiintyvät äkilliset hyppäykset voivat johtua osaltaan siitä, että kaltevuuksia ei ole mallissa poimittu todellista ojan kulkusuuntaa tarkasti vastaavien pikseleiden väliltä. Mallissa virtaussuunta määräytyy kahden pikselin keskipisteiden välille, jolloin virtaussuunnat vaihtelevat 45 jaotuksella ja maksimivirhe virtaussuunnassa on 22,5. 82

83 6.2 Mallituloksen tilastollinen tarkastelu Eroosioriskiarvion ja eroosiohavaintojen vertailu ristiintaulukoinnilla Isokorven ja Rauhalan tutkimusalueiden havaintoaineistot ja RLGIS -mallitulokset yhdistettiin ristiintaulukointia varten tulosten yleistettävyyden parantamiseksi. Korjaamattomilla virtausverkoilla ja oletuslähtöarvoilla ajettujen mallien eroosioriskiarvion ja maastossa havaitun toteutuneen eroosion välinen ristiintaulukointi on esitetty taulukossa 6. Eroosiohavaintojen ja mallin eroosioluokkien riippuvuus on testattu Pearsonin khin neliö-testillä. Pearsonin χ 2 -testin käytön edellytykset on testattu kontingenssitaulujen (taulukot 6 ja 7) laatimisen yhteydessä ja ne täyttyvät molemmissa tapauksissa. Taulukko 6. Oletusarvoilla ajetun RLGIS mallin eroosioluokitusten ja eroosiohavaintojen välinen kontingenssitaulu. Mallin eroosioluokitus Eroosiohavainto 0 1 Total 0 66 (76,7 %) 20 (23,3 %) 86 (100 %) 1 15 (50,0 %) 15 (50,0 %) 30 (100 %) 2 34 (59,6 %) 23 (40,4 %) 57 (100 %) Total 115 (66,5 %) 58 (33,5 %) 173 (100 %) P = 0,012 (2-sided Pearson Chi-Square), χ 2 = 8,915, C = 0,221 Taulukosta 6 voidaan lukea tutkimusalueilla tehtyjen eroosiohavaintojen ja eieroosiohavaintojen jakautuminen mallituloksen eroosioluokkien välille. Suurin riippuvuus mallituloksen ja eroosiohavaintojen välillä on taulukon 6 mukaisesti rivillä yksi, mallin ennustamilla eroosioriskittömillä alueilla. Mallin määrittämien eroosioriskittömien ojien alueella tutkituista 86 mittauspisteestä 76,7 prosentissa ei havaittu tapahtuneen eroosiota ja vastaavasti 23,3 prosentissa pisteistä syöpymistä oli tapahtunut. Tutkimusalueilla kohdissa, joihin RLGIS malli on ennustanut kohtalaista eroosioriskiä, on tehty vähemmän mittauksia kuin luokkiin 0 ja 2 kuuluvilla alueilla. Mallin arvioidessa ojaan kohtalaisen eroosioriskin, maastossa tehdyt havainnot jakautuvat tasan ei-eroosio ja eroosiotulkintoihin. Tätä tulosta voidaan pitää oletuksen mukaisena. Toisin sanoen kohtalaisen eroosioriskin alue käsitetään tässä yhteydessä siten, että näillä alueilla laskennallisesta virtausnopeudesta riippumattomista tekijöistä johtuen, eroosioriski voi toteutua tai olla toteutumatta. 83

84 Taulukon 6 mukaan mallin ennustaessa suurta eroosioriskiä, tutkimusalueilla havaittiin todella tapahtuneen eroosiota vain 40,4 prosentissa havaintopisteistä ja 59,6 prosentissa pisteistä syöpymiä ei havaittu. Khin neliötestillä saatu P-arvo osoittaa riskitasolla 0,012, että havaittujen eroosiokohtien ja ei-eroosiokohtien jakautuminen on korjaamattomalla virtausverkolla riippuvainen mallin eroosioriskiluokasta. Riippuvuus on kuitenkin χ 2 - testisuureen (χ 2 = 8,915) ja kontingenssikertoimen (C = 0,221) mukaan heikko. Taulukon 6 tulosten perusteella voidaan ajatella, että mikäli kunnostusojitus toteutetaan suoraan mallituloksen perusteella, eroosioriskittömien alueiden perkaaminen voi johtaa 23 prosentissa tapauksista voimakkaaseen ojien syöpymiseen. Jos oletuksena on, että suuren eroosioriskin alueita ei perata, jää lähes 60 % mahdollisuus ojien kunnostamatta jättämiselle turhaan. Korjatuilla virtausverkoilla ja oletuslähtöarvoilla ajettujen mallien (Isokorven ja Rauhalan tutkimusalueet) eroosioriskiarvion ja maastossa havaitun eroosion välinen ristiintaulukointi on esitetty taulukossa 7. Taulukko 7. Korjatulla virtausverkolla ajetun RLGIS mallin eroosioluokitusten ja eroosiohavaintojen välinen kontingenssitaulu. Mallin eroosioluokitus Eroosiohavainto 0 1 Total 0 78 (83,0 %) 16 (17,0 %) 94 (100 %) 1 15 (48,4 %) 16 (51,6 %) 31 (100 %) 2 25 (48,1 %) 27 (51,9 %) 52 (100 %) Total 118 (66,7 %) 59 (33,3 %) 177(100 %) P < 0,000 (2-sided Pearson Chi-Square), χ 2 = 24,003, C = 0,346 Virtausverkon korjaamisen jälkeen mallituloksen ja havaitun eroosion välinen riippuvuus paranee. Mallin ennustamilla eroosioriskittömillä alueilla maastossa tehdyt havainnot vastaavat tulosta 83 % osalta ja vastaavasti syöpymiä on näillä alueilla havaittu enää 17 %:ssa mittauspisteistä. Kohtalaisen eroosioriskin alueilla tulos on lähes sama kuin ennen virtausverkon korjausta. Kaikista kohtalaisen eroosioriskin alueella mitatuista 31 pisteestä hieman yli puolet on arvioitu syöpyneiksi. Suuren eroosioriskin alueella tehdyistä mittauksista 51,9 % osoittaa eroosiota myös tapahtuneen. Taivalkosken Isokorven alueella tehdyissä mittauksista suuren eroosioriskin alueilla syöpymiä havaittiin virtausverkon korjaamisen jälkeen 55,6 %:ssa mittauspisteistä ja Pieksämäen Rauhalan tutkimusalueella vastaava luku oli 43,8 %, joten mallin ennustuskyvyssä on myös alueellisia eroja. Tulosten perusteella voitaneen todeta, että 84

