Luonnonmukainen vesirakentaminen maatalousuomissa: menetelmiä ja Ritobäckenin demokohteen esittely

Transkriptio

1 Luonnonmukainen vesirakentaminen maatalousuomissa: menetelmiä ja Ritobäckenin demokohteen esittely DI Kaisa Västilä

2 Sisältö Miksi luonnonmukaista vesirakentamista? Luonnonmukaisen vesirakentamisen menetelmiä maatalousuomiin Luonnonmukaisen peruskuivatuksen demokohde Ritobäcken: 2-tasouoma ja kasvillisuuden vaikutukset virtaukseen ja sedimenttiprosesseihin Laboratoriotutkimuksia kasvillisuuden virtausvastuksen arvioinnin parantamiseksi Luento perustuu väitöstutkimukseeni, jota ohjaa TkT Juha Järvelä Aalto-yliopistosta (luonnonmukaisen vesirakentamisen tutkimuksesta tarkemmin: ) Luennon valmistelussa on käytetty lähteenä mm. SYKE:n julkaisemaa kirjallisuutta (lähteet lopussa)

3 Miksi luonnonmukaista vesirakentamista?

4 Eri maankäyttömuodoilla ja vesirakentamisella on paljon vesistövaikutuksia Kuormituksen kasvu (ravinteet, kiintoaine, haitalliset aineet) Vesistöjen rakenteellinen yksipuolistuminen -> maisemakuva Eliöiden elinympäristöjen ja kulkumahdollisuuksien häviäminen -> monimuotoisuuden väheneminen Virtaama- ja vedenkorkeusolosuhteiden muuttuminen -> eliöiden elinolosuhteet Liiallinen eroosio tai kiintoaineksen kasautuminen, luiskasortumat -> kaikkia näitä vaikutuksia esiintyy yleisesti myös maatalouden peruskuivatusuomissa

5 Kiinnostusta luonnonmukaiseen vesirakentamiseen ovat lisänneet -Tarve vesistövaikutusten hillintään -Tarve kustannustehokkaisiin, pitkäikäisiin ja vähän kunnossapitoa vaativiin vesivarojen käyttöön ja hallintaan liittyviin ratkaisuihin Raskaat tekniset ratkaisut voivat olla kalliita eivätkä välttämättä toimivia. Vesirakentamisessa voidaan hyödyntää luonnon rakenteita ja toimintoja. -> Luonnonmukaisella vesirakentamisella pyritään - säilyttämään tai palauttamaan vesistöjen monimuotoisuus, tai - turvaamaan vesivarojen käyttö ja hallinta siten että vesistövaikutukset ovat mahdollisimman pienet

6 Maatalousuomat ovat ekologisesti tärkeitä Moni valtaoja on alunperin ollut luonnontilainen noro/puro Kaivetutkin valtaojat voivat kehittyä luonnontilaisen kaltaisiksi Etelä-Suomen puroista luonnontilaisia vain 2% Natura-luontotyyppi: pienet joet ja purot Kalataloudellinen merkitys (mm. taimen ja muut kalat) Vaikuttavat suoraan alapuolisiin vesistöihin (esim. kiintoaineen kulkeutuminen)

7 Uomaekosysteemin kannalta tärkeää Monipuoliset elinympäristöt (virtapaikat-suvannot, monipuolinen pohja-aines, syvyysvaihtelu, vaihteleva uomageometria, kasvillisuus, kuollut puuaines) Dynaamisuus (ali-/ylivirtaamat, sedimenttiprosessit) Veden laatu (kiintoaine, ravinteet, torjunta-aineet ym.) Ritobäcken Sipoonkorven kansallispuistossa Ritobäckenin latvoilta

8 Maatalousuomien tyypillisiä ongelmia Elinympäristöjen yksipuolisuus Umpeenkasvu, liettyminen Varjostavan puuston vähäisyys Uomien uudelleen perkaus Luiskien ja pohjan eroosio

