LUONNONMUKAINEN VESIRAKENNUS

Transkriptio

1 Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja Helsinki University of Technology Water Resources Publications Espoo 1998 TKK-VTR-1 LUONNONMUKAINEN VESIRAKENNUS Periaatteet ja hydrauliset näkökohdat virtavesien ennallistamisessa ja uudisrakentamisessa Juha Järvelä TEKNILLINEN KORKEAKOULU TEKNISKA HÖGSKOLAN HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY TECHNISCHE UNIVERSITÄT HELSINKI UNIVERSITE DE TECHNOLOGIE D HELSINKI

2 Julkaisun myynti: Teknillinen korkeakoulu Vesitalouden ja vesirakennuksen laboratorio PL TKK Puh. (09) Fax. (09) Juha Järvelä ISBN ISSN Libella Oy Espoo 1998 Kannen kuvat: Koskipaikka (vas.) ja meanderoivaksi ennallistettu osuus (oik.) Nuuksion Myllypurossa; vanha rännimäinen uomaratkaisu Saksassa. Kuvat J. Järvelä.

3 Järvelä, J Luonnonmukainen vesirakennus: periaatteet ja hydrauliset näkökohdat virtavesien ennallistamisessa ja uudisrakentamisessa. Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen julkaisuja, s. ISBN , ISSN Asiasanat: virtavedet, luonnonmukainen vesirakennus, ekologinen vesirakennus, ennallistaminen, kunnostaminen, hydrauliikka, virtausvastus, fluviaaligeomorfologia, eroosio, insinööribiologia, tulvasuojelu Tutkimuksen kotisivu: TIIVISTELMÄ Luonnonmukainen ja ekologinen vesirakennus ovat laajoja toimintamalleja, jotka pyrkivät virtavesien rakenteellisen ja toiminnallisen monimuotoisuuden säilyttämiseen ja palauttamiseen. Toimintamallien olennaisena tavoitteena on antaa edellytykset tieteellisesti perusteltujen, ekologisesti mielekkäiden ja teknisesti toimivien ratkaisujen kehittämiseen. Tarkastelussa korostetaan valumaaluenäkökulmaa; uoma, tulvatasanne ja valuma-alue muodostavat moninaisen vuorovaikutusverkoston eikä niitä siten pidä tarkastella toisistaan riippumattomina. Tutkimuksen päätavoitteena oli toimia laajana selvityksenä länsieurooppalaisesta luonnonmukaisesta vesirakentamisesta ja arvioida kehitettyjen ratkaisujen soveltuvuutta Suomen oloihin virtavesiympäristössä. Työssä tutkittiin luonnonmukaista vesirakennusta ohjaavia periaatteita, luotiin suomenkielistä käsitteistöä ja esitettiin suunnittelua ja toteutusta helpottavia periaatteellisia ohjeita. Esimerkinomaisesti kuvattiin joitakin valittuja menetelmiä. Virtaveden dynamiikkaa, tulvatasanneyhteyttä, pituussuuntaista jatkuvuutta ja palautumiskykyä painottava tavoitekuvatarkastelu havaittiin soveltamiskelpoiseksi suunnittelun ja arvioinnin apuvälineeksi. Erityisnäkökulmana tutkimuksessa oli luonnonmukaisen vesirakentamisen hydrauliikka, sillä morfologisesti monimuotoiset joet poikkeavat hydraulisilta ominaisuuksiltaan olennaisesti poikkileikkauksiltaan säännöllisistä, oikaistuista ja vähäkasvisista uomista. Työssä tarkasteltiin erilaisia kirjallisuudessa esitettyjä laskentamenetelmiä ja todettiin näiden voivan antaa kymmeniä prosentteja toisistaan poikkeavia tuloksia. Nuuksion Myllypurolla, Tuusulanjoella ja Päntäneenjoella suoritettujen maastotutkimusten perusteella virtausvastuksen suuruus luonnonmukaisissa uomissa on huomattavaa ja vaihtelevaa; tyypillisesti Mannningin kerroin oli suuruusluokaltaan 0,1. Luonnonmukaisessa ja ekologisessa vesirakennuksessa on useita tutkimus- ja kehitystarpeita. Käytännön tarpeita palvelevan hydraulisen mitoituksen ohjeiston laatiminen on yksi olennaisimpia tehtäviä. Siinä samoin kuin insinööribiologisten menetelmien kehitystyössä on paneuduttava erityisesti jää- ja talviongelmiin. Toinen keskeinen osa-alue on virtavesien morfologisen tilan kartoitus ja Suomeen sopivan luokittelukriteeristön kehittäminen. Yleisemmin Suomessa on panostettava aiempaa käytäntöä huomattavasti enemmän virtavesihankkeiden seurantaan, minkä perusedellytyksenä on suunnittelun, toteutuksen ja seurannan kattava ja vertailukelpoinen dokumentointi.

4 Järvelä, J Environmental river engineering and restoration: guiding principles and hydraulic performance. Helsinki University of Technology Water Resources Publications, s. ISBN , ISSN Keywords: rivers, environmental river engineering, river restoration, rehabilitation, enhancement, hydraulics, hydraulic resistance, fluvial geomorphology, erosion, bioengineering, flood control Homepage: ABSTRACT The concept of environmental river engineering and restoration (~ German Naturnaher/ Ökologischer Wasserbau ) aims to restore and conserve the structural and functional diversity of running waters. It covers both full restoration and environmentally acceptable engineering. The concept seeks to provide a framework and guidelines for the design and implementation of scientific, ecologically sound and technically feasible solutions. Catchment context is emphasised in the approach. Channel, floodplain and catchment constitute a diversified network of interactions and, thus, the components must not be treated independently. This study presents a comprehensive review of river restoration (including rehabilitation and enhancement) and environmental river engineering in Western Europe (Germany, Austria, UK and Denmark in particular) and evaluates applicability of suggested approaches in Finnish conditions. Guiding principles and relevant foreign and Finnish terminology were scrutinised. In addition, selected design methods and instructions for implementation were presented. German Leitbild concept, that stresses natural dynamics, channel floodplain interaction, longitudinal connectivity, and ecological resilience, was found out to be useful tool in project design and assessment. Special emphasis was put on the hydraulics of environmental channels and features in river rehabilitation, since the hydraulic performance of morphologically complex rivers significantly differs from rivers of uniform cross-sections, straightened alignment, and little vegetation. Numerous design and modelling approaches were studied revealing that end results can vary tens of percents depending on the method used. Based on field studies carried out at two rivers and one brook, the hydraulic resistance of natural channels appears to be great and varying. Manning s n was typically order of 0.1. There are various research and development needs in environmental river engineering and restoration in Finland. A practise-oriented handbook covering hydraulics of restored rivers and environmental channels is needed. Especially, ice and winter-induced problems on hydraulic dimensioning and bioengineering must be assessed. Other urgent issues are the survey of morphological status of rivers and streams, and development of appropriate classification criteria for Finland. In general, more effort must be allocated to monitoring. A prerequisite for this is comprehensive and comparable documentation of project design, implementation and monitoring.

