Veden liikenopeuden in-situ mittaustestit Hausjärven Nurmijärven alueella 2006 Pekka Hänninen, Arto Pullinen, Osmo Äikää ja Juha Majaniemi

Transkriptio

1 Maankäyttö ja ympäristö Y50/2007/ Espoo Veden liikenopeuden in-situ mittaustestit Hausjärven Nurmijärven alueella 2006 Pekka Hänninen, Arto Pullinen, Osmo Äikää ja Juha Majaniemi

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Tekijät Pekka Hänninen Arto Pullinen Osmo Äikää Juha Majaniemi Raportin laji 2.1 Toimeksiantaja VA212 Raportin nimi Veden liikenopeuden in-situ mittaustestit Hausjärven Nurmijärven alueella 2006 Tiivistelmä Tässä raportissa kerrotaan, miten bakkereita hyväksi käyttäen voidaan yksinkertaisilla lisälaitteilla määrittää maaaineksen in-situ pistemäinen vedenläpäisevyysarvo ja liikenopeus. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Pohjaveden liike, pohjaveden mallinnus, pohjaveden sähkönjohtavuus Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Hausjärvi - Nurmijärvi Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistotunnus Y50/2007/4 Kokonaissivumäärä 17 Kieli Suomi Hinta Julkisuus Julkinen Yksikkö ja vastuualue ESY, VA212 Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys

3 Sisällysluettelo 1 Kokeen tausta 1 2 Koejärjestelyt 2 3 Testikohteet GTK GTK GTK GTK GTK RHP Yhteenveto 16

4 1 1 KOKEEN TAUSTA Laboratoriokokeissa maa-aineksen vedenläpäisevyys (k-arvo) määritellään valuttamalla vettä läpi tunnetun maa-ainestilavuuden ja poikkileikkauspinta-alan. Kun kokeessa käytetty ylipaine (vakio tai muuttuva) ja aikayksikössä näytteestä poistunut vesimäärä tunnetaan, voidaan ratkaista maa-aineksen vedenläpäisevyys. Laboratoriokokeessa maa-aines on irrotettava ympäristöstään ja kuljetettava laboratorioon käsittelyä varten. Yleensä laboratorioissa käsiteltävien näytteiden fyysinen koko on pieni. Kirjassa Geotekniikka (Rantamäki & all., 1997) vakiopainemenetelmässä käytetyn Proctor-sylinterin halkaisijaksi suositellaan 152 mm ja näytteen korkeudeksi 120 mm (V=2,2 dm3). On selvää, että tässä tilavuudessa ei näytteessä voi olla kiviä (d>20 mm). Edelleen laboratoriossa näyte pakataan ohjeen mukaan viitenä kerroksena, joista jokainen tiivistetään määrätyllä määrälle iskuja. Näin meneteltäessä saman kaltaisesta maa-aineksesta saadaan aina sama k-arvo tai näytteen esikäsittelyssä on virhe. Koska maa-aineksen vedenläpäisevyyteen vaikuttaa huomattavasti enemmän maa-aineksen raekokojakauman hienoaineksen määrä ja sen jakauma kuin raepartikkelien muoto, korreloivat laboratoriossa saadut vedenläpäisevyydet voimakkaasti raekokojakauman hienoainespitoisuuksien, ns efektiivisten raekokojen (de), kanssa (esim. Vucovik Soro,1992). Maaperäkerroksen todellinen vedenläpäisevyys voi poiketa tuhansia prosentteja laboratoriosta saadusta arvosta. Karrikoituna esimerkkinä voidaan ajatella kerroksellista maa-ainesta, jossa metrin matkalla on 80 cm hiekkaa ja 20 cm puhdasta savea. Jos nämä sekoitetaan huolella ja tehdään Proctor koe, maa-aineksen vedenläpäisevyys on erittäin pieni, alle 10-8 m/s. Todellisuudessa hiekkaisen osan vedenläpäisevyys on noin 10-4 m/s ja saviosuudella alle m/s. Koko maakerroksen pinta-alan läpi laskettuun vedenläpäisevyyteen savinen osuus vaikuttaisi vain noin 20%, kun näytteestä tehdyssä Proctor kokeessa vaikutus on noin %. Toinen laboratoriokokeessa huomioimatta jäävä seikka on huokoisuus ja nimenomaan luonnontilaisessa materiaalissa olevat makrohuokoset. Lohkareisessa ja kivikkoisessa maa-aineksessa on makrohuokosia, joiden vedensiirtokapasiteetti on tuhansia kertoja suurempi kuin varsinaisen matriksen vedenläpäisevyys. Jos maa-aineksen tilavuudesta yksi promille on makrohuokosia, siirtyy vedestä yli puolet makrohuokosten kautta. Nykyaikaiset pohjaveden liikkeen mallinnusohjelmat pystyvät tarkkaan ja monipuoliseen laskentaan, mutta näiden piirteiden tehokas käyttö vaatii oikeaa mitattua lähtötietoa. Tämän vuoksi teimme koesarjan, jossa yksinkertaisilla laitteilla ratkaistiin maakerroksen todellinen k- arvo, veden todellinen liikenopeus ja pohjaveden gradientti.