85 laskennan pohjana käytettävän uomaverkoston ollessa oikea, malli pystyy ennustamaan eroosiota n. 50 % varmuudella. Korjatun ja korjaamattoman virtausverkon ristiintaulukointien P -arvot osoittavat, että mallin eroosioriskiarvion ja havaitun eroosion välillä on olemassa tilastollisesti merkittävä riippuvuus. Koko koetta kuvaava tilastollisesti merkittävä riippuvuus on kuitenkin seurausta lähinnä eroosioriskittömien alueiden kohdalla esiintyvistä voimakkaista riippuvuuksista. Mallin loppukäyttöä ajatellen on tärkeää, että malli pystyisi ennustamaan tarkasti eroosioalttiit kohdat, mutta toisaalta myös ne kohdat, joissa varsinaista riskiä ei ole. Eroosioalttiuden määrittäminen ja mallin lähtöparametrien valinta on tehty siten, että eroosioalttiudesta tulee lievästi yliarvio. Lähtökohtana on ollut, että eroosioriskin arvioiminen eroosioriskittömille alueille on parempi vaihtoehto, kuin todellisten eroosiokohtien ohittaminen (Leinonen 2009). Taulukoiden 6 ja 7 tulosten perusteella voidaan ajatella, että malli ennustaa suurta eroosioriskiä liiankin laajalla varmuusmarginaalilla. Oletusarvoisessa mallituloksessa suuren eroosioriskin alueella eroosiota ei ole havaittu n. 60 %:ssa mittausaineistoa, ja virtausverkon korjaamisen jälkeenkin vielä lähes puolella suuren eroosioriskin alueen havainnoista eroosiota ei ole todellisuudessa tapahtunut. Kunnostusojituksessa ojien perkaukset pyritään keskittämään alueille, joissa eroosioriski on pieni. Näitä alueita malli pystyy Taivalkosken ja Rauhalan alueilta kerätyn aineiston perusteella ennustamaan luotettavammin, kuin eroosioriskialueita. On kuitenkin huomattava, että ennen lähtöaineistojen korjausta edelleen yli 20 prosentissa eroosioriskittömiä alueita on tapahtunut eroosiota. Eroosioriskin muodostamisessa käytettävästä valuma-alue-tekijästä johtuen mallitulokselle on tyypillistä, että pienet sarkaojat ennustetaan pääsääntöisesti eroosioriskittömiksi, kun taas valtaojat ja suuremmat laskuojat ovat valuma-alueen koosta johtuen yleensä suuren eroosioriskin aluetta. Kontingenssitaulujen tulosten ja mallin ennustuskyvyn havainnollistamiseksi kuvassa 24 on esitetty maastossa tehtyjä eroosiohavaintoja vastaavat RLGIS:n laskemat virtausnopeudet ja valuma-alueen pinta-alat. Kuvaajien piirtämistä varten Isokorven ja Rauhalan havaintoaineistot on yhdistetty. 85

86 a) b) Kuva 24. RLGIS:n laskemat a) virtausnopeudet ja b) valuma-alueen pinta-alat havaituissa eroosio- ja ei-eroosio -kohdissa virtausverkon korjaamisen jälkeen. Kuva 24 selittää hyvin kontingenssitauluilla saatuja tuloksia mallin laskemien eroosioalttiusluokkien ja havaitun eroosion välillä. Kuvan 24a perusteella voidaan ajatella, että virtausnopeuden avulla voidaan selittää havaintoaineistossa eieroosioherkkiä uomaston osia, sillä alle 40 cm/s virtausnopeuksilla ei muutamia yksittäisiä pisteitä lukuun ottamatta ole maastossa havaittu tapahtuneen eroosiota. Sen sijaan mallin laskemien yli 40 cm/s virtausnopeuksien alueilla on likimain yhtä suuri todennäköisyys eroosion esiintymiseen ja esiintymättömyyteen. Kuvasta 24b voidaan tehdä lähes samantyyppiset johtopäätökset valuma-alueen pinta-alan ja toteutuneen eroosion välille. Erittäin pienillä alle 2 ha valuma-alueen pinta-aloilla eroosiota ei maastossa ole tapahtunut, mutta tätä suuremmilla pinta-aloilla eroosiota on tapahtunut tai ei ole tapahtunut pinta-alasta riippumatta. Näin ollen RLGIS -mallilla voidaan selkeissä tapauksissa ennustaa kohtia, joissa eroosioriskiä ei ole, mutta varsinaisia eroosioriskialueita ei kyetä luotettavasti ennustamaan. Rauhalan ja Isokorven alueiden sisällä virtausnopeuksien jakautumiset eroosiohavaintojen kesken vastaavat kuvassa 24 esitettyjä yhdistetyille aineistoilla saatuja tuloksia. Virtausnopeuksiin ja valuma-alueen pinta-aloihin pohjautuva eroosioluokitus ei kykene suurimmassa osassa aineistoa kuvaamaan tapahtunutta eroosiota juuri paremmin, vaikka valuma-aluepainotusta ja virtausnopeutta korjattaisiin suoraan havaintoaineiston pohjalta. Korjatulla virtausverkolla taulukossa 7 esitettyjen tulosten kanssa yhtä hyvään tulokseen päästään muodostamalla eroosioriski RLGIS mallituloksen mukaan ilman valuma-alueen koon huomioimista siten, että < 45 cm/s virtausnopeuksien alueet ovat eroosioriskittömiä ja 45 cm/s alueilla on olemassa jonkin asteinen eroosioriski. Tällaisella luokituksella malli ennustaisi havaintoaineistosta oikein ei-eroosiokohtia 91 % ja eroosiokohtia 49 % osalta. Voimakkaiden riippuvuuksien puuttuessa mallin eroosioalttiusluokituksen ja maastossa havaitun eroosion välille ei löydetty valumaaluetekijää käyttämällä koko aineistoa kattavasti parempia riippuvuuksia. Pelkkään 86

