Yksikkö P 32.4/2009/5 16.01.2009 Espoo Outokummun syväreiän ja sen viereisen pohjavesikaivon lämpötila ja vedenpintaseuranta 2006-2008 Pekka Hänninen, Osmo Äikää, Ilmo Kukkonen ja Raimo Sutinen
2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Tekijät Pekka Hänninen ja Osmo Äikää Raportin laji Sisäinen raportti Toimeksiantaja Raportin nimi Outokummun syväreiän ja sen viereisen pohjavesikaivon lämpötila ja vedenpintaseuranta 2006-2008 Tiivistelmä Outokummun syväreiässä ja viereisessä maaperän pohjavesikaivossa on seurattu paine- ja lämpötilamuutoksia vuoden 2006 marraskuusta alkaen. Automaattiset mittaukset tapahtuivat 0,5 3 h välein. Mittaustaajuutta ohjattiin ja tulokset kerättiin GSM-verkon avulla. Tulokset osoittavat, että maapohjavesi ja kallioon poratun syvän reiän vedet eivät ole suorassa hydraulisessa yhteydessä. Seurannalla pystyttiin todentamaan syvän kallioreiän vuorovesivaihtelut, näytteenoton aiheuttaman häiriön pitkäaikainen vaikutus sekä pohjaveden lämpötilan lämpötilaviive maan pinnan lämpötilaan nähden. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Pohjavesi, kalliopohjavesi, lämpötila, paine Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Outokumpu Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistotunnus Kokonaissivumäärä 8 Kieli Suomi Hinta Julkisuus Julkinen Yksikkö ja vastuualue 212 Hanketunnus 7805000 Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys
Sisällysluettelo 1 JOHDANTO 1 2 MAAPOHJAVEDEN LÄMPÖTILASEURANTA 1 3 POHJAVESIPINNAN VAIHTELUT 2 4 JOHTOPÄÄTÖKSET 5 KIRJALLISUUSLUETTELO 5
1 1 JOHDANTO Outokummun Sysmäjärven aseman viereen kairattiin (kuva 1) vuosina 2004-2005 Suomen syvin reikä (2416 m, x=6957.400, y=4452.177). Kairauksen 39 m pitkä maaputki eristettiin sementoimalla siten, että irtomaan pohjavesi ei pääse kairareiän kautta sekoittumaan kalliopohjaveteen. Marraskuun lopussa vuonna 2006 syväreiän viereen, noin 30 m reiän pohjoispuolelle, kairattiin maaperään pohjavesiputki. Syväreikään ja maaputkeen asennettiin ilmanpainekompensoidut paineanturit seuraamaan pohjaveden muutosta. Syväreikään asennettiin Kellerin paineanturi, jonka mittausväli on 0-100 m vettä ja pohjavesiputkeen Druckin paineanturi, jonka mittausväli on 0-7 m vettä. Pohjavesiputkeen asennettiin myös kuusi lämpötila-anturia (T107, Campbell sci) syvyyksille 9 m, 10 m, 11 m, 12 m, 13 m ja 14 metriä maan pinnan alapuolelle. Pohjavesikaivossa veden pinta vaihtelee 7.7 8.0 m maanpinnan alapuolella.. Kuva 1. Suomen syvin kalliokairausreikä Outokummun Sysmäjärvellä. Reikä sijaitsee likimain karttakuvan Asema sanan e-kirjaimen kohdalla. Aidatulla alueella sijaitsevaan huoltorakennukseen sijoitettiin mittausta ohjaavaa tiedonkeruuyksikkö CR10X (Campbell sci) sekä tiedon siirtoa varten GSM yhteys. Ilmanpaineen seuranta tapahtui huoltorakennuksessa absoluuttipaineanturin avulla. Seurannan alussa mittaus tapahtui kahdeksan kertaa päivässä, kolmen tunnin välein, alkaen keskiyöstä. 