5 2 2 KOEJÄRJESTELYT Kokeessa pohjavesiputken siiviläosasta eristettiin vesitiiviisti 70 cm kerros. Kerrokseen syötettiin vettä tunnettu vesimäärä, joka oli laskettu siten, että se vastasi syöttöletkussa pohjaveden pinnan alapuolella ja pohjavesiputken eristetyn osassa olevaa vesimäärää (Q). Näytteen poikkipinta-alana pidettiin pohjavesiputken eristetyn osan seinämän pinta-alaa (A). Näytteen korkeus oli eristetyn osan keskisyvyyden etäisyys pohjaveden pinnasta (h) ja H oli käytetty paine. Koejärjestelyissä simuloi laboratorion vakiopainekoetta, jossa k = (Q*h) / (A*t*H) [1], jossa Q = vesimäärä h = näytteen korkeus A = näytteen poikkipinta-ala t = aika H = veden syöttöpaine vapaaseen pintaan nähden Tutkittava pohjavesiputken osuus eristettiin muusta putkesta bakkerilla (kuva 1). Bakkerissa on ylä- ja alapäässä hydraulisesti laajennettavat kumiosat, jotka puristuvat pohjavesiputkea vasten eristäen väliin jäävän osan muusta pohjavesiputkesta. Bakkerin yläosasta lähtee letku maan pinnalle. Letku on suoraan yhteydessä eristettyyn pohjavesiputken osaan, bakkeriväliin. Bakkerista lähtevän letkun kautta bakkerivälille laitettiin veden sähkönjohtavuutta ja lämpötilaa mittaava CS547 anturi (Campbell scientific, USA). Bakkerivälin tilavuus 50 mm pohjavesiputkessa on 1,96 dm 3 /m pois lukien sen sisään sijoitettavien komponenttien tilavuus. Käytetyillä laitteilla ja bakkerivälillä bakkeriltilavuus (BV) oli 1,37 l ja bakkreiseinämän pinta-ala (BA) 0,11 m2. Käytetyn letkun tilavuus, pois lukien sen sisällä kulkeneet kaapelit, oli 0.42 dm3/m. Sähkönjohtavuusanturi sijoitettiin 1/3 bakkerivälistä bakkerin alaosan yläpuolelle. Mittauksen alussa käytössä oli myös paineanturi, jonka sijoittelu on vapaa pohjaveden pinnan yläpuolella, sillä letku ja bakkeriväli ovat esteettömässä yhteydessä. Valitettavasti paineanturi hajosi ensimmäisellä mittauskerralla. Kun pohjaveden pinnan taso ja bakkerin syvyys tiedettiin, voitiin laskea letkussa ja bakkerissa olevan veden määrä. Laskettu vesimäärä mitattiin säiliöön, jonka alaosasta lähti hanalla varustettu, bakkeriletkua kapeampi, letku. Kun hana oli kiinni, säiliö voitiin nostaa pohjavesiputkea ylemmälle tasolle (kuva 2). Veden syöttöletkun oli bakkeriletkua kapeampi, koska suoraan säiliöstä veden syöttäminen bakkeriletkuun aiheutti bakkeriletkuun suljetun ilmatilan, jolloin vesi pääsi bakkeriin vain kuplimalla ja näin ollen sykäyksittäin. Vesisäiliön hanan käyttö oli välttämätöntä, koska muuten veden syöttöä ei hallittu, vaan vesi lähti purkautumaan säiliöstä heti, kun säiliön pinta oli nostettu pohjavesiputken pintaa korkeammalle. Kun bakkeria laskettiin pohjavesiputkeen, siihen oli kiinnitetty vesiletku, hydrauliikkaletku ja vaijeri, jonka varassa bakkeri varsinaisesti laskettiin (kuva 3). Kun bakkeri oli laskettu halutulle syvyydelle, eristettiin pohjavesiputken osa tiivistämällä bakkeri pohjavesiputken seinämiä vasten. Tämän jälkeen bakkeriletkuun tehtiin huullos (kuva 3), jonka läpi vesisäiliön

6 3 ohuempi letku työnnettiin noin metrin matkan bakkeriletkun sisään. Kun vesihana avattiin, pääsi ilma virtaamaan vapaasti bakkeriletkusta, jolloin veden virtaus säiliöstä oli tasaista. Kuva 1. Pohjavesiputken osan eristykseen käytetty bakkeri ja bakkerin sisään jäävän veden sähkönjohtavuutta mittaava CS547 anturi.

7 4 Kuva 2. Vasemmalla kokeessa käytetty vesisäiliö sekä veden syötössä käytetty aputaso. Oikealla lähikuva hanasta, jolla veden syöttö laukaistiin. Alakuvassa veden syöttö säiliöstä bakkeriin menevään letkuun. Kuva 3. Vasen kuva :Bakkerin syöttö pohjavesiputkeen. Oikea kuva : Bakkeriletkua kapeampi vedensyöttöletku vietiin bakkeriletkun sisään huulloksen kautta. Erillinen kapea letku on bakkerin kumitiivisteiden täyttöön tarvittu paineletku.