87 virtausnopeuteen perustuvan eroosioriskiluokituksen mukaisesti Isokorven tutkimusalueella perattavissa olevia ojia (v < 45 cm/s) olisi n. 40 % ja Rauhalan alueella n. 75 % alueen kaikista ojista (vrt. kuva 30) Laskennallisten virtausnopeuksien suhde eroosiohavaintoihin Virtausnopeuksiin perustuvan eroosioalttiustarkastelun lähtökohtana on, että nopeudet eroosiokohdissa ovat suurempia kuin ei-eroosiokohdissa. RLGIS:n laskemien virtausnopeuksien jakautumista havaittuihin eroosioluokkiin tutkittiin ei-parametrisen Mann-Whitney U-testin avulla, koska testiä vastaavan parametrisen t-testin käytön jakaumaoletukset eivät olleet aineistossa voimassa. Mann-Whitney U-testin tulokset on koottu taulukkoon 8. Taulukon ensimmäisellä tulosrivillä käytetyt ryhmittelevät luokat 0 ja 1 on muodostettu yhdistämällä yhdeksi luokaksi ei-eroosio- ja sedimentoitumiskohdat (luokaksi 0) sekä syöpyneet ja voimakkaasti syöpyneet kohdat (luokaksi 1). Taulukko 8. Mann-Whitney U -testin tulokset. Testattavana muuttujana RLGIS virtausnopeus ja ryhmittelymuuttujana havaittu uoman pohjan syöpyminen. Ryhmittelevät luokat Isokorpi, korjaamaton virtausverkko Isokorpi, korjattu virtausverkko Rauhala korjaamaton virtausverkko Rauhala korjattu virtausverkko 0 ja 1 0,540* (97**) 0,000 (101) 0,001 (64) 0,004 (64) 0 ja 4 0,190 (64) 0,801 (67) 0,691 (46) 0,452 (46) 1 ja 3 0,442 (18) 0,327 (18) *P-arvo ** havaintojen kokonaismäärä Taivalkosken Isokorven alueella korjaamattomalla virtausverkolla ja oletusarvoilla ajetun mallin laskemat virtausnopeudet eivät poikkea toisistaan havaituissa eroosiokohdissa ja ei-eroosiokohdissa. Tulos osoittaa Isokorven alueen osalta, että laskennalliseen virtausnopeuteen perustuvalla eroosioriskiarviolla ei voida erottaa riskialttiita kohtia, mikäli lähtöaineistona käytettävässä uomaverkostossa on paljon virheitä. Virtausverkon korjaamisen jälkeen Mann-Whitney U-testi antaa merkitsevyystasoksi P = 0,000, mikä on tilastollisesti erittäin merkitsevä tulos. Tämän nojalla nollahypoteesi voidaan hylätä ja todeta laskennallisten virtausnopeuksien keskimääräisten arvojen poikkeavan toisistaan eroosio- ja ei-eroosiokohdissa. Isokorven tutkimusalueella havaituissa eroosiokohdissa mallin laskemien virtausnopeuksien 87

88 keskiarvo on 71,5 cm/s ja keskihajonta 22,7 cm/s. Ei-eroosiokohdissa virtausnopeuksien keskiarvo on 48,5 cm/s keskihajonnan ollessa 25,6 cm/s. Rauhalan tutkimusalueen aineistolle tehdyssä Mann-Whitney U-testissä tulos on korjaamattoman virtausverkon osalta parempi kuin Isokorven alueella. Testin avulla voidaan osoittaa, että eroosio ja ei-eroosiokohdista poimitut otokset (luokat 0 ja 1) poikkeavat tilastollisesti merkitsevästi toisistaan (P = 0,001) jo ennen virtausverkon korjausta. Virtausverkon korjaus ei tässä tapauksessa oleellisesti vaikuta testitulokseen (P = 0,004). Korjaamattomalla virtausverkolla saatu hyvä tulos voi johtua osittain sattumasta, sillä malli ohjaa suurimmassa laskuojassa virtaavat vedet lähes kokonaan ohi maastossa havaitun sedimentoitumiskohdan. Tämän vuoksi sedimentoitumiskohtaan lasketut virtausnopeudet ovat korjaamattomalla virtausverkolla erittäin pieniä verrattuna todellisen virtaustilanteen mukaiseen mallitulokseen. Rauhalan alueelle korjatulla virtausverkolla ajetussa mallissa eroosiokohtien virtausnopeuksien keskiarvo oli 62,1 cm/s ja keskihajonta 25,2 cm/s ja vastaavat ei-eroosiokohtien arvot 36,8 cm/s ja 29,3 cm/s. Mann-Whitney U-testin avulla tutkittiin myös mallin laskemien virtausnopeuksien suuruutta ei-eroosiokohdista ja sedimentoitumiskohdista (luokat 0 ja 4) otetuissa otoksissa. Rauhalan tutkimusalueella käytettiin pohjan syöpymisen arviossa luokkia syöpynyt ja voimakkaasti syöpynyt (luokat 1 ja 3), joten myös näiden mukaan ryhmiteltyjä otoksia verrattiin toisiinsa. Oletuksena oli, että erittäin voimakkaasti syöpyneiden kohtien virtausnopeudet olisivat suuremmat kuin lievemmin syöpyneiden kohtien. Suoraa oletusta lähes kaivun jälkeisen tilanteen mukaisena säilyneiden ojaston osien ja sedimentoitumiskohtien virtausnopeuksien välillä ei teorian pohjalta voida tehdä. Otosten vertailu Mann-Whitney U-testillä osoittaa, että tilastollisesti merkittävää eroa edellä esitetyn mukaisesti ryhmiteltyjen virtausnopeuksien välillä ei voida tehdä. Mann-Whitney U-testillä saadut taulukossa 8 esitetyt merkitsevyydet on saatu kaksisuuntaisesta testistä, jolloin merkitsevät tulokset (P < 0,05) tulkitaan siten, että vertailtavissa otoksissa virtausnopeuden keskimääräiset arvot ovat erisuuria. Testi toteutettiin myös yksisuuntaisena, jolloin merkitsevien tulosten osalta (P-arvot 0,000, 0,001 ja 0,004) päädyttiin myös nollahypoteesiin hylkäämiseen. Yksisuuntaisen testin P-arvo saadaan kertomalla kaksisuuntaisen testin arvo kahdella, jolloin tulos osoittaa otosten välisen eron lisäksi eron suunnan. Mann Whitney U -testin tulosten perusteella 88