5 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ... 3 ABSTRACT... 4 SISÄLLYSLUETTELO... 5 SYMBOLILUETTELO... 7 ESIPUHE JOHDANTO Tausta Tutkimusongelma Tavoitteet Suomalainen näkökulma OHJAAVAT PERIAATTEET JA KÄSITTEISTÖ Virtaveden ja valuma-alueen ykseys: jatkuvuus, dynaamisuus ja palautumiskyky Virtaveden tavoitekuva Mitä luonnonmukaisella vesirakentamisella tarkoitetaan? Ennallistamista vai kunnostamista? Aktiivista kunnostamista vai luontaisen elpymisen edistämistä? Yhteenveto käsitteistöstä EKOLOGISESTI PERUSTELTU VIRTAVESIEN RAKENTAMINEN JA ENNALLISTAMINEN Lähtökohdat ja soveltamisalueet Valuma-aluetarkastelu Valuma-alue jokilaakso tulvatasanne jokikäytävä uoma Maankäytön muutokset: hydrologia ja vesistökuormitus Tavoitteena virtaveden luonnonmukaisuus Morfologia: rakenteellinen monimuotoisuus Virtavesi elintilana: toiminnallinen monimuotoisuus Luonnonmukainen vesistösuunnittelu: suojelu, hoito ja seuranta Suunnittelu- ja toteutusnäkökohtia Luonnonmukaiset materiaalit Insinööribiologiset menetelmät Kosteikot, valunnanpidätysaltaat ja suojakaistat Pohjapadot, ohitusuomat ja virtausoloja monipuolistavat rakenteet LUONNONMUKAISTEN UOMIEN HYDRAULISET OMINAISUUDET Lähtökohdat Uomaominaisuuksien vaikutukset Linjaus Poikkileikkaus Pituusleikkaus Maaperä Kasvillisuus... 51

6 4.2.6 Jää ja talviolosuhteet Pääuoman ja tulvatasanteen tai rantavyöhykkeen vuorovaikutus Uoman rakenteet LUONNONMUKAISTEN UOMIEN HYDRAULINEN MITOITUS Virtausvastus avouomavirtauksessa Käsitteitä Virtausvastusilmiö Virtausvastuksen määrittäminen Vastuskertoimen määrittäminen Pohjamateriaali ja -muoto Jääpeite Kasvillisuus Kaarteet ja meanderointi Komposiittinen karkeus ja vedenjohtokyky Monitasoiset poikkileikkaukset ja tulvatasanteet Hydraulisen mitoituksen menetelmiä Mertensin ja Paschen 1D-menetelmien lähtökohdat Mertensin menetelmä Paschen menetelmä Laskentamenetelmien sovellusnäkökohtia MAASTOTUTKIMUKSET Tavoitteet Tutkimusten suoritus Tutkimuskohteet ja -menetelmät Aineisto ja menetelmät Nuuksion Myllypuro Tuusulanjoki Päntäneenjoki Maastotutkimustulokset Myllypuron tulokset Tuusulanjoen tulokset Päntäneenjoen tulokset Tulosten tarkastelu Myllypuron, Tuusulanjoen ja Päntäneenjoen havainnot: synteesi Pienten uomien virtausvastuksen määrittäminen Maastotutkimusten luotettavuus ja edustavuus JOHTOPÄÄTÖKSET YHTEENVETO LÄHDELUETTELO LIITTEET...127

7 SYMBOLILUETTELO a [ ] muodon korjauskerroin a NL [m] yksittäisen kasvin aiheuttaman häiriön vaimenemismatka päävirtauksen suunnassa a NB [m] yksittäisen kasvin aiheuttaman häiriön vaimenemismatka kohtisuoraan päävirtaukseen nähden a x [m] kasvien välinen etäisyys päävirtaussuunnassa a y [m] kasvien välinen etäisyys kohtisuoraan päävirtaukseen nähden A [m 2 ] uoman poikkipinta-ala b [m] leveys B [ ] kasvillisuusparametri [m] pinnan leveys c [ ] kasvillisuusparametri [ ] vakio c 1 [ ] vakio c 2 [ ] vakio c T [ ] kuvitteellisen rajapinnan yksikötön liukumanopeus c W [ ] muotovastuskerroin c W [ ] yhden yksittäisen sylinterin (kasvin) muotovastuskerroin c WR [ ] yksittäisen sylinterin laskennallinen muotovastuskerroin sylinteriryhmässä c W [ ] gravitaatiovoimaan perustuva yksittäisen sylinterin muotovastuskerroin C [ ] Chézyn kerroin [ ] vakio C d [ ] vastuskerroin d [m] putken halkaisija d p [m] kasvien halkaisija D [m] hydraulinen halkaisija D eff [m] tehollinen hydraulinen halkaisija D xx [m] raekoko, jota pienempiä on xx % pohjamateriaalista E [N m -2 ] kimmokerroin f [ ] yleinen kitkahäviökerroin f [ ] yleinen kitkahäviökerroin mutkaiselle uomalle f o [ ] yleinen kitkahäviökerroin pohjamateriaalin koolle f PL [ ] poikkileikkauksen muotokerroin Fr [ ] Frouden luku g [m s -2 ] painovoiman kiihtyvyys h [m] tulvatasanteen korkeus pääuoman pohjasta [m] pohjamuodon korkeus vertailutasosta [m] hydraulinen syvyys h f [m] korkeushäviö h T [m] näennäisen rajapinnan korkeus h V [m] kasvillisuuden korkeus h * [m] suhteellinen vesivyvyys kasvin ylä- ja alapuolella

8 H [m] vesisyvyys I [m 4 ] jäyhyysmomentti K [m] karkeuskorkeus k [m] ekvivalentti eli Nikuradsen hiekkakarkeus k V [m] kasvillisuuden tehollinen karkeuskorkeus L [m] uomajakson pituus L M [m] meanderin aallonpituus m [ ] kasvillisuuden tiheys mei [N m -2 ] kasvin jäykkyys M A [m] meanderin amplitudi n [s m -1/3 ] Manningin kerroin [ ] luiskan kaltevuus (1:n) n [s m -1/3 ] Manningin kerroin mutkaiselle uomalle P [m] märkäpiiri Q [m 3 s -1 ] virtaama Q V [m 3 s -1 ] vuorovaikutuksesta (liikemäärän siirtymisestä) aiheutuva virtaaman lisäys tulvatasanteella r c [m] kaarresäde R [m] hydraulinen säde Re [ ] Reynoldsin luku s [ ] mutkaisuus S [ ] kaltevuus S o [ ] pohjan kaltevuus S e [ ] energiaviivan kaltevuus S [ ] pituussuuntainen energiagradientti S [ ] poikittaissuuntainen energiagradientti v [m s -1 ] keskimääräinen virtausnopeus v N [m s -1 ] virtausnopeus elementillä N v V [m s -1 ] kasvillisuuden läpi virtaavan veden keskimääräinen nopeus v * [m s -1 ] seinämän kitkanopeus x, y, z karteesiset koordinaatit α [ ] liike-energiavirran korjaustekijä γ [N m -3 ] tilavuuspaino θ [ ] kääntymiskulma ν [m 2 s -1 ] kinemaattinen viskositeetti ω [W m -2 ] virtausteho pinta-alaa kohti Ω [W m -1 ] virtausteho pituusyksikköä kohti [ ] kasvillisuusparametri ρ [kg m -3 ] tiheys τ [N m -2 ] leikkausjännitys Alaindeksit F [ ] pääuoma, kasviton poikkileikkausosa pohjan muoto i [ ] indeksi

9 j [ ] indeksi K [ ] karkeus l [ ] vasen m [ ] keskimääräinen M [ ] vuorovaikutusalue (Paschen menetelmä) n [ ] indeksi o [ ] pohja P [ ] kasvi, kasvillisuus r [ ] oikea S [ ] pohja T [ ] näennäinen rajapinta V [ ] kasvillisuusalue, tulvatasanne (läpivirtaus) I [ ] tulvatasanne- ja/tai kasvillisuusalue, johon puuttoman uoman virtaus ei vaikuta (ks. poikkileikkauskuva 5.9) II [ ] tulvatasanne- ja/tai kasvillisuusalue, johon puuttoman uoman virtaus vaikuttaa III [ ] pääuomaosa, jonka virtausoloihin tulvatasanne- ja/tai kasvillisuusalue vaikuttaa IV [ ] pääuomaosa, jonka virtausoloihin tulvatasanne- ja/tai kasvillisuusalue ei vaikuta