8 5 Johtavuusanturin (ja paineanturin) kaapeli tuli bakkeriletkua pitkin maan pinnalle. Mittausanturit oli liitetty tiedonkeruulaitteeseen (CR10X, Campbell scientific, USA). Tiedonkeruulaite oli edelleen yhteydessä kannettavaan mikrotietokoneeseen, jonka ruudulta mittausta voitiin seurata reaaliajassa (kuva 4). Mittauksen alussa seurattiin, että bakkerin asennuksessa häiriintynyt vesi tasoittui lämpötilan ja sähkönjohtavuuden suhteen. Havainnointiväli oli tällöin 2 min. Kun bakkerivälin veden lämpötila ja sähkönjohtavuus olivat asettuneet, tyhjennettiin tiedonkeruulaite ja mittausväliksi laitettiin yksi sekunti ja tislatun veden säilön hana avattiin. Alkuperäisenä tarkoituksena oli pitää vesihanan ja paineanturin mittaustiedon avulla paine lähes vakiona. Paineanturin hajoaminen ensimmäisellä mittauskerralla johti siihen, että painetta ei voitu käyttää käytetyn ylipaineen säätelemiseksi, vaan säiliön vesi päästettiin kerralla bakkeriletkuun. Kun bakkerissa ollut pohjavesi korvaantui tislatulla vedelle, mitattava sähkönjohtavuus tuli lähelle nollaa. Kun mitattava sähkönjohtavuus saavutti pienimmän arvonsa, eli sähkönjohtavuus alkoi joko huojua tai nousta, katsottiin, että bakkerissa ollut pohjavesi oli vaihtunut syötettyyn veteen. Veden syötän alkuhetkestä veden vaihtumiseen kulunut aika oli kaavan [1] t. Muut arvot paitsi kaavan [1] H tunnetaan. Kun sytötetty vesimäärä oli letkun + bakkerin tilavuus, niin olettamalla että letkua pitkin vettä pystytään syöttämään huomattavasti nopeammin, kuin sitä bakkerivälin seinämästä menee läpi, mittauksen alkutilanteessa H = h+2 m (mittauspiste 2/3 bakkerivälistä). Kun kaikki vesi on vaihtunut H = 0. Koska mittauspiste oli kuitenkin 2/3 bakkerivälistä, veden vaihduttua mittauspisteessä H = 1 m. Koska painetta ei pystytty säätelemään, on perusteltu tarkastella tuloksi myös muuttuvan paineen menetelmän kaavalla laskettuna, jossa (Rantamäki & all.) Kuva 4. CR10X tiedonkeruulaite kiinnitettynä bakkeriväliltä tulevaan sähkönjohtavuusanturin kaapeliin. Tiedonkeruulaite on edelleen RS232 -portin kautta kannettavaan mikrotietokoneeseen. Mikrotietokoneen virrantarve on niin suuri, että sille on oma ulkoinen virtalähde, mikä takaa varsinaisen mittauksen virransaannin.

9 6 k = 2.3*(a/A)*(h/t)*lg(H1/H2) [2] Kaava on yksinkertainen ja automaattisessa seurannassa toistettavissa eri paine- ja aikaväleillä. Valitettavasti tässä testissä paineanturi hajosi ensimmäisellä mittauskerralla eikä kaavan käytölle ole kuin likimääräinen käyttömahdollisuus, jossa alku ja loppupaine arvioidaan. Tällöin tulos riippuu vain siitä, kuinka syvällä pohjaveden pinnan alapuolella mitattiin ja paljonko aikaa kului. Kokeen loppuosassa jäätiin veden vaihduttua odottamaan veden sähkönjohtavuuden palautumista alkuperäiseen arvoonsa, eli mitattiin veden todellinen liikenopeus. Seurannan ajan nollakohta oli k-arvon laskennan loppuajankohta. Ajattelun lähtökohtana oli, että käytetty vesimäärä riittää kaiken letkussa ja bakkerissa olevan veden korvaamiseen, mutta bakkerin ulkopuolella on normaalia pohjavettä. Koska bakkerissa ei enää ole ylipainetta, pohjavesi siirtyy takaisin bakkeriväliin luonnollisella nopeudellaan. Välimatka bakkerin seinämältä mittauspisteeseen on pohjavesiputken säde eli 25 mm. Jos vesimäärän mittamisessa on tehty yhden litran lasku/mittausvirhe, se vaikuttaa säteeseen 5 mm eli 20%:a. Jos veden vaihtuminen kesti yli viisi minuuttia (300 s), mittaustiheys laskettiin 10 sekuntiin, edelleen puolen tunnin kuluttua (1800 s), mittaustiheys laskettiin 1 minuuttiin ja tunnin kuluttua 5 minuuttiin. 3 TESTIKOHTEET Testaukseen oli käytettävissä Nurmijärvi Hausjärvi Hyvinkää alueella 25 pohjavesiputkea. Pohjavesiputkista valittiin mahdollisiksi ne, joista pohjavesiputken siiviläosasta oli näyte ja että näytteen syvyys oli alle 25 m maan pinnasta, koska käytettyjen kaapelien pituus oli 30 m. Mahdollisista 13 pohjavesiputken 20:stä näytteestä laskettiin raeanalyysitietojen perusteella vedenläpäisevyydet. Näistä valittiin kahdeksan pistettä, joiden näytteiden raeanalyysien perusteella lasketut vedenläpäisevyydet vaihtelivat 8.6*10-7 m/s - 2.6*10-4 m/s, testausta varten (taulukko1). 3.1 GTK 7 Havaintoputki GTK7 sijaitsi Hikiän urheilukentän vieressä noin 100 metriä kylän läpi menevältä kantatieltä länteen. Putki on Hikiänharjun reunalla tasolla 108 mpy (kuva 5). Pohjaveden pinnan taso on mpy. Mittauspisteeltä etäisyys viljeltyihin alueisiin on noin m. Pisteen itäpuolella viljely alkaa tasolta noin mpy ja sen pohjoispuolella viljelyä on 103 m tasolle asti. Etäisyys pisteeltä luoteeseen olevaan suppamuodostumaan on 150 m. Pohjavesiputken veden lämpötila, sähkönjohtavuus ja happipitoisuus mitattiin ennen testiä metrin välein m maan pinnan alapuolella. Veden lämpötila vaihteli ºC (Pernunnummi max 5.9ºC, Hänninen 2006), happipitoisuus mg/l ja sähkönjohtavuus 21.6

