Liminganjoen valuma-alueen kunnostustoimenpiteiden vaikutus Liminganjärven vedenpinnankorkeuteen sekä Liminganjoen virtaamiin ja vedenlaatuun

Transkriptio

1 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Diplomityö Liminganjoen valuma-alueen kunnostustoimenpiteiden vaikutus Liminganjärven vedenpinnankorkeuteen sekä Liminganjoen virtaamiin ja vedenlaatuun Oulussa Tekijä: Pirkko Mustamo Työn valvoja: Bjørn Kløve Professori Työn ohjaajat: Timo Yrjänä FT Arto Lehto Insinööri (ylempi AMK)

2 1 OULUN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Tiivistelmä opinnäytetyöstä Osasto Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Tekijä Mustamo Pirkko Laboratorio Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorio Työn valvoja Kløve Bjørn, prof. Työn nimi Liminganjoen valuma-alueen kunnostustoimenpiteiden vaikutus Liminganjärven vedenpinnankorkeuteen sekä Liminganjoen virtaamiin ja vedenlaatuun Oppiaine Vesitekniikka Työn laji Diplomityö Aika Toukokuu 2010 Sivumäärä Tiivistelmä Tässä diplomityössä tutkittiin Liminganjärvelle suunnitellun pohjapadon ja ruoppauksen vaikutusta Liminganjärven vedenpintaan ja Liminganjoen virtaamiin huomioiden erityisesti yli- ja alivirtaama-ajat. Työssä tutkittiin seitsemää erilaista pohjapatovaihtoehtoa ja kahta ruoppausvaihtoehtoa. Liminganjärven tulovirtaama mallinnettiin GSSHA-ohjelmalla ja pohjapadon vaikutus Liminganjärven alapuolisen Liminganjoen virtaamaan HEC-RAS- ja Reservoir Routing-malleilla. Lisäksi työssä mallinnettiin Reservoir Routing-mallilla Liminganjokeen laskeviin ojiin mahdollisesti rakennettavien kosteikkojen vaikutuksia Liminganjoen virtaamiin. Työssä arvioitiin myös Liminganjokeen laskeviin ojiin mahdollisesti rakennettavien kosteikkojen vaikutusta Liminganjoen vedenlaatuun. Liminganjärven vedenpinnan nostaminen Liminganjokeen rakennettavalla pohjapadolla ei todennäköisesti suurenna tulvahaittoja Liminganjärven alueella. Liminganjoen mallinnettu virtaama pysyi tehokkaimmalla patovaihtoehdolla kolme viikkoa nykyistä pidempään työssä määritetyn tavoitevirtaaman 0,2 m 3 /s yläpuolella. Tutkituilla ruoppausvaihtoehdoilla ei ole merkittävää vaikutusta Liminganjoen virtaamiin, kuten ei myöskään tässä työssä tutkituilla Liminganjokeen laskeviin ojiin rakennettavilla kosteikoilla. Tässä työssä tarkastelluilla kosteikoissa ei todennäköisesti tapahdu suurta liukoisen typen pidättymistä. Kiintoaineen, fosforin ja orgaanisen typen pidättyminen riippuu paljon kosteikkojen suunnittelusta, mutta Okkosen-Kursunojaan ja Vedenottamonojaan mahdollisesti rakennettavilla kosteikoissa sekä Tuhkasenjärvessä kokonaisfosforin poistuma on todennäköisesti yli 20 %, kiintoaineen poistuma arviolta n % ja kokonaistypen poistuma enimmillään 15 %. Kuitenkin näiden kosteikoiden kautta kulkevien ojien virtaama on alle 10 % koko Liminganjoen virtaamasta, joten kosteikkojen vaikutus koko joen vedenlaatuun jäisi vähäiseksi. Kaikki malleista saadut tulokset ovat suuntaa antavia. Tarkempiin tuloksiin päästäisiin laajemmalla virtaama- ja vedenpinnankorkeusaineistolla. Säilytyspaikka Oulun yliopisto, Tiedekirjasto Tellus Muita tietoja

3 2 University of Oulu Faculty of technology Abstract of thesis Department Process and Environmental Engineering Author Mustamo Pirkko Laboratory Water Resources and Environmental Engineering Supervisor Kløve B., prof. Name of the thesis The effects of restoration efforts in the watershed of the River Liminganjoki on the water level of the Lake Liminganjärvi and the flow and the water quality of the River Liminganjoki Subject Water Engineering Level of studies Master Thesis Date May 2010 Number of pages (appendix) Abstract The aim of this thesis was to find out how dredging the Lake Liminganjärvi and building a weir in the River Liminganjoki below the Lake Liminganjärvi affect the flow of the River Liminganjoki and water levels of the Lake Liminganjärvi. Particular attention was paid to the high-flow and low-low periods. This thesis examines the effects of seven different weir alternatives and two different dredging plans. Inflow to Lake Liminganjärvi was simulated using GSSHA model and the effect of the weir on the river flow below the Lake Liminganjärvi was modeled with both Reservoir Routing method and HEC-RAS. In addition, Reservoir Routing method was used to assess the effects of three alternative series of constructed wetlands on the flow of the River Liminganjoki. The ability of eight wetlands, located into streams joining the River Liminganjoki, to retain nutrients and solid material was also roughly estimated. Lifting the water level of the Lake Liminganjärvi would not cause a significant increase in the flood damage in the area surrounding the Lake Liminganjärvi. With the most efficient weir alternative, the calculated flow for the River Liminganjoki was greater than the target flow of 0.2 m 3 /s for three weeks longer than with the null alternative. The examined dredging alternatives did not have any significant impact on flow of the River Liminganjoki, and neither did any of the hypothetical series of wetlands in the ditches joining the River Liminganjoki. None of the wetlands examined in this thesis is likely to achieve high levels of nitrogen removal. Phosphorus retention depends on the attributes of a wetland, but out of the wetlands examined in this thesis, the wetland Tuhkasenjärvi and the hypothetical wetlands in the ditches Okkosen-Kursunoja and Vedenottamonoja are likely to achieve over 20 % phosphorus removal, approximately % solid matter removal and less than 15 % nitrogen removal. Only less than 10 % of the entire flow of the River Liminganjoki would pass through these wetlands, so the combined effect of the wetlands on the water quality of the River Liminganjoki would also be minor. The modeling results in this thesis should only be used with consideration of the limited extent of the river flow and lake water level data used as input data. Library location University of Oulu, Science Library Tellus Additional information

4 3 Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskukselle osana Liminganjoen ja järven kunnostushanketta. Haluan esittää kiitokset neuvoista ja opastuksesta työni valvojalle Bjørn Kløvelle sekä työni ohjaajille Arto Lehdolle ja Timo Yrjänälle Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskuksesta. Haluan kiittää myös muuta Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskuksen henkilökuntaa, erityisesti Auvo Hekkalaa ja Esa Panulaa, sekä Vesi- ja ympäristötekniikan laboratorion väkeä arvokkaasta avusta tämän työn tekemisessä. Erityisesti haluan kiittää Hannu Marttilaa hyvistä neuvoista ja avusta mallinnusohjelmien käytössä. Kiitokset Jenniina Lehdolle ja Toni Ojalalle hyvin sujuneesta yhteistyöstä. Kiitän myös perhettäni ja ystäviäni. Suurin kiitos tuesta ja rohkaisusta kuuluu Sannalle, joka on suhtautunut diplomityöjuttuihini suurella kärsivällisyydellä. Oulussa , Pirkko Mustamo

5 4 Sisällysluettelo TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT 1 Johdanto Liminganjoen vesistön keskeiset ongelmat Liminganjoen ja järven kunnostushanke Yleistä Liminganjoen ja järven kunnostushankkeesta Liminganjoen ja järven kunnostushankkeen yhteistyötahot Liminganjärven kunnostussuunnitelma Diplomityön tavoitteet Tutkimuksen teoreettinen tausta Vesistön lumensulamisen tai sateen vasteeseen vaikuttavat tekijät Järven pinnan nosto Esimerkki: Suomijärvi Kosteikon vaikutus vesistön virtaamaan Kosteikoiden vaikutus vesistön veden laatuun Yleistä ravinteiden pidätyksestä kosteikoissa Kosteikon tehokkuuteen vaikuttavat tekijät Millaiseen kosteikon tehokkuuteen on mahdollista päästä GSSHA-laskennan perusta GSSHA-ohjelma Pisteprosessit Integroidut prosessit Kosteikon toiminta GSSHA:ssa HEC-RAS laskennan perusta Reservoir Routing laskennan perusta Tutkimusalue ja sen olosuhteet Tutkimusalue Vedenlaatu vesistössä Virtaamat Liminganjoessa Liminganjoen ja järven historia Menetelmät Tavoitetilan arvioiminen... 50

6 4.2 Tutkitut Liminganjärven kunnostusvaihtoehdot Mittaukset Sadantatiedot Vesistömallijärjestelmä Purkautumiskäyrät Mallin rakennus WMS-käyttöliittymässä Korkeusmallin muodostus Uomaverkoston rakentaminen Maaperän ja maanpinnan ominaisuudet Järven ja kosteikkojen mallinnus GSSHA-malli Kalibrointi GSSHA-mallissa tehdyt ajot HEC-RAS Mallin rakentaminen Muuttumattoman virtauksen ( Steady-State ) mallin kalibrointi Muuttuvan virtauksen ( Unsteady-State ) mallin kalibrointi Reservoir Routing Liminganjärven mallinnus Kosteikkojen mallinnus Ravinteiden ja kiintoaineen pidättymisen arviointi Tulokset GSSHA HEC-RAS Muuttumaton virtaus Muuttuva virtaus Mallin herkkyys Manningin kertoimille Reservoir routing Eri pohjapatojen vaikutus vedenpinnankorkeuksiin Liminganjärvessä Ruoppauksen vaikutus vedenpinnankorkeuteen Liminganjärvessä Eri pohjapatovaihtoehtojen vaikutus virtaamiin Liminganjoessa Ruoppauksen vaikutus virtaamiin Liminganjoessa Kosteikkojen mallinnus Tulosten tarkastelu Pohjapatojen vaikutus Pohjapatojen vaikutus Liminganjoen virtaamiin ja Liminganjärven vedenpintaan

7 6.1.2 Padosta mahdollisesti aiheutuvien haittojen arviointi Ruoppauksen vaikutus Kosteikkojen mallinnus Mallien luotettavuus ja virhelähteet Tulosten sopivuus havaintoarvoihin HEC-RAS-mallin ja Reservoir Routing-mallin tulosten vertailu Mahdollisia virhelähteitä Ravinteiden ja kiintoaineen pidättyminen Johtopäätökset Lähdeluettelo LIITTEET

8 7 1 Johdanto 1.1 Liminganjoen vesistön keskeiset ongelmat Liminganjoessa on runsaasti vettä vain kevät- ja syystulvien aikana (kuva 1). Kuivaan aikaan, joka esimerkiksi kesällä 2009 kesti kesäkuun puolivälistä lokakuun loppuun, virtaama Liminganjoessa on hyvin pieni Liminganjärveltä suistolle asti (kuva 2), ja Limingan keskustassa joen varren asukkaat ovat valittaneet joen haisevan ja joen ulkonäön kärsivän veden vähyydestä. Huomioitavaa on, että Liminganjoki laskee Liminganlahteen, jonka alueesta osa kuuluu Natura 2000 verkostoon. Ongelmallista valuma-alueen ja Liminganjoen vähäisessä vesienpidätyskyvyssä on myös se, että sulamisvedet kulkeutuvat nopeasti suoraan Liminganlahteen, jolloin vain pieni osa sulamisvesien mukana kulkeutuvista ravinteista ja kiintoaineista pidättyy ennen Liminganjoen laskua Liminganlahteen. Kuva 1. Liminganjoki ennen Lumijoentien siltaa tulva-aikaan

9 8 Kuva 2. Liminganjoki Liminganjärven kohdalla alivirtaama-aikaan Suurin osa Liminganjoen vedestä tulee Yliojasta ja ennen Liminganjärveä Yliojaan liittyvästä Hirvinevan entiseltä turvetuotantoalueelta tulevasta Hirvilammenojasta (kuva 3). Ylioja muuttuu Liminganjoeksi Liminganjärven kohdalla. Sekä Liminganjoki että Ylioja ovat suurelta osalta perattuja uomia. Liminganjärvi on kuivattu kaivamalla Liminganjoelle uoma sen poikki. Kevättulva nostaa veden alueelle, joka Liminganjärvellä oli ennen kuivatusta, mutta lähes koko vanhan Liminganjärven pohja on tulva-ajan ulkopuolella kuivana. Kuivaan aikaan Liminganjärven pieni avovesialue (kuva 4) ei ole suorassa yhteydessä Liminganjokeen, sillä Liminganjoen uomaa reunustavat Liminganjärven kuivatuksen yhteydessä syntyneistä kaivumassoista rakennetut penkat. Liminganjoen ja Yliojan perkauksen ja Liminganjärven ja Heinijärven kuivatuksen lisäksi Liminganjoen valuma-alueen pieneen vedenpidätyskykyyn vaikuttaa se, että lähes kaikki Liminganjärven valuma-alueen metsät ja suoalueet ojitettiin tiheään pääasiassa luvuilla (Lehto 2009).

10 Kuva 3. Liminganjoen valuma-alueen kartta. 9

11 10 Kuva 4. Liminganjärven avovesialue Kuva J. Lehto. 1.2 Liminganjoen ja järven kunnostushanke Yleistä Liminganjoen ja järven kunnostushankkeesta Tämä diplomityö tehtiin Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskukselle osana Liminganjoen ja järven kunnostushanketta, joka puolestaan on osa pyrkimystä Vesipuitedirektiivissä (2000/60/EY) määriteltyyn hyvään vesistöjen tilaan Suomessa vuoteen 2015 mennessä. Liminganjoen ja järven kunnostushankkeessa pyritään mm. kosteikoilla vähentämään ravinnekuormitusta Liminganjokeen ja Liminganlahteen. Lisäksi pyritään lisäämään veden pidättymistä niin, että vettä olisi Liminganjoessa hyvin myös kesäaikana. Liminganjoen ja järven kunnostushankkeen tavoitteena on myös parantaa Liminganjoen vesistön monimuotoisuutta ja ekologista tilaa sekä lisätä sen virkistyskäyttömahdollisuuksia. Hanketta ovat rahoittaneet Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus, Metsäkeskus Pohjois-Pohjanmaa, Limingan kunta ja Limingan

12 11 jakokunta. Lisäksi hanke sai Maa- ja metsätalousministeriön rahoitusta usean tilan alueelle rakennettavan kosteikon suunnitteluun Liminganjoen ja järven kunnostushankkeen yhteistyötahot Metsäkeskus Pohjois-Pohjanmaa vastaa Liminganjoen valuma-alueella metsätalouden vesiensuojelun suunnittelusta ja laatii suunnitelman Liminganjoen valuma-alueen suometsien vesiensuojelusta. Muita Liminganjoen ja järven kunnostushankkeen yhteistyötahoja ovat: Limingan kunta ProAgria Oulu Limingan kylän jakokunta Metsästäjäin keskusjärjestö Oulun riistanhoitopiiri Jenniina Lehto teki Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskukselle insinöörityönä Liminganjärven kunnostussuunnitelman ja Toni Ojala Liminganjoen suiston ennallistamissuunnitelman. Liminganjoen ja järven kunnostushankkeen osana on laadittu Limingan maatalousalueiden monivaikutteisten kosteikkojen yleissuunnitelma (Harjula ja Mahosenaho, 2009). 1.3 Liminganjärven kunnostussuunnitelma Tässä diplomityössä tarkastellut kunnostusvaihtoehdot perustuvat osittain Lehdon (2009) laatimaan Liminganjärven kunnostussuunnitelmaan ja siinä esitettyihin kunnostusvaihtoehtoihin. Lehdon (2009) esittämät Liminganjärven ruoppausvaihtoehdot ovat seuraavat: Ruoppausvaihtoehto 1: Vesialue ruopataan ainoastaan järven länsipuolelle ja Liminganjoki käännetään kulkemaan mutkitellen järven itäpuolen kautta länsipuolen vesialueelle ja siitä edelleen jo olemassa olevaan uomaansa. Ruoppausalueen pinta-ala on ha. Ruoppausvaihtoehto 1 on esitetty kartalla kuvassa 5.

13 13 Lehto (2009) arvioi vedenpinnan noston hyödyiksi järven vesitilavuuden ja pinta-alan kasvun aiheuttaman kevättulvan ja muidenkin virtaamien tasoittumisen lisäksi Liminganjärven ja -joen virkistyskäyttömahdollisuuksien lisääntymisen, maiseman parantumisen, alueen luonnon monimuotoisuuden kasvun sekä rantakiinteistöjen arvon mahdollisen nousun. Liminganjärven vesitilavuus eri ruoppausvaihtoehdoilla on esitetty kuvassa 7. Negatiivisiksi vaikutuksiksi Lehto (2009) määrittää rantakiinteistöjen osien jäämisen veden alle sekä yhden tilan pellolle mahdollisesti koituvat vettymishaitat, kun vettymisrajan arvioidaan yksinkertaistetusti olevan 30 cm vedenpinnasta ylöspäin. Kuva 7. Liminganjärven vesitilavuus eri ruoppausvaihtoehdoilla. 1.4 Diplomityön tavoitteet Tämän diplomityön tavoite oli selvittää mahdollisen Liminganjärven kunnostuksen vaikutukset Liminganjoen virtaamiin huomioiden erityisesti yli- ja alivirtaama-ajat. Lisäksi tavoitteena oli arvioida, millaisia vaikutuksia Liminganjoen alivirtaamiin olisi kosteikkojen rakentamisella Liminganjoen valuma-alueelle. Tavoitteena oli myös mahdollisuuksien mukaan tarkastella mahdollisesti rakennettavien kosteikkojen vaikutusta kiintoaine- ja ravinnepitoisuuksiin Liminganjoessa.

14 14 2 Tutkimuksen teoreettinen tausta 2.1 Vesistön lumensulamisen tai sateen vasteeseen vaikuttavat tekijät Sadevesi (tai lumensulamisvesi) kulkeutuu uomaan joko suoraan sateena, pintavaluntana, maanpinnan alapuolisena virtauksena tai pohjavetenä. Suoraan uomaan tai sen reuna-alueelle satava vesi saa aikaan pian sateen jälkeen ilmenevän virtaaman, joka alkaa pienentyä heti sateen loputtua. Pintavalunta näkyy tyypillisesti seuraavana, nopeasti terävään huippuun nousevana ja sitten vähitellen laskevana virtaamana, jota suuri maaperän karkeus kuitenkin tasoittaa. Pintavalunta on merkittävä virtaamakäyrän tekijä vain alueilla, joissa vesi ei pääse imeytymään maaperään (esimerkiksi asuinalueet), eikä niinkään esimerkiksi ojitetuilla metsäalueilla. Maanpinnan alapuolinen virtaus näkyy viiveellä ja sen aiheuttaman virtaamajakso on muodoltaan laakeampi. Tämä osa uomaan tulevasta vedestä on erityisen merkittävä ojitetuilla metsäalueilla. Pohjavedestä tuleva perusvirtaama reagoi vain vähän ja suurella viiveellä sadetapahtumaan. Joen virtaaman vaste sadetapahtumaan on näiden osatekijöiden summa. (Brooks et al. 1991, s ) Kaitera (1949, ks. Mustonen 1986) esitti nomogrammin lumen sulamisesta aiheutuvan keskiylivalunnan määrittämiseksi. Kaiteran nomogrammissa keskiylivaluma riippuu valuma-alueen järvisyydestä, pinta-alasta ja keskimääräisestä lumen vesiarvon maksimiarvosta. Kaitera (1939) mukaan valuma-alueelta tulevaan tulvavirtaamaan vaikuttaa myös valuma-alueen muoto. Mitä pitemmän matkan vesi kulkee ääripisteestä purkautumispisteeseen, sitä enemmän virtaamahuippu tasaantuu. Mitä pitempään valunta pysyy tasaisena, sitä pienempi alueen koon ja muodon vaikutus aiheutuneeseen virtaamaan on. Järvet tasoittavat lyhytaikaisia purkautumisvaihteluita tehokkaasti. Järvessä vesimäärän lisääntyessä vedenpinta järvessä ei kohoa yhtä nopeasti kuin joen uomassa. Koska järven menovirtaama riippuu järven vedenpinnankorkeudesta, menovirtaaman vaihtelut eivät siis ole yhtä nopeita kuin tulovirtaaman vaihtelut. Järven pinnannousu jatkuu kunnes tulovirtaama on pienentynyt menovirtaaman tasolle. Järvet myös siirtävät virtaamahuipun ajankohtaa myöhemmäksi. Järvien virtaamaa tasaava vaikutus riippuu 1) järven pinta-alasta 2) lasku-uoman purkautumiskäyrästä ja 3) tulovirtaama-aallon kestosta. Järven menovirtaamahuippua madaltava vaikutus kasvaa lasku-uoman

15 15 padottavuuden kasvaessa ja järven pinta-alan kasvaessa sekä vähenee tulovirtaamaaallon pidetessä. Menovirtaamahuippu taas viivästyy sitä enemmän mitä suurempi järven pinta-ala on, mitä pidempi tulovirtaama-aalto on ja mitä enemmän lasku-uoma padottaa. Kaitera (1939) Kaitera (1939) kritisoi järviprosentin käyttämistä suoraan ylivirtaaman arvioinnissa alueelle. Hänen mielestään järven asemalla valuma-alueella on suuri merkitys: sivuväylässä oleva järvi voi itse asiassa korottaa tulvahuippua jos se viivyttää sivuuoman tulvahuipun sattumaan yhtä aikaa pääuoman tulvahuipun kanssa. Lisäksi järven vaikutus riippuu sen kautta kulkevien virtaamien suuruudesta. Kuusiston (1986) mukaan vesistön keskialivirtaama voidaan laskea seuraavilla kaavoilla 1-4. Keskialivirtaamalla tarkoitetaan tietyn havaintojakson vuosien pienimpien virtaamien keskiarvoa. talvialivirtaama: qmin w = 0,21 +0,19*L + 0,61*log F (1) Q min,w =F*(0,21 +0,19*L + 0,61*log F) (2) kesäalivirtaama: qmin s = -0,90 + 0,23 L + 0,68*log F + 0,014 W max 0,53 T m (3) Q min,s =F*(-0,90 + 0,23 L + 0,68*log F + 0,014 W max 0,53 T m ) (4) joissa qmin w, qmin s on valunta [ls -1 km -2 ] L on järvisyys [%] F on valuma-alueen pinta-ala [km 2 ] W max on keskimääräinen lumen vesiarvo [mm] T m on keskimääräinen vuoden lämpötila [ C]

16 Järven pinnan nosto Esimerkki: Suomijärvi Heikkilä (2004) mallinsi HEC-RAS-ohjelmalla pohjapadon rakentamisen vaikutusta Suomijärven menovirtaamiin ja vedenpinnankorkeuksiin. Suomijärvi oli vesistötöiden seurauksena mataloitunut ja umpeenkasvanut järvi, joka oli ennen vedenpinnan nostoa pinta-alaltaan 2,5 km 2, keskisyvyydeltään 0,5 m, keskimääräiseltä vesitilavuudeltaan 1,25 milj. m 3 ja keskimääräiseltä viipymältään 14,5 vrk. Järven valuma-alueen pinta-ala on 87 km 2, josta suota on n. 32 % ja järviä 6,9 km 2 (järvisyys 7,9 %). Kunnostuksen tavoite oli nostaa alivedenpintaa 0,3 m. Mallinnuksessa 29 cm nosto alivedenpinnankorkeudessa aiheutti 25 cm noston keskivedenpinnankorkeudessa, 14 cm noston keskiylivedenpinnankorkeudessa ja 10 cm noston ylivedenpinnankorkeudessa. Järven suunniteltu vesiala lisääntyisi 0,54 km 2, tilavuus 1,04 m 3, keskimääräinen syvyys 0,24 m ja keskimääräinen viipymä 11,2 vrk. Alivedenpinnankorkeus (NW) tarkoittaa havaintojaksolla mitattua pienintä vedenpinnankorkeutta, keskialivedenpinnankorkeus (MNW) havaintojakson vuosien pienimpien vedenpinnankorkeuksien keskiarvoa, keskivedenpinnankorkeus (MW) havaintojakson keskimääräistä vedenpinnankorkeutta, keskiylivedenpinnankorkeus (MHW) havaintojakson vuosien suurimpien vedenpinnankorkeuksien keskiarvoa ja ylivedenpinnankorkeus (HW) havaintojaksolla mitattua suurinta vedenpinnankorkeutta. Vastaavasti alivirtaama (NQ) tarkoittaa havaintojakson pienintä virtaamaa, keskialivirtaama (MNQ) havaintojakson vuosien pienimpien virtaamien keskiarvoa, keskivirtaama (MQ) havaintojakson keskimääräistä virtaamaa, keskiylivirtaama (MHQ) havaintojakson vuosien suurimpien virtaamien keskiarvoa ja ylivirtaama (HQ) havaintojaksolla mitattua suurinta virtaamaa. Suomijärven vedenpinnan laskennallinen 30 cm alivedenpinnan nosto ei vaikuttunut keskialivirtaamiin eikä alivirtaamiin merkittävästi, ja lisäsi keskiylivirtaamia ja ylivirtaamia n. 7 % (taulukko 1).