10 ESIPUHE Mieltä riipaisee Kuikeroa katsellessa, se on muistojen virta, vain sylenlevyinen pikku puronen, mutta seudun ainoa joki. Nuorina ongimme kesäisin tammukoita sen pikku koskilla ja suvannoilla, omilla mailla joiden halki se monin polvekkein virtaili, himmeinä kesäöinä, koskien kupliessa ja kuiskiessa säveleitään, tuomien ja angervojen tuoksuessa. Sen rannoilla kasvoi kulleroita ja villiruusuja ja tulvien aikaan koskien humina kantautui vahvana pihalle asti. Yhtenä kesänä purolle ilmestyivät linjakepit ja talvella jättiläismäiset konehirviöt vetivät sen suoraksi kanavaksi, metsäojia varten, armotta raakalaismaisesti, tappoivat sen. Tammukat katosivat purosta, sen pikku kosket katosivat, sen äänet katosivat, se lysähti matalaksi passiiviseksi uomaksi sorakasojen väliin ja sen lukemattomat vilkkaat polvekkeet kuivuivat kauas maalle. Erno Paasilinna: Kotiseudulla ja vierailla mailla, Otava Luonnonmukaisen vesirakennuksen tutkimus aloitettiin Teknillisen korkeakoulun vesitalouden ja vesirakennuksen laboratoriossa alkuvuonna Hanke sai alkusysäyksensä professori Pertti Vakkilaisen vuoden mittaisesta vierailusta Wienin Teknillisessä korkeakoulussa Sittemmin Marja Lahtinen teki laboratoriossa aiheesta esiselvityksen Luonnonmukainen vesirakentaminen Keski-Euroopassa. Nykyisessä tutkimuksessa ovat hydrauliset kysymykset keskeisellä sijalla. Tutkimuskokonaisuutta ovat rahoittaneet Maj ja Tor Nesslingin säätiö, Maa- ja vesitekniikan tuki ry. ja Suomen Akatemia. Tämä tutkimus on suoritettu TKK:n vesitalouden ja vesirakennuksen laboratoriossa. Pertti Vakkilaista haluan kiittää hänen osoittamastaan tuesta ja luottamuksesta työn kaikissa vaiheissa. Terhi Helmiön kanssa tehty yhteistyö oli arvokasta, ja hän ansaitsee kiitokset tutkimuksessa käytetystä laskentaohjelmasta. Tuomo Karvonen on kommenteillaan ja kysymyksillään parantanut hydrauliikan osiota. Kahta ensiksi mainittua rahoittajatahoa haluan lisäksi kiittää henkilökohtaisesta apurahasta. Maastotutkimukset on toteutettu yhteistyössä Uudenmaan ja Länsi-Suomen ympäristökeskusten kanssa, mistä lausun yhteisen kiitokseni kaikille mukana olleille. Erityisesti haluan tuoda esille Väinö Haapamäen panoksen Päntäneenjoen tutkimuksissa, minkä ansiosta saatiin koottua verraten hyvä havaintoaineisto myöhäisestä aloituksesta huolimatta. Jukka Jormolalle Suomen ympäristökeskuksesta kuuluvat kiitokseni lukuisista rakentavista ja asiantuntevista keskusteluista, joita olemme yhteistyöprojektin puitteissa viimeisen parin vuoden aikana käyneet. Juha Järvelä

11 1 JOHDANTO 1.1 Tausta Ympäristönäkökohtien painokas esiintuominen on saattanut perinteisen vesirakentamisen seurannaisvaikutuksineen kriittiseen valoon jo vuosia sitten, ja asenteet ja tavoitteet ovat muuttuneet huomattavasti ympäristömyönteisempään suuntaan (esim. Purseglove 1988; Brookes 1988). Voidaan väittää, että aiemmin vesistötöiden tavoitteena oli lähes yksinomaan vesien hyötykäyttö ja ihmisen suojelu vedeltä nykyisin painopiste on siirtynyt vesien suojelemiseen ihmiseltä. Vesistöjen hoidon ja käytön suunnitteluun kiinnitetään maailmanlaajuisesti enenevässä määrin huomiota, erityisesti vesistöjen suojelu- ja kunnostusnäkökohtia korostaen. Pisimmällä soveltamisessa oltaneen Länsi-Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa. Maataloudessa pitkään jatkunut uuden viljelyalan valtaaminen samoin kuin nykyiset kuivatustehokkuusvaatimukset ovat muuttaneet vesistöjä ja niitä ympäröiviä alueita voimakkaasti. Jokia on valjastettu voimataloutta varten laajasti. Vesiliikennettä varten uomia on rakenteellisesti parannettu, esimerkiksi suoristettu ja suojattu eroosiolta. Väestön lisääntyminen ja keskittyminen on kärjistänyt asutuksen vesistövaikutuksia. Yleisesti ilmenneitä ongelmia ovat mm. virtaamaolosuhteiden muuttuminen, pohjaveden pinnan laskeminen, hallitsematon eroosio ja biotooppien, esimerkiksi kosteikkojen ja tulvametsien, häviäminen. Vähentynyt viljelysmaan tarve ja parantunut vedenlaatu yhdessä ympäristömyönteisyyden kanssa on mahdollistanut Länsi-Euroopassa määrätietoisen vesiympäristöjen kunnostamisen, ennallistamisen tai toisaalta myös ympäristönäkökohdat paremmin huomioonottavan uudisrakentamisen. Merkittäväksi vesistöhankkeita nykyisin ohjaavaksi tekijäksi on noussut luonnon monimuotoisuus kokonaisvaltaisesti tarkasteltuna. Viime vuosina kunnostukset on alettu nähdä laajempina kokonaisuuksina, joihin olennaisena osana liittyy tulvatasanteen ja valuma-alueen ottaminen mukaan kunnostukseen. Muutosta ovat edistäneet havainnot, joiden mukaan virtavesien eliöstössä ei ole havaittu merkittävää positiivista palautumista, vaikka vedenlaatu on parantunut (esim. Kern 1992). Tämän seurauksena on nähty virtavesien rakenteellisen ja toiminnallisen kokonaisuuden ennallistamisen merkitys. Vaikka suomalaiset vesirakentamistoimet eivät ole muuttaneet vesiluontoa yhtä voimakkaasti kuin Keski-Euroopassa, ovat toimet olleet laajasti vaikuttavia esim. uitossa, vrt. Oksala (1926): Luonnontilassa oleva puro tai pieni joki on tavallisesti mutkikas, kivinen ja rannat täynnä ryteikköä. -- Rannat kasvavat pensaikkoja ja mättäitä, sinne on kaatunut puita ristiin rastiin, joten liikkuminen rannoilla on työlästä, toisia puita on kaatunut puroon sulkien väylän ja malloilla kohdilla ovat mättäät voineet kasvaa koko puron yli muodostaen lemin, joka kokonaan peittää väylän. -- On parasta raivata ja perata sekä rannat että itse väylä ja myöskin oikoa jyrkimmät mutkat niemiä katkomalla tai kanavoimalla. Useiden kunnostushankkeiden lähtökohtana voivat olla puhtaan ennallistamisen ohella maankäytön muutokset. Kehitysprojektit kuten asutus-, teollisuus- ja infrastruktuurihankkeet voivat edistää kunnostushankkeita. Ennallistaminen voidaan joissakin tapauksissa toteuttaa kehityshankkeen integroituna osana tai hankkeesta aiheutuneiden haittojen vähentämiseksi muualla samalla joella tai lähistöllä toisella valuma-alueella. Brookes (1995) uskoo, että tämänkaltainen kunnostaminen tai 11