89 voidaan todeta, että RLGIS:n laskemat virtausnopeudet ovat virtausverkon korjaamisen jälkeen tilastollisesti suurempia niissä kohdissa, joissa eroosiota on tapahtunut, kuin kohdissa, joissa eroosiota ei ole tapahtunut. Mallin ennustuskyvyn tarkkuudesta tai luotettavuudesta ei sen sijaan voida tämän perusteella tehdä johtopäätöksiä. Tilastollisista merkitsevyyksistä huolimatta virtausnopeuksien jakautumisessa eroosioluokkien välille tulee huomioida myös kuvassa 24a esitetty virtausnopeuksien epätasainen jakautuminen suurten virtausnopeuksien alueella Mallituloksen ja uomageometrian väliset korrelaatiot ja regressiot RLGIS mallituloksen ja maastossa mitattujen muuttujien väliset korrelaatiot ja regressiot on saatu vertaamalla kustakin havaintopisteestä mitattua dataa lähimpään vastaavaan RLGIS tulokseen (lähimmästä 10 m ojapätkästä poimittuun RLGIS tulokseen). Sekä korjaamattoman, että korjatun virtausverkon tapauksissa on jouduttu jättämään muutamia havaintopisteitä tarkastelun ulkopuolelle. Korjaamattoman virtausverkon analyyseistä on jouduttu jättämään pois uudisojien havaintopisteet, joita vastaavia ojia ei RLGIS tuloksessa ole. Virtausverkon korjauksen jälkeen on puolestaan jouduttu jättämään pois korjattujen risteyskohtien havaintopisteitä, joista havaintoja vastaavat uomasegmentit on poistettu kokonaan. Korrelaatio- ja regressioanalyysien käytössä oletetaan, että mallin laskemien muuttujien ja uoman dimensioiden välillä vallitsee lineaarinen riippuvuus. Muita analyysien käytön edellytyksiä on tarkasteltu SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) -ohjelman avulla. Regressioanalyysin yhteydessä havaintoaineiston normaalijakautuneisuutta testattiin standardoitujen residuaalien suhteen piirrettyjen histogrammien avulla. Residuaaleille piirretyt jakaumat noudattivat sekä Isokorven, että Rauhalan aineistoissa likimain normaalijakaumaa, joten analyysien yhteydessä esitettyjen merkitsevyyksien voidaan katsoa olevan luotettavia. Uoman dimensiomittauksista suoraan piirretyt histogrammit eivät ole kaikissa tapauksissa yhtä hyvin normaalijakautuneita kuin residuaalien suhteen piirretyt histogrammit, mutta myös näissä jakaumaoletus katsottiin täyttyvän riittävällä tarkkuudella. Jakaumien symmetrisyyttä pidettiin huipukkuutta tärkeämpänä tekijänä. Isokorven tutkimusalueelta uoman dimensioista kerätyn aineiston normaalijakautuneisuutta on havainnollistettu kuvassa 25. Normaalijakaumaoletusta testattiin lisäksi Kolmogorov-Smirnov -testillä, jonka perusteella mitatut muuttujat eivät noudata normaalijakaumaa. 89

90 Kuva 25. Isokorven tutkimusalueelta kerätyn uoman poikkileikkausprofiilia kuvaavan aineiston normaalijakautuneisuus. Isokorven ja Rauhalan tutkimusalueilta mitattujen muuttujien ja RLGIS tuloksen väliset korrelaatiot on esitetty taulukoissa Korrelaatiokertoimien taulukoista nähdään nopeasti kuinka vahvaa lineaarista riippuvuutta mitattujen muuttujien ja RLGIS mallituloksen välillä on. RLGIS laskentamenetelmästä johtuen tarkastelupisteeseen laskettu virtaama on suoraan verrannollinen valuma-alueen pinta-alaan. Tästä johtuen korrelaatiot ja regressiot ovat lähes samat riippumatta siitä, onko selittävänä tekijänä valuma-alueen pinta-ala vai virtaama. Näistä hajontakuviot on esitetty ainoastaan valuma-alueen pinta-alalle. Kaltevuuden suhteen tehdyissä regressioanalyyseissa tulokset olivat erittäin heikkoja, joten tässä yhteydessä riippuvuuksia ei ole havainnollistettu muutoin kuin korrelaatiokertoimilla. Keskeisimmät RLGIS tuloksen ja mittausdatan väliset riippuvuudet on esitetty korrelaatioiden, hajontakuvioiden ja regressioanalyysin avulla. Korrelaatiokertoimia sisältävien taulukoiden yhteydessä on esitetty otoskoosta riippuvat korrelaatioiden merkitsevyysrajat viiden ja yhden prosentin riskitasoilla. Kriittiset arvot on poimittu tilastotieteen kirjaan (Ranta ym. 1997) taulukoiduista korrelaatiokertoimen arvoista vastaamaan parhaiten käytettyä otoskokoa. Regressioanalyysin aineistona on käytetty samoja mittaustulos-rlgis -tulospareja kuin korrelaatiokertoimien laskennassa. Hajontakuvioiden suorasovitukset (regressiosuorat) on laskettu pienimmän neliösumman menetelmällä ja P-arvot kuvaavat lineaarista regressiota. Aineiston käsittelyvaiheessa analyyseja suoritettiin myös mm. logaritmimuunnetuille parametreille, mutta tilastollisesti merkitseviä tuloksia ei 90

91 löydetty. Tämän vuoksi tulosten esittämisessä on pitäydytty muuntamattoman aineiston lineaarisissa riippuvuuksissa. Taulukossa 9 on esitetty korrelaatiokertoimet dimensiomittauksessa Isokorven tutkimusalueelta kerättyjen muuttujien ja korjaamattoman virtausverkon RLGIS tuloksen välillä. Korrelaatiokertoimien laskennassa käytetty otoskoko ja siitä riippuvat kriittiset arvot on esitetty taulukon alapuolella. Taulukko 9. Korrelaatiokertoimet Isokorpi; korjaamaton virtausverkko. RLGIS* S [%] v [cm/s] Q [l/s] Ala [ha] S [%] 1,0000 v [cm/s] 0,6477 1,0000 Q [l/s] 0,1139 0,7212 1,0000 Ala [ha] 0,1104 0,7173 0,9989 1,0000 L p [cm] -0,0608 0,0008-0,0703-0,0706 L pv [cm] 0,0024 0,0913 0,0569 0,0568 L po [cm] -0,0077 0,0580 0,0473 0,0514 h [cm] 0,0143 0,0679-0,1313-0,1314 A oja [cm 2 ] -0,0013 0,0787-0,0652-0,0645 *n = 107 kpl; r = 0,195 (P = 0,05) ja r = 0,254 (P = 0,01) Taulukosta 9 havaitaan, että korjaamattomalla virtausverkolla saadut korrelaatiot eivät ole tilastollisesti merkitseviä, eli esitettyjen maastossa mitattujen jatkuvien muuttujien ja RLGIS mallituloksen välillä ei näytä olevan minkäänlaista lineaarista riippuvuutta. Suurimmat korrelaatiot ovat ojan syvyyden ja virtaaman sekä ojan syvyyden ja tarkastelupisteen yläpuolisen valuma-alueen pinta-alan välillä. Nämä korrelaatiot ovat kuitenkin negatiivisia ja näin riippuvuutta ei teorian valossa voida pitää järkevänä. Lähtöoletuksena lineaaristen riippuvuuksien tarkastelussa on, että RLGIS:n laskeman virtausnopeuden, kaltevuuden, virtaaman ja valuma-alueen pinta-alan kasvaessa uoman dimensioiden tulisi myös kasvaa. Taulukossa 9 esitettyjen muuttujien lisäksi korrelaatiot laskettiin myös uoman pohjan ja luiskien kasvipeitteisyysprosenttien osalle. Riippuvuuden suuruus oli suhteellisen voimakas, mutta tulokset jätettiin taulukoinnin ja tulosten tulkinnan ulkopuolelle aineiston ominaisuuksista johtuen. Kasvipeitteisyyden peittävyysprosentit on arvioitu silmämääräisesti vain 10 % tarkkuudella ja näiden muuttujien osalta aineisto poikkesi erittäin voimakkaasti normaalijakaumasta. Lisäksi tapahtuneesta eroosiosta huolimatta 91

