Virtaus-kasvillisuus-sedimenttivuorovaikutus. uomassa: Ritobäckenin kolmivuotisen tutkimuksen tulokset. DI Kaisa Västilä

Transkriptio

1 Virtaus-kasvillisuus-sedimenttivuorovaikutus luonnonmukaisessa uomassa: Ritobäckenin kolmivuotisen tutkimuksen tulokset DI Kaisa Västilä

2 Tutkimuksen tavoitteina on ollut - tunnistaa millä kasvillisuuden ominaisuuksilla (korkeus, poikkileikkauksen peittävyys, massa ym.) voidaan kuvata kasvien vaikutusta virtaukseen - kehittää ja testata menetelmiä kasvillisuuden virtausvastuksen mallintamiseen - ymmärtää luonnonmukaisessa maatalousuomassa tapahtuvia sedimenttiprosesseja ja sedimentin lähteitä valuma-aluetasolla -selvittää, miten kasvillisuuden ominaisuudet vaikuttavat uomaeroosioon/kiintoaineen kasautumiseen -fokus tulvatasannekasvillisuudessa -> tietoutta kasvillisten uomien suunnitteluun, mitoitukseen ja ylläpitoon

3 Ritobäcken: luonnonmukainen maatalouden peruskuivatusuoma Sipoossa Valuma-alue 10 km 2 : 13% viljelyalueita, loppu pääosin metsiä ja soita Saa alkunsa Fiskträsk-järvestä, laskee Sipoonkorven kansallispuiston kautta Byabäckeniin ja edelleen Sipoonjokeen Maaperä savea-silttiä, uoma-aineksesta savea n % Keskivirtaama n. 115 l/s Uudenmaan ELY suunnittelutti tulvatasanteen keskivedenkorkeuteen, suunnittelu: Ympäristötekniikan insinööritoimisto Jami Aho (lisätietoa mitoituksesta ja suunnittelusta: Särkelä ym. 2011) Ennen kaivua Kaivun jälkeen Kaisa Västilä Vesitekniikka kaisa.vastila@aalto.fi

4 Virtaus-kasvillisuus-vuorovaikutus Ruohovartinen kasvillisuus: maastomittaukset luonnollisissa olosuhteissa Ritobäckenin kaksitasouomassa - eri vuodenaikoina ja vuosina - eri vesisyvyyksillä ja virtaamilla Puuvartinen kasvillisuus: kourukokeet Braunschweigissa - 5 tyypillistä tulvatasanteiden/luiskien lajia (pajuja, leppä, koivu, poppeli) - kasvien biomekaniikka - lehtien ja varren vaikutus

5 Virtaus-kasvillisuus-sedimenttivuorovaikutukseen liittyvät mittaukset Poikkileikkausgeometrian kehitys Jatkuvatoiminen virtaama- ja kiintoainemittaus Virtausvastus eri kasvikoealoilla Kasviominaisuuksien määritys (pinta-alat, massat, poikkileikkauksen peittävyys, vertikaalinen rakenne ym.) Västilä, K. & Järvelä, J Cohesive sediment dynamics in a vegetated two-stage drainage channel: the first year after floodplain excavation. RCEM 2011 conference. Kaisa Västilä Vesitekniikka Västilä, K. & Järvelä, J Environmentally preferable two-stage kaisa.vastila@aalto.fi drainage channels: considerations for cohesive sediments and conveyance. Intl. J. River Basin Management.

6 Level (m) Ruohovartiselle kasvillisuudelle poikkileikkauksen peittävyys oli paras ominaisuus kuvaamaan virtausvastusta (Manningin n) Peittävyys B x =kasvillisuuden peittämä poikkipinta-ala suhteessa veden alla olevaan kokonaisuomapinta-alaan (A veg /A total ) A veg Veden korkeus h veg Distance from bank (m) missä u=keskinopeus, R=hydraulinen säde ja S=energiakaltevuus Peittävyys ei kuitenkaan kuvannut hyvin harvemmassa kasvavia pajuja -> puuvartisille kasveille tarvitaan tarkempaa tietoa kasvillisuuden tiheydestä ja rakenteesta

7 Poikkileikkauksen peittävyyteen perustuvan yksinkertaisen virtausmallin soveltaminen Ritobäckenille Luhar & Nepf (2013): n g KH 1/ 2 1/6 C 2 1/ 2 3/ 2 1 B missä C=uoman vastuskerroin ilman kasveja, g=gravitaatiovakio, K=1 m 1/3 /s, H=vedenkorkeus ja B=kasvillisuuden peittämä suhteellinen poikkipinta-ala Malli toimi ilman kalibrointia kunhan C-arvo määritettiin erikseen yhdelle syksy- ja yhdelle kevättilanteelle. Keskivirhe Manningin n:ssä eri vuodenaikoina oli 6-17%.