12 osittainen ennallistaminen tulee luultavasti olemaan laajaa johtuen erilaisten kehityshankkeiden runsaudesta. Eurooppalainen muutoskehitys ei kuitenkaan ole yksinomaan seurausta ympäristöystävällisistä asenteista, vaan merkittävä vaikutus on ollut Keski-Euroopassa kestämättömäksi havaitulla tulvasuojelutilanteella. Reinin suuri tulva alkuvuonna 1995 toimi sysäyksenä vaatimuksille kokonaisvaltaisesta vesistöjen käytön luonnonmukaistamisesta, esimerkiksi luontaisten tulva-alueiden palauttamisesta. Myös Oder-joen suuri kesätulva 1997 Saksan, Puolan ja Tsekin rajaseudulla antoi vauhtia vaatimuksille luontaisten tulva-alueiden palauttamiseksi. Syksyn 1998 uutinen on ollut Itä-Euroopan suuret tulvat, joissa kymmenet tuhannet ihmiset ovat joutuneet jättämään kotinsa Ukrainassa ja Unkarissa. Saksan puolella asukkaan evakuoinnin aiheuttanutta Oderin tulvimista vastaan taisteli sotilasta ja vapaaehtoista (Radloff 1997). Kokonaisuudessaan vahingot on arvioitu 10 miljardin DM:n suuruisiksi, mistä Saksan osuus on vain yksi miljardi. Suurimmat kärsijät ovat Puola (5 6 mrd. DM) ja Tsekki (3,5 mrd. DM). Yksistään kiireellisimpien pengervaurioiden korjaaminen Saksassa maksaa arvioiden mukaan 30 milj. DM. Seuraavien viiden vuoden töiden kustannusarvio on 100 milj. DM. (Berg 1997). Oderin toimenpideohjelmassa ei tyydytä kuitenkaan vain pengerten korjaamiseen, vaan jo toisena kohtana pengervaurioiden korjaamisen jälkeen ehdotetaan joen keski- ja yläjuoksulle luontaisten tulva-alueiden palauttamista, mm. uusia kansallispuistoja (Radloff 1997). Saksan liittokansleri ja osavaltion ympäristöministeri ovat lausunnoissaan selkeästi tukeneet tätä perustavaa laatua olevaa muutosta suhtautumisessa tulvasuojeluun (Berg 1997). Samoin on muuallakin alettu yleisesti vaatia tulvasuojeluhankkeiden perustamista luonnonmukaisemmalle pohjalle. Ongelmien laajuudesta johtuen Keski-Euroopassa on jo aiemmin nähty välttämättömäksi kehittää uusia periaatteellisia toimintamalleja ratkaisujen löytämiseksi. Keski-Euroopassa pyritään vastaamaan vesistökunnostamisen ja vesirakentamisen uusiin haasteisiin luonnonmukaisella tai ekologisella vesirakentamisella (termistöstä tarkemmin kpl 2.3). Luonnonmukainen vesirakennus vaatii useiden ammattiryhmien tiivistä yhteistyötä vesitekniikan, ekologian, geomorfologian, biologian, maisema-arkkitehtuurin, vedenlaadun, maankäytön suunnittelun ja virkistyskäytön aloilla. Euroopassa toiminta-ajatus on saanut alkunsa ja kehittynyt Saksassa, Itävallassa ja Sveitsissä (ks. Kraus et al. 1994; Patt et al. 1998; Järvelä & Vakkilainen 1996a,b). Tutkimuksen ja kehityksen muita aktiivisia maita ovat Tanska (ks. Madsen 1995; Hansen 1996; Nielsen 1996; Jormola & Järvelä 1998), Iso-Britannia (ks. Brookes 1992; RRP 1994; Järvelä & Jormola 1997) ja Yhdysvallat (ks. Gore 1985; Haltiner et al. 1996; USDA 1998). Saksassa luonnonmukaisella vesirakentamisella on kymmenien vuosien perinteet, ja vuosien saatossa menetelmät ovat kehittyneet vastaamaan kunkin aikakauden asettamiin uusiin vaatimuksiin. Aihepiiri on useissa Euroopan maissa erityisesti Tanskassa ja Britanniassa noussut kansallisen mielenkiinnon kohteeksi, ja sen merkitys nähdään yleisesti tärkeänä. EU on rahoituksellaan tukenut viime vuosina virtavesien kunnostuksen tutkimusta ja toteutusta useissa hankkeissa. Luonnonmukaisen vesirakentamisen periaatteita alettiin ensi kertaa soveltaa ja kehittää Suomen oloihin Nuuksion kansallispuistossa virtaavan Myllypuron osittaisessa ennallistamisessa vuonna 1997 (ks. Savolainen 1997). 12

13 1.2 Tutkimusongelma 1990-luvulle siirryttäessä alettiin vesistökunnostuksille asettaa laaja-alaisempia tavoitteita ja vaatia järjestelmällisempiä suunnittelu- ja toteutusmenetelmiä käyttöön. Näiden tarve on tullut ilmeiseksi, koska Keski-Euroopassa ja Yhdysvalloissa on tulevaisuuden tavoitteeksi asetettu suurtenkin jokien kunnostaminen ja yleisemmin lähestyä jokien kunnostusta valuma-aluenäkökulmasta; puhutaan ns. integroidusta lähestymistavasta. Pyrkimys on poispäin pienimittakaavaisista, lyhytaikaisista ja paikkakohtaisista toimenpiteistä kohti valuma-alueen ekologisten ja muiden vuorovaikutusten kokonaisuuden huomioonottavaa ratkaisua. Valuma-aluetason tarkastelu kuitenkin monimutkaistaa tilannetta ja nostaa esiin uusia ongelmia, joista moniin ei vielä löydy tieteellisesti perusteltua vastausta. (Brookes & Shields 1996). Laajaalaisen virtavesitutkimuksen vähäisyys on käynyt ilmeiseksi Suomessakin koskikunnostusten yhteydessä. Virtaavat vedet ovat alati muuttuvia dynaamisia järjestelmiä, jotka eroavat luonteeltaan olennaisesti seisovista tai hitaasti virtaavista vesistä. Erityisesti tämä on huomattavissa ekologisissa kysymyksissä. Uudisrakentamishankkeet sisältävät kunnostamiselle ja ennallistamiselle vastakkaisia tavoitteita. Uudisrakentamista ei pidä kuitenkaan tarkastella erillään kunnostamisesta tai ennallistamisesta, sillä usein hankkeet liittyvät kiinteästi toisiinsa. Uudisrakentamisessa on päinvastoin pyrittävä hyödyntämään ympäristön kunnostustutkimuksen tuottamaa tietoa haittojen välttämiseksi tai vähentämiseksi. Muutoin joudutaan nurinkuriseen tilanteeseen, jossa osa uudisrakentamishankkeista väistämättä on tulevaisuuden kunnostushankkeita. Tulvasuojelu, maankuivatus ja säännöstely ovat esimerkkejä jokapäiväisistä toimenpiteistä, joilla vaikutetaan niin maaseudun kuin taajamien vesiluonnon tilaan. Lisääntyvä kaupungistuminen vesitaloudellisine vaikutuksineen on toinen esimerkki kehityksestä, jossa valituilla maankäyttöratkaisuilla käytännössä määrätään vesiluonnon tuleva tila ja kunnostustarpeet. Aiemmin vesirakennus- ja vesihuoltohankkeista vastaavat tahot suunnittelivat uomat pääsääntöisesti teknisen toimivuuden kannalta. Tämän seurauksena uomat rakennettiin paljolti suoriksi ja poikki- ja pituusleikkaukseltaan säännöllisiksi tai putkitettiin. Tällaisten uomien vedenjohto-ominaisuuksien laskenta oli helppoa. Nykyään luonnollisia uomamuotoja palautetaan tai uudisrakentamisessa mahdollisuuksien mukaan säilytetään. Pisimmälle vietynä toimenpiteenä putkitettuja osuuksia kaivetaan takaisin avovesipintaisiksi. Poikkileikkauksiltaan vaihtelevat kasvillisuuden peittämät mutkittelevat jokiuomat ovat kuitenkin vaikea hydraulinen ongelma. Suunnittelijan pitää pystyä tarvittaessa tarkoin laskemaan esimerkiksi vaihtelevan pohjan karkeuden, epäsäännöllisten poikkileikkausten, mutkien, saarten, suvanto matalikkovaihtelun ja kasvillisuuden vaikutukset virtaamiin ja vedenkorkeuksiin. Uomat pitää pystyä mitoittamaan siten, että ongelmilta vältytään, mutta ylimitoitusta ei voida sallia ilman, että ekologisista tavoitteista joudutaan tinkimään. Mitoituksen ohella teknisellä suunnittelijalla pitää olla riittävä tieto ja ymmärtämys ekologiasta ja eliöstön habitaattivaatimuksista. Hänen tulee pystyä ottamaan huomioon esimerkiksi eliöstön virtausolosuhdevaateet ja luontaiset sedimentin kulkeutumis- ja kasautumisprosessit. Luonnonmukaista vesirakentamista voidaan tarkastella useasta näkökulmasta: ekologia, maisemakuva, maatalous, metsätalous, voimatalous, virkistys, kalastus tai vesiliikenne. Luonnonmukainen 13