92 etenkin uoman pohjan kasvipeitteisyys tyypillisesti vähenee niissä ojissa, joissa vesi virtaa suuren osan vuodesta. Isokorven alueen korjaamattoman virtausverkon osalta regressiot on esitetty RLGIS virtausnopeuden ja ojan päällyleveyden, ojan syvyyden ja ojan poikkipinta-alan välille sekä valuma-alueen pinta-alan ja ojan poikkipinta-alan riippuvuudelle. Regressioanalyysin tulokset on esitetty kuvassa 26. Kuva 26. Regressioanalyysin tuloksia Isokorven tutkimusalueelta; korjaamaton virtausverkko. Kuvan 26 mukaisesti hajonta mallituloksen ja uoman dimensioiden välillä on erittäin suurta. Regressioanalyysilla ei löydetty tilastollisesti merkittäviä riippuvuuksia mallituloksen ja mittausaineiston välillä, kun virtausverkko vastasi normaalia mallin käyttötilannetta eli korjaamatonta virtausverkkoa. Regressiosuorat ovat kuvassa 26 esitetyille muuttujille lähes vaakasuora, eikä muuttujien välillä näin voida katsoa olevan selkeää riippuvuutta. Heikot korrelaatiot ja regressiot voidaan alkuperäisellä virtausverkolla ajetussa mallituloksessa osittain selittää lukuisilla virtausverkossa esiintyvillä virheillä. Isokorven tutkimusalueen virtausverkon virheiden korjaamisen jälkeen RLGIS malli ajettiin uudestaan ja saatuja tuloksia verrattiin mittausaineistoon. Mallituloksen ja 92

93 mitattujen muuttujien väliset korrelaatiot virtausverkon korjaamisen jälkeen on esitetty taulukossa 10. Taulukko 10. Korrelaatiokertoimet Isokorpi; korjattu virtausverkko. RLGIS* S [%] v [cm/s] Q [l/s] Ala [ha] S [%] 1,0000 v [cm/s] 0,2645 1,0000 Q [l/s] -0,1845 0,6997 1,0000 Ala [ha] -0,1866 0,6993 0,9992 1,0000 L pä [cm] -0,0811 0,1993 0,1292 0,1293 L pv [cm] -0,0075 0,2115 0,1917 0,1904 L po [cm] -0,0328 0,2117 0,3447 0,3520 h [cm] -0,0656 0,1906 0,0723 0,0765 A oja [cm 2 ] -0,0646 0,2723 0,2004 0,2042 *n = 111 kpl; r = 0,195 (P = 0,05) ja r = 0,254 (P = 0,01) Virtausverkon korjaamisen jälkeen mallituloksen ja havaintoaineiston välillä on löydettävissä tilastollisesti merkitseviä korrelaatioita. Merkitsevänä tuloksena voidaan pitää laskennallisen virtausnopeuden ja uoman poikkileikkauspinta-alan välistä korrelaatiota r = 0,27 sekä uoman pohjan leveyden riippuvuutta virtaamasta ja valumaalueen pinta-alasta. Lähes merkitseviä n. 0,20 korrelaatioita esiintyy useiden muuttujien välillä. Huomattavaa kuitenkin on tilastollisista merkitsevyyksistä huolimatta korrelaatiokertoimien kauttaaltaan pienet arvot, joiden mukaan lineaariset riippuvuudet eivät ole voimakkaita. Ojan pohjan leveydelle saatuihin korrelaatioihin tulee suhtautua varauksella, koska pohjan leveyden mittauskohdan arviointi maastossa on erittäin tulkinnanvaraista ja lisäksi sedimentoitumiskohdissa virtausnopeuden hidastuminen lisää uoman pohjan leveyttä. Korrelaatiokertoimet laskettiin myös aineistolle, josta sedimentoitumiskohdat oli poistettu, mutta tulokset eivät oleellisesti poikenneet taulukossa 10 esitetyistä arvoista. Taulukoissa 9 ja 10 esitetyistä korjatun ja korjaamattoman virtausverkon avulla saaduista korrelaatiosta voidaan tehdä johtopäätös, että kaltevuuden ja uoman dimensioiden välillä ei ole lainkaan lineaarista riippuvuutta. Virtausverkon korjaamisen jälkeenkin korrelaatiot ovat oletuksesta poiketen negatiivisia ja erittäin heikkoja. Isokorven tutkimusalueen regressioanalyysin tulokset korjatulle virtausverkolle on esitetty kuvassa 27. Kuvaan on otettu mukaan voimakkaimmat riippuvuudet, joita mallituloksen ja mittausaineiston välille löydettiin. 93