9 Valuma-alue vaikuttaa olennaisesti ojan tai puron veden laatuun Valuma-alueen maankäyttö ja viljelytekniset ratkaisut säätelevät vesistöihin tulevaa kuormitusta Vesistökuormitusta voidaan vähentää - pitämällä huolta maaperän rakenteesta, humuspitoisuudesta ja biologisesta toiminnasta (viljelykierto, eloperäisten lannoitteiden käyttö synteettisten sijasta, pellon hyvä vesitalous) - alentamalla kasvukauden ulkopuolista kuormitusta (alus- ja kerääjäkasvit, peltojen talviaikainen kasvipeitteisyys, lannoituksen huolellinen suunnittelu) - sitomalla pelloilta huuhtoutuneita ravinteita ja kiintoainetta suojakaistoihin, kosteikoihin ja laskeutusaltaisiin

10 Luonnonmukaisen vesirakentamisen menetelmiä maatalousuomiin

11 Luonnonmukaisessa vesirakentamisessa huomioitavia tekijöitä Uomien linjaus -> suoristamisen välttäminen, mutkittelu Poikkileikkaus -> syvyys- ja leveysvaihtelu Sopiva luiskakaltevuus riippuu maaperästä Kasvillisuus luiskissa ja pientareilla; liiallista kasvillisuutta voidaan poistaa Kivet, kuollut puuaines ja monipuolinen pohjamateriaali Tiettyjen elinympäristöjen (esim. kutualueiden) palauttaminen

12 Veden laadun parantaminen: kosteikot, laskeutusaltaat ja suojakaistat Rantamo-Seitteli Kosteikoiden suunnittelusta: Puustinen ym Hovi

13 Uudelleenperkauksesta ekologisempiin kuivatustilaa ylläpitäviin ratkaisuihin Kun luonnontilainen uoma (A) perataan ja levennetään (B), se tyypillisesti liettyy ja umpeenkasvaa ajan kuluessa (C) -> vedenjohtokykyä voidaan uudelleenperkaamisen sijaan parantaa kaivamalla uoman reunaan tulvatasanne (D) tai kaivamalla uusi alivesiuoma umpeenkasvaneeseen pohjaan (Kuva: Näreaho ym. 2006)

14 Luonnonmukaiset kaksitasouomat Pienilläkin virtaamilla vesisyvyys ja virtausnopeus pysyvät kohtalaisina; tasanne tarjoaa paljon kapasiteettia suurilla virtaamilla Monimuotoisemmat elinympäristöt ja mahdollisesti parempi vedenlaatu kuin perinteisessä puolisuunnikkaan muotoisessa uomassa; tulvatasanneyhteys Vähemmän kasautumista pääuomaan: uomat pysyvät kunnossa vähemmällä ylläpidolla

15 Luonnonmukaiset eroosiosuojaukset Menetelmien kuvauksia: Jormola ym Rantojen suojaus kivillä, pohjakynnykset Ruohomaisen kasvillisuuden kylväminen Oksakate, pajumatto ym. Puuntaimien istutus Risunki Pajupistokkaat

16 Elinympäristöjen palauttaminen: kalataloudelliset kunnostukset pienissä puroissa Uudenmaan ELY:n ja SYKE:n kunnostukset mm. Longinojalla (Sarvilinna ym. 2012) Kiveäminen, soraistus, syvänteiden kaivaminen, mutkittelun lisääminen ja pohjakynnykset

17 Tärkeitä maatalousuomien suunnittelussa huomioitavaa tekijöitä Vedenjohtokyky - virtausvastus (Manningin n / kitkahäviökerroin f) -> vedenkorkeus, virtausnopeus Alivedenkorkeudet -> eliöiden elinolosuhteet Sedimenttiprosessit ja valuma-alueelta tuleva kiintoainekuorma -> uomien morfologinen kehitys, veden laatu

18 Sedimentit - miksi tärkeitä? Virtavesiekosysteemeissä olennainen abioottinen tekijä Luo ja tuhoaa elinympäristöjä Kuljettaa mm. ravinteita ja raskasmetalleja Hienoaines samentaa vettä Tärkeitä perinteisen ja luonnonmukaisen vesirakentamisen kannalta: luiskastabiliteetti, kosteikot, luomu-uomat