10 ms/m (Pernunnummi max. 7.8 ms/m, Hänninen 2006). Pernunnummen pohjaveden seurantaan ( ) nähden vesi oli lämmintä ja erittäin sähköä johtavaa. Taulukko 1. Testipisteet sijainti ja niiden raekokojakauman perusteella lasketut vedenläpäisevyysarvo (de17%). Piste Paikka North East Syvyysväli m Lask. k-arvo m/s GTK 7 Hausjärvi *10-4 GTK 8 ylä Hausjärvi *10-5 GTK 8 ala Hausjärvi *10-6 GTK 9 Hausjärvi *10-7 GTK 10 Hausjärvi *10-4 GTK 11 ylä Hausjärvi *10-6 GTK 11 ala Hausjärvi *10-6 RHP7 Nurmijärvi *10-5 Kuva 5. Hikiänharjun pohjavesikaivojen sijainti. Hikiänharjun ympäristö on vanhaa viljelyaluetta. Harjun reunoilla viljelys alkaa noin tasolla mpy. Kuivatun Hausjärven (GTK9:ltä kaakkoon) alueen pinnankorkeus on noin 90 m ja Hikiänsuon (GTK8:lta itään) 97m.

11 8 Bakkerilla suljettiin pohjavesiputkesta väli m maanpinnasta, mikä oli noin 6 metriä pohjavesipinnan alapuolella. Pohjaveden vaihtoon tarvittava vesimäärä oli 9,1 litraa. Varmuuden vuoksi tislattua vettä mitattiin säiliöön 10 litraa. Vesisäiliön tyhjeneminen kesti alle 60 sekuntia ja veden vaihtumiseen meni aikaa 200 s veden syötön alkamisesta (kuva 6). Olettamalla, että kaavan [1] h/h 1 saadaan k arvoksi vakiopainekokeen mukaan 5*10-3 m/s (vaihtuvapainekokeen mukaan k=3*10-4 m/s). Käytetty vesimäärä nostaisi ylipaineen 24 metrin vesipaineeseen, jos kaikki vesi olisi putkessa. Käytännössä maksimi ylipaine oli 18 m, jolloin h/h = eli todellinen kerroksen k arvo on välillä 2 5 *10-3 m/s. k-arvon määrittämisen jälkeen jäätiin odottamaan veden vaihtumista takaisin pohjavedeksi. Vaihtuessaan takaisin vesi kulkee todellisella in-situ liikenopeudellaan 25 mm matkan kairareiän ulkopinnalta sen keskikohtaan, jossa sähkönjohtavuuden mittaus tapahtui. Tässä mittauksessa vettä käytettiin hieman optimimäärää enemmän, joka teoriassa kasvatti säteen 32 mm:iin. Kuvasta 7 nähdään, että mittauksen tarkka nollakohta ei ole oleellinen, sillä veden vaihtumiseen kulunut aika on kymmeniä tuhansia sekunteja. Veden täydellistä vaihtumista on vaikea arvioida, mutta sekuntia nollakohdasta veden sähkönjohtavuuden kasvu on tasoittunut. Tästä voidaan laskea veden todellinen liikenopeus, joka on 5 6 * 10-7 m/s ja näin ollen pohjaveden kaltevuus mittauspisteessä on alle 0.1% ms/m Aika (s) veden syötön alusta Kuva 6. Mittauspiste GTK7, m maanpinnan alapuolella. Sähkönjohtavuusanturilla pohjavesi on vaihtunut noin 200 s veden syötön alkamisesta. Tämä piste on kaavojen [1] ja [2] t ja on veden todellisen virtausnopeuden nollakohta.