94 Kuva 27. Regressioanalyysin tuloksia Isokorven tutkimusalueelta; korjattu virtausverkko. Virtausverkon korjaamisen jälkeen regressioanalyysilla saadaan mallituloksen ja mitatun aineiston välille muutamia tilastollisesti merkitseviä riippuvuuksia. Mallin laskemien virtausnopeuksien ja uomasta mitatun poikkipinta-alan välillä löydetty riippuvuus osoittautui voimakkaimmaksi. Tässäkin tapauksessa mallin selitysaste jää vain n 7 prosenttiin (R 2 = 0,0742), joten virtausnopeudella ei voida juurikaan selittää uoman poikkileikkausprofiilissa tapahtuneita muutoksia. Muuttujien välinen hajonta on virtausverkon korjaamisen jälkeen edelleen suurta. Tarkastelupisteen yläpuolisen valuma-alueen pinta-alan vaikutus uoman poikkipinta-alaan on virtausverkon korjaamisen jälkeen kääntynyt eroosioriskilaskennassa käytettävää oletusta vastaavaksi. Valuma-alueen pinta-alan kasvulla on kuitenkin erittäin heikko vaikutus uoman poikkipinta-alan kasvuun. Valuma-alueen pinta-alan suhteen piirretyistä hajontakuvioista havaitaan, että suurin osa mittausdatasta on kerätty alle 10 hehtaarin valuma-alueilta. Rauhalan tutkimusalueelta kerätylle aineistolle tehtiin vastaavat analyysit, kuin Isokorven aineistolle. Rauhalasta kerätty mittausaineisto on määrältään lähes puolet pienempi kuin Isokorven aineisto, mutta se jakautuu ojitusalueelle tasaisemmin. Mittauspisteiden lukumäärä on riittävän suuri (n = 66), jotta käytettyjä tilastollisia 94

95 menetelmiä voidaan pitää perusteltuina. Rauhalan tutkimusaineistolle saadut korrelaatiokertoimet korjaamattomalle virtausverkolle on esitetty taulukossa 11. Taulukko 11. Korrelaatiokertoimet Rauhala, korjaamaton virtausverkko RLGIS* S [%] v [cm/s] Q [l/s] Ala [ha] S [%] 1,0000 v [cm/s] 0,6256 1,0000 Q [l/s] 0,0253 0,6390 1,0000 Ala [ha] 0,0223 0,6403 0,9997 1,0000 L pä [cm] 0,0903 0,1404 0,1111 0,1092 L pv [cm] -0,0612 0,1166 0,1501 0,1534 L po [cm] -0,0413 0,0979 0,1915 0,1935 h [cm] 0,0214 0,2149 0,0822 0,0840 A oja [cm 2 ] -0,0234 0,1709 0,0992 0,0996 *n = 66; r = 0,273 (P = 0,05) ja r = 0,354 (P = 0,01) Rauhalan ojitusalueella mallituloksen ja uoman dimensioiden väliset korrelaatiot ovat oletusarvoilla ajetussa mallissa parempia kuin Isokorven aineistossa. Tämä johtunee osaltaan virtausverkon yksinkertaisuudesta sekä siitä, että suurin osa mittausdatasta on keskitetty kahteen laskuojaan. Korrelaatiokertoimet ovat parhaimmillaan 0,2:n luokkaa, mutta aineiston pienuudesta johtuen tilastollista merkitsevyyttä tuloksilla ei ole. Regressioanalyysin tulokset Rauhalan tutkimusalueelle on esitetty hajontakuvioiden avulla kuvassa

96 Kuva 28. Regressioanalyysin tuloksia Rauhalan tutkimusalueelta; korjaamaton virtausverkko. Myös Rauhalan tutkimusalueelta kerätyissä uoman dimensioissa esiintyy paljon hajontaa RLGIS:n laskemien virtausnopeuksien ja valuma-alueen pinta-alojen suhteen. Regressiosuorat näyttävät olevan hieman nousevia, mutta laskettujen P-arvojen mukaan on suuri todennäköisyys sille, että havaittu riippuvuus on täysin sattumanvaraista. Virtausnopeuden suhteen laskettujen korrelaatioiden ja regressioiden tulokseen vaikuttaa osaltaan se, että suuri osa aineistosta (n. 20 %) on kerätty alueelta, jossa malli ennustaa virtausnopeutta on 0 cm/s. Uomaverkossa havaittujen virheiden ja valuma-aluerajauksen korjaamisen jälkeen riippuvuudet mallituloksen ja mittausaineiston välillä paranivat myös Rauhalan tutkimusalueella. Eri muuttujien väliset korrelaatiokertoimet on esitetty taulukossa

97 Taulukko 12. Korrelaatiokertoimet Rauhala, korjattu virtausverkko. RLGIS* S [%] v [cm/s] Q [l/s] Ala [ha] S [%] 1,0000 v [cm/s] 0,5872 1,0000 Q [l/s] -0,0170 0,6147 1,0000 Ala [ha] -0,0165 0,6156 0,9998 1,0000 L pä [cm] 0,0860 0,2708 0,3003 0,2976 L pv [cm] -0,0731 0,2293 0,3173 0,3178 L po [cm] -0,0536 0,3755 0,6091 0,6049 h [cm] 0,0399 0,0002-0,2554-0,2502 A oja [cm 2 ] -0,0125 0,1178 0,0275 0,0295 *n = 66; r = 0,273 (P = 0,05) ja r = 0,354 (P = 0,01) Taulukon 12 mukaisesti mallin laskemat virtausnopeudet ja valuma-alueen pinta-alat selittävät mitatuista muuttujista parhaiten poikkileikkausprofiilin leveyksiä. Virtausnopeuden ja uoman syvyyden välinen korrelaatio on erittäin heikko ja valumaalueen pinta-alan kasvaessa uoman syvyys näyttäisi tuloksen mukaan pienenevän. Valuma-alueen kasvamisen ja uoman syvyyden välisen riippuvuuden suuntaa voidaan osaksi selittää toisen laskuojan alapäässä sijaitsevalla sedimentoitumisalueella, jossa ojan syvyydet ovat erittäin pieniä. Sedimentoitumiskohdissa uoman pohjan leveys on kasvanut voimakkaasti, joka edelleen vaikuttaa valuma-alueen pinta-alan ja uoman pohjan leveyden voimakkaaseen korrelaatioon. Voimakkaasti sedimentoituneiden mittauspisteiden poistamisella aineistosta valuma-alueen pinta-alan ja syvyyden välinen korrelaatio muuttuu heikosti positiiviseksi ja korrelaatio pohjan leveyteen laskee n. 0,4:ään. Kaikkien sedimentoitumiskohtien poistamista aineistosta ei katsottu tarpeelliseksi, sillä lähes 40 %:ssa mittauspisteitä on tulkittu tapahtuneen jonkin asteista sedimentoitumista. Rauhalan tutkimusalueelta kerätylle aineistolle ja korjatulle mallitulokselle piirrettyjä hajontakuvioita on esitetty kuvassa