17 17 Taulukko 1. Virtaamien tunnuslukujen lasketut muutokset Suomijärven vedenpinnan nostossa (Heikkilä 2004). Tunnusluku Nykyinen [m 3 /s] Tuleva [m 3 /s] Muutos [m 3 /s] Muustos [%] HQ 10,66 11,37 +0, MHQ 5,76 6,19 +0, MQ 1,07 1,07 0, MNQ 0,20 0,19-0, NQ 0,05 0,06 +0, Heikkilän (2004) mukaan laskennalliset keskiylivirtaamat Satakunnan Suomijärven, Jämijärven, Sääksjärven ja Siikaisjärven alapuolisissa joissa lisääntyisivät 3,5-7,5 % kun järvien keskivedenpintaa nostettaisiin alle 31 cm (taulukko 2). Taulukko 2. Virtaamien ja vedenpintojen lasketut muutokset Satakunnan järvien nostoissa (Heikkilä 2004). Järvi F [km2] L [%] A [km2] MHQ [m 3 /s] MW:n nosto [m] MNW:n nosto [m] MHQ :n muutos MHQ:n muutos [%] [m 3 /s] Suomijärvi 89,80 6,90 2,80 5,76 0,24 0,29 0,43 7,5 Jämijärvi 348,40 3,45 8,80 22,15 0,30 0,47 1,01 4,6 Sääksjärvi 687,95 9,03 32,080 23,10 0,19 0,33 0,80 3,5 Siikaisjärvi 96,00 5,95 4,80 16,30 0,31 0,37 1,20 7,4 2.3 Kosteikon vaikutus vesistön virtaamaan Kosteikot voivat vaikuttaa vesistön virtaamiin kolmella eri mekanismilla: 1) valunta kosteikosta voi olla erilainen kuin sen ympäristöstä sen ominaisuuksien, kuten maaperän kosteuden ja kasvillisuuden, vuoksi, 2) kosteikot voivat hidastaa virtausta, koska niiden virtausvastus voi olla korkea ja 3) ne voivat toimia varastoaltaina ja

18 18 hidastaa tulvavesiä sekä lisätä alivirtaamia kun niihin varastoitunut vesi vähitellen vapautuu. Kosteikkojen vaikutusta vesistöön voidaan arvioida laskemalla vesistölle kosteikkoprosentti eli kuinka suuri kosteikkojen yhteispinta-ala on verrattuna koko valuma-alueen pinta-alaan. (Demissie ja Khan 1993, 1-2) Bullock ja Acreman (2003) tekivät systemaattisen kirjallisuuskatsauksen kosteikkojen vaikutuksesta hydrologiseen kiertoon tehdyistä tutkimuksista vuosina Tutkimuksessa kosteikot jaettiin viiteen luokkaan riippuen niiden sijainnista valumaalueella, niiden yhteydestä uomaverkostoon ja niiden yhteydestä pohjaveteen. On otettava huomioon, että Bullock ja Acreman sisällyttivät tutkimukseen hyvin erilaisia kosteikoita turvesoista luonnonlampiin ja rakennettuihin kosteikoihin. Bullock ja Acremanin mukaan 81 % aiheesta tehdyistä tutkimuksista osoittaa kosteikkojen vaikuttavan tutkittuihin veden kiertokulun komponentteihin joko niitä suurentavasti tai pienentävästi. Suurimman osan tutkimuksista (23/28) mukaan tulvatasanteen kosteikot pienentävät tai lykkäävät tulvia. Sen sijaan vain alle puolen (30/66) tutkimuksista mukaan vesistöjen latvojen kosteikot vähensivät virtaamahuippuja. Huomattavassa osassa tutkimuksissa (27/66) nämä kosteikot olivat korottaneet tulvahuippuja. Lisäksi 11/20 tutkimuksessa vesistöjen latvojen kosteikot nopeuttivat vesistön vastetta sateeseen ja lisäsivät tulvavirtaamien määrää vaikka tulvahuiput sinänsä eivät olleet kasvaneet. Novitzkin (1982) mukaan tulvahuiput ovat matalampia niissä vesistöissä, joiden valuma-alueen kosteikkoprosentti tai järvisyys eli järvien pinta-alan osuus vesistön valuma-alueesta on suuri. Novitzki (1982) tutki Wisconsin ssa 15 kosteikkokohteen hydrologiaa täydennettynä tutkimuskäynneillä 219 muulle kosteikolla. Vesistöt, joiden valuma-alueen järvisyysprosentti oli 40 %, saivat jopa 80 % matalamman tulvahuipun ja toisaalta 40 % korkeamman kevätvirtaaman määrän verrattuna täysin järvettömiin valuma-alueisiin Novitzkin (1982) tutkimus viittaa myös siihen, että vaikka jotkut kosteikot voivat lisätä pohjaveden määrää ja sitä kautta lisätä perusvirtaamia, yleisemmin kosteikot lisäävät kevätvirtaamien määrää valuma-alueelta ja pienentävät syksyn perusvirtaamia. Myös Demissien ja Khanin (1993) mukaan sekä tulvahuipun korkeudet että tulvavirtaamat ovat sitä pienempiä mitä suurempi kosteikkoprosentti on. Demissie ja Khan (1993) tutkivat 30 valuma-alueen (kosteikkoprosentit välillä 0,22-13,68 %)

19 19 virtaamia Illinoisissa tavoitteenaan selvittää valuma-alueen kosteikkoprosentin vaikutuksia virtaamiin vesistöissä. Tutkituilla valuma-alueilla kosteikkoprosentilla oli tulvavirtaaman määrään pienempi vaikutus kuin tulvahuippuihin. Keskimäärin kosteikkoprosentin kasvaessa 1 %:lla, tulvavirtaaman suhde keskimääräiseen sadantaan pieneni 3,7 %, tulvavirtaaman suhde huippusadantaan pieneni 2,6 % ja tulvavirtaaman suhde koko sadantaan pieneni 3,0 %. Tulvavirtaaman määrän suhde kokonaissadantaan pieneni 1,4 % kosteikkoprosentin kasvaessa 1 %:lla. Demissien ja Khanin (1993) tutkimuksessa havaittiin myös, että kosteikkoprosentin kasvu pienensi tulvahuippuja ja tulvavirtaaman määrää vuodenajasta riippumatta, kuitenkin eniten syksyisin. Kosteikon sijainnilla on vaikutusta kosteikon tehokkuuteen virtaamien tasaajana, ja esimerkiksi suoraan vesistöön liittyvä kosteikko saattaa tasata virtaamia enemmän kuin vesistöstä irrallinen kosteikko. Vaikka alempana vesistössä oleva suuri kosteikko saattaa tasoittaa tulvia tehokkaammin kuin vesistön latvoilla olevat pienemmät kosteikot, vesistön latvoilla olevat kosteikot tasoittavat tulvavirtaamia ja pienentävät virtausnopeuksia niin, että alavirran puolella joen penkat ja uoma kärsivät vähemmän eroosiosta. Samoin latvaosien kosteikoissa kasvillisuus pääsee paremmin vakiintumaan. (DeLaney 1995) Kosteikot tasaavat tulvia parhaiten jos ne sijoittuvat hierarkkisesti vesistöön, eli vesistön latvoilla on pieniä kosteikkoja ja kosteikkojen koko kasvaa siirryttäessä alemmaksi vesistössä. Hierarkkisesti sijoitettuna kosteikot voivat tasata virtaamia jopa 31 % enemmän kuin tasaisesti vesistön latvoille levitettyinä. suurempi tasaus virtaama. Hierarkkisesti sijoitetut kosteikot myös pidentävät merkittävästi enemmän aikaa, jolloin vesistössä virtaa havaittavasti vettä. (Cohen ja Brown 2007) Koskiaho (2006b) tutki Reservoir Routing-menetelmällä Hovin kosteikon (W/C=5,0 %, A tulva =0,60 ha, V tulva =4000 m 3 ) tulvia tasaavaa vaikutusta. Kosteikon menovirtaamaa sääti V-pato, jonka aukon kulma oli 30. Suurimmat tulovirtaamat olivat suuruudeltaan 84 l/s. Kosteikko tasasi tulvavirtaamia niin, että menovirtaamahuiput kosteikosta olivat keskimäärin kolme kertaa matalampia kuin tulovirtaamahuiput. Kosteikon tasaava vaikutus oli sitä selkeämpi, mitä suurempia tulovirtaamat olivat. Suurimmilla virtaamilla kosteikon virtaamahuippuja tasaava vaikutus oli jopa 80 %. Kosteikkojen vaikutus alivirtaamiin on epäselvä. Kahdessa kolmesta Bullockin ja Acremanin (2003) huomioimasta tutkimuksesta kosteikot pienentävät kuivien aikojen virtaamia alempana vesistössä, 20 % tutkimuksista kosteikot kasvattavat virtaamia

20 20 kuivina kausina. Näistä kosteikoista pohjavedestä riippumattomissa kosteikoissa neljässä tutkimuksessa havaittiin alivirtaama-ajan virtaamien kasvua ja viidessä vähenemistä. Myös esimerkiksi Eli ja Rauch (1982) vertasivat kosteikkovaltaisten valuma-alueiden ja kosteikottoman valuma-alueen hydrologiaa ja päätyivät siihen lopputulokseen, että ainakaan tutkituilla alueilla kosteikoiden vaikutus perusvirtaamiin ja vähän veden ajan virtaamiin on mitätön. Bullock ja Acreman arvelevat kuivan kauden virtauksien pienentymisen johtuvan siitä, että haihtuminen on suurempaa kosteikoista kuin muista maankäyttömuodoista: kahden kolmesta tutkimuksesta mukaan kosteikot lisäävät vuotuista haihduntaa tai vähentävät vuotuista kokonaisvirtaamaa vesistöissä. Tämä tulos ei näytä myöskään selkeästi olevan tietylle kosteikkotyypille tai maantieteelliselle alueelle ominainen. Toisaalta Kværnerin ja Kløven (2008) mukaan suolla on alivirtaamia kasvattava vaikutus, sillä turve varastoi lumensulamis- ja sadevesiä ja vapauttaa niitä vähän veden aikoina. Suon vaikutus riippuu sekä suon että menovirtaamaa kontrolloivien rakenteiden geometrisistä ominaisuuksista. Turvesoiden vaikutus on suurin tasaisilla alueilla valuma-alueen alaosassa (Kværner ja Kløve 2006). Demissien ja Khanin (1993) mukaan alivirtamaat kasvavat kosteikkoprosentin kasvaessa. Demissien ja Khanin (1993) tutkimuksessa virtaama, joka ylittyy 95 % todennäköisyydellä, kasvoi keskimäärin 7,9 % jokaista kosteikkoalan 1 % lisäystä kohti. Vaikutus oli ilmeisin kesäisin, syksyisin ja talvisin. Viljakainen (2000) laati Vantaa-joelle vesitaseen, jonka yhteydessä hän arvioi viiden, 10 ha 500 ha suuruisen, alle 1 m syvyisen kosteikon vaikutuksia Tuusulanjärveen laskevan Sarsalanojan virtaamiin. Sarsalanojan valuma-alueen pinta-ala on 19,21 km 2. Laskennassa käytettiin tulovirtaamana Suomen ympäristökeskuksen hydrologisesta mallista saatuja virtaama-arvoja ajalle , joissa suurin tulvavirtaama Sarsalanojassa oli n. 2,7 m 3 /s. Viljakaisen (2000) mallintama tulva kesti n. huhtikuun alusta toukokuun loppuun. Vasta 100 ha kosteikolla (W/C-suhde 5,2 %) olisi merkittävää tasausvaikutusta tulvaan (menovirtaamahuippu alle 2 m 3 /s), ja tasausvaikutus ulottuisi vain alkukesälle. Ainoastaan 500 ha kosteikon (W/C-suhde 26,0 %) vaikutus ulottuisi heinäkuulle saakka. Vain hyvin suurilla kosteikoilla on siis tämän tarkastelun mukaan merkittävää vaikutusta kesän kuivuusongelmiin.

21 Kosteikoiden vaikutus vesistön veden laatuun Yleistä ravinteiden pidätyksestä kosteikoissa Tärkein fysikaalinen prosessi ravinteiden pidättymiseen kosteikoissa on sedimentaatio. Osa sedimentaatiossa pidättyneistä, orgaanisiin aineisiin sitoutuneista ravinteista voi kuitenkin palata veteen orgaanisen aineen hajotessa tai adsorptoitunutta fosforia voi vapautua epäorgaanisista partikkeleista. Toinen fysikaalinen prosessi on partikkelien suodattuminen kosteikon karkeaan maaperään ja kasvillisuuteen. (Koskiaho 2006a) Biologisesti ravinteita pidättyy kasvillisuuden, levien ja mikro-organismien hyödyntäessä ravinteita, tosin ravinteet jäävät kosteikkoon pitemmäksi aikaa vain jos kasvien osat sedimentoituvat kosteikon pohjaan. (Koskiaho ja Puustinen 2005) Jätevedenpuhdistuksessa tärkeä prosessi on bakteerien aikaansaama ammoniumin (NH 4 - N) hapetus nitriitiksi ja nitraatiksi. Kuitenkin maatalouden vesiä puhdistettaessa suurin osa typestä on nitraattityppeä (NO 3 -N), jolloin denitrifikaatio eli nitraatin pelkistäminen typpikaasuihin (N 2, N 2 0) on tärkeämpi puhdistusprosessi. Denitrifikaatio vaatii toimiakseen paitsi nitraattityppeä myös orgaanisen hiilen lähteen sekä vähähappiset olosuhteet. Tämän vuoksi kosteikoissa pitää olla kasvillisuutta ja erisyvyisiä osia. Denitrifikaatio lisääntyy veden lämpötilan noustessa. (Koskiaho ja Puustinen 2005, Sirivedhin ja Gray 2006) Kemikaalisista pidätysmuodoista tärkein on liukoisen fosforin (fosfaattifosfori) adsorptio kosteikon maaperään eli fosforin sitoutumista rauta- ja alumiinipartikkeleihin. Fosforin adsorptio-desorptio-prosessi on tasapainoreaktio, johon vaikuttavat alumiini- ja rautaoksidien määrä, niiden kyllästyneisyys fosforista ja maaperän ph-olosuhteet. Ajan kuluessa maaperä kyllästyy fosforista, jolloin fosforin adsorptio hidastuu. Tämän vuoksi liukoinen fosforin pidättyy paremmin kosteikoissa, joiden maaperä on epäorgaanista kuin kosteikoissa, joiden maaperä on orgaanista. Hapettomat olosuhteet voivat aiheuttaa fosforin vapautumista raudan oksideista. (Uusi-Kämppä 2000, Koskiaho ja Puustinen 2005, Sirivedhin ja Gray 2006)

22 Kosteikon tehokkuuteen vaikuttavat tekijät 1. Kosteikkoon virtaavan veden määrä ja laatu Sade- ja lumensulamisvesien pienehköt ravinnepitoisuudet ja huomattavasti vaihtelevat virtaamien suuruudet vaikeuttavat kosteikkojen suunnittelua ja vähentävät tehokkuutta. Kevättulvan merkitys on suuri, sillä kevättulvan aikaan vesistöihin tulee suurin osa vuoden kuormituksesta. Yleisesti ottaen kosteikolla saatava ravinteiden pidätysprosentti kasvaa kosteikkoon tulevan veden ravinnepitoisuuden kasvaessa. Fosforin poistuma voi esimerkiksi kasvaa sisään tulevan veden fosforipitoisuuden noustessa lukemasta 0,1 kgha -1 y -1 lukemaan 100 kgha -1 y -1 (Kadlec 2005). Ravinteiden esiintymismuoto vedessä määrää, mitkä prosessit ovat tärkeimpiä kokonaispoistuman kannalta, mutta myös vedessä olevien partikkelien koko on tärkeä, sillä karkeammat partikkelit vaativat sedimentoituakseen huomattavasti lyhyemmän viipymän kosteikossa kuin hienojakoiset partikkelit. (Koskiaho ja Puustinen 2005) 2. Maaperä Maaperän suuri Fe- ja Al-pitoisuus parantavat fosforin adsorptiota happamissa olosuhteissa, ja Ca- ja Mg-pitoisuus emäksisissä olosuhteissa. Yleisesti ottaen fosforin adsorptio on tehokkaampaa kosteikoissa, joiden maaperä on epäorgaanista kuin kosteikoissa, joiden maaperä on orgaanista. Poikkeuksiakin on, esimerkiksi jos kosteikon maaperä on rautapitoista turvetta tai veden mukana tulee riittävästi anioneja. Denitrifikaation vaatimille bakteereille orgaaninen maaperä on yleensä parempi kuin epäorgaaninen. (Koskiaho ja Puustinen 2005, Sirivedhin ja Gray 2006) 3. Kasvillisuus ja muut kosteikon olosuhteet Kasvillisuuden aiheuttama lopullinen ravinteiden sitominen on vähäistä, sillä kasvillisuus hajoaa yleensä lopulta ja vapauttaa ravinteet. Kasvit vähentävät virtausnopeuksia ja saattavat siten lisäävät sedimentaatiota, toisaalta Stephan et al. (2005) mukaan varsinkin tiheä kasvillisuus voi vähentää sedimentaatiota. Kasvien juuret stabiloivat pohjan maaperää ja suodattavat osaltaan kosteikon vettä. Kasvit

23 23 toimivat alustana mikrobiologiselle kasvulle, millä on huomattava denitrifikaatiota lisäävä vaikutus. Kasvillisuus myös lisää hapen määrää maavedessä, mikä voi lisätä fosforin adsorptiota maaperään. (Koskiaho ja Puustinen 2005, Sirivedhin ja Gray 2006) Fosforin adsorptio tapahtuu parhaiten hapellisissa olosuhteissa. Vähähappiset olosuhteet, jotka taas ovat tärkeitä denitrifikaatioprosessille, voivat aiheuttaa maaperään adsorptoituneen fosforin vapautumista. Fosforin adsorption kannalta on myös tärkeää, että kosteikon maaperä ei ole valmiiksi fosforilla kyllästynyt. (Uusi- Kämppä 2000) 4. Veden lämpötila Veden lämpötila on tärkeä denitrifikaatioprosessille. Koskiaho ja Puustinen (2005) mukaan denitrifikaatiota tapahtuu lämpötilavälillä 0-30 C, ja 10 C nousu lisää prosessin nopeutta 1,5-3 kertaiseksi. Esimerkiksil Beutel et al. (2009) havaitsi nousun veden lämpötilasta 10 C lämpötilaan 20 C kolminkertaistavan typenpidätyksen määrän kosteikossa. Denitrifikaatiota ei juuri tapahdu alle 4 C lämpötiloissa (Sirivedhin ja Gray 2006). Veden lämpötila ei vaikuta merkittävästi fosforin pidättymiseen (Kadlec, 2005). Toisaalta Uusi-Kämppä (2000) varoittaa matalan lämpötilan voivan vaikuttaa fosforin adsorptio/desorptio-prosessiin keväisin ja aiheuttaa fosforin desorptiota rauta- ja mangaanipartikkeleista. 5. Kosteikon sijainti Kosteikolla saavutettava ravinteiden pidätysprosessi korreloi kosteikon pinta-alan ja kosteikon valuma-alueen pinta-alan suhteen kanssa (W/C-suhde). Mitä suurempi tämä suhde on, sitä pienempi on sisääntulovirtaama kosteikon pinta-alayksikköä kohti ja sitä suurempi veden viipymä kosteikossa. Jos halutaan yli 20 % typen poisto, pitää W/C-suhteen olla ainakin 2 %. (Ihme 1994 ja Hammer 1992, ks. Koskiaho ja Puustinen 2005). Fosforille riippuvuus ei ole yhtä selvä kuin typellä, mutta silti tilastollisesti merkittävä. Kosteikon toimivuus riippuu myös kosteikon hydraulisesta tehokkuudesta, johon vaikuttaa mm. kosteikon muoto ja josta riippuu

24 24 kosteikon todellinen viipymä. Woltemade (2000) painottaa, että on tärkeää, että mahdollisimman suuri osa vesistön vesistä kulkee jonkun kosteikon kautta: jos vain pari prosenttia vesistä käsitellään, kokonaisvaikutus vesistön vedenlaatuun jää myös pariin prosenttiin Millaiseen kosteikon tehokkuuteen on mahdollista päästä Kirjallisuuskatsauksissa typen ja fosforin poistuman kosteikoissa on havaittu vaihtelevan suuresti. Kokonaistypen (TN) poistolle on saatu sellaisia arvoja kuin 3-98 % tai %, nitraatti-nitriittitypen poistolle yli 95 % ja ammoniumtypelle 14-98%. Kokonaisfosforin (TP) poistumalle on saatu eri tutkimuksista arvoja 25 %:sta jopa yli 99 %:in. (Woltemade, 2000) Koskiaho (2006a, 58-62) mukaan Suomessa, jossa huomattava osa kuormituksesta vesistöön tulee kevät- ja syystulvien mukana, ja jossa lämpötilasta riippuvainen denitrifikaatio ei pääse poistamaan liukoista typpeä tehokkaasti, ei voida päästä kovin suuriin liukoisen typen pidätysprosentteihin. Fosforin pidätyksen osalta tilanne on parempi, sillä fosforia pidättyy ensisijaisesti sedimentaatiossa, johon taas veden lämpötila ei vaikuta, eikä myöskään liukoisen fosforin adsorptio ei ole lämpötilariippuvainen prosessi. Koskiaho korostaa, että varsinkin kosteikoilla, joiden W/C-suhde on pieni, kosteikon muotoilulla saavutettava hydraulinen tehokkuus on tärkeä kosteikon pidätystehokkuuden kannalta. Koskiaho ja Puustinen (2005) kokosivat yhteen Suomessa, USA:ssa ja Ruotsissa maanviljelyalueiden vesien ja Suomessa turvemaiden vesien kosteikkokäsittelystä saatuja tuloksia. Ravinteiden poistuman havaittiin olevan yhtälöiden (5) ja (6) mukaisesti riippuvainen kosteikon W/C-suhteesta eli kosteikon pinta-alasta jaettuna kosteikon valuma-alueen pinta-alalla. Kyseiset riippuvuudet on esitetty kuvassa 8. Kokonaistypen poistuma [%]=6,95* W/C +0,08 (R 2 =0,77) (5) Kokonaisfosforin poistuma [%]=6,54* W/C +0,10 (R 2 =0,75) (6)