19 Luonnonmukaisen peruskuivatuksen demokohde Ritobäcken: 2-tasouoma ja kasvillisuuden vaikutukset virtaukseen ja sedimenttiprosesseihin

20 3-vuotisen maastotutkimuksen tavoitteet Identifioida valuma-aluetasolla tärkeimmät sedimentin lähteet ja prosessit luonnonmukaisessa peruskuivatusuomassa Selvittää tulvatasannekasvillisuuden ominaisuuksien vaikutus virtausvastukseen ja kasautumiseen/eroosioon 3 vuoden aikana -> parametreja vastaavien uomien suunnitteluun ja ehdotuksia tarvittavista uomien ylläpitotoimenpiteistä Tässä esityksessä: kaksitasouoman kasvillisuus, virtausvastus ja sedimenttiprosessit tulvatasannekaivun jälkeisenä vuotena

21 Ritobäcken: luonnonmukainen maatalouden peruskuivatusuoma Sipoossa Valuma-alue 10 km 2 : 13% viljelyalueita, loppu pääosin metsiä ja soita Saa alkunsa Fiskträsk-järvestä, laskee Sipoonkorven kansallispuiston kautta Byabäckeniin ja edelleen Sipoonjokeen Maaperä savista, uoma-aineksesta savea n % Keskivirtaama n. 115 l/s Uudenmaan ELY suunnittelutti tulvatasanteen keskivedenkorkeuteen, suunnittelu: Ympäristötekniikan insinööritoimisto Jami Aho (lisätietoa mitoituksesta ja suunnittelusta: Särkelä ym. 2011) Kesä 2009 Kevät 2010 Kaisa Västilä Vesitekniikka kaisa.vastila@aalto.fi

22 Tulvatasanteen kaivu talvella 2010 Uudenmaan ELY-keskuksen Ritobäckenin kunnostuksesta tekemä esittelyvideo : &lan=fi

23 Veden sameus ja kiintoainepitoisuus kaivun aikana Kaivu nosti veden kiintoainepitoisuutta huomattavasti, mutta kaivun aikainen kiintoainekuorma oli vain n. 2% vuotuisesta kiintoainekuormasta Lisäksi eroosio paljaalta tulvatasanteelta kevättulvalla

24 Kasvillisuuden vaikutuksia sedimenttiprosesseihin tutkitaan tulvatasanteelle perustetuilla koealoilla, joilla on erityyppistä kasvillisuutta Luonnollisesti kehittyvä kasvillisuus Laidunnurmiseos (englannin raiheinä, niittynurmikka, punanata, timotei) Koripaju (pistokkaista) Kasviton vertailualue

25 Pajupistokkaat (koripaju, Salix viminalis) 1,2 m Kesä 2011 Kevät cm

26 Menetelmät: jatkuvatoiminen sameuden ja vedenkorkeuden seuranta 2 mittausasemalla 200 m pitkällä uomajaksolla -> saadaan selville uomaeroosio asemien välillä Alapuolinen mittausasema Sameus- ja paineanturi Kiintoainepioisuus (mg/l) Sameus (NTU) (Västilä & Järvelä 2011c) Virtaamamittaus Kaisa Västilä Vesitekniikka kaisa.vastila@aalto.fi

27 Uomageometrian, virtausvastuksen ja kasvillisuuden ominaisuuksien seuranta kasvikoealoilla 2-3 vuoden ajan Uoman poikkileikkauksen mittaaminen Virtausvastuksen määritys vedenpinnan kaltevuudesta Kasvien vertikaalisen rakenteen määritys Kaisa Västilä Vesitekniikka

28 Tulokset: Istutettu, kylvetty ja luonnollisesti kehittyvä kasvillisuus menestyi melko hyvin Kevät, kasvillisuutta ei ollut vielä kylvetty Kesä Syksy Määritetyt kasviominaisuudet loppukesällä eri koealoilla, mm. kuivamassa Kaisa Västilä Water Engineering (Västilä & Järvelä 2011b)