2 MAAPOHJAVEDEN LÄMPÖTILASEURANTA Pohjavesiputken asentaminen häiritsi pohjaveden lämpötilaolosuhteita (kuva 2). Runsaan vuoden seurantajaksolla 28.11.2006-18.02.2008 pohjaveden suurimmat lämpötilat havaittiin välittömästi pohjaveden asentamisen jälkeen. Asentamisen jälkeen lämpimin pohjavesikerros, 9 m maanpinnan alapuolella, poikkesi vain 0.26ºC kylmimmästä, 14 m maanpinnan alapuolella, kerroksesta. Asentamista seuraavan 10 päivän aikana mitattujen pohjavesikerrosten lämpötilat laskivat seurantajakson pienimpiin arvoihin laskien 0.45-0.68ºC, jolloin lämpimimmän ja kylmimmän kerroksen ero kasvoi 0.47ºC:een. Alkujakson pohjaveden korkeat lämpötilat johtunevat porauksen aikaisen kitkan aiheuttamasta lämpötilahäiriöstä ja reiän synnyttämästä pystysuuntaisesta virtauksesta. Pohjaveden lämpötilan käyttäytyminen oli häiriöllistä ainakin seuraavan vuoden maaliskuun alkuun saakka eli 90 vrk! Pohjaveden lämpötiloissa havaittiin kaikilla mitatuilla syvyyksillä häiriö tammi-helmikuussa 2007. Tänä aikana lämpötilan lämpötila nousi kaikissa mittauspisteissä 0.1-0.15 astetta ja palautui sitten lämpötilatrendin mukaiselle käyrälle. Häiriöjakson aikana ilman seitsemän vuorokauden pakkassumma pysyi jatkuvasti miinuksella eikä
2 ilmanpaineessa havaittu merkittäviä poikkeuksia. On mahdollista, että häiriö liittyy pohjavesiputken asentamiseen eikä se johdu ilmastollisista luonnollisista tekijöistä. 5.60 5.40 5.20 5.00 4.80 T9 T10 T11 T12 T13 T14 4.60 4.40 28.11.06 26.02.07 27.05.07 25.08.07 23.11.07 21.02.08 21.05.08 19.08.08 Kuva 2. Maapohjaveden lämpötilaseuranta kahden vuorokauden liukuvana keskiarvona. Seurantapaikka on 30 m Outokummun syvän reiän pohjoispuolella. Koska pohjavesiputken asennus vaikutti mitattuihin lämpötiloihin niin pitkään, on epävarmaa vielä nyt arvioida pohjaveden luonnollista lämpötilan vaihteluväliä tai sen lämpötilan minimi ja maksimi ajankohtaa. Näyttää kuitenkin siltä, että yhdeksän metrin syvyydellä maksimilämpötila asettuu huhtikuulle ja minimi lokakuulle, kun vastaavat arvot viisi metriä syvemmällä ovat noin neljä kuukautta jäljessä. Yhdeksän metrin syvyydellä, noin 1.5m pohjaveden pinnan alapuolella, lämpötilan nousu kesän 2007 pienimmästä lukemasta huhtikuun 22 päivään 2008 on lähes 0.4ºC, mikä on paljon verrattuna Pernunnumella havaittuun 0.1ºC vuosittaiseen pohjaveden lämpötilamuutokseen 2 m pohjaveden ja 14 m maanpinnan alapuolella (Hänninen et all., 2005). Elokuussa 24.-27. päivinä kaikkien kerrosten lämpötila laskee 0.05-0.08ºC ja samalla kerrosten sisäinen huojunta vähenee. Muutos on absoluuttisena arvona vähäinen, mutta täysin selvä ja koskee kaikkia lämpötilamittauksia. Elokuun 21 31 päivinä 2007 Outokummun syväreiässä tehtiin hydraulista virtausmittausta, jolloin vedenpintaa alennettiin pumppuamalla. Vaikka veden pinnan alentaminen syvässä reiässä näyttää vaikuttavan myös maapohjaveden lämpötilaan, kyseessä on todennäköisemmin pois pumpatun kylmän veden sekoittumisesta maapohjaveteen, mikä on alentanut nopeasti maapohjaveden lämpötiloja. Syyskuun 12.-13. pävinä syvässä reiässä tehtiin vesinäytteenotto, jonka yhteydessä reiästä otettiin vettä noin 1 reiän vesimäärästä eikä sillä ollut havaittavaa vaikutusta pohjaveden lämpötilaan. 