25 25 Kuva 8. Ravinteiden poistuman riippuvuus W/C-suhteesta eli kosteikon pinta-alasta jaettuna kosteikon valuma-alueen pinta-alalla (Koskiahon ja Puustisen 2005 mukaan). TN=kokonaistyppi ja TP=kokonaisfosfori. Carleton et al. (2001) kokosivat yhteen tuloksia 49 eri puolilla USA:ta ja Australiaa tehdystä tutkimuksesta, joissa tutkittiin rakennettujen alueiden tai maanviljelyalueiden vesiä käsittelevien kosteikkojen tehokkuutta. Eri tutkimuksissa saadut tulokset vaihtelivat varsin suuresti (kokonaisfosforin pidätys välillä %, kokonaistypen pidätys välillä %, kiintoaineen pidätys välillä ,6 %), mutta Carleton et al. (2001) havaitsivat ravinteiden ja kiintoaineiden poistuman olevan vähäisellä riippuvuudella verrannollinen kosteikon pinta-alan ja kosteikon valuma-alueen pintaalan suhteesta eli W/C-suhteesta yhtälöiden (7-9) mukaisesti. Kyseiset riippuvuudet on esitetty kuvassa 9. Kiintoaineen poistuma [%]=100-46,6*exp(-8,3* W/C) (R 2 =0,12) (7) Kokonaistypen poistuma [%]=100-94,3*exp(-2,92* W/C) (R 2 =0,28) (8) Kokonaisfosforin poistuma [%]=100-77,3*exp(-5,21* W/C) (R 2 =0,32) (9)

26 26 Kuva 9. Ravinteiden poistuman riippuvuus W/C-suhteesta eli kosteikon pinta-alasta jaettuna kosteikon valuma-alueen pinta-alalla (Carleton et al mukaan). TN=kokonaistyppi ja TP=kokonaisfosfori. Uusi-Kämppä et al. (2000) kokosivat yhteen Suomessa, Norjassa, Ruotsissa ja Tanskassa saatuja tuloksia rakennetuista kosteikoista ja lammista fosforin poistajina. Lammet poistivat keskimäärin 17 % ja kosteikot 41 % niihin tulevasta fosforista (poistuma kgha -1 y -1 ). Lampien ja kosteikkojen tehokkuus kasvoi kun kosteikon pinta-ala/valuma-alueen pinta-ala-suhde kasvoi. Uusi-Kämppä et al. (2000) arvelivat lampien ja kosteikoiden tehokkuuden eron johtuvan kosteikkojen pienemmästä syvyydestä ja tiheämmästä kasvillisuudesta. Nairn ja Mitch (2000) saivat kylmässä ilmanalassa kahdessa 1 ha suuruisessa kosteikossa (keskimääräinen viipymä 6 vrk vuorokautta) liuenneen fosforin pidättymiseksi 10 kgha -1 y -1 ja kokonaisfosforin pidättymiseksi keskimäärin 54 kgha -1 y -1. Kosteikkoihin tulevan veden kokonaisfosforipitoisuus oli µg/l ja liuenneen fosforin pitoisuus oli µg/l. Huomattava osa (35 %) kokonaisfosforista pidättyi tulva-aikana (32 % vuoden virtaamasta). Spieles ja Mitch (2000) saivat kylmässä ilmanalassa kahdessa 1 ha suuruisessa kosteikossa (keskimääräinen viipymä 2,7 ja 2,8 vuorokautta) nitraatin pidättymiseksi 36,7 ja 39,8 % kosteikkoon tulevasta nitraatista. Kosteikkoihin tulevan veden nitraattipitoisuus oli 4,6 mg/l. Tulvan aikana nitraatin pidättyminen oli heikkoa ja

27 joidenkin tulvatapahtumien aikana nitraattia poistui kosteikosta 400 % enemmän kuin kosteikkoon tuli. 27 Braskerud (2002a, 2000b) tutki rakennettujen kosteikkojen tehoa ravinteiden poistossa Norjassa neljässä kosteikossa. Kosteikon pinta-ala/valuma-alueen pinta-ala-suhde vaihteli välillä 0,06-0,38 %. Suuresta hydraulisesta kuormasta ja matalista lämpötiloista (-8 18 C) johtuen kokonaistypen poistumaksi jäi vain 3-15 % ( kgha -1 y -1 ). Poistuma oli suurempi kosteikoilla, joilla kosteikon pinta-alan ja kosteikon valumaalueen pinta-alan suhde eli W/C-suhde oli suurempi. Pääasiallinen typen poistumisprosessi oli sedimentaatio. Denitrifikaatio oli merkityksellinen vain kosteikossa, jossa hydraulinen kuorma oli pienin. Orgaanisen kiintoaineen pidätysprosentti vaihteli välillä % ja pieneni hydraulisen kuorman kasvaessa. Kokonaisfosforin poistuma oli % ( kgha -1 y -1 ). Koskiaho (2006a) tutki kiintoaineen ja ravinteiden pidätystä kolmessa kosteikossa Etelä-Suomessa. Kaikkiin kosteikkoihin tulevassa vedessä suurin osa fosforista (>80 %) oli partikkeleihin sitoutunutta. Typen poistumisessa denitrifikaatio oli merkittävin prosessi, joten kosteikko, johon suurin osa tulevasta typestä oli nitriitti/nitraattimuodossa, toimi tehokkaimmin typen poistajana. Parhaiten toiminut kosteikko (W/C=5,0 %, A tulva =0,60 ha, V tulva =4000 m 3 ) pääsi vuositasolla 68 % ( kgha -1 y -1 ) kiintoaineen poistumaan, 62 % kokonaisfosforin poistumaan (liukoisen fosforin poistuma 27 %) ja 36 % (280 kgha -1 y -1 ) kokonaistypen poistumaan. Muista kosteikoista toisessa (W/C=0,5 %, A tulva =0,48 ha, V tulva =4000 m 3 ) kiintoaineen vuosipoistuma vaihteli 5-41 % eli oli suurimmillaan kgha -1 y -1. Typpeä kosteikko ei poistanut vaan jopa vapautti. Fosforin vuosipoistuma jäi alle 20 %. Kolmannessa kosteikossa (W/C= 3,0 %, A tulva =60 ha, V tulva vaihteleva) kiintoainetta poistui vain 8-16 % (suurimmillaan kgha -1 y -1 ), ilmeisesti koska kiintoaineen partikkelikoko oli pieni ja sedimentaatio oli vähäisempää kuin toisissa kosteikoissa. Fosforia poistui vuositasolla % ja typpeä 5-11 % (ilmeisesti koska NO X -pitoisuus sisään tulevassa vedessä oli pieni). Kosteikoilla havaittiin kausittainen vaihtelu, jossa typpeä pidättyi eniten kesäisin ja fosforia keväisin.

28 GSSHA-laskennan perusta GSSHA-ohjelma GSSHA (Gridded Surface/Subsurface Hydrologic Analysis) on kaksidimensionaalinen, prosessipohjainen ja fysikaalinen valuma-aluemalliohjelma. GSSHA-ohjelman kehitti 2000-luvun alussa U.S. Army Corps of Engineers, Engineer Research and Development Center. GSSHA-ohjelma kehitettiin professori P.Y. Julien in Colorado State University:ssä kehittämän CASC2D-mallin pohjalta (GSSHA Wiki 2008a). GSSHAohjelmaa voidaan käyttää esimerkiksi Aquaveo-yrityksen Watershed Modeling System (WMS)-käyttöliittymässä. GSSHA simuloi valuma-alueen vastetta siihen syötettyihin hydrometeorologisiin tietoihin. Valuma-alue on mallissa jaettu soluruudukkoon. Malli laskee jokaisessa solussa ns. pisteprosesseja ennen sadejaksoa, sadejakson aikana ja sen jälkeen. Yksittäisten solujen vasteet integroidaan valuma-alueen vasteeksi. Kaikki GSSHA:n prosessit perustuvat massan, liikemäärän ja energian säilymisyhtälöihin. Mallissa oleellisia prosesseja ovat mm. infiltraatio, evatransporaatio, haihdunta, pintavalunta, uomavirtaus ja pohjaveden virtaus kyllästyneessä kerroksessa. Malliin voidaan tuoda eri tavalla ajan ja paikan suhteen jakautuneita sadetapahtumia. GSSHA pystyy periaatteessa huomioimaan myös vesistössä olevat rakenteet ja rakennelmat, esim. padot, kosteikot ja järvet. (Downer et al. 2006, Downer & Ogden 2004) Pisteprosessit Suotautuminen GSSHA:ssa suotautumisen laskenta tapahtuu maaperän kyllästymättömässä kerroksessa joko Richards n yhtälön 1D-muodolla (yhtälö 10) tai Green & Ampt yhtälöllä. Green & Ampt-yhtälö on yksinkertaistettu ratkaisu Richards n yhtälölle, ja sitä käyttäen laskenta yksinkertaistuu, mutta tulokset ovat usein epätarkempia. G&A-yhtälö toimii Richards n yhtälöä paremmin tapauksissa, jossa imeytyminen maahan tapahtuu hortonilaisesti eli se ottaa huomioon veden, joka ei ehdi imeytyä maaperään silloin kun sadanta on suurempi kuin imeytymisnopeus. GSSHA:ssa voidaan käyttää myös GAR-yhtälöä (Green & Ampt with Redistribution), sekä Green & Ampt-yhtälön muunnosta maaperälle, jolle on määritelty useita kerroksia. GAR-yhtälö toimii paremmin kuin tavallinen Green &

29 29 Ampt-yhtälö tilanteessa, jossa sadetapahtumassa on sateettomia taukoja. GAR toimii hyvin maaperältään hienojakoisten alueiden mallintamisessa: GAR-yhtälöllä saadut tulokset ovat tällaista maaperää mallinnettaessa lähes vastaavia kuin Richards n yhtälöllä saadut tulokset. Veden imeytyminen maaperään loppuu kaikissa vaihtoehdoissa vasta kun pintasolut ovat kuivia. Suotautuminen määräytyy maaperälle annetuista ominaisuuksista ja lähtötilanteen maaperän kosteudesta, johon aiemmat sateet, evatransporaatio ja pohjavedenpinnankorkeus vaikuttavat. (Downer & Ogden 2006, 71-92) Richards in yhtälön yksidimensionaalinen muoto: (10) jossa on kosteuskapasiteetti on aika [hr] on painekorkeus [cm] on tehokas hydraulinen johtavuus [cm] on vertikaalinen koordinaatti [cm] on termi, joka kuvaa virtauksen nielua tai lähdettä [cm/h] Evapotranspiraatio Potentiaalinen evapotranspiraatio lasketaan joko Penman-Monteith-menetelmällä (kasvillisuuden peittämä maa) tai Dearduff-menetelmällä (paljas maa). GARmenetelmässä evapotranspiraatio vähentää vain maaperän kosteutta juurisyvyydelle asti, kun taas jos suotautuminen lasketaan RE-menetelmällä, potentiaalinen evapotranspiraatio tapahtuu ensin maanpinnalle jääneestä, maahan suotautumattomasta vedestä ja vasta tarvittaessa maaperästä juurisyvyydelle asti. Todellinen evapotranspiraatio lasketaan potentiaalisesta evapotranspiraatiosta yhtälöllä (11) (Downer & Ogden 2004) (11)

30 30 jossa AET on todellinen evapotranspiraatio PET on potentiaalinen evapotranspiraatio on maaperän vesipitoisuus on lakastumispisteen vesipitoisuus on kyllästyneen maaperän vesipitoisuus P on käyttäjän määrittelemä kerroin Integroidut prosessit Maanpinnalla tapahtuva veden virtaus Virtaama solussa lasketaan Manningin yhtälöllä solun vedensyvyyden perusteella (Downer & Ogden 2006). Yksikkövirtaama x-suuntaan voidaan esittää yhtälöllä (12) ja y-suuntaan yhtälöllä (13). (12) (13) joissa on yksikkövirtaama x-suuntaan[m 3 /s] on yksikkövirtaama y-suuntaan[m 3 /s] n on Manningin kerroin uoman karkeudelle on veden syvyys [m] on maanpinnan kaltevuus Solun vedensyvyydelle johtaa yhtälö (20) jatkuvuusyhtälöstä (Julien et al. 1995) seuraavalla tavalla.

31 Poikkileikkauksen läpi ajassa dt kulkeva vesimäärä on. Kun virtaama muuttuu x- suuntaan kuljettaessa nopeudella seuraavasta, :n (=solun pituus) etäisyydellä 31 olevasta poikkileikkauksesta ajassa lähtevä vesimäärä on (14) Kahden poikkileikkauksen välisen vesitilavuuden muutos ajan dt kuluessa on siis (15) Tilavuuden muutos johtuu veden syvyyden ja sitä kautta poikkileikkauksen pinta-alan muutoksesta eri virtaamilla. Veden syvyys muuttuu nopeudella, joten veden syvyyden muutos ajassa on. Kun vesitilavuus on, jossa B = solun leveys, vesitilavuuden muutos ajassa on. Kun oletetaan neste kokoon puristumattomaksi, voidaan termit (14) ja (15) merkitä yhtä suuriksi: : ; (16) (17) Kun otetaan laskelmassa huomioon voidaan yhtälö esittää muodossa (18) eli maahan imeytymättömän sateen määrä (18) Ensimmäisen asteen approksimaatio yhtälöstä (18) on (19) Jaetaan yhtälö puolittain termillä, jolloin yhtälö saa muodon (20)

32 (20) 32, jossa siis on alavirran puoleisen solun veden syvyys [m] on ylävirran puoleisen solun yksikkövirtaama [m 2 /s] on alavirran puoleisen solun yksikkövirtaama [m 2 /s] on aika-askel [s] on solun pituus [m] on maahan imeytymättömän sateen määrä [m/s] GSSHA:ssa on tähän laskentamenetelmään lisätty kaksi laskennan vakautta ja oikeellisuutta lisäävää menetelmää, ADE ja ADEPC, jotka toimivat huomattavasti suuremmilla aika-askeleilla kuin alkuperäinen EXPLICIT-menetelmä sallisi. ADE:ssa solun vedenpinnankorkeuden laskemisen jälkeen lasketaan ruudukon joka rivissä eli yksikkövirtaama y-suuntaan yhtälöllä saadun korkeuden avulla, ja vedenpinnankorkeus lasketaan uudelleen käyttäen saatua virtaamaa y-suuntaan. Tätä vedenpinnankorkeutta käytetään sitten seuraavan solun virtaaman laskentaan. ADEPSmenetelmässä lasketaan soluille vedenpinnankorkeudet kuten ADE:ssa, mutta tämän vedenpinnankorkeuden perusteella lasketaan vielä solulle virtaama, ja lopullinen vedenpinnankorkeus lasketaan saadun virtaaman ja alkuperäisen virtaaman keskiarvosta. (Downer & Ogden 2004) Uomavirtaus Uomavirtauksen laskenta tapahtuu ylävirran puolelta alavirtaan päin yksiulotteisesti poikkileikkausten välillä. Keskimääräinen virtaus uomassa lasketaan Manningin yhtälöllä (yhtälö 21). (Downer & Ogden 2006, 39-41) (21) jossa on virtaama [m 3 /s] n on Manningin kerroin uoman karkeudelle on uoman pinta-ala [m 2 ] on uoman hydraulinen säde on uoman kaltevuus

33 33 Jatkuvuusyhtälön perusteella voidaan johtaa yhtälö (22), josta saadun tilavuuden avulla voidaan laskea uomalle uusi hydraulinen säde ja veden syvyys (Downer & Ogden 2006, 39-41). (22) jossa on alavirran puoleisen solun veden syvyys [m 2 ] on uomaan maanpinnalta tuleva yksikkövirtaama [m 2 /s] on pohjavedestä uomaan tuleva yksikkövirtaama [m 2 /s] on tulovirtaama soluun [m 3 /s] on menovirtaama solusta [m 3 /s] on aika-askel [s] on uomajakson pituus [m] Maanpinnan ja uoman vuorovaikutus GSSHA:ssa on kolme erilaista vaihtoehtoa uomasolun ja maanpintasolun välisen virtauksen laskemiseen. Oletusvaihtoehdossa vesi virtaa maanpintasolusta uomasoluun leveäharjaisen padon yhtälöä käyttäen eli virtaama saadaan yhtälöstä (23) (GSSHA Wiki 2009) (23) jossa on virtaama [m 3 /s] on patokerroin on padon harjan tehollinen pituus [m] on energiaviivan tason ja padon harjan välinen korkeusero padon yläpuolella [m] Tässä vaihtoehdossa vesi voi virrata vain maanpinnalta uomaan, eikä silloin maanpinnalle tai uomalle annetulla korkeudella ole väliä virtaaman laskennassa.

34 34 Toinen vaihtoehto on OVERLAND_BACKWATER-kortin mukaan otto GSSHAlaskentaan. Tässä vaihtoehdossa vesi ei pääse virtaamaan uomasta takaisin maanpinnalle, mutta uoman vedenpinnan korkeus otetaan huomioon laskettaessa virtausta maanpinnalta uomaan: Jos vedenpinta on uomassa korkeampi kuin maanpinnalla, virtausta uomaan ei tapahdu. Jos vedenpinta on uomassa matalampi kuin vedenpinta maanpinnalla mutta kuitenkin korkeampi kuin maanpinnalle annettu korkeus, virtaus uomaan tapahtuu noudattaen maanpinnalla tapahtuvan virtaaman yhtälöä. (GSSHA Wiki 2009) Kolmas vaihtoehto on OVERBANK_FLOW-kortin mukaan otto GSSHA-laskentaan. Tässä vaihtoehdossa vesi voi virrata uomasta takaisin maanpinnalle, jos vedenpinta uomassa nousee uoman reunaa ja maanpinnalla olevan veden pinnankorkeutta ylemmäksi. Jos maanpinnalla olevan veden korkeus on alempana kuin uoman reuna, lasketaan virtaus leveäharjaisen padon yhtälöä käyttäen. Jos maanpinnalla olevan veden korkeus taas on uoman reunan yläpuolella, laskenta tapahtuu maanpinnalla tapahtuvan virtaaman yhtälöllä. Tässä työssä oli oleellista mallintaa tulvan levittäytymistä uomasta maan pinnalle ja takaisin. Sen takia virtaus uomasta takaisin maanpinnalle oli sallittava. Tämän vaihtoehdon käyttämisen aiheuttavan helposti laskentaan epästabiiliutta. (GSSHA Wiki 2009) Kosteikon toiminta GSSHA:ssa GSSHA:n kosteikko koostuu alueesta, jonka maaperässä on kolme kerrosta: turvekerros, joka muodostetaan maaperän pinnan alapuolelle, kasvikerros turpeen päälle, ja vesikerros, jos vesi nousee tarpeeksi ja pinnanmuodot ja vedenvirtausta ulos kosteikosta kontrolloiva rakenne aiheuttavat veden kerääntymisen kosteikon päälle. Sekä turvekerrokselle että kasvikerrokselle voidaan määritellä veden suotautumisnopeus. Lisäksi kosteikkosoluille määritetään simulaation alussa vedenkorkeus turvekerroksen pohjasta lukien. Turvekerroksessa veden virtaus lasketaan Darcyn lain mukaisena virtauksena ja kasvien läpi niin, että kasvien yläpinnalla vallitsee Manningin virtaus ja alapinnalla Darcyn virtaus, ja näiden välillä yhdistelmä lineaarisessa suhteessa: virtausnopeus on laskettu kummallakin menetelmällä, ja

35 lopullinen virtausnopeus lasketaan näistä arvoista riippuen veden korkeudesta suhteessa kasvien korkeuteen. (GSSHA Wiki 2008b) HEC-RAS laskennan perusta HEC-RAS on yksiulotteinen virtausmalliohjelma, jonka kehittäjä on U.S. Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center. HEC-RAS:lla voidaan mallintaa sekä muuttuvaa että muuttumatonta virtausta. HEC-RAS-malliin tarvitaan lähtöaineistona tietoa tarkasteltavan uoman ja tulvatasanteen poikkileikkausten geometriasta ja Manningin kertoimista. (Brunner 2010) Energian säilyminen HEC-RAS:n laskenta tapahtuu kahden virtaussuuntaa vasten kohtisuoran poikkileikkauksen välillä, aina ylävirran puoleisesta poikkileikkauksesta alkaen. Laskenta perustuu Bernoullin yhtälöön, joka on johdettu energiansäilymisyhtälöstä. Laskennassa oletetaan, että virtaava neste on kokoonpuristumatonta ja siten jokaisessa poikkileikkauksessa keskimääräisen virtausnopeuden ja poikkipinta-alan tulo on vakio. (Brunner 2010) Virtaavalla nesteellä on 1) asemaenergiaa, 2) liike-energiaa ja 3) paine-energiaa. Avouoma-virtauksessa paine-energiaa ei tarvitse ottaa huomioon. Asemaenergia: Asemaenergia edustaa työtä, jonka kappale tekee siirtyessään alemmalle tasolle matkan h, ja se voidaan laskea yhtälöllä (24). W=mgh (24) jossa W on tehty työ [J] m on massa [kg] g on maan vetovoiman kiihtyvyys [m/s 2 ] h on menetetty korkeus [m]

36 36 Liike-energia: Jos kappale heitetään tyhjiössä suoraan ylös nopeudella v [m/s], se saa negatiiviseen vakiokiihtyvyyden g ja pysähtyy ajan Δv/g=v/g kuluttua. Tällöin siis liike - energia on muuttunut asema-energiaksi (yhtälö 25).. (25) Jos virtauksessa ei tapahdu häviöitä voidaan kokonaisenergialle kirjoittaa yhtälö (26). (26) Kun tämä jaetaan puolittain tekijällä mg saadaan yhtälö muotoon (27) (27) jossa termi h on asemakorkeus ja termi on nopeuskorkeus. Koska virtauksessa syntyy todellisessa tilanteessa aina häviöitä, lisätään yhtälöön (27) kokonaishäviö h e, jolloin saadaan yhtälö (28). (28) HEC-RAS:n laskennassa asemakorkeus on jaettu uoman pohjankorkeuteen Z ja vedenkorkeuteen Y, ja lisäksi nopeuskorkeuteen on lisätty nopeuskerroin (yhtälö 29) (Brunner 2010). Yhtälöä on havainnollistettu kuvassa 10. (29)

37 37 Kuva 10. Energian säilyminen avouomavirtauksessa. Häviön laskenta Häviö lasketaan HEC-RAS:ssa yhtälöllä (30) (Brunner 2010). (30) jossa kokonaishäviö [m] on virtaamalla painotettu uoman pituus [m] on kitkakaltevuus paikallishäviökerroin on nopeuskerroin on keskimääräinen virtausnopeus [m/s] on maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys [m 2 /s]

38 38 Virtaaman laskenta Tulvatasanne on laskennassa jaettu Manningin kertoimen perusteella alueisiin, joissa virtaama lasketaan Manningin yhtälön muunnoksella (31) (Brunner 2010): (31) jossa on vedenläpäisykerroin Vedenläpäisykertoimen K arvo saadaan laskemalla ensin erikseen vedenläpäisykertoimen arvo vasemman puoleiselle tulvatasanteelle, oikeanpuoleiselle tulvatasanteelle ja pääuomalle ja laskemalla sitten nämä arvot yhteen. Vedenläpäisykerroin saadaan laskettua yhtälöllä (32). (Brunner 2010) (englantilaisina yksiköinä) (32) jossa on hydraulinen säde [m] Jollei käyttäjä määritä muuta, kitkakaltevuus lasketaan joka poikkileikkausten välille HEC-RAS:issa Manning in yhtälöstä yhtälöllä 33.(Brunner 2010) (33) HEC-RAS:n laskenta tapahtuu ylävirrasta alavirtaan päin iteroivana laskentana. Laskennassa on seuraavat askeleet (Brunner 2010). 1) Oletetaan poikkileikkauksesta vedenpinnan korkeus. 2) Lasketaan nopeuskorkeus ja läpäisy tällä vedenpinnan korkeudella. 3) Lasketaan näiden arvojen avulla kitkakaltevuus ja kokonaishäviö 4) Ratkaistaan saatujen arvojen avulla vedenpinnankorkeus yhtälöstä x.