8 Puuvartisen kasvillisuuden virtausvastuksen (f tot ) estimointi lehtialan (A L ) ja varsialan (A B ) avulla Västilä & Järvelä (2014): f '' tot 4 A B ALC D, F missä A B =pohjan pinta-ala, C Dχ =vastuskerroin, χ=muotoutumiskerroin, u m =keskinopeus, u χ =0.2 m/s ja alaindeksit F ja S tarkoittavat erikseen lehdille ja varrelle määritettyjä parametreja. Parametrien arvot eri 5 tyypilliselle tulvatasannepuulajille esitetty julkaisussa Västilä & Järvelä (2014). u u m, F F A C S D, S u u m, S S Keskivirhe f :ssa eri lajeille: 6-24 %. Lehtiala Menetelmän soveltamiseksi jo tutkituille lajeille tarvitsee vain tiedon A L :stä ja A B :stä. Menetelmää voi käyttää esim. arvioimaan pajupistokkaiden tai -pensaiden vaikutusta virtaukseen Varsiala

9 Net erosion (g/s), incoming SSC (mg/l) Discharge (m 3 /s) Uomaeroosio ja -kasautuminen v. 06/ /2012 Nettokasautuminen hallitseva prosessi 200 m pituisella tutkimusalueella Kiintoainetta kasautui tulvatasanteelle suurilla pitoisuuksilla, erityisesti syyssateilla -> paransi vedenlaatua virtaamahuippujen aikana Korkeiden virtaamien laskuvaiheessa havaittu alhainen kiintoainepitoisuus osoittaa, ettei merkittävää uomaeroosiota tapahtunut myöskään yläpuolisessa 2-tasouomassa suurin osa kiintoaineesta peräisin valuma-alueelta (pelloilta) (Västilä & Järvelä 2011c) 200 Nettoeroosio erosion Incoming Kiintoainepitoisuus SSC Discharge Virtaama 1.6 Negatiivinen nettoeroosio tarkoittaa, että uomaan kasautui kiintoainesta Day Päivä (Västilä & Järvelä, 2013)

10 Kasvillisuuden ominaisuuksien vaikutus sedimentin kasautumiseen eri osissa uomaa 2 vuoden aikana Kasvillisuuden suurin upoksissa oleva korkeus selitti kasautumista paremmin kuin muut tutkitut kasviominaisuudet Kasautuminen oli sitä suurempaa, mitä suurempi oli kasvillisuuden suurin upoksissa oleva korkeus Kasautumista tasanteelle rajoitti joillakin koealoilla se, että suurimmat flokit olivat kasautuneet jo ennen kyseistä koealaa (kiintoaineen vähäisempi saatavuus)

11 D10-, D50-, D90 (μm) Kiintoaineen ominaisuudet Kiintoaineen rakeisuutta tutkittiin laser-perusteisella partikkelikokoanalysaattorilla Kiintoaine oli flokkimuodossa 2-5-kertaa suurempaa kuin yksittäisinä primääripartikkeleina -> voi merkittävästi suurentaa aineksen kasautumista (Siitonen ym. 2014) Partikkelifosforipitoisuus oli suoraan verrannollinen kiintoainepitoisuuteen (Janne Jurmun kandityö, 2013) D10 D50 D90 D10, sonikoitu D50, sonikoitu D90, sonikoitu Kiintoainepitoisuus (mg/l) (Siitonen ym. 2014) (Jurmu 2013)

12 % finer Kasautunut aines 2 vuoden aikana kasautui 200 m tasanteelle n. 6% kulkeutuvasta kiintoaineksesta Kasautunut sedimentti oli pääosin savea ja silttiä Savi-siltti-kokoluokan kiintoaines oli kasautuessaan aggregoituneessa muodossa Vaikutukset ravinteisiin ja veden laatuun Kasautuminen vaikuttaa myös partikkelifosforin prosesseihin (Jurmu 2013) Sample 2.1, particle size analyzer Sample 2.1, hydrometer Sample 3.1, particle size analyzer Sample 3.1, hydrometer Grain size (μm) (tulvatasanteelle kasautunueen sedimentin rakeisuus; Niina Siitosen diplomityöstä)