3 POHJAVESIPINNAN VAIHTELUT Maapohjavesikaivossa pohjaveden pinta on noussut asennushetkestä lokakuuhun 2008 51 cm. Pohjaveden pinnan nousussa on kaksi notkahdusta maaliskuussa 2007 ja 2008 (kuva 3). Vuoden 2007 notkahduksen jälkeen pohjavesi nousi tasaisesti aina joulukuun alkupuolelle saakka. Vastaavasti vuoden 2008 notkahduksen jälkeen pohjaveden pinta nousi heinäkuun puoliväliin asti, jonka jälkeen pinta tasoittui.. Vuoden 2007 sadesumma 530 mm ja
3 välillä 01.01.-08.10.2007 509 mm (IL:n tietojen mukaan). Vastaavasti vuoden 2008 sadesumma lokakuun 8. päivään mennessä oli 532 mm, mikä on vain 23 mm, yhden roiman sateen verran, enemmän kuin edellisenä vuotena. Maapohjaveden mittaustuloksissa ei näy merkittävää huojuntaa tai kohinaa. Elokuussa 2007 syvässä kallioreiässä tehtyjen virtausmittausten aikana näkyy maapohjavesiputkessa 2 cm pinnan tason lasku. Ei ole varmaa, että tämä muutos on kytköksissä kallioreiässä tehtyihin kokeisiin. GWL_PV GWL_SR 27.11.06 25.02.07 26.05.07 24.08.07 22.11.07 20.02.08 20.05.08 18.08.08 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 Kuva 3. Pohjavesikaivon (GWL_PV, vasen y-akseli) ja syvän reiän (GWL_SR, oikea y-akseli) pohjavesipintojen vaihtelu 27.11.06 18.02.08 välisenä aikana. Syvän reiän painemittauksissa huojunta on selvästi suurempaa. Kun pohjaveden pinta pohjavesikaivossa nousee seurannan alusta elokuulle 2007 20 cm:ä, on syvän reiän tuloksista vaikea sanoa, onko todellista nousua tapahtunut. Elokuun kallioreiän pumppuaminen katkaisee pohjaveden pinnan havainnoinnin. Todennäköisesti paineanturia ei saatu tarkkaan samalle tasolle pumppuamisen jälkeen, sillä kalliopohjaveden pinta oli vielä vuosi pumppuamisen jälkeen noin 20 cm alkutilannetta alempana. Kuitenkin on selvää, että aiheutettu kalliopohjaveden pinnan tasaantuminen reiässä kesti useita kuukausia. Yhdeksän kuukautta myöhemmin, toukokuussa 2008, kalliopohjaveden pinnan nousu asettui. Jälleen elokuussa 2008 kalliopohjavettä on häiritty. Havaintojakson lopussa (08.10.2008) ei vielä ole selvää, kauanko häiriötila jatkuu. Syksyllä 2007 monitorointiasema ohjelmoitiin uudestaan siten, että mittausväli asetettiin 0.5 tuntiin. Sillä seurattiin Syväreiän paineanturin huojuntaa ja sen riippuvuutta ilmanpaineesta (kuva 4, ylempi kuva) sekä tämän paineanturin tuloksissa havaittua vuorokautista vaihtelua. Ilmanpaineesta aiheutuvaa painemuutosta suodatettiin laskennallisesti vähentämällä mitatusta ilmanpaineesta 1000 mb ja poistamalla tästä erotuksesta kolmannes Syvän reiän paineanturin tuloksesta. Kun tästä edelleen poistettiin mittauksen alkupaine (mitattu paine 04.11.2007) saatiin Syvässä reiässä mitattu vedenpaineen muutos alkutilanteeseen nähden (kuva 4, alempi kuva). Tuloksessa on edelleen ilmanpainevaihteluista johtuvaa huojuntaa ja selvä veden pinnan noususta johtuva trendi. Samalla korostuu tuloksissa oleva vuorokauden sisäinen vaihtelu. Vuorokautisen vaihtelun edelleen tutkimiseksi