29 Virtaama ja sedimenttiprosessit syksyllä 2009 ja keväällä 2010 c

30 Kiintoaineen lähteet ja prosessit valuma-aluemittakaavassa (Västilä & Järvelä, 2011c) Vuotuinen kiintoainekuorma: 10 t/km 2 /a Kiintoaine-virtaama-korrelaatioden perusteella valuma-alueella on kaksi erityyppistä valunta- ja sedimenttilähdettä: nopeasti vs. hitaasti valuntaa muodostavat alueet Virtaaman nousuvaiheessa valunta tuli pääosin uoman lähialueilta ja tehokkaasti kuivatetuilta alueilta (pellot), kun taas virtaaman laskuvaiheessa kauempana sijaitsevien, kuivattamattomien metsäalueiden osuus valunnasta kasvoi -> nousuvaiheen suuret kiintoainepitoisuudet olivat pääosin peräisin pelloilta Salaojat ovat merkittävä hienon kiintoaineen kulkureitti c

31 Kasvillisuuden kehitys vähensi uoman vedenjohtokykyä a) Vedenkorkeus (m) Kevät Kesä Syksy Vedenkorkeus (m) b) Kevät Kesä Syksy Tulvatasanteen korkeus yläasemalla Vesi nousee tulvatasanteelle alaasemalla Virtaama (l/s) Virtaama (l/s) Vesi ei noussut pelloille suurimmillakaan virtaamilla (Västilä & Järvelä 2011b)

32 Kasvillisuus nosti virtausvastusta ja laski keskimääräistä virtausnopeutta a) Vedenkorkeus (m) Kevät Kesä Syksy Tulvatasanteen korkeus yläasemalla b) Vedenkorkeus (m) Kevät Kesä Syksy Tulvatasanteen korkeus yläasemalla Vesi nousee tasanteelle alaasemalla Manningin n (s/m 1/3 ) Keskinopeus (m/s) Virtausvastus (Manningin n) riippuu voimakkaasti kasvillisuuden runsaudesta ja vuodenajasta (Västilä & Järvelä 2011b)

33 Uomaeroosio ja -kasautuminen 200 m pitkällä uomaosuudella 1. vuoden aikana anturidatan perusteella Kaivun aikainen kiintoainekuorma 2 % vuoden kokonaiskuormasta (10 t/km 2 /a) Kevättulvalla tulvatasanne erodoitui keskimäärin n. 6 mm (olettaen että kaikki eroosio tapahtui tasanteelta ja että maa-aineksen huokoisuus oli n. 40 %) Kevättulvan ulkopuolella valtaosa kiintoaineesta peräisin valuma-alueelta; maatalousalueilla metsäalueita suurempi ominaiskuormitus (Västilä & Järvelä, 2011c) Kasautumista Kaisa Västilä Vesitekniikka kaisa.vastila@aalto.fi (Västilä & Järvelä 2011a)

34 Tulvatasanteellisen uoman etuja perinteiseen puolisuunnikas-muotoon nähden: kaivu ja tulviminen Tulvatasanteen kaivussa pohjaan ei koskettu -> Kaivun aikainen kiintoainekuorma oli hyvin pieni, vain 2 % vuoden kokonaiskuormasta - pohjan säilyminen ennallaan Kaivun jälkeen kasvittomalta tasanteelta hieman eroosiota -> eroosiosuojaus vähentäisi eroosiota Veden tulviminen uomasta pelloille väheni, koska uoman poikkileikkauspinta-ala kasvoi -> satotappiot vähenevät, toisaalta peltoala hieman väheni - vaikutukset ravinteiden mobilisoitumiseen pellolta tulvilla?

35 Tulvatasanteellisen uoman etuja: kiintoaine Kasvillisuuden kehittyminen tasanteelle vähensi uomaeroosiota ja aiheutti kiintoaineen kasautumista Tulvatasanteelle kasautui hienoakin kiintoainesta -> alensi veden kiintoainepitoisuutta ja sameutta sadantatapahtumien aikana - partikkelifosforipitoisuus mahdollisesti alenee - kasautuvan aineksen määrä riippuu aineksen koosta ja ominaisuuksista -> ollaan tekemässä analyysejä kasautuvan sedimentin rakeisuuskäyrästä ja ominaisuuksista Uomaeroosio vähäisempää, kun uomia ei suoristeta

36 Tulvatasanteellisen uoman etuja: uoman ylläpito Uomien uudelleenperkaustarve vähenee, kun poikkipinta-alaa on riittävästi -> kustannussäästöt, ekologiset hyödyt Vedenjohtokyvyn pitäminen hyvänä pääuomassa -> ideana, että kasautuminen pääuomaan vähenee -> vaikutukset esim. kutusoraikoiden puhtaana pysymiseen?