39 39 5) Verrataan saatua arvoa askeleen 1 oletettuun arvoon. Toistetaan askeleet 1-5 kunnes ero oletetun ja laskennassa saadun vedenpinnan korkeuden välillä on alle 3 mm. Padon yli tapahtuva virtaus lasketaan HEC-RAS-ohjelmassa yhtälöllä (34) (Brunner 2010): (34) jossa Q on virtaama [m 3 /s] C on patokerroin [-] L on padon harjan tehollinen pituus [m] H on energiaviivan tason ja padon harjan välinen korkeusero padon yläpuolella [m] Muuttuvan virtauksen laskenta HEC-RAS-ohjelmassa hyödyntää lisäksi jatkuvuusyhtälöä ja liikemääräyhtälöä. Jatkuvuusyhtälö Solun sisäisen massan muutos voidaan kirjoittaa muotoon (yhtälö 35) (Brunner 2010): (35) jossa nesteen tiheys [kg/m 3 ] on solun pinta-ala kohtisuoraan virtausta vastaan [m 2 ] on solun pituus (oletetaan hyvin pieneksi) [m] on virtaus solun sisään [m 3 /s]

40 Yksinkertaistettuna tämä yhtälö saa muodon (36), jota käytetään muuttuvan virtauksen laskennassa. 40 (36) jossa on virtaama sisään pituusyksikköä kohti [m 2 /s] Liikemääräyhtälö Liikemäärän säilyminen lasketaan muuttuvan virtauksen mallinnuksissa Newtonin toisesta laista johdetulla liikemäärän säilymisenyhtälöllä (37). (Brunner 2010). (37) 2.7 Reservoir Routing laskennan perusta Reservoir Routing on laskentamenetelmä, jolla arvioidaan varastoaltaan tasoittavaa vaikutusta uomassa tapahtuvaan virtaamaan altaan vedenpinnankorkeusvesitilavuuskäyrän ja purkautumiskäyrän avulla. Reservoir Routing-menetelmä perustuu jatkuvuusyhtälöön (yhtälö 38). (38)

41 Numeerinen approksimaatio yhtälöstä (38) voidaan esittää alla olevassa muodossa (yhtälö 39) 41 (39) jossa on tulovirtaama [m 3 /s] on vesitilavuus [m 3 ] on menovirtaama [m 3 /s] on aika-askel [s] Yhtälö (39) voidaan esittää muodossa (40). (40) Varastoaltaassa sekä vesitilavuus että menovirtaama eli myös voidaan esittää vedenpinnankorkeuden funktiona. Kun tiedetään menovirtaaman, vesitilavuuden ja vedenpinnankorkeuden riippuvuus termistä voidaan laskea systeemin vaste tiettyyn virtaamasarjaan. (Gupta 2001, ) 3 Tutkimusalue ja sen olosuhteet 3.1 Tutkimusalue Liminganjoen valuma-alue (58.06) kuuluu Temmesjoen vesistöalueeseen (58). Valumaalue on esitetty kartalla kuvassa 3 (s. 11). Liminganjoen valuma-alueen pinta-ala on n. 143,49 km 2 ja järvisyysprosentti 0,87. (Ympäristöhallinnon Hertta-järjestelmä, ) Tässä luvussa ei kuitenkaan ole mukana alueelle jo rakennettuja kosteikkoja. Ennen nykyisiä kosteikoita Liminganjoen valuma-alueella oli taulukossa 3 esitetyt vesialueet (Ympäristöhallinnon Hertta-järjestelmä, ). Taulukossa 3 esitettyjen vesialueiden lisäksi valuma-alueelle on rakennettu kosteikoita, jotka on esitetty taulukossa 4. Rakennetut kosteikot huomioiden vesialueiden yhteinen ala olisi 250 ha ja

42 tällöin koko Liminganjoen valuma-alueen järvisyys 1,75 %. Värminkoskentien sillan yläpuolisen valuma-alueen (pinta-ala 104,21 km 2 ) järvisyys olisi 2,40 %. 42 Taulukko 3. Liminganjoen valuma-alueen vesialueet ennen kosteikkojen rakentamista. Vesialue Pinta-ala [ha] Nimetön kosteikko Nimetön kosteikko Liminganjärvi Paskalampi Iso Nuoluanjärvi Yhteensä Taulukko 4. Liminganjoen valuma-alueelle rakennetut kosteikot. Pinta-ala [ha] Kantatie 86 viereinen vanha kosteikko 4.25 Tuhkasenjärvi 7.5 Mökkijärvi 4.50 Iso Heinijärven kosteikko Pieni Heinijärven kosteikko 5.50 Hirvinevan kosteikko Yhteensä Suomen ympäristökeskuksen CORINE Land Cover 2000 (CLC ) 1 maankäyttö/maanpeite (yleistetty 25 ha) materiaalin mukaan valumaalueesta n. 70 % kuuluu luokkaan 3 eli Metsät sekä avoimet kankaat ja kalliomaat, n. 13 % luokkaan 4 eli Kosteikot ja avoimet suot ja n. 12 % luokkaan 2 eli Maatalousalueet. Rakennettuja alueita oli vain n. 3 % valuma-alueesta. SLICES-maankäyttöaineistossa (jako pääluokittain) Liminganjoen valuma-alueesta maatalouden käytössä olevia maita 1 CLC2000 aineiston tuotannossa on käytetty seuraavien tiedon tuottajien aineistoja: SYKE, MML, MMM (peltotiedot 1999), VRK (rakennetut alueet 2001) ja satelliittikuvien tulkinnassa hyödynnetty Metsähallituksen ja UPM Kymmene Oy:n aineistoja.

43 43 on n. 13,9 % ja luokittelemattomia metsätalouden käytössä olevia maita 82,08 % (vesialueet 0,86 %). Liminganjoen valuma-alueen maankäyttö on esitetty kuvassa 11. Geologisen tutkimuskeskuksen 1: maaperäaineiston (2009) perusteella Liminganjoen valuma-alueesta n. 38 % on pintamaaltaan pohjamoreenia, n. 42 % turvemaata, n. 10 % rantakerrostumaa (Sr, Hk), ja n. 8 % meri-ja järvikerrostumaa (Si, Sa). Liminganjoen valuma-alueen maaperä on esitetty kuvassa 12. Kuva 11. Maankäyttö Liminganjärven valuma-alueella. CLC2000 maankäyttö/maanpeite (25m): SYKE (osittain MMM, MML, VRK).

44 44 Kuva 12. Maaperä Liminganjärven valuma-alueella. Maaperäaineisto Geologian tutkimuskeskus, 2009.

45 Vedenlaatu vesistössä Vedenlaatu Liminganjoessa ja Yliojassa vaihtelee vedenlaatuhavaintojen mukaan paljon mittausajankohdasta ja havaintopaikasta riippuen. Keskiarvot vedenlaatuhavainnoista on esitetty taulukossa 5. Typestä nitraatti-nitriittityppeä ja ammoniumtyppeä on suunnilleen yhtä paljon, mikä on ilmeisesti tyypillisempää turvetuotantoalueilta tuleville vesille kuin maatalousalueiden vesille (Koskiaho ja Puustinen 2005). Orgaanisen typen osuus on suuri. Ilmeisesti valuma-alueen jakautuminen turvemaa/metsäalueeseen (Värminkoskentien sillan yläpuolinen valuma-alue) ja maatalouspainoitteiseen alueeseen (Värminkoskentien sillan alapuolinen valuma-alue) ei vaikuta vedenlaatuun joessa merkittävästi. Maatalousvaltaista aluetta on koko valuma-alueesta vain 12 % (luku 3.1), ja lisäksi Värminkosken sillan alapuoliselta valuma-alueelta, johon maatalousalue sijoittuu, jokeen tulee alle kolmannes koko Liminganjoen virtaamasta. Esimerkiksi eli kevättulvan aikana Liminganjoen virtaama Värminkoskentien sillan kohdalla oli 6,12 m 3 /s, kun alimmassa mittauspisteessä Liminganjoen alaosan kävelysillalla virtaama oli 7,01 m 3 /s eli vain 15 % suurempi. Liminganjärveen laskevasta Yliojasta tehdyissä mittauksissa kokonaistyppipitoisuus oli 930 µg/l, josta ammoniumtyppeä (NH 4 -N) oli 37 µg/l (4 %) ja nitriitti-nitraattityppeä (NO 2 -N ja NO 3 -N) 110 µg/l (12%). Kokonaisfosforipitoisuus oli 54 µg/l, josta fosfaattifosforia oli 32 µg/l (59 %). Kiintoainepitoisuus oli 11 mg/l. Veden ph oli 6,5. Vesi oli mittausten perusteella ruskeaa ja sameaa. (Ympäristöhallinnon Hertta-järjestelmä , Lehto 2009) Värminkoskentiensillan yläpuolisessa Liminganjoessa on tehty vedenlaatumittauksia tien Nro 8 sillalla vuosina Liminganjoesta tehdyissä mittauksissa kokonaistyppipitoisuus vaihteli välillä µg/l (keskiarvo 748 µg/l ) niin, että vuoden 1998 jälkeen kokonaistyppipitoisuudet nousivat selvästi yli 1000 µg/l, ilmeisesti Hirvinevan turvetuotantoalueen toiminnan vaikutuksesta. Ammoniumtypen osuus kokonaistypestä vaihteli välillä 2-61 % (keskiarvo 10 %) ja nitraatti- tai nitriittinitraattitypen osuus välillä 2-26 % (keskiarvo 12 %). Kokonaisfosforipitoisuus vaihteli välillä µg/l (keskiarvo 70 µg/l ), josta fosfaattifosforin osuus vaihteli välillä % (keskiarvo 66 %). Vesi oli mittausten perusteella ruskeaa ja sameaa. (Ympäristöhallinnon Hertta-järjestelmä , Lehto 2009)

46 46 Värminkoskentiensillan alapuolisessa Liminganjoessa on tehty vedenlaatumittauksia eri pisteissä Vuoden 1990 jälkeen tehdyissä mittauksissa kokonaistyppipitoisuus vaihteli välillä µg/l, keskiarvon ollessa 2391 µg/l, josta ammoniumtypen osuus vaihteli välillä 2-77 % (keskiarvo 20 %) ja nitraatti- tai nitriitti-nitraattitypen osuus vaihteli välillä 0-31 % (keskiarvo 17 %). Kokonaisfosforipitoisuus vaihteli välillä µg/l (keskiarvo 154 µg/l), josta fosfaattifosforin osuus vaihteli välillä 3-96 % (keskiarvo 78 %). Kiintoainepitoisuus vaihteli välillä 1,6-76 mg/l (keskiarvo 14 mg/l). (Ympäristöhallinnon Hertta-järjestelmä ) Taulukko 5. Vedenlaatu Liminganjoessa ja Yliojassa. Kokonaistyppipitoisuus [µg/l] Ylioja 8-tien silta Värminkoskentien sillan alapuolinen Liminganjoki , ka Nitriitti-nitraattityppipitoisuus [% TN:stä] Ammoniumtyppipitoisuus [% TN:stä] , ka , ka. 20 Kokonaisfosforipitoisuus [µg/l] , ka. 154 Fosfaattifosforipitoisuus [% TP:sta] , ka. 78 Kiintoainepitoisuus [mg/l] 11 1,6-76, ka. 14

47 47 Liminganjokeen laskevista Vesilaitoksenojasta (valuma-alueen pinta-ala n. 11,91 km 2 ) ja Okkosen-Kursunojasta (valuma-alueen pinta-ala n. 6,86 km 2 ) ei ole olemassa vedenlaatutietoja. 3.3 Virtaamat Liminganjoessa Joen nykyisistä virtaamista oli ennen tätä diplomityötä vain vähän tietoa. Taulukkoon 6 on koottu ennen tätä diplomityötä lasketut virtaaman tunnusluvut Liminganjoelle. Temmesjoen pohjapadon rakentamisen yhteydessä mitattiin virtaamia sekä (Temmesjoen pohjapadon rakentaminen liite ) Virtaama joen alajuoksulla (Kävelysilta) oli n. 3,87 m 3 /s ja n. 1,90 m 3 /s. Tällöin havaittiin, että eli kevättulvan luultavasti jo huomattavasti laskettua 18 % vedestä meni kaivettua uomaa pitkin Temmesjokeen ja 82 % Vanhan Liminganjoen uomaan. Pienemmillä syysvirtaamilla vastaavat luvut olivat 28 % ja 72 %. Joitakin tietoja on olemassa Liminganjoen virtaamista ennen 1950-luvun alun ruoppausta. Vuosien 1938 ja 1950 välillä Limiganjärven kohdalla HQ oli 7,60 m 3 /s, MHQ 4,20 m 3 /s ja MQ 0,32 m 3 /s. Lisäksi Heini- ja Liminganjärven vesijättöjen kuivatukseen liittyviin asiakirjoihin kuuluu Liminganjoen virtaamaa kuvaava piirros, jossa tulvan (suurin virtaama 6,65 m 3 /s) jälkeen virtaama laskee tasolle 0,25 m 3 /s kesäkuun loppuun mennessä ja on matalimmillaan tasolla 0,20 m 3 /s heinäkuun lopussa. (Maasilta 1950) Ympäristöhallinnon Vesistömallijärjestelmästä saatujen mallinnettujen virtaamien perusteella viimeisen 40 vuoden aikana huippuvirtaama oli keväällä 2001, jolloin vesistömallijärjestelmästä saatu virtaama olisi ollut 21,08 m 3 /s. On kuitenkin ilmeistä vuoden 2009 Vesistömallista saatujen ja havaittujen virtaamien perusteella, että Vesistömallijärjestelmä antaa liian suuria lukemia kevättulvien virtaamille. Jos Vesistömallijärjestelmän antamat vuosittaisen huippuvirtaamat jaetaan vuoden 2009 Vesistömallijärjestelmän antamien ja havaittujen virtaamien suhteella, saadaan vuodesta 1990 alkaen Liminganjoelle arvot HQ = m 3 /s ja MHQ= 7.83 m 3 /s. Kaiteran (1949) nomogrammista (ks. Mustonen 1986, 215) saadaan Liminganjoen valuma-alueen (L=0,87 %, F=143 km 2, MWmax=120mm (Solantie 1981, ks. Mustonen

48 , 51)) keskiylivalunnaksi n. 110 l s -1 km -2 eli MHQ 16 m 3 /s. Jos järvisyyteen otetaan mukaan olemassa olevat kosteikot (järvisyys 1,75 %), saadaan keskiylivalunnaksi 103 l s -1 km -2 eli MHQ 15 m 3 /s. Kuusisto (1986) keskialivirtaamakaavoilla (yhtälöt 2 ja 4) saataisiin Liminganjoelle (L=0,87 %, F=143 km 2, T m =2 C (Ilmatieteenlaitos, 2010), MW max =120mm (Solantie, 1981, ks. Mustonen 1986, 51)) seuraavia arvoja: Q min,w =143*(0,21 +0,19*0,87 + 0,61*log 143)= 0,24 m 3 /s Q min,s =143*(-0,90 + 0,23 *0,87 + 0,68*log ,014*120 0,53 *2)=0,20 m 3 /s Jos kosteikot otetaan mukaan järvisyyteen (L=1,75 %) saadaan seuraavat arvot: Q min,w =143*(0,21 +0,19*1,75 + 0,61*log 143)= 0,27 m 3 /s Q min,s =143*(-0,90 + 0,23*1,75 + 0,68*log ,014*120 0,53 *2)=0,23 m 3 /s Olemassa olevien kosteikkojen huomioiminen lisää näiden yhtälöiden mukaan siis kesäalivirtaamia 15 % ja pienentää keskiylivirtaamia 6 %.

49 49 Taulukko 6. Liminganjoelle laskettuja virtaaman tunnuslukuja. HQ MHQ MQ Q min,w Q min,s Havainnot ennen vuotta ,60 4,20 0,32 [m 3 /s] Vesistömallijärjestelmä [m 3 /s] 21,08 Vesistömallijärjestelmä, 14,43 7,83 korjattu [m 3 /s] Kaiteran (1949) mukaan [m 3 /s] 16,00 Kaiteran (1949) mukaan, 15,00 kosteikot huomiotu [m 3 /s] Kuusiston (1986) mukaan [m 3 /s] 0,24 0,20 Kuusiston (1986) mukaan, kosteikot huomioitu [m 3 /s] 0,27 0, Liminganjoen ja järven historia Jo 1800-luvulla Liminganjärven ja Heinijärven pintaa laskettiin perkauksilla kuitenkin varsin tehottomasti luvun alussa Liminganjoki ruopattiin ja Liminganjärvi ja Liminganjoen yläjuoksulla ollut Heinijärvi kuivatettiin kokonaan kaivamalla uoma niiden maanpinnan tason alapuolelle ja kokoamalla ruoppausmassat uoman reunoille nykyisinkin olemassa oleviksi penkereiksi. Liminganjärven vedenpintaa säätelemään suunniteltiin pohjapato, mutta nykyisin Liminganjoessa olevat settipadon raamit eivät vastaa näitä patopiirrustuksia. (Maasilta 1950) Ennen 1950-luvun alun ruoppauksia Liminganjärven alueella oli n. 25 ha keskuslampi, ja sen ympärillä korteikko/saraikkoalue, joka muuttui järveksi kevättulvien ja yleensä syyssateiden aikana. Heinijärvi sijaitsi 8 km ylävirtaan Liminganjärvestä. Järviä yhdisti Ylioja, joka uoman vähäisen kaltevuuden takia levitti tulvat ympäröiville suoalueille. (Maasilta 1950)

50 50 4 Menetelmät 4.1 Tavoitetilan arvioiminen Liminganjoen alivirtaama-ajan virtaamalle tavoitetilaksi voidaan asettaa virtaama, joka joessa oli kuivaan aikaan ennen 1950-luvun alun ruoppaustoimenpiteitä. Limingan kunnassa olevien Heini- ja Liminganjärven vesijättöjen kuivatussuunnitelman (Maasilta 1950) perusteella tavoitteeksi saadaan, että joen virtaama pysyisi mahdollisimman kauan arvon 0,2 m 3 /s yläpuolella. Liminganjärven kunnostuksen tavoitteena on myös, että Liminganjärven kunnostustoimenpiteet eivät aiheuta nykyistä suurempaa tulvavahingon riskiä järven ympäristössä. 4.2 Tutkitut Liminganjärven kunnostusvaihtoehdot Tässä diplomityössä mallinnukset tehtiin 1) GSSHA 2.0-ohjelmalla ja 2) Reservoir Routing-menetelmällä. Kaikissa mallinnuksissa oletettiin padon olevan teräväharjainen settipato, sillä Liminganjoessa on perustukset tämänkaltaiselle padolle (sijainti ks. liite 1). Mallinnuksessa padon leveydeksi oletettiin (perustuksissa olevan setin aukon mukaisesti) 20 cm. Patokertoimeksi arvioitiin 0,65 (Vesihallitus 1985, 12-15) eli USA:laisessa järjestelmässä, jossa kerroin esitetään muodossa, vastaavasti 1,9. Huomioitavaa kuitenkin on, että vaikka padon oletettiin mallinnuksissa olevan nykyisen padon paikalla, mahdollisesti rakennettava pato ei välttämättä ole tämänkaltainen eikä tässä nimenomaisessa paikassa. Tehdyissä mallinnuksissa tarkasteltiin seitsemää eri pohjapatovaihtoehtoa. Vaihtoehdoissa VE 1 (harjakorkeus N60 +36,7 m), VE 2a (harjakorkeus N60 +36,9 m) ja VE 3a (harjakorkeus N60 +37,1 m) padon alin piste on tasolla m N 60 ja padon kolmioaukon kulma on 60. Padon alin piste valittiin näissä vaihtoehdoissa tavoitteena pitää Liminganjärven vedenpinta mahdollisimman pitkään tason +36,10 m N 60 yläpuolella, sillä tällöin mahdolliset ruopatut alueet eivät pääse kuivumaan kokonaan. Lisäksi tarkasteltiin vaihtoehtoja VE 2b ja VE 3b, jotka olivat harjakorkeudeltaan ja alimman pisteen korkeudeltaan samanlaisia VE 2a ja VE 3a, mutta joissa padon kolmioaukon kulma on 20. Lopuksi tarkasteltiin vielä patovaihtoehto VE 2c, jonka kolmioaukon kulma oli 13, ja joka ulottui nykyisen

51 uoman pohjaan eli tasolle N m. Eri patovaihtoehdoista on havaintopiirros liitteessä 2. Lisäksi kunnostusvaihtoehdot on koottu taulukkoon Taulukko 7. Tarkastellut patovaihtoehdot. vaihtoehdon tunnus padon harjakorkeus padon alin piste [m + N 60] padon V-aukon kulma [ ] [m + N 60] VE 0 nykytilanne: ei patoa. VE 1 36,70 36,10 60 VE 2a 36,90 36,10 60 VE 2b 36,90 36,10 20 VE 2c 36,90 35,65 13 VE 3a 37,10 36,10 60 VE 3b 37,10 36, Mittaukset Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus mittasi virtaamia Liminganjoesta sekä siihen laskevista Vesilaitoksenojasta, Okkosen-Kursunojasta ja Pappilanojasta vuonna 2009 neljä kertaa kevään ja kesän aikana sekä kerran syksyllä liitteessä 3 näkyvissä pisteissä. Lisäksi vedenpinnankorkeuksia on mitattu jatkuvatoimisesti Telog R-2109 e Level Tracker TM -mittarilla Värminkoskentiensillalla , Liminganjoessa Liminganjärven kohdalla Telog R-2109 e Level Tracker TM sekä Värminkoskentiensillalla, Lumijoentien sillalla ja Liminganjoen alaosan kävelysillalla TruTrack Data Logger WT-HR mark 3-mittareilla Tulva-aikaisia vedenpinnankorkeuksia merkittiin maastoon ja Liminganjärven alueella tulva-aikaiset vedenpinnankorkeudet merkittiin Liminganjärven länsipuolella kulkevan Tikkaperäntien ojaan (sijainti liitteessä 3). Tulvamerkkien korkeudet käytiin myöhemmin mittaamassa GPS-laitteella. Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus teki talvella 2009 GPS-mittauksia Liminganjärven alueella. Lisäksi osa Liminganjärven aluetta sekä Yliojan yläjuoksulla