tuloksista poistettiin trendi ja tämän jälkeen laskettiin seitsemän 0.5 h välein tapahtuneen mittauksen liukuvan keskiarvon ero 24 h liukuvaan keskipaineeseen. Lopputuloksena näkyy selvä mitattavan vesipaineen päivittäinen ja jaksottainen vaihtelu (kuva 5). Suurin havaittu vuorokauden sisäinen vaihtelu oli 6.4 mb (6.4 cm vettä) ja pienin 1.6 mb. Tasoitetun aineiston vuorokauden pienimmästä arvosta seuraavaan suurimpaan arvoon meni aikaa keskimäärin 12 h 57 min ja kahden peräkkäisen paikallisen minimin välillä kului aikaa keskimäärin 24 h 21 min. Jaksottaisen vaihtelun kesto oli 14 vrk. Jaksojen välissä veden vuorokauti-
4 set painevaihtelut olivat pieniä mittaustarkkuuteen nähden ja aiheuttivat häiriökohtia vuorokausirytmiin. Kyseessä on kalliopohjaveden vuorovesi-ilmiö. 1110 1050 40 1105 1040 30 1100 1030 20 mbar 1095 1090 1085 1020 1010 1000 990 SyR AirP mbar 10 0-10 -20 dairp dsyr 1080 980-30 1075 970-40 1070 960-50 04.11.07 25.11.07 16.12.07 06.01.08 27.01.08 4.11.07 25.11.07 16.12.07 6.1.08 27.1.08 Kuva 4. Syväreiän paineanturin (SyR) tuloksen riippuvuus ilmanpaineesta (AirP, epätäydellinen ilmanpainekompensaatio) ylempi kuva ja laskennallisesti korjattu vedenpaineen muutos.. 5 4 3 2 1 mbar 0-1 -2-3 -4-5 05.11.07 15.11.07 25.11.07 05.12.07 15.12.07 25.12.07 04.01.08 14.01.08 24.01.08 03.02.08 Kuva 5. Syväreiässä havaittu vesipaineen päivittäinen ja jaksottainen vaihtelu. Alkuperäiseen mitattuun painetulokseen on tehty laskennallinen ilmanpainekorjaus, poistettu vedenpinnan noususta johtuva trendi, poistettu lähtöpaine, keskiarvoistettu tulos yli 3.5 tunnin ja vähennetty siitä vuorokauden liukuva keskiarvo.
5 4. JOHTOPÄÄTÖKSET Outokummun syvän reiän ja sen vieressä olevan irtomaan pohjavesikaivon vedet eivät ole suorassa yhteydessä toisiinsa. Kalliopohjaveden veden pinnan tason keinotekoinen alentamisen aikoihin näkyi maaperän pohjavesiputkessa vain kahden senttimetrin pohjavesipinnan alenemisena, jonka yhteyttä kalliopohjaveden alenemiseen ei voida todentaa. Pohjavesiputken lämpötiloissa nähtiin samaan aikaan poikkeama, mutta se liittyy pikemminkin syvästä reiästä pois pumputun veden vaikutuksesta pohjaveteen kuin itse kalliopohjaveden häiriötilasta. Pienikin ihmisen aiheuttama häiriö hitaasti liikkuvassa kallio- tai maapohjavedessä aiheuttaa pitkäaikaisen, hitaasti palautuvan, muutoksen pohjaveteen. Pohjaveden lämpötilan mittaaminen on halpa ja luotettava menetelmä häiriötilan ja sen keston havaitsemiseen. Veden aiheuttaman paineen (pohjaveden pinnan tason) mittaaminen tuo selvästi lisää tietoa häiriötilanteesta. Vaikka kallioon kairatun syvän reiän pohjaveden pinnan seurantaan käytetty Kellerin paineanturi ei tarkkuudeltaan ja ilmapainekompensaatioltaan ollut tyydyttävä, pystyttiin tiheällä seurannalla todentamaan kallioon tehdyssä syvässä reiässä on selvästi havaittava vuorovesi-ilmiö. KIRJALLISUUTTA Pekka Hänninen, Osmo Äikää, Arto Pullinen ja Juha Majaniemi, 2006. Pernunnummen aiheuitetut pohjaveden häiriötilat 2004-2005. Geologian tutkimuskeskus, raportti P32.4.019, 21 s.