14 vesirakennus voi siten tavoitteenasettelusta riippuen olla hyötyjen ohella myös paikallisesti ristiriidassa esimerkiksi maankuivatuksen, tulvasuojelun tai voimatalouden kanssa. Samalla kun pitäisi turvata monipuoliset ja vaihtelevat olosuhteet virtavesien eliöstölle, pitäisi myös pystyä riittävällä tarkkuudella varmistumaan, että vesistö ei uhkaa asutusta tai aiheuta muuta vakavaa riskiä. Monimuotoisuus tekee hydrauliikasta erittäin ongelmallisen laskettavan perinteisiin yksinkertaisiin trapetsiprofiileihin verrattuna. Ongelman ratkaisemiksi ei ole vielä yleispätevää ja täydellistä menetelmää, vaan tapauskohtaisesti joudutaan vielä ratkaisuja tutkimaan. Yksi suurimpia haasteita tutkimukselle ja kehitystyölle on kuinka kohtuullisin resurssein ratkaista hydraulisen laskennan ongelmat sopusoinnussa ekologisten ja taloudellisten intressien kanssa. 1.3 Tavoitteet Tutkimuksen päätavoitteena on toimia laajana selvityksenä länsieurooppalaisesta luonnonmukaisesta vesirakentamisesta ja arvioida kehitettyjen ratkaisuiden soveltuvuutta Suomen oloihin virtavesiympäristössä. Suomessa valuma-alueiden järvisyys on huomattava ja talvi tuo omat erityisongelmansa. Biologisen toiminnan hitaus ja kasvukauden lyhyys Keski-Eurooppaan verrattuna ovat erottavia tekijöitä. Ihmistoiminnan vaikutukset eivät myöskään ole olleet yhtä voimakkaita. Nämä tekijät edellyttävät ulkomaisten menetelmien soveltuvuuden kriittistä tarkastelua Suomessa. Tutkimuksella on seuraavat kolme päätavoitetta, mitä täydentävät näiden alla luetellut osatavoitteet/tehtävät: 1. laaja tarkastelu länsieurooppalaisesta luonnonmukaisesta vesirakentamisesta ja kehitettyjen ratkaisujen soveltuvuuden arviointi Suomen oloihin selvitys luonnonmukaista vesirakennusta ohjaavista perusperiaatteita ja ehdotus vieraskielisen käsitteistön suomalaisen käytön selkiyttämiseksi esitys ekologisesti perustellun vesirakentamisen lähtökohdiksi: periaatteellisten suunnittelu- ja toteuttamisohjeiden antaminen ja joidenkin valittujen menetelmien esittely 2. selvitys luonnonmukaisten uomien hydrauliikasta ja mitoitusmenetelmistä tarkastelu luonnonmukaisten uomien hydraulisista erityispiirteistä ja vertailu luonnonmukaisten uomien hydraulisten ominaisuuksien eroista perinteisen vesirakentamisen uomamalleihin nähden selvitys kirjallisuudessa esitetyistä hydraulisen mitoituksen laskentamenetelmistä ja näiden toimivuuden arviointi suomalaisesta näkökulmasta 3. maastotutkimus luonnonmukaisten uomajaksojen hydraulisista ominaisuuksista suunnittelun ja mitoituksen perustaksi Suomen oloihin kenttätutkimus erityyppisten uomien virtausvastusominaisuuksista ja niihin vaikuttavista tekijöistä maastohavaintoaineiston koostaminen ulkomaisten laskentamenetelmien arviointia varten vertailu luonnonmukaisten uomien virtausvastuksen poikkeavuudesta Suomessa vesirakennus- ja kunnostamishankkeissa tavanomaisesti käytetyistä laskenta-arvoista Tutkimus on rajattu koskemaan virtaavia vesiä puroista jokiin. Painopiste on taajamien ulkopuolisissa alueissa, mutta lisääntyneen kiinnostuksen myötä luonnonmukaista vesirakentamista tarkas- 14

15 tellaan joiltakin osin urbaanista näkökulmasta. Maantieteellisesti tarkastelu rajoittuu lähinnä Länsi-Eurooppaan. Keskeiset maat vertailun kannalta ovat Saksa, Itävalta, Tanska ja Iso-Britannia. Soveltuvin osin tarkastellaan lisäksi ruotsalaisia, hollantilaisia, sveitsiläisiä ja pohjoisamerikkalaisia tutkimuksia ja kokemuksia. Hydraulisissa kysymyksissä keskeisiä tarkasteltavia tekijöitä ovat vaihteleva karkeus, jääpeite, kasvillisuus, mutkaisuus ja muu epäsäännöllisyys, tulvatasannevirtaus ja ns. insinööribiologiset menetelmät. Tarkastelu keskittyy virtausvastuksen määrittämisen osalta 1D-menetelmiin, joissa virtauksen moniulotteisuus on pyritty yksinkertaisesti, joskin käytännön tarpeita ajatellen tyydyttävästi ratkaisemaan. Varsinaiseksi mitoituskäsikirjaksi osiota ei ole tarkoitettu 1.4 Suomalainen näkökulma Virtavesiin liittyvää hoito- ja kunnostustyötä on Suomessa tehty laajasti jo 1970-luvulta lähtien, mutta hankkeet ovat keskittyneet enimmäkseen vedenlaatuun, säännöstelyhaittojen vähentämiseen (ks. esim. Sinisalmi et al. 1996), jokien uittosääntöjen kumoamiseen liittyviin kunnostuksiin ja kalataloudellisiin kunnostuksiin (ks. esim. Yrjänä 1995). Toisaalta ekologisia näkökohtia ei ole laajemmalti integroitu uudisrakentamiseen kuin vasta viime vuosina. Lisäksi eräät aiemmin tehdyt parannustoimet, esimerkiksi kalaportaat, ovat osoittautuneet huonosti toimiviksi. Merkittävä osa suomalaisesta kunnostamistyöstä keskittyy edelleen virtavesihabitaatteihin, ja yksittäisten eliölajien yleensä arvokalojen merkitys on voinut olla useissa kunnostushankkeissa ohjaava tekijä. Koska habitaatilla tarkoitetaan vain paikkaa, jossa eliöt elävät, on ilmeistä, että enemmän huomiota kiinnitetään paikan kuin ekosysteemin tärkeiden toimintojen kunnostamiseen. Bradshaw (1997) kirjoittaakin: Minkä asian arvelemmekin ansaitsevan huomiomme, päämäärämme pitäisi aina olla keskittyä toimintojen, prosessien ja biologisen potentiaalin ennallistamiseen, sillä muutoin kiinnostuksemme kohteena olevat eliöyhteisöt eivät voi säilyä. Perimmäinen tavoitteemme pitäisi olla koko ekosysteemin ennallistaminen, vaikka joskus korostammekin jotakin tiettyä komponenttia tai ominaisuutta. Tärkeämpää on siis ennallistaa toimintoja kuin tiettyä rakennetta (Bradshaw 1997). Suomen Akatemia (1995) muotoilee yleisesti ympäristön kunnostustutkimustarpeen Restore tutkimusohjelmassaan seuraavasti: Tämän [ympäristön kunnostuksen] nopeasti kehittyvän ympäristönsuojelun alueen tutkimus- ja kehitystoiminta on yhä hyvin puutteellista. Lisää tieteellistä tutkimusta ja tutkimustiedon parempaa käyttöä tarvitaan kunnostuksen tavoitteenasettelun, päätöksenteon ja toteutuksen ohjaamiseksi ja tehostamiseksi. Tällä tutkimuksella on suuri taloudellinen, yhteiskunnallinen ja ympäristönsuojelullinen merkitys, sillä kunnostaminen on jo suurimitallista toimintaa. Edellistä voi verrata havaintoon, että 364-sivuisessa Ympäristön tila Suomessa -kirjassa (Wahlström et al. 1992) vesistöjen kunnostamiseen on uhrattu puoli sivua, kun vedenlaatua käsitellään useita sivuja. Em. sivunpuolikkaastakin vie puolet valokuva, jonka kuvatekstissä kerrotaan kosken tulleen palautetuksi luonnontilaan, kun kivet siirrettiin takaisin koskeen. Varsinaisessa tekstiosiossa ei ole sanaakaan virtavesiekosysteemien rakenteellisen ja toiminnallisen monimuotoisuuden kunnostamisesta, vaan siinäkin käsitellään pelkästään uittoperattujen koskien kiveämistä kalojen elinolojen parantamiseksi. 15