12 ms/m Series aika (s) veden syötön alusta Kuva 7. Pohjavesiputken GTK7, syvyysväli m maanpinnan alapuolella. Bakkerivälin veden sähkönjohtavuuden palautuminen alkuperäiselle tasolleen. 3.2 GTK 8 Pohjavesiputki GTK8 sijaitsi harjuselänteellä noin 106 mpy. (kuva 5), jonka itäpuolisella tasanteella ( 95 mmpy) on Hikiänsuo ja länsipuolisella tasanteella peltoaukea. Pohjaveden pinta on tasolla 97 mmpy, mikä on lähes 3 metriä korkeampi kuin pisteellä GTK7. Visuaalisten havaintojen perusteella maa-aines on kivistä soraa. Raeanalyysitulosten perusteella aineksessa on alle 20% hienoainesta ja 4 7 % saviaineista. k arvon in-situ määrittämiseen valittiin bakkerivälit m ( 90 mmpy) ja m ( 86 mmpy) maan pinnasta. Raeanalyysitulosten perusteella pisteen näytteistä laskettu vedenläpäisevyys vaihtelee m/s. Pohjaveden sähkönjohtavuus oli tasainen (12.5 ± 0.2 ms/m) syvyysvälillä 11m 22 m maan pinnanasta. Aivan pohjavesiputken lopussa tasoilla m maan pinnasta veden sähkönjohtavuus oli selvästi koholla ollen noin 20 ms/m. Putkesta mitattiin ensin ylempi bakkeriväli. Kuvasta 8 on nähtävissä, että alemman bakkerivälin mittauksen alussa pohjavesiputken veden sähkönjohtavuuskerrokset ovat häiriintyneet, jolloin pohjavesiputken pohjalla olleet sähköä johtavammat kerrokset ovat nostaneet pohjaveden sähkönjohtavuutta 4 ms/m. GTK8 pohjavesiputken ylempi piste oli noin 7 metriä pohjaveden pinnan alapuolella. Tilanne oli hyvin analoginen GTK7 pisteen kanssa. Vesi virtasi noin minuutissa maan pinnan säiliöstä letkuun ja 200 s veden valutuksen alusta saavutettiin mittauspisteessä sähkönjohtavuuden minimi. Koska käytetyt vesimäärät ovat samoja, maa-aineksen vedenläpäisevyys on yhtä suurta kuin pisteellä GTK7. Veden vaihtuminen ei kuitenkaan ollut täydellistä, vaan veden sähkönjohtavuus laski vain noin 5 ms/m:iin. Tämä tarkoittaa sitä, että bakkerivälin yläosassa ( m) maa-aines on vettä paremmin läpäisevää kuin mittauspisteellä 16.5 m, jossa se on alle 3*10-5 m/s.

13 10 Veden palautumiskäyrä oli huomattavasti nopeampi kuin pisteellä GTK7. Kun siellä palautuminen kesti lähes vuorokauden, tällä mittauspisteellä veden sähkönjohtavuus oli alkuperäisellä tasolla jo tunti mittauksen alusta. Tämän perusteella pohjaveden gradientti on pisteellä GTK8 noin 0.1%:a. Syvemmällä olleessa mittauspisteessä vesi vaihtui vain pieneltä osaltaan. Mittausvälillä maa-aines on vedenläpäisevyydeltään voimakkaasti heterogeeninen. Veden sähkönjohtavuuden pienin arvo saavutettiin vasta 5000 s mittauksen alusta. Koska aiemmin käytetty 10 l vesimäärä oli riittävä veden vaihtamiseen, käytettyä vesimäärää ei vaihdettu. Näin ollen k arvo on lähes suoraan verrannollinen aikaan, so. 1*10-4 m/s. Koska veden sähkönjohtavuuden käyrän muoto on hitaasti laskeva, olisi tässä tapauksessa huomioitava ajan nollakohdan muuttuminen. Veden sähkönjohtavuuden palautumisnopeus on kuitenkin niin hidas, että nollakohdan asettamisella ei ole mittaustulokseen suurta merkitystä. Mitatussa pisteessä veden sähkönjohtavuus ei seurannan aikana palannut alkuperäiselle tasolleen, mutta vaihtumisajaksi on arvioitavissa noin sekuntia, josta saadaan sama, noin 0.1%:n, pohjaveden gradientti kuin ylemmästä pisteestä. Pohjaveden liikkeen kannalta maa-aines on tällä pisteellä voimakkaan kerroksellista. Huolimatta siitä, että kairausraportin mukaan maa-aines on kauttaaltaan karkeaa, vesi liikkuu vain osassa maakerroksia, mutta kerrospaksuudet huomioon ottaen vettä liikkuu paljon. Pohjaveden pinta on korkeammalla kuin läheiset pelto- ja suoaltaat sekä havaintopisteellä GTK ms/m ms/m aika (s) veden syötön alusta Kuva 8. Pohjavesiputki GTK8 tislatun veden syötön vaikutus ja kesto mitattuun veden sähkönjohtavuuteen syvyysväleillä m (oikea y-akseli) ja m (vasen y-akseli).