52 52 sijaitsevat kosteikot kartoitettiin GPS-laitteella Myös Liminganjoessa ja järvessä olleiden jatkuvatoimisten vedenpinnanmittarien korkeudet mitattiin GPSlaitteella. Järvelle havaittiin GPS-mittauksessa soisella alueella vesipinnan olevan tasolla N m ja toisessa paikassa N m. Koska Liminganjärven alueen GPS-mittauksissa saadussa aineistossa oli joitain epätarkkuuksia ja puutteita, mittauksia täydennettiin suoritetulla maastokäynnillä mittauksella, jossa Liminganjoesta/Yliojasta Liminganjärven alueelta mitattiin joen leveys vedenpinnan tasosta, veden syvyys, penkereen korkeus vesipinnasta sekä penkereen jyrkkyys. Mittauspaikat on merkitty karttaan liitteessä Sadantatiedot Ilmatieteenlaitokselta saatiin tuntisadehavainnot Siikajoen Revonlahden säähavaintoasemalta aikaväliltä Vesistömallijärjestelmä GSSHA-mallin lähtötietoina käytettiin Ympäristöhallinnon Vesistömallijärjestelmästä (SYKE-WSFS) saatuja, Vesistömallijärjestelmän ennusteissakin käytettyjä laskennallisia arvoja virtaamasta ja maan pinnalle tulevan veden määrästä. Vesistömallijärjestelmä kuvaa veden kulkeutumista vesistön uomissa ja järvissä ja ennustaa mm. virtaamaa ja vedenkorkeutta sekä tuottaa reaaliaikaisia vesitilannekarttoja. Vesistömallijärjestelmä käyttää lähtöaineistonaan hydrologisen havaintoverkoston mittaustuloksia, Ilmatieteenlaitoksen säähavaintoja ja ennusteita, säätutkan havaintoja sekä satelliittien lumenpeittävyystietoja. Mallin ennusteet korjaantuvat jatkuvasti viimeisimpien havaintojen perusteella. 4.6 Purkautumiskäyrät Virtaamamittauspisteistä saaduista virtaama- ja vedenpinnankorkeusmittausarvoista laadittiin mittauspaikoille ominaiset purkautumiskäyrät, joiden perusteella kesän 2009 vedenpinnankorkeusmittaustulokset muunnettiin virtaamiksi. Virtaamat saatiin 15 minuutin tarkkuudella, mutta ne muutettiin käsittelyn helpottamiseksi 1 tunnin

53 53 tarkkuuteen. Liminganjoen alaosan kävelysillalta saatuja vedenpinnankorkeuden mittauksista saatuja tuloksia ei voitu käyttää, sillä Temmesjoen ja meriveden pinnankorkeuden vaikutus joen vedenpinnan korkeuksiin estää purkautumiskäyrän käytön. Järven purkautumiskäyrä Liminganjärven alueen laidalla olevan tien vieressä olevasta ojasta merkittiin ja vedenpinta, jonka oletetaan olevan järven kevättulvan 2009 korkein vedenpinta. GPS-mittauksessa todettiin korkeammaksi arvoksi näistä todettu arvo N Järvelle havaittiin GPS-mittauksessa soisella alueella vedenpinnan olevan tasolla N m ja toisessa paikassa N m. Tällöin virtaama uomassa (n m3/s) oli kuitenkin niin vähäistä, että on ilmeistä, että varsinainen Liminganjärven alue ei ollut ainakaan suorassa yhteydessä uomaan. Kun järven vedenpinnankorkeudet asetetaan rinnakkain Värminkoskentien sillan virtaamien kanssa, saadaan kuvan 13 mukainen riippuvuus. Näitä vedenpinnankorkeus virtaama arvoja käytetään mallien kalibrointiin.

54 54 Kuva 13. Liminganjärven vedenpinnankorkeuden ja Värminkoskentiensillan kohdalla havaitun Liminganjoen virtaaman välinen riippuvuus sekä havaintopisteisiin sovitettu trendiviiva. Purkautumiskäyrää laatiessa on huomioitava järven pinnankorkeudenmittauspisteen ja Värminkoskentiensillan välinen etäisyys. Kun verrataan huomattavia huippuja virtaamassa ja joen pinnankorkeudessa, havaitaan, että suurilla virtaamilla huippujen erotus on tunnin luokkaa, eikä aiheuta suurta virhettä. Pienillä virtaamilla taas havaitaan, että virtausnopeudet ovat niin pieniä, että huipuille tulee eroa yli 5 tuntia, ja tämän aiheuttama virhe on jo huomattava. Koska virtaamahuiput eivät ole symmetrisiä vaan leviävät huipun jälkeen enemmän, pienillä virtaamilla tästä aiheutuu virhettä purkautumiskäyrään nimenomaan niin, että purkautumiskäyrästä tulee liian suuria virtaama-arvoja.

55 Mallin rakennus WMS-käyttöliittymässä Korkeusmallin muodostus WMS 8.2-käyttöliittymässä rakennettiin rasterikorkeusmalli (ruudun koko 50 m x 50 m tietokoneen muistin asettamien rajoitusten vuoksi), joka perustui Maanmittauslaitoksen rasteriaineistoon, jossa ruudun koko on 25m x 25m. Liminganjärven kohdalta MML:n rasteriaineisto korvattiin paikalta talvella 2009 otetuilla GPS-mittauksilla (kartta liitteessä 1). Järven kunnostuksen suunnittelu lähti oletuksesta, että järven vedenpinta on sama kuin järven poikki kulkevan kanavan pinnankorkeus, ja GPS-havainnoissa ei ollut järven vedenpinnalle muuta korkeutta kuin ojan vedenpinnan korkeus. Kesällä 2009 tehdyissä täydentävissä GPS-mittauksissa havaittiin, että ainakin mittaushetkellä vedenpinta järven vetisellä alueella oli tasolla m N60 kun taas tästä yläjuoksuun ojan vedenpinta oli tasolla m N60 eli noin 64 cm alempana. Lisäksi järven alueen itälaidassa mitattiin vedenpinta tasolla m. Maastokäynnillä näköhavainnot tukivat oletusta, että Liminganjärven avovesialueen vedenpinta on ainakin sateiden jälkeen huomattavasti Liminganjoen uoman vedenpintaa korkeammalla. On ilmeistä, että kuivaan aikaan järven avovesialue ei ole yhteydessä uomaan. Koska kuitenkin kunnostaminen lähti oletuksesta, että järven alin vedenpinta on tasolla 36.4, tehtiin korkeusmallin perusteella muodostettuun 2D-grid:n manuaalisesti muutoksia: kartalla näkyvän avoveden kohdalta alennettiin maanpintaa tasolle 36.40, joka on talvella 2009 tehdyissä GPS-mittauksissa havaittu joen vedenpinnan korkeudeksi, ja alueen laidoille osuvat avoveden alueen laitojen korkeus asetettiin tasolle Huomioitavaa korkeusmallin rakentamisessa on se, että maanpinnan pienten korkeuserojen vuoksi suuret alueet mallista sisälsivät täysin tasaisia alueita ( flat DEM cells ), jotka voivat aiheuttaa virhettä GSSHA-mallin toimintaan (Downer ja Ogden 2006). Varsinaiset keinotekoiset kuopat saatiin poistettua Remove Digital Damstoiminnolla. Tasaiset alueet näkyvät kuvassa 14.

56 56 Kuva 14. Tasaiset alueet (punaisella) WMS-käyttöliittymässä luodussa korkeusmallissa Uomaverkoston rakentaminen TOPAZ-ohjelmalla saatiin muodostettua uomaverkko, joka vastasi jossain määrin todellisuutta. Kuitenkin suuria eroja oli sekä Yliojan että Aliojan sijainneissa. Veden virtaussuuntia soluissa muutettiin manuaalisesti, niin että saatiin uomaverkosto kulkemaan todellisuutta vastaavia reittejä (kuva 15). Kun veden imeytymistä maaperään ei ollut vielä otettu mukaan malliin, vesi kerääntyy paikkoihin, joihin se ei todellisuudessa keräänny. Näihin paikkoihin lisättiin kuvan 16 mukaisesti ojia todellisuudessa esiintyvää ojaverkostoa jäljitellen. Uomaverkoston pitkittäisprofiilit saatiin asettamalla uomien pohjat suunnilleen 1,5 m syvyyteen ja tasoittamalla profiilit Smooth Stream Arcs-komennolla. Pääuomalle eli Yliojalle ja Liminganjoelle annettiin uoman syvyydeksi 2,0 m, uoman pohjan leveydeksi 4,0 m ja uoman reunan kaltevuudeksi 1,5:1,0. Pienemmille ojille annettiin uoman syvyydeksi 1,5 m, uoman pohjan leveydeksi 0,5 m ja uoman reunan kaltevuudeksi 3,0:1,0. Nämä lukemat vastaavat maastokäynneillä tehtyjä havaintoja.

57 57 Kuva 15. TOPAZ-ohjelmalla luotu (sininen) ja manuaalisesti muokattu (punainen) uomaverkosto. Taustakartta Maanmittauslaitos lupa nro 7/MML/09.

58 58 Kuva 16. Lopullinen manuaalisesti lisätty ojaverkosto WMS-käyttöliittymässä. Taustakartta Maanmittauslaitos lupa nro 7/MML/09. Hirvinevan entisen tuotantoalueen tilalle tehdyn kosteikon kohdalle asetettiin kosteikko, jonka syvyys on n. 0,5 1m nykyisestä maanpinnasta. Kosteikolle annettin seuraavat ominaisuudet: turpeen syvyys 0,5 m, veden syvyys turpeessa ajon alussa 0,5 m, turpeen hydraulinen johtavuus 0,02 m/vrk, kasvillisuuden korkeus 1 m, kasvillisuuden hydraulinen johtavuus 10 m/vrk, Manningin kerroin 0,1. Lisäksi madallettiin Ison Nuoluanjärven kohdalta maanpintaa ja asetettiin pato estämään virtaus Isosta Nuoluanjärvestä Yliojaa kohti, sillä (keskustelu A. Lehdon kanssa 2009) mukaan Iso Nuoluanjärvi on soistuva alue, josta ei juuri virtaa vettä Yliojalle päin. Hirvinevan kosteikko ja Iso Nuoluanjärvi näkyvät kuvassa 17.

59 59 Kuva 17. Hirvinevan kosteikon ja Ison Nuoluanjärven sijainti WMS-käyttöliittymään rakennetussa valuma-aluemallissa. Taustakartta Maanmittauslaitos lupa nro 7/MML/ Maaperän ja maanpinnan ominaisuudet Malliin tuotiin maaperä (Soil Type Coverage)-aineistoksi Geologisen tutkimuskeskuksen (2009) 1: maaperäaineistosta tehty vektorimuotoinen aineisto (kuva 18). Malliin tuotiin maanpeite (Land Use Coverage)-aineistona Suomen ympäristökeskuksen CORINE Land Cover 2000 (CLC2000, 25 m) ensimmäisen jakovaiheen rasteriaineistosta tehty vektorimuotoinen aineisto (kuva 19).

60 60 Kuva 18. Maaperäaineisto WMS-käyttöliittymään rakennetussa valuma-aluemallissa (punainen = Pohjamoreeni, keltainen = Rantakerrostuma, vihreä = Turvekerrostuma, sininen = Vesi). Maaperäaineisto Geologian tutkimuskeskus, Taustakartta Maanmittauslaitos lupa nro 7/MML/09. Kuva 19. Maanpeiteaineisto WMS-käyttöliittymään rakennetussa valuma-aluemallissa (punainen = Rakennettu, keltainen = Maatalous, vaalea vihreä = Metsä, vaalea ruskea = Kosteikko/avosuo, sininen = Vesi). CLC2000 maankäyttö/maanpeite (25m): SYKE (osittain MMM, MML, VRK). Taustakartta Maanmittauslaitos lupa nro 7/MML/09.

61 Järven ja kosteikkojen mallinnus GSSHA:n kuuluu järvimoduuli, jossa järvelle voidaan antaa aloitusvedenpinnantaso sekä maksimi- ja minimivedenpinnantasot. Valitettavasti tätä moduulia ei saatu toimimaan, ilmeisesti Liminganjärven alueen pohjan muodon vuoksi. Järven mallinnusta kokeiltiin tekemällä joesta poikkileikkauksin määritelty uoma järven kohdalla, mutta rajapinta uoman ja tulvatasanteen välillä ei toiminut: vesi ei virrannut uomasta tulvatasanteelle uoman vedenpinnan noustua tulvatasanteen maanpinnan yläpuolelle. Näiden ongelmien vuoksi päätettiin tehdä järven hydraulinen tarkastelu HEC-RAS-ohjelmalla. Alun perin oli tarkoitus ottaa kosteikot osaksi GSSHA:lla tehtävää mallinnusta joko järvi- tai kosteikkomoduulilla. Kosteikkoja sisältävää mallia ei kuitenkaan saatu ajettua läpi onnistuneesti, ilmeisesti koska olemassa olevat kosteikot ovat hyvin lähellä toisiaan ja vaihtelu Heinijärven alueen pinnankorkeuksissa on vähäistä. 4.8 GSSHA-malli Kalibrointi GSSHA-mallinnuksessa käytettiin versiota GSSHA 2.0., menetelmiä ADE (virtaus maanpinnalla) ja G &A (suotautuminen maahan). Aika-askel oli 300 s ja simulaation kokonaiskesto min. Mallinnuksessa ilmenneiden vaikeuksien vuoksi päätettiin jättää pienten virtaamien mallinnus GSSHA:lla kokonaan pois tästä työstä. GSSHA:lla mallinnettavat tapahtumat olivat näin ollen kevään 2009 ja kevään 2001 tulvat, ja mallin kalibrointi päätettiin tehdä vuoden 2009 tulvan havaintojen avulla. Kalibroinnissa oletettiin, että koska malli ei ota huomiooon Liminganjärveä, järven tulovirtaama ei poikkea merkittävästi Värminkoskentien virtaamasta. Malli antaisi Värminkoskentien sillan kohdalla huomattavasti suurempia virtaama-arvoja kuin ennen järveä (ks. kuva 20), mutta suurin osa tästä virtaamasta tulee mallin mukaan pintavaluntana lähialueilta, eivätkä maastokäyntien havainnot tue näin suurta virtaaman muutosta tällä välillä. Kyseinen oletus on kuitenkin virhelähde mallissa. Mallissa maaperä oletettiin jäätyneeksi ja suotautuminen maaperään hyvin pieneksi (vedenläpäisevyys Ks=0, cm/h). Arvo perustuu jäätyneen siltin vedenläpäisevyyteen (Engelmark 1984). Maanpinnalle ja uomille annettiin taulukossa 8 esitetyt Manningin kertoimet,

62 joiden lähtökohtana olivat Downer & Ogden (2006, 64) sekä United States Geological Surveyn (2009) esittämät kertoimet. 62 Taulukko 8. GSSHA-mallissa käytetyt Manningin kertoimet. Maankäyttö Manningin kerroin n Rakennettu 0,01 Maatalous 0,20 Metsä 0,20 Kosteikko/avosuo 0,05 Vesi 0,20 Ylioja ja Liminganjoki 0,05 Muut ojat 0,10 Mallissa käytettiin sadetapahtumaa, jonka lähtökohtana oli Ympäristöhallinnon Vesistömallijärjestelmässä Liminganjoen valuma-alueelle arvioitu maanpinnalle tulevan veden määrä aikavälillä Vesistömallijärjestelmän tiedot ovat vuorokauden tarkkuudella, mutta GSSHA-mallia varten sadejakso jaettiin tunnin tarkkuuteen. Näillä arvoilla saatiin huippuvirtaama sovitettua hyvin suuruudeltaan ja ajoitukseltaan havaintoihin. Tulvan lasku sen sijaan tapahtuu mallissa liian nopeasti. Värminkoskentiensillalla tehdyn virtaamamittauksen mukaan joen virtaama olisi ollut 3,7m 3 /s, mutta GSSHA-ajon mukaan tähän ajankohtaan ensimmäinen tulvaaalto olisi jo mennyt ohi, mutta kaksi tulvan jälkeistä sadetapahtumaa nostivat virtaaman lähelle havaittua arvoa (kuva 20). Tulvan nopea lasku johtuu todennäköisesti siitä, että mallissa ei oteta huomioon maaperän asteittaista sulamista kevään edetessä. Todellisuudessa tulvan loppupuolella osa vedestä imeytyy maahan, jolloin sulannasta/sateesta jokeen tuleva virtaama pienenee ja viivästyy, koska vesi tulee uomaan vasta virrattuaan maaperässä. Lisäksi mallissa ei ole otettu huomioon muita kosteikoita kuin Hirvinevan entisen turvetuotantoalueen kosteikko, eikä virtaus uoman ja tulvatasanteen välillä Liminganjärven kohdalla toiminut.

63 63 Kuva 20. GSSHA-ohjelmalla mallinnettu virtaama Yliojassa ennen Liminganjärveä sekä Värminkoskentien sillalla, tulva keväällä GSSHA-mallissa tehdyt ajot GSSHA-mallissa kevään 2009 ja kevään 2001 tulvista tehdyt mallinnukset otettiin mukaan tähän työhön. Kevään 2001 tulva on Ympäristöhallinnon Vesistömallijärjestelmän mukaan poikkeuksellinen kerran 40 vuodessa toistuva suurtulva, vuoden 2009 tulva taas hieman keskimääräistä pienempi tulva. GSSHA:sa mallinnettiin sadetapahtumat, joiden lähtökohtana oli Vesistömallijärjestelmässä Liminganjoen valuma-alueelle arvioitu maanpinnalle tulevan veden määrä aikaväleillä ja GSSHA-mallista saadut virtaamat vuosien 2001 ja 2009 tulville Yliojassa ennen Liminganjärveä on esitetty kuvissa 21 ja 22.

64 64 Kuva 21. GSSHA-ohjelmalla mallinnettu virtaama Yliojassa ennen Liminganjärveä, tulva keväällä Kuva 22. GSSHA-ohjelmalla mallinnettu virtaama Yliojassa ennen Liminganjärveä, tulva keväällä 2001.

65 HEC-RAS Mallin rakentaminen Korkeusmalli rakennettiin WMS-käyttöliittymässä kevättalvella 2009 tehtyjen GPSmittapisteiden perusteella (liite 1). Mittauspisteitä on n. 200 m välein linjoissa, joiden etäisyys toisistaan on n. 200 m. Näitä pisteitä täydennettiin Maanmittauslaitoksen 25 m x 25 m pinnankorkeusrasterilla. Malliin lisättiin lisäksi kartalla Liminganjärven avovesialueeksi merkityn alueen kohdalle puolen metrin syvyinen kuoppa (pohja tasolla +36,0 m N60). Mallissa on pääuoma Liminganjoki, joka jakaantuu Yliojaan ja Alaosaan, sekä Liminganjokeen Liminganjärven jälkeen litttyvä metsäoja Oja (kuva 23). Uomien pituusleikkausten perustana käytettiin kesällä 2009 tehdyissä GPSmittauksissa saatua uoman ja ojan pituusleikkauksia. Pääuoman poikkileikkaukset on tehty tehtyjen mittausten (paikat liitteessä 4) tulosten ja GPS-mittauksissa saatujen yksittäisten pisteiden perusteella. Poikkileikkauslinjat on esitetty kuvassa 24. Uoman poikkileikkausten välimatka oli näiden poikkileikkausten kanssa maksimissaan n. 270 m Liminganjoessa ja n. 400 m Ojassa. Kuva 23. Liminganjärven alue HEC-RAS-ohjelmassa.

66 66 Kuva 24. Poikkileikkauslinjat Liminganjärven alueella HEC-RAS-mallia varten WMSkäyttöliittymässä. Pohjakartta Maanmittauslaitos lupa nro 7/MML/09. Malli jaettiin erilaisiin kasvillisuus/maankäyttöalueisiin karttatarkastelun ja maastokäyntien perusteella (kuva 25). Lisäksi sekä Liminganjoki että Oja jaettiin varsinainen uomaan ja joen penkkaan, jossa kasvaa puita. Sen jälkeen, kun projekti vietiin WMS-käyttöliittymästä HEC-RAS-ohjelmaan, malliin interpoloitiin poikkileikkauksia lisää niin, että Ojassa sekä Yliojassa poikkileikkausten välimatka on enintään 100 m ja Alaosassa enintään 30 m.

67 67 Kuva 25. Maaperä HEC-RAS-mallia varten WMS-käyttöliittymässä (keltainen=pelto, ruskea=tiheä pusikko, oranssi=avosuo, vihreä=metsä). Kuvassa 26 sinisellä ympäröidyllä alueella uoman vallien takainen tulvatasanne merkittiin tehottoman virtauksen alueeksi. Lisäksi punaisella kuvassa 26 punaisella merkityllä alueella poikkileikkausten päätepisteiden korkeutta nostettiin tasolle +38,4 m (N 60), sillä korkeusmalli ei ota huomioon ojan pengertä, jonka suurimmaksi korkeudeksi havaittiin kesän 2009 GPS-mittauksissa +38,4 m (N 60).

68 68 Kuva 26. HEC-RAS-malliin manuaalisesti tehdyt muutokset (sininen = uoman vallien takainen tulvatasanne on tehottoman virtauksen aluetta; punainen = poikkileikkausten päätepisteiden korkeutta nostettiin tasolle +38,4 m (N 60)). Taustakartta Maanmittauslaitos lupa nro 7/MML/ Muuttumattoman virtauksen ( Steady-State ) mallin kalibrointi Liminganjoesta Liminganjärven kohdalla tehty muuttumattoman virtauksen malli ajettiin läpi eri virtaama-arvoilla väliltä m 3 /s. Mallin kalibrointi perustuu luvussa 4.6 esitettyihin purkautumiskäyriin. Mallien kalibroinnissa on oletuksena, että mallin alueen ja Värminkoskentien sillan välillä Liminganjoen virtaama ei kasva merkittävästi. Mallin Manningin kertoimiksi saatiin taulukossa 9 esitetyt arvot. Eri maankäyttöluokista on valokuvia liitteessä 5. Saadut arvot sopivat kirjallisuudessa esitettyihin arvoihin (Downer & Ogden 2006, 64, United States Geological Surveyn 2009). Näillä Manningin kertoimen arvoilla saatiin kuvassa 27 esitetty purkautumiskäyrien sovitus nykytilanteelle eli 0-vaihtoehdolle. Alle 2 m 3 /s virtaamille sovitus on esitetty kuvassa 28. Liminganjärven vedenpinnankorkeudet ovat pisteestä, jossa mitattiin järven vedenpinnankorkeuksia kesällä Liminganjärven vedenpinnankorkeuden mittauspisteen sijainti on esitetty liitteessä 1.