16 Vähemmälle huomiolle suomalaisessa virtavesien kunnostamisessa ovat jääneet kohdevalinnan ja asetettujen kunnostustavoitteiden perustelu, kunnostuksen odotetut vaikutukset ja hankkeiden onnistumisen arviointikriteerit. Hankkeiden jälkiseuranta on usein ollut puutteellisista tai se on voinut olla luonteeltaan velvoitetarkkailua, jossa ovat korostuneet vedenlaatu- ja kalatalouskysymykset. Suomalaiset olosuhteet, mm. maaperä ja maanpinnan tasaisuus, asettavat erityisehtoja luonnonmukaisuustavoitteiden toteuttamiselle niin kunnostamisessa kuin uudisrakentamisessa. Esimerkiksi Pohjanmaalla jokilaaksojen loivuudesta seuraten tulva voi levitä etäälle uomasta. Tällä alueella ovat lisäksi maaperän sulfidipitoisuus ja maannousu hankalasti ratkaistavia ongelmia. Toisaalta esimerkiksi Sisä-Suomen moreeniperäisten valuma-alueiden latvoilla räjäyttämällä tehdyt perkaukset ovat haaste kunnostamiselle, koska luontainen palautuminen voi olla olematonta tai hyvin hidasta. Maanpinnan tasaisuudesta seuraa, että geomorfologisten fluviaaliprosessien toiminta on Suomessa hidasta. Toisaalta siitä on etua, koska eroosiohaitat ovat vähäisiä. Uoman rakenteellisen monimuotoisuuden palauttamisessa näiden prosessien toiminta on kuitenkin olennainen. Suomalaisittain keskeinen asia on, mitkä alueet kaipaavat kunnostamista ja millä perusteella ja toimenpiteillä. Esimerkiksi Keski-Eurooppaan verrattuna suomalaiset virtavedet ovat huomattavan luonnonmukaisia. Siten on luonnollista ensisijaisesti pyrkiä säilyttämään virtavesien olemassa olevat luontoarvot ja toiseksi priorisoimaan kunnostuskohteet. Priorisointia tarvitaan myös sen takia, ettei toimiin ryhdyttäisi liian vähin perustein tai jopa lisähaittoja aiheuttaen. Luontaisen palautumiskyvyn (ks. kpl 2.1) hyödynnettävyys ja sen tuloksellisuuden ennustettavuus ovat suomalaisittain merkittäviä kysymyksiä. Uittotoiminnan ja maatalouden kehityksen seurauksena kymmeniä tuhansia kilometrejä virtaavia vesiä on ihmistoiminnan muuttamia. Kirjallisuudessa esiintyy yleisesti arvio, jonka mukaan Suomessa lasketaan olleen yhteensä km uittokelpoista puro-, joki- ja sisävesiväylää. Kunnostustarve kohdistuu vain osaan tästä määrästä, mutta tätä lukua huomattavasti pienemmätkin kunnostusmäärät ovat epärealistisia. Esimerkiksi Tanskassa on Brookesin & Shieldsin (1996) mukaan vuosikymmenen kestäneen aktiivisen työn tuloksena saatu kunnostettua alle 1 % (200 km) kanavamaisista uomista. Ainoaksi laajamittakaavaiseksi kunnostusvaihtoehdoksi Suomessa jäänee luontainen elpyminen, jota voidaan edistää vähäisin aktiivisin kunnostustoimin. Jokien läpikulkukelpoisuuden parantaminen on yleisesti tavoiteltava päämäärä. Ongelmien laajuus vaihtelee Suomessa Kemi- ja Oulujoen kaltaisista suurista porrastetuista joista pienehköjen myllypatojen katkaisemiin pikkujokiin. Kaikkien vesieliöiden kulun mahdollistavista ohitusuomista on kuitenkin kansainvälisesti runsaasti positiivisia kokemuksia, ja Suomessakin on niitä jo sovellettu esim. Mustijoella ja Sipoonjoella. Ohitusuomia on rakennettu hyvin vaihtelevasti alkaen vaatimattomista puronoroista päätyen Tonavan pääuomaan. Suomessakin tavoitteena on pidettävä kalaston luontaisen vaeltamisen ja lisääntymisen mahdollistamista ja vasta toissijaisesti istutuksia. Tulvasuojelun uudishankkeiden määrä on nykyisin vähäinen. Asutuksen ja infrastruktuurin turvallisuusnäkökohtien perusteella tehdyt hankkeet ovat pääsääntöisesti loppuunsaatettu. Viimeisiä isoja hankkeita ovat Kyrönjoen viimeistelytyöt ja Kokemäenjoen suunniteltu tulvasuojeluhanke. Maatalouspuolella kehitys on yleisesti vähemmän tulvasuojeluorientoitunut kuin aiemmin. Tule- 16

17 vaisuudessa EU-tukijärjestelmän kehittäminen voi edelleen lisätä luopumista tulva-alueiden viljelystä. Esimerkiksi Tanskassa on ollut selvä suuntaus tulvaherkkien peltojen muuttamisesta laitumiksi. Olemassa olevat hankkeet vaativat kuitenkin ylläpitoa, ja pohdittavaksi saattaa tulla hankkeiden tavoitteiden ja käytettävien menetelmien tarkistaminen luonnonmukaisempaan suuntaan (ks. esim. Downs & Thorne 1998). 17

18 2 OHJAAVAT PERIAATTEET JA KÄSITTEISTÖ 2.1 Virtaveden ja valuma-alueen ykseys: jatkuvuus, dynaamisuus ja palautumiskyky Uoma, tulvatasanne ja valuma-alue muodostavat moninaisen vuorovaikutusverkoston. Ne ovat sovittaneet vesi-, aine- ja energiavirtansa paikallisia olosuhteita vastaaviksi (DVWK 1996a). Siten niitä ei pidä tarkastella toisistaan riippumattomina, mikä ei esimerkiksi suomalaisissa kunnostushankkeissa välttämättä ole tullut riittävän painokkaasti esille (vrt. kpl 1.4). Esimerkiksi Kuuselan (1995) kirjoituksessa ymmärretään virtavesien kunnostuksen ekologisilla perusteilla lähinnä taimenelle sopivan habitaatin lisäämistä ja laajemmassa yhteydessä patoamalla eristettyjen koskijaksojen saattamista tuotantoon. Tämän lisäksi yleisempänä tavoitteena voi hänen mukaansa olla parantaa veden laatua vähentämällä piste- ja hajakuormitusta. Kalataloudellisissa kysymyksissä on sittemmin ymmärretty laajempien vuorovaikutuskokonaisuuksien merkitys ja alettu tutkia jokisysteemin rakenteen vaikutuksia prosesseihin, jotka määräävät ekosysteemien elinkelpoisuuden (Cowx & Welcomme 1998). Virtavesi kosteikkoineen ja tulva-alueineen on vaiheittain muuttuva, mutta jatkuva läpikulkukelpoinen kontinuumi. Fysikaaliset ja kemialliset olosuhteet muuttuvat vaiheittain alkulähteiltä uoman suulle. Tarkastelussa uomat jaetaan yleensä toisistaan fysikaalisesti poikkeaviin osiin: ylä-, keski- ja alajuoksuun, mutta maantieteelliset ja topografiset olosuhteet voivat määrätä toisinkin. Kontinuumikäsite on analoginen ekologinen käytävä -käsitteen kanssa. Valuma-alueet, tulvatasanteet ja virtavedet eroavat toisistaan dynaamisen käyttäytymisensä luonteessa ja laajuudessa. Dynamiikalla tarkoitetaan tässä lähinnä niitä prosesseja, joiden tulokset ovat nähtävissä vesistössä ihmisen aikaperspektiivillä. Käytännössä määrääviä ovat tällöin virtaama- ja sedimentin kulkeutumisprosessit. Osa prosesseista on niin hitaita, että niiden tarkastelu on mielekästä vain geologisessa aikaperspektiivissä. Ihmisperspektiivistä tarkasteltuna eroosio- ja sedimentaatio-olot ja tulvien suuruus, kesto ja ajankohta määräävät elintilojen luonteen. Vesistön luontaisesta dynaamisesta käyttäytymisestä seuraavat mosaiikkimaisesti vaihtelevat olosuhteet, mikä tarjoaa elinmahdollisuuden monimuotoiselle eliöstölle. Tämä pitää ottaa huomioon esimerkiksi säännöstelyä tai pohjapatoja suunniteltaessa, koska tällaiset toimet heikentävät dynaamista käyttäytymistä. DVWK (1996a) on esittänyt asian seuraavasti muotoiltuna: Virtavesien kehittämistoimenpiteiden tulee tähdätä luonnollisten dynaamisten prosessien palauttamiseen ja ympäristön saattamiseen tilaan, jossa nämä prosessit voivat esiintyä. Vain tämä mahdollistaa virtavesille ominaisen dynaamisen kehityksen ja sitä seuraavan tyypillisten habitaattien ja lajien monimuotoisuuden synnyn. Luonnolliset jokisysteemit eliöyhteisöineen ovat sopeutuneet kestämään häiriöitä tiettyyn rajaan asti, esimerkiksi ääreviä yli- ja alivesiä tai nopeasti muuttuvia virtausnopeuksia. Tämänkaltaisen häiriön jälkeen ne aina palautuvat aiemman rakenteensa aine- ja energiavirtoineen säilyttäen; puhutaan ns. palautumiskyvystä. Luonnollinen uoma on siten liikkuvassa tasapainossa ja pystyy joustavasti reagoimaan häiriöihin, vaikka niiden seurauksena joen ilmiasu voikin muuttua (Kraier 1996). 18