37 Muita tulvatasanteellisen uoman etuja Monimuotoisemmat elinympäristöt Tulvatasanne voi muodostaa ekologisen käytävän Tulvatasannekasvillisuuden valitseminen siten että sitä voidaan käyttää esim. rehuna tai pajutöihin Tulvatasannekasvillisuus potentiaalisesti pidättää liukoisia ravinteita samalla tavoin kuin kosteikkokasvillisuus - veden alle jäävä ruohomainen kasvillisuus tulee niittää säännöllisesti, niittäminen helpompaa kuin kosteikoissa

38 Avoimia kysymyksiä Tasanteen kaivun ja kasvillisuuden vaikutus liukoisiin ravinteisiin Hienon kiintoaineksen prosesseja ei tunneta kunnolla eikä osata ennustaa -> saven prosessit ja kasautuminen olennaista sameuden ja partikkelifosforin kannalta; valtaosa Etelä-Suomen maatalousalueista savikoilla Tulvatasanteen vaikutus pääuoman eroosioon/kasautumiseen Sedimenttiprosessien huomiointi uomien suunnittelussa, jottei aiheudu uomien eroosiota/liettymistä

39 Kahden vuoden maastotutkimuksen perusteella 2-tasouoma toimi hydraulisesti kuten suunniteltu Uomaeroosio kasvittomalta tasanteelta kaivun jälkeen oli melko alhaista, mutta eroosiosuojaus olisi voinut vähentää alapuoliseen vesistöön kulkeutuvaa kiintoainekuormaa Mitattuja virtausvastusarvoja ja niiden riippuvuutta kasvillisuudesta ja vedenkorkeudesta voidaan käyttää vastaavien uomien suunnittelussa Uomakasvillisuuden aiheuttama virtausnopeuden lasku näytti vähentävän eroosiota ja johtavan sedimentin kasautumiseen Maatalousalueilta tuleva suuri sedimenttikuorma huomioitava uomien suunnittelussa Tutkimusta jatketaan mittaamalla eroosio/kasautuminen ja virtausvastus erilailla kasvitetuilla koealoilla

40 Laboratoriotutkimuksia kasvillisuuden virtausvastuksen arvioinnin parantamiseksi

41 Kasvillisuuden aiheuttaman vastusvoiman määrittäminen Vastusvoiman mittaamiseksi kehitetty systeemi Braunschweigin teknillisessä yliopistossa (Schoneboom ym. 2008) Virtausnopeus u Voima F Voima-anturit kourun pohjan alapuolella

42 Tutkittujen mustapoppeleiden (Populus nigra) ominaisuudet 23 cm Lehtien määrä Lehtiala A L (cm 2 ) Varren halkaisija (mm) Varren pinta-ala A S (cm 2 ) Projektiopintaala A P ilmassa (cm 2 )

43 Lehdellisten ja lehdettömien poppeleiden vastusvoima (F) F (N) Poplar1 (Foliated) Poplar2 (Foliated) Poplar3 (Foliated) Poplar1 (Defoliated) Poplar2 (Defoliated) Poplar3 (Defoliated) Share of foliage to F Mean share of foliage to F (%) u (m/s) 0 (Västilä et al. 2011d) Lehtien osuus kokonaisvoimasta oli keskimäärin 86% mutta laski virtausnopeuden noustessa

44 Kitkahäviökertoimen f ennustaminen lehtialan (LAI) avulla eri lehtipuulajeille f''/lai (-) Natural poplars (present study) Power fit (Natural poplars) Goat willows (Järvelä 2004) Natural willows (Järvelä 2006) Artificial ivy (Schoneboom et al. 2010) U m (m/s) (Västilä et al. 2011d) Häviökerroin voidaan ennustaa lehtialan ja lajityypillisten parametrien avulla (menetelmän esitellyt Järvelä 2004) Poppelit aiheuttivat näistä lajeista alimman virtausvastuksen per lehtiala (f /LAI). Lajienväliset erot johtunevat osittain erilaisista varsi- ja lehtipinta-alojen suhteista eri lajeilla.