69 69 Taulukko 9. HEC-RAS-mallin kalibroinnista saadut Manningin kertoimet eri maankäyttöluokille. Maankäyttöluokka Manningin karkeus Pääuoma Joen penkka, jossa on puita 0.05 Pusikko 0.09 Avosuo 0.06 Oja 0.05 Metsä 0.08 Pelto Kuva 27. HEC-RAS-mallin sovitus virtaama- ja vedenpinnankorkeushavaintoihin.

70 70 Kuva 28. HEC-RAS mallin sovitus virtaama- ja vedenkorkeushavaintoihin alle 2 m 3 /s virtaamilla Muuttuvan virtauksen ( Unsteady-State ) mallin kalibrointi Muuttuvan virtauksen mallinnuksessa käytettiin järveen tulevana virtauksena GSSHAmallinnuksesta saatua järven tulovirtaamaa. GSSHA:lla mallinnettiin vuoden 2009 tulva, joka vastaa Vesistömallijärjestelmän perusteella vähän keskimääräistä pienempää tulvaa, sekä vuoden 2001 tulva, joka samoin vesistömallijärjestelmän perusteella on kerran 40 vuodessa toistuva poikkeuksellisen korkea tulva. Vuoden 2009 tulva täydennettiin alkaen mitatuilla virtausarvoilla. Vuoden 2009 virtaussarja on ajalle Aika-askel mallinnuksessa oli 1 tunti. Ongelmalliseksi osoittautui pienten, alle 1 m3/s virtaaminen mallintaminen. Kun todellisuudessa uomaan tuleva valtaoja poistettiin mallista, mallinnus onnistui. Stabiiliuden saavuttamiseksi virtaamia muokattiin niin, että jos virtaama muuttui yli 0,1 m 3 /s tunnin aikana, virtaama korvattiin edellisen ajanhetken ja tämän ajanhetken virtaamien keskiarvolla. Lisäksi alle 0,035 virtaamat korvattiin 0,035 m 3 /s virtaamilla.

71 Reservoir Routing Liminganjärven mallinnus Reservoir Routing menetelmässä tarvittiin järven purkautumiskäyrä nykytilanteessa sekä eri patovaihtoehdoilla (luku 4.2). Purkautumiskäyrä saatiin HEC-RASmuuttumattoman tilan mallinnuksista. Tilavuus-vedenpinnankorkeus-käyrä perustui NovaPoint:lla tehtyihin tilavuuslaskelmiiin. NovaPoint:in kolmioverkko perustui talvella 2009 tehtyihin GPS-mittauksiin Liminganjärven alueella. Tilavuuslaskelmissa lisättiin järven tilavuuteen uoman tilavuus sekä avovesialueelle manuaalisesti lisätty kuoppa. Pinnankorkeuden 38.4 yläpuolella tilavuusarvot saatiin laskemalla tilavuus vedenpinnan pinta-alasta olettaen, että tilavuus kasvaa aina edellisestä vedenpinnan tasosta kuin soikean kartion tilavuus. Reservoir Routing-menetelmällä mallinnettiin samoja virtaama-sarjoja kuin HEC-RASmuuttuvan tilan mallinnuksessa (luku 4.6.4). Aika-askel Liminganjärven mallintamisessa oli 6 tuntia Kosteikkojen mallinnus Nykyisin olemassa olevia kosteikoita ei mallinnettu, sillä ne eivät ole suoraan Yliojan tai Aliojan yhteydessä, vaan niiden läpi kulkee osa Yliojaan tai Aliojaan laskevien ojien vesistä. Mallinnuksessa oletettin, että 0-tilanteessa koko Liminganjoen valuma-alueella ei ole Hirvinevan kosteikon lisäksi lainkaan järviä tai kosteikkoja. Hirvinevan kosteikko oli mukana siksi, että se sisältyi GSSHA-malliin, josta saadusta Liminganjärven tulovirtaamasta kosteikkojen Reservoir Routing-mallin tulovirtaama johdettiin. Kaikissa tarkasteluissa malliin syötettiin samat virtaama-sarjat kuin HEC-RAS-muuttuvan tilan mallinnuksessa (ks. luku 4.6.4) kerrottuna kertoimella 1,12 (jotta virtaama vastaa Lumijoentien sillan virtaamaa, josta on poistettu Liminganjärven vaikutus). Aika-askel kosteikkojen mallintamisessa oli 1 tunti. Kosteikkojen osalta mallinnettiin kolmea kosteikkosarjaa: 1) Yliojaan ennen Heinijärven alueelle tuloa rakennetaan kolme kosteikkoa. 2) Yliojaan, Tuhkasenjärven ojaan, Liminganjärven jälkeen Liminganjokeen laskevaan valtaojaan, Vesilaitoksen

72 72 ojaan sekä Okkosen-Kursun ojaan rakennetaan yksi kosteikko. 3) Kuten kosteikkosarja 2, mutta kosteikkoja rakennettaan joka ojaan kaksi kappaletta. Kosteikkojen sijaintia on havainnollistettu kuvassa 29. Kuvaan 29 on myös merkitty kunkin ojan osuus Lumijoentien sillalle tulevasta virtaamasta. Kuva 29. Kosteikkojen mallinnuksessa oleelliset Liminganjokeen laskevat ojat ja niiden osuudet Lumijoentien sillalle tulevasta virtaamasta. Mallinnettava kosteikko on laatikon muotoinen. Sen pinta-ala on 4,0 ha (vertailun vuoksi pienin nykyisistä kosteikoista on pinta-alaltaan 4,3 ha, suurin taas 13,8 ha), ja sen ympäröivän penkereen korkeus on 2,0 m kosteikon pohjasta. Mallinnuksissa, joissa käytössä on patovaihtoehto a, menovirtausta kosteikosta säätelee pato, jonka harja on korkeudella 0.8 m korkeudella pohjasta. Padon leveys on 1 m. Jos kosteikon vedenpinta nousee yli 1,5 m tason, oletetaan, että vesi virtaa kosteikon penkereen ylitse 2 m matkalla padon kummaltakin puolelta.

73 73 Kun käytössä on patovaihtoehto B (tarkastelu vain kosteikkosarjoille 2 ja 3), mallinnukset tehdään käyttäen V-patoa, jonka matalin piste on 0,8 m korkeudella pohjasta, ja jonka V-aukon kulma on 22,5. Jos kosteikon vedenpinta nousee yli 1,5 m tason, oletetaan, että vesi virtaa kosteikon penkereen ylitse 2,31 m matkalla padon kummaltakin puolelta. Virtaama teräväharjaisen padon yli on laskettu yhtälöllä (41) (Vesihallitus 1985, 12) (41) jossa on patokerroin, teräväharjaiselle padolle = 0,65 (Vesihallitus 1985, 15) teräväharjaiselle padolle = 0,54 (Vesihallitus 1985, 18) on padon harjan leveys [m] on maan vetovoiman kiihtyvyys [m/s 2 ] = 9,81 m/s 2 on vedenpinnan korkeus [m] on vedenpinnan korkeus padon matalimmassa kohdassa [m] Virtaama penkereen yli on myös laskettu yhtälöllä (41), mutta leveäharjaisen pohjapadon purkautumiskertoimella µ=0,54. Virtaama V-padon aukosta on laskettu WMS-käyttöliittymän Weir Calculations-komennolla Ravinteiden ja kiintoaineen pidättymisen arviointi Ravinteiden ja kiintoaineen pidättymistä arvioidaan kosteikkojen pinta-alan ja kosteikon pinta-ala/valuma-alueen pinta-ala-suhteen avulla, kirjallisuudessa esitettyjen arvojen perusteella. Limingan maatalousalueiden monivaikutteisten kosteikkojen yleissuunnitelmassa (Harjula ja Mahosenaho 2009) Okkosen-Kursunojaan on suunniteltu kolme kosteikkoa ja Vedenottamon uomaan (Vesilaitoksen oja) myös kolme mahdollista kosteikkoa. Ehdotettujen kosteikkojen pinta-alat ja niiden valuma-alueiden pinta-alat on esitetty taulukossa 10. Lisäksi tarkastellaan esimerkkinä nykyisin olemassa olevan Tuhkasenjärven (pinta-ala 7,5 ha, valuma-alueen pinta-ala 170 ha) sekä

74 hypoteettisen suoraan Yliojaan Heinijärven alueelle (valuma-alueen pinta-ala 2826 ha) rakennetun kosteikon vaikutusta. Ojien sijainnit on esitetty kartalla liitteessä Taulukko 10. Limingan maatalousalueiden monivaikutteisten kosteikkojen yleissuunnitelman kosteikkojen pinta-alat ja W/C-suhteet. Kohde nro Kosteikon Valuma-alueen Kosteikon pintaala ja oja pinta-ala [ha] pinta-ala [ha] valuma- 7 Okkosen- 28, ,3 Kursunoja 8 Okkosen- 2, ,5 Kursunoja 9 Okkosen- 0, ,0 Kursunoja 10 Vedenottamonoja 16, ,9 11 Vedenottamonoja 0, ,3 12 Vedenottamonoja 0, ,0 5 Tulokset 5.1 GSSHA Kuvissa 30 ja 31 on esitetty virtaamat Yliojassa ennen Liminganjärveä ja Liminganjoessa Värminkoskentiensillalla kevään 2009 ja kevään 2001 tulva-aikoina GSSHA:lla mallinnettuna. Kuvaan 30 on lisäksi merkitty Värminkoskentien sillalla tehtyjen virtaamamittausten tulokset. Kevään 2009 tulvan mallinnuksessa suurin virtaama Yliojassa ennen Liminganjärveä on 7 m 3 /s ja kevään 2001 tulvan mallinnuksessa 15 m 3 /s. Tuloksista havaitaan, että Liminganjärven virtaamia tasaava vaikutus ei toteudu GSSHA-mallinnuksessa. Virtaamat kasvavat yli 1 m 3 /s virtaamilla keskimäärin 18 % matkalla Liminganjärven eteläpuolelta Värminkoskentien sillalle.

75 75 Kevään 2009 suurimmilla virtaamilla tämä tarkoittaa n. 1,2 m 3 /s kasvua ja kevään 2001 suurimmilla virtaamilla n. 2,7 m 3 /s kasvua. GSSHA-mallista saatuja virtaamia Yliojassa ennen Liminganjärveä kevään 2009 ja kevään 2001 tulva-aikoina käytettiin Liminganjärven tulovirtaamina HEC-RAS- ja Reservoir Routing-mallinnuksissa. Kuva 30. Virtaamat Yliojassa ennen Liminganjärveä ja Liminganjoessa Värminkoskentiensillalla, kevään 2009 tulva GSSHA:lla mallinnettuna. Kuva 31. Virtaamat Yliojassa ennen Liminganjärveä ja Liminganjoessa Värminkoskentiensillalla, kevään 2001 tulva GSSHA:lla mallinnettuna.

76 HEC-RAS Muuttumaton virtaus Kuvassa 32 on esitetty eri patovaihtoehtojen purkautumiskäyrät virtaamilla 0,02 16 m 3 /s. Vuoden 2009 tulvaa eli vähän keskimääräistä pienempää tulvaa vastaavalla virtaamalla (6,12 m 3 /s) vaihtoehdolla VE 1 vedenpinta nousee järvessä nykytilanteeseen verrattuna n. 4 cm, vaihtoehdolla VE 2a n. 14 cm, vaihtoehdolla VE 2b n. 19 cm, vaihtoehdolla VE 2c n. 17 cm, VE 3a 27 cm ja VE b jopa 35 cm. Ero eri patovaihtoehtojen välillä on sitä pienempi mitä suurempi virtaama joessa on. Esimerkiksi Vesistömallijärjestelmän korjatun Liminganjoen huippuvirtaama-arvon (ks. luku 3.3) perusteella valitulla virtaamalla 14 m 3 /s ero eri vaihtoehtojen välillä on pienempi. Vaihtoehdolla VE 1 vedenpinta nousee järvessä nykytilanteeseen verrattuna n. 3 cm, vaihtoehdolla VE 2a n. 5 cm, vaihtoehdolla VE 2b n. 6 cm, vaihtoehdolla VE 2c n. 6 cm, VE 3a 10 cm ja VE b 16 cm. Kuva 32. Eri patovaihtoehtojen purkautumiskäyrät HEC-RAS:lla mallinnettuina ja vuoden 2009 Liminganjärven vedenpinnankorkeushavainnot.

77 Muuttuva virtaus Eri pohjapatojen vaikutukset Liminganjärven vedenpintaan Kuvassa 33 on esitetty HEC-RAS muuttuvan virtauksen mallinnuksessa saadut kuvaajat vedenpinnankorkeuksista eri patovaihtoehdoilla vuoden 2009 virtaamasarjalla eli vähän keskimääräistä pienemmällä tulvalla (suurin virtaama Värminkoskentien sillalla 6,12 m 3 /s). Vastaavasti kuvassa 34 on esitetty saadut kuvaajat vedenpinnankorkeuksista eri patovaihtoehdoilla vuoden 2001 kevään virtaamilla eli kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla (suurin virtaama 14 m3/s). Taulukossa 11 on esitetty mallinnusjakson korkeimmat vedenpinnankorkeudet kummallekin tarkastellulle vuodelle eri patovaihtoehdoilla. Kuva 33. Vedenpinnankorkeudet Liminganjärvessä eri patovaihtoehdoilla kun kevättulva on vähän keskimääräistä pienempi (mallinnettu HEC-RAS-menetelmällä).

78 78 Kuva 34. Vedenpinnankorkeudet Liminganjärvessä eri patovaihtoehdoilla kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla (mallinnettu HEC-RAS-menetelmällä). Taulukko 11. Korkeimmat Liminganjärven vedenpinnat eri patovaihtoehdoilla mallinnettuna. Patovaihtoehto Korkein vedenpinta keskimääräistä pienemmällä tulvalla [m +N60] Korkein vedenpinta kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla [m +N60] VE VE VE 2a VE 2b VE 2c VE 3a VE 3b

79 79 Havaitaan, että vähän keskimääräistä pienemmällä tulvalla eniten tulvavedenpintaa nostava patovaihtoehto VE 3b (padonharjan korkeus N60 +37,10 m, V-aukon kulma 20 ) nostaa tulvavedenpintaa Liminganjärvessä noin 21 cm korkeammalle kuin padoton vaihtoehto VE 0. Vedenpintoja verrattiin pisteessä, jossa mitattiin Liminganjärven vedenpinnankorkeutta kesällä 2009 (liite 1). Kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla padoilla ei ole suurta vaikutusta tulvavedenpinnan tasoon. Kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla eniten tulvavedenpintaa nostava patovaihtoehto VE 3b nostaa tulvavedenpintaa järvessä n. 11 cm korkeammalle kuin padoton vaihtoehto VE 0. Eri pohjapatojen vaikutukset Liminganjoen virtaamiin Kuvassa 35 on esitetty HEC-RAS-mallilla lasketut Liminganjoen virtaamat Liminganjärven jälkeen eri patovaihtoehdoilla vuoden 2009 virtaamilla ja kuvassa 36 vuoden 2001 virtaamilla. Kuva 35. Virtaamat Liminganjoessa eri patovaihtoehdoilla vähän keskimääräistä pienemmällä tulvalla (mallinnettu HEC-RAS-menetelmällä).

80 80 Kuva 36. Virtaamat Liminganjoessa eri patovaihtoehdoilla kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla (mallinnettu HEC-RAS-menetelmällä). Taulukkoon 12 on koottu eri patovaihtoehtojen vaikutus aikaan, jolloin virtaama Liminganjoessa on yli 0,2 m 3 /s. Havaitaan, että eniten alivirtaama-aikaa lykkäävät VE 2c (padonharjan korkeus N60 +36,90 m, V-aukon kulma 13 ) ja VE 3b (padonharjan korkeus N60 +37,10 m, V-aukon kulma 20 ), joilla erotus nykytilanteeseen on enimmillään 18 vuorokautta. Kapeammalla V-aukolla varustetut padot eivät ole tehokkaimmillaan tässä vertailussa, sillä esimerkiksi VE 2b (padonharjan korkeus N60 +36,90 m, V-aukon kulma 20 ) alkaa lisätä virtaamaa verrattuna VE 2a:n vasta kun virtaama on laskenut alle 0,2 m 3 /s. Padon muotoilulla on siis huomattava merkitys padon alivirtaama-aikaa lykkäävään vaikutukseen. Tulvahuipunaikaisiin virtaamiin patovaihtoehtojen vaikutuksissa ei ole suurta eroa: nykytilanteessa (VE 0) tulvan huippuvirtaama madaltuu keskimääräistä pienemmällä tulvalla 11 % ja kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla 29 %, ja vastaavat luvut vaihtelevat eri patovaihtoehdoilla välillä 8-9 % ja %.

81 Taulukko 12. Eri patovaihtoehdoilla saavutettu pidennys aikaan, jolloin virtaama Liminganjoessa on yli 0,2 m3/s, (mallinnettu HEC-RAS-menetelmällä). 81 Patovaihtoehto Pidennys aikaan, jolloin Päivämäärä, jolloin virtaama virtaama joessa on yli 0.2 m 3 /s joessa on vielä yli 0,2 m 3 /s (pv) VE VE VE 2a VE 2b VE 2c VE 3a VE 3b Taulukkoon 13 on koottu vuoden 2009 alivirtaama-ajan ( ja ) virtaamia eri patovaihtoehdoilla. Havaitaan, että kapea-aukkoisilla padoilla (VE 2b, VE 2c ja VE 3b) heinäkuun alun virtaamat olivat yli kaksinkertaiset verrattuna leveäaukkoisiin patoihin. Kapea-aukkoinen pato lisäsi myös elokuun alun virtaamaa ja erityisesti patovaihtoehdolla VE 3b virtaama oli yli kaksinkertainen padottomaan VE 0- vaihtoehtoon verrattuna. Taulukko 13. Vähän veden ajan virtaamat eri patovaihtoehdoilla mallinnettuna (mallinnettu HEC-RAS-menetelmällä). Virtaama 1.7. [m 3 /s] Virtaama 1.8. [m 3 /s] VE VE VE 2a VE 2b VE 2c VE 3a VE 3b

82 Mallin herkkyys Manningin kertoimille HEC-RAS-mallilla tehtiin tarkastelu, jossa haluttiin selvittää, kuinka paljon eri maankäyttöluokille annetut parametrit vaikuttivat tuloksiin. Mallinnuksessa käytettyä mallia (uoman n-kerroin 0,042, tulvatasanteen n-arvot välillä 0,05 0,09) verrattiin vaihtoehtoihin, joissa 1) uoman n-kerrointa pienennettiin arvoon 0,037 2) uoman n- kerrointa nostettiin arvoon 0,047 3) tulvatasanteen n-kerrointa pienennettiin arvoon 0,05 4) tulvatasanteen n-kerrointa nostettiin arvoon 0,09. Tulvatasanteelle annetut Manningin kertoimen arvot eivät vaikuta tuloksiin merkittävästi (kuvat 37-38). Sen sijaan jo 0,005 tason muutos uoman pohjan Manningin kertoimessa suuntaan tai toiseen aiheuttaa 7 cm suuruisen muutoksen suurimmissa vedenpinnankorkeuksissa ja 2-3 % muutoksen suurimmassa virtaamassa (kuvat 39-40). Kuva 37. HEC-RAS-mallin herkkyys tulvatasanteen Manningin kertoimille: vaikutus Liminganjärven vedenpinnankorkeuksiin.

83 83 Kuva 38. HEC-RAS-mallin herkkyys tulvatasanteen Manningin kertoimille: vaikutus virtaamiin. Kuva 39. HEC-RAS-mallin herkkyys uoman Manningin kertoimille: vaikutus Liminganjärven vedenpinnankorkeuksiin.

84 84 Kuva 40. HEC-RAS-mallin herkkyys uoman Manningin kertoimille: vaikutus virtaamiin. 5.3 Reservoir routing Eri pohjapatojen vaikutus vedenpinnankorkeuksiin Liminganjärvessä Kuvissa 41 ja 42 on esitetty Limingan järven vedenpinnankorkeudet Reservoir Routingmenetelmällä mallinnettuna vuoden 2009 virtaamilla eli vähän keskimääräistä pienemmällä kevättulvalla ja vuoden 2001 kevään virtaamilla eli kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla. Taulukossa 14 on esitetty Reservoir Routing-menetelmällä saadut korkeimmat tulvanaikaiset vedenpinnan korkeudet vastaavilla tulvilla. Havaitaan, että vaikka tulvavedenpintaan vaikuttaa eniten padon harjan korkeus, myös padon v-aukon leveydellä on merkitystä. Tulvavedenpinnankorkeudet vaihtelevat vähän keskimääräistä pienemmällä tulvalla välillä m (vaihteluväli 30 cm) ja kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla välillä 38,00 38,21 m (vaihteluväli 21 cm). Suurella tulvalla padon valinnan merkitys on vähäisempi kuin pienellä tulvalla.

85 85 Kuva 41. Vedenpinnat Liminganjoessa pisteessä, jossa mitattiin Liminganjärven vedenpinnankorkeutta kesällä 2009 (liite1) eri patovaihtoehdoilla keskimääräisellä tulvalla (mallinnettu Reservoir Routing-menetelmällä). Kuva 42. Vedenpinnat Liminganjoessa pisteessä, jossa mitattiin Liminganjärven vedenpinnankorkeutta kesällä 2009 (liite1) eri patovaihtoehdoilla kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla (mallinnettu Reservoir Routing-menetelmällä).

86 86 Taulukko 14. Eri patovaihtoehtojen vaikutukset Liminganjärven vedenpintaan (mallinnettu Reservoir Routing-menetelmällä). Patovaihtoehto Korkein vedenpinta keskimääräisellä Erotus nykytilanteeseen [cm] Korkein vedenpinta kerran 40 Erotus nykytilanteeseen [cm] tulvalla [m +N60] vuodessa toistuvalla tulvalla [m +N60] VE 0 37,49 37,96 VE 1 37, ,00 4 VE 2a 37, ,05 9 VE 2b 37, ,08 13 VE 2c 37, ,07 12 VE 3a 37, ,13 18 VE 3b 37, , Ruoppauksen vaikutus vedenpinnankorkeuteen Liminganjärvessä Kuvassa 43 on esitetty Reservoir Routing-mallilla laskettu virtaama Limiganjoessa vuoden 2009 tulovirtaamasarjalla patovaihtoehdolla VE 3a (padonharjan korkeus N60 +37,10 m, V-aukon kulma 60 ) ilman ruoppausta, ruoppausvaihtoehdolla 1 ja ruoppausvaihtoehdolla 2. Taulukkoon 15 on koottu mallinnuksessa saadut korkeimmat tulvavedenpinnat eri ruoppausvaihtoehdoilla. Havaitaan, että ruoppauksella ei ole merkittävää vaikutusta vedenpinnankorkeuksiin Liminganjärvessä.