14 GTK 9 Pohjavesiputki GTK9 sijaitsee jyrkän rinteen alareunassa noin tasolla 110 mmpy. Alueella on useita lähteitä, joten Hikiänharjun vedet ovat aikoinaan purkautuneet ainakin osittain nykyisin kuivattuun Hausjärveen. Järvi on sijainnut GTK9:ltä noin 300 m kaakkoon. Pohjaveden pinta on 97 mmpy eli lähes seitsemän metriä Hausjärven pohjan soistuman yläpuolella ja kolme metriä korkeammalla kuin GTK7:llä, joka sijaitsee 1800 m GTK9:ltä lounaaseen. Mitatut veden sähkönjohtavuudet ja lämpötilat olivat tasaisia vaihdelleen ms/m ja C. Mittausväli oli m (92 mmpy) maan ja 3 m pohjaveden pinnan alapuolella. Kairauskortin mukaan maa-aines on hiekkaa. Raeanalasyyin perusteella maa-aineksessa on lähes 9% savea. Tästä johtuen näytteestä laskettu vedenläpäisevyys oli luokkaa 10-6 m/s. Vettä ladattiin 5 litraa. Veden sähkönjohtavuuden pienin arvo saavutettiin noin tunti veden syötön alusta (kuva 9). Maa-aineksen vedenläpäisevyydeksi saadaan 1*10-5, mikä on noin kymmenkertainen raeanalyysistä laskettuun vedenläpäisevyyteen nähden. Veden vaihtuminen oli tässäkin reiässä epätäydellistä, mikä viittaa kerrokselliseen rakenteeseen. Bakkerivälissä mitatun veden sähkönjohtavuus palautui noin kymmenessä tunnissa, mikä tarkoittaa lähes 5% pohjaveden gradienttia. Myös maaston korkeussuhteiden perusteella gradientti on suuri (yli 2%). GTK7:ään verrattuna maaaineksen vedenläpäisevyys on pieni, mutta veden todellinen liikenopeus suuri. ms/m aika (s) veden syötön alusta Series1 Kuva 9. Pohjavesiputki GTK9 tislatun veden syötön vaikutus ja kesto mitattuun veden sähkönjohtavuuteen syvyysvälillä m.

15 GTK 10 Pohjavesiputki GTK10 sijaitsee noin 1 km GTK9:ltä länsiluoteeseen harjun laella 122 mmpy (kuva 5). Kairauskortin perusteella maa-aines on soraa tai karkeaa hiekkaa. Pohjaveden pinta on noin 20 metriä maan pinnan alapuolella (102 mmpy). Pohjaveden pinta on 5 metriä korkeammalla kuin pisteellä GTK9, joten näiden pisteiden välinen pohjavesigradientti on 0.5%. Kairauskortin mukaan maa-aines oli karkeaa hiekkaa tai soraa. Raeanalyysitulosten perusteella laskettu maa-aineksen savipitoisuudet syvyysvälillä 0 25 m olivat alle 2% ja laskettu vedenläpäisevyys 3*10-4 m/s, eli käytännössä sama kuin pisteellä GTK7 (taulukko 1). Pohjaveden sähkönjohtavuus ja lämpötilat olivat tasaisia vaihdellen ms/m ja C. Bakkerilla erotettiin ympäristöstään kohta m maan pinnasta, mikä oli 3 m pohjaveden pinnan alapuolella. Vettä ladattiin 5 litraa. Bakkeriväliltä mitatun veden sähkönjohtavuus laski nopeasti, 270 sekunnissa (kuva 10), lähes syötetyn veden tasolle, mikä tarkoittaa, että bakkerivälillä maa-aines oli homogeenista ja sen vedenläpäisevyys oli hyvä, 2*10-4 m/s. Saatu mittaustulos vastaa mittaustarkkuuden rajoissa raeanalyysitulosten perusteella laskettua vedenläpäisevyyttä, mikä tukee tulkintaa raeparametreiltaan homogeenisesta maa-aineksesta ms/m aika (s) veden syötön alusta Kuva 9. Pohjavesiputki GTK10 tislatun veden syötön vaikutus ja kesto mitattuun veden sähkönjohtavuuteen syvyysvälillä m. Toisin kuin aiemmissa kokeissa pohjaveden sähkönjohtavuus ei alkanutkaan palautua ennalleen, vaan pysyi muuttumattomana yli kolme tuntia. Mittaus keskeytettiin noin vuorokausi veden syötön alusta, jolloin veden sähkönjohtavuus oli palautunut noin puoleen lähtötilanteesta. Muunnoskäyrästä (kuva 10) voi arvioida, että palautuminen olisi kestänyt noin kaksi vuorokautta, joten veden todellinen liikenopeus on alle 10-7 m/s ja siitä laskettu pohjaveden gradientti alle 0.05%:a. Vaikkakin maa-aines on hyvin vettä läpäisevää, pohjaveden lateraalinen liike on vähäistä. Tämän tuloksen perusteella pohjavesi pikemminkin painuu kohti energiatasapainoa ja purkautuu pohjavesimuodostuman sivuille kuin virtaa muodostumaa pitkin. Yhdistettynä GTK9 kaltevuuteen, vasta muodostuman reunoilla pohjavedellä on selvää lateraalista virtausta.