45 Johtopäätökset Useat erityyppiset koekohteet osoittavat, että luonnomukaisen vesirakentamisen menetelmiä voidaan soveltaa maatalousuomissa Luonnonmukaiset maatalousuomat voivat sekä parantaa peltojen kuivatustilaa että vähentää maankuivatuksen vesistövaikutuksia Kasvillisuuden ja muiden luonnonmukaisten elementtien vaikutus virtausvastukseen ja vedenkorkeuksiin voidaan arvioida uoman suunnitteluvaiheessa Sedimenttien ja maaperän ominaisuuksien huomioiminen uomien suunnittelussa parantaa uomien kunnossapysymistä

46 Lähteitä Jormola, J., Harjula, H. & Sarvilinna, A. (toim.) 2003 Luonnomukainen vesirakentaminen Uusia näkökulmia vesistösuunnitteluun. Suomen Ympäristö 631. Järvelä, J Flow resistance in environmental channels: Focus on vegetation. Dissertation. Helsinki University of Technology. Näreaho, T., Jormola, J., Laitinen, L. & Sarvilinna, A Maatalousalueiden perattujen purojen luonnonmukainen kunnossapito. Suomen Ympäristö 52/2006. Pajula, H. & Järvenpää, L Maankuivatuksen ja kastelun suunnittelu - Työryhmän mietintö. Suomen ympäristökeskuksen raportteja 23/2007, 187 s., Suomen ympäristökeskus. Puustinen, M., Koskiaho, J., Jormola, J., Järvenpää, L., Karhunen, A., Mikkola-Roos, M., Pitkänen, J., Riihimäki, J., Svensberg, M. & Vikberg, P Maatalouden monivaikutteisten kosteikkojen suunnittelu ja mitoitus. Suomen ympäristö 21/2007. Sarvilinna, A., Hjerppe, T., Arola, M., Hämäläinen, L. & Jormola, J Kaupunkupuron kunnostaminen. Ympäristöopas Suomen ympäristökeskus. Schoneboom, T., Aberle, J., Wilson, C.A.M.E. & Dittrich, A Drag force measurements of vegetation elements, ICHE 2008, Nagoya, 8 12 September, 2008, 10 pp. Särkelä, A., Aulaskari, H. & Västilä, K. Luonnonmukaisen kuivatushankkeen vesistövaikutukset ja uomassa tapahtuvat muutokset. Loppuraportti. Västilä, K., Jalonen, J. & Järvelä, J. 2011a Sedimenttiprosessien vaikutukset luonnonmukaisten uomien suunnitteluun. Vesitalous 2011(4): Västilä, K. & Järvelä, J. 2011b Cohesive sediment dynamics in a vegetated two-stage drainage channel: the first year after floodplain excavation. Proceedings of River, Coastal and Estuarine Morphodynamics 2011 conference, 6-9 Sep 2011,Beijing. Västilä, K. & Järvelä, J. 2011c Environmentally preferable two-stage drainage channels: considerations for cohesive sediments and conveyance. Intl. J. River Basin Management. DOI: / Västilä, K., Järvelä, J., Aberle, J. & Schoneboom, T. 2011d Vegetative drag in natural, foliated plant stands. In Proceedings of 34th IAHR World Congress, , Brisbane, Australia, pp

47 Kiitos! Tutkimusta ovat tukeneet Suomen Akatemia, Maa- ja vesitekniikan tuki ry, Maa- ja metsätalousministeriö, Oskar Öflundin säätiö, Emil Aaltosen säätiö ja VALUE tutkijakoulu Kaisa Västilä Vesitekniikka Aalto-yliopisto