87 87 Kuva 43. Liminganjärven vedenpinnankorkeudet ilman ruoppausta sekä ruoppausvaihtoehdoilla 1 ja 2 vuoden 2009 tulovirtaamasarjalla. Taulukko 15. Eri ruoppausvaihtoehtojen vaikutukset Liminganjärven vedenpinnankorkeuteen vähän keskimääräistä pienemmällä tulvalla. Ruoppausvaihtoehto Suurin Liminganjärven vedenpinnankorkeus [m + N60] Ei ruoppausta RVE RVE Eri pohjapatovaihtoehtojen vaikutus virtaamiin Liminganjoessa Kuvassa 44 on esitetty Reservoir Routing-menetelmällä mallinnetut Liminganjoen virtaamat Liminganjärven jälkeen eri patovaihtoehdoilla vuoden 2009 virtaamilla eli vähän keskimääräistä pienemmällä kevättulvalla ja kuvassa 45 vuoden 2001 kevään virtaamilla eli kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla. Taulukkoon 16 on koottu eri patovaihtoehtojen vaikutus aikaan, jolloin virtaama Liminganjoessa on yli 0,2 m 3 /s. Havaitaan, että eniten alivirtaama-aikaa lykkäävät VE 2c (padonharjan korkeus N60

88 88 +36,90 m, V-aukon kulma 13 ) ja VE 3b (padonharjan korkeus N60 +37,10 m, V- aukon kulma 20 ). Näillä patovaihtoehdoilla ero nykytilanteeseen on kaksi viikkoa. Tulvahuipun aikaisiin virtaamiin patovaihtoehtojen vaikutuksissa ei ole suurta eroa. Nykytilanteessa tulvan huippuvirtaama madaltuu vähän keskimääräistä pienemmällä tulvalla 11 % ja kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla 30 %, ja vastaavat luvut vaihtelevat eri patovaihtoehdoilla välillä 9-11 % ja %. Taulukkoon 17 on koottu vuoden 2009 alivirtaama-ajan (1.7. ja 1.8.) Reservoir Routing-menetelmällä mallinnettuja virtaamia eri patovaihtoehdoilla. Kapea-aukkoisilla padoilla (V-aukon kulma 20 ) VE 2b ja VE 3b vähän veden ajan virtaamat ovat yli kaksinkertaiset padottoman tilanteen virtaamaan verrattuna. VE 2c-padolla (padonharjan korkeus N60 +36,90 m, V-aukon kulma 13 ) ei saatu vastaavaa vaikutusta. Kuva 44. Virtaamat Liminganjoessa eri patovaihtoehdoilla vähän keskimääräistä pienemmällä tulvalla (mallinnettu Reservoir Routing-menetelmällä).

89 89 Kuva 45. Virtaamat Liminganjoessa eri patovaihtoehdoilla kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla (mallinnettu Reservoir Routing-menetelmällä). Taulukko 16. Eri patovaihtoehdoilla saavutettu pidennys aikaan, jolloin virtaama Liminganjoessa on yli 0,2 m 3 /s (mallinnettu Reservoir Routing-menetelmällä). Patovaihtoehto Pidennys aikaan, jolloin virtaama joessa on yli 0,2 m 3 /s Päivämäärä, jolloin virtaama joessa on vielä yli 0,2 m 3 /s (pv) VE VE VE 2a VE 2b VE 2c VE 3a VE 3b

90 90 Taulukko 17. Virtaamia vuoden 2009 alivirtaama-aikaan (1.7. ja 1.8.) eri patovaihtoehdoilla (mallinnettu Reservoir Routing-menetelmällä). Virtaama 1.7. [m 3 /s] Virtaama 1.8. [m 3 /s] VE VE VE 2a VE 2b VE 2c VE 3a VE 3b Ruoppauksen vaikutus virtaamiin Liminganjoessa Kuvassa 46 on esitetty Reservoir Routing-mallilla laskettu virtaama Limiganjoessa vuoden 2009 virtaamilla eli vähän keskimääräistä pienemmällä kevättulvalla patovaihtoehdolla VE 3a (padonharjan korkeus N60 +37,10 m, V-aukon kulma 60 ) ilman ruoppausta, ruoppausvaihtoehdolla 1 ja ruoppausvaihtoehdolla 2. Havaitaan, että ruoppauksella ei ole merkittävää vaikutusta yli- eikä alivirtaamiin Liminganjoessa. Taulukossa 18 on esitetty Liminganjoen suurin virtaama ja virtaama Limiganjoessa 1.7. eli alivirtaama-aikaan vuoden 2009 virtaamilla eli vähän keskimääräistä pienemmällä kevättulvalla Reservoir Routing-mallilla laskettuna. Mallinnus tehtiin patovaihtoehdolla VE 3a ilman ruoppausta, ruoppausvaihtoehdolla 1 ja ruoppausvaihtoehdolla 2. Havaitaan, että ruoppauksella ei ole merkittävää vaikutusta virtaamiin Liminganjoessa.

91 91 Kuva 46. Liminganjoen virtaamat ilman ruoppausta sekä ruoppausvaihtoehdoilla 1 ja 2 vuoden 2009 tulovirtaamasarjalla. Taulukko 18. Eri ruoppausvaihtoehtojen vaikutukset Liminganjoen virtaamiin Reservoir Routing-menetelmällä laskettuna. Ruoppausvaihtoehto Suurin virtaama [m 3 /s] Virtaama 1.7. [m 3 /s] Ei ruoppausta 6,17 0,16 RVE 1 6,14 0,16 RVE 2 6,10 0, Kosteikkojen mallinnus Kuvassa 47 ja 48 on esitetty kosteikkojen Reservoir Routing-mallinnuksessa Liminganjoen suistolle saadut virtaamat. Mikään tarkastelluista kosteikkosarjoista ei aiheuttanut merkittävää muutosta sen paremmin tulvan kuin vähän veden ajankaan virtaamiin. Laajimmassa kosteikkoverkostossa virtausta eniten rajoittavalla padolla (kosteikkosarja 3, patovaihtoehto b) tulvahuippu madaltuu 4 %. Patovaihtoehdolla a tehdyissä mallinnuksissa alivirtaamissa ei ollut havaittavaa eroa nolla-vaihtoehtoon

92 92 laajimmallakaan kosteikkosarjalla. Patovaihtoehdolla b kosteikkosarjalla 2 alivirtaamat (heinäkuu-elokuu) olivat tasolla 0,05 m 3 /s ja kosteikkosarjalla 3 tasolla 0,06 m 3 /s kun nollatilanteessa alivirtaamat olivat tasolla 0,04 m 3 /s. Prosentteina tämä merkitsisi 25 % alivirtaaman kasvua kosteikkosarjalle 2 ja 50 % alivirtaaman kasvua kosteikkosarjalle 3, mutta tämän suuruinen vaihtelu voi johtua kokonaan tai osittain myös mallinnusmenetelmään sisältyvästä virheestä eikä alivirtaaman absoluuttinen kasvu ole merkittävä. Kuva 47. Virtaamat Liminganjoessa kun jokeen laskeviin ojiin rakennetaan kosteikkoja, joiden menovirtaamaa rajoittaa tasaharjainen pato.

93 93 Kuva 48. Virtaamat Liminganjoessa kun jokeen laskeviin ojiin rakennetaan kosteikkoja, joiden menovirtaamaa rajoittaa V-aukkoinen pato. 6 Tulosten tarkastelu 6.1 Pohjapatojen vaikutus Pohjapatojen vaikutus Liminganjoen virtaamiin ja Liminganjärven vedenpintaan Pohjapadoilla oli vain vähäinen vaikutus Liminganjoen tulvavirtaamiin sekä HEC-RASettä Reservoir Routing-tarkastelussa. Jos tarkastellaan vain tavoitevirtaamaa 0,2 m 3 /s, huomataan, että tarkastelluilla padoilla päästiin enintään kolmen viikon pidennykseen tämän arvon ylittävissä virtaamissa vuoden 2009 virtaamasarjoilla. Kuitenkin, kun tarkastellaan vuoden 2009 heinäkuun alun ja elokuun alun virtaamia, havaitaan, että sekä HEC-RAS- että Reservoir Routing-tarkastelussa kapea-aukkoisilla padoilla virtaamat ovat heinäkuun alussa kolminkertaisia ja vielä elokuun alussa kaksinkertaisia nykytilanteen virtaamiin verrattuna. Vaikka HEC-RAS- ja Reservoir Routing-mallit ovat epätarkimpia pienillä virtaamilla (pienellä virtaamalla esimerkiksi pohjan muotojen vaikutukset korostuvat ja pienikin absoluuttinen virhe on prosentuaalisesti merkittävä),

94 voidaan kuitenkin arvioida, että padoilla on positiivinen vaikutus alivirtaama-ajan virtaamiin. 94 Kaikilla patovaihtoehdoilla sekä HEC-RAS- että Reservoir Routing-malleissa vuoden 2009 virtaamasarjalla Liminganjärven vedenpinta säilyisi tason +36,10 m N60 yläpuolella, kun haihtumista eikä veden imeytymistä maaperään oteta huomioon. Liitteessä 7 tätä on havainnollistettu vertaamalla avovesialueen kehitystä nykytilanteessa ja patovaihtoehdolla VE 3b Padosta mahdollisesti aiheutuvien haittojen arviointi Kuvassa 49 on esitetty huipputulvan aikaiset vedenpinnan tasot Liminganjärven alueella vähän keskimääräistä pienemmällä tulvalla, ja kuvassa 50 puolestaan kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla. Kuvissa oletetaan, että vedenpinnankorkeus on koko järven alueella sama kuin kesän 2009 Liminganjärven vedenpinnankorkeuden mittauspisteen kohdalla (ks. liite 1). Tarkastelussa käytetty korkeusmalli on HEC- RAS:ia varten luotu TIN-malli. Vedenpinnan korkeuksina on käytetty HEC-RASmallilla saadun arvon ja Reservoir Routing-mallilla saatujen arvojen keskiarvoja. Havaitaan, että kummallakaan tarkastellulla tulvalla edes vedenpinnan korkeimmalle nostava patovaihtoehto (VE 3b) ei aiheuta merkittävää kasvua tulvan valtaamassa maaalassa. Ainoa pelto, johon tulva nousee lähes joka kevät (Lehto 2010), on järven länsipuolella Yliojan varressa, eikä millään tarkastelluista patovaihtoehdoista tulva leviä merkittävästi laajemmalle kuin nykyisessä padottomassa tilanteessa.

95 95 Kuva 49. Veden leviäminen Liminganjärven alueella keskimääräisellä tulvalla eri patovaihtoehdoissa. Kuva 50. Veden leviäminen Liminganjärven alueella kerran 40 vuodessa toistuvalla tulvalla eri patovaihtoehdoissa.

96 Ruoppauksen vaikutus Ruoppauksella ei Reservoir Routing-mallin mukaan ole merkittävää vaikutusta sen paremmin vähän veden ajan kuin tulva-ajankaan virtaamiin. Tämä johtuu siitä, että kunnostuksen päämäärä on, että vesi säilyisi ruopatuilla alueilla mahdollisimman kauan. Ruoppauksella saatu lisävesitilavuus ei siis pääse vaikuttamaan. Mallissa oletetaan lisäksi, että ruoppaus ei muuta järven purkautumiskäyrää. 6.3 Kosteikkojen mallinnus Mikään tarkastelluista kosteikkoverkostoista ei aiheuttanut merkittävää muutosta sen paremmin tulvan kuin vähän veden ajankaan virtaamiin. Laajimmassa kosteikkoverkostossa virtausta eniten rajoittavilla padoilla (kosteikkosarja 3, patovaihtoehto b) tulvahuippu madaltuu 4 %, eikä alivirtaama-aikainen virtaama oikeastaan kasva. Kosteikkosarjalla 1 mallissa huomioitu kosteikkopinta-ala on 12 ha ja koko Liminganjoen kosteikkoprosentti Hirvinevan kosteikon kanssa kosteikkopinta-ala kasvoi siis tilanteesta, jossa ei ole huomioitu Liminganjärveä eikä nykyisiä kosteikkoja paitsi Hirvinevan kosteikko. Kosteikkosarjalla 2 mallissa huomioitu kosteikkopinta-ala on 20 ha ja koko Liminganjoen kosteikkoprosentti Hirvinevan kosteikon kanssa 0,85 %, kosteikkopintaala kasvoi siis 20 % tilanteesta, jossa ei ole huomioitu Liminganjärveä eikä nykyisiä kosteikkoja paitsi Hirvinevan kosteikko. Kosteikkosarjalla 3 mallissa huomioitu kosteikkopinta-ala on 40 ha ja koko Liminganjoen kosteikkoprosentti Hirvinevan kosteikon kanssa 0,99 %, kosteikkopinta-ala kasvoi siis 39 % tilanteesta, jossa ei ole huomioitu Liminganjärveä eikä nykyisiä kosteikkoja paitsi Hirvinevan kosteikko. Verrattuna kirjallisuudesta saatuihin optimistisimpiin arvioihin, joissa jo prosentin kasvu kosteikkopinta-alassa kasvatti alivirtaamia jopa 7,9 % (Demissie ja Khan, 1993), vaikutus oli vähäinen. Kosteikkojen mallinnuksessa ongelmana oli lähtöaineiston puutteellisuus. Suunniteltuja kosteikkojen paikkoja oli vain kahdessa ojassa, ja nämä suunnitelmat eivät sisältäneet kosteikkojen kokoon tai muotoon liittyviä yksityiskohtia. Tämän vuoksi tarkastelu tehtiin hyvin yleisellä tasolla. Lisäksi on huomioitava, että malli on hyvin yksinkertainen eikä huomioi lainkaan haihduntaa eikä suoraan kosteikkoon tulevaa

97 97 sadetta. Vuoden 2009 kaltaisena kuivana kesänä kosteikkojen vaikutus vähän veden ajan virtaaman lisääjinä on tämän vuoksi luultavasti vielä mallin tulosta heikompi. Malli ei huomioi tarkasteltavien ojien erilaista sijoittumista valuma-alueella, eikä näin ollen myöskään tulvahuipun erilaista ajoittumista ja sen vaikutusta kokonaisvirtaamaan. 6.4 Mallien luotettavuus ja virhelähteet Tulosten sopivuus havaintoarvoihin Kuvassa 51 on esitetty HEC-RAS- sekä Reservoir Routing-malleista saatu vuoden 2009 virtaama nykytilassa kevään 2009 virtaamamittausten tuloksiin verrattuna. Havaitaan, että korkein tulvahuippu sattuu hyvin kohdalleen sekä ajoitukseltaan että korkeudeltaan. Tulvan laskeutuminen ei kuitenkaan tapahdu havaintojen mukaisesti. Havaittu virtaama on yli 1 m 3 /s korkeampi kuin malleista saatu virtaama. Todennäköisesti tämä johtuu tulovirtaamasarjan eli GSSHA-mallilla saadun virtaamasarjan epätarkkuudesta (luku 4.8.1). On vaikea arvioida, miten hyvin HEC-RAS- ja Reservoir Routing-mallit vastaavat todellisuutta, kun malliin syötetty tulovirtaama ei vastaa todellista tulovirtaamaa.

98 98 Kuva 51. HEC-RAS- sekä Reservoir Routing-malleista saatu vuoden 2009 Liminganjärven menovirtaama nykytilassa kevään 2009 virtaamamittausten tuloksiin verrattuna HEC-RAS-mallin ja Reservoir Routing-mallin tulosten vertailu Verrattaessa HEC-RAS-mallin ja Reservoir Routing-mallin tuloksia havaitaan, että malleista saatavat virtaama-arvot ja Liminganjärven vedenpinnankorkeudet ovat lähes identtisiä. Vain VE 2c:n (padonharja tasolla N60 +36,90 m, V-aukon kulma 13, padon matalin kohta uoman pohjan tasolla) kohdalla tulokset eroavat vedenpinnan korkeuksissa pienemmillä virtaamilla. Tämä oli odotettua, sillä Reservoir Routingmallissa käytetyt patojen purkautumiskäyrät olivat suoraan HEC-RAS mallista. HEC- RAS- ja Reservoir Routing-mallien tulosten vertailu Liminganjärven vedenpinnan korkeuksien osalta on esitetty kuvassa 52 ja virtaamien osalta kuvassa 53. Tulos on lupaava, sillä ainakaan Reservoir Routing-menetelmässä ei ole mitään suurta, massan säilymiseen liittyvää ongelmaa.

99 99 Kuva 52. HEC-RAS- ja Reservoir Routing-mallien tulosten vertailu Liminganjärven vedenpinnan korkeuksien osalta. Kuva 53. HEC-RAS- ja Reservoir Routing-mallien tulosten vertailu Liminganjoen virtaamien osalta.

100 Mahdollisia virhelähteitä GSSHA-mallilla yritettiin mallintaa tulvan syntyä eli monimutkaista tapahtumaa, jossa olosuhteet muuttuvat jatkuvasti. Tulosten saamiseksi jouduttiin tekemään huomattavia yksinkertaistuksia, joista seurasi huomattavan todellisuudesta poikkeavia tuloksia. Ensinnäkin maaperä oletettiin lähes vettäläpäisemättömäksi, joka saattaa olla lähellä totuutta tulvan alussa maan ollessa roudassa, mutta erityisesti toukokuun loppupuolella maa on jo sulanut, eikä läheskään yhtä suuri osuus vedestä todellisuudessa kulkeudu pintavaluntana uomiin vaan imeytyy maaperään. Tämän vuoksi erityisesti viimeinen toukokuun lopun sadepiikkin on suuruudeltaan huomattavasti liioiteltu. Maaperän oletettu vettä läpäisemättömyys on osasyynä liian jyrkästi laskeviin tulvavirtaamiin. Jos vesi imeytyy maaperään ja vasta maaperässä virrattuaan lisää uoman virtaamaa, tulvatapahtuma tasoittuu, ja tätä malli ei ota huomioon. Vielä merkityksellisempää on, että Hirvinevan kosteikon lisäksi mallissa ei ole lainkaan Liminganjoen valuma-alueelle rakennettuja uusia kosteikkoja eikä, mikä tärkeämpää, malli ota huomioon Liminganjärven toimintaa: Ilmeisesti uoma-maanpinta-vuorovaikutuksessa oli jotain ongelmia, joita ei työn aikana pystytty selvittämään. Lisäksi virhettä aiheuttaa uomaverkoston yksinkertaistaminen, joka toisaalta ei ota huomioon kaikkia olemassa olevia ojia ja toisaalta määrittää osan olemassa olevista ojista huomattavasti parempikuntoisiksi ja tehokkaammiksi kuin ne todellisuudessa ovat. Ohjelman toiminnalle oli esimerkiksi tärkeää tasoittaa uomien pituusprofiili. Yksi syy mallintamisen ongelmiin oli maanpinnan tasaisuus. GSSHA-malli ei toimi toivotulla tavalla jos mallinnettavalla alueella on huomattavassa määrin täysin tasaisia soluja, ja kuten edellä on mainittu, niitä oli tässä mallissa varsin paljon. Lisäksi tasaisuus aiheutti sen, että TOPAZ-ohjelmalla ei pystytty luomaan todellisuutta vastaavaa uomaverkostoa, vaan uomat jouduttiin lisäämään manuaalisesti. Toisaalta on rohkaisevaa, että mallilla saatu valumaalue on hyvin lähellä Ympäristöhallinnon Hertta-järjestelmässä määriteltyä valuma-aluetta. Edellä kerrotuista syistä johtuen GSSHA-mallilla saatu hydrografi Värminkoskentiensillalla poikkeaa huomattavasti havaitusta. Lisäksi on huomattava, että virtaamamittaustietoja ei ollut läheskään tarpeeksi vuodelta

101 joen virtaamien jatkuvatoimiseen tarkkailuun tarvittujen vedenpinnankorkeusmittarien saannin viivästyttyä, eikä joka tapauksessa yhden ainoan vuoden virtaamien perusteella voi tehdä kovin pitkälle meneviä johtopäätöksiä. On vaikea esimerkiksi sanoa, onko tulvavirtauksen muoto todella mallinnuksessa saatu: nopea lasku ja sitten nopea reaktio (Vesistömallijärjestelmästä saatuihin) sade/sulamisvesi-piikkeihin, vai laskiko virtaama tasaisesti vain hienoisella reaktiolla piikkeihin. Virtaamamittausaineiston vähäinen määrä aiheutti ongelmia myös HEC-RASja välillisesti, myös Reservoir Routing-mallien kalibroinnissa. Alle 2 m3/s virtaamilla järven vedenpinta-joen virtaama-aineisto on hyvää, mutta tätä suuremmilla virtaamilla on vain vuoden 2009 tulvahuipun mittausarvot. Uoman karkeus on myös todellisuudessa erilainen kesä- kuin kevätaikaan mm. kasvillisuuden vuoksi. Malli ei ole kovin herkkä tulvatasanteen Manningin kertoimien arvoille, mutta sen sijaan pienikin muutos uoman pohjan Manningin kertoimissa aiheuttaa muutoksia tuloksiin. Lisäksi on otettava huomioon, että pienillä virtaamilla virhettä aiheutuu siitä, että virtaama on mitattu vasta Värminkoskentien sillalla, lähes 2 km päässä järvestä. Tämä on myös yksi asia, jota ei HEC-RAS-mallin kalibroinnissa ole huomioitu: kalibroinnissa oletettiin, että Liminganjokeen ei tule merkittävästi vettä jokeen heti järven jälkeen liittyvän pääojan jälkeen, mutta GSSHA-mallin mukaan vettä tulee kuitenkin jokeen lähinnä pinta-valuntana suurimmilla virtaamilla lähes 1 m3/s huipputulvan aikaan. Näin suuri virtaaman lisäys ei todennäköisesti (näköhavaintoihin perustuen) ole, mutta lisäys on kuitenkin oleellinen. Vaikutus tästä on se, että uoman padottaminen on määritelty liian pieneksi, mikä taas aiheuttaa patorakenteiden merkityksen korostumista nykytilanteeseen verrattuna, erityisesti, koska järven jälkeinen oja jouduttiin poistamaan muuttuvan tilan mallinnuksessa. Koska Reservoir Routing-menetelmässä käytetään HEC- RAS:sta saatuja purkautumiskäyriä, virhe ulottuu myös tuohon malliin. Vastaavasti kuin GSSHA-mallissa, myös HEC-RAS- sekä Reservoir Routingmalleissa ongelmallista on kalibrointiaineiston vähäisyys. Kun GSSHA-mallista saatu tulovirtaama on niin epämääräinen kuin se on, on vaikea sanoa ovatko HEC-RAS- sekä Reservoir Routing-mallit todellisuutta vastaavia muuttuvalla virtaamalla, vaikka oletetaan, että HEC-RAS-mallin muuttumattomalla virtaamalla tehty sovitus havaintoaineistoon olisi hyvä. Tämä on ongelmallista varsinkin kun HEC-RAS-mallin rakentamiseen käytetty