98 Kuva 29. Regressioanalyysin tuloksia Rauhalan tutkimusalueelta; Korjattu virtausverkko. Kuvassa 29 esitetyt tulokset ovat samansuuntaisia Isokorven alueella korjatulla virtausverkolla saatujen tulosten kanssa. Tilastollisesti riskitasolla 0,05 merkitseviä riippuvuuksia on muutamia, mutta mallin selitysasteet ovat edelleen pieniä. Isokorven alueesta poiketen, Rauhalassa mallitulos näyttää selittävän paremmin uoman poikkileikkauksen leveyksiä (L p, L pv ja L po ), kuin laskettuja poikkipinta-aloja. 6.3 Mallin herkkyysanalyysi Mallin herkkyyttä käyttäjän määrittämiin lähtöarvoihin arvioitiin Manningin karkeuskertoimen, mitoittavan keskiylivaluman sekä laskennassa käytettävän uoman pohjan leveyden ja luiskan kaltevuuden osalta. Isokorven ja Rauhalan tutkimusalueilta saadut virtausnopeuden kumulatiiviset jakaumat on esitetty kuvassa 30. Selitetauluissa on kuvattu paksunnettuna mallin käyttämät oletusarvot ja virtausnopeuksien suuruutta on havainnollistettu maalajitteiden rajanopeuksien avulla. Esitettyjen maalajitteiden rajanopeuksien suuruudet on poimittu kirjallisuudesta kullekin tyypillisesti esitetyistä arvoista (Maankuivatuksen suunnittelu 1986, Seuna & Vehviläinen 1986, Pajula & Järvenpää 2007). Rauhalan ja Isokorven tutkimusalueiden maaperät olivat suurelta osin 98

99 hiekkamoreenia, jonka rajanopeutena voidaan pitää kuvaajissa hiekalle esitettyä nopeutta. Tulokset on esitetty korjaamattomalla virtausverkolla ajetuille mallituloksille. a) b) Kuva 30. Virtausnopeuden kertymäfunktiot mallin eri lähtöarvoilla a) Isokorven tutkimusalue b) Rauhalan tutkimusalue. 99

100 Oletuslähtöarvoilla ajettu mallitulos on vertailun vuoksi mukana kaikissa kuvan 30 kuvaajissa. Isokorven alueella virtausnopeuden mediaani (50 % fraktiili) oletuslähtöarvoilla on 50 cm/s, alakvartiili (25 % fraktiili) 36 cm/s ja yläkvartiiili (75 % fraktiili) 71 cm/s. Rauhalan tutkimusalueella oletusarvoilla ajetun mallin virtausnopeuksien mediaani on 24 cm/s alakvartiili 14 cm/s ja yläkvartiili 43 cm/s. Virtausnopeuden keskiarvo Isokorven alueella on 53,3 cm/s ja Rauhalassa 31,3 cm/s. Rauhalan tutkimusalueen virtausnopeuksien mediaani on huomattavasti pienempi kuin virtausnopeuksien keskiarvo, koska aineistosta n. 13 % on lähtöarvoista riippumatta 0- virtausnopeuksia. Isokorven alueella ojakaltevuudet ovat suuria ja siten myös laskennalliset virtausnopeudet ovat suurempia kuin Rauhalassa. Huomion arvoista oletusarvoilla ajetun mallin virtausnopeusjakaumissa on, että Rauhalan alueella n. 16 % ja Isokorven alueella peräti 35 % virtausnopeuksista ylittää soran kriittisen liikkeellelähtönopeuden. Hiekan kriittiset nopeudet puolestaan ylittyvät Rauhalassa 24 %:ssa ja Isokorven alueella 61 %:ssa uomasegmenteistä. Vertailun vuoksi Rauhalan alueelta kerätystä aineistosta eroosiohavaintoja tehtiin 27,3 %:ssa ja Isokorven aineistossa 37,4 %:ssa havaintopisteitä. Kuvassa 30 esitettyjen virtausnopeuden kertymäfunktioiden perusteella mallin lähtöarvoista erityistä huomiota tulisi kiinnittää Manningin karkeuskertoimen n sekä mitoitusvirtaamana käytettävän keskiylivaluman MHq arvoihin. Näistä etenkin keskiylivaluman muuttaminen on helposti perusteltavissa tarkasteltavan valuma-alueen ominaisuuksien ja maantieteellisen sijainnin mukaan. Manningin karkeuskertoimelle on vaikea valita täsmällistä koko valuma-aluetta kuvaavaa arvoa ja kokeellisesti määritettävänä kertoimena sen muuttaminen valuma-alueiden välillä on myös vaikeaa. RLGIS eroosioriskilaskennassa oletusarvona käytettävä karkeuskerroin n = 0,022 on poimittu Kuuskosken (1968) esittämästä kaivettujen tai ruopattujen uomien karkeuskertoimia listaavasta taulukosta (Leinonen 2009). Oletusarvona käytettävää keskiylivalumaa 100 l/s/km 2 voidaan tarkentaa ennen RLGIS mallin ajamista alueelta käytettävissä olevista virtaamatiedoista tai ylivaluman määritykseen tarkoitetuista nomogrammeista (esim. Kaitera 1949, Mustonen 1969 ja Kuusisto 1985, ks. Hyvärinen & Puupponen 1986) tai Seunan (1983) esittämien aineistojen ja kaavojen avulla. Valuman 100 l/s/km 2 on havaittu kuljettavan suuren osan vuosittaisesta kiintoainekuormasta Keski-Suomessa (Marttila & Klöve 2010). 100