19 Luontaisista tapahtumista olennaisesti poikkeavat häiriöt kuten esimerkiksi joen suoristaminen, eroosiosuojaus tai saastuminen voivat kahlita joen oman dynaamisen käyttäytymisen tiukkoihin raameihin. Tämän seurauksena joki reagoi häiriöön muutoksella sisäisessä rakenteessaan ja saa uudet palautuvuusominaisuudet. Pääsääntöisesti muutos on kohti huonompaa rakennetta ja palautumiskykyä, jolloin joki ei voi enää ehkä kyetä vastaamaan ongelmitta edes pieniinkään lisähäiriöihin. (Kraier 1996). Luontainen elpyminen (toipuminen) voi oikein hyödynnettynä tarjota hyvät mahdollisuudet virtavesiympäristön kunnostamiseen ja ennallistamiseen. Esimerkiksi metsä- ja järviekosysteemeihin verrattuna virtavesien palautumiskyky on suuri (DVWK 1996a). Nykyinen tietämys ei kuitenkaan vielä ole riittävä arvioimaan menetelmän kokonaisvaltaista kelpoisuutta. Luontainen elpyminen voi luonteeltaan olla viipeellistä (latenttia) tai toisaalta systeemi voi sopeutua häiriötilaan (adaptaatio). Pahimmillaan luontainen elpyminen ei toteudu lainkaan, jos muutokset ovat peruuttamattomia. Kaikissa tapauksissa kehityksen ennakointi on vaikeaa, koska ulkoiset tekijät ja sisäiset vuorovaikutussuhteet tekevät tilanteesta hyvin monimutkaisen. 2.2 Virtaveden tavoitekuva Saksankielessä luonnonmukaisen ja ekologisen vesirakentamisen yhteydessä käytetään termiä tavoitekuva (Leitbild), mikä on englanninkieliseen kirjallisuuteen siirtynyt muodossa Leitbild concept. Tavoitekuva on kuvaus virtaveden toivotuista ominaisuuksista pitkällä tähtäyksellä. Tavoitekuva voi perustua virtavesiympäristön inventaarioon tai johonkin historialliseen olotilaan. Ensimmäinen vaihtoehto on yksittäistapausta laajemmin käyttökelpoinen, koska sen lähtökohtana on yleinen ekosysteemi- ja fluviaaliprosessiteoria. Britanniassa ovat Brookes & Sear (1996) esittäneet vastaavan jaon geomorfologisista prosesseista lähtöiseksi toimintaperiaatteeksi tai historiallisen tilan palauttamiseksi. Laajan saksalaisen Ekologisesti perusteltu pienten virtavesien kunnostaminen -projektin yhteydessä on esitetty tavoitekuvan jäsentämistä seuraavasti: 1) kokonaisvaltainen eli potentiaalinen tavoitekuva 2) integroitu tavoitekuva eli pitkän tähtäyksen kehityspäämäärä ja 3) lyhyen ja keskipitkän tähtäyksen saneeraustavoitteet ja ratkaisuvaihtoehdot (DVWK 1996a; Kraier 1996). Tavoitekuvakäsitteen sisällöstä käydään vielä keskustelua ja sen käytössä ilmenee vaihtelua. Potentiaalinen tavoitekuva orientoituu luonnollisesti toimivan ekosysteemin tarkasteluun ilman nykyisen ihmistoiminnan asettamia rajoituksia. Nykytilanteessa sitä voidaan pitää utopistisena. Integroidussa tavoitekuvassa tarkastelutapaa voidaan pitää operationaalisena. Se huomioi nykytilan rajoitteet, esimerkiksi mahdolliset peruuttamattomat muutokset. Alin taso ratkaisuvaihtoehtoineen on konkreettinen esitys lyhyen ja keskipitkän ajan toimenpiteistä. Aiemmin myös Kern (1992) on esittänyt kolmitasoista jakoa, joka edelleen perustuu kolmeen elementtiin. Tavoitekuvan perustana olevat elementit ovat a) luonnolliset uomaominaisuudet (uoman muoto, morfodynamiikka, tulvatasanteen morfologia, luonnollinen virtausdynamiikka ja tulviminen, kasvillisuus jne.) b) peruuttamattomat abioottiset tai bioottiset muutokset (valunta, sedimentin kulkeutuminen, alluviaalisten kerrostuminen poisto, hävinnet eliölajit jne.) ja c) kulttuuriekologiset näkökohdat (lähinnä perinteisen maankäytön suosimien lajien vaarantuminen modernin maatalouden seurauksena). 19