102 102 maanpinnankorkeusaineisto ei ole niin tiheä kuin olisi voinut toivoa, ja erityisesti GPS-mittauksista saatua poikkileikkausaineistoa ei ollut tarpeeksi useista pisteistä. Maastokäynnillä tehdyt lisämittaukset eivät luonteestaan johtuen olleet mielestäni riittävän tarkkoja, sillä saadut korkeusarvot ovat olemassa vain suhteessa joen pohjaan, eikä joen pohjan pituusprofiili todellisuudessa ole tasainen. Liminganjärven mallinnusta hankaloitti lisäksi se, että järven tulvatasannetta peittää järvimuta- ja kasvillisuuskerros, jolla on vettä pidättävä vaikutus, vaikka se ei olekaan turvetta. Tämä kerros lisää myös järven varastotilavuutta. Lisäksi järven avovesialueet eivät ole korkeinta tulvaa lukuun ottamatta suorassa yhteydessä uomaan. Positiivinen tulos on, että HEC-RAS- ja Reservoir Routing-malleista saadut tulokset vastaavat toisiaan erinomaisesti erityisesti vedenpinnan korkeuksien osalta. Tämä oli odotettavissa, olivathan Reservoir Routing-mallin purkautumiskäyrät peräisin HEC-RAS-mallista. Reservoir Routing-menetelmässä virhettä aiheutti se, että joka aika-askeleella uudet arvot lasketaan perustuen kaavoihin, joissa itsessään on hieman virhettä. Kaavat rakennettiin niin, että ne sopivat tiedettyihin riippuvuussuhteisiin aiheuttamatta yli 0,03 m3/s, 600 m3 ja 3 cm:n virhettä (6 h aika-askeleella) aikaaskelta kohti, mutta nämäkin virheet kertautuvat näinkin pitkässä mallinnuksessa. Massansäilymisvirhe oli suurimmillaan vain 2,6 %, mutta vastakkaissuuntaiset virheet kumoavat osittain tässä toisensa. Reservoir Routing-malli on hyvin yksinkertainen, se ei ota huomioon vesipinnasta tapahtuvaa haihduntaa eikä vesipinnalle tulevaa sadetta. Kesäkuukausina erityisesti haihdunnalla on suuri merkitys, sillä esimerkiksi Vesistömallijärjestelmä määrittää vuoden 2009 kesäkuulle 77 mm/kk, heinäkuulle 69 mm/kk ja elokuulle 58 mm/kk järvihaihdunnan. Kosteikoista laadittu Reservoir Routin-malli on myös äärimmilleen yksinkertaistettu: se ei ota huomioon Liminganjokeen laskevien ojien sijaintia valuma-alueella, ojien valuma-alueet eivät välttämättä kuvaa alueilta tulevia virtaamia (ainoastaan Okkosen-Kursunojasta ja Vesilaitoksenojasta on olemassa virtaamamittaushavaintoja, ja nämä arvot ovat huomattavasti pienempiä kuin WMS-käyttöliittymässä määritetyt valuma-alueet antaisivat ymmärtää. Mallinnetut kosteikot ovat myös hyvin teoreettisia laatikoita, joiden

103 103 ominaisuudet jossain määrin pohjautuvat olemassa oleviin kosteikoihin, mutta eivät kuvasta ojiin mahdollisesti suunniteltavia kosteikoita. Kaikkiin rakennettuihin malleihin sisältyy suurta epävarmuutta, erityisesti virtaamahavaintoaineiston vähäisestä määrästä johtuen. Lisävirtausmittauksia olisi suositeltavaa tehdä Liminganjärven alueella, mieluiten myös tulovirtaamista. Lisäksi, jos Liminganjokeen rakennetaan pohjapato, pitää suunnittelun perustaksi saada lisää esimerkiksi GPS-mittauksiin perustuvia poikkileikkausaineistoja Ravinteiden ja kiintoaineen pidättyminen Liminganjokeen laskevissa ojissa on paljon vettä vain kevättulva-aikaan, jolloin denitrifikaatiota ei juuri tapahdu, joten kovin suurta nitraatti/nitriitti-typen pidätystä ei ole odotettavissa. Orgaanista typpeä pidättyy kuitenkin myös kiintoaineen mukana, ja Liminganjoen valuma-alueen turvealueilta tulevassa vedessä suurin osa typestä on orgaanisessa muodossa. Teoriaosiossa tarkastellussa kirjallisuudessa sedimentaatio oli yleensä denitrifikaatiota merkityksettömämpi prosessi ja typen pidätys siksi kylmän veden aikaan oli ollut vähäistä, mutta esimerkiksi Braskerudin (2002a) tutkimuksessa alle 1 % W/C-suhteisilla kosteikoilla oli päästy enimmillään 15 % ja 2850 kgha -1 y -1 kokonaistypen poistumaan nimenomaan sedimentaation kautta. Koska kaikkien tarkasteltujen kosteikoiden W/C-suhde on yli 1 %, voidaan kosteikoilta odottaa parhaimmillaan vastaavaa kokonaistypen pidättämistä. Koska tärkein aika fosforin pidättymiseen on kevättulvien aika, ja tärkein pidätysprosessi on todennäköisesti sedimentaatio, kosteikot pitää mitoittaa niin, että niiden viipymä on riittävä. Koskiahon (2006a) tutkimassa Hovin kosteikossa, jossa TP:n poistuma oli 68 % ja kiintoaineen poistuma oli 62 %, viipymä oli kevättulvien aikaan n m 3 /2592 m 3 /d = 1 vrk 7 h. Vastaavaan viipymään vaaditaan tutkittavissa ojissa oleville kosteikoille, jos oletetaan kosteikoiden tulvasyvyydeksi 1 m, taulukossa 19 ilmoitetut pinta-alat.

104 104 Taulukko 19. Kosteikoilta 31 tunnin viipymään vaadittavat pinta-alat. Huippuvirtaama vuoden 2009 tulvalla [m 3 /s] Vaadittu pinta-ala 31 h viipymään [m 2 ] Vaadittu pintaala 31 h viipymään [ha] Ylioja ennen Heinijärveä Tuhkasenjärven oja Vedenottamonoja Okkosen-Kursunoja Tuhkasenjärven pinta-ala eli 7,5 ha on moninkertainen tähän vaadittuun alaan verrattuna. Lisäksi Koskiahon ja Puustinen (2005) käyrien mukaan Tuhkasenjärven, jonka W/C-suhde on 4,4 %, pitäisi realistisesti yltää vuositasolla 35 % kokonaisfosforin pidätykseen. Yliojassa ennen Heinijärveä pitäisi kosteikolla olla 22,35 ha pinta-ala, jotta sen viipymä olisi 31 tuntia. Tämänkin kokoinen kosteikko saisi W/C-suhteeksi vain 0,85 %, jolloin Koskiahon ja Puustisen (2005) mukaan vuositason TP-poistuma olisi vain 10 %. Heinijärven alueella nykyään jo olevan suuren kosteikon pinta-ala on alle 14 ha, joten uuden, yli 20 ha suuruisen kosteikon rakentaminen on tuskin mahdollista. Kaikki Okkosen-Kursunojaan ja Vedenottamonojaan suunnitellut kosteikot täyttävät 2 % W/C-suhteen kriteerin, ja kaksi Okkosen-Kursunojassa kosteikoista saisi jopa yli 4 % W/C-suhteen. Jos koko ojan vedet kulkisivat kosteikon kautta, 31 h viipymään vaadittavat pinta-alat eivät olisi Limingan maatalousalueiden monivaikutteisten kosteikkojen yleissuunnitelman mukaan mahdottomia toteuttaa. Näillä kosteikoilla voitaisiin päästä 20 %:n ja jopa yli 30 %:n TP:n pidätykseen. Kirjallisuuden perusteella tämä voisi tarkoittaa suunnilleen 20 kgha -1 y -1 kokonaisfosforin pidättymistä. Kiintoaineen pidätystä on vaikea arvioida tietämättä kiintoaineen laatua ja kosteikkojen hydraulisia ominaisuuksia, mutta kirjallisuuden (Koskiaho 2006a, Carleton et al. 2001, Braskerud 2002a, 2002b) perusteella kosteikoissa, joiden tulvaviipymä on 31 h ja W/Cluku yli 2 %, kiintoaineen pidätys on arviolta noin %.

105 105 Tässä työssä tarkastelluilla kosteikoilla, suoraan Yliojaan rakennettavaa kosteikkoa lukuun ottamatta, voitaisiin siis päästä reilusti yli 20 % kokonaisfosforin pidätykseen, % kiintoaineen pidätykseen ja parhaimmillaan 15 % kokonaistypen pidätykseen. Mahdollisen TN- ja TP-poistumat Liminganjokeen kosteikoissa on koottu taulukkoon 20. Lukemiin pitää kuitenkin suhtautua varauksella, sillä kosteikkojen sijoitus ja muotoilu vaikuttavat paljon kosteikon kykyyn pidättää ravinteita ja kiintoainesta. Lisäksi on huomattava, että vaikka ilmeisesti suuri osa Liminganjokeen tulevasta fosforista ja typestä on orgaaniseen aineeseen sitoutunutta, ja sen vuoksi sen poistumisessa sedimentaatio on tärkeää, ilman tarkempaa tietoa esimerkiksi partikkelikoosta ym. on sedimentaationopeutta ja vaadittua viipymää hankala arvioida. Ongelmallista on, että näiden ojien läpi kulkee yhteensä vain noin 10 % Liminganjoen koko virtaamasta, joten vaikka kosteikoilla päästäisiin hyviinkin kiintoaineen ja fosforin pidätysprosentteihin, vaikutus Liminganjoen vedenlaatuun jää luultavasti vähäiseksi. Taulukko 20. Mahdollinen TN- ja TP-poistuma Liminganjokeen laskeviin ojiin rakennetuissa kosteikoissa. pinta-ala [ha] W/C [%] TP poistuma [%] TN poistuma [%] Tuhkasenjärvi 7,50 4, Kosteikko Yliojassa 22,35 0, Okkosen-Kursunoja 28,20 4, Okkosen-Kursunoja 2,38 4, Okkosen-Kursunoja 0,57 2, Vedenottamonoja 16,40 1, Vedenottamonoja 0,63 2, Vedenottamonoja 0,80 2, Johtopäätökset Liminganjoen virtaamat kesällä kuivaan aikaan ovat hyvin pieniä, sillä lumensulamisvedet kulkeutuvat keväisin nopeasti pois joen kattavasti ojitetulta ja

106 106 vähäjärviseltä valuma-alueelta. Liminganjoen valuma-alueella ei ole merkittäviä vesialueita Liminganjärveä ja kuutta rakennettua kosteikkoa lukuun ottamatta. Liminganjärvi on kesäisin lähes kuiva, sillä se ja sen yläpuolinen Heinijärvi kuivatettiin 50-luvulla. Liminganjärven ja joen kunnostushankkeessa harkitaan Liminganjärven vedenpinnan nostoa pohjapadolla sekä Liminganjärven pohjan ruoppausta. Lisäksi on tehty selvityksiä uusien kosteikkojen rakentamisesta Liminganjoen valuma-alueelle. Liminganjärven kunnostaminen Liminganjokeen rakennettavalla pohjapadolla ei todennäköisesti aiheuta merkittäviä taloudellisia vahinkoja Liminganjärven alueella sen paremmin keskimääräisellä kuin suurellakaan tulvalla. Mitä suurempi tulva on, sitä vähäisempi vaikutus Liminganjärven tulvavedenpintaan jokeen rakennettavalla padolla on. Liminganjoen kuivuusongelmaan ainakaan tarkastelluilla patovaihtoehdoilla ei ollut kovin pitkäaikaista vaikutusta. Parhaiten toiminut patovaihtoehto piti vuoden 2009 virtaamasarjalla Liminganjoen virtaamaa tässä diplomityössä määritetyn tavoitevirtaaman yläpuolella noin kolme viikkoa pidempään kuin nykytilanteessa. Kapea-aukkoisilla padoilla saatiin kuivan ajan virtaamia kasvamaan jopa kolminkertaisiksi. Tässä työssä tarkastelluilla Limingan jokeen laskeviin ojiin rakennettavilla kosteikoilla ei ole vaikutusta Liminganjoen virtaamiin tulvatilanteessa eikä alivirtaama-aikaan. Tämä johtuu suurelta osalta siitä, että vain alle puolet Liminganjoen vedestä kulkee kyseisten ojien kautta. Kaikkiin rakennettuihin malleihin sisältyy epävarmuutta. GSSHA-mallin käyttö osoittautui vaikeaksi tämän tutkimuksen puitteissa. HEC-RAS- ja Reservoir-Routingmallit tuottivat hyvin samanlaiset tulokset kaikissa tarkasteluissa. Näiden mallien käyttöä haittasi kuitenkin riittämätön havaintoaineisto sekä virtaamista, niitä vastaavista vedenpinnankorkeuksista että Liminganjärven alueen korkeussuhteista. Lisävirtausmittauksia vaaditaan Liminganjärven alueella, mieluiten myös Liminganjärven tulovirtaamista. Lisäksi, jos jokeen rakennetaan pohjapato, pitää suunnittelun perustaksi saada Liminganjoesta parempia, esimerkiksi GPS-mittauksiin perustuvia poikkileikkausaineistoja. Tässä työssä tarkastelluilla kosteikoissa ei todennäköisesti tapahdu suurta liukoisen typen pidättymistä. Kiintoaineen, fosforin ja orgaanisen typen pidättyminen riippuu

107 107 paljon kosteikkojen suunnittelusta, mutta Okkosen-Kursunojaan ja Vedenottamonojaan mahdollisesti rakennettavilla kosteikoissa sekä Tuhkasenjärvessä kokonaisfosforin poistuma on todennäköisesti yli 20 %, kiintoaineen poistuma n % ja kokonaistypen poistuma enimmillään 15 %. Kuitenkin näiden kosteikoiden kautta kulkevien ojien virtaama on alle 10 % koko Liminganjoen virtaamasta, joten kosteikkojen vaikutus koko joen vedenlaatuun jäisi vähäiseksi.

108 108 Lähdeluettelo Beuter M W, Newton C D, Brouillard E S & Watts R J (2009) Nitrate removal in surface-flow constructed wetlands treating dilute agricultural runoff in the lower Yakima basin, Washington. Ecological Engineering, 35, s Braskerud B C (2002a) Factors affecting nitrogen removal in small constructed wetlands treating agricultural non-point source pollution. Ecological Engineering, 18, s Braskerud B C (2002b) Factors affecting phosphorus retention in small constructed wetlands treating agricultural non-point source pollution. Ecological Engineering, 19, s Brooks K N, Ffolliott P F, Gregersen H M & Thames J L (1991) Hydrology and the management of watersheds. 1. painos. Ames, Iowa, Iowa State University Press. 392 s. ISBN Brunner G W (2010) HEC-RAS, river analysis system hydraulic reference manual, version 4.1., US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center. [verkkodokumentti]. Muokattu tammik [viitattu ]. Saatavissa: RAS_4.1_Reference_Manual.pdf Bullock A & Acreman M (2003) The role of wetlands in the hydrological cycle. Hydrology and Earth Sciences, 7 (3), s Carleton J N, Grissard T J, Godrej A N & Post H E (2001) Factors affecting the performance of stormwater treatment wetlands. Water Resources, 35 (6), s ISSN Cohen M J & Brown M T (2007) A model examining hierarchical wetland networks for watershed stormwater management. Ecological Modelling, 201, s

109 109 DeLaney TA (1995) Benefits to downstream flood attenuation and water quality as a result of constructed wetlands in agricultural landscapes. Journal of Soil and Water Conservation, 50, s ISSN Demissie M & Khan A (1993) Influence of wetlands on streamflow in Illinois. Illinois State Water Survey Hydrology Division, Contract Report s. Downer C W, Ogden F L (2004) GSSHA: A model for simulating diverse streamflowproducing processes. Journal of hydrologic engineering, 9 (3). s Downer C W & Ogden F L (2006) Gridded Surface Subsurface Hydrologic Analysis (GSSHA) User s Manual; Version 1.43 for Watershed Modeling System 6.1. US Army Corps of Engineers, Engineer Research and Development Center, 207 s. Downer C W, Ogden F L, Neidzialek J & Liu Siqing (2006) Gridded surface/subsurface hydrologic analysis (GSSHA) model: A model for simulating diverse streamflowproducing processes, teoksessa: Singh V P (toim.) & Frevert D K (toim.), Waterhed Models, Taylor & Francis Group, CRC Press, s ISBN Eli R N & Rauch H W (1982) Fluvial hydrology of wetlands in Preston County, West Virginia, teoksessa: Proceedings of the Symposium on Wetlands of the Unglaciated Appalachian Region; West Virginia University, Morgantown, West Virginia, May 26-28, 1982, s Engelmark H (1984) Infiltration in unsaturated frozen soil. Nordic Hydrology, 15. s GSSHA Wiki (2008a) Introduction:History. [verkkodokumentti]. Muokattu [viitattu ]. Saatavissa: GSSHA Wiki (2008b) Wetlands:Wetlands conceptual model. [verkkodokumentti]. Muokattu [viitattu ]. Saatavissa:

110 110 GSSHA Wiki (2009) Surface Water Routing:Overland/Channel Interaction. [verkkodokumentti]. Muokattu [viitattu ]. Saatavissa: raction. Gupta R S (2001) Hydrology and hydraulic systems. 2. painos. USA, Waveland Press. 867s. ISBN Harjula H & Mahosenaho T (2009) Limingan maatalouden monivaikutteisten kosteikkojen yleissuunnitelma. Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskus, Liminganjoen ja järven kunnostushanke. Heikkilä V (2004) Pohjapadon vaikutus Suomijärven vedenkorkeuksiin ja menovirtaamiin. Turku, Lounais-Suomen ympäristökeskus, Lounais-Suomen ympäristökeskuksen moniste 5/2004. s. 53. ISBN Ilmatieteenlaitos (2010) [verkkodokumentti]. Muokattu? [viitattu ]. Saatavissa: Julien P Y, Saghafian B & Ogden F L (1995) Raster-based hydrologic modeling of spatially-varied surface runoff. Water Resources Bulletin, 31 (3), s ISSN Kadlec R H (2005) Phosphorus removal in emergent free surface wetlands. Journal of Environmental Science and Health, 40, s ISSN Kaitera P (1939) Lumen kevätsulamisesta ja sen vaikutuksesta vesiväylien purkautumissuhteisiin Suomessa. Helsinki, Maataloushallitus, Maataloushallituksen kulttuuriteknillisiä tutkimuksia N:o s. Kaitera P (1949) On the melting of snow in springtime and its influence on the discharge maximum in streams and rivers in Finland. Helsinki, Teknillisen korkeakoulun tutkimuksia 1. (Sekundäärilähde).

111 111 Koskiaho J & Puustinen M (2005) Function and potential of constructed wetlands for the control of N and P transport from agriculture and peat production in boreal climate. Journal of Environmental Science and Health, 40, s ISSN Koskiaho J (2006a) Retention performance and hydraulic design of constructed wetlands treating runoff waters from arable land. Oulu, Oulun yliopisto, Acta Universitatis Ouluensis, Series C (Technica) 252, 70 [91] s. ISBN Koskiaho J (2006b) Runoff detention in a constructed wetland-pond, teoksessa: Koskiaho J, Retention performance and hydraulic design of constructed wetlands treating runoff waters from arable land. Oulu, Oulun yliopisto, Acta Universitatis Ouluensis, Series C (Technica) 252. ISBN Kuusisto E (1986) On the winter and summer low flows in Finland. Aqua Fennica, 16 (2), s Kværner J & Kløve B (2008) Generation and regulation of summer runoff in a boreal flat fen. Journal of Hydrology, 360, s Kværner J & Kløve B (2006) Tracing sources of summer streamflow in boreal headwaters using isotopic signatures and water geochemical components. Journal of Hydrology, 331, s Lehto J (2009) Liminganjärven kunnostus, Liminka. Luonnos opinnäytetyötä varten. Maasilta A (1950) Lausunto. teoksessa: Maataloushallituksen insinööriosasto, Oulun maanviljelysinsinööripiiri, Limingan kunnassa olevien Heini- ja Liminganjärven vesijättöjen kuivatussuunnitelma. Ks. myös Heini- ja Liminganjärven vesijättöjen kuivatussuunnitelma korjatut kartat. Mitch W J, Horne A J & Nairn R W (2000) Nitrogen and phosphorus retention in wetlands ecological approaches to solving excess nutrient problems. Ecological Engineering, 14, s. 1-7.

112 112 Mustonen S (toim.) (1986) Sovellettu hydrologia. Mänttä, Vesiyhdistys r.y s. ISBN X. Nairn R W & Mitsch W J (2000) Phosporus removal in created wetland ponds receiving river overflow. Ecological Engineering, 14, s Novitzki R P (1982) Hydrology of Wisconsin wetlands. University of Wisconsin, Geological and Natural History Survey, Information Circular s. Sirivedhin T & Gray K A (2006) Factors affecting denitrification rates in experimental wetlands: Field and laboratory studies. Ecological Engineering, 26, s Spieles D J & Mitsch W J (2000) The effects of season and hydrologic and chemical loading on nitrate retention in constructed wetlands: a comparison of low- and highnutrient riverine systems. Ecological Engineering, 14, s Stephan U, Hengl M & Schmid B H (2005) Sediment retention in constructed wetland ponds - a laboratory study. Journal of Environmental Science & Health, 40, s ISSN United States Geological Survey (2009) Guide for Selecting Manning's Roughness Coefficients for Natural Channels and Flood Plains, United States Geological Survey Water-supply Paper 2339 (Metric Version). [verkkodokumentti]. Julkaistu? [viitattu ]. Saatavissa: Temmesjoen pohjapadon rakentaminen, liite 3 (1995) Pohjois-Pohjanmaan ympäristökeskuksen asiakirjat 1195V0048, kansio 2. Uusi-Kämppä J, Braskerud B, Jansson H, Syversen N & Uusitalo R (2000) Buffer zones and constructed wetlands as filters for agricultural phosphorus. Journal of Environmental Quality, 29, s Vesihallitus (1985) Pohjapatojen suunnittelu. Helsinki, Vesihallitus, Vesihallituksen monistesarja Nro s. ISBN Viljakainen J (2000) Vantaanjoen vesitase. Helsinki, Uudenmaan liitto, Vantaanjokiprojekti, Uudenmaan liiton julkaisuja E s. ISSN

113 113 Woltemade C J (2000) Ability of restored wetlands to reduce nitrogen and phosphorus concentrations in agricultural drainage water. Journal of Soil & Water Conservation, 55 (3), s ISSN

114 114 LIITTEET Liite 1. Liminganjärven alueella talvella 2009 ja kesällä 2009 tehtyjen GPS-mittauksien mittauspisteet, Liminganjärven vedenpinnankorkeuden mittauspisteen sijainti ja Liminganjoessa Liminganjärven pohjoispuolella olevan settipadon raamien sijainti.

115 115 Liite 2 (1/2). Patovaihtoehdot. Patovaihtoehdot VE 1, VE 2a ja VE 3a.

116 116 Patovaihtoehdot VE 2b ja VE 3b. Liite 2 (2/2). Patovaihtoehto VE 2c.

117 117 Liite 3. Kohteet, joissa mitattiin Liminganjoen virtaamia ja Liminganjärven vedenpinnan korkeuksia.

118 Liite 4. Liminganjoen pisteet, joissa tehtiin mittauksia HEC-RASpoikkileikkauksia varten. 118

119 119 Liite 5 (1/4). Havainnollisia valokuvia Liminganjärven alueelta ja lähistöltä. Metsää Liminganjärven lähistöllä. Tyypillinen Liminganjärven lähialueen oja.

120 120 Liite 5 (2/4) Pusikkoa Liminganjärven ympärillä Jenniina Lehto 2009 Liminganjärven pohjan avosuota Jenniina Lehto 2009

121 121 Liite 5 (3/4). Liminganjoen uoma Liminganjärven pohjoispuolella Jokea reunustavat penkereet, joissa kasvaa puustoa ja pensaita. Joen vesi nousee kuvassa selvästi erottuvan aluskasvillisuuden rajan yläpuolelle tulva-aikoina.

122 122 Liite 5 (4/4). Liminganjoen settipadon raamit.

123 Liite 6. Rakennettujen kosteikkojen sijainti ja kosteikkojen mallinnuksessa oleelliset ojat. (taustakartat Maanmittauslaitos lupa nro 7/MML/

124 125 Liite 7 (2/2) VE 3a VE VE 3a VE 0