16 GTK 11 GTK11 sijaitsi Hikiänharjun pohjoispuolella reunassa tasolla 102 mmpy (kuva 5). Pohjaveden pinta oli tasolla 101 mmpy eli hieman alempana kuin pohjavesiputkessa GTK10, joka sijaitsee GTK11:lta noin 600 m etelälounaaseen. GTK9, jolla pohjaveden pinta on neljä metriä alempana, taas sijaitsee 1100 m GTK11:lta eteläkaakkoon. Kairauskortin maalajit olivat 14,5 m hiekkaa tai lohkaretta ja sen alla noin viisi metriä hiekkaista moreenia. Raeanalyysitulosten perusteella pisteen kolmesta näytteiden savipitoisuudet vaihtelivat 5 7 %:iin ja niistä lasketut vedenjohtavuudet olivat kaikki n. 2*10-6 m/s, mikä oli samaa luokkaa kuin GTK8 pohjavesiputken syvyysvälille m laskettu arvo, mutta selvästi parempi kuin GTK9 näytteen perusteella laskettu maa-aineksen vedenläpäisevyys. Pohjavesiputkessa veden sähkönjohtavuudessa oli lievää kerroksellisuutta. Veden sähkönjohtavuudet vaihtelivat ms/m. Sen sijaan lämpötilat olivat tasaisia vaihdellen 5.5 (pohja) 6.5 (pinta) C. Ylempi mittauspiste sijaitsi 9 m pohjaveden pinnan alapuolella. Koska pohjaveden pinta oli vain metri lähellä maan pinnasta, voitiin ylipainetta säädellä pitämällä syöttöletkussa veden pinta maan pinnan tasolla. Vettä syötettiin kaikkiaan 10 litraa 12 minuutin (720 s) aikana. Tunti siitä, kun vesi oli loppunut säiliöstä, veden pinta syöttöletkussa oli palautunut pohjaveden pinnan tasolle. Tässä vaiheessa veden sähkönjohtavuus oli laskenut vasta kolmanneksella (kuva 10). Maa-aines bakkerivälillä oli kerroksellista siten, että mittauspisteen yläpuolella oli selvästi paremmin vettä läpäisevä kerros. Koska vedenläpäisevyys mittauspisteessä oli selvästi heikko, päätettiin bakkeria siirtää ylöspäin, jolloin letkussa oleva tislattu vesi korvaisi bakkerivälin veden. Bakkerin tiivisteiden avaaminen ja bakkerin nostaminen sotki reiässä olleen pohjaveden ja letkusta purkautuvan tislatun veden, eikä sähkönjohtavuudessa tapahtunut muutosta. Bakkeria nostettiin 0.7 m, jonka jälkeen bakkeriväli eristettiin ympäristöstä. Tämän jälkeen jäätiin odottamaan veden sähkönjohtavuuden palautumista alkuperäiseksi. Noin kolme vuorokautta bakkeriveden syötöstä vesi oli vain osittain sähkönjohtavuusmuutoksesta oli palautunut vain 20% (kuva 10). Testin perusteella on kerrosvälille mahdoton antaa maa-aineksen läpäisevyystai veden in-situ kulkeutumisnopeutta. Veden vaihtumisen perusteella maa-aineksen vedenläpäisevyys on luokkaa 3*10-5 m/s. Vaikka saatu mittausarvo kertoo vain välin vettä johtavasta osuudesta, se on suuruusluokaltaan oikein. Itse mittauspisteessä maa-aineksen vedenjohtavuus on paljon pienempi. Veden sähkönjohtavuuden palautumisnopeudesta voi arvioida, että veden todellinen liikenopeus on alle 10-8 m/s, eli alle 1 mm/vrk. Syvemmässä testipisteessä veden sähkönjohtavuuden käyttäytyminen on tyypillisempää. Veden syöttämisessä ei ollut mitään vaikeuksia, vaan kaikki vesi, myös tässä tapauksessa 10 litraa, meni puolessatoista minuutissa ja mittauspisteessä vesi oli täydellisesti vaihtunut 360 s veden syötön alusta, jolloin bakkeriväli k-arvoksi saatiin 5*10-5 m/s, mikä on paljon korkeampi kuin raeanalyysitulosten perusteella laskettu k-arvo. Sähkönjohtavuuden palautumisaika oli noin 1 vrk ja näin ollen veden in-situ liikenopeus 3*10-7 m/s, mikä vastaa 0.6% pohjaveden pinnan gradienttia. Koska pohjaveden gradientti pisteellä on sama, voidaan gradienttia käyttää ylemmän testipisteen k-arvon laskemiseen, jolloin saadaan k-arvoksi 2*10-6 m/s, mikä vastaa raeanalyysitulosten perusteella laskettua vedenläpäisevyyttä.