20 Kolmiosaisen jaon ylätasona on ideaaliratkaisu, jossa ei tarvitse ottaa huomioon rajoituksia kuten nykyistä maankäyttöä, tulvasuojelua jne. Tämä ei kuitenkaan ole tavallisesti mahdollista, joten päätettäväksi jää mitkä ekologiset näkökohdat ovat olennaisimpia. Tämä toinen taso edustaa optimiratkaisua nykyoloissa. Kolmannella tasolla käsitellään toteuttamiskelpoiset ratkaisut. Suunnitelmassa esitetään kaikki morfologiset muutokset, rakenteelliset työt, hydraulinen suunnittelu, tulvatasanteen virtaamakapasiteetti ja stabiilisuustarkastelu. Ekologisesti perusteltu pienten virtavesien kunnostaminen -projektin yhteydessä tavoitekuva on jaoteltu käytännön tarpeita paremmin palvellakseen viiteen osatavoitteeseen tai rakenneosaan: 1) virtaamadynamiikka, 2) uomadynamiikka, 3) maa vesi-vuorovaikutusdynamiikka, 4) ainedynamiikka ja 5) eliöyhteisödynamiikka (lajistodynamiikka). Alla on esitetty osatavoitteiden sisältö (DVWK 1996a; Kraier 1996) ja kustakin sovellusesimerkki Vils-jokiprojektissa (Wasserwirtschaftsamt Amberg 1996). Virtaamadynamiikalla tarkoitetaan valuma-alueelle sen luonnollisessa tilassa tyypillisiä virtaamaolosuhteita. Määrääviä tekijöitä ovat virtaaman ajallinen jakautuminen ali- ja ylivesineen. Keskieurooppalaisittain huomattava tavoite on valunnan hidastaminen luonnolliselle tasolle. Käytännössä tämä tarkoittaa muutoksia valuma-alueen maankäytössä ja kuivatustavoissa, esimerkiksi tulva-alueiden palauttamista ja erityisesti asutusalueiden pintavalunnan maaperäimeytystä. Vils-joella tavoitekuvaan sisältyvät luontaisen virtaamadynamiikan säilyttäminen tai palauttaminen, eroosion ja sedimentaation tasapainon mahdollistaminen ja ylivirtaamien aiheuttamien tulvien salliminen. Tulvasuojelu luonnollisesti hyväksytään asutusalueilla. Uomadynamiikalla tarkoitetaan virtaveden jatkuvaa vapaata kehitystä. Linjaus, poikki- ja pituusleikkaukset muodostavat monimuotoisen ja muuttumiskykyisen kokonaisuuden. Luonnollisille virtavesille tyypillisiä ovat mutkat, loivien ja jyrkkien rantojen vaihtelu, matalikot ja syvänteet ja muu, esimerkiksi kuolleiden puiden aiheuttama monimuotoinen rakenne. Tämä kehitys tulee sallia ja tarvittaessa tukea sitä esimerkiksi palauttamalla luonnonmukaista rakennetta tai poistamalla kovan tekniikan rantasuojauksia. Vils-joen tavoitekuvan mukaan joen juoksun pitäisi voida vapaasti kehittyä ja rannan ja pohjan välillä olla monipuolista vaihtelua. Asutuilla alueilla joen vapaata kulkua ei voida ehkä sallia, jolloin insinööribiologisia menetelmiä elävän ja kuolleen kasvillisuuden käyttöä voidaan käyttää rantojen suojaamiseksi. Maa vesi-vuorovaikutusdynamiikalla (tulva-aluedynamiikka) tarkoitetaan vesi- ja maa-alueen (rantavyöhyke, tulvatasanne ja valuma-alue) välistä riippuvuutta. Keskeinen merkitys on tulvatasanteella, joka säännönmukaisesti on veden peittämä. Tyypillistä tulva-alueilla on valuma-alueelta kulkeutuneen aineksen pidättyminen, sedimentaatio, vaihteleva pohjavedenpinta ja tulvabiotoopit. Näiden alueiden eliöyhteisöt ovat sopeutuneet vaihteleviin oloihin. Vils-joen tavoitekuvan mukaan joen pitäisi olla luonnollisessa vuorovaikutuksessa maa-alueen kanssa, vuorovaikutusalueen toimia veden ja kiintoaineen pidättäjänä ja tyypillisten eliöyhteisöjen esiintyä alueella. Ainedynamiikalla tarkoitetaan virtaveden ainekulkeumaprosesseja. Luontaisesti valuma-alueelta kulkeutuu tietty määrä kiintoainetta ja ravinteita, ns. taustakuormitusta. Maa- ja metsätaloudesta, asutuksesta ja teollisuudesta tulee kuitenkin huomattavaa lisäkuormitusta, jonka seurausvaikutukset voivat olla akuutteja tai kroonisia. Tavoitekuvan mukaan luonnollisen peruskuorman ylittävä osuus on poistettava. Tämä vaatimus ei koske vain akuutisti tai kroonisesti vaikuttavia aineita vaan kaikkia tekijöitä, jotka huomattavasti muuttavat vesistön aine- ja energiavirtoja. 20

21 Eliöyhteisödynamiikalla (lajistodynamiikka) tarkoitetaan tässä eliöiden sopeutumista elinalueen vesistödynamiikkaan ja reagointia elinoloissa tapahtuviin muutoksiin. Tavoitekuvan neljän em. rakenneosan tarkoituksena on luoda olosuhteet, joissa alueelle tyypillisen eliöstön esiintyminen on mahdollista. Tavoitteena pidetään luontaista kolonisaatiota säästyneistä refugioista ja luonnollisista virtavesijaksoista eikä maantieteellisesti tai geneettisesti vierasperäisiä eliöitä suosita. Vils-joen tavoitekuvan mukaan virtavesijaksolle voivat asettua alueelle tyypilliset eliöyhteisöt, kosteikko tulvametsäalueesta löytyvät tyypilliset elintilat ja kaikkien eliöiden lisääntyminen on mahdollista. 2.3 Mitä luonnonmukaisella vesirakentamisella tarkoitetaan? Ilmauksen luonnonmukainen vesirakennus alkuperä on saksankielisessä naturnaher Wasserbau -käsitteessä, joka sananmukaisesti tarkoittaa luonnonläheistä vesirakentamista. Käsitteenä naturnaher Wasserbau on kymmeniä vuosia vanha. Jo vuonna 1938 professori Alwin Seifert kirjoitti aiheesta Deutsche Wasserwirtschaft -lehdessä otsikolla Naturnäherer Wasserbau (Seifert 1938). Luonnonmukaiselle vesirakennukselle ei löydy mitään yleisesti tunnustettua määritelmää saati standardia. Kraus et al. (1994) määrittelevät sen lyhyesti Der Natur abgeschauter Wasserbau eli luontoa kopioiva vesirakennus. Täsmällisemmin he määrittelevät sen olevan vesirakennusta, joka käyttää sellaisia rakennustapoja ja -materiaaleja, mitkä voisivat kyseisellä paikalla luonnostaan esiintyä. Tavoitekuvana (ks. kpl 2.2) heillä on potentiaalinen luonnollinen olotila, joka paikalla esiintyisi ilman tai vähäisen antropogeenisen vaikutuksen alaisena. Tässä määritelmässä ekologiset näkökohdat tulevat suorasti esiin vasta tavoitekuvaperustelussa, varsinainen määritelmä on melko laajasti käsitettävissä. Viime vuosina on kuitenkin yleistynyt toinen ilmaus ökologischer Wasserbau (ekologinen vesirakentaminen) jolla halutaan korostaa eroa luonnonmukaisen näköisen tilan ja ekologisesti tasapainossa toimivan systeemin välillä. Käytännössä tällä halutaan tehdä selvä ero ulkonäöllisesti luonnonmukaisten ja ekologisessa mielessä luonnollisten, häiriytymättömien systeemien välille. Luonnonmukaisen vesirakennuksen alkuvaiheessa hankkeiden toteutuksessa korostuivat maisemakuvalliset seikat, ts. maisemarakenteen optisesti havaittava ilmiasu. Maisema, joka on geomorfologisen, ekologisen ja kulttuurihistoriallisen kehityksen muodostama kokonaisuus, jäi siten vaille riittävää huomiota. Sen keskeinen osa on maisemarakenne, jolla tarkoitetaan maastorakenteen, luonnonprosessien ja kulttuuriprosessien aikaansaamaa dynaamista kokonaisuutta. Ekologisen vesirakentamisen olennaisena tavoitteena on virtaveden luontaisen palautumiskyvyn (ks. kpl 2.1) säilyttäminen ja palauttaminen siellä missä mahdollista. Ekologisessa vesirakentamisessa luodaan tai ennallistetaan systeemi, jossa luonnolliset ekologiset prosessit toimivat. Tämän pitäisi tapahtua mahdollisimman vähäisin toimenpitein. Vesistön fysikaaliset ja kemialliset olosuhteet luovat rakenteellisen perustan biologiselle systeemille. Erityisesti huomio kohdistuu vesistön dynamiikkaan ja morfologiaan. Omaa luontaista kehitystä varten virtavesi tarvitsee ennen kaikkea aikaa ja tilaa. (DVWK 1996a). Luonnonmukaisessa ja ekologisessa vesirakentamisessa olennaista on hankkeen tavoite. Ekologisessa vesirakentamisessa päätavoitteena on vesiluonnon suojelu. Luonnonmukainen vesirakentaminen ei ole käytännössä sitoutunut yhtä tiukasti vesiluonnon suojeluun, mutta sitä ei myöskään 21