101 Virtausnopeus on Manningin yhtälön (8) mukaan kääntäen verrannollinen karkeuskertoimeen n. RLGIS laskentamenetelmässä virtaama, hydraulinen säde ja kaltevuus lasketaan jokaiselle laskentapisteelle erikseen, joten karkeuskertoimen muuttaminen ei vaikuta laskennalliseen virtausnopeuteen näin suoraan. Isokorven alueella karkeuskertoimen kasvattaminen arvosta 0,022 arvoihin 0,025 ja 0,030 laskee mediaanivirtausnopeuden vastaavasti arvosta 50 cm/s arvoihin 46 cm/s ja 41 cm/s. Rauhalan alueella karkeuskertoimen kasvattaminen edellä esitetysti laskee mediaanivirtausnopeudet arvosta 24 cm/s arvoihin 22 cm/s ja 20 cm/s. Muutokset ovat siten alueiden välillä prosentuaalisesti lähes samat. Manningin kertoimen muuttaminen vaikuttaa virtausnopeuden absoluuttisiin arvoihin merkittävämmin suurilla virtausnopeuksilla (esim. 90 % fraktiilit), mutta suhteelliset muutokset säilyvät käytännössä lähes samana kaikilla kertymäfunktion F(x) arvoilla. Kuvaajissa käytettyjä karkeuskertoimen arvoja 0,025 ja 0,030 vastaavia arvoja voi esiintyä esim. soramaahan kaivetuissa uomissa (Chow 1959). Karkeuskertoimen arvo n = 0,015 ei ole käytännössä kivennäis- tai turvemaahan kaivetussa ojassa realistinen ja arvo 0,060 tulee kyseeseen lähinnä perkaamattomissa tai umpeenkasvaneissa ojissa (Chow 1959). Lähtöarvona käytettävän keskiylivaluman MHq kasvattaminen nostaa valuma-alueen laskennallisia virtausnopeuksia. Keskiylivaluman lisääminen kasvattaa suoraan tarkastelupisteen laskennallista virtaamaa ja siten myös uoman hydraulista sädettä ja edelleen virtausnopeutta. Isokorven tutkimusalueella valuman kasvattaminen oletusarvosta 100 l/s/km 2 arvoihin 120 l/s/km 2, 150 l/s/km 2 ja 200 l/s/km 2 kasvattaa mediaanivirtausnopeutta vastaavasti arvosta 50 cm/s arvoihin 54 cm/s, 58 cm/s ja 64 cm/s. Rauhalan ojitusalueella mediaanivirtausnopeudet muuttuvat vastaavilla valuman lisäyksillä arvosta 24 cm/s arvoihin 26 cm/s, 28 cm/s ja 30 cm/s. Keskiylivaluman lisäys vaikuttaa virtausnopeuksien absoluuttisiin arvoihin merkittävämmin aineiston suurilla virtausnopeuksilla kuin pienillä. Esimerkiksi Isokorven tutkimusalueelle oletusarvoilla ajetun mallin alin 10 % fraktiili saa arvon 22 cm/s ja ylin 10 % arvon > 91cm/s. Keskiylivalumalla 150 l/s/km 2 ajetussa mallituloksessa virtausnopeuksista alin 10 % saa arvon 26 cm/s ja ylin 10 % arvon > 103 cm/s. Kaivetun metsäojan pohjan leveys voi vaihdella ojitusalueittain hyvinkin paljon. Muutokset uoman pohjan leveydessä voivat johtua mm. maaperän ominaisuuksista, kaivumenetelmän epätarkkuudesta ja käytettävän ojakauhan koosta. Lisäksi samankin ojitusalueen sisällä sarkaojat ja laskuojat on voitu kaivaa erikokoisiksi. RLGIS 101

102 laskentamenetelmässä uoman pohjan leveyden kasvattaminen pienentää uoman hydraulista sädettä ja siten edelleen laskennallista virtausnopeutta (kun Q ja S vakioita). Isokorven tutkimusalueella pohjan leveyksiä 20 cm, 25 cm ja 30 cm vastaavien virtausnopeuden kertymäfunktioiden mediaanit ovat 53 cm/s, 50 cm/s ja 48 cm/s ja Rauhalan alueella 25 cm/s, 24 cm/s ja 23 cm/s. Pohjan leveyden muuttaminen 20 prosenttiyksiköllä vaikuttaa virtausnopeuden jakaumaan hieman vähemmän kuin vastaavan suuruinen keskiylivaluman muuttaminen. Ojan pohjan leveyden muutos mallin lähtöarvoksi on perusteltua, mikäli kunnostusojituksessa käytettävän muotoojakauhan mitoista on saatavilla tarkempaa tietoa. Markkinoilla olevissa kauhamalleissa ojan pohjan leveyteen verrattavat muoto-ojakauhojen alaleveydet voivat vaihdella keskikokoisissa kauhamalleissa 20-30cm välillä (esim. PH-Works Oy 2010). Kertymäfunktiossa esiintyvä ojan pohjan leveys 50 cm vastaa pienellä kaivinkoneella kaivetun valtaojan pohjan leveyttä (Pajula & Järvenpää 2007). Ojaluiskan kaltevuuden pienillä muutoksilla ei havaita olevan juurikaan vaikutusta tutkimusalueille laskettuihin virtausnopeuksiin. Luiskan kaltevuuden vaikutus uoman poikkipinta-alaan ja hydrauliseen säteeseen on vähäinen, sillä pienillä virtaamilla myös vesisyvyydet uomassa ovat pieniä. Valtaojien luiskat saatetaan loiventaa huomattavasti tässä esitettyjä luiskankaltevuuksia pienemmiksi (Pajula & Järvenpää 2007), mutta mallin herkkyyden tarkastelu on rajattu vain muoto-ojakauhalla kaivettujen sarkaojien tarkasteluun. 6.4 Korkeusmallin virheet ja niiden vaikutus RLGIS tulokseen Laskuojan vaaitus RLGIS mallissa kaltevuudella on keskeinen vaikutus laskennalliseen virtausnopeuteen. Laskentayksiköiden kaltevuudet saadaan korkeusmallirasterista, joten siinä esiintyvät virheet ja epätarkkuudet heijastuvat suoraan laskennalliseen virtausnopeuteen ja edelleen tuotettuun eroosioalttiuteen. Rauhalan tutkimusalueella havaittua korkeusmallin virhettä pyrittiin arvioimaan uoman todellisen pituuskaltevuuden avulla. Tutkimusalueella laskuojaa vaaittiin n. 800 m matkalta siten, että uomasta saatiin selville sekä maan pinnan, että ojan pohjan kaltevuudet. Kartta vaaitusta ojasta Rauhalan tutkimusalueella on esitetty kuvassa

103 Kuva 31. Vaaittu laskuoja Rauhalan tutkimusalueella, taustalla RLGIS mallitulos virtausverkon korjaamisen jälkeen (Pohjakartta Maanmittauslaitos). Laskuojan vaaituksessa maanpinnan ja ojan pohjan korko luettiin 20 m välein. RLGIS:n käyttämästä korkeusmallista luotu ojan pituuskaltevuus on irrotettu vaaittua ojaa vastaavista RLGIS tulostiedoston ojasegmenteistä. Ojasegmenteille mallissa lasketut kaltevuusprosentit on muutettu korkeuden suhteellisiksi muutoksiksi kertomalla ojapätkien pituudet niiden kaltevuuksilla. Vaaitustulos sekä mallin ojalle laskema pituuskaltevuus on esitetty kuvassa 31. Kuvan ylälaidassa on esitetty maastossa tehdyt havainnot uoman pohjan syöpymisestä ja sedimentoitumisesta. Pistemäiset eroosiohavainnot on tulkinnan helpottamiseksi interpoloitu kattamaan koko uoman pituus. 103