17 14 ms/m aika (s) veden syötön alusta Kuva 10. Pohjavesiputki GTK11 tislatun veden syötön vaikutus ja kesto mitattuun veden sähkönjohtavuuteen syvyysväleillä ja m. Pohjavesiputken GTK11 maa-aines on voimakkaasti kerroksellista, jossa vettä läpäisevät ja pidättävät kerrokset vaihtelevat. Koska partikkelikokojakaumaan perustuva k-arvon laskeminen perustuu logaritmisen efektiivisen partikkelikoon toiseen potenssiin, vaikuttaa hienoaineksen lisääntyminen voimakkaasti k-arvoon eikä keskiarvoista tulosta. Todellinen veden liike tapahtuu vettä läpäisevissä kerroksissa ja maakerroksen vesipatjan liikkeen kannalta k-arvoltaan pienten kerrosten veden liikettä voidaan pitää nollana. 3.6 RHP7 RHP7 sijaitsi noin 2,5 km Nurmijärven Rajamäen taajaman pohjoispuolella tasolla 113 mmpy. Pohjaveden pinta oli 13 m maan pinnan alapuolella tasolla 100 mmpy. Kairauskortin mukaan hienoa hiekkaa tai hiekkaa. Raeanalyysitulosten perusteella syvyysvälin m näytteen savipitoisuus oli 3% ja laskettu vedenjohtavuudet n. 5*10-5 m/s. Pohjavesiputkessa veden sähkönjohtavuus ja lämpötila olivat tasaisia vaihdellen ms/m ja C. Mittauspiste oli välillä m maan ja 5 m pohjaveden pinnan alapuolella. Vettä syötettiin kaikkiaan 5 litraa, joka kului 40 sekunnissa. Bakkerivälillä pohjavesi oli vaihtunut syöttövedeksi 450 sekunnissa (kuva 12), josta maa-aineksen vedenläpäisevyydeksi saadaan 1*10-4 m/s, mikä on kaksinkertainen raenanalyysituloksen perusteella laskettuun nähden. Veden vaihtuminen takaisin pohjavedeksi kesti 19 tuntia ja näin veden todelliseksi liikenopeudeksi saadaan 4*10-7 m/s ja tästä pohjaveden gradientiksi 0.25%.

18 15 Kuva 11. Pohjavesiputki RHP7 sijainti Nurmijärven Rajamäen taajaman pohjoispuolen hiekkaalueella ms/m aika (s) veden syötön alusta Series1 Kuva 12. Pohjavesiputki RHP7 tislatun veden syötön vaikutus ja kesto mitattuun veden sähkönjohtavuuteen syvyysvälillä m.

19 16 4 YHTEENVETO Tutkituista kahdeksasta tapauksesta noin neljässä raeanalyysituloksista laskettu ja in-situ mitattu vedenjohtavuus olivat yhteneviä ja neljässä tapauksessa in-situ vedenjohtavuus oli noin dekadia suurempi kuin raeanalyysitulosten perusteella laskettu arvo (taulukko 2, kuva 13). Poikkeamat johtuvat maa-aineksen kerroksellisuudesta ja kivisyydestä. Määräväliltä otettu homogenisoitu näyte pienentää laskennallista maa-aineksen vedenläpäisevyyttä exponentiaalisesti( kuva 14). Toisaalta raeanalayysi tehdään aineksesta, josta kivet (d>20 mm) on poistettu. Laskentaan käytetty Sauerbrein kaava on kehitetty materiaalille, jossa kivisyyttä ei huomioida, joten kaava olettaakin kivet poistetuksi, mutta kivisyys aiheuttaa makrorakoilua ja sitä kautta maaaineksen matrikseen nähden anomaalisen korkeita in-situ vedenläpäisevyyksiä. Vesihuollossa veden riittävyyttä voidaan arvioida helpolla pumppuamiskokeella. Jos varmuutta halutaan kasvattaa, pidennetään pumppuamisaikaa ja lisätään tehoa. Riittää, kun tiedetään, koko maamassan antoisuus. Jos pohjavesialue halutan mallintaa on tehtävä in-situ kokeita, jotta mallia varten saadaan oikeat vedenläpäisevyys ja virtausnopeusarvot. Koska maaaineksen kerroksellisuudesta johtuen todellisen kerroksellisen virtausmallin tekeminen on kallista ja aikaa viepää, on veden liikkeen in-situ määrityksissä tyydyttävä vain muutamaan tarkoin valittuun tutkimuspisteeseen ja muissa paikoissa on tukeuduttava raeanalyysitulosten perusteella tehtyihin k-arvo määrityksiin. Taulukko 2. Testipisteiden raekokojakauman (Saurbrei), in-situ vakiopainekokeen ja in-situ muuttuvapainekokeen perusteella lasketut vedenläpäisevyysarvo. Piste Paikka Muuttuvapinekoe Vakiopainekoe Lask. k-arvo GTK 7 Hausjärvi 2.6*10-4 GTK 8 ylä Hausjärvi 2.1*10-5 GTK 8 ala Hausjärvi 2.9*10-6 GTK 9 Hausjärvi 8.6*10-7 GTK 10 Hausjärvi 2.9*10-4 GTK 11 ylä Hausjärvi 2.6*10-6 GTK 11 ala Hausjärvi 2.6*10-6 RHP7 Nurmijärvi 4.7*10-5

20 17 Kaikessa tutkimuksessa on syytä muistaa todellinen määrityksen tarkkuus ja luonnon heterogeenisuus. Laboratoriomääritysten antamat desimaalit eivät ole todellista tarkkuutta. Kuva 13. Testipisteistä lasketut maa-ainesten vedenläpäisevyydet ja niitä vastaavat in-situ mittausarvot. Kuva 14. Mallimaa-ainesten Hk ja Sa sekä niiden aritmeettien keskiarvomaalaji. Laskennalliset k-arvot ovat : Hk = 1000*SaHk = 10000*Sa.

21 18 Kirjallisuusluettelo Rantamäki M., Jääskeläinen R ja ammirinne M., Geotekniikka. Otatieto no s. Vukovic M. & Soro A., Determination of hydraulic conductivity of porous media from grain size composition. Water Resource Publications, Littleton, Colorado, USA. 83 s.