13 Tutkimustulosten hyödyntäminen uomien suunnittelussa/ylläpidossa Kasvillisuuden aiheuttaman virtausvastuksen arvioiminen pienissä uomissa ja tulvatasanteilla -> tulvan leviämisen mallintaminen eri vuodenaikoina -> kasvillisuuden hallinta virtausvastuksen/tulvimisen kannalta Sedimenttiprosessien hallinta kasvillisuuden ominaisuuksien avulla -> millaista luiska/tasannekasvillisuuden tulee olla, että se suojaa uomaeroosiolta -> millaista kasvillisuuden tulee olla, jotta sedimenttiä kasautuu/ei kasaudu esim. tulvatasanteille Sedimenttiprosessien ymmärtäminen valuma-aluetasolla -> päästään käsiksi ongelmien syihin -> toimenpiteiden optimointi

14 Johtopäätökset Sekä ruoho- että puuvartisen kasvillisuuden virtausvastus voitiin arvioida kehitetyillä ja testatuilla menetelmillä -> menetelmiä ja parametrien arvoja voidaan käyttää muihin uomiin joissa on vastaavaa kasvillisuutta Kaksitasouoma paransi vedenlaatua: vaikutukset kiintoaineeseen ja partikkelifosforiin Hieno kiintoaines oli aggregoituneessa muodossa, mikä lisää kasautumista Virtaus-kasvillisuus-sedimentti-vuorovaikutuksen ymmärtäminen auttaa suunnittelemaan uomia ja ylläpitämään tasannekasvillisuutta siten, että halutut tavoitteet saavutetaan (esim. kasautuminen tasanteelle tai virtausvastuksen pienentäminen tietylle tasolla) Kasautumisen kannalta on tärkeää, että kiintoainetta leviää pääuomasta tulvatasanteelle säännöllisin välein toistuvat matalan tasannekasvillisuuden alueet kasvattavat merkittävästi kasautumista

15 Lisätietoja Jurmu, J Luonnonmukaisen uoman sisäisten prosessien vaikutus fosforin kulkeutumiseen. Kandidaatintyö, Aalto-yliopisto. Siitonen, N Cohesive sediment properties in an agricultural two-stage channel. Diplomityö, Aalto-yliopisto. Siitonen, N., Västilä, K. & Järvelä J Hienojakoisen sedimentin kulkeutuminen ja kasautuminen maatalousuomissa. Hyväksytty Vesitalous-lehteen. Särkelä, A., Aulaskari, H. & Västilä, K Luonnonmukaisen kuivatushankkeen vesistövaikutukset ja uomassa tapahtuvat muutokset. Loppuraportti. Västilä, K., Jalonen, J. & Järvelä, J Sedimenttiprosessien vaikutukset luonnonmukaisten uomien suunnitteluun. Vesitalous 2011(4): Västilä, K. & Järvelä, J. 2011a Cohesive sediment dynamics in a vegetated two-stage drainage channel: the first year after floodplain excavation. Proceedings of River, Coastal and Estuarine Morphodynamics 2011 conference, 6-9 Sep 2011,Beijing. Västilä, K. & Järvelä, J. 2011c Environmentally preferable two-stage drainage channels: considerations for cohesive sediments and conveyance. Intl. J. River Basin Management. DOI: / Västilä, K. & Järvelä, J Suspended sediment transport in a vegetated agricultural channel. Proceedings, 8th Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics RCEM, 9-13 June 2013, Santander, Spain. Västilä, K., Järvelä, J & Aberle, J Characteristic reference areas for estimating flow resistance of natural foliated vegetation. J. Hydrol., 492, 49 60, doi: /j.jhydrol Västilä, K. & Järvelä, J Modeling the flow resistance of woody vegetation using physically-based properties of the foliage and stem. Lähetetty arvioitavaksi Water Resources Research-lehteen.

16 Kiitos! Tutkimusta ovat tukeneet Suomen Akatemia, Maa- ja vesitekniikan tuki ry, Maa- ja metsätalousministeriö, Oskar Öflundin säätiö, Emil Aaltosen säätiö ja VALUE-tutkijakoulu. Kiitos Uudenmaan ELY-keskukselle ja Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistykselle tutkimusta edistäneestä hyvästä yhteistyöstä. Kaisa Västilä Vesitekniikka Aalto-yliopisto